На правах рукописи

Шиповалов Александр Николаевич

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КУЛАЧКОВ

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ВАЛОВ ПЛАЗМЕННОЙ

НАПЛАВКОЙ

Специальность 05.20.03. – Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2010 1

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» (ФГОУ ВПО РГАЗУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Юдин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мороз Владимир Петрович кандидат технических наук Фадеев Лиман Лазаревич

Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение «Росинформагротех»

(ФГНУ «Росинформагротех»)

Защита состоится «24» ноября 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.03. В Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу:

143900, Московская область, г. Балашиха, Леоновское шоссе, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО ГРАЗУ.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор Мохова О.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важным резервом снижения издержек в агропромышленном комплексе при производстве продукции является обеспечение высокой наджности эксплуатируемого оборудования и техники.

Поэтому остаются актуальными исследования, направленные на разработку современных технологических процессов восстановления и упрочнения деталей.

При ремонте деталей газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания определнную сложность представляет восстановление кулачков распределительного вала. Существующие в настоящее время способы их восстановления не нашли широкого распространения в силу ряда экономических, технологических и экологических причин.

Повышение эффективности и снижение трудомкости ремонта сельскохозяйственной техники непосредственно связано с использованием современных способов восстановления деталей и новых материалов. К числу таких способов относится плазменная наплавка, которая позволяет использовать порошковые износостойкие наплавочные сплавы, обеспечивающие повышение срока службы деталей.

Цель работы. Разработать технологию восстановления кулачков распределительных валов двигателей внутреннего сгорания плазменной наплавкой, обеспечив при этом их ресурс не ниже ресурса новых.

Объект и предмет исследования. Объектом исследований являются распределительные валы двигателей внутреннего сгорания.

Предметом исследования являются наплавочные материалы, технология восстановления кулачков, копирование профиля кулачков, дозирование наплавочных порошков питателями барабанного типа.

Достоверность результатов исследований подтверждается использованием стандартных, общепринятых методов исследований, современных контрольно-измерительных приборов, оборудования и инструмента, применением математической обработки информации, достаточной повторностью экспериментов, стендовыми и эксплуатационными испытаниями.

Научная новизна состоит в теоретическом обосновании геометрических параметров порошкового питателя, параметров разработанного копировального устройства во взаимосвязи с геометрическими параметрами защитного сопла плазмотрона, применяемых наплавочных порошков, в исследовании износов распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ, структуры и состава наплавленного металла, влияния режимов наплавки на формирование профиля наплавляемого кулачка. В исследовании эксплуатационных свойств (износостойкости) наплавленных слов и деформации валов после наплавки.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологии восстановления кулачков распределительных валов плазменной наплавкой, обеспечивающей увеличение их ресурса в 2–3 раза. Предложены расчтные формулы для проектирования порошковых питателей барабанного типа с заданными расходными характеристиками.

Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ЗАО НПО «Техноплазма» в г.

Балашиха, а также используются в учебном процессе ФГОУ ВПО РГАЗУ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1.. Теоретическое обоснование введения Al в состав порошковых наплавочных материалов, содержащих Ni, Fe, Cr, B, обеспечивающего повышение тврдости металлов и повышение износостойкости покрытий за счт образования мелкокристаллической структуры в наплавленном металле.

2. Аналитические зависимости расхода порошкового материала от геометрических параметров питателя.

3. Обоснование параметров копировального устройства во взаимосвязи с геометрическими параметрами защитного сопла плазмотрона и геометрией профиля кулачка распределительного вала.

распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ, структуры и состава наплавленного металла, влияния режимов наплавки на формирование профиля кулачка, износостойкости наплавленных слов и деформации валов после наплавки.

5. Технология восстановления кулачков распределительных валов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научно - практических конференциях ФГОУ ВПО РГАЗУ в 2005 – 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2009 г.); Международной практической конференции-выставке «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций» (Санкт-Петербург, г.); демонстрировались на выставке «Золотая осень» (г. Москва, ВВЦ, г.); на выставке «Агросалон» (Крокус Экспо, 2009 г.); расширенном заседании кафедры надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского в 2010г.

