автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Восстановление бронзовых втулок пластической деформацией с электроконтактной приваркой стальной ленты

;.: о д

на правах рукописи

Леонидас Дуилио Рамос Родригес

Восстановление бронзовых втулок пластической деформацией с электроконтактной приваркой стальной ленты

специальность 05.22.10 — эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (техническом универстите) на кафедре "Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин", во Всероссийском научно-исследовательском институте технологии упрочнения, восстановлениия и изготовления деталей (ВНИИТУВИД) "Ремдеталь" в лаборатории

восстановления деталей износостойкими покрытиями.

Научные руководители: V доктор технических наук, профессор А.В.Поля ченко

кандидат технических наук, доцент Ю.Л.Штоль

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Н.Бугаев

кандидат технических наук, доцент Б.Ф.Мишечкин

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ)

Защита состоится I »МАРТА 1996 г. в I и час. на заседании диссертационного совета К.053.30.09 ВАК Российской Федерации при Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829 ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан -20" ^ В РА/Ж 1996 г.

Отзывы просим представлять в двух экземплярах, с подписью, заверенной печатью.

Телефоны для справок: 155-03-86; 155-04-16

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Власов В.М.

I. Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время при ремонте машин уделяется большое внимание применению новых современных технологических процессов при восстановлении изношенных поверхностей деталей. Для этих целей выпускаются оборудование и материалы новых потребительских качеств.

Ремонт деталей автомобилей в Перу сводится, в основном, к механической обработке дефектных поверхностей под ремонтный размер. Редко применяются электродуговая сварка, наплавка, пластическая деформация и гальваническое наращивание.

К наиболее дефицитным и дорогостоящим материалам, применяемым для изготовления деталей в современном автомобилестроении, относятся цветные металлы, в частности, медные сплавы. Поэтому при внедрении в производство новых современных способов восстановления деталей, в частности втулок из бронзы, в Перу может быть достигнута значительная экономия материальных ресурсов.

В диссертационной работе решается актуальная задача: применение современного технологического процесса электроконтактной приварки стальной ленты в комплексе с пластической деформацией, который позволяет восстанавливать наружные поверхности бронзовых втулок после их обжатия. Реализация современного технологического процесса восстановления около 100% ремонтного фонда изношенных бронзовых втулок, предполагает более экономное использование ресурсов ремонтных предприятий за счет повторного использования восстановленных деталей.

Цель работы. Исследование и разработка технологического процесса восстановления бронзовых втулок распределительного вала двигателей с применением электроконтактной приварки стальной ленты в комплексе с пластическим деформированием.

Методы исследования. В работе использованы экспериментальные методы и методы математического анализа.

• Объект исследования: втулки распределительного вала двигателей ЯМЭ-238 и их модификации

Практическая ценность работы состоит в разработке рабочего технологического процесса восстановления бронзовых втулок распределительного вала ЯМЭ-238 (ЯМЗ-236) для использования его на ремонтных заводах.

Научная новизна работы:

— выявлены закономерности изменения линейных размеров втулки при пластическом деформировании, для чего была определена величина обжатия втулки и рассчитаны геометрические параметры матрицы приспо-

собления, рассчитана необходимая толщина ленты для ее приварки по наружной поверхности с целью компенсации уменьшения диаметра втулки после ее обжатия;

— разработана математическая модель процесса электроконтактной приварки стальной ленты 08кп к бронзе Бр 05Ц5С5, позволяющая установить зависимость прочности сцепления от параметров режима сварки;

— исследовано влияние технологических параметров процесса электроконтактной приварки на физико-механические свойства сварного соединения и его элементов;

— доказана возможность восстановления бронзовых втулок электроконтактной приваркой стальной ленты.

На защиту выносятся

— закономерности изменения линейных размеров втулки при пластическом деформировании, результаты расчетов величины обжатия втулки и необходимой толщины ленты для приварки по наружной поверхности втулки;

— математическая модель процесса электроконтактной приварки стальной ленты 08кп к бронзе Бр 05Ц5С5, позволяющая установить зависимость прочности сцепления от параметров режима сварки;

— результаты исследования влияния технологических параметров процесса электроконтактной приварки на физико-механические свойства сварного соединения и его элементов;

— технологический процесс восстановления бронзовых втулок распределительного вала ЯМЭ-238 (ЯМЭ-236).

Реализация работы.

Разработанный технологический процесс восстановления бронзовых втулок принят к внедрению на АО АРЕМЗ-1 г. Москвы.

