автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности коленчатых валов из высокопрочного чугуна при их восстановлении наплавкой

На правах рукописи

ПЕТРЯКОВ Владимир Константинович

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА 7РИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ НАПЛАВКОЙ

05.20.03 - "Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Саратов - 1996

Работа выполнена на кафедре "Надежность и ремонт машин" Саратовского государственного агроияженерного университета.

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

ДЕЕВ В.А. ЗМЕЕВ А.Я.

Официальные оппоненты:

Академик АПК РФ,

доктор технических наук, профессор

АНИКИН А. А.

Кандидат технических наук, доцент

ОСИПОВ К.Г.

Ведущая организация:

Научно-производственная фирма "Авторемонт" г.Саратов.

Защита диссертации состоится "25" октября 1996 г. в "¡200" часов на заседании диссертационного совета Д-120.04.01 Саратовского государственного аг-роинженерного университета по адресу 410740, г.Саратов, ул.Советская, 60,

СГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Н.П.ВОЛОСЕВИЧ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Разработка новых или совершенствование известных технологий пре:кде всего связаны с решением основной проблемы -полной реализации остаточной долговечности деталей.

Различным аспектам решения этой проблемы посвящены многочисленные работы ведущих отечественных ученых Деева В.А., Доценко Н.И., Какуевицкого В.А., Кряжкова В.М., Нативкина В.А., Сидорова А.И., Коваля A.B., Лялякина В.П., Стеренбогена Ю.А., Фрумина И.И., Черноиванова В.А., Юзвенко Ю.А. и многих других, имеющие фундаментальный характер и определяющие направления дальнейших исследований в данной предметной области.

В последнее время все более широкое распространение в автотракторных двигателях находят чугунные коленчатые валы (ЧКВ). Восстановление изношенных шеек коленчатых валов на ремонтных предприятиях осуществляется главным образом различными способами наплавки. Наиболее широко используется дуговая наплавка под флюсом, которая дает самый высокий коэффициент технико-экономической эффективности и в настоящее время обеспечивает до 90 % всего объема восстановления.

Однако накопленный на протяжении многих'лет практический опыт, а также результаты исследований позволяют констатировать, что совершенствование технологии восстановления ЧКВ в современных условиях требует разработки новых недефицитных наплавочных материалов, повышения производительности процесса, экономии материалов и электроэнергии при обеспечении высокого качества восстановленных поверхностей. В связи с этим разработка высокопроизводительной технологии наплавки ЧКВ является актуальной научной и технической задачей, имеющей важное государственное значение.

Диссертация направлена на выполнение постановления ГКВУЗа 6-14 (проблема 12.22, задание 3.9) от 26.01.1994 г. (Комплексная научно-техническая программа "Восстановление").

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - Повышение эффективности восстановления и долговечности чугунных коленчатых валов за счет разработки нового флюса и оптимизации технологии дуговой наплавки.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Технология восстановления ЧКВ двигателей ЗМЗ (Заволжского моторного завода).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность легирования наплавленного металла через флюс повышенной ос-

новности. Оптимизирован состав флюса и разработаны математические модели взаимосвязи качественных показателей наплавленного металла с его составом. Разработан расчетно-аналитический метод выбора оптимальных режимов наплавки с помощью функциональных зависимостей, связывающих факторные признаки процесса наплавки (силы тока, напряжения дуги, скорости наплавки и т.д.) и результативных показателей восстановленной детали (геометрия детали, механические характеристики детали и т.д.).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработан опытно-экспериментальный флюс повышенной основности оптимального состава для дуговой наплавки и технологический процесс восстановления коленчатых валов из высокопрочного чугуна двигателя ЗМЗ-53. Получены модели и определены факторные области процесса наплавки. Получены расчетно-аналитические зависимости оптимальных режимов наплавки. Спроектирована и изготовлена специализированная установка и технологическая оснастка для восстановления деталей типа "вал" (гладкие, ступенчатые, коленчатые валы). Проведено промышленное внедрение результатов исследования и проверка работоспособности восстановленных ЧКВ. Разработан технологический процесс восстановления шеек ЧКВ двигателей ЗМЗ-5Э дуговой наплавкой под флюсом повышенной основности, позволяющий повысить эффективность восстановления в 1.96 раза.

