Технологія відновлення штовхача клапану автомобіля ЗІЛ-130

1. Вступ

В умовах роботи будь-якого двигуна внутрішнього згорання присутній процес природного зношування деталей або лише їх робочих поверхонь. Вигорання частини металу, абразивне зношування та ін. У зв’язку з цим виникає необхідність заміни зношених деталей новими або їх відновлення.

Система газорозподільного механізму є невід'ємною складовою більшості двигунів внутрішнього згорання, а підтримка в робочому стані всіх складових даної системи забезпечує довготривалу і стабільну роботу двигуна та розвивання його повної потужності.

Газорозподільний механізм включає в себе чималу кількість деталей, що різним чином взаємодіють між собою. Особливу увагу приділяють деталям які труться між собою, розробляють різні мастила, та системи мащення. Але не дивлячись на все це рано чи пізно будь-яка деталь виходить з ладу.

Після виходу з ладу більшість деталей утилізуються або здаються на металобрухт. Матеріалом цих деталей є жаростійкі сталі, леговані сталі, та ін., вартість яких складає більшу частину вартості нової деталі. Раціональнішим підходом з економічної точки зору буде створення нової робочої поверхні з експлуатаційними характеристиками не гірше, а то й в більшості випадків і краще нової деталі.

Штовхач клапана не являється однією з основних та дорогих деталей, та використовується лише в деяких типах двигунів. Він призначений для передачі зусилля від розподільного валу до стержня клапана або штанги і розвантаження їх від бічних зусиль. Основними властивостями його робочої поверхні являється зносостійкість. Для відновлення його робочої поверхні доцільно використовувати процес газополуменевого напилювання, адже в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів містить велику кількість чинників, що впливають на характеристики покриттів. До цих чинників відносяться, перш за все, конструкція установки для напилювання, вид і витрата газу, матеріал для напилювання, параметри напилювання і ін.

Також найважливішою частиною є підбір матеріалу для одержання покриття із заданими властивостями по твердості, зносостійкості, міцності зчеплення та іншими показниками, обумовленими умовами експлуатації даного типу деталей.

Розроблення технології відновлення включає в себе ряд питань, які потрібно досконально вивчити. На сам перед економічну доцільність процесу відновлення, необхідність створення економічно вигідної технології фактично гарантує впровадження процесу відновлення в підприємства по ремонту та станції технічного обслуговування. А вдало підібране обладнання дає можливість використовувати такі технології на підприємствах які не мають в своєму арсеналі дефіцитних матеріалів та дорогого обладнання.

Метою дипломної роботи є розробка технології відновлення штовхача клапану автомобіля ЗІЛ-130 методом газополуменевого напилювання.

2. Загальний розділ

2.1 Опис вузла та умови роботи штовхача клапана

Штовхач клапана 9 виконаний у вигляді циліндрового стержня (Рис. 1.1). Він призначений для передачі зусилля від розподільного валу до стержня клапана або штанги і розвантаження їх від бічних зусиль, що виникають при обертанні кулачка. Циліндрову частину штовхача для зменшення питомого тиску на її стінки виконують із збільшеним діаметром. Матеріалом для виготовлення штовхачів служить сталь або чавун. Для полегшення ваги штовхачів їх зазвичай виконують порожнистими.

Рис. 1.1 Складові газорозподільного механізму автомобіля ЗІЛ-130 1 — Сухарики; 2 — Верхня тарілка клапанної пружини; 3 — Опорна шайба пружини; 4 — Випускний клапан; 5 — Втулки; 6 — Впускний клапан; 7 — Зовнішня пружина клапана; 8 — Масловідбиваючий ковпачок; 9 — Штовхач клапана; 10 — Внутрішня пружина клапана;

Під час експлуатації двигуна виникає природній процес зношування деталей що труться, збільшуються зазори в з'єднаннях. Крім того, в результаті дії гарячих газів, ударних навантажень і різного роду відкладень порушується прилягання сполучених деталей, що веде за собою зниження моторесурсу двигуна, стабільності в роботі та ін.

Для забезпечення нормальної роботи газорозподільного механізму необхідно періодично відповідно до правил проводити операції технічного обслуговування. До них відноситься перевірка і підтягування болтів кріплення голівки циліндрів, стійок валиків коромисел і інших деталей; перевірка і регулювання зазорів між клапанами і коромислами, та ін. Своєчасна заміна спрацьованих деталей зменшує ризик випадкової поломки, та виходу з ладу автомобіля. В разі неможливості заміни спрацьованої деталі на нову, вона підлягає процесу відновлення.