По государственному контракту № 72 от 19 ноября 1993 г. разработана и принята к внедрению технология и материалы для восстановления бронзовых втулок двигателей ЯМЗ и СМД для Минсельхоз-продуктов РФ.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "Ремонт оборудования" (1994 г., Арекипа, Перу) и на расширенном совещании лабораторий ВНИИТУВИД НПО "Ремдеталь" (1995 г.)

Публикация

Материал диссертации отражен в одной печатной работе.

Объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 152 страницах, содержит 37 рисунков, 17 таблиц, библиографию из 119 наименований и 7 приложений.

II. Содержание работы

В первой главе содержится анализ состояния ремонтной базы в Перу, уровня ее оснащенности, технологичности; описаны развивающиеся за рубежом новые направления в области организации и методов восстановления изношенных поверхностей деталей, в том числе втулок из бронзы. Охарактеризованы условия работы бронзовых втулок и причины их износа.

При анализе условий работы бронзовых втулок распределительного вала и в результате статистической обработки информации о величине их износа установлено, что из пяти втулок распределительного вала двигателя ЯМЭ-238 передняя изнашивается в наибольшей степени. Ее средний износ составляет 0,025 мм.

Оценка существующих способов восстановления показала, что они имеют определенные технологические недостатки или их использование экономически нецелесообразно, не удовлетворяет некоторым требованиям, предъявляемым к восстановленым бронзовым втулкам, что не позволяет шиироко использовать данные способы в ремонтной практике.

Из анализа следует, что наиболее перспективным способом восстановления втулок явялется электроконтактная приварка стальной ленты в комплексе с пластической деформацией.

Исследование позволило обосновать необходимость восстановления бронзовых втулок распределительного вала при существующих износах, а также выбрать метод их восстановления, состоящий в предварительном восстановлении внутренней поверхности втулки пластическим деформированием (обжатие) с последующим восстановлением наружной поверхности электроконтактной приваркой стальной ленты. Предлагаемый комплексный метод, восстановления позволяет с наименьшими затратами материалов и средств формировать качественно новый поверхностный слой с заданными физико-механическими свойствами.

Исходя из изложенного были сформулированы следующие задачи исследований.

1. Теоретически обосновать необходимую величину обжатия втулки и определить геометрические параметры матрицы приспособлений для восстановления обжатием внутренней поверхности отверстия втулок, толщину стальной ленты для восстановления наружной поверхности втулки.

2. Обосновать возможность применения метода электроконтактной приварки стальной ленты для восстановления наружных поверхностей бронзовых втулок.

3. Исследовать влияние режимов электроконтактной приварки стальной ленты при восстановлении наружной поверхности втулки для создания сварного соединения с заданными свойствами.

4. Исследовать физико-механические свойства приваренной стальной ленты, бронзовой втулки и зоны сварки.

5. Разработать технологический процесс восстановления бронзовых втулок.

6. Исследовать работоспособность восстановленных втулок при проведении стендовых испытаний двигателей и ходовых испытаний на автомобилях при нормальной эксплуатации в транспортных организациях.

7. Дать технико-экономическое обоснование целесообразности применения разработанного технологического процесса восстановления бронзовых втулок при ремонте двигателей.

Во второй главе изложено теоретическое обоснование величины обжатия втулки и геометрических параметров матрицы приспособления для ее обжатия, а также толщины ленты.

При расчете толщины ленты был определен коридор допустимых значений, который имеет вид:

(¿тмин + Аобж + Аз + Лдоп)/(2КМин) < Тл < 1'° - С')

где Тл — толщина ленты;

Кмин — коэффициент, учитывающий уменьшение толщины ленты при приварке;

Д0бж — величина обжатия втулки по наружному диаметру;

Дтмин — минимальный припуск на механическую обработку по наружному диаметру;

Д3 — уменьшение наружного диаметра при запрессовке;

Ддоп — допуск на величину наружного диаметра.

Подставляя значения параметров, входящих в соотношение (1): К=0,6; Дтмин = 0,40 мм; ДдОП = 0,03 мм; Д3 = 0,10 мм; Д0бж = 0,38 мм получаем

коридор толщин ленты:

0,76 (мм) < Тл < 1,0 (мм)

Таким образом, учитывая влияние всех факторов, которые воздействуют в процессе сварки, можно рекомендовать использование стальной ленты толщиной 0,8 мм.