Методы расчета, математические модели процесса дуговой наплавки (ДН), алгоритмы и программы для ЭВМ, оборудование, технологическая оснастка, новый флюс и технология прошли опытно-промышленную проверку в научно-производственных фирмах "Авторемонт", "НПФ АгропромНадежность". Промышленное внедрение технологии проведено на: АО РЗ "Хоперский" (г.Ба-лащов) и автотранспортном управлении "Саратовгазавторемонт" (г.Саратов).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

- научно-технических конференциях СГАУ (Саратов, 1986... 1996 гг.);

- научно-техническом семинаре "Технологическое формирование качества деталей при капитальном ремонте машин" (Саратов. СПИ, 1986 г.);

- заседании секции "Наплавка и смежные процессы" координационного совета по сварке ( Киев, МНТК ЮС им. Е.О. Патона, 1989 г.);

- Всесоюзном научно-техническом семинаре "Оборудование и материалы для

наплавки" (Киев, МНТКИЭС им. Е.О. Патона, 1989г.);

- научно-технической конференции ЧИМЭСХ (Челябинск, 1990 г.);

- Всесоюзном научно-техническом семинаре "Научно-технический прогресс в автотракторном производстве"(Москва,МДНТП им.Ф.Э.Дзержинского,1990 г.);

- Межгосударственном научно-техническом семинаре "Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ" (Саратов, СГАУ, 1995 г.);

- межкафедральном технологическом семинаре СГАУ (Саратов, 1996 г.)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВО ВВЕДЕНИИ обозначена научная задача, решаемая в работе, сформулированы ее цель, научная новизна, практическая ценность и представлены основные положения, выносимые на защиту.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена обоснованию постановки задач исследования. Представлен критический анализ способов и технологий восстановления изношенных ЧКВ. Обоснованы особенности легирования наплавленного металла через флюс и влияние его свойств на процесс наплавки. Рассмотрены пути совершенствования технологии наплавки ЧКВ.

Установлено, что в последние десятилетия в качестве материала коленчатых валов широко применяется ВЧ, который обеспечивает циклическую и эксплуатационную долговечность на регламентируемом уровне. При этом затраты на изготовление сокращаются в 2...2,5 раза по сравнению со стальными коленчатыми валами. В качестве изделия-представителя в работе рассматривался ЧКВ двигателя ЗМЗ-53. Проведенный анализ свидетельствует, что эксплуатационная долговечность шеек ЧКВ снижается с наработкой. Это объясняется ростом накопленных дефектов и снижением величины несущей способности при перешлифовках под ремонтные размеры. Такая же тенденция характерна для циклической долговечности. В целом приведенный анализ литературы и производственного опыта позволяет констатировать следующее:

ЧКВ являются конструктивно сложными, дорогостоящими деталями, изготовленными из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, обладающим плохой свариваемостью. Восстановление изношенных ЧКВ производится различными способами металлизации, напекания, напыления и наплавки. При этом циклическая долговечность составляет 54...87 % , эксплуатационная - 62...85 0/о, межремонтный ресурс не превышает 65 % от нового изделия.

В производстве для восстановления ЧКВ широко используются технология НИИАТ (дуговая наплавка по стальной оболочке под легирующим флюсом на базе АН-348А) и технология ЧГАУ (наплавка проволокой Св-08А под смесью флюсов АНК-18 и АН-60 с подачей дополнительной присадочной проволоки). Во всех случаях имеет место анизотропия наплавленного металла по химическому составу, структуре и механическим свойствам, наличие в нем пор, трещин, большая по размерам зона термического влияния (ЗТВ) в шейках и щеках. Используемые в практике способы легирования наплавленного металла дороги и не эффективны, так как базируются на флюсосмесях нестабильного состава. Флюса, обеспечивающего высокое качество наплавки шеек ЧКВ, практически не создано.

В этой связи необходима разработка новых подходов активного вмешательства в физико-химические процессы жидкой сварочной ванны, обеспечивающих управление химическим составом, структурой и свойствами наплавленного металла за счет дешевых и недефицитных компонентов. По экономическим соображениям предпочтение следует отдать технологиям, основанным на наплавочных материалах, обеспечивающих высокую твердость наплавленного металла без применения последующей термообработки.

Научно-обоснованных методов выбора режимов наплавки шеек ЧКВ, в комплексе учитывающих геометрию наплавляемого слоя и ЗТВ, служебные свойства и себестоимость восстановления не имеется. Надежной технологии, обеспечивающей качественное восстановление ЧКВ не разработано.

