Технологический процесс восстановительного ремонта шатуна двигателя ЗМЗ-53

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

 

           КП 190604.23.00.00 ПЗ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Постоянная необеспеченность ремонтного производства запасными  частями является серьёзным фактором снижения технической готовности автомобильного парка. Расширение же производства новых  запасных частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Вместе с тем около 75% деталей, выбраковываемых при первом капитальном ремонте автомобилей, являются ремонтопригодными, либо могут быть использованы вообще без восстановления.                  

Поэтому целесообразной альтернативой  является вторичное использование  изношенных деталей, восстанавливаемых  в процессе ремонта автомобилей  и его агрегатов. Из ремонтной  практики известно, что большинство  выбракованных по износу деталей  теряют не более 1-2% исходной массы. При  этом прочность деталей практически сохраняется. Например, 95% деталей двс выбрасывают при износах, не превышающих 0,3 мм, и большинство из них могут быть вторично использованы после восстановления. С позиции материалоёмкости воспроизводства машин экономическая целесообразность ремонта обусловлена возможностью повторного использования большинства деталей как годных, так и предельно изношенных. Это позволяет осуществлять ремонт в более короткие сроки с меньшими затратами металла и других материалов по сравнению с затратами при изготовлении новых машин. Восстановление деталей стало одним из важнейших показателей хозяйственной деятельности крупных ремонтных, специализированных предприятий. Создана фактически новая отрасль производства - восстановление изношенных деталей. Вторичное потребление деталей значительно больше, чем потребление новых запасных частей. Так, например, восстановленными блоками двигателей пользуются в 2,5 раза больше, чем новыми, коленчатыми валами в 1,9 раза, картерами коробок передач в 2,1 раза. Себестоимость восстановления для большинства восстанавливаемых деталей не превышает 75% стоимости новых, а расход материалов в 15 - 20 раз ниже, чем на их изготовление. Целенаправленная работа заводов - изготовителей по повышению ресурса рам и кабин, доведению его до срока службы автомобиля способствует резкому сокращению сферы при

 

менения капитального ремонта (КР) полнокомплектных автомобилей. В последнее время он неуклонно снижается, а для грузовых автомобилей предусмотрен КР только агрегатов. Эта тенденция вызывает изменение функций авторемонтных заводов, которые становятся предприятиями по КР агрегатов. Организационно-техническая перестройка АТП в последние годы ускорилась в связи с изменением социально-экономических условий хозяйствования в нашей стране. Дальнейшее эффективное развитие АТП базируется на идеях и принципах, которые создаются в процессе изготовления новой техники заводами-изготовителями, выполняющими услуги по централизованному ТО и ремонту этой техники.

 

Целью курсового проектирования является разработка технологического процесса восстановления шатуна двигателя  ЗМЗ-53. 

1.ОБЩАЯ ЧАСТЬ

 

1. Характеристика детали

 

Шатун двигателя ЗМЗ-53 66-1004045-02 расположен в блоке цилиндров соединяет поршень с шатунной шейкой коленчатого вала и предназначен для передачи усилия от поршня (при рабочем ходе) на коленчатый вал и от коленчатого вала на поршень. Конструктивно шатун состоит из стального стержня, верхней неразъемной и нижней разъемной головок. Верхняя головка шатуна надета на поршневой палец и тем самым соединена с поршнем. Обе половинки нижней головки шатуна надеты на шатунную шейку коленчатого вала и соединены между собой стяжными болтами, гайки которых после затяжки шплинтуют. Чтобы уменьшить трение между деталями и, следовательно, их износ, в верхнюю головку шатуна вставляют бронзовую втулку, а в нижнюю — тонкостенные вкладыши, являющиеся подшипниками скольжения. Внутреннюю поверхность вкладышей заливают баббитом (сплавом олова и свинца).

Материал шатуна – сталь 45Г2, твёрдость материала шатуна НВ 228¸269, ширина 100мм, высота 40мм, длина 255мм, вес 0,929кг.

