Практическое занятие № 5 (2 ч)

1. Разработка технологического процесса восстановления деталей автомобилей (вала коробки передач)

1. Общие положения

Маршрутная технология, в которой каждый маршрут предназначен для ремонта деталей одного наименования, называют подетальной.

Подетальная технология имеет следующие недостатки:

• для ее разработки требуются большие затраты времени, так как для деталей каждого наименования приходится по 3…5 маршрутов;

• для ее осуществления необходимо изготовить значительное количество сложных приспособлений и инструмента, что увеличивает сроки подготовки производства и повышает себестоимость ремонта деталей.

Так как в практической работе восстанавливаются детали одного наименования, то разрабатывается подетальный технологический процесс.

Вал коробки передач в процессе эксплуатации приобретает следующие дефекты:

• износ шеек d₁ и d₄ под подшипники;

• разбивка шпоночного паза по ширине.

В практической работе рассматривается восстановление износа шеек вала под подшипники.

2. Маршрут восстановления шеек вала

05. Операция подготовительная (очистка шеек вала от загрязнений.

10. Операция круглошлифовальная (однократное шлифование шеек вала).

15. Операция наплавочная (наплавка шеек вала).

20. Операция круглошлифовальная (однократное шлифование шеек вала после наплавки).

Подготовительная операция. Вал коробки передач работает в условиях объемной смазки, следовательно, основным загрязнением является наличие масляной пленки. Масляная пленка относится к неомыляемым жирам и удаляется обезжириванием.

Для качественного обезжиривания деталей необходимо наличие следующих условий: оптимальной температуры моющего состава (60…80⁰С), оптимальных эффективных свойств моющего состава, наличия вибрирующего потока моющей жидкости при значительном давлении (0,4…0,5 МПа).

К неомыляемым жирам относятся масла минерального происхождения. Они хорошо растворяются в керосине и бензине. Со щелочами они не взаимодействуют, но образуют эмульсии, в которых масла распределяются в виде мельчайших капелек. Можно собрать отдельные жировые капельки и осадить их из раствора, вводя в щелочные растворы эмульгаторы (мыло, жидкое стекло, известь, клей и др.).

Для защиты очищаемых деталей от коррозии в щелочные растворы добавляют ингибиторы коррозии (хромпик K₂Cr₂O₇ и нитрит натрия NaNO₂).

Круглошлифовальная операция. Шлифование шеек вала ведется на круглошлифовальных станках при обильном охлаждении эмульсией на режимах, предотвращающих поверхностно-закаленный слой от отпуска и появления шлифовочных трещин и ожогов. В качестве охлаждающей жидкости используется 2…3 % раствор кальцинированной соды.

Для шлифования рекомендуется применять электрокорундовые круги Э-46 на керамической связке твердостью СТ3 или СТ2 и зернистостью 46.

Скорость вращения шлифовального круга 25…30 м/с, скорость вращения вала 18…20 м/мин. Поперечная подача шлифовального круга 6 мкм на один оборот вала.

Наплавочная операция. Шейки вала коробки передач можно восстанавливать наплавкой в среде CO₂, вибродуговой наплавкой, наплавкой под слоем флюса.

Наплавка в среде углекислого газа. Благодаря избыточному давлению, с которым подается углекислый газ, столб электрической дуги и расплавленный металл сварочной ванны надежно защищены от воздействия окружающего воздуха.

Процесс наплавки может вестись плавящимся и неплавящимся электродом. При наплавке плавящимся электродом электрическая дуга возбуждается между деталью и электродной проволокой, а при наплавке неплавящимся электродом – между деталью и вольфрамовым или угольным электродом, а присадочный материал подается в зону электрической дуги.

Для наплавки в среде CO₂ применяют проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (Mn не менее 0,9% и Si не менее 0,6%).

Сварка в среде углекислого газа производится на постоянном токе обратной полярности.

Шаг наплавки равен 2/3диаметра электрода, т. е. каждый последующий валик должен перекрывать предыдущий на 1/3 диаметра.

Для более надежной защиты расплавленного металла сварного шва наплавочную головку наклоняют на 10°…15° от нормали в направлении наплавки.

Вылет электродной проволоки из сопла составляет 15…20 мм. При меньшем вылете сопло забивается брызгами расплавленного металла и проволока приваривается к нему. При больщем вылете происходит перегорание проволоки. И в том и другом случаях процесс наплавки прекращается.