Публикации. По теме диссертационной работы получено 3 авторских свидетельства на изобретения, опубликовано 6 научных статей, в том числе 2 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 55 рисунков, список использованной литературы из 162 наименований и 4 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

На основании анализа существующих технологий восстановления кулачков распределительных валов двигателей внутреннего сгорания показана актуальность создания технологического процесса, обеспечивающего высокие показатели износостойкости кулачков.

Технологии плазменной наплавки нашли применение при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники благодаря работам И.С. Левитского, В.М. Кряжнова, М.М. Севернва, А.И. Сидорова, Н.М. Ожегова, Н.Н.

Подлекарева и других учных. В основном эти технологии применяются при ремонте деталей цилиндрической формы. Кулачки распределительных валов имеют сложную геометрическую поверхность и в зависимости от механизма взаимодействия с толкателем, работают в условиях трения скольжения либо трения качения. В процессе работы они воспринимают нагрузки, соизмеримые с предельно-допустимыми нагрузками для материала распределительного вала.

На этом основании нами была поставлена цель исследовать и разработать технологию восстановления распределительных валов двигателей внутреннего сгорания плазменной наплавкой с ресурсом не ниже новых.

В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи исследований:

- обосновать требования к свойствам наплавляемых материалов;

- обосновать модернизацию установки для плазменной наплавки кулачков распределительных валов;

- провести анализ износа распределительных валов;

- провести экспериментальные исследования по плазменной наплавке кулачков распределительных валов, исследовать и оптимизировать режимы наплавки кулачков, исследовать тврдость, структуру, износостойкость наплавленных слов, деформации валов;

- провести эксплуатационные испытания восстановленных распределительных валов;

- разработать технологию восстановления распределительных валов и определить е технико-экономическую эффективность.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ

КУЛАЧКОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ВАЛОВ

Работа кулачковых механизмов характеризуется в первую очередь сильно выраженным динамическим нагружением трущихся поверхностей, поэтому важным условием долговечной работы кулачкового механизма является высокая тврдость металла.

Требование обеспечения высокой тврдости кулачка могут удовлетворить порошковые сплавы на основе железа и никеля, содержащие в свом составе Cr, B, C, которые, по нашим предположениям, в процессе наплавки кулачков распределительных валов будут трансформироваться в соединения Cr-C, Cr-B, Fe-B, Ni-B.

Мы предполагаем что введение алюминия в состав наплавочных порошков кроме раскисляющего действия создаст условия для образования на поверхности расплавленного металла плнки из оксидов алюминия в результате реакции, сопровождаемой окислением алюминия присутствующим в порошке кислородом воздуха:

Мы предполагаем также, что оксиды алюминия не в полном объме всплывают на поверхность, существенная их доля остатся внутри расплавленного металла в виде тврдых частиц, представляя собой центры кристаллизации. За счт этого снижается выгорание легирующих элементов и должна образовываться мелкозернистая структура с увеличенным объмным содержанием тврдой фазы в виде соединений Cr-C, Cr-В, обеспечивающая рост тврдости и износостойкости наплавленного металла, что требуется в условиях работы кулачковой пары.

В виду отсутствия оборудования для копирования поверхности кулачка при его наплавке, а также низкой наджности порошковых питателей, не обеспечивающих равномерной и точной дозировки порошка, исследования по созданию универсальной установки для наплавки распределительных валов велись по пути совершенствования порошкового питателя и разработки копировального устройства для механизированной наплавки кулачков.

Нами предложена конструкция питателя, обеспечивающая стабильную подачу порошка при любых расходах в условиях длительной работы, она может быть выполнена в трх вариантах исполнения (рис. 1.).

Рис. 1. Варианты исполнения порошкового питателя барабанного типа:

а – втулка расположена над барабаном; б – втулка опирается на обод барабана; в – втулка опирается на конический барабан.

В общем виде расход порошкового присадочного материала для питателя с гладким цилиндрическим барабаном можно выразить функцией:

где: Q – расход порошка, г/мин; D – диаметр барабана, мм; d – внутренний диаметр втулки, мм; H – величина зазора между торцом втулки и поверхностью барабана, мм; n – частота вращения барабана, мин-1; – насыпная плотность порошка, г/см3; – угол естественного откоса порошка, градус.

