Глава 12 технология восстановления деталей машин

Восстановление изношенных деталей машин является актуальнейшей пробле­мой машиностроения, так как около 70 % деталей выходят из строя из-за износа, состав­ляющего сотые доли процента от их общей массы. Восстановление - позволяет эконо­мить материалы и уменьшать затраты, связанные с производством заготовок. Восста­новлением деталей машин занимаются различные ремонтные и малые предприятия, по­требители машин и их производители.

В производстве для восстановления деталей машин применяют разнообразные технологические методы. Выбор приемлемого метода определяется величиной восста­навливаемого поверхностного слоя, производственной программой, техническим осна­щением предприятия, его обеспеченностью материалами, энергией и квалификацией персонала.

В целом восстановление деталей включает в себя три процесса: подготовка де­талей под восстановление; восстановление; обработка восстановленных поверхностей деталей.

12.1. Восстановление деталей машин термоупругопластическим деформированием

Термоупругопластическое деформирование (ТПД) представляет собой техноло­гический метод восстановления деталей, в процессе которого под воздействием нагрева и избирательного охлаждения происходит перераспределение металла с нерабочих уча­стков к изношенным функциональным поверхностям за счет внутренних механизмов термического деформирования металла детали без приложения дополнительных внеш­них сил. Наиболее эффективно метод используют для восстановления деталей типа «по­лый цилиндр», например, втулок, поршневых пальцев, гильз цилиндров автотракторных двигателей и др.

Для качественного восстановления изношенной внутренней поверхности полой ци­линдрической детали необходимо получить в процессе ТГ1Д усадку внутреннего диа­метра на 0,25 ... 0,3 мм меньше его номинального размера, с овальностью и конусно­стью, не превышающими 0,1 мм. Обработка может осуществляться как в жесткой охла­ждаемой матрице (рис. 12,1), так и без нее (рис. 12.2).

В первом случае за один цикл обработки достигают усадку 1,0 ... 1,2 мм при сто­процентном отсутствии трещин. Направленный характер усадки объясняется влиянием двух

факторов: осевым градиентом температуры и ограничивающим действием матри­цы, наличие которой способствует также уменьшению коробления и остаточных напря­жений, что одновременно исключает образование трещин.

Во Всероссийском научно-исследовательском технологическом институте ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГНУ ГОСНИТИ) разработана и внедрена в производство унифицированная технология восстановления гильз цилиндров способом ТТ1Д в жесткой охлаждаемой матрице. Эта технология предусматривает восстановление гильз цилиндров двигателей Д-50, СМД-14, СМД-60 и их модификаций.

При этом способе (см. рис. 12.1, а) изношенная гильза 1, предварительно проточен­ная по необработанным участкам наружной поверхности, устанавливается в матрицу 4 установки ТПД. Матрица постоянно охлаждается водой снаружи через распылитель 3 по замкнутому циклу.

Рис. 12.1. Восстановление внутренней цилиндрической поверхности не закаливаемых, (а) н закаливаемых (б) гильз цилиндров в охлаждаемой матрице:

1 — гильза цилиндра; 2 - индуктор; 3 - спрейер охлаждающий;

^;!,э< 4 - матрица; 5 - спрейер закалочный

Поднимая восстанавливаемую гильзу вверх, в нее вводят индуктор 2. Когда индук­тор достигает нижней части гильзы, она автоматически останавливается. Затем одно­временно включают нагрев гильзы и вращение с частотой 40 мин ¹. После прогрева гильзы в течение 10 ... 15 с ее опускают вниз со скоростью 1,8 ... 2,3 мм/с, нагревают до 730 ... 750 °С и осаживают. При завершении цикла - при температуре 400 ... 550 °С извлекают из матрицы и охлаждают на воздухе.

В целях обеспечения последовательного нагрева и охлаждения внутренней поверх­ности гильзы с одновременной ее закалкой может быть использован индуктор 2, изго­товленный совместно с закалочным спрейером 5 (см. рис. 12,1, б). В этом случае произ­водится последующий средний отпуск гильзы при температуре 350 ... 400 °С.

Нагрев гильзы осуществляется на установке ТВЧ мощностью 100 кВт, с частотой тока 66 кГц. Расход охлаждающей воды около 70 л/мин.

