Реферат: Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А

Реферат: Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А

Введение.

В современном машиностроении применяются различные конструкционные материалы. Однако и до настоящего времени чугун является одним из основных конструкционных материалов. Например, вес чугунных отливок составляет до 50% веса машин. Это обусловливается простотой и относительной дешевизной изготовления чугунных деталей, хорошими литейными свойствами чугуна, его высокой износостойкостью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений, способностью гасить вибрацию и т. д.

Одной из актуальных задач стоящих перед организациями, эксплуатирующих автомобильную и автотракторную технику, является продление срока службы отработавших деталей, в том числе и чугунных. Сварка и наплавка чугуна широко применяется при ремонте вышедшего из строя различного оборудования. Однако она связана со значительными трудностями. Это связано с тем, что металл шва и околошовной зоны очень склонен к образованию твердых непластичных структур (ледебурита, мартенсита) и трещин вследствие больших скоростей охлаждения при сварке и наплавке, низкой прочности чугуна и почти полного отсутствия пластичности. Это осложняет решение многих вопросов, связанных с разработкой сварочных материалов (электродов, проволоки, флюсов и др.) для сварки чугуна.

Горьковский автомобильный завод широко применяет в двигателях своих автомобилей детали из чугуна. Одной из них является коленчатый вал.

Целью дипломного проекта является разработка технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов двигателя ЗМЗ – 53А позволяющего избежать выше перечисленных недостатков с возможностью применения в небольших ремонтных подразделениях МПС РФ.

Большую работу по изучению процессов, протекающих при сварке и наплавке чугуна, провели исследователи: Доценко Г. Н., Доценко Н. И., Луппиан Г. Э. и др. Работы этих исследователей использованы в дипломном проекте.

1. Литературный обзор и обоснование темы

дипломного проекта.

1. Описание изделия и технические

условия на ремонт чугунного коленчатого вала.

Чугунные коленчатые валы в автомобильных двигателях стали применять с 1960 года [3]. Высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 делятся на два класса: перлитные (ВЧ 45-0; ВЧ 50-1,5; ВЧ60-2) и ферритные (ВЧ 40-0; ВЧ 40-6). Большое применение нашли чугуны перлитного класса благодаря высокой прочности и износостойкости.

Чугунный коленчатый вал двигателя ЗМЗ-53А

Рис. 1.1

В табл. 1.1 приведены сведения о прочностных свойствах высокопрочного, серого, модифицированного, ковкого чугунов и стали 45 [1].

Из табл. 1.1. видно, что основные механические свойства перлитного высокопрочного чугуна примерно такие же, как и у стали 45 и значительно выше, чем у других чугунов. При этом себестоимость отливок из высокопрочного чугуна в 2-2,5 раза ниже по сравнению с себестоимостью отливок из ковкого чугуна и поковок стали 45 [3].

Усталостная прочность.

Применение высокопрочного чугуна взамен стали 45, для изготовления коленчатых валов стало возможным благодаря его высокой усталостной прочности. Соотношение по усталостной прочности для стальных и чугунных образцов гладких и коленчатых валов одинаковой формы представлены в табл. 1.2 [2].

По данным табл. 1.2. у образцов гладких валов, изготовленных из высокопрочного чугуна, предел усталостной прочности на 18% меньше, чем у образцов изготовленных из стали 45; у коленчатых валов, изготовленных из тех же металлов, эта разница равна всего 4%. Объясняется это тем, что усталостные трещины вызывающие разрушения чугунных коленчатых валов, возникают в местах концентрации напряжений на галтелях, а высокопрочный чугун сохраняет присущую всем чугунам малую чувствительность к концентрации напряжений.

Износостойкость.

Высокую износостойкость высокопрочного чугуна с перлитной основой, не уступающую закаленной стали 45, большинство исследователей [4] объясняют наличием на его поверхности вскрытых графитовых включений, которые служат смазкой, а освободившиеся полости являются накопителями дополнительной смазки, необходимой при пуске и остановке двигателя.

При сравнении стальных и чугунных коленчатых валов в опубликованных работах [5,7] указывается, что при твердости стальных шеек HRC 56 их износостойкость равна износостойкости шеек чугунного коленчатого вала, при твердости шеек менее HRC 56 – меньше и при твердости более HRC 56 – больше износостойкости шеек чугунного коленчатого вала.

Технические условия на ремонт.

1. У коленчатых валов, поступающих на сборку, масляные каналы и грязеуловители должны быть тщательно очищены от шлама.

2. Шатунные шейки должны иметь диаметр – 60,00-0,013 мм.

Коренные – 70,00-0,013 мм.

1. Овальность и конусность шеек коленчатого вала не должны превышать 0,01 мм.

2. Чистота поверхности шеек должна соответствовать 5 квалитету Ra 0,2-0,4

3. Длина передней коренной шейки должна быть в пределах 30,45-30,90 мм.

Длина шатунной шейки 52,0-52,2 мм.

1. Радиусы галтелей шатунных шеек должны быть в пределах 1,2-2,0 мм, коренных 1,2-2,5 мм.

2. При вращении вала, установленного в призмы на крайние коренные шейки, биение не должно превышать:

а) для средней коренной шейки – 0,02 мм.

б) для шейки под распределительную шестерню – 0,03 мм.

в) для шейки под ступицу шкива вентилятора – 0,04 мм.

г) для шейки под задний сальник – 0,04 мм.

д) фланца по торцу – 0,04 мм.

1. Не параллельность осей шатунных и коренных шеек – не более 0,012 мм на длине каждой шейки.

1. Дефекты и неисправности чугунного коленчатого вала

Коленчатый вал является высоконагруженной деталью двигателя. В процессе эксплуатации двигатель машины подвержен различным нагрузкам, в том числе и неблагоприятным, это пуск двигателя в холодных условиях, не качественное смазочное масло, работа в запыленных условиях и т. д.

Вследствие этих факторов трущиеся части коленчатого вала подвергаются повышенному износу, что в свою очередь приводит к появлению на этих поверхностях надиров, сколов, микротрещин, раковин показанных на Рис. 1.2., которые могут привести к поломке коленчатого вала и выходу из строя всего двигателя.

Дефекты чугунного коленчатого вала

Рис. 1.2

1. Современные технологии восстановления

чугунных коленчатых валов.

В настоящее время чугунные коленчатые валы используются в двигателях автомобилей горьковского автомобильного завода, марки автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-66, «Волга», «Газель». В некоторых автохозяйствах парк этих машин составляет до 80% от всего количества машин. Перестройка народного хозяйства и структурные изменения в нашей стране привели к разукрупнению автохозяйств, появлению мелких парков машин со смешанной формой собственности. Одной из задач, вставшей перед этими автохозяйствами, становится поддержание машин в рабочем состоянии при ограниченных финансовых ресурсах. По этому процесс восстановления изношенных деталей является на сегодняшний день актуальной задачей.

Существует несколько технологий восстановления чугунных коленчатых валов [3]:

1. Шлифовка под ремонтные размеры.

Один из часто применяемых способов восстановления работоспособности коленчатых валов. Преимущества этого способа в его технологической простоте. Из оборудования требуется наличие кругло шлифовального станка и типовой оснастки к нему. Но у этого способа имеется и ряд недостатков. Потеря взаимозаменяемости деталей, потребность в деталях (вкладыши) с ремонтными размерами, наличие складских площадей под них.

1. Вибродуговая наплавка в жидкости.

При этом способе качество наплавленного металла зависит от многих факторов и резко ухудшается при изменении режимов наплавки и химического состава электродной проволоки. Поэтому даже при хорошо отлаженном процессе восстановления на шейках чугунных коленчатых валов часто встречаются поры и трещины. Количество пор увеличивается по глубине слоя, поэтому восстановленные чугунные коленчатые валы шлифуют лишь до третьего ремонтного размера, а затем выбраковывают. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов, восстановленных вибродуговой наплавкой в жидкости, снижается на 35-40% [6]. Однако благодаря двукратному запасу прочности в эксплуатации наблюдается незначительное количество их поломок. Но применение этого способа наплавки для восстановления чугунных коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей из-за значительного снижения усталостной прочности становиться не приемлемым.

1. Вибродуговая наплавка в водокислородной среде [9].

При этом способе восстановления наплавленный металл имеет структуру троостита, переходящую в сорбитообразный перлит с твердостью слоя HRC 42-48. Такой металл по износостойкости уступает высокопрочному чугуну, тем не менее, коленчатые валы восстановленные этим способом, обеспечивают срок службы двигателей соответствующий пробегу автомобиля 50-60 тыс. км. Сведений об усталостной прочности чугунных коленчатых валов, восстановленных наплавкой в водокислородной среде, не имеется. В целом эксплуатационные свойства таких валов изучены не достаточно, но из-за низкой в сравнении с высокопрочным чугуном износостойкости наплавленного металла этот способ наплавки не может быть рекомендован к повсеместному использованию.

1. Однослойная наплавка под флюсом.