Величина обжатия, необходимая для восстановления номинальных размеров по внутренней поверхности втулки определяется из неравенства:

<5изн0 + За + 5Т) + 5Д0П < 50бж (2)

где: 5изно — износ отверстия втулки;

а — среднеквадратичное отклонение величины износа втулки;

5Т — припуск на механическую обработку по внутреннему диаметру;

8доп — допуск на величину внутреннего диаметра втулки;

80бж — уменьшение внутреннего диаметра втулки в результате обжатия.

Подставляя значения величин, входящих в неравенство (2): 5изнд = 0,018 (мм); а = 0,019 (мм); 5Т = 0,40 (мм), 5доп = 0,03 (мм) получаем:

8обж > °'50 (мм)

При использовании матрицы для обжатия втулки на величину §0бж = 0,54 (мм) можно получить весьма высокий процент выхода годных втулок (99,7%).

В третьей главе излагается общая методика исследований. Разработан план исследований электроконтактной приварки стальной ленты, проводимый на установке 011-1-02М "Ремдеталь".

В качестве присадочного материала использовались ленты из низкоуглеродистых качественных конструкционных сталей 08Ю, 08кп (ГОСТ 9045-80*), а также жесть (ГОСТ 13345-85).

Бронзовые втулки использовались после дефектации, они имели предельный износ по внутренней поверхности.

Для изучения процесса приварки была выбрана методика планирования полного факторного эксперимента согласно РДМУ 109-77.

Контроль качества восстановленного изделия включал в себя: визуальный осмотр, измерение линейных размеров детали, изучение зоны сварки (измерение толщины диффузионного слоя, зоны термического влияния, измерение твердости, микротвердости и прочностных характеристик).

Изменение линейных размеров детали контролировалось микрометрами МК-75-1 ГОСТ 6507-78 для наружного диаметра втулок и нутромером 50-100 ГОСТ 9244-75.

Исследование прочности сварного соединения проводилось на разрывной машине модели Р-5.

Твердость замерялась на твердомере ИПП-2 по ГОСТ 2999-75 при нагрузке 9,807 Н, микротвердость на микротвердомере ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76* при нагрузке 0,98 Н.

Металлографисческие иследования проводились с помощью микроскопов МБС-9, МИР-9 и NEO FOT.

Рентгеноспектральный микроанализ проводился на приборе "САМЕВАХ" фирмы САМЕСА.

Стендовые испытания двигателей с восстановленными втулками проводили на стенде КИ-5274 для отремонтированных двигателей ЯМЭ-238 в АО АРЕМЗ-1 г. Москвы.

Эксплуатационные испытания проводили на автомобилях КРАЗ-256 в 1-ом и 26-ом автокомбинатах г. Москвы.

Экономическая эффективностьвнедрения предлагаемого технологического процесса рассчитывалась в соответствии с положениями "Методических указаний по комплексной оценке эффективности мероприятий научно-технического прогресса".

В четвертой главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований и дается их оценка.

Результаты опытов (табл. 1) позволили установить граничные значения технологических параметров процесса электроконтактной приварки на прочностные характеристики соединения для стальных лент различных классов.

Таблица 1

Граничные значения технологических параметров режима электро-контакт-ной приварки различных материалов при восстановлении бронзовых втулок

Материал ленты Технологические параметры режима

*ИМП ' с 1св, кА Рсж, кН

сталь 08Ю 0,02...0,10 6,2-10,5 0,65-1,15

сталь 08кп 0.04...0,10 6,5...8.0 1,15-1,55

луженая жесть 0,02—0,10 7,2-9,0 0,65-1,15

спеченная лента 0,06-0,12 7,0-11,0 1,15-1,55

Исследования проводились при изменяющихся: силе сварочного тока, длительности импульса и усилии сжатия роликов-электродов.

С увеличением силы сварочного тока при постоянной длительности импульса прочность сцепления нанесенного покрытия с основанием увеличивалась вследствие повышения температуры нагрева металлов в зоне сварки (рис. 1). Однако сильное увеличение тока (свыше 8,0... 10,0 кА) при постоянной длительности импульса ^имп) способствует появлению выплесков металла, что существенно снижает качество соединения.

Прочность сцепления приваренной ленты с основой (бронза) увеличивается с увеличением длительности сварочного импульса (рис. 2).

Увеличение длительности импульса для стальных лент более 0,08—0,10 с приводит к существенному повышению плотности тока в контакте, что является причиной снижения качества приварки.