С помощью параметров d, H, определяется площадь поперечного сечения усечнного конуса (S), который образует порошок на барабане, высыпаясь из втулки (рис. 1.а). Параметры D и n дают возможность определить объмный расход, а параметр – преобразовать его в массовый расход порошка. Таким образом, расход порошкового присадочного материала определяется формулой:

Для питателя с гладким барабаном и втулкой, расположенной над барабаном на расстоянии H (рис. 1.а) расход порошкового материала определяется формулой:

Для питателя с гладким барабаном и втулкой, взаимодействующей с ободом барабана (рис. 1.б) расход порошкового материала определяется формулой:

Питатель, в котором втулка взаимодействует с конической поверхностью барабана (рис. 1.в) расход зависит кроме указанных выше параметров также и от угла наклона образующей барабана. В этом случае площадь поперечного сечения усечнного конуса образуемого порошком на барабане, определяется формулой:

После преобразований в формуле (6) расход порошка можно выразить формулой:

где: – угол наклона образующей барабана; – угол между образующей барабана и образующей усечнного конуса, формирующегося порошком на барабане ( = – ).

Предложенные формулы (4), (5), (7) позволяют производить расчты расхода порошкового материала.

Зная плотность порошка, угол его естественного откоса, а также кинематические характеристики привода барабана, можно, на примере формулы (4), рассчитать конструктивные параметры порошкового питателя, задаваясь размером внутреннего диаметра втулки:

Аналогичная задача решается для порошковых питателей барабанного типа двух других исполнений, расходные характеристики которых выражаются формулами (5), (7).

Кулачок распределительного вала в поперечном сечении представляет собой замкнутую поверхность с изменяющейся по контуру кривизной. Большая часть замкнутой поверхности представляет собой цилиндр, ось этого цилиндра является одновременно осью вращения для других кулачков и цилиндрических рабочих поверхностей распределительного вала. Совмещение поверхности изношенного кулачка по продольной оси и угловому расположению с эталонной поверхностью копира создат условие для применения разработанного нами механического копировального устройства (рис. 2.), в котором управление движением плазмотрона осуществляется щупом.

Рис. 2. Схема копировального устройства наплавочной установки 1 – копир; 2 – изношенный кулачок; 3 – щуп; 4 – плазмотрон; 5 – каретки;

В копировальном устройстве копир 1 соосно соединн через муфту 7 с изношенным кулачком 2. Щуп 3, опираясь на поверхность копира 1 через каретки 5, установленные на направляющей 6, передат, при одновременном вращении копира и кулачка, качательное движение плазмотрону 4. За счт согласованного вращения кулачка вместе с копиром и качательного движения щупа и плазмотрона, при условии равенства расстояний между осью щупа и осью направляющей с одной стороны, и осью плазмотрона и осью направляющей, с другой стороны, создатся условие эквидистантного повторения плазмотроном профиля кулачка. При копировании поверхности кулачка на предложенном устройстве, точка пересечения продольной оси плазмотрона с торцовой поверхностью защитного сопла плазмотрона должна находиться на расстоянии, обеспечивающем эффективную газовую защиту наплавляемой поверхности. Причм при наплавке набегающей и сбегающей части поверхности кулачка продольная ось плазмотрона будет находиться под углом к этим поверхностям (рис. 3.).

Рис. 3. Расположение плазмотрона при копировании сбегающей – угол между касательной к сбегающей поверхности профиля кулачка и воображаемой осью его симметрии; – угол поворота оси симметрии кулачка при наплавке: – гол поворота штанги копировального устройства; – угол между осью плазмотрона и касательной к сбегающей поверхности кулачка Угол при наплавке сбегающей поверхности профиля кулачка определяется из выражения:

Угол, накладывает ограничения на конструкцию нижней части анодного узла плазмотрона, в частности на диаметр d и угол конуса защитного сопла. Наружный диаметр защитного сопла плазмотрона можно определить из рисунка 4., он должен быть меньше 2r, где r рассчитывается по формуле:

Необходимость меньшего значения чем 2r для диаметра защитного сопла плазмотрона обусловлена требованием гарантированного отсутствия контакта защитного сопла плазмотрона с наплавляемой поверхностью. В противном случае произойдт замыкание электрической цепи и в плазмотроне возникнет несанкционированная «дежурная» дуга, процесс наплавки прервтся. Создание зазора между соплом и наплавленной поверхностью в 2 мм и более создаст, по нашему мнению, наджное условие для предотвращения замыкания Рис. 4. Схема к расчту диаметра защитного сопла плазмотрона H – расстояние от торца защитного сопла плазмотрона, при котором обеспечивается эффективная газовая защита зоны наплавки; h – толщина наплавляемого слоя; r – расстояние между продольной осью плазмотрона до наплавленной поверхности в плоскости защитного сопла; = (90 - ) электрической цепи. На этом основании максимальное значение диаметра d сопла плазмотрона равно:

Угол наклона образующей конуса защитного сопла плазмотрона, как видно из рисунка. 4., может быть равен или меньше угла. Обозначенные выше ограничения на геометрические параметры защитного сопла необходимо учитывать при выборе плазмотрона или при его конструировании.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На различных этапах исследований использовали образцы, изготовленные из стали 45 ГОСТ 1050 – 88.

В качестве наплавочных материалов использовали порошки самофлюсующихся сплавов ПР-Н70Х17С4Р4, ПР-Н77Х15С3Р2 (ТУ14-1-3785и порошок высоколегированного чугуна ПГ-ФБХ6-2 (ГОСТ 21448-75), а также смеси этих порошков с 2-5 % алюминия марки АСД-Т. В качестве плазмообразующего и защитного газа был выбран инертный газ аргон высшего сорта ГОСТ 10157-79.

распределительных валов. При этом использовали микрометры МК 50-2, МК 75-2 ГОСТ 6507-90, глубиномер микрометрический ГОСТ 7470-78 с остроконечным измерительным стержнем из тврдого сплава, индикатор часового типа ИЧ 10 класс 1 ГОСТ 577-68.

Эксперименты по наплавке кулачков проводили на установке с копировальным устройством, укомплектованной источником типа УПС-301 с регулируемыми параметрами: по току - 4-315 А; по напряжению - 18-50 В.

Контроль электрических параметров осуществляли по приборам класса точности 0,5. В установке использовали плазмотрон для порошковой наплавки на прямой полярности наружный диаметр защитного сопла 17 мм. Угол конуса защитного сопла плазмотрона 60.

Измерение тврдости поверхностей проводили по методу Роквелла на приборе ТК-2 (ГОСТ 9013-59) и по методу Виккерса на приборе ТП (ГОСТ 2999-75). Твердость материалов, измеренных по методу Роквелла, переводили в единую шкалу тврдости HRCэ (ГОСТ 8.064-79). Микротврдость измеряли на приборе ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76.

Структуру наплавленного металла исследовали с помощью микроскопа «Neophot-21». Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили с помощью дифрактометра ДРОН-2,0 при напряжении 30 КВ и силе тока 20 мА с использованием Co-K и Fe- K излучения (с Fe – светофильтром).

Качественный элементный микроанализ проводили на растровом электронном микроскопе модели JSM-V3 фирмы «Jeol», укомплектованном рентгеновским спектрометром. Информацию о составе металла на межфазных границах регистрировали с помощью фотокамеры в виде качественных концентрационных кривых. В K излучении Fe, Cr, Ni, Al, Si, Mn.

Остаточные напряжения определяли методом электролитического травления.

Лабораторные испытания на изнашивание проводили на машине трения СМЦ-2. При испытаниях образцов на контактную усталость руководствовались ГОСТ 25.501-78. Схема испытаний «ролик-ролик» при фрикционном качении, нормальные напряжения в зоне контакта образцов составляли 1073 МПа. Повторность опытов – пятикратная, определяли в соответствии с ГОСТ17510-79 для плана [NUN]. Испытания образцов в условиях трения скольжения производили в соответствии с РД-50-662-88 и ГОСТ 23.224-86 для группы «А» по схеме ролик-ролик, Привод осуществляли на испытываемый образец, контртело закрепляли от проворачивания, нормальные напряжения в зоне контакта образцов составляли 767 МПа.

Повторность опытов пятикратная. Износ образцов определяли весовым методом. Взвешивание производили на весах ВЛА-200 с точностью до 0,1 мг.