В связи с этим в работе решались следующие задачи:

1. Разработать новый флюс, обеспечивающий получение на наплавляемой детали из высокопрочного чугуна стального слоя с твердостью не ниже НЯС 50...56.

2.0пределить факторные области существования и разработать математические модели процесса дуговой наплавки шеек ЧКВ.

3.Оптимизировать режимы и условия наплавки шеек ЧКВ под новым плавленым флюсом повышенной основности.

4.Дать рекомендации по совершенствованию технологии восстановления ЧКВ, разработке оборудования и внедрения их в практику ремонтного производства.

ВТОРАЯ ГЛАВА содержит разработку: теоретического обоснования системы легирования и влияния химического состава наплавленного металла на

свойства наплавленных поверхностей; метода оптимизации состава наплавочных материалов; математических моделей процесса и расчетно-аналитического метода оптимизации режимов наплавки.

Обычно при наплавке шеек коленчатых валов используют флюсы шлаковой системы "МпО - БЮг". При этом обеспечивается частичное легирование сварочной ванны марганцем и кремнием, степень восстановления которых находится в прямой зависимости от основности и химической активности флюса. Повышение основности флюса способствует переходу марганца в сварочную ванну почти по линейной зависимости и противоположно связано с кинетикой перехода кремния. При постоянной концентрации МпО рост основности флюса происходит за счет повышения содержания основных окислов К^О и СаО или за счет снижения концентрации 5102. Это приводит к интенсификации марганцевосста-новительного процесса, повышает устойчивость аустенита, снижает критическую скорость закалки и, как следствие, обеспечивает самозакаливаемость наплавленного слоя при естественном охлаждении на воздухе повышает стойкость к перенаклепу и способствует упрочнению металла при высоких контактных напряжениях. Другой составляющей шлаковой системы "МпО-5Юг" является оксид кремния, который активно снижает напряжения в зоне сплавления высокоуглеродистой наплавки с основным металлом вследствие диффузии углерода в околошовную зону. Изменение состава шлаковой системы в сторону увеличения основности повышает качество наплавленного металла и сварочно-технологические свойства флюса.

Установлено, что при наплавке стали на ВЧ равномерная мелкоячеистая структура обеспечивается в случае, когда флюс представляет шлаковую систему "МдО - МпО - 5102". Оптимальный состав флюса обеспечивается при концентрации составляющих (М§0 + СаО) = 28...32 %, МпО = 28...35 % и БЮ2 = =27...35 %. Наплавленный металл в таком случае обладает стабильной твердостью ЖС 50...56. По принятой в сварочном производстве классификации получаемый оксидный флюс следует отнести к типу высокомарганцовистых, низкокремнистых, активных, повышенной основности.

Принципиальная функциональная зависимость твердости и относительной износостойкости от содержания в наплавленном металле С, Мл, Б!, Сг можно представить как некоторое отображение:

И : Я4 Я, (1)

Методом многофакторного планируемого эксперимента определено, что наилучшей аппроксимацией является интерполяционный многочлен второй степени:

Р;(ХЬХ2,Х3,Х4) = ОСО СХ1Х1 + ОС2Х2 + <ХзХз + 04X4 + ОС5Х]Х2 + ОСбХ^з + 07X1X4+

+ а8х2х3 + ас)Х2Х4 + с*10X3X4 +ацХ12 + а^х^2 + а)3хз2 + а)4Х42 (2)

Нахождение значений коэффициентов "а" уравнения (2) осуществлялось решением системы линейных алгебраических уравнений методом Гаусса.

Наплавка является сложным технологическим процессом, характеризующимся комплексной взаимосвязью большого числа факторов. Для оптимизации процесса разработана идеализированная математическая модель. Основными технологическими параметрами режима являются: сварочный ток - I, напряжение дуги - ид, скорость наплавки Ун, диаметры электрода и изделия бэл, Б и др. Результирующими - геометрические характеристики наплавленных валиков: а-высота усиления валика; Ь - ширина валика; Ь - глубина проплавления; Ь' глуби-

Рис.1. Технологические параметры процесса наплавки: (1ЭЛ и Б - диаметры электрода и шеек; 1, а, Б - вылет, угловое и линейное смещение электрода; Н -шаг наплавки

Для каждого набора с!,.-, и Б экспериментально определенны факторные области, в которых назначались значения верхних и нижних уровней факторов I, II, \г„. В этих областях были спланированы и проведены эксперименты. Аппроксимирующая зависимость имеет вид:

где Х,(]=1,2,...,г-1 ,г) - значения технологических параметров режима наатавки; .к) - неизвестные параметры;

Ь_

Рис.2. Геометрические характеристики наплавленного валика и ЗТВ:

а, Ь - высота усиления и ширина валика; Ь, Ь' - глубина проплавления и ЗТВ; Р„, Бпр - площадь наплавки н проплавления.

