Механизмы износа кулачков распределительных валов

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.



Дата

Лист

2

ВлГУ.23.04.03.02.2.00 ПЗ



 Разраб.

Кобозев С.В.

 Пров.

Аблаев А.А.

 Т. Контр.



 Н. Контр.

Аблаев А.А.



 Утв.

Кириллов А.Г.



Лит.

Листов



АТм-115

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.



Дата

Лист

2

ВлГУ.23.04.03.02.2.00 ПЗ



 Разраб.

Кобозев С.В.

 Пров.

Аблаев А.А.

 Т. Контр.



 Н. Контр.

Аблаев А.А.



 Утв.

Кириллов А.Г.



Лит.

Листов



АТм-115

Содержание



















Лист

	Введение	4

	1 Обзор литературы и постановка задачи исследования	7

	1.1 Актуальность исследования	7

	1.2 Анализ исследований, посвященных оценке влияния технического состояния деталей газораспределительного механизма на работоспособность автомобильных двигателей	10

	1.3 Исследование износов распределительных валов двс	13

	1.3.1 Механизмы износа кулачков распределительных валов	18

	1.3.2 Методы восстановления кулачков	20

	1.4 Выбор оптимального способа восстановления детали	29

	1.5 Выводы по 1-ой главе	32

	2 Теоретические предпосылки восстановления сложно-профильных деталей лазерной наплавкой	34

	2.1 Понятие лазера. Лазерное излучение	34

	2.2 Виды и классификация лазеров. Область применения ОКГ	41

	2.3 Лазерное термоупрочнение	48

	2.4 Лазерная наплавка	53

	2.5 Лазерная наплавка порошковых материалов. Исследования влияния технологических параметров наплавки на структуру и свойства применяемых материалов	57

	2.6 Применяемые материалы и покрытия из самофлюсующихся сплавов	69

	2.7 Основные преимущества использования порошковых наплавочных материалов	73

	2.8 Оборудование, применяемое для осуществления технологического процесса лазерной наплавки	74

	

	

	

	2.9 Выводы по 2-ой главе	77

	3 Методика экспериментальных исследований	79

	3.1 Общая методика и структура исследований	79

	3.2 Проведение процесса лазерной наплавки	83

	3.3 Определение твердости исследуемой поверхности	88

	3.4 Исследование химического состава	92

	3.5 Определение коэффициента трения на исследуемых поверхностях	100

	3.6 Исследование фазового состава и микроструктуры	102

	3.7 Выбор оптимального режима наплавки	109

	3.8 Выводы по 3-ей главе	113

	4 Технологический процесс восстановления распределительного вала двигателя. Внедрение  практических результатов работы в производство. Расчет экономической эффективности техногии лазерной наплавки	115

	4.1 Разработка технологии восстановления распределительного вала методом лазерной наплавки	115

	4.1.1 Условия работы детали и предъявляемые к ней требования	115

	4.1.2 Последовательность операций технологического процесса восстановления рабочих поверхностей кулачков распределительного вала	117

	4.1.3 Определение припусков на обработку	121

	4.1.4 Определение режимов работы	122

	4.1.5 Результат эксплуатационных испытаний распределительных валов, восстановленных лазерной наплавкой порошковых материалов	133

	4.2 Определение экономического эффекта от внедрения технологии восстановления распределительного вала	134

	4.3 Выводы по 4-ой главе	139

	Заключение	140

	Список сокращений и условных обозначений	142

	Список используемых источников	143

Приложения…………………………………………………………………….153



ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное использование современного транспорта вынуждает машиностроение вести активный поиск инновационных методов и способов обработки и изготовления автомобильных деталей, подвергающихся интенсивному износу и циклическим нагрузкам в агрегатах и узлах автомобилей.

В сложившейся ситуации необходима замена изношенной детали на новую, что в большинстве случаев связано с определенными финансовыми затратами. В условиях автотранспортного предприятия затраты на новые запасные части могут достигать нескольких миллионов рублей. Поэтому, с целью экономии финансовых активов, организация может разработать и внедрить технологию восстановления узлов и агрегатов автомобилей на основе современных научных методов.

