Технические науки/Обработка материалов в машиностроении

Д. т. н., профессор, Е.А. Кудряшов,

К. т. н, доцент, И.М. Смирнов

К. т. н, доцент, Е.И. Яцун,

Юго-Западный государственный университет, г. Курск, Россия

Восстановление работоспособности деталей с

применением инструмента из композита

Вопросам изучения причин нарушения работоспособности, повышения долговечности, эффективности ремонта и эксплуатации современных машин постоянно уделяется большое значение учеными специалистами. Решение задачи повышения долговечности машины равноценно увеличению их выпуска на тех же производственных площадях.

Повторное использование деталей, отработавших свой ресурс, имеет важное народнохозяйственное значение. Учитывая реальное положение дел в отечественном машиностроении, следует признать, что прирост потребности в запасных частях машинного парка должен быть удовлетворен за счет повторного использования изношенных в эксплуатации деталей.

Проблема защиты от износа и восстановление номинального ресурса изношенных в эксплуатации деталей давно признана «академической», и решение ее осуществляется в направлении совершенствования и модернизации хорошо известных способов и методов, а также созданием принципиально новых технологий.

В настоящее время разработаны и проверены на практике теоретические положения обновляющих технологических процессов, гарантирующих номинальный ресурс восстановленных деталей. Используя известные знания, в основу исследований нами положены следующие положения:

1) задачи повышения эффективности эксплуатации и ремонта деталей машин нельзя сводить только к износу их рабочих поверхностей. Существенную роль следует отводить технологиям защиты от износа, в том числе и новых деталей машин;

2) на основе новых технологий (специальные покрытия, создание оптимальной структуры, изменение физико-механических свойств и микропрофиля поверхностного слоя) приблизить и даже превзойти ресурс отремонтированных деталей по отношению к номинальному;

3) новая деталь, рабочие поверхности которой предназначены для нанесения защитного износостойкого покрытия, и изношенная деталь рассматриваются как заготовки, максимально приближенные по форме к готовому изделию, при условии возможных несущественных отклонений от базового (рабочего) чертежа детали, обусловленных спецификой обновления.

В процессе эксплуатации возможны различные нарушения нормальной работоспособности деталей машин. В табл. 1 приведены наиболее характерные виды разрушений материалов деталей машин автотранспортного и общемашиностроительного назначения.

Таблица 1

Классификация основных видов разрушений материалов деталей

Виды разрушений материала	Типовые детали	Характер повреждения	Причины нарушения работоспособности
Механические повреждения вследствие излома и усталостного выкрашивания	Валы, оси, шатуны	Трещины, задиры, риски, выкрашивания и вмятины	Длительное действие знакопеременных нагрузок; температурные напряжения
Механический износ вследствие истирания металлических пар	Валы, оси, втулки, шатуны, корпусные детали	Постепенное изменение геометрических размеров	Длительное трение сопряженных поверхностей
Химико-тепловые повреждения	Детали, находящиеся в подвижном контакте	Коррозия, раковины	Переменные напряжения, высокая температура

Виды повреждения и разрушения материалов деталей машин носят многофакторный характер. В дальнейшем, в соответствии с требованиями нормативной документации, под термином изнашивание понимаем процесс отделения металла в процессе эксплуатации с поверхности твердого тела (детали), проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (детали).

Износ – результат изнашивания в установленных единицах.

Повреждение – любое нарушение поверхности детали вне контакта с сопрягаемой деталью.

Дефект – каждое отдельное несоответствие детали установленным техническим требованиям рабочего чертежа.

Дефектная деталь – деталь, показатели качества которой имеют недопустимые отклонения от требований рабочего чертежа, устранение которых возможно и экономически целесообразно.

Известно, что дефекты детали, как правило, встречаются в различных сочетаниях, что существенно усложняет их устранение. Техническое решение по устранению каждого дефекта в отдельности неразрывно связано с типизацией процессов и требует определенных технологических приемов.

Классификация дефектов по причинам возникновения, месту расположения и возможности исправления представлена на рис. 1 и 2.

1 - дефекты несоответствия размеров, 75,0;

2 -дефекты формы, 19,5;

3 - дефекты нарушения целостности, 3,5;

4 - дефекты физико-механических свойств, 2,0

Рис. 1. Доля дефектов по причинам возникновения, %

Рис. 2. Классификация дефектов

Иногда у детали встречается более шести разновидностей дефектов. Чаще всего это сочетание из двух, трех или четырех дефектов.