Этот способ наплавки исследовался в НИИАТе и КАЗНИПИАТе [3]. Для наплавки применяли проволоку разных марок, в том числе пружинную 2 класса ГОСТ 1071-81, ОВС, НП-30ХГСА, Св-08, Св-10Х13, Св-12ГС ГОСТ 792-67 и другие. Наплавку производили под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 ГОСТ 9087-81 без примешивания и с примешиванием к флюсу графита, феррохрома, ферромарганца, ферромолибдена, алюминиевого порошка и других компонентов для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HCR 56-62 без пор и трещин. Наплавку производили при разном шаге, прямой и обратной полярности, разных напряжений дуги и индуктивности сварочной цепи, скорости подачи электродной проволоки и вращения детали. Все разновидности однослойной наплавки под флюсом не дали положительных результатов. Наплавленный металл имел неоднородную структуру и твердость, содержал поры, трещины и шлаковые включения.

1. Двухслойная наплавка проволокой Св-08 под легирующим слоем флюса.

Этот способ наплавки разработан в НИИАТе [3]. Лучшие результаты из многочисленных вариантов двухслойной наплавки получаются при использовании малоуглеродистой проволоки Св-08 диаметром 1,6 мм и легирующего флюса АН-348А (2,5 части графита, 2 части феррохрома №6 и 0,25 частей жидкого стекла). Металл первого слоя имеет аустенитное строение и твердость HRC 35-38. Второй слой имеет мартенситное строение и твердость HRC 56-62 и содержит небольшое количество пор. Недостатком этого способа наплавки является образование большого количества трещин в наплавленном слое, вызывающих повышенный износ сопряженных вкладышей. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ 53-А, восстановленных двухслойной наплавкой под легирующим флюсом, снижается на 26- 28% т.е. меньше, чем при вибродуговой наплавке в жидкости. Наличие на поверхности шеек большого количества трещин не позволяет рекомендовать этот способ для широкого применения.

1. Двухслойная наплавка порошковой проволокой.

Схема процесса сварки порошковой проволокой.

Рис. 1.3

Этот способ разработан в Казахском научно-исследовательском институте автомобильного транспорта в 1966 году [3]. Наплавленный металл второго слоя имеет структуру мартенсита и твердость HRC 56-60. Существенным недостатком этого способа наплавки является образование пор, раковин и трещин в наплавленном слое. Износостойкость наплавленных шеек находится на уровне не наплавленных. Усталостная прочность восстановленных чугунных коленчатых валов снижается на 44%. В связи с выше перечисленными недостатками этот способ восстановления чугунных коленчатых валов рекомендовать нельзя.

1. Наплавка в среде углекислого газа.

Схема наплавки в среде углекислого газа.

Рис. 1.4

Способ наплавки разработан в НИИАТе [3]. Шейки чугунных коленчатых валов наплавлялись проволокой разных марок, в том числе Нп-2Х13, ОВС, Св-12ГС, Нп-30ХГСА, Св-08 и другими. Во всех случаях структура наплавленного металла была неудовлетворительной, в слое имелись поры и трещины. Наименьшее количество дефектов на поверхности шеек получается при наплавке проволокой Нп-2Х13, наплавленный металл при этом имеет структуру аустенита с карбидной сеткой и неравномерную по длине твердость, колеблющуюся от HRC 51-60. Износ шеек чугунных коленчатых валов, наплавленных в углекислом газе проволокой Нп-2Х13, был больше не наплавленных шеек. Усталостная прочность при этом способе снижается на 45-50%. Из-за указанных недостатков такую наплавку применять нецелесообразно.

1. Плазменная металлизация [10].

Схема плазменного напыления.

Рис.1.5

Среди новых технологических процессов большой интерес для процесса восстановления деталей автомобилей представляет способы нанесения металлопокрытий с использованием плазменной струи в качестве источника тепловой энергии. Наиболее перспективным способом восстановления деталей нанесением износостойких металлопокрытий является плазменное напыление с последующим оплавлением покрытия. При этом в металле оплавленного покрытия доля основного металла минимальна. Покрытие обладает высокой износостойкостью, без пор и трещин. Процесс является высокопроизводительным. Недостатком этого способа является высокие начальные капиталовложения в оборудование. В нынешних условия при отсутствии оборотных средств у предприятий этот недостаток не позволяет рекомендовать способ к повсеместному использованию.

9. Лазерный способ восстановления[10].

Этот способ не может быть рекомендован к использованию на данном этапе в силу высокой стоимости оборудования и высокой требовательности к обслуживающему персоналу и культуре производства.

10. Наплавка под легирующим флюсом по оболочке [3].

Этот способ восстановления чугунных коленчатых валов разработан в НИИАТе и позволяет получить наплавленный металл без пор и трещин при более высокой, по сравнению с другими способами, усталостной прочности восстановленных чугунных коленчатых валов. Достоинством этого способа является отсутствие пор и трещин, высокие прочностные характеристики и простое, доступное по цене, оборудование.

Сущность способа восстановления чугунного коленчатого вала с применением защитных металлических оболочек:

Сущность способа заключается в следующем. Деталь обвертывают, металлической оболочкой из листовой стали, плотно прижимают оболочку к поверхности детали с помощью специального приспособления и сваркой в среде углекислого газа прихватывают ее в стыке. После удаления приспособ­ления производят автоматическую наплавку детали под флюсом по металли­ческой оболочке непосредственно.

Схема наплавки под флюсом по оболочке.

Рис. 1.6

Известно [12], что для устранения трещин в наплавленном металле необходимо уменьшить в нем содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Поскольку высокопрочный чугун содержит значительное количе­ство этих элементов, при экспериментах применяли оболочку из стали 08 и проволоку Св-08, содержащие их в небольшом количестве.

При наплавке под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 лучшее формирование слоя и меньшее количество дефектов получилось при исполь­зовании флюса АН-348А. С увеличением толщины [3] оболочки глубина проплавления высокопрочного чугуна уменьшается (Рис.1.6), соответственно уменьшается поступление в наплавленный металл углерода, кремния, мар­ганца и других элементов. Поэтому для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HRC 56-62 во флюс добавляли графит и феррохром, обеспечивая содержание в наплавленном металле углерода 0,6-0,8% и требуемое количество хрома.

При толщине оболочки 0,8 мм трещины и поры в наплавленном ме­талле отсутствовали, в то время как при обычных способах наплавки высо­копрочного чугуна при содержании углерода 0,6-0,8% трещин и пор избе­жать не удается.

Зависимость глубины проплавления основного металла

от тол­щины оболочки.

Рис. 1.7

Роль оболочки в устранении пор и трещин.

С увеличением толщины оболочки уменьшается глубина проплавле­ния чу­гуна и соответственно количество образующейся окиси углерода, вы­зываю­щей образование пор. При толщине оболочки 0,8 мм и более неболь­шое ко­личество окиси углерода успевает выделиться из расплавленного ме­талла и пор в нем не наблюдается. Устранению трещин при наплавке по обо­лочке способствует два фактора: уменьшение поступления в наплавленный слой кремния, марганца, магния и уменьшение величины и скорости нарас­тания растягивающих напряжений в наплавленном валике в период его кри­сталли­зации благодаря уменьшению сил сопротивления усадок валика за счет пе­ремещения или пластической деформации оболочки. Доказано [13], что обра­зование горячих трещин происходит в период нахождения расплава в твердожидком состоянии при определенной величине и скорости нараста­ния внут­ренних напряжений.

Схема сил, препятствующих усадке наплавленного валика.

Рис. 1.8

Процесс усадки наплавленного металла происходит следующим обра­зом. При наплавке часть металла, Т.Ж (Рис. 1.8), находится в твердожидком состоянии и при усадке уменьшается в радиальном А, тангенциальном Б и осевом направлениях. Усадке валика в радиальном направлении А чугун не препятствует. Усадке в тангенциальном направлении Б препятствует ранее наплавленный валик по контуру аб, чугун по контуру бвг и оболочка по контуру гд. При наплавке по винтовой линии в наплавленном металле в ос­новном возникают кольцевые трещины, поэтому рассматриваем процесс усадки валика в осевом направлении В. Сопротивление усадке валика в осе­вом направлении по контуру зи незначительно, поскольку разница в темпе­ратуре на границе твердожидкого и твердого металла невелика и их усадка происходит почти одновременно. Поэтому усадке валика в направлении В препятствует только чугун по контуры вг и оболочка по контуру гд.

При усадке валика в начале происходит упругая деформация обо­лочки и чугуна. Поскольку чугун почти не обладает упругими свойствами [1], скорость нарастания растягивающих напряжений со стороны оболочки в несколько раз меньше, чем со стороны чугуна. После достижения предела текучести, происходит пластическая деформация оболочки и чугуна, поэтому внутренние напряжения в них не превзойдут предела текучести т.е.

, (1.1)

, (1.2)

где , - напряжения в оболочке и чугуне;

, - пределы текучести оболочки и чугуна.

Остальные напряжения в валике будут равны отношению суммы уси­лий сопротивления усадке со стороны чугуна и оболочки к площади попе­речного сечения валика.