Анализируя опыт большинства стран, производящих автомобильную, сельскохозяйственную и дорожно-строительную технику, необходимо отметить, что расширение номенклатуры восстанавливаемых деталей - одна из важнейших задач, которой в настоящие время заняты основные фирмы-производители. Затраты на такую процедуру составляют 20-25% стоимости изготовления, отпускная цена изделий устанавливается в среднем около 80% стоимости новых. Но при этом необходимо отметить, что существующие методы нанесения покрытий не обеспечивают значительное повышение износостойкости и, как правило, ресурс отремонтированных узлов и агрегатов составляет 0,5-0,6 от ресурса новых.

Развитие современных отраслей промышленности ставит проблему повышения надежности и долговечности выпускаемых изделий. Переход к новым технологическим процессам, позволяющим повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов, снизить материалоемкость и энергоемкость производства, является важнейшей задачей машиностроения. 

Вместе с проблемой повышения качества металлических сплавов, изучением закономерностей трения и изнашивания не теряют своей актуальности вопросы, связанные с разработкой и совершенствованием технологий поверхностного упрочнения.

Эффективным технологическим способом упрочнения поверхности деталей является кратковременное высокоэнергетическое воздействие на поверхность посредством излучения лазера, что позволяет существенно изменять структуру, повышая эксплуатационные характеристики изделий. Основными особенностями таких способов воздействий являются высокоскоростной нагрев и большие скорости охлаждения, которые могут переводить сплав в метастабильное состояние. Среди довольно большого разнообразия методов поверхностного упрочнения значительная роль принадлежит лазерному упрочнению. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в разработке теоретических основ процессов взаимодействия мощного электромагнитного излучения с материалами и на большие практические достижения в промышленных технологиях, лазерная обработка не является еще установившемся и законченным разделом теории и практики обработки материалов концентрированными потоками энергии.

До настоящего времени разработаны различные способы создания упрочненных поверхностных слоев с помощью излучения лазера: термоупрочнение вследствие фазовых превращений, происходящих при очень больших скоростях нагрева и последующем быстром охлаждении; лазерное плакирование, при котором излучение лазера расплавляет предварительно нанесенный на поверхность материал; лазерное легирование, в процессе которого расплавляются поверхностный слой металла и добавляемые легирующие элементы, что позволяет в локализованных объемах изменять химический состав и получать после охлаждения поверхностного слоя заданные свойства; ударное упрочнение, создаваемое ударной волной, возникающей вследствие испарения верхних слоев металла при кратковременном воздействии на поверхность излучения лазера большой мощности.

Более подробно мной рассмотрен способ восстановления деталей двигателей АТС с помощью метода лазерной наплавки.  

Лазерная наплавка представляет собой технологический метод получения покрытия с заданными физико-механическими свойствами и заключается в оплавлении лазерным лучом наплавочных материалов, нанесённых на поверхность детали. Для этого используются материалы в виде порошков, фольги, проволоки и т.д. Наименьших затрат энергии требуют порошковые материалы. Лазерная наплавка осуществляется с минимальным удельным энерговкладом, что позволяет, как правило, избежать деформации детали и, как следствие, дополнительных операций - механической обработки.

Широкое использование лазерных технологий в России в сегодняшних условиях является одним из очень немногих технически и экономически выгодных способов модернизации отечественной промышленности. Реальность свидетельствует, что на 1 рубль затрат лазерные технологии в среднем дают в промышленности от 10 до 15 рублей экономического эффекта.



























1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ



1.1 Актуальность исследования



Тема исследования описывает процесс формирования износостойкой поверхности при лазерной наплавке на сложно-профильных деталях автотранспортных средств.

Использование лазерного излучения в качестве теплового источника обеспечивает формирование жесткого термического цикла, параметры которого (максимальная температура нагрева, скорость нагрева, скорость охлаждения, время пребывания материала при температуре выше критической и др.) определяют свойства упрочненной поверхности конкретного материала.

Повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей машин может быть достигнуто различными способами - азотированием, хромированием, фосфатированием, традиционными способами поверхностной термической обработки. Применение этих процессов затруднено из-за трудоемкости, больших габаритов и коробления деталей, необходимости назначения больших припусков на механическую обработку. При использовании лазерной технологии восстановления эти недостатки частично устраняются, что позволяет считать применение данного метода перспективным для повышения срока службы ответственных деталей на стадии изготовления и ремонта [1,4].

Актуальность работы. При производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС), не всегда используются наиболее эффективные средства снижения износа, учитывающие конкретные условия работы. По этой причине Россия и другие технически развитые страны несут большие материальные затраты, связанные с ремонтом.

Одной из основных деталей ДВС, определяющих ресурс его работы, является распределительный вал, долговечность которого, в свою очередь, зависит от его сопротивления усталости и износостойкости рабочих поверхностей.

Преждевременный износ рабочих поверхностей распределительных валов более предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену валов, но и к убыткам из-за простоя автомобиля в ремонте. А выход из строя при поломке вала может привести к аварийной ситуации [2,5].

Вопросам упрочнения деталей машин и механизмов и повышения их эксплуатационной надежности посвящены научные труды Б.М. Асташкевича, Д.Н. Гаркунова, Ю.Н. Дроздова, И.В. Крагельского, Ю.Г. Кулика, Л.И. Погодаева, Ф.Ф. Репина, А.П. Семёнова, Ю.В. Сумеркина, М.М. Тененбаума, A.B. Чичинадзе и др.

Возникновение проблемы ресурсосбережения требует применения прогрессивных и высокотехнологичных методов восстановления изношенных поверхностей распределительных валов.

Существенными недостатками большинства применяемых способов восстановления и упрочнения валов является их длительность, высокая трудоемкость и энергоемкость, низкая экологическая защищенность.

Несмотря на большое количество работ и проведённых исследований, отсутствуют достаточно надежные производственные технологии восстановления и упрочнения рабочих поверхностей сложно-профильных деталей АТС.

В настоящее время, все большее развитие получают методы обработки рабочих поверхностей излучением оптического квантового генератора — лазера. Данные методы существенным образом расширяют и дополняют технологические возможности традиционных методов обработки.

Исследованию процессов лазерной обработки посвящены научные труды Г.А. Акулиной, В.М. Андрияхина, Г.Н. Гаврилова, B.B. Глебова, O.B. Горшкова, А.Г. Григорьянца, Ю.М. Лахтина, И.И. Прохорова, H.H. Рыкалина, В.М. Ходаковского, О.В. Чудиной и др.

Однако еще недостаточно системных знаний по структурно-фазовым превращениям и влиянию лазерной обработки на физико-механические характеристики материалов. Отсутствуют математические модели, позволяющие, с достаточной степенью достоверности, определять режимы лазерной обработки, необходимые для достижения тех или иных свойств поверхностных слоев. Также отсутствуют методики, позволяющие наблюдать реальные тепловые процессы в материалах и, соответственно контролировать и прогнозировать свойства и качество упрочненных слоев. Все эти причины ограничивают промышленное использование лазерных технологий [7].

Исходя из вышесказанного проблема восстановления и упрочнения рабочих поверхностей распределительных валов с использованием прогрессивных лазерных технологий является актуальной.

Целью настоящей работы является разработка технологии лазерной обработки, обеспечивающей, на стадиях восстановления (ремонта), повышение износостойкости рабочих поверхностей распределительных валов двигателей автомобилей ВАЗ-2190 Lada Granta.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определение характеристик изнашивания и причин выхода из строя распределительных валов;

- анализ существующих методов упрочнения и восстановления распределительных валов в России и за рубежом;

- исследование закономерностей образования износостойких слоев и покрытий при воздействии лазерного излучения;

- выбор параметров режимов лазерной обработки;

- подбор материалов покрытий, отвечающих высоким показателям износостойкости;

- практическое внедрение разработанной технологии для восстановления рабочих поверхностей распределительных валов.

Объектом исследования является распределительный вал (РВ) газораспределительного механизма (ГРМ) автомобиля ВАЗ-2190 Lada Granta.