Для каждого результативного показателя рассмотрены две наиболее общие модели:

линейная ^=М0+^М|Х! > (Д) логарифмическая ^=М0|~[х .(5)

На основе регрессионного, корреляционного и дисперсионного анализов были получены математические модели для расчета результативных показателей, адекватно отражающих процесс наплавки для случая ЧКВ. Они позволяют проводить количественный и качественный анализ влияния параметров режима на геометрические характеристики и свойства наплавленного металла.

Оптимальный вариант технологии должен совмещать требуемое качество, высокую производительность и минимальную себестоимость. Снизить время операций наплавки и механической обработки можно за счет обоснованного повышения скорости наплавки и обеспечения жестких минимальных припусков на механическую обработку, т.е.:

Р=1[У;-ДХ1,.,Хг;г1,...,а)|2=тш (6)

"Го" „V

Задача минимизации решалась, когда: Р = У у0 - £ т Х° I

V ' V

будет минимальным, если: ЭР / ЗМ, = 0, (7)

отсюда получаем систему линейных уравнений:

dF

>rm

dF

j = i d

>rm

-=Zm«(2.j)-(2.Y) = 0

i

(8)

8F

>гш

Z m°(d-j)-(d-Y) = 0

Решение системы осуществлялось методом Гаусса. Время наплавки участка длиной L в этом случае рассчитывается по формуле:

I ,-~ (9)

Т. = 0,001^-Л/1 Ч-(ягО / Н)

Следовательно, при выбранных значениях параметров процесса Тн= F (VH).

Определение VHonr, при котором Т„ min, производится по формуле:

' , ч <10>

,,„, _ b - n(J, U, D, d, ...) " m(I, U, D, d, ...)

Разработаны алгоритм и программа решения задачи на ЭВМ.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА включает общую и частные методики исследований, описание конструкции наплавочной установки и образцов. Комплексный подход к проектированию технологии восстановления обосновывает необходимость создания методик: оптимизации состава наплавочных материалов, режимов наплавки; планирования экспериментов и анализа их результатов, оценки свароч-но-технологических свойств флюса, наплавленного металла и изделия в целом.

Наплавка образцов проводилась на станке многоцелевого назначения, который обеспечивал регистрацию энергетических параметров режима, широкий диапазон регулирования технологических параметров (скорость, шаг наплавки и т.д.). Образцы для исследований и испытаний изготавливались из вырезанных элементов ЧКВ двигателя 3M3-53.

Химический состав флюса определялся по ГОСТ 22974.0-85. Определение оксида кремния проводилось гравиметрическим методом по ГОСТ 22974.2-85 с доопределением в фильтрате остаточной кремниевой кислоты фотометрическим

методом на фотоэлектрокалориметре КФК-4. Оксид марганца определялся по-тенциометрическим методом по ГОСТ 22974.3-85 на установке для потенцио-метрического титрирования. Содержание оксидов кальция, магния, алюминия и фтористого кальция определялось по ГОСТ 22974.5-85, ГОСТ 22974.4-85 и ГОСТ 22974.11-85 тетриметрическим комплексонометрическим методом. Оксид железа (III) определялся на фотоэлектрокалориметре КФК-4 по ГОСТ 22974.685.

Опытные плавки флюса проводились в специальной печи с регулированием температуры в интервале от 600 до 1600 °С, с точностью + 2 °С (для определения температур ликвации). Кристаллизационные свойства изучались на дерива-тографе ОД-Ю2 фирмы "MOM" системы "Паулик-Паулик-Эрдей" (Венгрия). Тепловой коэффициент линейного расширения - на вертикальном кварцевом дилатометре ДКВ-4. Вязкостные свойства шлака оценивались методом кручения на установке ОРГ-РЭС. Вязкость расплава шлака определялась методом коакси-ально вращающихся цилиндров на вискозиметре КБ-1665.

