1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1 Анализ исходных данных
1.1.1 Проблемы долговечности коленчатого вала
Одной из основных деталей, определяющих надежную работу двигателя в целом, является коленчатый вал, служебное назначение которого – преобразование возвратно-поступательного движения шатунно-поршневой группы во вращательное движение маховика. Условия работы коленвала являются сложными и включают в себя знакопеременные нагрузки, износ в условиях граничного трения скольжения. Виды разрушений, возникающих в данных условиях, таковы:
1. усталостное выкрашивание, возникающее из-за переменных контактных напряжений, которые приводят к появлению микротрещин, расклиниваемых в свою очередь смазкой;
2. абразивный износ. Объясняется тем, что в антифрикционный слой работающего вкладыша, несмотря на применяемые уплотнения и фильтры, вкрапливается много твердых частиц (продуктов износа деталей, абразивных частиц, засасываемых в цилиндры с воздухом, и др.), вызывающих износ рабочих поверхностей;
3. при работе двигателя с частотой вращения коленчатого вала, меньшей заданной по режиму, возможны задиры и заклинивания из-за недостаточной подачи масла к трущимся поверхностям вследствие малой производительности масляного насоса и отсутствии масляного тумана в картерах;
4. при работе с частотой вращения коленчатого вала, превышающей заданную по режиму, задиры и заедания также возможны вследствие большой работы трения и значительного нагрева трущихся деталей.
Практически основные дефекты коленчатого вала, выявляемые в процессе эксплуатации до капитального ремонта, следующие:
- изгиб;
- износ коренных и шатунных шеек;
- износ боковой поверхности шпоночных пазов;
- износ шеек под передний и задний сальники и под смазочный подшипник;
- срыв и износ резьбы под храповик, маховик-вентилятор и соединительную муфту;
- износ отверстий во фланце коленчатого вала под установочные штифты или под болты крепления маховика.
Ремонт коленчатого вала двигателя начинают в случае увеличения диаметрального зазора в подшипнике, выкрашивания или появления задиров на поверхности вкладыша и шеек [3]. Внешним признаком указанных дефектов являются стуки в двигателе и резкое снижение масла в системе смазки. Вкладыши коренных и шатунных подшипников, кроме того, периодически заменяют и независимо от степени их износа в целях повышения долговечности работы коленвала без перешлифовки. Необходимость принудительной замены вкладышей объясняется тем, что в антифрикционный слой работающего вкладыша вкрапливается много твердых частиц (продуктов износа деталей, абразивных частиц, засасываемых в цилиндры с воздухом, и др.), вызывающих износ поверхностей шеек коленчатого вала [7].
Видно, что качество и точность исполнительных поверхностей коленвала должны быть на высоком уровне. Технические требования, предъявляемые к шатунным и коренным шейкам, таковы:
- точность исполнения – 6 квалитет с допуском на диаметральный размер = 20 мкм и отклонением от цилиндричности = 5 мкм;
- качество поверхности – шероховатость = 0,32 мкм;
- твердость поверхности = 50 HRCэ на глубину 2…3 мм.
1.1.2 Анализ недостатков существующего техпроцесса
В качестве заготовки используется отливка из чугуна ВЧ-75-03. Использование чугуна в качестве конструкционного материала для столь ответственной детали объясняется его отличными литейными свойствами, что позволяет изготавливать отливки 1 класса точности с наименьшими припусками под обработку. Например, суммарный припуск для обработки шеек, включающий фрезерование, предварительное и окончательное шлифование с закалкой ТВЧ, составляет 2,6 мм.
Высокопрочный чугун представляет собой чугун с шаровидным графитом. Химический состав и механические свойства чугуна ВЧ-75-03 представлены в таблице 1. Структура металлической основы чугунов с шаровидным графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, т.е. зависит от химического состава чугуна, скорости охлаждения, толщины стенки отливки и т.д. Первое число в маркировке показывает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение. Так, чугун ВЧ-75-03 характеризуется пределом прочности 750 МПА (75 кгс/мм²) и относительным удлинением 3%.
Таблица 1 - Химический состав и механические свойства чугуна ВЧ-75-03
| C,% | Si,% | Mn,% | Ti,% | Cr,% | Ni,% | Mo,% | Mg,% | σв,МПа | σт,МПа | σ,% | HB |
| 3,4 | 3,45 | 0,72 | 0,05 | 0,11 | 1,2 | 0,42 | 0,05 | 750 | 50 | 3 | 50-300 |
Чугуны, модифицированные магнием, имеют более высокие механические свойства, чем обычный серый чугун, и приближаются по свойствам к стали. Чугуны с шаровидным графитом применяют для самых ответственных деталей, например для коленчатых валов, кулачковых валиков и др. Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной. Например, при подсчете экономической эффективности замены стального коленчатого вала дизеля чугунным оказалось, что заготовка литого коленчатого вала из высокопрочного чугуна в три раза легче заготовки из легированной стали. Общие затраты на изготовление чугунного коленчатого вала в 3,5 раза меньше, чем на изготовление стального [10].