Предметом исследования является износостойкость кулачков распределительных валов.

Научная новизна работы заключается в следующем: в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований выявлены закономерности формирования износостойких слоев и процессов оплавления покрытий за счет применения лазерного излучения; определены структурные изменения поверхностных слоев материалов распределительных валов при лазерном воздействии; разработана методика расчета и измерения температуры в зоне лазерного воздействия при поверхностной обработке металлов и сплавов; оптимизированы параметры режимов лазерного упрочнения, оплавления и легирования;

Практическое значение работы: разработаны надежные производственные процессы получения износостойких слоев и покрытий, сочетающие технологии воздействия лазерного излучения и газотермического напыления покрытий.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 научных и одна учебно-методическая работы.



1.2 Анализ исследований, посвященных оценке влияния технического состояния деталей газораспределительного механизма на работоспособность автомобильных двигателей



Анализ работ [10,16,20,34,39,40] показал, что влияние технического состояния ГРМ на работоспособность двигателя может быть определено исходя из функционального назначения механизма и работоспособности его отдельных элементов.

В работе [20] автором установлено, что на динамическое состояние АД оказывает влияние величина «время-сечение» клапана, которая зависит от величины износа рабочих поверхностей составных частей ГРМ, что представлено на рис. 1.1.

Качественный анализ диаграммы показывает, что износ профиля кулачков РВ и изменение зазора между клапаном и коромыслом приводит к уменьшению величины «время-сечение» клапана, а износ зубьев шестерен - к нарушению фаз газораспределения. Тем самым, вызывают снижение мощности, повышение удельного расхода топлива и потребления моторного масла, повышение уровня шума, вибрации и вредных выбросов в отработавших газах [20].







Рисунок 1.1 - Изменение величины «время-сечение» клапана в зависимости от износа профиля кулачка РВ, износа зубьев шестерен, увеличения зазора между стержнем клапана и толкателем ГРМ:

1 - изменение проходного сечения при исходном профиле кулачка РВ; 2 - изменение проходного сечения для изношенного профиля кулачка РВ; 3,4 - сдвиг фаз газораспределения от износа толщины зубьев шестерен ГРМ; А - изменение величины "время-сечение" при увеличении зазора между клапаном и коромыслом; Б - изменение величины «время-сечение» при износе профиля кулачка РВ

Тем же автором установлено, что качественное функционирование ГРМ в основном определяется состоянием профилей впускного и выпускного кулачков РВ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований [10,20] показали, что износы элементов ГРМ оказывают существенное влияние на его техническое состояние в целом. При этом происходит: нарушение фаз газораспределения и условий безударного замыкания механизма привода (в случае уменьшения температурного зазора и образования деформаций деталей привода, РВ или клапана на участке набегания кулачка); разрыв кинематической цепи (отскакивание толкателя от кулачка после посадки клапана на седло); изменение значений как положительных, так и отрицательных ускорений; снижение динамических и инерционных нагрузок, образование упругих, а, в ряде случаев - остаточных деформаций.

Указанные явления усугубляются рядом как технологических факторов (изменение профиля кулачка, нарушение взаимного расположения центров начальной окружности кулачка с геометрической осью подшипников РВ), так и скручиванием, и изгибом РВ, нагружаемого силами и моментами от привода одновременно нескольких клапанов.

В то же время, снижение качества выполняемых ГРМ функций отражается на эффективности использования автомобилей, так как при достижении предельных значений износов деталей происходит отказ двигателя по технико-экономическому критерию [47,85].

Техническое состояние АД определяют его выходные показатели (топливная экономичность, уровень шума, вибрации, дымность отработавших газов, утечки и т. д.), которые зависят либо от погрешностей механизмов, либо от возникающих выходных процессов, по нормируемым параметрам и нормативам которых принимается решение о его работоспособности [48, 55,56].





1.3 Исследование износов распределительных валов ДВС



Распределительный вал автомобильного двигателя является одной из ответственных деталей. От состояния основных рабочих поверхностей вала определяется работа двигателя в целом. Основными дефектами распредвалов двигателя являются:

- износ опорных шеек распредвала;

- износ кулачков по высоте;

- изменение профиля кулачка;

- изгиб вала.

