2.Классификация методов восстановления работоспособности деталей и их рациональная область применения.

В зависимости от физической сущности процессов, технологических и других признаков существующие методы можно разделить на три группы (рис.19)

Рисунок 19.- Основные методы восстановления деталей строительных машин

Для первой группы осуществляется простая замена изношенных деталей запасными, для второй группы предельные износы поверхностей восстанавливают различными способами до номинальных размеров, для третьей группы износ деталей устраняют слесарной или механической обработкой с изменением их первоначальных размеров.

В ремонтной практике применяются следующие основные способы восстановления изношенных деталей (рис 19 ): механическая и слесарная

обработка, сварка, наплавка, металлизация, хромирование, никелирование, осталивание, склеивание, упрочнение поверхности деталей и восстановление их формы под давлением Как правило, после восстановления детали одним из способов ее подвергают механической или слесарной обработке, что необходимо для восстановления посадок сопряженных деталей, устранения овальности или конусности их поверхностей, обеспечения требуемой чистоты обработки.

Технологические процессы восстановления деталей обычно разрабатывают на каждом предприятии, в связи с этим применяемые методы ремонта одноименных деталей зависят во многом от оснащенности мастерских, от числа ремонтируемых деталей и т. д.

Технологические процессы разделяют на типовые, единичные и групповые. Типовой технологический процесс предназначен для восстановления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками. Групповой процесс необходим при восстановлении группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками.

Рисунок 20.- Основные способы восстановления работопособности деталей машин

3. Восстановление деталей под ремонтный размер, пластическим деформированием, механизированной сваркой и наплавкой, металлизацией, лазерной обработкой, электролитическим наращиванием и др.

При способе ремонта "под ремонтный размер" одна из деталей обрабатывается механической обработкой под заранее установленный размер, а другая изготовляется заново с сохранением первоначальной посадки (рис. 21).

Таким образом, ремонтным размером называют заранее установленный размер, отличный от номинального, под который обрабатывают деталь.

Этот способ дает возможность сохранять взаимозаменяемость в пределах ремонтных размеров и использовать при ремонте методы серийного производства.

При определении ремонтных размеров валов рассматривают три случая износа: равномерный износ шейки с фиксированной осью вала (распределительный вал); неравномерный износ шейки с фиксированной осью вала (коренные шейки коленчатого вала); неравномерный износ шейки без фиксированной оси вала (шатунные шейки коленчатого вала).

Диаметр вала первого ремонтного размера определяется по формуле:

d_P1= d_H – ,

где d_P1 – диаметр вала первого ремонтного размера, мм;

d_H – номинальный диаметр вала, мм;

 – ремонтный интервал, мм. Примем  = 0,25 мм.

Ремонтным интервалом называется минимальная величина уменьшения диаметра шейки вала до восстановления правильной геометрической формы.

Возможны три случая определения ремонтного интервала:

1-й случай – при равномерном износе и фиксированном центре вала

₁ = 2(δ_r + ∆_r) = δ_Ø + ∆_Ø,

2-й случай – при неравномерном износе и фиксированном центре вала

₂ = 2(δ_{r max} + ∆_r) = δ_{r max} + ∆_Ø,

3-й случай – при неравномерном износе и нефиксированном центре вала

₃ = 2(δ_Ø + 2∆_r) = δ_Ø + ∆_Ø,

где δ_r – величина радиального износа;

∆_r – припуск на обработку, который равен ∆_r = f_r + h_p + E_r ,

f_r – изгиб вала, допустимый по техническим условиям;

Рисунок 21. – Схема к расчету ремонтных размеров для наружных (а) и внутренних (б) поверхностей

h_p – наличие рисок на поверхности;

E_r – неточность обработки;

δ_Ø – величина максимального износа по диаметру;

∆_Ø – припуск на обработку по диаметру;

δ_{r max} – максимальный радиальный износ.

Число ремонтных размеров определяется по формуле:

где d_min – минимальный размер вала, допустимый при ремонте: для коренных шеек d_min определяется из условия уменьшения диаметра шейки не более чем на 2,5% от номинального диаметра; для шатунных шеек d_min рассчитывается из условия увеличения удельного давления на шейку не более чем на 10%. Восстановление деталей под ремонтные размеры характеризуется простотой и доступностью, низкой трудоемкостью (в 1,5...2,0 раза меньше, чем при сварке и наплавке) и высокой экономической эффективностью, сохранением взаимозаменяемости деталей в пределах ремонтного размера. Недостатки способа — увеличение номенклатуры запасных частей и усложнение организации процессов хранения деталей на

складе. Наплавка изношенных поверхностей деталей. Наплавка является одним из основных методов восстановления деталей. Она широко применяется в тех случаях, когда трущимся поверхностям необходимо придать большую износоустойчивость. В практике ремонтного производства применяют следующие способы восстановления изношенных поверхностей деталей: ручная наплавка, наплавка под слоем флюса, наплавка порошковыми проволоками, наплавка в среде защитных газов и вибродуговая наплавка.

