Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Затраты на обеспечение работоспособности автомобилей за весь срок службы в несколько раз превышают затраты на их изготовление. Значительная доля затрат и простоев в ремонте приходится на двигатель (до 30%), в том числе на кривошипно-шатунный механизм (до 25%). К сожалению одной из основных причин таких затрат является использование стратегии устранения отказов, что в среднем в 5-7 раз дороже, чем при предупреждении отказов. Для снижения затрат на ремонт целесообразна профилактическая стратегия.

В процессе эксплуатации автомобилей происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и усталостное разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают, в том числе, задир шеек коленчатого вала из-за проворачивания вкладышей, а также разлом коленчатого вала, что является одной из основных причин ремонта двигателей Евро-2 КАМАЗ-740.

Надежная работа коленчатого вала зависит в основном от толщины масляной пленки в сопряжении вкладыш-шейка вала, перепада температур, наличия абразивных частиц, работы элементов системы подачи масла. Причинам проворачивания шатунных и коренных вкладышей посвящено большое количество работ, однако проблема задира шеек, ремонтопригодности коленчатого вала, снижения эксплуатационных затрат, выявления и устранения причин проворачивания вкладышей полностью не решена до настоящего времени.

Простои автомобилей КАМАЗ вызванные отказами двигателей, характеризуются главным образом проворачиванием вкладышей и необходимости ремонта или замены коленчатого вала. Эксплуататорами автомобилей предпринимаются определенные меры по выполнению требований завода-изготовителя, касающихся организации технического обслуживания, применению моторных масел, защиты двигателя от попадания пыли и других. В свою очередь конструктора ввели ряд улучшений в конструкцию двигателя, направленных на повышение эффективности очистки масла от абразивных частиц. Однако проведённые мероприятия не исключили отказов двигателей КАМАЗ из-за выхода из строя коленчатого вала.

Анализу причин проворачивания вкладышей, как основного источника неисправности кривошипно-шатунного механизма посвящены многие работы. В них утверждается связь отказов подшипников коленчатого вала с износными характеристиками, определяющими величины предельных износов шеек и вкладышей. Исследованию путей снижения затрат на поддержание автомобиля в технически исправном состоянии в процессе эксплуатации посвящены многочисленные работы таких ученых: М.А. Масино, Н.И. Иващенко, Ф.Н. Авдонькина, М.А. Григорьева, Н.Я. Говорущенко, Н.С. Ханина, А.Г. Липкинда, В.А. Шадричесва, А.И. Липгарта, Е.С. Кузнецова, И.Е. Дюмина, Г.В. Крамаренко.

Обозначим цель и объект исследования:

Цель исследования: разработка способа ремонта коленчатого вала с вытекающим снижением затрат на ремонт двигателя.

Объект исследования: азотированный коленчатый вал двигателей КАМАЗ Евро-2, кривошипно-шатунный механизм, система смазки.

Предмет исследования: невозможность использования коленчатого вала двигателей Евро-2 КАМАЗ после шлифовки шеек на глубину более 0,25 мм.

Научная новизна состоит в разработке оригинальной методики ремонта, позволяющей восстанавливать азотированный коленчатый вал двигателей КАМАЗ Евро-2.

Практическая ценность: разработана методика восстановления азотированных коленчатых валов двигателей КАМАЗ Евро-2. Имеет ценность для завода-изготовителя, фирменных сервисных центров и ремонтных заводов. Это позволит:

а). повысить надежность двигателей в эксплуатации;

б). значительно уменьшить стоимость ремонта автомобилей.

РАЗДЕЛ 1. Анализ состояния вопроса по ремонту азотированных коленчатых валов автомобилей КАМАЗ

1.1 Азотированный коленчатый вал КАМАЗ

Азотированный коленчатый вал двигателя Евро-2 КАМАЗ-740 (рис. 1.1.1.) изготовлен из высококачественной стали и имеет пять коренных и четыре шатунные шейки, связанные щеками и сопряженные переходными галтелями. Для равномерного чередования рабочих ходов шатунные шейки коленчатого вала расположены под углом 90°.

Упрочнение коленчатого вала производится азотированием на глубину 0,5...0,7 мм, твердость упрочненного слоя не менее 600 HV.

Подвод масла к шатунным шейкам производится через отверстия в коренных шейках 6 и отверстия 5.

Рисунок 1.1.1. Азотированный коленчатый вал КАМАЗ

1 - противовес; 2 - шестерня привода масляного насоса; 3 - заглушка; 4 шпонка; 5 - отверстия подвода масла к шатунным шейкам; 6 - отверстия подвода масла в коренных шейках.

Для уравновешивания сил инерции и уменьшения вибраций коленчатый вал имеет шесть противовесов, отштампованных заодно со щеками коленчатого вала. Кроме основных противовесов, имеется дополнительный съемный противовес 1, напрессованный на вал, его угловое расположение относительно коленчатого вала определяется шпонкой 4.

На хвостовике коленчатого вала выполнена шейка, по которой центрируется шестерня коленчатого вала и маховик. На заднем торце коленчатого вала выполнено десять резьбовых отверстий М16х1,5-6Н для крепления шестерни коленчатого вала и маховика, на переднем торце выполнено восемь резьбовых отверстий M12x1,25-6Н для крепления гасителя крутильных колебаний.

Номинальные диаметры шеек коленчатого вала:

коренных 95-0,015 мм;

шатунных 80-0,013 мм.

Для восстановления двигателя предусмотрены восемь ремонтных размеров вкладышей (табл. 1.1.1., 1.1.2.).