Для случая с закрепленной оболочкой, напряжения в валике можно выразить уравнением:

, (1.3)

где Н - высота валика, мм;

- глубина проплавления чугуна при наплавке без оболочки, мм;

- толщина оболочки, мм;

R – коэффициент, учитывающий разность теплофизических свойств чу­гуна и оболочки;

Таким образом, для уменьшения внутренних напряжений в наплав­ленном слое металла и для предупреждения образования трещин в нем, не­обходимо применять оболочки с низким пределом текучести и высокой пла­стичностью. Такими свойствами обладает малоуглеродистая сталь. При на­плавке по оболочке толщиной 0,8-0,9 мм глубина проплавления чугуна уменьшается с 2,4 мм до 1,0 мм [3]. Соответственно величина остаточных напряжений уменьшается примерно в 2,4 раза.

Мартенситную структуру наплавленного металла можно получить пу­тем: термообработки, охлаждением слоя жидкостью в процессе наплавки либо путем введения в наплавленный металл легирующих элементов, через флюс [14] или проволоку. Сущность последнего способа заключается в сле­дующем. С увеличением содержания углерода в стали, твердость образую­щего мартенсита увеличивается и достигает HRC 60-62 при 0,6-0,8% угле­рода [12]. Углерод одновременно снижает точки начала и конца мартенсит­ных превращений в область отрицательных температур. Поэтому при увели­чении его содержания более 0,8% твердость наплавленного металла снижа­ется за счет увеличения в нем остаточного аустенита. С увеличение содержа­ния легирующих элементов, хрома или марганца, в наплавленном слое кри­вые превращения сдвигаются вправо, что приводит к уменьшению критиче­ской скорости закалки при охлаждении детали на воздухе. Стойкость образо­ванного мартенсита против отпуска увеличивается, поэтому при недостаточ­ном количестве легирующих элементов может произойти отпуск ранее на­плавленных валиков (швов) вследствие значительного нагрева слоя в про­цессе наплавки. Точки начала и конца мартенситных превращений снижа­ются в область отрицательных температур, поэтому чрезмерное увеличение легирующих элементов приводит к увеличению количества остаточного ау­стенита в наплавленном металле и снижению твердости последнего. Стой­кость аустенита в зоне мартенситных превращений повышается, поэтому при охлаждении наплавленного металла для превращения аустенита в мартенсит требуется больше времени. При наплавке это явление способствует увеличе­нию количества остаточного аустенита и снижению твердости наплавленного металла.

В соответствии с выше изложенным для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью порядка HRC 60-62 в нем должно содержаться 0,6-0,8% углерода и определенное количество леги­рующих элементов, зависящее от термического цикла наплавленного слоя. В нашем случае целесообразно применять хром. Некоторые другие легирую­щие элементы, например марганец, способствуют образованию трещин в на­плавленном слое.

Опыты по получению металла с мартенситной структурой проводи­лись в следующем порядке [3]. Сначала к флюсу примешивали графит с це­лью получения в наплавленном металле 0,6-0,8% углерода, затем к тому же флюсу с найденным количеством графита примешивали феррохром для по­лучения мартенситной структуры при охлаждении наплавленного металла на воздухе.

Углерод и легирующие элементы в наплавленный металл можно вво­дить также применением порошковой проволокой, легирующего или кера­мического флюса, легированной проволоки и легированной оболочки.

По результатам опытов в табл. 1.3 представлены данные эксперимен­тальных наплавок коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А.

Как видно из табл. 1.3, наиболее высокая твердость металла со струк­турой мартенсита получается при наплавке под легирующим флюсом, со­держащим 4% графита и 3,5% феррохрома. При этом наплавленный металл содержит 0,8% углерода, 1,8% хрома, 1,79% марганца, 0,65% кремния и в не­значительном количестве другие элементы.

Эксплуатационные испытания на износостойкость проводились сле­дующим образом [3]. Испытывали чугунные коленчатые валы двигателя ЗМЗ-53А, у которых по две шатунных и по две коренных шейки были на­плавлены под легирующим флюсом по оболочке. Часть шеек наплавляли под легирующим флюсом с меньшим количеством феррохрома, в результате они имели твердость HRC 50-60, остальные шейки имели твердость HRC 50-62. Наличие шеек с таким диапазоном твердости позволило определить зависимость между твердостью и износостойкостью наплавленного металла относительно высокопрочного чугуна. Чугунные коленчатые валы обрабатывались в соответствие с механическими требованиями завода и устанавливали на капитально отремонтированные двигатели.

Двигатели эксплуатировали в обычных условиях без разборки до появления технических неисправностей, после чего их снимали с автомобилей, разбирали и замеряли диаметры и толщины вкладышей.

В табл. 1.4 приведены данные по относительному износу наплавленных шеек по девяти коленчатым валам со сроком службы, соответствующим пробегу автомобиля 50-70 тыс. км.

Из табл. 1.4 видно, что наплавленные шейки с твердостью более HRC 56 изнашиваются меньше, а с твердостью менее HRC 56 изнашиваются больше не наплавленных чугунных шеек. Поскольку при оптимальном составе легирующего флюса твердость наплавленного металла колеблется в пределах HRC 56-62, износостойкость восстановленных чугунных коленчатых валов получается не ниже новых.

Данные по износостойкости вкладышей с шейками тех же валов, см. табл. 1.4, приведены в табл. 1.5.

Как видно из табл. 1.5, износ вкладышей, сопряженных с наплавленными шейками, меньше, чем с не наплавленными.

Испытанию на статическую прочность подвергали новые коленчатые валы и восстановленные наплавкой. Результаты приведены в табл. 1.6.

Как видно из табл. 1.6, при всех способах наплавки происходит снижение прочности восстановленных чугунных коленчатых валов.

Испытанию на усталостную прочность проводились не машине УП-50 конструкции ЦНИИТМАШ на натуральных образцах. Машина УП-50 предназначена для возбуждения и поддержания, заданных по величине переменных изгибающих напряжений. Результаты испытаний на усталостную прочность приведены в табл. 1.7.

Как видно из табл. 1.7, усталостная прочность при любом способе наплавки снижается. Наименьшее снижение усталостной прочности 10-15% происходит при наплавке под легирующим флюсом по оболочке. Наибольшее снижение усталостной прочности при наплавке в углекислом газе подтвердилось поломкой экспериментального чугунного коленчатого вала в эксплуатации.

1.4. Тенденция развития ремонтной базы в стране.

Зарубежный опыт

С начала 1990 года в стране резко упали объемы автомобильных грузовых перевозок. Отсутствие финансирования государственных предприятий, либерализация цен в экономике, в том числе и не энергоресурсы привели к массовому падению производства. Высокая инфляция ликвидировала оборотные средства автохозяйств, содержание крупных автохозяйств, на несколько сот машин, стало экономически не выгодным.

Зарубежный опыт показывает [11], что в рыночной экономике наиболее эффективными становятся фирмы, которые выбрали узкую специализацию. Это либо автоперевозки, а значит гараж на 5-20 машин, либо авторемонтные работы, предприятие с наличием всего оборудования для ремонтных операций. Количество работающих на этих фирмах не превышает 25-50 человек. Во многих странах на уровне законодательства, через налоги и экономические льготы, поощряется создание именно таких, малых предприятий. Такой фирме легче приспособиться к любым изменениям на рынке. Здоровая конкуренция между этими фирмами подталкивает их к поиску и внедрению новых технологий и предоставлению больших услуг.

В настоящее время в стране большое количество грузовых автомашин находится в частных руках. Ремонт этих машин на крупных авторемонтных мастерских становится не выгодным в связи с большими накладными расходами ремонтного предприятия. Поэтому наличие мелких авторемонтных фирм с невысокими накладными расходами становится необходимостью.

1. Задачи дипломного проекта.

В настоящее время в производственных подразделениях МПС РФ существует потребность в надежном и не требующем высокотехнологического оборудования способе восстановления чугунных коленчатых валов ГАЗ – 53А. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Требуется разработать технологический процесс включающий в себя:

• Выбор оборудования и технологической оснастки;

• Расчет и выбор режимов восстановления;

• Техническое нормирование операций;

• Технологическую документацию;

• Проектирование участка;

• Разработку и расчет приспособлений;

• Технико-экономический расчет;

• Технику безопасности при проведении работ.

2. Проектирование технологического процесса

восстановления чугунного коленчатого вала

двигателя ЗМЗ-53А.

2.1. Разработка маршрутного технологического процесса.