Достоинства наплавки в среде углекислого газа:

• возможность наплавки валиков малого диаметра 10 мм и менее;

• высокая производительность процесса;

• возможность механизации и автоматизации процесса;

• возможность наплавки деталей в любом пространственном положении;

• минимальная зона структурных изменений металла при высокой степени концентрации дуги и плотности тока;

• большая степень защиты сварочной ванны от воздействия внешней среды;

• возможность наблюдения за формированием шва;

• возможность сваривать металл различной толщины (от десятых долей до десятков миллиметров).

Однако при выборе данного способа сварки и наплавки необходимо иметь в виду и его недостатки:

• сильное разбрызгивание металла при токе больше 500 А, что требует постоянной защиты и очистки сопла горелки;

• интенсивное излучение открытой мощной дуги, требующее защиты сварщика;

• необходимость охлаждения горелки при значительных токах;

• осуществление сварки практически только на постоянном токе;

• наличие специальной проволоки.

Вибродуговая наплавка отличается от других сварочных процессов наличием колебаний электродной проволоки с частотой 50—100 Гц и низким напряжением источника сварочного тока. Перенос металла электродной проволоки на деталь происходит за счет чередования электрических разрядов и коротких замыканий цепи.

Вибродуговую наплавку применяют для восстановления изношенных поверхностей стальных и чугунных деталей довольно широкой номенклатуры.

Для восстановления деталей вибродуговой наплавкой применяют следующие марки проволоки: Св-08А, Св-18ХГСА, Св-15; Нп-50, Нп-65Г, Нп-30ХГСА; пружинную проволоку 2-го класса. Марка проволоки выбирается в зависимости от требуемых свойств наплавленного металла (в основном твердости). Стальные детали, требующие высокой твердости, наплавляют пружинной проволокой 2-го класса, другой высокоуглеродистой проволокой. Этими же проволоками наплавляют чугунные детали. Кроме того, чугунные детали, требующие высокую твердость поверхностного слоя, наплавляют проволокой Св-15. Для наплавки деталей двигателя применяют в основном проволоку диаметром 1,4-1,8 мм.

Преимуществами этого способа перед другими являются:

• слабый нагрев восстанавливаемой детали;

• незначительная величина зоны термического влияния, в результате чего химический состав и физико-механические свойства металла детали практически не изменяются.

Благодаря вибрации электродной проволоки можно получить тонкие и прочные покрытия, весьма малые по глубине зоны термического влияния. Эти преимущества дополняются еще и тем, что из-за короткой дуги и возможности изменения продолжительности дугового разряда и количества выделяемого тепла резко уменьшается выгорание легирующих элементов электродной проволоки.

В процессе наплавки скорость подачи проволоки, амплитуда и частота колебаний должны оставаться постоянными. Изменение в процессе наплавки хотя бы одного из этих параметров, приводит к нарушению устойчивости процесса и ухудшению качества наплавки.

Амплитуда вибрации электродов определяется из экспериментальной зависимости

A = (1,2…1,3)d, мм (1)

Вылет электрода из сопла наплавочной головки

l = (5…8)d, мм (2)

где d – диаметр электрода, мм.

В процессе наплавки металл конца электрода оплавляется и взрывается, поэтому часть металла приваривается к металлу детали, а другая – выбрасывается взрывной волной в охлаждающую жидкость. Потери металла на разбрызгивание достигают 30…35 %. Снизить потери металла можно уменьшением времени холостого хода.

Максимальная толщина наплавляемого слоя – не более 0,7…0,8 мм.

При одном и том же материале электродной проволоки можно получить различные структуры наплавленного металла в зависимости от количества охлаждающей жидкости и способа ее подачи.

Подавать охлаждающую жидкость можно в зону наплавки и за зону на наплавленный металл. Из двух способов наименее удачен – подача в зону наплавки. Наплавленный металл приобретает неравномерную структуру с большими колебаниями твердости.

Примерно также влияет подача к месту наплавки большого количества охлаждающей жидкости. Ее расход обычно составляет 0,5 л/мин.

Охлаждающая жидкость способствует охлаждению детали, лучщему формированию структуры наплавленного металла, его закалке и повышению износостойкости, уменьшению зоны термического влияния, защищает зону наплавки от воздействия окружающего воздуха.

В качестве охлаждающей жидкости используют:

• 6 % водный раствор кальцинированной соды;

• раствор, содержащий 3…4 % кальцинированной соды и 4…5 % глицерина;

• 20 % водный раствор глицерина.