Таблица 1.1.1 Таблица ремонтных вкладышей коренных подшипников коленчатого вала

Обозначение	Диаметр коренной шейки, мм	Диаметр отверстия в блоке цилиндров, мм
7405.1005170 Р0 7405.1005171 Р0	94,95	100
7405.1005170 Р1 7405.1005171 Р1	94,5	100
7405.1005170 Р2 7405.1005171 Р2	94	100
7405.1005170 Р3 7405.1005171 Р3	95	100,5
7405.1005170 Р4 7405.1005171 Р4	94,5	100,5
7405.1005170 Р5 7405.1005171 Р5	94	100,5
7405.1005170 Р6 7405.1005171 Р6	93,5	100
7405.1005170 Р7 7405.1005171 Р7	93	100

Таблица 1.1.2. Таблица ремонтных вкладышей нижней головки шатуна

Обозначение	Диаметр шатунной шейки, мм	Диаметр отверстия в кривошипной головке шатуна, мм
7405.1004058 Р0	79,95	85
7405.1004058 Р1	79,5	85
7405.1004058 Р2	79	85
7405.1004058 Р3	80	85,5
7405.1004058 Р4	79,5	85,5
7405.1004058 Р5	79	85,5
7405.1004058 Р6	78,5	85
7405.1004058 Р7	78	85

Пределы допусков диаметров шеек ремонтного коленчатого вала при восстановлении двигателя должны быть такими же, как у диаметров шеек нового коленчатого вала.

Клеймо ремонтного размера нанесено на тыльной стороне вкладыша.

Вкладыши 7405.1005170 Р0, 7405.1005171 Р0, 7405.1005058 Р0 применяются при восстановлении двигателя без шлифовки коленчатого вала. При необходимости шейки коленчатого вала полируются.

Пределы допусков по диаметрам шеек коленчатого вала, диаметру отверстия в блоке цилиндров и диаметру отверстия в кривошипной головке шатуна при восстановлении двигателя должны быть такими же, как у номинальных размеров.

Маркировка коленчатого вала, выполненная в поковке на третьем противовесе, должна быть 740.50-1005020.

Важно! При шлифовке коленчатых валов, упрочненных азотированием или карбонитрированием, на глубину по коренным шейкам до 94 мм и менее или по шатунным шейкам до 79 мм и менее, необходимо проведение повторной упрочняющей обработки по специальной технологии.

1.2 Коленчатый вал КАМАЗ, упрочненный токами высокой частоты

На двигателях уровня Евро-3 применяется тот же коленчатый вал с маркировкой 740.50-1005020, однако с 2008 года для двигателей мощностью до 320 л.с. включительно допускается применение коленчатых валов упрочненных токами высокой частоты с соответствующей маркировкой 740.50-1005020-10.

Так же в связи с высокими удельными нагрузками, действующими на подшипники в двигателях нового поколения, вкладыши двигателей Евро-3 имеют конструктивные отличия от ранее выпускаемых (табл. 1.2.1., 1.2.2.), направленные на повышение их работоспособности, при этом изменена маркировка вкладышей на 740.60-1004058 (шатунные), 740.60-1005170 и 740.60-1005171 (коренные).

При ремонте коленчатого вала допускается перешлифовка коренных и шатунных шеек с уменьшением их диаметров на 0,25 мм и применением соответствующих ремонтных типоразмеров коренных и шатунных вкладышей.

Таблица 1.2.1 Таблица ремонтных вкладышей коренных подшипников коленчатого вала

Обозначение	Диаметр коренной шейки, мм	Диаметр отверстия в блоке цилиндров, мм
740.60-1005170 Р01 740.60-1005171 Р01	94,75	100
740.60-1005170 Р02 740.60-1005171 Р02	95,5	100
740.60-1005170 Р03 740.60-1005171 Р03	94,25	100
740.60-1005170 Р10 740.60-1005171 Р10	95	100,5
740.60-1005170 Р11 740.60-1005171 Р11	94,75	100,5
740.60-1005170 Р12 740.60-1005171 Р12	95,5	100,5
740.60-1005170 Р13 740.60-1005171 Р13	94,25	100,5

Таблица 1.2.2. Таблица ремонтных вкладышей нижней головки шатуна

Обозначение	Диаметр шатунной шейки, мм	Диаметр отверстия в кривошипной головке шатуна, мм
740.60-1004058 Р01	79,75	85
740.60-1004058 Р02	79,5	85
740.60-1004058 Р03	79,25	85
740.60-1004058 Р10	80	85,5
740.60-1004058 Р11	79,75	85,5
740.60-1004058 Р12	79,5	85,5
740.60-1004058 Р13	78,25	85,5

1.3 Свойства азотированных коленчатых валов

Азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков.

Главным достоинством технологии азотирования является высокая твердость упрочненного слоя, HV до 1200.

Азотированные коленчатые валы КАМАЗ, изготовленные из стали марки 42ХМФА ТУ 14-1-1296-75 имеют твердость в районе 800 HV, при требованиях чертежа не менее 600 HV. Следующим положительным моментом азотированного коленчатого вала может являться то, что при азотировании происходит поверхностное насыщение всей детали, а не только шеек как при индукционной закалке. Это повышает прочность вала на изгиб.

К недостаткам можно отнести целый рад факторов:

1. Процесс азотации занимает довольно длительное время, до 30 часов и более трудоемок по выполнению;

2. Толщина упрочненного слоя составляет не более 0,5-0,7 мм;

3. Упрочненный слой с высокой твердостью трудно обрабатываем;

4. Насыщение нитридами всей поверхности вала в то же время снижает его пластичность;

5. При перегреве азотированного участка происходит его разрыв, а не расширение как в случае с ТВЧ.