Химический состав наплавленного металла определялся по результатам спектрального анализа на стилоскопе "Спектр СЛ-12" с фотометрическим клином. Результаты спектрального анализа проверялись химическим анализом по ГОСТ 2331-83. Пробы брались по ГОСТ 7122-75.

Структура металла изучалась на микроскопах "МИМ-7", "МИМ-8" и "Метам Р-1" по ГОСТ 8233-86 и ГОСТ 5640-79. Микротвердость структурных составляющих определялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 1 Н по ГОСТ 9450-76. Твердость наплавленных слоев определяли на приборе ТК-2 вдавливанием алмазного конуса под нагрузкой 1500 Н по ГОСТ 9013-78.

Оценка износостойкости проводилась на машине трения СМЦ-2М. Продолжительность испытаний одной пары 480 мин. (в т.ч. на приработку 120 мин.). Величина износов определялась взвешиванием на аналитических весах АДВ-200 с точностью 10~8 Н.

Циклическая долговечность исследовалась в соответствии с ГОСТ 25.50279 путем нагружения образцов в плоскости колена переменным изгибающим моментом на универсальной машине, являющейся элементом испытательного комплекса Института механики АН Украины. Испытания проводились по методу Веллера ГОСТ 2860-85. База испытаний - 5106 циклов.

Эксплуатационная долговечность восстановленных 4KB оценивалась по

результатам контролируемой эксплуатации автомобилей, работающих в сельских и городских условиях по пробе'17 и величине износа шеек.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА включает результаты экспериментальных исследований оптимизации состава наплавочного флюса, его сварочно-технологических свойств; влияние состава на механические и служебные характеристики наплавленной детали. Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования энерготехнологических параметров режима наплавки, математические модели количественной взаимосвязи параметров режима с геометрическими характеристиками наплавленного слоя.

Определен состав опытно-экспериментального флюса: БЮг - 29...33 % , МпО - 30...33 % , М20 - 24...26 % , СаО - 4...6 % , СаИ; - 4...6 % , А1203 - 2.5 % , Ре20з - 1.5 % , Б и Р - не более 0.2 % . В этом случае твердость (Р0 и износостойкость (Р;) в зависимости от содержания углерода (Х0, марганца (Х2), кремния (Хз) и хрома (Х4) рассчитывается по уравнениям регрессии:

Р, = -7,372 - 1,084 Х1 + 3,418 Х2 + 41,346 Х3 - 16,195 X, +

+ 0,641 Х,Х2 + 114,496 Х,Х3 - 0,4 Х1Х4 - 25,991 Х2Х3 - (11)

- 0,4 Х2Х, + 1,31 X,2 - 1,369 Х22 - 36,626 Х32 - 11,961 Х42

Р2 = - 0,206 - 0,008 X! + 0,096 Х2 + 1,146 Х3 - 0,419 Х4 +

+ 0,018 Х1Х2 3,145 Х1Х3 - 0,028 ХЛ - 0,709 Х2Х* - (12)

- 0,023 Х2Хд + 0,027 Хг - 0,038 Х22 - 1,013 Х32 - 0,329 Х42

Полученный флюс относится к шлаковой системе "1^0-Мп0-8Ю2", является низкокремнистым, высокомарганцовистым, повышенной основности В = 1.3... 1.42, с химической активностью Аф = 0.35...0.52, "коротким" с температурой плавления Тга = 1400...1450 °С. Разрывная длина дуги составляет 12...15 мм, что обеспечивает хорошее формирование наплавляемого металла. Установлено, что хорошая отделимость шлаковой корки с поверхности наплавленного металла (экспериментально определялась по разности тепловых коэффициентов линейного расширения шлака аш и металла ам) происходит в интервале 100...230 °С и 570...750 °С, а в интервале 300...500 °С - плохая. Оценивая сва-рочно-технологические и металлургические свойства флюса необходимо отметить, что он обеспечивает хорошее формирование наплавленного металла, низкую склонность к образованию пор и трещин, хорошую отделимость шлаковой корки. При этом максимальная скорость наплавки для цилиндров 0 60...70 мм составляет 80... 100 м/ч.