Автоматизированные процессы сварки и наплавки являются более совершенными и экономически эффективными по сравнению с ручными способами. Наибольшее распространение получила автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка и наплавка под слоем флюса. Ручные способы сварки и наплавки менее совершенны, но являются незаменимыми при ремонте деталей машин в неспециализированных ремонтных предприятиях благодаря маневренности, универсальности и простоте процесса. К основным недостаткам наплавки тносятся термическое воздействие на основной металл, в том числе на невосстанавливаемые поверхности, деформация деталей, значительные припуски на механическую обработку. Применение большинства из этих способов целесообразно для восстановления сильноизношенных деталей.

Наплавка под слоем флюса представляет собой процесс, когда в зону горения электрической дуги или газового пламени подают электрод (присадочный материал) и флюс для защиты сварочной ванны с расплавленным металлом (Рис22). Флюс под воздействием теплоты дуги или пламени плавится и образует защитный слой, предохраняющий расплавленный металл от окисления, угара, разбрызгивания и образования пор. Спекшийся флюс после наплавки удаляют с поверхности детали.

Для автоматической наплавки изношенных деталей под слоем флюса применяют сварочные головки, сварочные тракторы и др.

Сварочные головки закрепляют на суппорте токарного станка или универсальных станков и специальных наплавочных станков. Для получения частоты вращения шпинделя токарного станка 2...5 мин-1 его оборудуют редуктором.

Деталь, подлежащую наплавке, предварительно протачивают до выведения следов изнашивания и устанавливают в патроне или центрах станка. Затем устанавливают соответствующие (определенные расчетами или по справочнику) силу сварочного тока, частоту вращения детали, подачу сварочной головки и скорость движения электродной проволоки. После этого включают источник питания сварочной дуги, привод токарного станка, подачу электродной проволоки, флюса и наплавляют поверхность детали.

Электрическую дугу при наплавке под слоем флюса питают переменным или постоянным током обратной полярности. Режим наплавки зависит от диаметра наплавляемой поверхности детали. Производительность механизированной наплавки под слоем флюса по сравнению с ручной увеличивается в 8...10 раз.

Для обеспечения качественной наплавки применяют различные флюсы: плавленые, неплавленые, керамические и их смеси.

Рисунок 22.- Схема процесса наплавки под слоем флюса:

1 – наплавочная головка; 2 – кассета со сварочной проволокой; 3– бункер с флюсом;4– мундштук; 5 – изделие

Наплавка порошковыми проволоками отличается тем, что в качестве электрода применяют порошковую проволоку, в состав которой включены легирующие элементы и защитные (газо- и шлакообразующие) вещества (10...12 % массы проволоки).

Наплавку в среде защитных газов применяют для восстановления изношенных поверхностей деталей машин, изготовленных из мало- и среднеуглеродистых сталей и чугуна. В качестве защитной среды используют аргон, гелий, углекислый газ, водяной пар и др. Ввиду дешевизны наибольшее распространение получили углекислый газ и водяной пар.

Сущность процесса наплавки в среде защитных газов состоит в следующем. Защитный газ и электродную проволоку подают в зону горения дуги с помощью специальной горелки. При выходе из сопла 3 (рис. 17.3) горелки защитный газ оттесняет от наконечника и электродной проволоки 5 воздух, препятствуя окислению расплавленного металла.

Для наплавки деталей в среде углекислого газа необходимо иметь сварочный выпрямитель, баллон с углекислотой, редуктор для снижения давления газа при выходе из баллона, осушитель для удаления влаги из газа, электроподогреватель газа, резиновые шланги для подвода газа к горелке, устройство для механизированной подачи электродной проволоки к соплу горелки.

Процесс наплавки в среде углекислого газа ведут постоянным током обратной полярности, что уменьшает разбрызгивание металла и повышает качество наплавленного слоя.

Процесс наплавки в среде защитных газов имеет высокую производительность. На наплавленном слое отсутствует шлаковая корка. Можно наплавлять тонкостенные детали без прожогов, так как температура их нагрева сравнительно невысокая.