2.2 Матеріал деталі

Штовхачі клапанів в процесі роботи схильні до абразивного зношування. Штовхачі виконуються зі спеціального чавуну ЧХ1, ГОСТ 7769–82.

Поєднання високої міцності, абразивної стійкості з достатньою твердістю, сприяє підвищенню стійкості штовхачів до зношування, що виготовляються з таких сплавів.

Таблиця 2.1 Хімічний склад в % матеріалу ЧХ1

Таблиця 2.2 Фізичні властивості матеріалу ЧХ1

Сплав ЧХ1 застосовується: для деталей з підвищеною корозійною стійкістю в газовому, повітряному, лужному середовищах в умовах тертя і зношування; жаростійкий в повітряному середовищі до 500 °C.

2.3 Вибір методу відновлення випускного клапана

У умовах виробництва розроблені та реалізовані десятки різних способів відновлення деталей. Вибір найбільш прийнятного способу складається в технічному, економічному, та організаційному аналізів вимог до відновлених деталей, враховуючи умови їх роботи в спряженнях, виробничої програми та оснащення підприємств, забезпечення матеріалами, енергією, робочою силою та ін.

Нижче розглянуті основні способи відновлення випускного клапана, їх суть, основні принципи та порівняння .

Наплавлення — нанесення за допомогою наварювання шару металу на поверхню виробу. При відновленні, ремонті наплавлення виконують приблизно тим же металом, з якого виготовлений виріб, проте таке рішення не завжди доцільно. Іноді при виготовленні нових деталей (при ремонті) доцільніше на поверхні отримати метал, що відрізняється від металу деталі. Дійсно, у ряді випадків умови експлуатації поверхневих шарів значно відрізняються від умов експлуатації решти всього матеріалу виробу.

Вібраційне (вібродугове) наплавлення, наплавлення поверхонь вібруючим плавким електродом (наприклад, сталевим дротом); є різновидом процесу зварювання. Кінець електроду торкається поверхні виробу, відбувається коротке замикання зварювального ланцюга. При відході електроду від поверхні на 1,5−3 мм зварювальний ланцюг розривається — виникає спалах — електрична дуга. Цей процес періодично повторюється з частотою близькою до 100 гц. Зона наплавлення безперервно поливається водними розчинами солей, гліцерину і ін., іноді засипається зернистим флюсом. Вібраційне наплавлення застосовують головним чином при ремонті: для наплавлення осей, валів, лопатей гідротурбін і ін. сталевих деталей, а також для виготовлення двошарових виробів (наплавлення кольорових металів і сплавів на сталь, чавун і ін. метали). Якість наплавленого металу невисока, проте він володіє значною твердістю і зносостійкістю без термообробки.

Рис. 2.3 Схема вібродугового наплавлення 1 — Вібруючий наконечник; 2 — Електродний дріт; 3 — Деталь; 4 — наплавлений шар.

Дугове наплавлення в захисних газах. Наплавлення в захисних газах застосовують в тих випадках, коли неможлива або утруднена подача флюсу і видалення шлакової кірки. Перевагами даного виду наплавлення є візуальне спостереження за процесом і можливість його широкої механізації і автоматизації з використанням серійного зварювального устаткування. Її застосовують при наплавленні деталей в різних просторових положеннях, внутрішніх поверхонь, глибоких отворів, дрібних деталей і складних форм і тому подібне Технологія виконання наплавлення в захисних газах багато в чому схожа з технологією наплавлення під флюсом, відмінність лише в тому, що замість флюсу застосовують газовий захист зони зварювання. Крім перерахованих переваг це звільняє оператора від необхідності засипки флюсу і видалення шлаку. З метою зменшення розбризкування металу наплавлення в захисному газі проводиться найкоротшою дугою. Циліндричні деталі можна наплавляти по гвинтовій лінії як безперервним валиком, так і з поперечними коливаннями електроду.