В процессе работы двигателя  шатуны испытывают значительные знакопеременные нагрузки. При движении поршня во время рабочего хода и такта сжатия шатун сжимается силами давления газов, воспринимаемыми поршнем. Силы инерции поршня стараются оторвать поршень от шатуна, а значит – растянуть шатун. При нормальных условиях работы износа шатуна не происходит. При отсутствии смазки или её низком качестве может произойти схватывание, а в следствии этого – проворачивание верхней втулки или вкладышей, что приводит к задирам нижней и верхней головки шатуна. Износ верхней головки шатуна может происходить из-за частой замены верхней втулки. Шероховатость поверхности отверстий головок шатунов Ra=0,63¸0,40 мкм.

 

1.2. Технические требования на дефектацию детали

 

Технические условия на контроль-сортировку приводятся в карте технических требований на дефектацию детали. В карте дефектации указаны дефекты, размеры (номинальный, допустимый без ремонта и допустимый для ремонта), а также необходимые технические воздействия. Схема шатуна с указанием мест и значение размеров контроля и дефектовки представлена на эскизе. При контроле детали, поступившей в капитальный ремонт проверяются следующие параметры указанные в таблице 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наименование детали (сборочной  единицы). Шатун  66-1004045-02
1 3 2			Материал: Сталь 45Г2
			Твердость: НВ 228¸269
Позиция на эскизе	Возможный дефект	Способ установления дефекта и средства контроля	Размер, мм		Заключение
			По рабочему чертежу	Допустимый без ремонта
1	Износ торцев нижней головки	Штангенциркуль Калибр скоба	26,60	25,90	Подлежит восстановлению хромированием
2	Износ отверстия под втулку верхней  головки	Калибр пробка Штангенциркуль Нутромер	24,3+0,045	25,007	Подлежит восстановлению под ремонтный  размер 26,27+0,023
3	Задиры на поверхности отверстия нижней головки шатуна	Визуальный осомтр	63,6+0,012		Подлежит восстановлению железнением, хонингованием и шлифовкой

Таблица 1 – Карта  дефектации детали

 

• уменьшение расстояния между осями верхней и нижней головки, контролируется шаблоном 155,95 мм, бракуется при размере менее 155,95 мм;
• износ отверстия верхней головки шатуна под втулку. При размере более 25,007 мм производят растачивание до ремонтного размера 26,27^+0,023 мм;
• дефектация или износ отверстия нижней головки шатуна. При размере более 63,512 мм ремонтируется.
• износ торцов нижней головки. Бракуется при размерах менее 25,90 мм.

 

1.3. Дефекты деталей и причины их возникновения

 

Износ отверстия в верхней головки шатуна устраняется расточкой до ремонтного размера втулки (26,27^+0,023 мм) с использованием токарного станка типа 1М61.

Износ отверстия нижней головки  шатуна устраняется железнением с последующим шлифованием и хонингованием до номинального размера.

Положительными особенностями  этого способа является:

а). Высокая скорость осаждения  металла на поверхность;

б). Возможность ремонта  деталей с износом более 0,15 мм.

Процесс несения покрытия включает в себя три группы операций: подготовка деталей, нанесение покрытия, обработка покрытия детали.

Подготовка включает механическую обработку: чистовое растачивание с  целью исправления геометрических параметров изношенной поверхности. Далее идёт предварительное обезжиривание с промывкой в проточной воде и анодное травление. Анодное травление способствует повышению прочности сцепления покрытий с восстанавливаемой поверхностью.

Нанесение покрытия осуществляется безванным способом в холодном электролите на асимметричном токе. Обработка детали после железнения включает: промывку деталей в проточной воде, сушку и механическую обработку (шлифование и хонингование до требуемого размера).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4. План рациональной последовательности и содержание технологических операций

 

При составлении технологического маршрута необходимо учитывать следующие требования:

• одноимённые операции по всем дефектам маршрута должны быть объединены;
• каждая последующая операция должна обеспечить сохранность качества работы поверхностей детали, достигнутую при предыдущих операциях;
• в начале должны идти подготовительные операции, затем восстановительные, кузнечные, слесарно-механические, шлифовальные и доводочные.