Вероятность других дефектов, как правило, мала и не превышает 0,05.

Все перечисленные дефекты распредвала вызывают стуки в клапанном механизме, уменьшение мощности двигателя, а увеличение зазоров в подшипниках вызывает, кроме того, падение давления масла системе смазки. Работа клапанно-распределительного механизма теоретически оценивается по параметру, называемому «время сечения» и характеризуется площадью, ограниченной кривой изменения высоты подъема клапана по времени.

Кулачки по профилю изнашиваются неравномерно. Цилиндрическая часть (тыльная) кулачка, практически, не изнашивается и у подавляющего большинства кулачков находится в пределах допуска на изготовление. Износ по высоте имеет малые значения (до 0,2 мм) и встречается только у 12% кулачков. В подавляющем большинстве случаев изнашивается поверхность вблизи вершины кулачка на участке набегания ролика.

В среднем, 15% кулачковых валов требуют восстановления хотя бы одного кулачка. Для восстановления большинства кулачков достаточно наплавить небольшой участок зоны набегания или сбегания ролика толкателя площадью 5-30 мм2 [12].







Таблица 1 - Параметры износа распределительного вала (на примере ВАЗ-2190 Lada Granta)

Характеристики рассеивания и параметры распределения

Износ



опорных шеек

впускных кулачков

выпускных кулачков

Среднее значения износа,

0,44

0,56

0,45

Среднее квадратичное отклонение, ?

0,02

0,36

0,23

Параметр масштаба, а

0,03

0,63

0,39

Параметр формы, в

1,37

1,60

1,55

Коэффициент вариации, v

0,74

0,64

0,66



Распределительные валы двигателя ВАЗ-2190 подлежат выбраковке при размере цилиндрической части впускных кулачков менее 38,9 мм, выпускных кулачков, соответственно, 37,9 мм. Номинальный размер цилиндрической части впускного кулачка составляет 40,155±0,025 мм.

В соответствии с данными табл. 1 основными дефектами распределительных валов являются износы впускных, выпускных кулачков и опорных шеек. 



Таблица 2 – Коэффициент повторяемости различных дефектов кулачка 

№

п/п

Наименование дефекта

Коэффициент повторяемости дефекта, Кд

1

Износ вершины

0,12

2

Износ тыльной части

0,1

3

Износ профиля на участке сбегания

0,15

4

Износ профиля на участке набегания

0,82

5

Другие дефекты

0,05



Гистограмма распределения повторяемости дефектов кулачкового вала приведена на рис. 1.2.





Рисунок 1.2 - Повторяемость дефектов кулачкового вала:

1 - износ профиля кулачка; 2 - износ поверхности шейки под подшипник; 3 - износ поверхности шейки под манжету; 4 - износ или срыв резьбы; 5 - износ стенок паза под шпонку; 6 - износ поверхности эксцентрика; 7 - усталостное разрушение вала по шейке



Пример износа кулачка распредвала представлен на рис. 1.3.







Рисунок 1.3 – Характерный износ кулачка РВ



Статистический анализ, проведенный по данным измерений (интегральные кривые распределения износов - рис. 1.4-1.5), показал следующее. У 37% распределительных валов впускные кулачки и у 46% распределительных валов выпускные кулачки имеют износ меньше допустимого и не требуют ремонта. У 26% распределительных валов впускные кулачки и у 52% распределительных валов выпускные кулачки подлежат восстановлению перешлифовкой. 37% распределительных валов имеют хотя бы один впускной кулачок и 2% распределительных валов – выпускной кулачок, изношенные больше предельно допустимых размеров и требуют восстановления наплавкой.







Рисунок 1.4 - Полигоны распределения износов различных кулачков распределительного вала



Цилиндрическая часть кулачков практически не изнашивается, а уменьшение высоты кулачка происходит за счет сильного изнашивания вершины. Зона набегания изнашивается интенсивнее зоны сбегания.