Реализация метода восстановления деталей машин ТПД без использования жесткой матрицы может осуществляться несколькими способами (см. рис. 12.2), которые по сво­ей сути близки и различаются лишь схемой создания движущегося градиента темпера­туры вдоль оси изделия. Технологически наиболее удобной является схема с размещени­ем индуктора и спрейера с наружной цилиндрической поверхности детали (рис. 12.2, а).

Характерной особенностью данного метода ТПД является нагрев детали ниже точ­ки Ас[ на 20 ... 30 °С. Перед ТПД изделия предварительно объемно прогревают до 500 °С для повышения пластичности материала. Процесс осуществляют, перемещая относи­тельно индуктора со скоростью 2,0 ... 2,5 мм/с вращающуюся с частотой 30 ... 50 мин"¹ гильзу, и непрерывно охлаждал ее душем. В результате происходит перерас­пределение металла на внутреннюю изношенную поверхность. Для снятия высоких тер­мических напряжений после ТПД осуществляют объемный нагрев гильзы до температу­ры 350 ... 400 °С последующим охлаждением на воздухе (средний отпуск).

Рис. 12.2. Восстановление внутренней цилиндрической поверхности гильз цилиндров без матрицы

а - индуктор и спрейер снаружи гильзы; б - индуктор и спрейер внутри гильзы; в - индуктор - снаружи, спрейер - внутри гильзы

Данный метод целесообразно применять для восстановления незакаливаемых изде­лий, например гильз цилиндров двигателей 3M3-53, КамАЗ-740, ЗИЛ-130, изготавли­ваемых из специального легированного чугуна.

После одного цикла ТПД величина остаточной деформации внутренней цилиндри­ческой поверхности гильзы цилиндра 100 ... 130 мм составляет около 0,7 ... 1,2 мм, после двух - 1,1 ... 1,9 мм, что является вполне достаточным для ремонта при величине износа зеркала гильзы равной 0,3 ... 0,5 мм, величине коробления после ТПД -0,1 ... 0,2 мм и припуске на механическую обработку до 0,5 мм.

После ТПД происходит уменьшение как внутреннего, так и наружного диаметра гильзы. Для восстановления наружных посадочных поясков гильзы необходимо осуще­ствить их наращивание на 1,5 ... 2,0 мм. Это можно выполнить способом электроду го во- го напыления или наплавки с использованием типовых режимов как стальной, так и алюминиевой проволокой.

Проблема применения метода ТПД для восстановления наружных цилиндрических поверхностей заключается в том, что в процессе термопластического деформирования появляется трудноустраняемый в дальнейшем дефект седлообразности, вызываемый структурными превращениями в материале. Решить эту проблему можно путем предва­рительного создания в обрабатываемом изделии бочкообразное™, за счет регулируемо­го давления на его торцы, при нагреве. Задача оптимизации операции ТПД в этом бочко­образное™ и седлообразное™ компенсируют друг друга, в результате чего восстанавли­ваемое изделие приобретет правильную геометрическую форму.

На рис. 12.3 представлена схема способа восстановления наружной цилиндриче­ской поверхности поршневых пальцев методом ТПД. Поршневой палец /, изготовлен­ный из цементуемой стали 12ХНЗ А, подают к закалочной установке ТВЧ (N = 50 кВт, = 2400 Гц), где в индукторе его нагревают объемно до температуры фазовых превращений, составляющей 840 ... 860 °С, а затем зажимают по торцам и на установке ТПД охлажда­ют водяным душем изнутри спрейером 4, вводимым во внутреннюю полость пальца. При этом получают увеличение наружного диаметра на 0,15 мм; длины - на 0,3 мм, что достаточно для компенсации износа и создания припуска на механическую обработку.

Рис. 12.3. Восстановление наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев:

1 - поршневой палец; 2 - индуктор; 3 -втулка;

4 - спрейер; 3 - гидроклапан

Одновременно проходит поверхностная закалка цементованного слоя. После ТПД поршневые пальцы обрабатывают холодом в течение двух часов при температуре - 50 ... 70°С для полного распада остаточного аустенита и осуществляют низкий отпуск при температуре 190 ... 220°С в течение двух часов с последующим охлаждением на воздухе. Технологии термоупругопластического деформирования обеспечивают качест­венное восстановление деталей по геометрическим параметрам, физико-механическим и эксплуатационным свойствам при средней себестоимости восстановления не превы­шающей, как правило, 60 % стоимости изготовления новых изделий. Это позволяет ис­пользовать их как при восстановлении изношенных деталей, так и для устранения брака механической обработки.