Наряду с этим при наплавке в среде защитных газов трудно получить износостойкие наплавленные слои металла.

Вибродуговая наплавка представляет собой разновидность автоматической наплавки под слоем флюса и в среде защитных газов. Особенность этой наплавки - вибрация электродной проволоки с частотой 50...100 Гц и амплитудой 1...3 мм в плоскости, перпендикулярной наплавляемой поверхности детали, с одновременным охлаждением наплавленного слоя.

Установка для вибродуговой наплавки состоит из наплавочной головки, установленной па суппорте токарного станка, дросселя, источника питания и системы подачи охлаждающей жидкости. Наплавляемую деталь устанавливают в центры станка и приводят во вращение от шпинделя. Наплавочная головка подает электрод 1 (рис. 23) в зону горения дуги и обеспечивает вибрацию мундштука 6. Вибраторы бывают электромагнитными и механическими (кулачковые или эксцентриковые). В электрическую цепь последовательно включен дроссель для создания индуктивности 300...400 мкГн, что позволяет при отходе электрода от детали повышать напряжение до 28...30 В и зажигать электрическую дугу.

Для наплавки применяют наплавочные проволоки диаметром 1,2...2,2 мм или наплавочную ленту толщиной 0,3.„1,0 мм и шириной до 10 мм.

Наплавленный слой охлаждают 3...5%-ным раствором кальцинированной соды в воде. Охлаждающая жидкость, превращаясь в пар, выполняет одновременно функции защитной среды.

В качестве защитной среды также используют защитные газы и флюсы.

Наплавку ведут постоянным током обратной полярности при напряжении 16...24 В, скорости подачи электродной проволоки 0,75.„3,0 м/мин и шаге наплавки 1,0...1,5 диаметра проволоки.

Для питания электрической дуги применяют сварочные преобразователи, выпрямители и низковольтный генератор.

В процессе вибродуговой наплавки за счет вибрации электрода происходит устойчивое наплавление металла при низком напряжении источника тока.

Рисунок. 23.- Схема установки для вибродуговой наплавки:

1 - электрод; 2 - наплавляемая деталь; 3 –источник питания; 4- вибратор; 5 - ролики подающего механизма; 6 - мундштук; 7 - насос; 8 – индукционная катушка;

Наплавленный валик охлаждается и закаливается. Последующий валик частично расплавляет предыдущий и отжигает его. Поэтому наплавленный слой имеет различную структуру и твердость. При интенсивном охлаждении возможно образование микротрещин в слое, что значительно снижает усталостную прочность детали в результате воздействия знакопеременных и ударных нагрузок.

Вибродуговую наплавку целесообразно использовать для восстановления поверхностей деталей небольшого диаметра. Из-за малой глубины нагрева такие детали практически не деформируются при толщине наплавленного слоя 0,5...2,5 м

Восстановление работоспособности деталей лазерной наплавкой. Данный способ восстановления деталей осуществляют с помощью светового лазерного луча, излучаемого оптическим квантовым генератором. Благодаря узкой направленности лазерного луча и высокой плотности энергии в зоне его воздействя на материал возможно наплавлять практически любые материалы. Наиболее простой является наплавка порошковых материалов. Сущность этого процесса заключается в нанесении порошковой смеси на изношенную поверхность детали и в последующей её обработке мощным излучением (лазером). Локальная фокусировка излучения позволяет проводить наплавку труднодоступных мест. При этом исходная структура почти не изменяется и таким образом удаётся достичь высокой износостойкости и предела усталости. Локальность и скорость наплавки являются существенным достоинством метода, поскольку исключает разогрев детали и искажение её формы. Низкая энергоёмкость, высокая производительность и незначительные потери наплавляемого материала делают лазерную наплавку перспективным способом восстановления изношенных деталей.

Металлизацией называется напыление расплавленного металла на поверхность восстанавливаемых изделий. Металл, расплавленный в специальном приборе — металлизаторе, распыляется сжатым воздухом на мельчайшие частицы (0,01…0,015 мм) и в таком виде перекосится на поверхность ремонтируемой детали. Большая скорость движения частиц (120…300 м/с) и незначительное время полета, исчисляемое тысячными долями секунды, обусловливают в момент удара их пластическую деформацию, заполнение неровностей и пор поверхности детали, сцепление с ней и между собой, образование сплошного покрытия.