1.4 Анализ дефектов коленчатых валов КАМАЗ

Причины выхода из строя

Статистика по видам износов и дефектов коленчатых валов, поступившим с двигателями КАМАЗ в капитальный ремонт на ЗАО «Ремдизель» г. Набережные Челны, показывает (табл. 1.4.1.) структуру дефектов, их повторяемости и сочетаниях.

Таблица 1.4.1. Распределение основных дефектов коленчатых валов

Наименование дефектов	Доля %
Задир на шатунных шейках из-за проворота вкладышей (В) Трещины на шейках Прогиб оси коленвала более 0,9мм (измерен по третьей коренной шейке) Задир на коренных шейках из-за проворота вкладышей (Г) Нет галтелей на шейках (некачественная перешлифовка) Усталостное разрушение коленвала	34,92 9,41 5,05 4,54 5,76 0,70

Первые четыре дефекта, указанные в таблице, как правило, встречаются одновременно. Коленчатые валы с задирами по шейкам имеют трещины и прогиб оси. Места расположения дефектов показаны на рис. 1.4.1., обозначены буквами: А, Б - заломы и задиры болтов на переднем и заднем торцах, В - износы шатунных шеек, Г - износы и задиры коренных шеек, Е - задиры поверхности под подшипник первичного вала, И - износ упорных поверхностей полуколец, Д - поверхности под сальник, смятие шпоночных пазов, Ж - забоины на противовесах.



Рис. 1.4.1 Места расположения дефектов коленчатого вала

По данным ВНИИТУВИД «РЕМДЕТАЛЬ» (ГОСНИТИ) в результате анализа эксплуатационных дефектов коленчатых вала двигателя КАМАЗ было установлено, что из 11 наименований дефектов наиболее распространенными дефектами были следующие:

- деформация коленчатого вала (69%);

- проворот, задир или аварийный износ коренных и (или) шатунных шеек (22%);

- трещины на коренных и (или) шатунных шеек (7%);

- ослабление посадки, смятие штифтов, разрешение резьбы под болты крепления маховика (19%).

Средняя величина отклонения от номинального диаметра в зоне наибольшего износа (при нормальном износе) коренных шеек составляет 0,027 мм, а шатунных 0,029 м.

Биение средней шейки для нормально изношенных валов находится в пределах от 0,02 мм до 0,17 мм, при этом средняя величина биения составляет 0,054 мм, а для аварийного износа в пределах от 0,040 мм до 0,730 мм, при средней величине биения - 0,227 мм.

Причинами задира шеек могут быть несколько факторов. Это может 6ыть масляное голодания при работе коренных и шатунных подшипников коленчатого вала, а также превышение погрешности формы шеек более 0,05 мм. Основное значение имеет несущая способность шеек, зависящая от триботехнической пары.

Коленчатые валы с усталостными разрушениями составляли 1,1%. В основном разрушения происходят при доминирующем влиянии изгиба в плоскости кривошипа. Подавляющее количество (92%) разрушенных коленчатых валов имели сопутствующие дефекты эксплуатационного и технологического происхождения. Наиболее опасными являются сочетания дефектов задир и трещина, а также задир и подрез галтели. Кроме того, почти у четверти разрушенных валов были скрытые дефекты в зоне смыкания штампа, послужившие началу развития разрушения. Часть разрушений (17%) была усугублена конструкцией и качеством изготовления полости грязевика.

Анализ результатов стендовых испытаний сопротивления усталости показал, что эти коленчатые валы обладают значительным запасом прочности. В тоже время их показатели существенно зависели от поставщиков стали. Наиболее высокие значения моментов выносливости имели коленчатые валы из стали Челябинского металлургического комбината. При испытаниях нормально изношенных валов с шейками ремонтных размеров значимого снижения сопротивления усталости не было выявлено, что можно объяснить закалкой галтелей.

Анализ неисправностей коленчатых валов двигателей КАМАЗ 740 Евро-2 по данным ИП Мухаметшин М.Х (место прохождения ПДП).

Основные причин выхода коленчатого вала из строя:

- проворот вкладышей;

- срытый заводской брак;

- нарушение норм и порядка технического обслуживания;

- замена вкладышей «на весу» без перешлифовки вала или расточки блока цилиндров.

Для коленчатого вала 740.50-1005020 определены следующие допустимые размеры:

Диаметр коренных шеек 94,985…95,000

Зазор в подшипниках коренных шеек 0,096…0,156

Допустимый зазор в подшипниках коренных шеек 0,22

Диаметр шатунных шеек 79,987…80,000

Зазор в подшипниках шатунных шеек 0,16

Допустимый зазор в подшипниках шатунных шеек 0,070…0.117

Осевой зазор 0,100…0,195

Допустимый осевой зазор 0,25

Диаметр шейки вала под передний противовес, шестерню привода масляного насоса:

Номинальный 115,080…115,110

Допустимый 115,080

Диаметр шейки вала под заднюю шестерню коленчатого вала:

Номинальный 105,070…105,096

Допустимый 105,060

1.5 Исследование ремонтопригодности коленчатых валов двигателей КАМАЗ

Исследование проводилось в НТЦ ОАО «КАМАЗ». Объекты исследования:

- коленчатый вал с упрочненным ионным азотированием в ОАО «КАМАЗ». Замеры микротвердости выполнены в НТЦ, протокол исследований от 25.06.2003 г. № 124;

- коленчатый вал с упрочнением индукционной закалкой. Замеры микротвердости выполнены в НТЦ, протокол исследований от 07.07.2004 г. № 465.

Исследование ремонтопригодности коленчатых валов проводилось посредством замера микротвердости по HV0,3 по сечениям, перпендикулярным к исследуемым поверхностям.