60 50 40 30 20 10 0

Оси, МП а

□ - сталь 08 Ю О-жесть X - стапьС8кп Д- спеченная -i

—□— V

□ Ч

/ /

/

6,0 7,0 8,0 9,0 10 11 12 13

1се.КА

Рис.1. Зависимость прочности сцепления ленты асц с материалом втулки в зависимости от силы тока 1св при сварке

Осц, 80

70

60

50

40

30

20

10

МПа.

П-стапьОЗЮ О-жесть

Д-спе* «иная

< > ¿г 1 1/

Г ^

I 1 / \

1 к

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

*ИМП>С

Рис. 2. Зависимость прочности сцепления ленты стСц с материалом втулки в зависимости от длительности сварочного импульса 1имп

Оси, МПа

5« 40 30 20 10 О

0,65

□ -сталь 08 Ю О - жесть X - сталь 08ш Д- спеченная ( ___£

_---.---- > <

1 1

1,15

1,55

Рсж, кН

2,0

Рис. 3. Зависимость прочности сцепления ленты аСц с материалом втулки в зависимости от усилия прижатия электродов Рсж

Как видно из рис. 3 максимальное значение прочности сцепления ленты с основой (бронза) достигается при усилии сжатия электродов равном 0,90...1,15 и 1,35.-1,55 кН для луженой жести и стали 08кп, для остальных материалов эта величина несколько меньше.

Для установления математической зависимости между параметрами процесса и прочностью сцепления покрытия с основанием применялась методика планирования полного факторного эксперимента для стали 08кп, так как эта лента широко используется в промышленности, дешева и по прочностным характеристикам удовлетворяет необходимым требованиям.

У = 55,095 - 6.86Х, + 8,35Х2 + 6,95X^3 + 9,92Х2Х3 (3)

Из анализа уравнения (3) следует, что основное влияние на прочность сцепления получаемого покрытия оказывает величина сварочного тока (1св), длительность сварочного импульса, 1имп а также усилие сжатия электродов (Рсж).

Оптимальные режимы электроконтактной приварки стальной ленты 08кп характеризуются величиной сварочного тока б,5...7,5 кА, длительностью сварочного импульса 0,08...0,10 с, длительностью паузы 0,08...0,12 с, усилием сжатия на электроды 1,15...1,55 кН, скоростью сварки 0,5...0,7 м/мин.

Твердость ленты после приварки составляет для стали: 08Ю 35,3...47 НУ; стали 08кп 32,2...46,4 НУ; жести 22,8...29,7 НУ; бронзы 27,4...29,7 НУ, т.е. твердость остается практически без изменений.

Электроконтактная приварка дает неодинаковую микротвердость по глубине шва.

На рис. 4, 5 и 6 приведено распределение микротвердости покрытия после приварки к бронзе ленты из стали 08Ю, стали 08кп, жести. На этих обозначены видны зоны термического влияния, которые составляют 0,25...0,40 мм.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что микротвердость в переходной зоне меняется незначительно, т.е. микротвердость бронзы вне зоны сварки и зоны термического влияния остается без изменений (рис. 4, 5, 6).

В результате проведения металлографических анализов в сварных соединениях после электроконтактной приварки установлено, что в структуре бронзы сформировалась зона литого перекристаллизовавшегося металла, глубина которого может достигать 400 мкм.

Микроструктура стальной ленты 08Ю после электроконтактной приварки представляет собой крупнозернистый игольчатый феррит, а сталь 08кп по мере удаления от линии соединения металлов состоит из крупных, мелких зерен и игольчатого феррита.

При проведении рентгеноспектрального микроанализа сварных соединений установлено, что происходит диффузия железа в бронзу. Глубина диффузионного слоя составляет 20...35 мкм (рис. 7,8).

Стендовые испытания были проведены по соответствующей методике на стенде КИ-5274 в течение 3 часов. Были зафиксированы мощность двигателей и другие параметры.

Эксплуатационные испытания были проведены на двух автомобилях в течение 6 и 9 месяцев. За время испытаний у опытных образцов бронзовых втулок дефектов не наблюдалось.

В пятой главе описывается технологический процесс восстановления бронзовых втулок распределительного вала двигателя ЯМЭ-238 электроконтактной приваркой стальной ленты по наружной поверхности в комплексе с пластической деформацией. Технологический процесс рекомендован производству.

При расчете экономической эффективности от внедрения технологического процесса восстановления бронзовых втулок в сравнении с восстановлением этих же втулок по наружной поверхности хромированием годовой экономический эффект составляет 6123237 руб. на программу восстановления 880 шт. в год (в 01.061995 г.)