Вместе с тем возникает серьезная проблема обеспечения их прочности и надежности в эксплуатации. Трудность состоит в том, что пределы выносливости чугуна почти в 2 раза ниже, чем у легированных сталей, обычно используемых для изготовления коленчатых валов, а также чугун обладает весьма малой пластичностью и высокой хрупкостью.
В этих условиях применение коленчатых валов из чугуна может быть осуществлено только при использовании, с одной стороны, преимуществ литья для получения рациональных форм колен и понижения общей неравномерности рабочих напряжений, а с другой стороны, направленного повышения сопротивления разрушению в зонах концентрации напряжений путем эффективного поверхностного упрочения.
В качестве средства упрочения валов первоначально использовали азотирование, которое одновременно служило для повышения износостойкости шеек. Однако опыт эксплуатации двигателей показал, что хрупкий азотированный слой обладает низким сопротивлением разовым перегрузкам. Такие перегрузки оказались присущими и вызвали заметное число разрушений, связанных с образованием хрупких трещин в азотированном слое. Причинами таких перегрузок явились в основном гидроудары припусках вследствие накопления воды в цилиндрах из системы охлаждения [7].
Механические и физические свойства коленвала, необходимые для его эффективной эксплуатации, достигаются в основном на финишных операциях. Твердость поверхностного слоя = 50 HRCэ обеспечивается закалкой ТВЧ, точность размеров по 6-му квалитету достигается на шлифовальных станках, а качество поверхности формируется при полировке. Однако, рассмотренные выше недостатки, в том числе низкая износостойкость коренных и шатунных шеек, являются следствием неоптимального микрорельефа поверхностного слоя образуемого в результате того самого полирования, представляющего собой операцию резания абразивным материалом.
К основным особенностям и недостаткам способов чистовой обработки резанием относятся [24]:
1. заостренная форма выступов и впадин образующихся микронеровностей; в этом отношении наиболее неблагоприятный микрорельеф образуется при шлифовании;
2. относительно низкая несущая способность, обусловленная заостренной формой микронеровностей и соответственно малой опорной поверхностью при начальных сближениях в процессе приработки;
3. прямая зависимость между шагом и высотой микронеровностей и, как следствие, малая маслоемкость высокочистых поверхностей;
4. невозможность регулирования формы микронеровностей при одной и той же их высоте;
5. незначительные пределы возможного изменения формы и расположения микронеровностей во всем интервале обеспечиваемой ими шероховатости поверхности;
6. высокая степень неоднородности (нерегулярность) микрорельефа.
Перечисленные органические недостатки подавляющего большинства способов чистовой обработки резанием затрудняют решение следующих важных задач [25]:
1. сохранение целостности волокон металла, способствующее повышению всех его эксплуатационных характеристик;
2. сочетание малых по высоте шероховатостей с упрочнением поверхностного слоя, обеспечивающее высокие эксплуатационные свойства деталей, особенно при циклических нагрузках;
3. незначительный нагрев, исключающий образование таких дефектов, как отпуск поверхностных слоев термически обработанных деталей, прижоги и т.п.;
4. отсутствие шаржирования в поверхность инородных частиц (имеющего место при всех видах абразивной чистовой обработки), позволяющее сохранить чистой поверхность даже таких мягких пластичных металлов, как медь и алюминий, что в ряде случаев является обязательным условием;
5. создание поверхностей с большой опорной плоскостью не только повышающее их износостойкость, но ускоряющее прирабатываемость и улучшающее условия труда на трение;
6. возможность улучшения шероховатости поверхности на 3-5 классов за один проход, делающая чистовую обработку во многих случаях значительно более производительной, чем резцовую и, особенно, чем абразивную обработку.
Важность и актуальность этих задач определяют необходимость выполнения широкого круга работ по совершенствованию применяемых способов отделочной обработки и применению новых процессов, свободных от перечисленных выше недостатков.
1.1.3 Анализ недостатков существующего оборудования для финишной обработки
Специальный автомат для полирования шеек коленвала NAGEL представляет собой агрегат, состоящий из станины, шпиндельной бабки, задней бабки, полировальных рычагов, гидравлического бака вместе с электромагнитами гидрораспределителей, системы смазки и охлаждения. Отдельно от станка выполнен силовой электрошкаф вместе с пультом управления. Загрузку деталей на станок выполняет портальный робот – манипулятор с электроприводом.