В качестве технологического параметра была выбрана микротвердость 453 HV. По результатам замеров строился график распределения микротвердости по глубине упрочненного слоя для каждого коленчатого вала. Величина 453 HV - минимальная твердость, которая допускается на шатунных и коренных шейках коленчатых валов с упрочнением индукционной закалкой после ремонта двигателей КАМАЗ. Подтверждением правильности выбора такой микротвердости являются испытания на надежность в объеме 1000 часов работы двигателя КАМАЗ-740.11-240, испытание № 311439 ОАО «НИИТАВТОПРОМ». После окончаний испытания двигателя коленчатый вал находится в работоспособном состоянии, твердость поверхности шеек составляет 454…524 HV.

Результаты исследования показаны на графике 1.5.1.

График 1.5.1 Распределения микротвердости по глубине упрочненных слоев для различных способов упрочнения коленчатых валов

Анализ ремонтопригодности коленчатых валов приведен в таблице 1.5.1.

Таблица 1.5.1 Анализ ремонтопригодности коленчатых валов

Способупрочения	Состояние поверхности шеек перед ремонтом	Категория ремонтопригодности
		0,5…	…0,4
		коренные шейки	шатунные шейки	коренные шейки	шатунные шейки
		Припуск при перешлифовке, мм	Микротвердость после шлифовки	Работоспособность	Припуск при перешлифовке, мм	Микротвердость после шлифовки	Работоспособность	Припуск при перешлифовке, мм	Микротвердость после шлифовки	Работоспособность	Припуск при перешлифовке, мм	Микротвердость после шлифовки	Работоспособность
Ионное азотирование	Износ	0,160	455	+	180	430	-	1,035	n/a	-	1,055	n/a	-
	Задир	0,193	415	-	180	430	-	1,068	n/a	-	1,055	n/a	-
Индукционная закалка	Износ	0,248	576	+	180	584	+	1,115	517	+	1,055	494	+
	Задир	50% коленчатых валов не могут быть восстановлены из-за задиров и перегибов

Из приведенного анализа следует: коленчатые валы с естественным износом имеют по шейкам износ до 0,1 мм, поэтому значительное количество коленчатых валов может быть восстановлено с использованием дополнительных категорий ремонтных размеров по шейкам со ступенями ремонта 0,25 мм по диаметру, что соответствуем мировой практике двигателестроения. Введение этих дополнительных категорий ремонтных размеров особенно актуально для коленчатых валов, упрочненных ионным азотированием или карбонитрированием. Ввиду значительного снижения износов и глубины упрочненного слоя по сравнению с упрочнением индукционной закалкой (рис. 1.4.1., 1.4.2.).

1.6 Конструктивно-технологические мероприятия по повышению ремонтопригодности коленчатого вала

ОАО «КАМАЗ» внедрил следующие мероприятия для повышения ремонтопригодности коленчатых валов собственного производства.

№	Мероприятия	Эффект
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.	Задросселированы второстепенные потребители масла за счет уменьшения диаметров маслоподводящих отверстий опор распределительного вала с 8 до 4 мм Увеличен диаметр отверстия в верхнем коренном вкладыше с 5 до 7 мм и увеличена ширина канавки во вкладыше с 5 до 7 мм Установка масляного насоса повышенной производительности с 85 до 150 л/мин с усовершенствованными клапанами Совершенствование очистки и охлаждения масла фильтрами и теплообменником Усовершенствование коленчатого вала (отказ от центробежных грязеуловителей и изменение масляных каналов) Установка маслооткачивающего насоса на некоторых моделях двигателей Введен односторонний подвод масла к шатунным подшипникам Ликвидирована втулка центробежной очистки масла в шатунной полости Уменьшение натяга шатунных вкладышей за счет снижения величины выступания и размера в свободном состоянии Введение полировки масляных клапанов коленчатого вала Введена термообработка шеек ТВЧ вместо азотирования Внедрена при ремонте перед перешлифовкой правка оси коленвала чеканкой галтелей	Сокращена неравномерность давления масла по коренным опорам на 20%. Расход масла через шатунные подшипники повышается на 35-40%, критические режимы наблюдаются при более высоких частотах. Повышение давления в системе смазки в среднем на 10%, создание запаса производительности. Повышена степень очистки масла и улучшился тепловой режим двигателя. Повышение усталостной прочности коленчатого вала, улучшение смазки шатунных подшипников. Стабилизация работы системы смазки в экстремальных условиях (длительные крены). Повышено давление масла в коренных подшипниках на 0,06 - 0,17 МПа, снижено критическое давление разрыва потока Снизилось давление первого критического режима смазки шатунных подшипников. Снижение напряжений во вкладышах и их деформаций при работе. Повышение предела выносливости на 14-28%. Появилась возможность перешлифовок в 4 ремонтных размера с интервлом 0,5 мм Снизился процент перескоков через ремонтный размер и выбраковка при перешлифовке

1.7 Задачи разработки способа ремонта азотированного коленчатого вала двигателя Евро-2 КАМАЗ-740

Из пункта 1.3. вытекают две основные проблемы ремонтопригодности азотированного коленчатого вала КАМАЗ. Это вопрос удаления высокопрочного азотированного слоя и упрочнение азотированного коленчатого вала после шлифовки шеек на глубину более 0,5 мм, т.е. возможность применения второго и последующих ремонтных размеров.