Профессор Л.В. Дехтеринский установил, что вероятность появления п дефектов из т возможных можно определить используя биноминальное распределение:

(1)

где - число сочетаний п дефектов из т возможных;

Р - вероятность появления дефектов;

g - вероятность непоявления дефектов; g=1-Р.

Вероятность появления дефекта определяется из выражения

(2)

где K_i- число деталей с i-т дефектами;

N- число деталей в выборке.

Восстановление детали – это технологический процесс по возобновлению исправности детали и её работоспособности до уровня показателей новой детали, указанных в рабочем чертеже.

Сведения о выборе рационального способа по устранению дефектов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Способы устранения дефектов

Вид дефекта	Сущность устранения дефекта	Способы устранения
Износ деталей	Восстановление первоначальной формы и шероховатости поверхности деталей, взаиморасположения поверхностей	Механическая обработка, рассверливание, развертывание, растачивание, точение, фрезерование, шлифование, полирование и др. слесарная обработка
	Восстановление первоначальной формы и размеров детали: а) с нанесением слоя металла или другого материала на изношенную поверхность; б) без нанесения слоя металла или других материалов на изношенную поверхность	Наплавка электродуговая под флюсом, в среде защитных газов, вибродуговая и др.; электроконтактное напекание проволоки, ленты, порошков; металлизация напылением; электролитические покрытия и др. Обработка давлением – раздача, осадка, обжатие, накатка и др.

Одну и ту же дефектную деталь можно восстановить различными способами. Практика показывает, что ни один способ не является универсальным.

Профессор И.Е. Ульман рекомендует следующий порядок выбора рационального способа восстановления детали:

1) установить возможные способы возвращения работоспособности изношенной поверхности (табл. 3).

Таблица 3

Способы возвращения работоспособности изношенной детали

Вид сопряжения и поверхности деталей	Возможные способы восстановления
Неподвижные сопряжения (износ 0,05...0,3 мм)	Электроимпульсное наращивание, электромеханическая обработка, плазменная наплавка, железнение, вибродуговая наплавка, импульсная приварка проволоки, ленты, пластическое деформирование
Подвижные сопряжения (износ 0,3...2,0 мм)	Плазменная наплавка, электроконтактное напекание металлических порошков, гальванические покрытия, наплавка под флюсом и в газовых защитных средах, газоплазменная металлизация самофлоюсующимися порошками

2) определить коэффициент ресурсности детали после восстановления каждым из способов по сравнению с ресурсом новой детали.

Условие экономической целесообразности восстановления изношенной детали:

(3)

где С_в -затраты на восстановление детали, руб.;

С_н- цена новой детали, руб.;

К_р - коэффициент ресурсности (табл. 4).

Расчеты показывают, чем меньше левая часть неравенства (3), тем рациональнее способ восстановления детали;

3) разработать технологический процесс восстановления детали.

Таблица 4

Значения коэффициента ресурсности

Вид детали	Материал сопряжен-ных деталей	Коэффициент ресурсности Кр при различных видах восстановления деталей
		Хромирование	Наплавка			Обработка деталей на ремонтный размер	Электроконтактное напекание металлического порошка
			Вибродуговая	Под флюсом	В среде углекислого газа
Цилиндрические поверхности деталей	Сталь шарикоподшипниковая	1,5...1,8	0,8-1,0	0,95...1,0	0,8...0,95	1,4...1,5	0,8...1,0

Таким образом, следуя рекомендациям профессора Е.И. Ульмана, при восстановлении деталей, входящих в группу неподвижных соединений, для наращивания слоя металла до 0,02 мм целесообразно применять электроискровое наращивание, для слоев 0,02.. .0,08 мм - электроимпульсное.

Для восстановления деталей группы подвижных сопряжений, работающих на принципе скольжения поверхностей, экономически рациональные технологические процессы располагают в следующем порядке:

1) при толщине наращивания до 0,5 мм применяют хромирование или твердое железнение и плазменную наплавку;

2) когда необходимо нарастить слой толщиной 0,5...2 мм, используют двухэлектродную вибродуговую наплавку, наплавку в среде углекислого газа, электроконтактное напекание металлического порошка и электроимпульсную приварку ленты;

3) когда необходимо нарастить слой толщиной 0,6...5 мм, применяют автоматическую электродуговую наплавку под флюсом порошковыми электродами, двухэлектродную вибродуговую наплавку и ручную электродуговую приварку ленты;

4) для наращивания слоя толщиной более 6 мм применяют электрошлаковую наплавку или заливку жидким металлом.