План рациональной последовательности приведен в маршрутной карте

Маршрутная карта представлена в таблице 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2 – маршрутная карта

Маршрутная карта					Группа
Наименование			код		материал
Шатун			66-1004045-02		Сталь 45Г2
N	Наименование операции	Оборудование		Приспособление		Примечание
1	2	3		4		5
1	Мойка	Машина моечная ОМ-5360		Моющий раствор Лабомид 201		Все поверхности
2	Контрольные операции	Контрольно-измерительные  приборы		Штангенциркуль, калибр пробка, калибр скоба, нутромер индикаторный.
3	Расточная операция	Станок 1М61		расточной резец 2140-0001 ГОСТ 18882-73 с углом в плане g=600 с пластинами из твёрдого сплава Т15К16		Расточка отверстия в  верхней головке шатуна под втулку ремонтного размера
4	Расточная операция	Станок 1М61		расточной резец 2140-0001 ГОСТ 18882-73 с углом в плане g=600 с пластинами из твёрдого сплава Т15К16		Чистовая расточка отверстия в нижней головке шатуна для исправления геометрии
5	Гальваническая операция	Абразивная обработка				Нанесения покрытия на поверхность  отверстия в нижней головке шатуна
6	Шлифовальная операция	Токарный станок 3А228		шлифовальный круг типа переключения передач диаметром 50 мм, высотой 30мм и зернистостью 40¸10, материал круга 4А20СМ28К5/ПСС4015		Шлифовка восстановленного размера до номинального с учетом припуска на хонингование
7	Хонинговальная операция	Хонинговальный станок 3Б833		Бруски АС4125/100-М1-100%		Хонингование до номинального размера
8	Контрольная операция	Контрольно-измерительные  приборы

 

 

1.5. Выбор технологических баз

 

Базовые поверхности следует  выбирать с таким расчётом, чтобы  при установке и замене деталь не смещалась с приданного местоположения и не деформировалась под воздействием сил резания и усилий закрепления. При выборе баз необходимо учитывать:

• по возможности выбирать те базы, которые использовались при изготовлении детали;
• базы должны иметь минимальный износ;
• базы должны быть жёстко связаны точными размерами с основными поверхностями детали, влияющими на работу в сборочной единице.

При расточке, шлифовке и  хонинговании в качестве зажимного  устройства используются призмы, т.е. шатун  устанавливается в призмы с опорой на плоскость торцом кривошипной головки.

 

Рисунок 1 – схема базировния.

 

При обработке, для того, чтобы лишить шатун подвижности  используют призмы и опору на плоскость  базовой поверхностью. При использовании  этой схемы обеспечивается достаточная  неподвижность детали и отсутствие деформации при закреплении.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.6. Выбор оборудования, режущего и измерительного инструмента

 

При выборе оборудования для  каждой технологической операции необходимо учитывать назначение обработки, габаритные размеры деталей, размер партии обрабатываемых деталей, расположение обрабатываемых поверхностей, требования к точности и качеству обрабатываемых поверхностей.

Для обработки деталей, восстанавливаемых  гальванопокрытиями, чаще всего применяют  абразивную обработку.

Для предварительного чистового  растачивания используем токарный станок 1М61 с применением приспособления для центровки нижней головки  шатуна. Для расточки используется расточной резец 2140-0001 ГОСТ 18882-73 с углом в плане g=60° с пластинами из твёрдого сплава Т15К16. Размеры контролируются индикаторным нутромером с ценой деления 10 мкм и пределами измерений 50¸75 мм.

После восстановления железнением деталь подвергается абразивной обработке до номинального размера. Для шлифования используется токарный станок 3А228 с использованием шлифовального круга вместо резца и приспособления для центровки нижней головки шатуна.