После образования первого слоя покрытия снова наслаивают расплавленный металл, в результате чего удается получить покрытия с толщиной слоя 0,03… 10 мм и даже более. Обычно покрытия из тугоплавких металлов наносят толщиной 1…1.5 мм, а из легкоплавких—2,5…3 мм. По способу плавления металла различают дуговую, газовую, высокочастотную и плазменную металлизацию.

Рисунок24.-Схема дуговой металлизационной установки 1 — расплавляемые проволоки; 2 — токопроводы; 3 — подающий механизм; 4 — направляющие наконечники; 5 —сопло, подающее сжатый воздух; 6 —зона плавления; 7 — поверхность металлизуемой детали

Дуговая металлизация (рис. 24) заключается в расплавлении электрической дугой исходного материала и напылении его струей сжатого воздуха на поверхность детали. Электрическая дуга горит между двумя проволоками, протягиваемыми роликами. Струя сжатого воздуха вытягивает дугу. Газопламенную металлизацию осуществляют с помощью аппаратов, в которых металлическая проволока или порошковые материалы распыляются ацетилено-кислородным пламенем пли пламенем других горючих газов в смеси с кислородом. При этом способе повышается прочность сцепления, уменьшаются размеры распыливаемых частиц металла и снижается его окисление. Недостатки: низкая производительность и сложность установки Высокочастотная металлизация основана на принципе расплавления проволоки в зоне индуктора, состоящего из нескольких витков медной трубки, к которому подается ток высокой частоты (200…50 кГц) от лампового генератора. Высокочастотная металлизация обеспечивает быстрый нагрев конца электродной проволоки, что уменьшает выгорание углерода и других элементов, делает покрытие однородным с пределом прочности на разрыв в 2,5 раза выше, чем при электродуговой металлизации. Недостатки: сложность и высокая стоимость оборудования.

Плазменную металлизацию осуществляют с помощью плазматронов, в которых плазмообразующий газ (аргон) протекает сквозь столб электрического разряда, частично или полностью ионизируется и превращается в плазму. Плазматрон состоит из катода и анода, охлаждаемых водой. От источника постоянного тока между катодом и анодом возбуждается электрическая дуга. Плазмообразующий газ, введенный в зону горения, ионизируется и выходит из анода плазматрона в виде струи небольшого сечения. Высокая электропроводность плазменной струи значительно повышает плотность тока, температуру газа и скорость его истечения. Рабочая температура струи достигает 7000…15000 °С при скорости истечения до 1500 м/с.

Покрытие обладает высокой износостойкостью и не снижает усталостной прочности детали. За счет высокой температуры плазменной струи можно наносить покрытия практически из любых материалов. Процесс полностью автоматизирован, что повышает производительность труда. При плазменной металлизации проволокой можно использовать газопорошковую среду, а порошок — в качестве присадочного материала. В качестве плазмообразующего газа при распылении порошка кроме аргона применяют азот, водород, гелий.

Описанные способы металлизация применяют для восстановления начальных размеров и формы поверхностей изношенных деталей, а также для нанесения антифрикционных и износоустойчивых покрытий, создания декоративных антикоррозионных и жаропрочных покрытий, исправления дефектов черного и цветного литья, заделки наружных раковин, устранения пористостей, течей, трещин различного происхождения.

Применению металлизации для этих целей способствуют: низкая температура нагрева поверхности изделия, не превышающая 50…70°С, при которой основной металл не претерпевает никаких структурных изменений, полностью сохраняя свои механические свойства.

В сочетании с высокой пористостью напыленного слоя, хорошо удерживающего смазку, твердость покрытия способствует увеличению сроков службы восстанавливаемых изделий; возможность напыления разнообразных металлов, в том числе и разнородных, образующих механическую смесь мельчайших частиц, что позволяет создавать новые типы материалов, отличающихся весьма высокими антифрикционными свойствами. Серьезный недостаток напыления — низкая сцепляемость покрытий с основой. Для ее повышения при­меняют нанесение специального подслоя, последующее оплавление и др.

Металлизация неприменима для восстановления деталей с ослабленным сечением. Ограниченно применяется металлизация при восстановлении деталей, находящихся под действием динамической нагрузки, а также деталей, работающих при сухом трении, так как сцепляемость напыленного слоя с основным металлом детали недостаточна.

