Разработка технологического процесса восстановления коленчатого вала

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема  базирования коленчатого вала. 

 

4. Анализ дефектов деталей

 

Таблица 6

Карта дефектационного  контроля

		Деталь	Коленчатый  вал
		Номер детали	-
		Материал	Сталь 45
		Твердость	HRC 36...60
№ п/п	Наименование  дефекта	Способ  выявления дефекта и инструмент	Размер, мм			Заключение
			по  рабочему чертежу	допустимый без ремонта	допустимый для ремонта
1	Износ коренных шеек	Микрометр 50 – 75 мм, калибр-скоба		69,987	69,8	Наплавить или шлифовать до ремонтного размера

 

 

5. Выбор способа устранения дефектов

 

У данного  коленчатого вала необходимо восстановить изношенные шейки. Рассмотрим три способа  восстановления: наплавка порошковой проволокой, металлизация и плазменная наплавка.

 

• 5.1.Наплавка порошковой проволокой

 

Хорошие результаты при наплавке дает использование порошковой проволоки, в состав которой входят феррохром, ферротитан, ферромарганец, графитовый и железный порошки. Наплавку выполняют под слоем флюса или в среде защитного газа, но при введении в проволоку соответствующих компонентов возможна наплавка и без флюсовой или газовой защиты.

Порошковую  проволоку изготовляют на специальных  станках методом волочения. Исходным материалом служит лента из низкоуглеродистой стали и порошок, содержащий необходимые элементы. Для наплавки порошковой проволокой используют токарные станки, а также специальные станки (рис. 4). Используют два типа порошковой проволоки: для наплавки под флюсом и для наплавки открытой дугой без дополнительной защиты. Разбрызгивание электродного материала во время наплавки порошковой проволокой уменьшается при применении постоянного тока низкого напряжения (20—21 В) от источника питания с жесткой внешней характеристикой.

Использование порошковой проволоки позволяет снизить расход сварочной проволоки.

Для большинства марок порошковой проволоки  коэффициент наплавки составляет 13—15 г/(А·ч), т. е. значение коэффициента значительно выше, чем при наплавке обычными электродами. Наплавку порошковой проволокой и лентой выполняют при постоянном токе обратной полярности. Диаметр электродной проволоки зависит от толщины наплавленного металла с припуском на механическую обработку 0,8—1,5 мм на сторону. Силу тока выбирают в зависимости от скорости наплавки и диаметра проволоки. Наплавку осуществляют как порошковыми проволоками, так и порошковыми лентами марок ПЛ-17 (10Х20С3Р4), ПЛ-126 (20Х2Р2М), ОЛ-101 (У30Х25Н3С3).

 

 

Рис. 3. Наружный вид универсальной наплавочной установки У-653

 

1– манипулятор; 2 – коробка скоростей; 3 – станина; 4 – автомат наплавочный; 5 – пульт  управления; 6 – бабка задняя; 7 –  каретка; 8 – коробка подач; 9 –  шпиндель манипулятора; 10 – выключатель; 11 – выпрямитель сварочный ВДУ-505; 12 – флюсосборник.

 

 

• 5.2 Вибродуговая наплавка

 

Вибродуговая  наплавка — разновидность дуговой наплавки металлическим электродом. Процесс наплавки осуществляется при вибрации электрода с подачей охлаждающей жидкости на наплавленную поверхность. На рис. 4 дана принципиальная схема вибродуговой установки с электромеханическим вибратором.

К наплавляемой поверхности детали, которая вращается в центрах токарного станка, роликами подающего механизма из кассеты через вибрирующий мундштук подается электродная проволока. Из-за колебаний мундштука, вызываемых эксцентриковым механизмом, проволока периодически прикасается к поверхности детали и расплавляется под действием импульсных электрических разрядов, поступающих от генератора. Под действием вибратора мундштук вместе с проволокой вибрирует с частотой 11О Гц и амплитудой колебания до 4 мм (практически 1,8—3,2 мм).