При внутреннем шлифовании используют шлифовальный круг типа переключения передач диаметром 50 мм, высотой 30мм и зернистостью 40¸10, материал круга 4А20СМ28К5/ПСС4015. при контроле отверстия используется нутромер индикаторный, цена деления 10 мкм, пределы измерений 50¸100 мкм.

При окончательной обработке  используется вертикальный хонинговальный станок модели 3Б833. Хонингование производится брусками АС4125/100-М1-100%, установленными в хонинговальной головке плавающего типа. Контроль обрабатываемой поверхности  производится нутромером индикаторным с ценой деления 10 мкм и  пределами  измерения 50¸100 мкм.

При точении отверстия  верхней головки шатуна используем токарный станок модели 1М61. Для расточки используется расточной резец 2140-0001 ГОСТ 18882-73 с углом в плане g=60° с пластинами из твёрдого сплава Т15К16.

 

При вспомогательных операциях, связанных с железнением, используем ванны для обезжиривания 10581.04.00.00, ванны для горячей промывки 10581.08.00.00, ванны для холодной промывки 10581.05.00.00. Так как железнение проводим безванным способом, то используем уплотнения.

 

Для контроля величины отверстия  в верхней головке шатуна пользуемся нутромером индикаторным с ценой  деления 10 мкм и  пределами измерения 18¸35 мм. Для контроля износа торцов нижней головки используем шаблон 25,60 мм или микрометр гладкий типа МК с ценой деления 10 мкм и пределами измерения 25¸50 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

2.1. Расчёт припусков на механическую обработку

 

После назначения последовательности операций и выбора базовых поверхностей необходимо произвести расчёт толщины наносимого материала при восстановлении детали.

Толщина наносимого на изношенную поверхность слоя металла определяется по формуле:

, (1)

где D_изн. – величина износа поверхности детали, мм; z_о – общий припуск на обработку.

Величину припуска на обработку  поверхности детали после восстановления можно определить двумя способами:

• опытно-статистический;
• расчётно-аналитический.

Опытно-статистические данные припусков находятся с помощью  таблиц. Расчётно-аналитический метод  позволяет определить величину припуска с учётом всех элементов, составляющих припуск. При этом предусматривается, что при каждом технологическом  переходе должны быть устранены погрешности, возникающие на нём и погрешности предшествующего перехода. Этими погрешностями могут быть высота неровностей поверхностей, глубина дефектного слоя, пространственные отношения и погрешности установки.

а_min, а_max – заданные размеры, мм;

b_min, b_max – выбраковочные размеры, мм;

с_min, с_max – размеры детали после предварительной механической обработки перед восстановлением, мм;

d_min, d_max – промежуточные размеры, получаемые после черновой механической обработки после восстановления детали, мм;

 

 

d_а, d_b, d_с, d_d, d_е – допуски соответственно на размер a, b, c, d, e, мм;

D_min, D_max – минимальный и максимальный износ детали, мм;

z_min, z_max, z'_min, z'_max, z"_min, z"_max – минимальный и максимальный припуски снимаемые соответственно при предварительной черновой обработке после восстановления детали, чистовой обработке после восстановления, механической обработки перед восстановлением, мм;

h_min, h_max – минимальная и максимальная толщина наращиваемого слоя при восстановлении детали, мм.

Для деталей тел вращения величина минимального припуска определяется по формуле:

, (2)

где R_zi-1 – высота микронеровностей на предшествующем переходе; T_i-1 – глубина дефектного слоя на предшествующем переходе; P_i-1 – суммарные пространственные отклонения; e_qi – погрешность установки на выполненном технологическом переходе.

 

 

Расчёт припусков и  толщины восстанавливаемого слоя выполняем  в следующей последовательности:

1). Исходя из заданных и выбракованных размеров детали определяем максимальную и минимальную величины износа рабочих поверхностей детали (отверстия нижней головки шатуна).

, (3)

, (4)

где а_min, а_max – заданные размеры, мм; b_min, b_max – выбраковочные размеры детали, мм.

мм;

мм.