Для осуществления качественных наплавочных операций требуется произвести подготовку ремонтных поверхностей мойкой. Грязь, жировые и масляные пленки при сварочных и наплавочных работах приводят к образованию пор и трещин. Часто поступающие в ремонт валы из-за больших нагрузок испытываемых во время эксплуатации имеют повышенную деформацию. Для исправления этого дефекта требуется предусмотреть операцию правки. Шлифовку коренных шеек вала производят в центрах станка. Выполнения технологических требований по биению коренных шеек, каждый переход шлифовки производят за одну установку в центрах станка. Для этого в технологический процесс введена операция правки центровых фасок. Защитные оболочки устанавливаются на подготовленные поверхности шеек вала. Шейки вала должны иметь шероховатость не ниже Ra 1,25. Для этого шейки вала шлифуют на 1 мм меньше последнего ремонтного размера. Закрепление оболочек к шейкам вала производят сваркой. После закрепления оболочек требуется наплавить галтели шеек и после этого наплавить шейки вала. Обработку шеек вала под ремонтные размеры производят за два раза, черновым и чистовым шлифованием. Обработка отверстий масляных каналов производится перед чистовым шлифованием, чтобы не испортить номинальные размеры на слесарных операциях. При необходимости готовые коленчатые валы не прошедшие операцию контроля по биению коренных шеек правят на прессе. Для этого в технологическом процессе должна быть предусмотрена повторная операция правки. Восстановление номинальных размеров фланца маховика, шейки под шкив вентилятора и резьбы в отверстии под храповик производят токарным и слесарным способом. Для выполнения технических требований по шероховатости Ra 0,32 шейки коленчатых валов полируют. Для удаления жировых и масляных пленок, а также грязи и стружки коленчатые валы моют. Для предотвращения появления следов ржавчины коленчатые валы консервируют смазкой.

Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателя ЗМЗ-53А автоматической наплавкой под легирующим флюсом по оболочке приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

2.2. Выбор оборудования и технологической оснастки.

Принимаю для технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов следующее оборудование:

2.3. Расчет и выбор режимов восстановления

и механической обработки.

2.3.1. Выбор и обоснование технологического

маршрута механической обработки

коренных и шатунных шеек.

При черновом шлифовании производится большой съем металла, что неизбежно приводит к появлению внутренних напряжений. Чтобы избежать деформаций вала обработку шеек коленчатых валов необходимо производить в следующей последовательности:

1. Предварительное шлифование шатунных шеек;

2. Предварительное шлифование коренных шеек;

3. Зенкование отверстий масляных каналов;

4. Окончательное шлифование шатунных шеек;

5. Окончательное шлифование коренных шеек;

6. Полирование шеек.

В любом другом порядке шлифования вал деформируется, и соосность коренных шеек нарушается, в связи с этим приходится вводить дополнительную правку чугунного коленчатого вала.

2.3.2. Расчет промежуточных размеров, назначение

припусков на механическую обработку.

Величина припусков найдена расчетно-аналитическим методом [15].

Расчет начат с нахождения припуска на чистовое шлифование.

Расчетный минимальный припуск:

(2.1)

где - высота микро неровностей;

- толщина дефектного слоя;

- суммарное отклонение расположения обрабатываемой поверхности.

- погрешность установки. При обработке в центрах = 0.

, (2.2)

где - отклонение оси от прямолинейности;

- погрешность центрирования;

, (2.3)

где - удельная кривизна детали. Для чистового шлифования принято =0,05 мм;

L – длина заготовки, мм. Принято L=710 мм.

, (2.4)

Все данные для расчетов (Rz, TD, h) взяты из [15 табл. 2,3 стр. 4]

мм;

мм;

мм;

мм;

Расчетные минимальные размеры определены путем прибавления соответствующего расчетного припуска:

, (2.5)

где - минимально допустимый диаметр коренной шейки на чистовой операции, = 69,987 мм;

-минимально допустимый размер коренной шейки на черновой операции.

мм;

Допуск на размер данного перехода составляет 0,2 мм, поэтому округляем до 70,6 мм;

, (2.6)

мм;

Припуск на черновое шлифование:

мм;

мм;

мм;

мм;

мм;

Допуск на размер данного перехода составляет 1,1 мм, поэтому округляем до 71,8 мм.

мм;

Полученные данные заносим в табл. 2.3.

Расчет припусков и промежуточных размеров для шатунных шеек чугунного коленчатого вала произведено аналогично коренным. Результаты вычислений вносим в табл. 2.4.

Окончательно принимаем размеры для наплавки:

Шатунных шеек – диаметр 62,9-1,1 мм;

Коренных шеек – диаметр 72,9-1,1 мм;

Для чернового шлифования:

Шатунных шеек – диаметр 60,8- 0,2 мм;

Коренных шеек – диаметр 70,8-0,2 мм;

2.3.3. Расчет режимов резания при механической обработке

шеек чугунного коленчатого вала.

Черновое шлифование коренных шеек.

Требуемый диаметр: 70,8-0,2 мм;

Диаметр шлифуемой детали: 72,9-1,1 мм;

Используется кругло – шлифовальный станок 3Б161.

Длина обрабатываемой шейки: Lш – 30,5 мм;

Количество шеек – 5.

Выбран шлифовальный круг – ЭСТ (25 – 60) К.

Диаметр круга Dк – 600 мм;

Ширина круга Вк – 20 мм;

Расчетная скорость вращения детали:

, (2.7)

где Dд – диаметр шлифуемой поверхности, мм;

Т – стойкость шлифовального круга. Принято Т=40 мин;

t – глубина шлифования, мм.

Значения (Сv, k, m, t. x, ) приняты по [18, табл.36].

м/мин;

Расчетная частота вращения детали:

, (2.8)

об/мин.

- частота вращения детали находится в пределах паспортных данных станка.

Скорость вращения шлифовального круга:

, (2.9)

где Dк – диаметр шлифовального круга, мм;

- частота вращения шлифовального круга. Принято по паспортным данным станка - 1200 об/мин.

м/мин;

Скорость перемещения стола:

, (2.10)

где Sпр – перемещение обрабатываемой детали вдоль ее оси за один оборот;

, (2.11)

где Вк – ширина шлифовального круга, мм;

- расчетный коэффициент шлифования. Для предварительной обработки = 0,35 [18 табл. 34].

мм/об;

мм/мин;

Полученное значение Vc = 0,35 мм/мин находится в пределах скоростей перемещения стола, указанных в паспортных данных выбранного станка.

Основная нагрузка при шлифовании приходится на черновое шлифование. Потребная мощность на вращение шлифовального круга:

Тангенциальная сила резания:

, (2.12)

Значения ( Ср, u, x, у) взяты из [18 табл. 39].

Н;

Эффективная мощность на вращение шлифовального круга:

, (2.13)

кВт;

Потребная мощность:

, (2.14)

где - К.П.Д. шлифовального станка. Принято = 0,75.

кВт;

Мощности выбранного станка достаточно для чернового шлифования на выбранных режимах.

Основное технологическое время:

, (2.15)

где L – длина продольного хода детали, мм;

, (2.16)

где Lш – длина обрабатываемой поверхности, мм;

Вш – ширина круга, мм

L = 30,5 – 20 = 10,5 мм;

h – припуск на обработку, мм;

к – коэффициент, учитывающий точность шлифования и износ круга. По данным [18] при черновом шлифовании к = 1,3 – 1,4, принято к = 1,3; при чистовом шлифовании к = 1,3 – 1,7, принято к = 1,5.

мин;

Время, затраченное на 5 шеек:

мин;

Расчет шатунных коленчатых шеек произведен аналогично. Полученные результаты внесены в табл. 2.5.

2.4. Техническое нормирование операций

технологического процесса.

Расчет норм времени произведен по общемашиностроительным нормам [19, 20, 21, 22].

Тшт = То + Тв + Тобс + Тф , (2.17)

где Тшт – штучное время, мин;

То – основное (техническое) время, мин;

Тв – вспомогательное время на установку и снятие детали с оборудования, мин.

Тобс – время на обслуживание рабочего места и оборудования, мин. Принято 5% от (То + Тв).

Тф – время на физические надобности и отдых, мин. Принято 5% от (То + Тв).

Расчет штучного времени на операции №23 чернового шлифования коренных шеек:

По [21 карта №3] время на установку и снятие детали при обработке в центрах t = 1,5 мин.;

Тф = Тобс = мин;

Тш = 18+1,5+0,98+0,98 = 21,5 мин.

Расчет остальных операций произведен аналогично. Все полученные данные приведены в табл. 2.6.

2.5. Технологическая документация на

технологический процесс.

2.5.1. Маршрутная карта технологического

процесса

Операции:

1. Мойка; 2. Слесарная; 3. Слесарная; 4. Мойка; 5. Контрольная;

1. Слесарная; 7. Токарная; 8. Шлифовальная; 9. Шлифовальная;

10. Сварочная; 11. Контрольная; 12. Сварочная; 13. Сварочная;

14. Контрольная; 15. Сварка; 16. Слесарная; 17. Наплавочная;

18. Наплавочная; 19. Наплавочная; 20. Наплавочная;

21. Шлифовальная; 22. Контрольная; 23. Шлифовальная;

24. Контрольная; 25. Слесарная; 26. Контрольная; 27. Шлифовальная;

28. Шлифовальная; 29. Контрольная; 30. Слесарная; 31. Токарная;

32. Токарная; 33. Слесарная; 34. Токарная; 35. Токарная;

36. Слесарная; 37. Токарная; 38. Контрольная; 39. Токарная;

40. Мойка; 41. Комплектовочная.

2.5.2. Операционная карта механической обработки

чернового шлифования коренных шеек

чугунного коленчатого вала.

Операционная карта приведена в табл. 2.7.