В основе гальванических способов лежит явление электролиза. Их различают по виду осаждаемого металла, роду используемого тока, способу осаждения и др. Гальванические способы высокопроизводительны, не оказывают термического воздействия на деталь, позволяют точно регулировать толщину покрытий и свести к минимуму или вовсе исключить механическую обработку, обеспечивают высокое качество покрытий при дешевых исходных материалах. Такие способы применяют для восстановления малоизношенных деталей. Недостатки гальванопокрытий — многооперационность, сложность и экологическая вредность технологии.

В ремонтной практике наибольшее распространение получили хромирование и осталивание. Меднение и никелирование применяют значительно реже и главным образом для вспомогательных целей.

Хромирование. Технологический процесс хромирования состоит из трех этапов: подготовки детали (механическая обработка, изоляция мест, не подлежащих покрытию, монтаж детали на подвеске, обезжиривание и промывка, декапирование), собственно хромирования и обработки после покрытия.

Хромирование ведется до получения необходимого слоя на детали в ванне с электролитом при соответствующем режиме (определенной плотности тока и температуре электролита (Рис.25). Практически толщина наращиваемого слоя хрома при ремонте ограничивается 0,1... 0,2 мм. Слой большей толщины непрочен и имеет структуру низкого качества. Хромовые осадки делятся на гладкие и пористые. Гладким хромом обычно наращивают детали с неподвижными посадками, а пористым — детали трения (поршневые кольца и пальцы, гильзы цилиндров и т. п.). Поры хорошо удерживают масляную

Рисунок 25.- Схема электролитического наращивания металла: 1 – источник питания; 2 – электролит; 3 – катод; 4 – анод: 5 – ванна.

пленку, которая предохраняет трущиеся поверхности от сухого и граничного трения.

Преимущества хромирования: возможность наращивания как термически обработанных, так и необработанных деталей без нарушения структуры основного металла, так как процесс ведется при температуре не более 70 °С; высокая твердость хромового покрытия, а у пористого хрома, кроме того, высокая износоустойчивость; хорошая сопротивляемость действию кислот и сернистых соединений, жаростойкость (допускает нагрев до 500 °С).

Недостатки хромирования: длительность процесса и сложность подготовительных операций; возможность восстановления деталей только с относительно небольшим износом, так как при толщине слоя более 0,3 мм осадок хрома становится непрочным; малая производительность (за 1 ч работы ванны наращивается слой 0,015...0,03 мм) и относительно высокая стоимость.

Осталивание. Технологический процесс осталивания (железнения) имеет много общего с процессом хромирования. Он также состоит из трех этапов: подготовки, покрытия и последующей обработки детали. Осталивание применяют для восстановления деталей с неподвижной посадкой без дополнительной термической обработки, создания подслоя (при восстановлении деталей с большим износом) при последующем хромировании и восстановления деталей с последующей термообработкой поверхностного слоя.

Преимущества осталивания: сохранение структуры металла детали, так как процесс ведется при температуре не более 100 "С;

возможность получения достаточно твердого слоя без термообработки (при необходимости осталенные детали могут быть подвергнуты цементации, закалке и отпуску); возможность восстановления деталей с относительно большим износом (толщина наращиваемого слоя — 5 мм и более); высокая производительность процесса — примерно в 8... 10 раз выше, чем при хромировании; более низкая стоимость процесса, так как при осталивании применяют менее дефицитные и более дешевые материалы, чем при хромировании.

Недостатки осталивания: сложность подготовительных операций; необходимость частой фильтрации и систематической корректировки электролита; трудность подбора материала ванн и необходимость подогрева электролита.

Поврежденные и изношенные детали можно восстанавливать давлением. Этот способ основан на использовании пластичности металлов, т. е. их способности под действием внешних сил изменять свою геометрическую форму, не разрушаясь. Детали восстанавливают до номинальных размеров при помощи специальных приспособлений, путем перемещения части металла с нерабочих участков детали к ее изношенным поверхностям. При восстановлении деталей давлением изменяется не только их внешняя форма, но также структура и механические свойства металла. Применяя обработку давлением, можно восстанавливать детали, материал которых обладает пластичностью в холодном или нагретом состоянии. Изменение формы детали и некоторых ее размеров в результате перераспределения металла не должно ухудшать их работоспособность и снижать срока службы. Механическая прочность восстановленной детали должна быть не ниже, чем у новой детали. К основным видам восстановления различных деталей давлением относятся: осадка, раздача, обжатие, вдавливание, правка, накатка. Метод пластического деформирования при ремонте деталей применяется не только для восстановления размеров изношенных деталей, но и с целью повышения их прочности и долговечности. Поверхностное упрочнение деталей повышает износостойкость и прочность деталей.