 

 

Рис. 4. Принципиальная схема установки для вибродуговой наплавки:

1 — двигатель механизма привода  подачи проволоки; 2 — кассета  для проволоки; 3 — ролики подачи проволоки; 4 — мундштук головки; 5 — наплавляемая деталь; 6 — насос подачи жидкости 8 зону наплавки; 7 — емкость для жидкости с отстойником; 8 — шатун механического вибратора; 9 — вольтметр; 10 — амперметр; 11 — катушка индуктивности (дроссель); 12 — генератор; 13 — реостат генератора; 14 — электродвигатель.

 

Вибрация электрода во время  наплавки обеспечивает стабильность процесса за счет частых возбуждений дуговых разрядов и способствует подаче электродной проволоки небольшими порциями, что обеспечивает лучшее формирование наплавленных валиков. Благодаря вибрациям процесс наплавки может быть осуществлен при низком напряжении (12—18 В).

Охлаждающая жидкость (4-6 % раствор  кальцинированной соды в воде) защищает металл от окисления.

Высокое качество сварки получают при  токе обратной полярности («+» на электроде, « - » на детали), шаге наплавки 2,3—2,8 мм/об и угле подвода проволоки к детали 15—30°. Скорость подачи электрода не должна превышать 1,65 м/мин, скорость наплавки — 0,5—0,65 м/мин; толщина наплавленного слоя, при которой обеспечивается надежное сплавление, — 2,5 мм.

Структура и твердость наплавленного  слоя зависят от химического состава электродной проволоки и количества охлаждающей жидкости. Основным показателем прочности наплавленной детали является сопротивление усталости, которое в основном зависит от трех параметров: количества охлаждающей жидкости, подаваемой в зону наплавки, шага и скорости наплавки.

Технология вибродуговой наплавки предусматривает восстановление деталей  с цилиндрическими, коническими  наружными и внутренними поверхностями, а также с плоскими поверхностями.

Толщина однослойной наплавки в  зависимости от режимов колеблется от 0,5 до 3 мм. При многослойной наплавке можно получить слои любой толщины. Подготовка поверхностей для наплавки состоит в очистке их от грязи и ржавчины. Все отверстия и пазы, которые необходимо сохранить, заполняют медными или графитовыми вставками так, чтобы они выступали над поверхностью на величину, превышающую толщину наплавленного слоя, что позволяет легче удалить их после наплавки. Центры деталей проверяют и исправляют.

Вибродуговая  наплавка под слоем флюса имеет  ряд преимуществ: дает возможность  наплавлять металл только на изношенную часть, что уменьшает трудоемкость последующей механической обработки; получать наплавленный слой без пор  и трещин; деформация детали минимальная  и не превышает полей допусков посадочных мест; минимальная зона термического влияния. Уникальным свойством  этой наплавки является то, что в  определенном интервале режимов  возможно ведение процесса на воздухе  без применения защитных средств. Но вибродуговая наплавка обладает рядом серьезных недостатков. Так, ограниченные объемы сварочной ванны не обеспечивают хорошего перемешивания основного и наплавленного металлов, что приводит к образованию в последнем пор и микротрещин. В процессе восстановления деталей охлаждающая жидкость, подаваемая в зону сварки, обеспечивает закалку наплавленного валика, а накладываемый последующий валик частично расплавляет предыдущий и создает зону отжига, что приводит к возникновению напряженного состояния и увеличению трещин в наплавленном металле. Наращенный слой сплава имеет неоднородную структуру и соответственно физико-механические свойства. Поэтому у деталей, восстановленных вибродуговой наплавкой, усталостная прочность снижается более чем в 2 раза. Вследствие указанных причин, вибродуговая наплавка для восстановления автомобильных деталей применяется в настоящее время очень редко. Детали, восстанавливающиеся ранее данным способом, в настоящее время успешно наплавляются более прогрессивными методами, например, электроконтактной приваркой металлического слоя.

 

 

 

 

• 5.3 Плазменная наплавка

 

Плазменная  наплавка - это процесс нанесения покрытий плазменной струей, когда деталь включена в цепь тока нагрузки. В этом случае с помощью плазменной струи нагреваются поверхность восстанавливаемой детали и наносимый материал. Материал перемещается плазменной струей. Температура ее может превышать 20 000 К.