2.5.3. Карта эскиза чернового шлифования коренных

шеек чугунного коленчатого вала.

2.6. Заключение к технологическому процессу

восстановления чугунных коленчатых

валов двигателя ЗМЗ – 53А.

Данный технологический процесс обеспечивает качественное восстановление чугунных коленчатых валов без содержания пор и трещин. При всех преимуществах данной технологии у нее есть и некоторые сложности. Например, при выполнении наплавочных работ трудно выдержать расчетные припуски на обработку. Прижатие защитной оболочки к шейке вала производится на каждую шейку отдельно. При доработке стенда можно уменьшить время на сборку вала и защитных оболочек. При малых объемах изделий подлежащих восстановлению не удается полностью загрузить некоторые рабочие места и приходится искать дополнительную загрузку для рабочих.

2.7. Проектирование участка для восстановления

чугунных коленчатых валов

двигателя ЗМЗ – 53А.

2.7.1 Расчет количества оборудования

и его загрузки.

Определение количества станков для обработки чугунных коленчатых валов произведено по технико-экономическим показателям [16].

, (2.18)

где Те – оперативное время затраченное на данную операцию, мин;

Тт – такт изготовления детали, мин. Принимаю Тт – равному максимальному оперативному времени затраченному на наплавочной операции Те – 148,7 мин.

Требуемое количество станков на токарной операции:

;

На токарные операции принимаю 1 станок. Остальное количество оборудования рассчитано аналогично и занесено в табл. 2.8.

2.7.2. Расчет количества рабочих и обслуживающего

персонала.

Расчет количества рабочих станочников произведен по количеству принятого оборудования табл. 2.8.

Некоторые рабочие будут загружены не полностью. Токарь на 55%, слесарь на 7%, мойщик на 35%, сварщик на 45%. В условиях ремонтного участка целесообразно этих рабочих доза грузить работой согласно их профиля работы. Например, мойщика можно использовать на входной мойке машин поступающих на ремонт.

Инженерно-технический персонал рассчитан в размере 11-12% от количества рабочих [16]. Принят 1 мастер. Остальной обслуживающий персонал принимается по штатному расписанию ремонтного цеха.

2.7.3. Расчет производственных площадей.

Расчет площадей участка восстановления чугунных коленчатых валов произведен по нормам технологического проектирования предприятий машиностроения [23] и занесен в табл. 2.9.

, (2.19)

где - общая площадь, занимаемая оборудованием;

к – коэффициент проходов и рабочих зон. Принят к = 4,5 [16].

,

2.7.4. Разработка и обоснование схем

планировки оборудования.

Ширина пролета участка принята В = 18 м.

Длина занимаемая участком:

, (2.20)

м;

Нормы ширины проезда приняты с учетом оргоснастки на основании типовых проектов организации рабочих мест и требований ГОСТ 12.3.020 – 80 [23].

Ширина проезда – 3 м;

Расстояние от станка до проезда – 2 м;

Расстояние между станками:

между тыльными сторонами – 1м;

между боковыми сторонами – 1,3 м;

между фронтом – 2,6 м;

Расстояние от стен и колон до:

фронта – 1,6 м;

тыльной стороны – 1,5 м;

боковой стороны – 0,9 м;

По рекомендациям [23], принято расположение наплавочного, сварочного поста у стен участка в изолированном помещении. Шлифовальный и моечный посты так же располагаю в изолированном помещении.

Схема участка восстановления чугунных

коленчатых валов.

3. Конструирование стенда для прихватки

металлической защитной оболочки.

3.1. Описание детали, технические

условия на ее изготовление.

Эскиз металлической оболочки.

Рис 3.1

D – внутренний диаметр кольца.

Для шатунных шеек D = 57,5 мм;

Для коренных шеек D = 67,5 мм;

S – толщина кольца 0,8 – 0,9 мм.

Технические условия на изготовление:

1. 1. Материал – лист 0,8-0,9 мм, сталь 08 кп (ГОСТ 8075 – 81);

2. 2. Риски, вмятины, царапины глубиной более 0,2 мм не допускаются;

3. Края кольца притупить кругом фаской 0,2х 45;

1. 4. Разностенность детали не должна превышать 0,1 мм.

Прихваченная, к шейкам чугунного коленчатого вала, оболочка должна плотно прилегать к поверхности шейки, в местах неплотного приле­гания происходит несплавление слоя с основным металлом, образуются поры и трещины.

Экспериментальная проверка разнообразных приспособлений для прижатия оболочек к шейкам во время прихватки позволила выбрать наибо­лее простое и надежное из них – разъемное металлическое кольцо, облицо­ванное внутри резиной толщиной 5 – 6,5 мм [3]. При помощи разъемного кольца можно прижимать оболочки к шейкам вала вручную, используя клещи (Рис. 3.2) [3] и слесарную струбцину.

Эскиз клещей для прижима оболочки к шейкам вала.

Рис. 3.2

1. Выбор и обоснование принципиальной

схемы стенда.

Разрабатываемый стенд должен удовлетворять нескольким требованиям:

1. Удобство в работе и обслуживании.

2. Малые габаритные размеры.

3. Низкая цена комплектующих.

4. Приспособление должно обеспечить полное устранение всех геометрических погрешностей штамповочных операций полным обжатием оболочки по поверхности шейки вала.

Для удобства работы на сварочных операциях целесообразно применить верхнюю загрузку чугунного коленчатого вала в приспо­собление.

Из трех наиболее распространенных видов приводов: электри­ческого, гидравлического и пневматического наименьшие габаритные размеры имеет пневмопривод. Преимуществом пневма и гидроприво­дов по сравнению с электрическим является возможность воспроизве­дения поступательного движения без каких-либо передаточных меха­низмов.

По сравнению с гидравлическими пневматические приводы обладают следующими преимуществами: их исполнительные устрой­ства имеют более низкую стоимость, возвратные линии значительно короче, так как воздух может быть удален в атмосферу из любой точки системы. Наличие неограниченного запаса воздуха в качестве рабочего тела также способствует широкому распространению пнев­моустройств. Вместе с тем пневматические приводы при равных габа­ритах с гидравлическими развивают меньше усилия, что объясняется более высоким давлением жидкости в гидравлических приводах [25].

Исходя из того, что от качества прижатия оболочек к чугунному коленчатому валу зависит качество наплавочных работ, а также в целях механизации процессов обжатия оболочек в настоящем дипломном проекте решается задача разработки стенда для обжатия и последующей прихватки защитной металлической оболочки к коленчатому валу. Одним из вариантов решения этой проблемы может быть применение рычажной схемы стенда.

Окончательно принимаю стенд с верхней загрузкой чугунного коленчатого вала, рычажной схемы передачи усилия сжатия, с использованием пневмапривода.

Последовательность работы стенда:

В раскрытые полукольца 1 с заделанной в них резиновой прокладкой 4 устанавливают оболочки 5, вал 6 укладывают на оболочки и выставляют их так, чтобы края полуколец и оболочки совпадали. Затем опускают коленчатый вал с зажимными кольцами вниз, включают подачу воздуха в пневматическую камеру 8. Шток пневматической камеры и сама камера производит давление на рычаги 2 который крепятся на раме 7 посредством кронштейнов 3. После этого прихватывают оболочки встык полуавтоматом в двух точках на расстоянии 5 мм от галтели. После прихваток выпускают воздух из пневматической камеры, поднимают вал вверх и снимают его со стенда.

Принципиальная схема стенда.

1. Полукольца; 2. Рычаги; 3. Кронштейны; 4. Резиновая прокладка; 5. Оболочка; 6. Коленчатый вал; 7. Рама; 8. Пневматическая камера.

Рис. 3.3

1. . Расчет основных параметров стенда.

Для качественного прилегания защитной металлической оболочки к чугунному коленчатому валу требуется усилие, сжимающее резиновую прокладку, облегающую оболочку, на 1 мм [3].

Усилие сжатия получено из закона Гука:

, (3.1)

где - перемещение (сжатие) резины. Принято = 0,001 м.

L – толщина резины. Принято L = 0,006 м.

Е – модуль упругости резины. Принято для СКС - 30 Е = 8,4 МПа [26 стр. 166].

– усилие сжатия, Н.

А – площадь резины, .

, (3.2)

где - диаметр шатунной шейки чугунного коленчатого вала.

Принято = 0,0675 м;

- толщина металлической оболочки. Принято = 0,0009 м;

- ширина шатунной шейки за вычетом галтелей. Принято = 0,048 м;

;

, (3.3)

Н;

Окончательно принимаем сжимающее усилие = 15 кН.

Эскиз полуколец.

Рис. 3.4

Внутренний диаметр полуколец получен из формулы:

, (3.4)

где - диаметр шейки чугунного коленчатого вала, м

- толщина оболочки. Принято = 0,9 мм;

- толщина резины. Принято = 6 мм;

Для шатунных шеек:

мм;

Принято = 80,5 мм;

Для коренных шеек:

мм;

Принято = 70,5 мм;

Ширина полуколец получена из формулы:

, (3.5)

где - длина шейки чугунного коленчатого вала;

R – радиус галтелей;

Для коренных шеек:

мм;

Для шатунных шеек:

мм;

Схема приложения сил.