2). Для каждого технологического  перехода записывают значение  R_z, T, p, e, d. Величины допуска на размер находится по таблицам от класса точности.

 

 

3). После предварительной  механической обработке перед  восстановлением определяют припуски и предельные размеры детали. Согласно рис. 1.2 получаем:

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

Здесь и далее индексы  при обозначении R_z, T, p, e, d показывают, с учётом качества каких поверхностей нужно определить значение этих параметров.

мм;

мм;

мм;

мм.

4). Определяем припуски  на чистовую механическую обработку  восстановленной детали и её предельные размеры после черновой обработки:

,  (9)

, (10)

, (11)

, (12)

мм,

мм,

мм,

 

 

мм.

 

 

5). Определяем припуски  на черновую обработку восстановленной  детали и её предельные размеры  после восстановления:

 

,  (13)

где d – диаметр обрабатываемого отверстия, мм; d_отв. – допуск на диаметр обрабатываемого отверстия в зависимости от точности отверстия, мм.

, (14)

, (15)

, (16)

мм,

мм,

мм,

мм.

6). Определим толщину наращиваемого  слоя при восстановления детали:

, (17)

, (18)

мм,

мм.

7). Проверяем правильность  расчёта припусков по каждому  переходу и толщины восстанавливаемого  слоя:

,  (19)

,  (20)

,  (21)

,  (22)

 

 

мм,

мм,

мм,

мм.

Последовательность операций при восстановлении размеров отверстия  нижней головки шатуна:

1). Чистовое растачивание  с целью исправления геометрических параметров отверстия нижней головки шатуна.

2). Восстановление детали  путём нанесения гальванического  покрытия. Применяем железнение.

3). Предварительная механическая  подготовка. Назначаем чистовое  шлифование.

4). Окончательная механическая  обработка. Применяем хонингование  с целью достижения необходимых  параметров шероховатости.

Определение припуска на механическую обработку отверстия в верхней  головке шатуна: верхнюю головку восстанавливаем растачиванием отверстия в верхней головке шатуна до ремонтного размера (26,27^+0,023 мм). Выбраковочный

 

 

размер детали равен 25,007 мм, поэтому припуск принимаем  равным 0,25 мм.

Все припуски представлены в таблице 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 - расчёт припусков и предельных размеров на обработку детали.

 

Технол. операции и переходы	Элементы  припуска				zmin	Расчётный размер	Допуск	Предельный размер		Предельное значение припусков
	Rz	T	p	e				Номинальный.	Наибольший	Номинальный.	Наибольший
Диаметр-отверстия	---	---	---	---	---	---	---	---	---	---	---
Разница при дефектовке	0,02	0,01	0,021	0,03	---	63,5	0,012	63,5	63,512	---	---
Разница после восстановления	0,5	0,2	0,05	1,1	0,365	62,862	0,25	62,673	63,038	0,3904	0,755
Черновая механич. обработка	0,099	0,063	0,041	0,75	0,162	63,776	0,15	63,674	63,824	0,162	0,282
Чистовая механич. обработка	0,005	0,01	0,021	0,03	0,08	62,416	0,012	63,403	63,428	0,08	0,11

 

 

2.2. Разработка восстановительных операций

 

Для восстановления отверстия  в нижней головке шатуна наибольшее применение получило осталивание (железнение) ванным методом. Сущность процесса состоит в том, что в качестве ванны используется сама деталь. Электролит удерживается в изношенном отверстии при помощи приспособлений с уплотнениями. В качестве источника питания для наносимого покрытия используется растворимые аноды из стали 10, 20.

В настоящее время в  производстве широко используется железнение в холодном электролите на асимметричном токе с катодно-анодным соотношением b=8¸10. Для железнения применяется электролит с концентрацией хлористого железа FeCl₂4H₂O – 200 г/л, йодистый калий KI – 20 г/л, HCl – 15 г/л. Температура электролита поддерживается в пределах 50 °С, а плотность тока 50¸60 А/дм.