1.7.1 Ремонт коленчатого вала. Удаление упрочненного слоя

Как показывает практика азотированный коленчатый вал, обладающий высокой прочностью, вследствие чего традиционный метод ремонта коленчатого вала слабо применим. Повышенная твердость металла отрицательно сказывается на ресурсе абразивного круга шлифовального станка. Ресурс круга уменьшается в разы в месте с тем сам круг теряет форму, ввиду неравномерного стачивания. Между тем общим правилом при выборе круга по твердости является следующее: чем тверже шлифуемый материал, тем быстрее притупляются зерна круга, следовательно, тем мягче должен быть выбран круг (слабее связка). Это предполагает применение иного шлифовального круга для обработки азотированного коленчатого вала, более мягкого и вместе с тем быстро расходующегося.

Решением этой проблемы может стать технология шлифовки шеек коленчатого вала электрохимическим методом на электроэрозионном станке или технологией электроэрозии.

1.7.2 Упрочнение коленчатого вала после шлифовки шеек на глубину более 0,5 мм

Решением проблемы отсутствия упрочненного слоя может является последующая термическая обработка - индукционная закалка токами высокой частоты в заводских условиях. Процесс закалки ТВЧ по длительности занимает 7-10 минут на вал, что в сравнении с 30-часовым процессом азотирования в заметном выигрыше.

Также, например, может быть перенят метод, внедренный в ООО «Научно-технический, образовательный и производственный центр высокочастотных электротехнологий «ИНТЕРМ».

Ими разработана технология индукционной поверхностной закалки ТВЧ с использованием токарного станка в качестве привода вращения и перемещения.

В качестве привода вращения может быть использован шлифовальный станок коленчатых валов.

Выводы по разделу

1. Коленчатые валы упрочненные ионным азотированием могут быть восстановлены на категорию ремонтного размера 0,5 при естественном износе в эксплуатации.

2. Азотирование коленчатых валов КАМАЗ имея достоинство в качестве увеличения твердости упрочненного слоя скрывает в себе два существенных недостатка. Первое, это трудности удаления упрочненного слоя после проворота вкладышей или иного дефекта, повлекшего не возможность дальнейшего применения коленчатого вала. Второй случай, это отсутствие упрочненного слоя при ремонте коленчатого вала до второго ремонтного размера. Для решения этих задач рассматривается применение методов электрохимической и термической обработки коленчатого вала. Этим, а также другим методам восстановления коленчатых валов посвящен второй раздел дипломного проекта.

РАЗДЕЛ 2. Аналитическое исследование технологий и способов ремонта коленчатых валов двигателей КАМАЗ

Перед выполнением ремонта коленчатого вала необходимо убедиться в его ремонтопригодности. Для этого необходимо выполнить его дефектацию.

К дефектовке относится визуальный осмотр, измерение геометрических размеров, проверка на биение и на отсутствие микротрещин. Необходимо определить, останется ли после последующей операции шлифования достаточный остаточный закаленный слой у коленчатого вала.

При необходимости точную глубину закаленного слоя коленчатого вала следует определить на дефектном образце такого же коленчатого вала. Для этого его необходимо ступенчато сошлифовать, периодически проверяя его твердость по приборам Роквелла или Брюнела.

Возможные дефекты коленчатого вала, подлежащие восстановлению:

- износ/проворот шатунных и/или коренных шеек;

- износ шейки носка;

- износ шейки хвостовика;

- трещина на хвостовике;

- деформация торца.

2.1 Шлифовка коленчатых валов

Восстановление коленчатого вала по износам, задирам или проворотам на поверхности шеек, деформаци, скручиванию шеек производится перешлифовкой в ремонтные размеры с последующей полировкой и обработкой галтелей маслоподводящих отверстии. До ремонтных размеров, указанных в таблицах 1.1.1., 1.1.2., 1.2.1. и 1.2.2. твердость поверхностей шеек сохраняется без повторной термообработки.

Валы, имеющие изгибы более допустимых, правятся с чеканкой по галтелям. Чеканка по галтелям производится для фиксации правки, величину биения проверяют индикаторной стойкой. Приспособление для правки изготавливается с использованием ручного гидравлического домкрата. После исправления указанных выше дефектов коленвалы передаются на обработку шеек в ремонтные размеры.

Таблица 2.1 Величина допустимого биения средней коренной шейки относительно крайних для перешлифовки в последний ремонтный размер без правки

исходный размер	величина допустимого биения, в мм
Р0	0,90
Р1	0,65
Р2	0,40
Р3	0,15

Как правило для шлифования применяется кругло-шлифовальный станок, предназначенный для обработки коленчатых валов.

При необходимости на таких станках может выполняться шлифовка галтелей коленчатого вала.

Однако при шлифовании азотированных коленчатых валов с высокой прочностью шеек коленчатого вала происходит ускоренный расход шлифовального круга.

После выполнения операции шлифования и последующей операции прочистки каналов коленчатого вала следует выполнить операцию динамической балансировки коленчатого вала. Операция выполняется на специальном стенде для динамической балансировки коленчатых валов.

При выполнении динамической балансировки сначала отдельно балансируется коленчатый вал. При необходимости для достижения отсутствия дисбаланса коленчатого вала выполняются соответствующие сверления в поверхностях противовесов вала.

Затем на этом же стенде балансируется коленчатый вал в сборе с маховиком. При необходимости при этом для достижения отсутствия дисбаланса коленчатого вала в сборе с маховиком выполняются соответствующие сверления в поверхности маховика (отступив 2,5-3 см от его венца).

Далее на этом стенде балансируется коленчатый вал в сборе с маховиком и корзиной сцепления. При необходимости, для достижения отсутствия дисбаланса коленвала в сборе с маховиком и корзиной сцепления, выполняются соответствующие сверления в поверхности сцепления. Следует отметить, что эти отверстия не должны быть сквозными.

2.2 Наплавка

Следующим видом дефекта является износ шейки носка и хвостовика коленчатого вала. Чаще всего дефект устраняется путем наплавки и последующей шлифовки. Также наплавка применима при восстановлении шеек коленчатого вала. В этом случае после наплавки поверхность необходимо подвергнуть упрочнению.