Опорные шейки имеют незначительный износ и у 68% распределительных валов могут быть восстановлены перешлифовкой на первый ремонтный размер, а у 26% распределительных валов – на второй ремонтный размер. Лишь у 6% валов опорные шейки подлежат восстановлению наплавкой.







Рисунок 1.5 - Эмпирическая (1) и теоретические кривые распределения износов: 2 - при выравнивании по закону Вейбулла; 3 - нормальному закону; 4 - по закону Максвелла-Релея; 5 - по логарифмическому закону



Следует отметить, что наплавке на изношенных распределительных валах подлежит разное количество кулачков, в том числе на 80% валов – 1-2 кулачка, на 6% - 3 кулачка, на 4% - 4 кулачка и более [13].



Таблица 3 - Повторяемость износа кулачков для одного и того же распределительного вала

Кол-во кулачков на распредвале с износом более предельного

1

2

3

4

5

6

7

8

Кол-во распредвалов, имеющих износ впускных кулачков более предельного, %

44

36

6

4

4

4

-

2

Кол-во распредвалов, имеющих износ выпускных кулачков более предельного, %

4

2

-

-

-

-

-



-



	У большинства исследованных распредвалов ВАЗ имел место износ не менее четырех кулачков.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

 Распределительный вал работает в тяжелых условиях, при значительных скоростях и больших знакопеременных нагрузках, что приводит к быстрому изнашиванию его элементов.

 Наибольшую повторяемость износов имеют кулачки (впускные и выпускные). Величина этих износов в большом числе случаев превышает допустимые значения, что требует восстановления распредвала.

 Как правило, имеет смысл промышленное восстановление кулачков и опорных шеек при непременном контроле изгиба вала.

Статистические данные, касающиеся параметров износа распределительных валов, предоставлены компанией «Лада АвтоТракт» - официальным дилером LADA во Владимире.



1.3.1 Механизмы износа кулачков распределительных валов



Теоретически, контакт в паре кулачок-толкатель (рычаг) - линейный (два цилиндра или цилиндр-плоскость). В действительности, вследствие перекосов и деформаций картина изменяется, и истинные напряжения много выше. При взаимодействии двух контактирующих поверхностей имеет место сложный механизм, зависящий от многих факторов. 

Характер и динамика изнашивания деталей клапанно-газораспределительного механизма определяются, главным образом, абразивными и молекулярно-механическими причинами, проистекающими из конструктивных связей между деталями и механизма взаимодействия между ними. Различные недостатки в конструкции узлов газораспределительного механизма приводят к созданию жестких условий эксплуатации, возникновению многочисленных факторов, влияющих на интенсивное изнашивание распределительного вала. При этом, система смазки не всегда эффективна – так, при малых оборотах двигателя, интенсивность изнашивания повышается [34].

В наиболее тяжелых условиях при наличии знакопеременных нагрузок различной интенсивности работают сопряжения кулачок-толкатель. Конструкция механизма газораспределения предполагает величину усилия, прикладываемого к каждому кулачку, порядка 200-700 Н (для различных двигателей). При этом развиваются удельные контактные давления до 1200 – 1700 МПа. При частоте вращения рапсредвала 800-1000 об/мин скорость скольжения в сопряжении достигает 2-5 м/с, что создает чрезвычайно жесткие условия изнашивания, особенно при обедненной смазке или сухом трении. Характер нагружения и тяжелый скоростно-силовой режим работы пары кулачок-толкатель приводит к разрушению рабочих поверхностей, задиров, усталостного выкрашивания. Основными факторами, определяющими работоспособность пары в таких условиях, являются: конструкция привода клапанов, определяющая величину контактных напряжений; скорость проскальзывания; материал толкателя и кулачка; сорт масла; схема смазки и др. 

Важным является отношение скорости скольжения к скорости перемещения точки контакта. Температура нагрева поверхностных слоев достигает 800 0С, что приводит к различным термическим эффектам, в частности, к увеличению износа за счет разрушения поверхностных слоев, контактного схватывания, смятия, налипания материала и оплавления металла одной из трущихся поверхностей. Металлографический анализ показывает, что на вершинах кулачков происходит трение сильно размягченных слоев [24].