Технологический процесс  железнения включает операции: электрохимическое обезжиривание, анодное травление, железнение, нейтрализацию с последующими промывками после каждой операции. Далее шатуны отправляют в сушку.

При обработке деталей  на металлорежущих станках элементами режима обработки является: глубина резания, подача, скорость резания, мощность резания.

 

2.3 Расточная обработка

 

Обрабатываем отверстие  нижней головки шатуна. Глубина резания  t при черновой обработке равна или кратна припуску z на выполняемом технологическом переходе. При чистовой обработке (Ra<2,5) глубина резания принимается в пределах 0,1¸0,4 мм. После назначения глубины резания t=0,1 мм назначаем подачу из числа существующих в характеристике станка S=0,1 мм/об.

Скорость резания v рассчитывается по формуле:

, (23)

где С_v, m, x_v, y_v – коэффициенты и показатели степени, учитывающие условия обработки; Т – период стойкости режущего инструмента; K_v – поправочный коэффициент, учитывающий условия обработки, которые не учтены при выборе C_v.

Период стойкости режущего инструмента Т принимаем равным 60 минутам. Поправочный коэффициент K_v рассчитываем по формуле:

, (24)

где K_mv=1,67 – коэффициент, учитывающий механические свойства обрабатываемого материала; K_nv=1 – коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки; K_уv=1 коэффициент, учитывающий главный угол резца в плане; K_у1v=0,9 – коэффициент, учитывающий вспомогательный угол резца в плане; K_rv=1 – коэффициент, учитывающий радиус при вершине режущей части резца; K_qv=0,91 – коэффициент, учитывающий размеры державки резца; K_оv=1 – коэффициент, учитывающий вид обработки; K_uv=0,9 – коэффициент, учитывающий вид материала

 

 

режущей части инструмента.

.

Определим скорость резания  по формуле (1.23):

м/мин.

По расчётному значению скорости резания определяется частота вращения шпинделя с закреплённым резцом:

, (25)

где d_Д – диаметр детали (отверстия), мм.

об./мин.

Максимальная частота  вращения шпинделя станка равна 450 об./мин. Принимаем частоту вращения шпинделя, близкую к расчётной n=350 об./мин.

Тогда скорость обработки  рассчитывается по формуле:

 

, (26)

м/мин.

Рассчитанные элементы режима резания необходимо проверить по мощности электродвигателя станка. Мощность резания определим по формуле:

, (27)

где р_z – составляющая силы резания.

, (28)

где С_рz, x_рz, y_рz, n_рz – коэффициенты и показатели степеней, учитывающие условия обработки; К_рz – поправочный коэффициент, учитывающий условия обработки, неучтённые коэффициентом С_рz.

, (29)

 

где К_Mрz=0,68 – коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала; К_jрz=1 – коэффициент, учитывающий главный угол в плане режущей части инструмента; К_yрz=0,94 – коэффициент, учитывающий передний угол режущей части инструмента; К_pрz=1,1 – коэффициент, учитывающий угол наклона лезвия; К_Rрz=1 – коэффициент, учитывающий влияние радиуса при вершине резца.

.

Коэффициент К_Rрz не учитываем, т.к. сталь резца не быстрорежущая.

Н – составляющая силы резания.

кВт – мощность резания.

Мощность резания, приведённая  к валу электродвигателя, должна быть равна или несколько меньше мощности электродвигателя станка.

Условие выполняется: N_р<N_э

0,23<3.

 

2.4. Железнение

 

После выполнения токарной обработки предусмотрена гальваническая операция железнение отверстия нижней головки шатуна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5.Шлифование

 

Чистовое шлифование отверстия  нижней головки шатуна. При шлифовании периферией круга с радиальной подачей (врезное шлифование) мощность определяется по формуле:

, (30)

где d – диаметр шлифования, мм; b – ширина шлифования, мм; v'_d – скорость вращательного движения детали, об./мин; S_p – перемещение шлифовального круга в радиальном направлении, мин./об., С_n, r, y, q, z – поправочный коэффициент и степени для табличных условий работы.