Для установления математической зависимости толщины (Y) наплавленного слоя от тока наплавки (X1), скорости наплавки (X2) и расхода порошкового присадочного материала(X3) был выбран полный факторный эксперимент 23 с равномерным дублированием опытов. Границы варьирования независимых переменных определяли на основании анализа априорной информации. В соответствии с выбранным планом рандомизировали во времени 8 опытов. Каждый опыт повторяли три раза.

Исследование деформации распределительных валов проводили по трм параметрам: прогибу вала; нарушению углового расположения кулачков;

изменению линейных размеров. Повторность опытов десятикратная.

Эксплуатационные испытания проводили в соответствии с планом [NUT] ГОСТ 17510-79.

Оценку точности экспериментальных данных проводили по известным методикам – ГОСТ 11.002-73, ГОСТ 11.004-74, ГОСТ 8.207-76, ГОСТ 8.011-72.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ износа распределительных валов ЯМЗ-238НБ показал, что % валов имеют кулачки с дефектом, требующим ремонта. У 32 % валов необходимо ремонтировать кулачки, восстанавливая их исходный профиль.

Количество изношенных и требующих восстановления кулачков на одном валу колеблется от одного до шести. У 70 % подлежащих восстановлению валов изношено один – два кулачка.

Расходные характеристики порошкового питателя. Результаты экспериментов для питателя с коническим барабаном диаметром 32 мм в зоне контакта и втулкой диаметром d, а также расчтные значения расхода порошка, выполненные по формуле (8), представлены на рисунках 5, 6. Средняя относительная погрешность экспериментальных и расчтных данных не превышает 10 %, что позволяет использовать формулы для определения расхода порошка с достаточной для практических целей точностью.

Рис. 5. График зависимости расхода порошка ПР-Н77Х15С3Р2 от частоты вращения барабана: а - d = 3 мм; б - d = 4 мм; ---------- - расчтная зависимость;

Следует отметить, что такой питатель обеспечивает точную и равномерную подачу порошка.

Выбор схемы наплавки кулачков. Эксперименты показали, что лучшие результаты были получены при наплавке с колебаниями плазмотрона на ширину кулачка за два прохода. Процесс наплавки начинали на вершине кулачка, а завершали на противоположном участке цилиндрической части, второй проход осуществляли аналогично первому, но с перекрытием наплавляемых слов.

Рис. 6. График зависимости расхода порошка ПР-Н77Х15С3Р2 от частоты вращения барабана для втулки с внутренним диаметром d = 5 мм:

----- - расчтная зависимость; - экспериментальная зависимость.

Исследование структуры, тврдости и состава наплавленного металла. Структура металла наплавленного порошком ПР-Н77Х15С3Р состоит из матрицы микротврдостью 3040-3400 МПа и тврдых включений микротврдостью 11800-13200 МПа. Объмное содержание тврдой фазы составляет 20 %. Металл, наплавленный порошком ПР-Н70Х17С4Р4, дат аналогичную структуру. Микротврдость матрицы составляет 3670-4130 МПа, включений – 12180-13820 МПа. Содержание тврдой фазы, возрастающей до % объма. Структура металла наплавленного этими порошковыми сплавами в смеси с алюминием отличается повышением содержания тврдой фазы, составляющей 45 % объма для композиции ПР-Н77Х15С3Р2 + 2-5 % Al и 55 % объма для композиции ПР-Н70Х17С4Р4 + 2-5 % Al. Наличие алюминия вызывает повышение микротврдости матрицы до 3800-4200 МПа для порошка ПР-Н77Х15С3Р2 и 5050-5500 МПа для порошка ПР-Н70Х17С4Р4.

Микротврдость тврдой фазы практически не изменяется, а е распределение в наплавленном металле более равномерно, чем при наплавке порошков без алюминия. Результаты рентгеноструктурного анализа в сочетании с микрорентгеноспектральным анализом показали, что матрица представляет собой тврдый раствор на основе Ni и она легирована Si, Mn, при добавке в сплав Al – алюминием. Тврдая фаза наплавленного металла состоит из соединений Cr2B, Cr23C6, Cr7C3 и интерметаллида Cr2Ni.