Ншо> ГЛа

3,00

2,00

1,00

1 —* к 11

|\ 1 ' \ 1 Бронза

сталь 08Ю 1 1 и- З.Т.В 1 —>1

1 к 1

0,0 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 Б, мм

Рис. 4. Зависимость микротвердости сварного соединения ленты из стали 08Ю с бронзой от глубины

Нюо, 3,00

ГПа

0,0 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,3

Рис. 5. Зависимость микротвердости сварного соединения ленты из стали 08кп с бронзой от глубины

Н100, ГПа

Рис. 6. Зависимость микротвердости сварного соединения ленты из луженой жести с бронзой от глубины

Расстояние от пинии соединения, мкм (Концентрация Ре на границе соединения 88,3%)

Рис. 7. Изменение концентрации Ре в бронзе в направлении перпендикулярном линии соединения бронза-сталь 08Ю

Расстояние от линии соединения, мкм {концентрация Ра нг граница соединения равна 86,6%)

Расстояние от пинии соединения, ыкы (концентрация Ре на границе соединения равна 64,7%)

Рис. 8. Изменение концентрации Ре в бронзе в направлении перпендикулярном линии соединения бронза-луженая жесть (сверху) и бронза-сталь 08кп (внизу)

Выводы и рекомендации

1. В результате микрометрических измерений изношенных втулок, установлено, что из пяти втулок распределительного вала двигателя ЯМЗ-238, передняя наиболее сильно изнашивается, ее средний износ составляет 0,025 мм и подчиняется нормальному закону.

2. На основании проведенного анализа установлено, что наиболее перспективным способом восстановления втулок является электроконтактная приварка стальной ленты по наружной поверхности в комплексе с пластической деформацией (обжатием).

3. Теоретически обоснована величина обжатия втулок для восстановления внутренней ее поверхности, а также определены геометрические параметры матрицы приспособления для пластической деформации; рассчитана оптимальная толщина стальной ленты для восстановления наружной поверхности при электроконтактной приварке.

4. Установлены оптимальные технологические параметры режимов электроконтактной приварки стали 08кп к поверхности бронзовой втулки, обеспечивающие прочность сцепления на срез в пределах от 55 до 68 МПа.

5. Разработана математическая модель процесса электроконтактной приварки стальной ленты 08кп к бронзе Бр 05Ц5С5, позволяющая установить зависимость прочности сцепления от параметров режима сварки Сев» *ИМП» Рсж)-

У = 55,095 - 6,86Х1 + 8,35Х2 + 6,95X^3 + 9,92Х2Х3

6. Исследование физико-механических свойств сварного соединения показало, что поверхностная твердость бронзы вне зоны сплавления не изменилась по сравнению с исходной, а в зоне сплавления незначительно увеличилась. Следует отметить, что твердость присадочного материала (сталь 08кп) остается практически постоянной.

7. Металлографический анализ показал, что при электроконтактной приварке стальной ленты со стороны бронзы обнаружена зона металла, претерпевшего перекристаллизацию литого состояния. Глубина этой зоны не превышает 400 мкм. При толщине стенки втулки 7 мм очевидно, что на зею остальную часть перекристаллизация не распространяется и поэтому на работоспособность антифрикционной поверхности втулки никакого сияния не оказывает.

8. Во всех исследованных соединениях имеет место диффузия келеза в бронзу, глубина диффузионного слоя составляет не более Ю...35 мкм, а в соединениях бронза-сталь 08Ю и 08кп диффузия меди в

сталь незначительна и составляет 10 мкм и 15 мкм, соответственно; диффузия меди в луженую жесть практически отсутствует.

9. В процессе эксплуатационных испытаний, как стендовых, так и ходовых на автомобилях, отказов в двигателях по вине восстановленных втулок не наблюдалось.

10. На основании проведенных исследований разработан рабочий технологический процесс восстановления бронзовых втулок распределительного вала двигателей ЯМЭ-238.

11. Экономический эффект от внедрения технологического процесса восстановления бронзовых втулок составил 6123237 рублей на программу восстановления 880 втулок в год (в ценах на 01.06.1995 г.).

Материалы диссертации опубликованы в следующей работе:

1. Леонидас Дуилио Рамос Родригес. Ремонт автомобилей в республике Перу, — М., 1993 г., — 15 е., Московский автодорожный ин-т, — Деп. в ВИНИТИ 26.10.1993 г. — № 2667-В93 от 22.10.93.