Рис. 3.5

Размеры L2, L3, L4, L5 – приняты конструктивно:

L2, L3 – 40 мм, L4 – 50 мм, L5 – 30 мм.

Усилие сжатия механизма стенда - 15 кН.

, (3.6)

кН;

По рекомендациям [8] принято усилие на штоке пневмапривода =6 кН.

, (3.7)

кН;

Расстояние L1 исходя из найденных усилий.

Расчетная схема для нахождения L1.

Рис. 3.6

кН;

; (3.8)

м;

3.3.1. Расчет привода.

Окончательно принятое усилие на штоке пневматической камеры = 6 кН.

Избыточное давление в магистрали рм. Принято рм = 0,6 МПа.

Диаметр мембраны, при толкающем усилии [8]:

, (3.9)

где - усилие на штоке;

- коэффициент ;

- диаметр опорного диска;

- диаметр мембраны;

По рекомендациям [8] принимаю рм – 0,6 МПа, - 0,6;

м;

Рекомендуемый максимальный ход поршня [8].

, (3.10)

м;

Принимаю ход поршня S – 0.03 м;

По принятому усилию на штоке, из [8] принимаю мембранную камеру КПЦ – 600 ГОСТ 15608-70 с характеристиками:

Максимально допустимое давление магистрали рм – 0,6 МПа;

Диаметр мембраны (в заделке) Dм – 140 мм;

Диаметр штока Dшт – 16 мм;

Ход поршня S – 30 мм;

Максимальное усилие на штоке Ршт – 6 кН;

Возвратное усилие Рв – 60 Н;

Жесткость пружины С – 660 Н/м;

Схема пневмапривода принципиальная.

МК – мембранная камера;

Р – пневмораспределитель двухпозиционный, трехлинейный;

КР – клапан редукционный;

Ф – фильтр;

МН – манометр;

ВН – вентиль;

Рис. 3.7

Принцип работы пневмапривода:

При открытии вентиля ВН воздух из пневмомагистрали направляется в фильтр для очистки от грязи и пыли. Манометр МН показывает фактическое давление в линии. После очистки, воздух проходит через клапан редукционный КР для стабильной работы привода при скачках давления в основной магистрали, где давление воздуха понижается до 0,6 МПа. После клапана редукционного воздух попадает в пневмораспределитель двухпозиционный, трехлинейный ручного действия. В первом крайнем положении, воздух направляется в мембранную камеру, где производит работу движения поршня. Во втором положении основная магистраль перекрыта, а рабочая полость мембранной камеры соединяется с атмосферой и под действием возвратной пружины шток мембранной камеры возвращается в исходное положение.

По рекомендациям [8] рассчитана эффективная площадь сечения трубопровода.

, (3.11)

где S – ход поршня;

Ршт – усилие на штоке;

Рм – давление в магистрали;

Uу – безмерный коэффициент [8 Рис. 7.7];

Для определения Uу требуется определить 1/x и Хпр.

1/x – безразмерный коэффициент площади мембраны;

Хпр – безразмерная жесткость пружины;

, (3.12)

где F – площадь мембраны;

, (3.13)

где D – диаметр мембраны;

;

;

Безразмерная жесткость пружины:

, (3.14)

где С – жесткость пружины;

;

По [8 Рис. 7.7] находим Uу – 6,3;

мм;

По данным [8] принят трубопровод металлический с наружным диаметром 8 мм толщиной стенки 1,6 мм, труба бесшовная холоднодеформированная из коррозионно-стойкой стали ГОСТ 9941-72. Длина эквивалентного трубопровода Lэ = 2,1 м.

По данным [26] принимаю:

Пневмораспределитель В71 – 22А ТУ 2-053-1787-86, диаметр прохода Dу – 6 мм, максимальное давление Рmax = 1МПа;

Фильтр воздушный ФВ6-03 ТУ 25.280666-80, рабочее давление Р = 0,3 – 0,9 МПа;

Пневмоклапан редукционный БВ57-3 ГОСТ 18468-79, диаметр прохода Dу – 6 мм, максимальное рабочее давление Р = 1 МПа;

Вентиль ПОВ-1 ТУ 25-02.380516-80;

Манометр избыточного давления МП ТУ 25.02.180315-78, диаметр корпуса Dк – 100 мм, верхний предел Р = 1 МПа;

1. . Прочностной расчет деталей.

По заданным силам и найденным плечам рассчитан шарнир А и рычаг Т.

Расчетная схема шарнира А и рычага Т.

Рис. 3.8

; ; (3.15)

; при = 0;

; при = 0,04;

Опасное сечение у шарнира А. Предварительно назначаю рычаг с сечением В = 25 мм, h = 25 мм, материал сталь 45 с расчетным сопротивлением по пределу текучести R = 360 МПа. Диаметр шарнира – 12 мм.

, (3.16)

Для прямоугольника:

, (3.17)

Для круга:

, (3.18)

Для рычага полностью:

, (3.19)

;

Па ;

;

Выбранное сечение рычага обеспечивает прочность.

Шарнир А проверяем на усилие среза и смятия.

Схема приложения сил к шарниру А.

Рис. 3.9

Условие прочности по срезу:

, (3.20)

где Р – усилие среза;

d – диаметр шарнира;

к – число срезов, к = 2;

Rср – расчетное сопротивление срезу.

Для стали 45 принято Rср = 150 МПа;

Принимаю усилие среза Р = 10,5 кН, из расчетной схемы Рис. 3.8.

Диаметр шарнира:

, (3.21)

м ;

Условие прочности по смятию:

, (3.22)

где Rсм - расчетное сопротивление при смятии.

Для стали 45 принято Rсм = 610 МПа;

Р – усилие смятия. Принято Р = 10,5 МПа;

Асм – площадь поверхности смятия, .

, (3.23)

где d – диаметр шарнира. Принято d = 12 мм;

- сумма минимальных толщин листов направленных в одну сторону. Принято = 16 мм.

;

;

;

Аналогично рассчитываем шарнир В.

Усилие среза для шарнира В равно Р =6 кН.

Диаметр шарнира:

;

Усилие смятия для шарнира В равно Р = 6 кН.

принято 10 мм, Рис 3.10.

;

;

;

Схема приложения сил к шарниру В.

Рис. 3.10

3.5. Проектирование штампа.

Процесс изготовления защитных металлических оболочек состоит из следующих операций: очистки и обезжиривания листа, разрезание его на полосы, вырубка из полос заготовок для оболочек Рис. 3.11, гибка краев оболочек Рис. 3.12, гибка средней части оболочек Рис. 3. 13.

Эскиз штампа для вырубки оболочек.

Рис. 3. 11

Размер оболочек определен расчетным путем из следующих зависимостей:

Длина оболочки:

, (3.24)

где - диаметр шейки чугунного коленчатого вала, мм;

- толщина оболочки, мм;

Ширина оболочки:

, (3.25)

где - ширина шейки чугунного коленчатого вала, мм;

r – радиус галтели, мм;

Полученные размеры занесены в табл. 3.1.

Эскиз штампа для гибки краев оболочки.

Рис. 3. 12

В работе [3] приведена схема штампа для гибки краев оболочек к чугунному валу двигателя ГАЗ – 21. На основе этой схемы и рекомендаций [28 Т.2] назначаю размеры В, в, R, r и заношу в табл. 3.2.

Оставшиеся размеры назначаю исходя из конструкции штампа.

Эскиз штампа для гибки средней части оболочки.

Рис. 3.13

Размеры для штампа гибки средней части оболочки назначаю аналогично штампу для гибки краев и заношу в табл. 3.3.

3.6. Правила и инструкции технической

эксплуатации штампа.

Специальные требования безопасности [29].

Перед началом работы:

1. Привести в порядок рабочую одежду: застегнуть все пуговицы, заправить одежду так, чтобы не было развевающихся концов, убрать волосы под головной убор. Перед операцией вырубки из полосы, которую подают вручную или заправляют в автоматическую подачу, надеть наладонники.

2. Работу начинать на тех прессах, которые изучены рабочим и до которых он допущен.

3. Проверить и убедиться в исправности: всех частей пресса и правильности их взаимодействия; действии остановочно-пусковых приспособлений (рычагов, пусковых кнопок, педалей и т. д.); действия тормоза и муфты сцепления; заземляющего провода и контактов его соединения. Убедиться в правильности установки штампа при штамповке деталей на провал; В этом случае в плите стола пресса должно быть отверстие для выхода деталей и отходов.

4. Проверить наличие защитных ограждений на вращающихся механизмах, особенно обратив внимание на наличие ограждений опасной зоны пресса или штампа.

5. Проверить работу пресса на холостом ходу.

Во время работы:

1. Быть внимательным во время работы, не отвлекаться самому и не отвлекать других. Приступать к работе только на исправном прессе.

2. При застревании детали в штампе выключить пресс и сообщить об этом мастеру или наладчику.

3. Не переключать самостоятельно работу пресса с установленного наладчиком режима.

4. Не проводить самостоятельную наладку и какие-либо исправления у пресса или штампа.