При наплавке порошком ПГ-ФБХ6-2 тврдость вершин кулачков составляет 59-62 HRCэ и 61-64 HRCэ при наплавке его смесью с алюминием.

Микроструктура наплавленного металла имеет структуру заэвтектического чугуна, матрица которого представляет собой тврдый раствор – Fe, а включения в виде игл и шестигранников являются соединениями Cr7C3, Cr23C6, Cr2B, в структуре имеется также соединение FeB. Микротврдость включений находится в пределах 10100-11900 МПа. Тврдость матрицы составляет 6400МПа и увеличивается до 6500-7100 МПа с введением в исходный порошок алюминия. Алюминий способствует также увеличению объмной доли карбидов и боридов хрома в наплавленном металле с 35 % для исходного порошка до 55 %. Качественный элементный анализ показал, что основная часть алюминия распределена в матрице металла Увеличение объмного содержания тврдой фазы в наплавленном металле связано с присутствием оксида алюминия, вызывающего увеличение скорости кристаллизации металла и снижение степени выгорания основных легирующих элементов.

Глубина проплавления основного металла при наплавке составляет 0,3 – 0,55 мм, что обеспечиват переплавление дефектного слоя, образующегося при работе на набегающей части кулачка распределительного вала.

Оптимизация режимов наплавки кулачков. Исследования режимов наплавки проводили с использованием порошковой смеси ПГ-ФБХ6-2 + 2-5 % Al на кулачках распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ. После математической обработки экспериментальных данных и перехода от кодированных значений к натуральным, уравнения регрессии имеют вид:

- для вершин кулачков h = 2,768 + 0,006I – 2,12V – 2,353Q + 2,667VQ;

- для цилиндрической части h = 1,418 + 0,0076I – 1,811V +1,758Q.

Распределение напряжений в наплавленном металле. В наплавленном металле возникают растягивающие остаточные напряжения, которые меняют знак при переходе в основной металл. Наименьшее значение напряжений у поверхности образцов объясняется наличием дефектного слоя, образующегося после механической обработки Испытания образцов в условиях трения качения. Лучшие показатели износостойкости по результатам лабораторных испытаний имеют образцы, наплавленные композицией порошка ПГ-ФБХ6-2 + 2-5 % AL, они изнашиваются равномерно на участке до (1,2-1,5)·106 циклов нагружения, это дат основание утверждать, что предел контактной выносливости сплава при данных условиях испытаний наиболее высок.

Наименьший износ имеют контртела, работающие в паре с наплавленными этой композицией образцами. Высокий предел контактной выносливости наплавленных образцов порошковой смесью ПГ-ФБХ6-2 + 2-5 % Al можно объяснить тем, образцы имеют высокую тврдость поверхности.

Растягивающие начальные остаточные напряжения в поверхностных слоях образцов играют менее заметную роль. Вероятно, происходит изменение напряжений вследствие протекающих в поверхностных слоях пластических деформаций.

Рис. 7. Зависимость износа образцов и контртел от числа циклов нагружения при испытаниях в условиях трения качения 1 – сталь 45; 2 – ПГ-ФБХ6-2; 3 – ПГ-ФБХ6-2 + 2-5 % Al; 4 – ПРН70Х17С4Р4; 5 – ПР-Н70Х17С4Р4 + 2-5 % Al; 6 – ПР-Н77Х15С3Р2; 7 – ПР- Испытания образцов в условиях трения скольжения. Результаты исследований представлены показателем интенсивности изнашивания (рис. 8.).

То есть отношением значения износа к пути трения, составляющему 5655 м.

Рис. 9. Относительная износостойкость образцов и контртел 1 – сталь 45; 2 – ПР-Н70Х17С4Р4; 3 – ПР-Н70Х17С4Р4 + 2-5 % Al;

4 – ПР-Н77Х15С3Р2; 5 – ПР-Н77Х15С3Р2 + 2-5 % Al; 6 – ПГ-ФБХ6-2;

Лучшие показатели износостойкости имеют образцы, наплавленные композициями ПР-Н70Х17С4Р4 + 2-5 % Al, ПР-Н77Х15С3Р2 + 2-5 % Al. Их износостойкость в 3,2 и 2,9 раза выше износостойкости эталонного образца.