Наплавка представляет собой нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Наплавка позволяет получать детали с поверхностью, отличающейся от основного металла, например жаростойкостью и жаропрочностью, высокой износостойкостью при нормальных и повышенных температурах, коррозионной стойкостью и т.п. Наплавка может производиться как при изготовлении новых деталей, так и в ремонтно-восстановительных работах, существенно удлиняя срок эксплуатации деталей и узлов, обеспечивая этим высокий экономический эффект.

При восстановлении, ремонте наплавку выполняют примерно тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако такое решение не всегда целесообразно. Иногда при изготовлении новых деталей (и даже при ремонте) целесообразней на поверхности получить металл, отличающийся от металла детали.

Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует одно целое с основным металлом (металлическая связь). При этом, как правило (кроме некоторых случаев ремонтной наплавки, применяемой для восстановления исходных размеров деталей), химический состав наплавленного слоя может значительно отличаться от состава основного металла. Толщина наплавленного металла, образованного одним или несколькими слоями, может быть различной 0,5 … 10 мм и более.

Существуют разнообразные способы наплавки:

Ручная дуговая электродами со стержнями и покрытиями специальных составов.

Автоматическая наплавка под флюсом. Электроды могут быть сплошного сечения и порошковые. Состав флюса, металл электрода и состав наполнителя определяют свойства наплавленного слоя.

Наплавка плавящимися и неплавящимися электродами в среде защитных газов. Свойства наплавленного слоя зависят от материала присадки или электрода.

Плазменная наплавка. Дуга может быть как прямого, так и косвенного действия. Можно плазменной струей оплавлять слой легированного порошка, предварительно нанесенный на поверхность детали.

Электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная наплавка, а также наплавка газокислородным пламенем.

В хвостовике коленчатого вала встречается дефект - трещина. Обычно это следствие обрыва болтов маховика. В этом случае также применяется метод ремонта - наплавка, возможно и завтуливание.

При завтуливании шейка коленчатого вала в месте трещины шлифуется на глубину 1,5-2 мм, изготовляется кольцевая обойма для посадки внатяг на зашлифоанное место. Посадка в натяг осуществляется путем разогрева обоймы и одновременном охлаждении хвостовика коленчатого вала. После установки и охлаждения обоймы, производится операция шлифовки до номинального размера 104,860…105,000 мм.

2.3 Электрохимический метод обработки

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика - возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

Так как длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 0,1 c, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то, прежде всего, разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. При приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого. Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе).

Электроискровые методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Инструментом в электроискровой обработке является тонкая проволока, которая является более дешевой по сравнению с инструментом для механической обработки. Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимость используемого инструмента. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимость инструмента не превышает 3,5%.

Рабочие жидкости должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечение высоких технологических показателей ЭЭО;

- термическая стабильность физико-химических свойств при воздействии электрических разрядов с параметрами, соответствующими применяемым при электроэрозионной обработке;

- низкая коррозионная активность к материалам ЭИ и обрабатываемой заготовки;

- высокая температура вспышки и низкая испаряемость;

- хорошая фильтруемость;

- отсутствие запаха и низкая токсичность.

При электроэрозионной обработке применение получили низкомолекулярные углеводородистые жидкости различной вязкости; вода и в незначительной степени кремнийорганические жидкости, а также водные растворы двухатомных спиртов.

Для каждого вида ЭЭО применяют рабочие жидкости, обеспечивающие оптимальный режим обработки. На черновых режимах рекомендуется применять рабочие жидкости с вязкостью (смесь керосин-масло индустриальное), а на чистовых (керосин, сырье углеводородное).

Электроды-инструменты (ЭИ) должны обеспечивать стабильную работу во всем диапазоне рабочих режимов ЭЭО и максимальную производительность при малом износе. Электроды-инструменты должен быть достаточно жестким и противостоять различным условиям механической деформации (усилиям прокачки РЖ) и температурным деформациям.

На поверхности ЭИ не должно быть вмятин, трещин, царапин и расслоения.

Поверхность ЭИ должна иметь шероховатость

При обработке углеродистых, инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе используют графитовые и медные ЭИ. Для черновой ЭЭО заготовок из этих материалов применяются ЭИ из алюминиевых сплавов и чугуна, а при обработке отверстий -- ЭИ из латуни. При обработке твердых сплавов и тугоплавких материалов на основе вольфрама, молибдена и ряда других материалов широко применяют ЭИ из композиционных материалов, так как при использовании графитовых ЭИ не обеспечивается высокая производительность из-за низкой стабильности электроэрозионного процесса, а ЭИ из меди имеют большой износ, достигающий десятка процентов, и высокую стоимость.

Износ ЭИ зависит от материала, из которого он изготовлен, от параметров рабочего импульса, свойств РЖ, площади обрабатываемой поверхности, а также от наличия вибрации.

На выбор материала и конструкции ЭИ существенное влияние оказывают материал заготовки, площадь обрабатываемой поверхности, сложность ее формы, требования к точности и серийности изделия.

По назначению (как и металлорежущие станки) различают станки универсальные, специализированные и специальные, по требуемой точности обработки -- общего назначения, повышенной точности, прецизионные. Общими для всех электроэрозионных станков узлами являются устройство для крепления и перемещения инструмента (заготовки), гидросистема, устройство для автоматического регулирования межэлектродного промежутка (между заготовкой и инструментом). Генераторы искровых импульсов изготовляются, как правило, отдельно и могут работать с различными станками. Основные отличия устройств для перемещения инструмента (заготовки) в электроэрозионных станках от таковых в металлорежущих станках -- отсутствие значительных силовых нагрузок и наличие электрической изоляции между электродами. Гидросистема состоит из ванны с рабочей жидкостью (вода, керосин и т.п.), гидронасоса для покачивания жидкости через межэлектродный промежуток и фильтров для очистки жидкости, поступающей в насос, от продуктов эрозии.