5. При отлучке с рабочего места остановить пресс и выключить электромотор.

По окончании работ:

1. Выключить электромотор. Привести в порядок рабочее место и сдать его сменщику или мастеру.

2. Сообщить своему сменщику и мастеру о всех замеченных во время работы неисправностях.

4. Экономическая часть.

4.1. Технико-экономические показатели

восстановления чугунных

коленчатых валов.

Себестоимость восстановленных чугунных коленчатых валов двига­теля ЗМЗ-53А определена расчетом, приведенном в таблице 4.1 Данные себестоимости коленчатых валов отремонтированных шлифова­нием взяты в бухгалтерии ОАО НЗХК. Данные восстановления наплав­кой взяты [3].

Таблица 4.1

Наименьшую стоимость имеют чугунные коленчатые валы,

отремонтированные шлифованием под ремонтные размеры, по­этому при восстановлении необходимо стремиться, чтобы наплавленный металл обес­печивал возможность использования всех ремонтных размеров.

Кроме себестоимости восстановленных чугунных коленчатых валов необходимо учитывать и другие показатели, в том числе износостойкость и возможность дальнейшего использования путем шлифования под ремонтные размеры.

По методике Ефремова Е.Е. [24] каждый способ восстановления ха­рактеризуется при помощи стоимостного измерителя, выражающего затраты на деталь в рублях на 1000 км пробега автомобиля.

, ( 4.1 )

где, Sр – стоимость затрат на восстановление детали;

Х – коэффициент относительной износостойкости детали после ее восстановления;

Lнх – пробег автомобиля с отремонтированной деталью.

Lн – пробег автомобиля с новой деталью;

Износостойкость чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А новых, восстановленных шлифованием. Вибродуговой наплавкой. Наплавкой в два слоя под легирующим флюсом и в два слоя порошковой проволокой, под легирующим флюсом по оболочке находится примерно на одном уровне, поэтому коэффициент износостойкости принят равным единице. Новые и восстановленные чугунные коленчатые валы используют многократно. Учитывая это, стоимостной измеритель будет равен:

, (4.2 )

где Sр1-себестоимость восстановления;

Sр2- себестоимость ремонта шлифованием под ремонтные размеры;

L1-пробег автомобиля с восстановленным чугунным коленчатым валом;

L2-пробег автомобиля с чугунным коленчатым валом после ремонта шлифованием;

n-количество используемых ремонтных размеров;

Средний пробег автомобиля с капитально отремонтированным двигателем составляет 65 тыс. км [3], после такого пробега значительная часть коленчатых валов имеет небольшие износы и некоторые из них пригодны для эксплуатации. Однако на авторемонтных заводах все коленчатые валы ремонтируют шлифованием под ближайшие ремонтные размеры, поэтому автомобили с восстановленными чугунными коленчатыми валами имеют один и тот же средний пробег 65 тыс. км , после чего коленчатые валы либо ремонтируют, либо выбраковывают.

Коленчатые валы, восстановленные вибродуговой наплавкой, вследствие увеличения количества пор по глубине слоя используют лишь до третьего ремонтного размера включительно и далее выбраковывают, т.е. n=3.

Новые чугунные коленчатые валы, наплавленные под слоем флюса по оболочке и под флюсом в два слоя вследствие деформации в период эксплуатации и неравномерного износа отдельных шеек, ремонтируют не более 5 раз, т.е. n=5. Таким образом, общий пробег автомобиля с чугунным коленчатым валом, восстановленным вибродуговой наплавкой составляет 65+65*3=260 тыс. км, а для остальных чугунных коленчатых валов 65+65*5=390 тыс. км пробега автомобиля.

Расчеты по определению затрат в рублях на 1000 км пробега автомобиля, с начала восстановления до выбраковки коленчатого вала, приведены в таблице 4.2.

Как видно из табл. 4.2 все способы наплавки экономически целесообразны, но поскольку технико-экономический коэффициент критерия выбора рационального способа при наплавке под легирующим флюсом по оболочке наименьший, значит, этот способ можно считать более приемлемым по сравнению с другими.

5. Охрана труда.

5.1. Состояние условий труда при работах по восстановлению

чугунных коленчатых валов.

Технологический процесс восстановления чугунных коленчатых валов включает в себя ряд неблагоприятных, для исполнителей работ, факторов. Опасности, имеющие место на рабочих местах, подразделяются на импульсные и аккумулятивные.

Источниками импульсных опасностей являются подвижные массы, потоки воздуха, газов и жидкостей, незаземленные источники электрической энергии, неправильное размещение оборудования на рабочем месте. Импульсная опасность, приводящая к травме, мгновенно реализуется в случайные моменты времени и может быть представлена дискретной, случайной функцией производственного процесса.

Источниками аккумулятивных опасностей являются: повышенный шум, вибрация, загрязненность воздушной среды газами и парами. В результате действия этих факторов организм человека переутомляется, нарушается координация движений, притупляется реакция организма на внешние раздражители. Аккумулятивная опасность реализуется на протяжении всего производственного процесса, представляя его непрерывную функцию, и приводит к повышенному утомлению и заболеваниям.

На рабочих местах сварки и наплавки присутствуют такие вредные факторы как ультрафиолетовое излучение, выделения вредных веществ процесса сгорания, избыточное выделение теплоты.

На рабочем месте шлифовщика присутствует повышенное содержание абразивной взвеси в воздухе, шум при обработке изделий.

На рабочем месте токаря и слесаря присутствует повышенный шум, имеется опасность получить травму от вращающихся частей оборудования. К травме может привести так же попадание стружки в глаза.

На рабочем месте мойщика рабочим телом является вода, температура которой достигает 90 градусов. Существует возможность получения ожогов.

В связи с тем, что технологический процесс восстановления чугунных коленчатых валов предназначен для не больших участков ремонтных подразделений МПС в основном располагающихся в старых помещениях, часто имеющих не достаточное количество освещения, а также в связи с тем, что одной из наиболее объемной работой по восстановлению чугунных коленчатых валов являются операции шлифования, произведен расчет искусственного освещения на рабочем месте шлифовщика.

5.2. Анализ вредных и опасных факторов

шлифовального отделения.

.

5.3. Требования нормативно-технической документации

по охране труда.

Таблица 5.2

5.4. Мероприятия по защите рабочих от опасных

и вредных факторов.

Для того чтобы уменьшить или исключить вообще, влияние опасных и вредных факторов на человека необходим целый комплекс мер по охране труда.

Методы борьбы с шумом:

Одним из методов борьбы с шумом является применение звукопоглощающих материалов для облицовки стен, потолков и пола производственных помещений.

В качестве оперативного способа профилактики вредного воздействия шума на работающих целесообразно использовать средства индивидуальной защиты, в частности потивошумные наушники. Наушники снижают уровень звукового давления от 3 до 36 дБ.

Устройство освещения:

При проведении шлифовальных работ важную роль играет рациональное освещение, позволяющее следить за объектом, за работой оборудования.

Исходные данные:

Размеры помещения: длина 7,5 м, ширина 5,2 м, высота 6 м.

В помещении производится обработка металла шлифованием. Параметры среды – нормальные, потолок – бетонный, грязный, стены – грязные, пол – темный.

Принимаю нормируемые параметры освещенности в соответствии с

(п 11.1 табл. 2.2.1 [30] и пп. 4.12 и 4.15 [31]) и заношу в табл. 5.3

Согласно (п 11.1 табл. 2.2.1[30]) принимаю систему общего освещения.

Помещение шлифовки чугунных коленчатых валов, участка восстановления, не содержит и не обрабатывает материалы способные образовать взрывоопасные смеси. Помещение не взрывоопасное. Помещение шлифовального отделения не пожароопасное П – 111 ([32] табл. П.3). Из (табл. П.3 [32]) для газоразрядных ламп и класса пожароопасности П – 111 требуется степень защиты 1Р23. Принимаю тип КСС из ([32] табл. П.7), тип кривой силы света Г. Принимаю по ([32] табл. П.9) тип светильника степени защиты 1Р23, кривой силы света Г, класса светораспределения П, табл. 5.4.

Для расчета помещения шлифовального отделения использован метод светового потока.

Индекс помещения:

, (5.1)

где а – длина помещения;

в – ширина помещения;

- расчетная высота осветительного прибора над рабочей поверхностью. Принято = 6 м.

Коэффициент использования светового потока:

, (5.2)

где - КПД светильника. По (табл. П.8 – П.10 [32]) принято 0,7;

- КПД помещения. По (табл. П.12 [32]) принято при:

- коэффициент отражения потолка (П.13 [32]) принято = 50%;

- коэффициент отражения света цветными поверхностями. По (табл. П.14 [32]) принимаю = 0,41%;

Принимаю = 0,41.

;

Потребное количество светильников:

, (5.3)

где n – число рядов светильников;

m – число светильников в ряду;

, (5.4)

где - расстояние между соседними светильниками.

, (5.5)

, (5.6)

где - коэффициент для типа КСС, принято по (табл. П.15 [32]) =1,1.