Сравнение стоимостей восстановления и изготовления одних и тех же деталей с учетом их коэффициента ресурсности показывает, что восстановление металлоемких, крупногабаритных и дорогостоящих деталей дает экономию 40...75 % номинальной стоимости новых деталей.

На выбор рационального способа влияют материал детали, ее износ, характер нагружения, стоимость восстановления и др. В.А. Шадричевым разработана методика такого выбора, основанная на применении трех критериев:

1) технологического, который дает возможность использовать различные способы восстановления определенной поверхности детали;

2) долговечности, характеризуемого коэффициентом долговечности К_д и представляющего собой отношение технических ресурсов восстановленной Т_в и новой Т_н деталей, т.е.

(4)

3) технико-экономического, связывающего долговечность детали с экономикой ее восстановления и выражаемого зависимостью

(5)

где С_н и С_в - стоимость изготовления соответственно новой и восстановленной деталей.

С помощью технологического критерия можно выявить предположительный перечень способов восстановления конкретной детали.

Профессор Е.А. Кудряшов рекомендует разработанный им и усовершенствованный его учениками способ восстановления изношенных поверхностей деталей наплавкой и последующей лезвийной обработкой инструментом из композита 10. Этот способ основан на особом расположении режущей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности, позволяет практически исключить влияние ударной нагрузки на вершину резца, исключить операцию шлифования и получить чистовым точением точность восстановленной поверхности шестого-седьмого квалитета при шероховатости не грубее R_a 0,63мкм.

Анализ конструктивных особенностей и условий эксплуатации деталей, их способов, а также технологических возможностей известных способов ремонта позволяет выбрать необходимый из них.

Решение рассматриваемой задачи восстановления работоспособности детали сводится к проведению четырех этапов:

1) анализу условий работы детали и ее износа с характеристикой возможных способов восстановления и их доступности;

2) оценке материала восстанавливаемых деталей (их рабочих поверхностей) с точки зрения износо- и теплостойкости, окисляемости, внутренней напряженности, макро- и микроструктуры, твердости, сопротивляемости, усталости и обрабатываемости;

3) выполнению ускоренных стендовых испытаний деталей;

4) окончательной оценке выбранных способов восстановления деталей непосредственно на машинах и в производственных условиях.

Проведенный анализ существующих методик выбора рациональных способов восстановления позволил свести решение этой задачи к выбору рационального способа восстановления деталей, который, как правило, включает шесть этапов:

1) анализ условий работы восстанавливаемой детали, сборочной единицы (агрегата) с указанием характерных неисправностей;

2) составление информационной карты восстанавливаемой детали, включающей ремонтный чертеж; название материала, из которого она изготовлена; программу восстановления;

3) получение статистической информации по износам (неисправностям) детали;

4) математическую обработку статистической информации с выявлением числа деталей, подлежащих восстановлению, выбраковке и годных без ремонта;

5) выбор возможных способов восстановления по технологическому критерию с учетом их доступности для данного ремонтного предприятия;

6) - выбор рационального способа восстановления в зависимости от технико-экономического критерия и требования безотказной работы изделия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ульман И.Е. Техническое обслуживание и ремонт машин / И.Е. Ульман. – М.: Агропромиздат, 1990. – 319 с.

2. Шадричев В.А. Основы выбора рационального способа восстановления автомобильных деталей металлопокрытиями / В.А. Шадричев. – Л.: Машгиз, 1982. – 296 с.

3. Технологическое оснащение процессов изготовления конструктивно сложных деталей: монография / Е.А. Кудряшов, С.Г. Емельянов, Е.И. Яцун, Е.В. Павлов. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 268 с.

4. Кудряшов Е.А. Технологические преимущества инструментального материала композит при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей / Известия ВолГТУ. – Волгоград, 2010. – №12. – С.15-20.

5. Кудряшов Е.А. Применение композиционных инструментальных материалов при ремонте деталей машин / Упрочняющие технологии и покрытия, 2010. – №9. – С.30-31