Относительная износостойкость контртел, работающих с этими образцами, выше соответственно на 40 и 30 %. Высокая износостойкость этих образцов объясняется высоким содержанием карбидов и боридов хрома в пластичной матрице Результаты исследования деформации валов. Радиальная деформация при наплавке вершины кулачка распределительного вала больше, чем при наплавке всего профиля. Так, прогиб вала после наплавки вершины шестого выпускного кулачка составляет 0,46-0,48 мм, а при наплавке всего профиля этого кулачка – 0,26-0,28 мм. Стрелы прогиба вала от наплавки нескольких кулачков не лежат в одной плоскости. Их направление и величину можно определить как векторную сумму прогибов на каждой шейке от наплавки отдельных кулачков. Изменение линейных размеров возникает при наплавке полного профиля кулачка. От наплавки двух кулачков произойдт укорочение вала на 0,05 мм, что составляет 5 % от поля допуска на длину вала. Изменения углового расположения кулачков распределительных валов вследствие наплавки не происходит.

Результаты эксплуатационных испытаний. Наплавленные кулачки обладают более высокой износостойкостью по сравнению с новыми. Лучшие эксплуатационные свойства имеют кулачки, наплавленные порошковой смесью ПГ-ФБХ6-2 + 2-5% Al, их интенсивность изнашивания в три раза ниже по сравнению с новыми кулачками и в 1,5 раза ниже интенсивности изнашивания кулачков наплавленных порошковой смесью ПР-Н70Х17С4Р4 + 2-5 % Al.

Снижается также интенсивность изнашивания роликов, которые работают с восстановленными кулачками.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

Проведнные исследования позволили разработать и предложить ремонтным предприятиям технологии восстановления кулачков распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б, СМД-14, СМДЗМЗ-53, КАМАЗ-740, Сat 3116. Технология включает в себя следующие операции: очистку, дефектацию, наплавку, правку, механическую обработку.

Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии восстановления распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ составит 1232 тыс. рублей при годовой программе восстановления 500 штук, что подтверждает целесообразность их восстановления.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Основными дефектами распределительных валов двигателей являются: износ кулачков, опорных шеек, а также прогиб. Восстановления исходного профиля кулачков нанесением слоя металла требует не менее 32 % распределительных валов.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждно введение Al в состав порошковых наплавочных материалов, содержащих Ni, Fe, Cr, B, обеспечивающего повышение тврдости металлов на 30 – 90 единиц по Виккерсу и повышение износостойкости покрытий за счт образования мелкокристаллической структуры в наплавленном металле.

3. Получены аналитические зависимости расхода порошкового материала от геометрических параметров предложенного автором питателя, которые адекватно описывают процесс дозирования порошка и позволяют использовать их в расчтах расходных характеристик питателя для наплавки кулачков распределительного вала.

4. На основании полученных автором аналитических зависимостей геометрических параметров копировального устройства, защитного сопла плазмотрона и кулачка распределительного вала разработано устройство, позволяющее вести наплавку кулачков в автоматическом режиме.

5. Исследование режимов наплавки показало, что необходимая толщина слоя для получения исходного профиля кулачка распределительного вала ЯМЗНБ образуется в результате восстановления при следующих режимах:

- ток наплавки вершины кулачка – 150 А, скорость наплавки – 1,57 мм/с, расход порошка – 0,72 кг/ч;

- ток наплавки цилиндрической части – 170 А, скорость наплавки – 1, мм/с, расход порошка – 0,6 кг/ч.

Режимы обеспечивают наибольшую производительность процесса наплавки.

6. Экспериментально подтверждено, что введение в состав порошков 2- % алюминия ведт к увеличению более чем в 2 раза содержание тврдой фазы, а также вызывает повышение микротврдости матрицы до 3800-4200 МПа для порошка ПР-Н77Х15С3Р2 и 5050-5500 МПа для порошка ПР-Н70Х17С4Р4.