Метод электроконтактной обработки. Основан на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом-инструментом и удалении размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки механическим способом: относительным движением заготовки и инструмента. Источником теплоты в зоне обработки служат импульсные дуговые разряды. Электроконтактную обработку оплавлением рекомендуют для обработки крупных деталей из углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, тугоплавких и специальных сплавов.

Метод применяют при зачистке отливок от заливов, отрезке литниковых систем и прибылей, зачистке проката из спецсплавов, черновом круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов, шлифовании с одновременной поверхностной закалкой деталей из углеродистых сталей. Метод обработки не обеспечивает высокой точности и качества поверхности, но дает высокую производительность съема металла вследствие использования больших электрических мощностей.

Электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрической энергии - возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием. Преимущества метода - высокая производительность (до 106мм3/мин) на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях, низкие удельные давления инструмента - 30-50 кг/м2 (0,3-0,5 кгс/см2) и, как следствие, возможность использования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягких материалов. К недостаткам относят: большую шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах.

Электроконтактная обработка не обеспечивает высокой точности и качества поверхности (шероховатость поверхности около 50 мкм), но приводит к высокой производительности вследствие значительного съема металла. Применяется она для резки заготовок, обдирки отливок, заточки инструмента, плоского шлифования, прошивки отверстий, очистки от окалины, обработки криволинейных поверхностей т. д. Рекомендуется для обработки углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, тугоплавких, труднообрабатываемых и специальных сплавов.

Разновидностью электроконтактной обработки является электроабразивная обработка - обработка абразивным инструментом (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным на основе проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращает износ инструмента.

2.4 Термическая обработка

Закалкой ТВЧ (рис. 1.2.1.) называют вид термической обработки, при котором сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают в закалочной среде (вода, масло, соленые и полимерные жидкости).



Рис. 1.2.1 Схема индукционного нагрева

1 - деталь, 2 - индуктор

В результате закалки изменяются структура и свойства стали. Основными параметрами закалки являются температура нагрева, частота и скорость охлаждения.

Рис. 1.2.2 Изменение проникновения тока в проводник, в зависимости от частоты тока

Температура закалки определяется по диаграмме оптимальных интервалов закалочных температур углеродистых сталей. Скорость нагрева зависит от тепловой мощности нагревательной установки, химического состава стали, массы и размеров закаливаемых изделий. Время нагрева складывается из двух величин: времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре.



Рис. 1.2.3 Распределение температуры по сечению детали

1 - активный нагрев с помощью тока, нагрев вследствие теплопроводности, хк - толщина закаленного слоя

Индукционная закалка имеет гибкость применения благодаря ряду изменяемых параметров и возможности индивидуального подхода к каждой детали, что позволяет получать необходимую твердость и глубину закаленного слоя детали.

Преимущества и экономический эффект индукционной закалки.

Закалка ТВЧ обеспечивает высокое качество изделий и дает наиболее стабильные результаты по сравнению с другими методами поверхностного упрочнения (большое сопротивление изнашиванию и усталостному разрушению, малые деформации, почти полное отсутствие окисления и обезуглероживания). Благодаря нагреву только поверхностных слоев уменьшаются затраты энергии на нагрев.

Главное преимущество индукционного нагрева заключается в выделении теплоты непосредственно в самом металле. При индукционном нагреве токами высокой частоты реализуется возможность значительной концентрации электрической энергии в небольшом объеме нагреваемого металла, что позволяет осуществлять нагрев с большой скоростью. Данный вид поверхностного упрочнения позволяет изготовлять детали из дешевой углеродистой стали, обеспечивая ей высокие прочностные характеристики.

2.5 Химико-термическая обработка

Азотирование, насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твердости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости.

Азотирование стали происходит при t 500-650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 >> 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре азотирования ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис. 1.1.1.): e - нитрида Fe2N, g' - нитрида Fe4N, a - азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре азотирования 600-650° С возможно образование ещё и g-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591 °C на эвтектоид a + y1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2)и сохраняется при повторных нагревах до 500-600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. Азотирование - длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2--0,4 мм требуется 20--50 часов. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих азотированию, применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя А. жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

Выводы по разделу

Таким образом с задачей удаления упрочненного азотированного слоя можно справиться внедрением электрохимического метода обработки. Поскольку при этом методе не происходит непосредственного контакта электрод инструмена с обрабатываемой поверхностью, износ инструмента будет минимален, к тому же цена расходных материалов в разы ниже стоимости абразивного круга, применяемого при перешлифовке коленчатого вала.

С проблемой отсутствия упрочненного слоя при уменьшении азотированного слоя на 0,5 мм и более можно бороться применив проверенный метод индукционной закалки. Быстрая скорость процесса закалки и относительная дешевизна метода дадут заметный экономический эффект от внедрения метода. К тому же существует возможность перенятия опыта ООО «ИНТЕРМ», описанного в первом разделе.

азотированный коленчатый вал двигатель

РАЗДЕЛ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

3.1 Удаление азотированного упрочненного слоя коленчатого вала КАМАЗ электрохимическим методом

Способ 1.