При плазменной наплавке электрическая  дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Газ, продуваемый сквозь эту дугу, приобретает свойства плазмы - становится ионизированным и электропроводящим. Слой газа, соприкасающийся со стенками сопла, интенсивно охлаждается, утрачивает электропроводность и выполняет функции электрической и тепловой изоляции, что приводит к уменьшению диаметра плазменной струи, который составляет 0,7 диаметра сопла.

В качестве плазмообразующего газа чаще применяется аргон и азот. Аргонная плазма имеет более высокую температуру – 15000…30000°С, температура азотной плазмы ниже – 10000…15000°С. Применение не6йтральных газов способствует предотвращению окисления материалов. Наплавка с заменой аргона воздухом (до 90 %) значительно снижает стоимость восстановления деталей. Для плазменной наплавки в воздушной среде разработаны порошковые сплавы на железной основе, в состав которых входят сильные раскислители и нитридообразующие элементы.

Плазменную  струю получают с помощью плазмотронов.

Рис. 5. Схема установки для наплавки с вдуванием порошка в плазменную струю:

 

1. дроссель; 2. осциллятор; 3. конденсатор; 4. балластный реостат; 5.источник питания плазменной струи, выделенной из столба дуги; 6. источник питания плазменной струи, совмещенной со столбом дуги; 7.наплавляемое изделие; 8. защитное сопло; 9. защитный газ; 10. наружное сопло; 11. питатель для подачи порошка; 12. внутреннее сопло головки; 13.неплавящийся электрод; 14. плазмообразующий газ;   15. газ, несущий присадочный  порошок.

 

 

 

 

 

                                     Таблица 7

 

Технические характеристики плазмотронов для наплавки

 

 

Параметры	Плазмотроны для наплавки
	наружных поверхностей	внутренних поверхностей	универсального типа
Допустимая сила тока, А	260	230	310
Производительность наплавки, кг/ч	0,5…5,2	0,3…3,0	0,5…3,8
Диаметр, мм: плазмообразующего сопла выходного отверстия защитного  сопла	4             12…13	4             10…13	3…4               10…12
Высота плазмотрона, мм	135	48	12

                        

Наибольшее  применение нашли плазмотроны: прямого  действия, с комбинированным способом сжатия дугового разряда, однодуговые с тангенциальной подачей инертного газа, работающие на постоянном токе прямой полярности и с радиальной подачей материала. У плазмотрона различают основную дугу - между анодом и деталью и вспомогательную -между анодом и соплом.

Самые теплонапряженные детали плазмотрона - это электрод и сопло. Материал электрода определяется составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих с применением инертных и нейтральных газов  используют электроды из вольфрама. В плазмотронах, работающих в кислородсодержащих средах, применяют катоды из гафния и циркония. Водоохлаждаемое сопло выполнено из меди. Сопло, рассчитанное на ток силой 260...310 А, имеет диаметр отверстия для выхода плазмы 3...4 мм. Диаметр насадки для подачи защитного газа 10... 13 мм.

Плазменную  наплавку выполняют одиночным валиком (при наплавке цилиндрических деталей  по винтовой линии), а также с применением  колебательных механизмов, на прямой и обратной полярности. Наиболее простой  способ наплавки – это наплавка по заранее насыпанному на наплавляемую поверхность порошку.

Преимущества  плазменной наплавки по сравнению с  другими способами нанесения покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверхность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4...0,9 мм. Малая глубина проплавления (0,3...3,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3...6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %. Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы. При восстановлении обеспечивается высокая износостойкость наплавленных поверхностей. Наблюдается снижение усталостной прочности деталей на 10... 15 %, что намного меньше, чем при использовании некоторых других видов наплавки.

Плазменная  наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей, к которым, например, относятся: коленчатые, кулачковые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров, направляющие оборудования, щеки и седла задвижек, шнеки экструдеров и др. Область применения способа - нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом. Плазменная наплавка тонкослойных покрытий составляет конкуренцию процессам нанесения гальванических покрытий.

При плазменной наплавке получают покрытия толщиной 0,2...6,5 мм и шириной 1,2...45 мм. Если наносится легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев без оплавления поверхности.