При использовании проволок диаметром 1,2...2,0 мм в факторных областях процесса ДН (рис.3) были спланированы и проведены эксперименты, по результатам которых для геометрических характеристик валика получены математические модели процесса:

а = 0.382 Г"53 и"0'524 У/1-829 а,/2*7 Б"0093 степень влияния параметров на "а": Ун »I»(1ЭЛ > II» Э Ь = 3.725 + 0.0441 + 0.2871Г + 0.122Ун + 1.191 - 0.0860 степень влияния параметров на "Ь": I > Ун » и » с1х, > Б

ПЗ)

(14)

(15)

(16)

Ун, м/ч

Ь = 0.0081й794 и1118 Ун"0062 О"0-354

степень влияния параметров на "Ь": I» Ун » с1а1» и > О Ь'= 0.06510,928 и0 884 Кот2 V/426 О"0 372 степень влияния параметров на "Ь"': I > У„ » и > с1эл > Б

Рис.3. Факторная область режимов при наплавке под флюсом ММБ-2,

и = 28...30 В; -О- О = 60 мм; -♦-0 = 70 мм;-X с1,л=1.2 мм; Д с!,л=1.6мм; □ (1,л=2.0 мм.

I I ■ 210

•!> А

240

Графическая интерпретация моделей в виде номограммы влияния режимов наплавки на высоту усиления представлена на рис.4.

а,мм

0,7

0,5 Рис.4. Номограмма

0,5

0,4 влияния режимов на-

0,3 плавки на высоту

0,2 усиления (¿,я=1.6 мм,

О =70 мм)

и,В

40 36 32 28 24 2010

30 40 50 60 80

Ун, м/ч

На основании решения задачи оптимизации (9) (10) выявлены участки области устойчивых режимов при наплавке шеек ЧКВ диаметрами 60 и 70 мм (см.рис.З), которые позволяют осуществлять процесс наплавки на скоростях 70...80 м/ч, что в 2. ..3 раза выше применяемых на практике.

Исследование качества наплавленного слоя показало, что характер распределения химических элементов и твердости по глубине изменяется незначительно, что свидетельствует об однородности свойств по сечению наплавленного металла.

Состав наплавленного металла: Мл - 2,73...2,92 % , С - 1,16...1,28 % , -0,28...0,39 % и Сг - 0,1 ...0,14 %.

Испытания на циклическую долговечность показали (рис. 5), что предел выносливости (ст_1) наплавленных - составляет 81 % от уровня новых ЧКВ, а упрочнение ППД галтелей и ПЗЩ доводит его до 96 %. Это выше, чем у валов, изношенных до последнего ремонтного размера (79...83 %) и значительно больше восстановленных (54...87 %). Объясняется это тем, что применение оптимальных режимов и состава флюса благоприятно влияют на напряженно-деформированное состояние наплавленных валов и, как следствие, повышает их сопротивление усталости.

140

ё 130

р

120

« 110

а

о> 100

*

от

90

t 80

70

£

3S

—24

-¡-*т

-н

140 130

£

| 120 »J но

0

| 100 ш

1 90

I | 80

ТО

i

0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 2 3 4 5 6 7 8

Число циклов, Nx10'

0,1 0,2 0,4 0.6 0,8 1 2 3 4 Б 6 7 В

Число циклов, ЫхЮ'

Рис.5. Кривые циклической долговечности коленчатых валов двигателей

ЭМЗ-53: 1 - новые валы; 2 - изношенные до размера Р6; 3 - восстановленные наплавкой по вар.3.4; 4 - то же с упрочнением галтелей и ПЗЩ ППД

Результаты лабораторных испытаний (рис .6) свидетельствуют, что износ наплавленных образцов в 1.18... 1.75 раза меньше, а сопряжение "шейка - вкладыш" показало снижение интенсивности изнашивания в 1.21... 1.56 раза по сравнению с "эталоном" (образцами, вырезанными из шеек нового ЧКВ).

г

Износ. X 10* Н

1,5

•Ji

1

э

0,5

0

"Л

и -0,5

о

о -1

и

•1,5

0,92 0,78 0,7

гажтш 0,53 0.58

-НИ- шш

-0,58 -0,45 -0,42 -0,46

-0,73

Эталон ВЧ-50 Вар. 1.3 Вар.2.3 Вар.3.4 Вар.4.5

Рис.6.