Известен способ электроэрозионного шлифования тел вращения (Размерная электрическая обработка металлов: Учебн. пособие для студентов вузов /Б.А. Артамонов, А. Л. Вишницкий, Ю.С. Волков, А.В. Глазков./ Под ред. А.В. Глазкова. - М.: Высшая школа, 1978. - 336 с.), при котором электроду-заготовке задают вращение, к нему подводят на определенное расстояние электрод-инструмент, между электродами подают струю минерального масла и к электродам подают импульсы технологического тока (амплитудные значения напряжения поддерживаются на уровне от 20 до 200 В, тока от 10 до 50 А при частоте импульсов до 100 кГц). При этом к инструменту подключают минусовой вывод генератора импульсов.

Данному способу электроэрозионного шлифования тел вращения присущи следующие недостатки:

- требуется поддержание определенного зазора между электродами;

- невысокий КПД способа, т.к. процесс шлифования прекращается при коротком замыкании электродов и при увеличении зазора между электродами свыше пробивной величины.

Решением этой технической задачи может достигается тем, что между электродом-заготовкой и электродом-инструментом создается удельное давление до 0,5 МПа; в процессе шлифования используется сила тока от 1 мкА до 100 мА, что позволяет уменьшить размеры частиц эрозии, а следовательно, улучшить качество шлифованной поверхности; использование высокого напряжения (от 1 до 50 кВ) позволяет обеспечить эрозию металла как при удельных нагрузках на электроды, так и при наличии зазора между электродами.

На рисунке 3.1.1. представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит источник питания постоянного тока 1, генератор импульсов 2, автотрансформатор 3, устройство для подачи масла 4, электрод-инструмент 5 и электрод-заготовку 6.

Способ осуществляется следующим образом. Обрабатываемая электрод-заготовка 6 подключается к положительному полюсу автотрансформатора 3, а электрод-инструмент 5 - к отрицательному полюсу. Первичная обмотка автотрансформатора 3 питается от источника питания постоянного тока 1, а импульсы тока создаются генератором импульсов 2, который включен последовательно к первичной обмотке. Электрод-заготовка 6 приводится во вращение, к ней подводится электрод-инструмент 5, к которому прикладывается усилие, обеспечивающее удельное давление в контакте до 0,5 МПа. Между электродами подается масло через устройство 4, после чего включается источник питания 1. Генератор импульсов 2 преобразует постоянный ток в импульсный с частотой импульсов до 100 кГц, амплитудные значения напряжения с помощью автотрансформатора 3 варьируются в пределах от 1 до 50 кВт, что обеспечивает силу импульсного тока в контакте электрода-заготовки 6 и электрод-инструмента 5 в пределах от 1 мкА до 100 мА.



Рис. 3.1.1 Принципиальная схема обработки поверхности

Шлифование цилиндрической электрод-заготовки, изготовленной из стали 45, электродом-инструментом из БрОЦС-4-4-4 при частоте импульсов напряжения 100 кГц, амплитудных значениях напряжения между электродом-заготовкой и электродом-инструментом 10 кВт в течение 0,1 ч обеспечивает снятие слоя 0,2 мм. Шероховатость обработанной поверхности электрода-заготовки 0,1 мкм при исходной 0,63 мкм. При шлифовании между электродом-заготовкой и электродом-инструментом подавалось минеральное масло М8Г2К, а удельное давление в контакте достигало 0,5 МПа.

Способ 2. «Устройство для электрохимической обработки шеек коленчатого вала» Патент 2157744, авторы: Милых В.А.; Захаров И.С.

Известно "Устройство для электролитической очистки металлических поверхностей" (АС СССР N 753931 от 07.08.80, C 25 F 7/00), содержащее подвижный электрод, выполненный в виде гибкой пластины, уплотнение из изолирующего материала, закрепленное по периметру электрода, фиксирующие элементы из диэлектрического материала и штуцера для подвода и отвода электролита. Недостатком этого устройства является недостаточная точность размерной обработки, низкая производительность процесса.

Известно "Устройство для размерной электрохимической обработки длинномерных нежестких деталей" (АС СССР N 1618536 от 07.01.91, В 23 H 3/00), содержащее размещаемую на обрабатываемом участке локальную заполненную электролитом камеру для электрохимической обработки, в которой установлен электрод-инструмент, привод вращения обрабатываемого вала, источник технологического тока, а также державку с двумя упорными фланцами, в пазах которых установлена с возможностью поперечного перемещения камера. Этому устройству присущи следующие недостатки: сложность устройства в случае обработки цилиндрических шеек коленчатого вала; необходимость следящего механизма, обеспечивающего необходимый межэлектродный зазор; сложность размещения устройства между щеками противовесами; низкая производительность из-за невозможности одновременной обработки нескольких шеек.

Наиболее близким аналогом рассматриваемого устройства является устройство для электрохимической обработки шеек коленчатого вала (RU 2043884, МПК 7 B 23 H 9/04, 20.09.1995) (рис. 3.1.2.), содержащее разъемную камеру для электрохимической обработки, установленный в ней электрод-инструмент с токоподводом, коллекторы для подвода и отвода электролита, а также источник тока.

Технически характеристики устройства является устройство для электрохимической обработки шеек коленчатого вала:

Чистое время обработки коленвала 5-15 мин

Количество обрабатываемых коленчатых валов в смену до 8

Обрабатываемые шейки коренные и шатунные одновременно

Потребляемая мощность электроэнергии 2 КВт/ч

Необходимое помещение для станка 0 м.кв

Рабочее напряжение на электродах 3-16 В

Частота пульсаций 100 Гц

Количество выходных каналов 20

Максимальная сила тока на 1 канале 10 А

Рабочий зазор при обработке 0,1-0,5 мм

Интенсивность съема 0,5 мм/мин

Концентрация электролита 10-30 %