1.3.2 Методы восстановления кулачков



При общем анализе методов восстановления и условий работы сопряжений можно сказать, что качественное восстановление кулачков обеспечивают методы, удовлетворяющие следующим основным требованиям:

- незначительные температурные влияния на вал, исключающие или предельно уменьшающие остаточные деформации;

- высокая прочность сцепления наносимого покрытия;

- износостойкость восстановленной детали – на уровне серийной;

- доступные оборудование и материалы;

- последующая механическая обработка должна проводиться на стандартном оборудовании, имеющемся на ремонтном предприятии;

- высокая производительность;

- соответствие технологии и оборудования требованиям ТБ;

- экономическая целесообразность.

Перешлифовка

Метод перешлифовки кулачков в эквидистантный профиль достаточно хорошо изучен и, в силу простоты использования, распространен. Такой способ доступен и не требует больших капитальных затрат. Достоинством такого метода является также и то обстоятельство, что при съеме шлифовальным кругом одинакового слоя металла по всему периметру кулачка, величина подъема клапана с момента открытия не изменяется.

Однако, шлифование кулачков приводит к снятию поверхностного упрочненного слоя (закалки, азотирования, цементации), что вызывает необходимость в последующем повторном упрочнении. Кроме того, перешлифовка ограничена ресурсом кулачка, поскольку съем слоя металла приводит к уменьшению радиуса закругления вершины, в пределе стремящегося к нулю. Вершина приобретает остроконечную форму, что резко увеличивает нагрузки. Так, при перешлифовке на 1,5-2 мм контактные напряжения увеличиваются в 2-2,5 раза. При этом падает и мощность двигателя, а удельный расход топлива увеличивается.

Предложена технология перешлифовки кулачков не на эквидистантный, а на «ремонтный» профиль, у которого сохраняется радиус вершины. При таком способе количество перешлифовок может быть достаточно большим, причем изготавливают специальные копиры на каждый ремонтный размер. Недостатком такой технологии является нарушение закона движения клапана при подъеме и нарушение фаз газораспределения.

Общим недостатком методов перешлифовки является невозможность восстановления профиля кулачков, изношенных за предельные размеры.

Электродуговая наплавка

Метод электродуговой наплавки применяется в различных вариантах: ручная, автоматическая, полуавтоматическая и пр. Такой метод обладает несомненными достоинствами – малыми капитальными затратами и большим выбором износостойких материалов. Часто удается ограничить тепловложение и уменьшить глубину зоны термического влияния. Тем не менее возможен существенный прогиб вала. При автоматической наплавке прогиб вала достигает 1-1,2 мм. Такой дефект вызывает смещение оси цилиндрической части кулачков относительно оси опорных шеек, что приводит к искажению закона движения клапана, заданного профилем кулачка, вызывает дополнительные потери долговечности механизма. Интерес представляет наплавка кулачков распредвала ЗМЗ-53 порошковой проволокой ПП-АН128 (а опорных шеек – электроконтактной приваркой стальной ленты). При восстановлении по технологии НИАТ наплавку производят порошковой проволокой в специальном растягивающем приспособлении. Для предотвращения стекания металла и придания ему необходимой формы, это приспособление содержит специальные формочки под кулачок, изготовленные из меди. Наплавку ведут до заполнения формочки и применяют при значительных износах. Несмотря на столь солидные проработки приспособлений, качество наплавленного слоя, его форма и твердость довольно низки, что характеризует низкие эксплуатационные свойства. Без специальных приспособлений обычно не удается произвести наплавку всего профиля кулачка. Для уменьшения термического влияния – наплавку, например, неплавящимся электродом часто ведут с погружением распредвала в водяную ванну до оси. Такая технология неплохо себя зарекомендовала при восстановлении вершин кулачков, однако, не решает проблем восстановления боковых поверхностей кулачка и имеет довольно низкую производительность.