Вкладыш А М О - 2 0 ■ 1 Результаты лабораторных исследований износостойкости сопряжения "шейка - вкладыш"

Эксплуатационная долговечность оценивалась по результатам испытаний партии валов из 25 шт, восстановленных по трем технологическим вариантам. Случаев аварийных разрушений валов не наблюдалось. Установлено, что интенсивность изнашивания шеек новых валов составляла 2,75 мкм - для коренных и 1,88 мкм - для шатунных. После наплавки только коренных шеек она мата изменилась - 2,72 мкм и 1,96 мкм - соответственно. Валы с наплавленными коренными и шатунными шейками показали относительную износостойкость 108 % для коренных и 104 % - для шатунных шеек. Валы, подвергнутые упрочнению ППД показали повышение эксплуатационной долговечности до 119% и 114 % от новых.

ПЯТАЯ ГЛАВА включает решение задачи оптимизации режима наплавки, конструкторско-технологические решения и результаты оценки эффективности технологии восстановления шеек ЧКВ.

Решение задачи оптимизации скорости наплавки проводилось из условия минимизации времени наплавки Т„ —> min при ограничениях величины припуска на механическую обработку и значениях технологических параметров процесса.

Зависимость оптимальной скорости наплавки от величины износа, диаметра детали и электрода, полученная по результатам решения задачи оптимизации, представлена на рис.7. Также установлена совокупная экономическая взаимосвязь между удельной себестоимостью наплавленного металла и величинами износа для различных диаметров электродной проволоки (рис.8).

80 60 40 20 0

и

1,4

1,3 1,2 1,1 1

0,9 0,8 0,7

Рис.7. Зависимость оптимальной скорости наплавки от величины износа и диаметра электрода

0,3 0,6

0,9

1,2

1,5

е. —йзл=2,0 мм "*^с1эл=1,8 мм -°-с1эл=1,6 мм -^■dan=1,2 мм

Рис.8. Зависимость удельной себестоимости наплавленного металла от величины износа и диаметра электрода

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2 1,5 Зизн, мм

По результатам проведенных исследований разработан документированный технологический процесс восстановления 4KB. Особенностью технологии восстановления является исключение из состава техпроцесса сложных энергоемких операций термической обработки. Наплавка шеек проводилась на оптимальных режимах: сила сварочного тока - 180... 185 А, напряжение - 26...28 В, скорость наплавки в зависимости от диаметра проволоки определяется по номограммам (рис.4). Посленаплавочная обработка включает упрочнение ППД с усилием на рабочий органР = 2,5...3,5 кН галтелей и ПЗЩ.

Оценка эффективности технологии проводилась по критерию долговечности и технико-экономическому критерию. Для сравнения брались наиболее распространенные в ремонтном производстве технологии НИИАТ и ЧГАУ. Коэффициенты долговечности составили 0,81; 0,77; 1,2 для НИИАТ, ЧГАУ и СГАУ соответственно. Это свидетельствует, что предложенная технология обеспечивает ресурс восстановленной детали в 1,5...2 раза выше, а себестоимость в 1.25... 1.32 раза ниже применяемых в ремонтном производстве до настоящего времени.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что показатели долговечности 4KB, восстановленных по существующим технологиям, находятся в диапазонах: циклическая долговечность - 54...87 %, сопротивление износу - 62...85 %, межремонтный ресурс - не выше 65 % от уровня нового вала.

2. Доказано, что наиболее распространенной технологией восстановления 4KB является дуговая наплавка под легирующими флюсосмесями; характерными недостатками технологии является анизотропия наплавленного металла по химическому составу, структуре и механическим свойствам и большое количество в нем дефектов в виде пор и трещин.

Флюса, обеспечивающего высокое качество 4KB при их восстановлении дуговой наплавкой, не имеется.

3. Расчетно-аналитическим методом на основе шлаковой системы "MgO -MnO - Si02" и закономерностей кинетики легирующих элементов в расплаве разработан новый флюс повышенной основности оптимального (для наплавки ВЧ) состава: Si02 - 29...33 %; MnO - 30...33 %; MgO - 24...26 %; CaO - 4...6 %; CaF2 - 4...6 %; A1203 - 2,5 %; Fe203 - 1,5 %; S и P - не более 0,2 %.

Классификация: плавленый, оксидный, высокомарганцовистый, низкокремнистый, с химической активностью Аф = 0.35...0.52, основностью В = 1.3...1.42, "короткий", Тга = 1400...1450 °С.