Существенным недостатком наплавки с использованием охлаждающей жидкости является снижение усталостной прочности металла восстанавливаемой детали. Поэтому детали, работающие в условиях знакопеременных нагрузок, наплавляют в среде защитных газов.

Процесс осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Оптимальное напряжение при наплавке 17—20 В.

При наплавке под флюсом дуга горит между сварочной проволокой и свариваемым изделием под слоем гранулированного флюса. Ролики специального механизма падают в электродную проволоку в зону дуги.

При наплавке с использованием флюса получается более совершенная защита металла сварного шва от воздействия кислорода и азота воздуха, благодаря чему отсутствует окисление металла и он обладает высокой пластичностью.

При правильном подборе материала электродной проволоки и флюса обеспечивается стабильное горение дуги, нормальное формирование шва, требуемое качество наплавленного металла и легкое отделение образующейся шлаковой корки.

На конечные результаты наплавки под слоем флюса оказывают влияние химический состав электродной проволоки, материала детали и флюса, а также режимы наплавки.

По химическому составу флюсы делят на:

• безмарганцовистые, не содержащие окиси марганца MnO;

• среднемарганцовистые, содержащие MnO 14…22 %;

• высокомарганцовистые, содержащие MnO более 30 %.

Малоуглеродистую проволоку применяют в сочетании с высокомарганцовистым флюсом, а безмарганцовистые флюсы – с легированной проволокой.

По способу изготовления флюсы делят на:

• плавденные;

• керамические.

Плавленные флюсы – искусственно выплавленные в электрических печах силикаты типа MqO, CaO, MnO×SiO₂. В этих флюсах содержатся шлакообразующие, стабилизирующие вещества, вещества, понижающие температуру плавления и вязкость шлаков и другие, способствующие получению нужных свойств наплавленного металла.

Преимущества плавленых флюсов:

• высокая механическая прочность;

• малая гигроскопичность;

• хорошая однородность по химическому составу;

• достаточно высокие технологические свойства, обеспечивающие устойчивость процессов горения дуги, благоприятные условия для формирования шва и отделения шлаковой корки;

• значительно дешевле керамических.

Наибольшее применение нашли высокомарганцовистые высококремнистые плавленые флюсы АН-348А, АН-348АМ, ОСЦ-45. Флюсы АН-348А, АН-348АМ отличаются только размером зерна.

Для наплавки шеек вала рекомендуют применять флюс АН-348А и высокоуглеродистую проволоку НП-65 или пружинную 2 класса по химическому составу близкую к НП-65.

Для получения необходимых механических свойств наплавленного металла и исключения последующей термообработки рекомендуется к флюсу АН-348А в качестве легирующих компонентов добавить 2,5 % очень мелкого порошкового графита и 2 % порошкового феррохрома № 6.

Керамические флюсы получают путем смешения отдельных составляющих на растворе жидкого стекла. Технология изготовления керамических флюсов включает дробление составляющих, просеивание через сито для получения необходимой грануляции зерен 1…3 мм, прокаливание в печах при t° = 300…400° C для удаления влаги и повышения механической прочности. При таком методе изготовления возможно вводить в их состав ферросплавы и производить легирование металла различными элементами в самых широких пределах. Это одно из преимуществ керамических флюсов.

Керамические флюсы допускают замену дорогостоящей легированной проволоки дешевой низкоуглеродистой.

Недостатком керамических флюсов является неоднородность их химического состава, а, следовательно, и неоднородность наплавленного металла по химическому составу.

К достоинствам сварки и наплавки под флюсом относятся: высокая производительность процесса, благодаря использованию больших токов, глубокому проплавлению, почти полному отсутствию потерь металла на угар и разбрызгивание (не более 3%); высокое качество наплавляемой поверхности в результате хорошей защиты флюсом сварочной ванны; незначительное количество неметаллических включений в металле шва; возможность легирования наплавляемого металла через флюс; лучшее использование тепла дуги (по сравнению с ручной сваркой расход электроэнергии уменьшается на 30– 40%); лучшие условия труда сварщика и ряд других.

Вместе с тем, этот вид сварки и наплавки имеет ряд недостатков: значительный нагрев изделия; повышенную текучесть расплавленных металла и флюса, что позволяет вести сварку только в нижнем положении и наплавлять детали диаметром не менее 40 мм; необходимость в отдельных случаях повторной термической обработки; невозможность непосредственного наблюдения за формированием сварочного шва.