Хромирование

При небольших износах кулачков (менее 0,2 мм) довольно распространено размерное электролитическое хромирование. В таком процессе деталь подвергают предварительному шлифованию до выведения следов износа и получения правильной геометрической формы (на шлифовальном станке 3А433). Затем осуществляют последовательно операции промывки в бензине и сушки на воздухе. Места, не подлежащие хромированию, защищают лаковыми или иными покрытиями и деталь монтируют на специальную подвеску. После декапирования в электролите и промывки проводят операции размерного хромирования, очистки защитных покрытий и обезжиривания. Заключительной является операция контурного шлифования. Полный цикл продолжается от 6 до 17 часов и редко приемлем на ремонтных предприятиях в связи с длительностью, а также сложностью самого процесса и утилизации отходов.

Вследствие хорошей сцепляемости хрома со сталью, состояние поверхности определяется, в основном, качеством обработки детали перед и после хромирования, а на надежность покрытия оказывают влияние способы подготовки поверхности и последующей обработки покрытия. Традиционный недостаток хромирования – неравномерность толщины покрытия как на разных деталях, так и в пределах одной детали. Помимо этого, вследствие большого термического влияния на обеих стадиях механической обработки возможны аустенитно-мартенситные превращения в наружных слоях основы, искажающие кристаллическую решетку и несущие значительные растягивающие остаточные напряжения. Указанные факторы являются инициаторами растрескивания покрытия. Кроме того, анализ статистических данных показывает, что микротвердость хромистых покрытий непостоянна и колеблется от 750 до 1100 HV, что объясняется нестабильностью действия остаточных напряжений и грубой шероховатостью поверхности деталей. Специфические свойства хромистых покрытий такие, как сильная зависимость от шероховатости и условий температурных релаксаций, приводит к тому, что при эксплуатации детали остаточные напряжения растут. Это делает метод непригодным для восстановления тяжелонагруженных деталей.

Вибродуговая наплавка

При износах распредвалов, изготовленных из стали 45, превышающих 0,2 мм, используют восстановление вибродуговой наплавкой. Перед наплавкой производят шлифование кулачков на 0,3-0,4 мм на шлифовально-полировальном оборудовании с подачей охлаждающей жидкости. Наплавку производят на установках для вибродуговой наплавки. В качестве электрода используют пружинную проволоку диаметром 1,6-1,8 мм или ленту из стали У7, У8 или стали 65, 70. Наплавку производят при подаче охлаждающей жидкости при следующих режимах:

- скорость подачи электрода 1,3 м/мин;

- число оборотов детали 8-10 об/мин;

- подача 1,8-2,2 мм/об;

- расход охлаждающей жидкости 0,5-1,0 л/мин;

- сила тока 120-140 А.

После наплавки производят шлифование. Припуск на шлифование составляет 0,3-0,4 мм.

Достоинствами вибродуговой наплавки является незначительная деформация наплавленных деталей и относительно малая глубина зоны термического влияния. Однако, такой способ не допускает возможности восстановления локальных износов. Кроме того, твердость получаемых слоев не всегда высока и равномерна по площади и толщине, что приводит к нестабильности результатов эксплуатации.

Металлизация

Большое распространение, в последние годы получают газотермические методы нанесения покрытий, которые применяют, в частности, для восстановления различных кулачковых валов. Так, для нанесения покрытий на сложно-профильную деталь используют метод электродуговой металлизации. Осаждение и прилипание расплавленных частиц металла на поверхности детали происходит благодаря их большой кинетической энергии. Метод имеет высокую производительность и может использовать большое разнообразие материалов. Однако, прочность сцепления такого покрытия с основой очень низка (1-10 МПа). Кроме того, нанесенный слой отличается повышенной хрупкостью и не выдерживает ударных нагрузок. Непроизводительный расход напыляемого материала, как правило, достаточно велик и имеет порядок 40-90%.

Хорошую производительность и достаточную простоту показывают газопламенное и плазменное напыление покрытий, которые для получения более высокой прочности сцепления с основой, подвергают дополнительному оплавлению. Для напыления используют различные, в основном твердосплавные порошковые материалы зернистостью 40-100 мкм, которые образуют равное, но достаточно пористое покрытие (до 20%). При наплавке на валы из стали 40,45 порошковых материалов типа ПГ-ХН80СР3 и Сормайт получена твердость д.......................