Матрица представляет собой тврдый раствор на основе Ni и она легирована Si, Mn и Al. Тврдая фаза наплавленного металла состоит из соединений Cr2B, Cr23C6, Cr7C3 и интерметаллида Cr2Ni. Микроструктура наплавленного металла порошком ПГ-ФБХ6-2, содержащего 2-5 % Al, имеет структуру заэвтектического чугуна, матрица которого представляет собой тврдый раствор – Fe, а включения в виде игл и шестигранников являются соединениями Cr7C3, Cr23C6, Cr2B, в структуре имеется также соединение FeB.

Микротврдость тврдой фазы находится в пределах 10100-11900 МПа, а матрицы - 6500-7100 МПа. Алюминий способствует также увеличению тврдой фазы с 35 % до 55 %.

7. Испытания образцов на контактную усталость показали, что лучшими свойствами обладают слои, наплавленные композицией порошка ПГ-ФБХ6-2 в смеси с 2-5 % алюминия, а испытания образцов в условиях трения скольжения показали, что лучшие свойства имеют покрытия, наплавленные самофлюсующимся сплавом ПР-Н70Х17С4Р4 в смеси с 2-5 % алюминия. Его относительная износостойкость в 3,2 раза выше износостойкости эталонных образцов.

Для наплавки кулачков, работающих с роликовыми толкателями, рекомендуется использовать порошок ПГ-ФБХ6-2 в смеси с 2-5 % Al, а работающих в условиях трения скольжения – порошок ПР-Н70Х17С4Р4 с 2-5 % Al.

8. На основании проведнных исследований разработана и внедрена в НПО «Техноплазма» технология восстановления плазменной наплавкой кулачков распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б, CatКАМАЗ-740, ЗМЗ-53, СМД-14, СМД-62. Ресурс восстановленных кулачков в два – три раза превышает ресурс новых, что подтверждают результаты эксплуатационных испытаний. Экономический эффект от внедрения технологии составляет 1232тыс. рублей при программе 500 штук.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих 1. А.с. 1382612 СССР, В 23 К 9/04. Устройство для восстановления наплавкой поверхностей тел вращения с изменяющейся по контуру кривизной / А.Н. Шиповалов, А.И. Сидоров; ВСХИЗО (СССР). – № 4102351/30-27; Заявл.

20.05.86; Опубл. 23.03.88, Бюл. № 11.

2. А.с. 1280783 СССР, В 23 К 9/18, G 01 F 11/10. Порошковый питатель / А.Н. Шиповалов, В.И. Астахин, А.И. Сидоров; ВСХИЗО (СССР). – № 3887930/25-27; Заявл. 25.04.85.

3. А.с. 1302561 СССР, В 23 К 9/18, G 01 F 11/10. Порошковый питатель / А.И. Сидоров, Г.А. Храпков, А.Н. Шиповалов, А.В. Синичкин, В.И. Астахин;

ВСХИЗО (СССР). – № 3912704/25-27; Заявл. 05.05.85.

4. Шиповалов А.Н. Выбор схемы и оптимизация режимов наплавки кулачков распределительных валов двигателей ЯМЗ-238НБ // Эксплуатация и ремонт сельскохозяйственной техники: межвузовский сборник научных трудов.

– М: ВСХИЗО, 1990. – с 84-90.

5. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии / А.П. Семнов, И.Б. Ковш, И.М.

Петрова, А.Н. Шиповалов и др. М.: Наука, 1992. – 404 с.

6. А.Н. Шиповалов, Г.А. Храпков Восстановление деталей машин плазменной наплавкой //Мясная индустрия.-1998. - № 3. – с. 38 – 39. – ISSN 0869-3528.

7. Шиповалов А.Н., Храпков Г.А., Юдин В.М. Восстановление кулачков распределительного вала двигателя Cat 3116 плазменной наплавкой // Сварка и диагностика. – 2010. № 3. – с 49 – 51. – ISSN 2071-5234.

8. Шиповалов А.Н., Храпков Г.А., Юдин В.М. Восстановление распределительного вала плазменной наплавкой / // Техника и оборудование для села. – 2010. № 7. – с 21. – ISSN 2072- 9642.

9. Шиповалов А.Н., Храпков Г.А. Особенности восстановления распределительного вала ЯМЗ-238НВ наплавкой // Электронное научное издание «Вестник РГАЗУ». – 2010. ч.2. - № 0421000045/0042.