м ;

;

;

Принимаю m = 1, n = 1;

шт ;

Требуемый световой поток светильника:

, (5.7)

где - нормативная минимальная освещенность расчетной поверхности, лк;

S – площадь помещения, , принято S = 38,8 ;

Z – коэффициент , принято при точечном расположением светильников равным 1,15 [32];

- коэффициент запаса, принимаю по (табл. 1.1 [30]) = 1,8;

лм;

Принимаю по (табл. П.16 – П.20 [32]) для расчетной поверхности лампы:

РСП05 мощностью 700 Вт, напряжением 140 В, световым потоком 40000 лм.

Для требуемого светового потока Ф = 83954 лм беру два светильника общим световым потоком Ф = 80000 лм. Световой поток находится в пределах допуска – 10% + 20%.

5.5. Техника безопасности.

.

5.5.1. Общие требования.

Станок должен быть заземлен.

Не допускаются к управлению станка лица, не прошедшие обучение и не аттестованные по профессии шлифовщик, а также лица, моложе 18 лет.

Запрещается работа на неисправном оборудованием, при неисправном защитном кожухе.

При работе на станке обязательно пользоваться защитным экраном.

5.5.2. Требования перед началом работы.

Перед началом работы рабочий обязан осмотреть и проверить техническое состояние узлов и деталей станка и убедиться в их исправности.

Проверке на исправность и надежность подлежат:

- ограждения и защитные кожухи вращающихся узлов станка, а также их крепление;

- заземление станка, (визуально);

- освещение рабочего места;

- система управления стендом.

Работать на станке, имеющем неисправности, запрещается. Необходимо убедиться в наличии на рабочем месте средств индивидуальной защиты, средств пожаротушения и средств оказания первой медицинской помощи.

5.5.3. Требования во время работы.

При появлении во время работы станка посторонних шумов, стуков и т.д. станок необходимо отключить и проверить, откуда исходят данные признаки неисправности.

Во время работы запрещается:

- отвлекаться от выполнения прямых обязанностей;

- выходить из помещения при работающем оборудовании;

- передавать управление станком лицам, не имеющим на это разрешение.

При прекращении подачи электроэнергии рабочий должен отключить станок от сети.

5.5.4. Требования по окончании работ.

По окончании работ рабочий обязан:

- выключить станок и провести его уборку;

- сделать необходимые записи в журнале приема и сдачи смены.

5.5.5. Требования в аварийной ситуации.

При возникновении аварийной ситуации рабочий обязан отключить стенд от сети и сообщить об этом своему непосредственному руководителю.

Заключение.

На основании выполненной работы можно сделать сле­дующие выводы:

Предлагаемая технология автоматической наплавки высокопрочного чугуна под флюсом по оболочке позволяет в значительной мере повысить работоспособность восстановленных коленчатых валов за счет устранения в наплавленном металле дефектов (пор и трещин) и повышения усталостной прочности.

Технологический процесс состоит из четырех этапов восстановления:

• Подготовка шеек вала к сборочным операциям;

• Сборка шеек вала и защитных оболочек;

• Наплавочные операции;

• Механическая обработка шеек вала под номинальные размеры.

Технология восстановления содержит:

• Расчет и выбор оборудования;

• Технологическое нормирование операций;

• Расчет производственного участка.

• Выбор технологической оснастки;

Конструкция разработанного стенда для прихватки защитной оболочки к шейкам вала позволяет частично механизировать операцию сварки, что позволит снизить трудозатраты на эту операцию и уменьшить производственный травматизм.

В данном дипломном проекте существуют и не решенные задачи.

• Необходим поиск решений по повышению процента загрузки слесарных, моечных, токарных операций.

• Требуется экспериментальная проверка работоспособности технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов.

Список литературы.

1. Клочнев Н. И. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. М., Машгиз.,1963.

2. Кудрявцев И. В. Конструкционная прочность чугуна с шаровидным графитом. М., Машгиз., 1957.

3. Доценко Г. Н. Восстановление чугунных коленчатых валов автоматической наплавкой. М., Транспорт., 1970. 56 с.

4. Марковский Е .А. Износостойкость чугунов с шаровидным графитом // Высокопрочный чугун. Киев, 1964.

5. Краснощеков М. М., Пахомов Б. П., Марковский Е. А. Исследование износостойкости коленчатых валов методом радиоактивных изотопов // Тракторы и сельхозмашины. 1962. №2.

6. Доценко Г. Н. Износостойкость и усталостная прочность чугунных коленчатых валов ГАЗ – 21, новых и отремонтированных. // Автомобильная промышленность. 1969. №2.

7. Середенко Б. Н. Износостойкость высокопрочного чугуна, применяемого в тракторостроении. // Научные труды ин-т машиноведения и сельскохозяйственной механизации. Киев, 1958. Т. 4.

8. Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. М., 1975. 271 с.

9. Луппиан Г. Э., Симонятов В. Г. Восстановление вибродуговой наплавкой в кислороде чугунных коленчатых валов М – 21. // Автоматическая наплавка. 1968. №4.

10. Спиридонов Н. В. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Минск, 1988. 155 с.

11. Хасуи А. Наплавка и напыление. М., 1985. 239 с.

12. Гуляев А. П. Металловедение. М., 1966.

13. Лебедев Б. И. Усадка железно-углеродистых сплавов и связанное с ней явление – образование горячих трещин. // Автореферат канд. диссертации. / Л., 1956.

14. Доценко Н. И. Восстановление коленчатых валов автоматической наплавкой. М., 1965.

15. Полиновский Л. А. Расчет припусков на механическую обработку. Определение точности обработки. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ. Новосиб., СГУПС. 1988. 12 с.

16. Егоров М. Е. Основы проектирования машиностроительных заводов. М., 1969.

17. ОНТП-14 – 86. Нормы технологического проектирования предприятий машиностроения. М., 1987. 96 с.

18. Расчет режимов резания при механической обработке металлов и сплавов. Методическое пособие. Хабаровск. 1997. 83 с.

19. Общемашиностроительные нормативы времени на слесарную обработку деталей и слесарно-сборочные работы по сборке машин и приборов в условиях массового, крупносерийного и среднесерийного типов производства. М., 1991. 158 с.

20. Общемашиностроительные нормативы времени для технического нормирования работ на металлорежущих станках, мелкосерийное и единичное производство. Ч. 1. М., 1967. 315 с.

21. Общемашиностроительные нормативы времени для технического нормирования работ на шлифовальных и доводочных станках (укрупненные). М., 1974. 112 с.

22. Нормативы для технического нормирования работ при автоматической электродуговой сварке под слоем флюса. М., 1954. 142 с.

23. ОНТП-14 – 90. Нормы технологического проектирования предприятий машиностроения. М., 1991. 115 с.

24. Ефремов В. В. Ремонт автомобилей. М., 1965.

25. Бежанов Б. Н. Пневматические механизмы. М., 1957.251 с.

26. Герц Е. В. Пневматические устройства и системы в машиностроении. М., 1981.

27. Гидравлическое и пневматическое оборудование общего назначения, изготавливаемое в СНГ, Литве, Латвии. М., 1982. 123 с.

28. Ковка и штамповка. Справочник. В 4-х т. М., 1985. Т. 2.

29. Сборник типовых инструкций по технике безопасности. М., 1994. 432 с.

30. ОСТ 32 – 9 – 81 ССБТ. Нормы искусственного освещения объектов железнодорожного транспорта. М., 1982. 40 с.

31. СНиП 11 – 4 – 79. Естественное и искусственное освещения. М., 1980. 48 с.

32. Расчет и проектирование искусственного освещения производственных помещений и открытых площадок. Методические указания к решению задач. Новосибирск. 1989. 30 с.

Рецензия

на дипломный проект студента СГУПСа Ббббббб Александра Олеговича на тему: «Технологический процесс восстановления коленчатых валов».

Дипломный проект представлен расчетно-пояснительной запиской объемом 92 с. и 8 чертежами формата А1.

Дипломный проект посвящен актуальной проблеме восстановлению чугунных коленчатых валов автотракторных двигателей. За основу автором взят способ восстановления наплавкой по защитной металлической оболочке. Технологический процесс по составу операций, принятому оборудованию и по технологической оснастке можно отнести к категории легко реализуемых, поэтому эта работа может быть внедрена в ремонтных дорожных мастерских. Технологический процесс проработан достаточно глубоко, принятые решения обоснованы расчетами. Разработанный стенд для обжима стальной оболочки позволяет в значительной степени механизировать операции сборки перед наплавкой.

В месте с тем следует отметить некоторые недостатки проекта:

• Предложенный участок для восстановления чугунных коленчатых валов не привязан к конкретному предприятию;

• Рабочие места на операциях сборочной и слесарной загружены не достаточно 3% и 4% соответственно.

• Конструкцию стенда желательно было спроектировать многопозиционным, что существенно сократило бы оперативное время.

Не смотря на указанные недостатки дипломный проект, заслуживает отличной оценки, а студент дипломник Ббббббб Александр Олегович присвоения квалификации инженера механика.

Начальник участка №2 цеха 10

ОАО Рррррр А.И.

16.06.99