Предложена математическая модель флюса MMS адекватно отражающая функциональную взаимосвязь твердости и относительной износостойкости наплавленного металла от состава флюса.

4. Экспериментально установлены факторные области и разработаны математические модели для расчета геометрических характеристик наплавленного слоя от значений технологических параметров процесса дуговой наплавки. Получены номограммы влияния режимов наплавки на результативные показатели наплавленной детали.

5. Установлено, что при наплавке ВЧ стальными проволоками с содержанием углерода 0,1...0,8 % (ГОСТ 2246-79, ГОСТ 10543-82) первичная структура наплавленного металла - мелкоячеистая, без пор и трещин, вторичная - мелкодисперсный мартенсит, твердость - HRC 50..56; относительная износостойкость - 121.. 156 % закаленного ВЧ.

6. На основании комплексных теоретических и экспериментальных иссле-

дований разработана оптимальная технология восстановления шеек ЧКВ двигателя 3M3-53 дуговой наплавкой на базе нового флюса повышенной основности, которые в комплексе обеспечивают эксплуатационную долговечность восста-новленых ЧКВ 114...119 % и циклическую 96 % от уровня новых, что на 15. ..45 % выше, чем у принятых в практике.

7. Разработанный расчетно-аналитический метод обеспечивает с помощью предложенных функциональных зависимостей, алгоритма и программы производить выбор оптимальных технологий и режимов на ЭВМ. При этом критериями оптимальности являются время, себестоимость, припуски на механическую обработку.

Распространение положений комплексного расчетного подхода к разработке технологий восстановления ЧКВ, новых рекомендаций по проектированию оборудования, технологической оснастки и инструмента способствует повышению критерия эффективности в 1,96 раза по сравнению с существующими технологиями.

Использование метода позволило вскрыть потенциальные резервы технологии, повысить производительность наплавки и снизить ее себестоимость на 25...32 %.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Александров В.Н., Петряков В.К. Налряженно-деформированноое состояние восстановленных многоопорных стальных валов. - В кн. "Технологическое формирование качества деталей при капитальном ремонте машин", Саратов, 1986, с.54.,.59.

2. Александров В.Н., Петряков В.К., Буйлов В.Н. Устройство для термической и химико-термической обработки многоопорных .валов. Инф. л. № 11 -86, ЦО-ОНТИ - ЦБНТИ Минавтотранса СССР, 1986.

3. Деев В.А., Коваль A.B., Петряков В.К. Флюс повышенной основности для ремонтной наплавки изношенных коленчатых валов. Инф.л. № 252-89, Саратов, ЦНТИ, 1989.

4. Деев В.А., Петряков В.К., Александров В.Н. Восстановление коленчатого вала двигателя 3M3-53 дуговой наплавкой под флюсом повышенной основности. Инф.л. Ks 330-89, Саратов, ЦНТИ, 1989.

5. Деев В.А., Петряков В.К. Дутовая наплавка при восстановлении чугунного коленчатого вала двигателя 3M3-53. - В кн. "Ресурсосберегающие технологии

при ремонте машин и восстановлении деталей", Челябинск, 1990, с.61,.64. Дееч В,А., Петряков В.К. Новые сварочные флюсы при наплавке чугунных коленчатых валов. - В кн. "Научно-технический прогресс в авторемонтном производстве", Москва, 1990, с. 98... 100.

Деев В.А., Петряков В.К., Соблуков С.Ю. Флюс для износостойкой дуговой наплавки чугунных деталей. - В кн. "Оборудование и материалы для наплавки", Киев, 1990, с. 37...39.

Петряков В.К., Деев В.А., Соблуков С.Ю. Установка для дуговой наплавки под флюсом и в среде защитных газов. Инф.л. № 194-94, Саратов, ЦНТИ, 1994. Деев В.А., Петряков В.К., Соблуков С.Ю. Восстановление коленчатых валов двигателей автомобилей ГАЗ. Ииф.л.№ 195-94, Саратов, ЦНТИ, 1994. Петряков В.К., Деев В.А., Соблуков С.Ю. Повышение сопротивления усталости коленчатых валов двигателей 3M3-53 при их восстановлении наплавкой. Инф.л. № 9-96, Саратов, ЦНТИ, 1996.

Подписано к печати 18.09.96 г. Формат 60x84/16 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.