Наплавлення може проводитися у вуглекислому газі, аргоні, гелії і азоті. Високолеговані сталі, а також сплави на алюмінієвій і магнієвій основі наплавляються в аргоні або гелії. Наплавлення міді і деяких її сплавів може проводитися в азоті, який поводиться по відношенню до неї нейтрально. При наплавленні вуглецевих і легованих сталей використовують дешевший вуглекислий газ. Наплавлення може проводитися як плавким, так і неплавким електродами. Неплавкий вольфрамовий електрод зазвичай застосовують при наплавленні в аргоні і гелії. Найбільшого поширення набуло наплавлення у вуглекислому газі плавким електродом на постійному струмі зворотної полярності. Враховуючи, що вуглекислий газ окисляє розплавлений метал, в наплавлювальний дріт обов’язково вводять розкислювачі (марганець, кремній і ін.). При наплавленні застосовують як дріт суцільного перетину, так і порошковий.

Недоліком способу є те, що в процесі наплавлення у вуглекислому газі спостерігається сильне розбризкування рідкого металу, що приводить до налипання бризок на мундштук і засмічення сопла пальника. Крім того, існує можливість здування газового струменя вітром, що утрудняє наплавлення на відкритому повітрі.

Дугове наплавлення порошковим дротом. Наплавлення порошковим дротом з внутрішнім захистом основане на введенні в сердечник дроту окрім легуючих компонентів також шлакоутворюючих і газоутворюючих матеріалів. Застосування захисту флюсом і газом при наплавленні таким дротом не потрібне. Легуючі елементи порошкового дроту переходять в шов, а газоі шлакотворні матеріали створюють захист металу від азоту і кисню повітря. У дузі тонка плівка розплавленого шлаку покриває краплі рідкого металу і ізолює їх від повітря. Розкладання газоутворюючих матеріалів створює потік захисного газу. Після твердіння на поверхні наплавленого валика утворюється тонка шлакова кірка, яка може не видалятися при накладенні подальших шарів. При наплавленні використовують різні самозахисні порошкові дроти.

Технологія виконання наплавлення самозахисним порошковим дротом в основному нічим не відрізняється від технології наплавлення у вуглекислому газі. Відкрита дуга дає можливість точно направляти електрод, спостерігати за процесом формування шару, що наплавляється, що має велике значення при наплавленні деталей складної форми. Однією з переваг цього способу є застосування менш складної апаратури в порівнянні з апаратурою, що використовується при наплавленні під шаром флюсу і захисному газі, а також можливість виконувати наплавлювальні роботи на відкритому повітрі.

Індукційне наплавлення. Суть індукційного наплавлення полягає в наступному. Деталь, що наплавляється, поміщають в електромагнітне поле індуктора, який живиться змінним струмом високої частоти (ТВЧ). У масі металу деталі або компактної присадки індукуються вторинні змінні струми тієї ж частоти, що розподіляються в поверхневому шарі металу і нагрівають цей шар. Чим вище частота струму, тим тонше шар металу, що нагрівається. Для сталевих деталей переважний нагрів струмами високої частоти поверхневих шарів металу зберігається аж до точки Кюрі (768 °С). Після того, як метал нагріється вище за точку Кюрі, глибина проникнення індукованих струмів збільшується в 10−20 разів (залежно від частоти), завдяки чому розподіл температури в металі, що нагрівається, стає більш рівномірним. Деталі або компактні присадки нагрівають до плавлення металу і сполучають. Для оберігання від окислення і поліпшення сплаву основного і наплавленого металів застосовують флюси.

Слід зазначити, що в найбільш поширених способах індукційного наплавлення як присадний матеріал застосовують некомпактні матеріали, а шихту, що складається з металевих порошків і добавок флюсів. Металеві гранули ізольовані один від одного частинками флюсу, унаслідок чого електропровідність порошкового шару і виділення в нім енергії малі. З цієї причини нагрівання і розплавлення порошкової шихти йде, в основному, за рахунок теплопередачі від ТВЧ основного металу.

Розплавлення брикетованого або монолітного матеріалу на основному металі. Метод можна проілюструвати на прикладі наплавлення клапанів двигунів внутрішнього згорання (Рис. 2.4).

Рис. 2.4 Схема відновлення клапана ДВЗ Клапан; 2-Кільцевий індуктор; 3- Лите кільце; 4- Спрейер; 5- Захисний газ;

Присадним матеріалом в цьому випадку служить лите кільце 3 з жаростійкого сплаву, яке укладають у виточку на опорній поверхні клапана 1. Нагрівання і плавлення сплаву проводять в кільцевому індукторі 2, що охоплює ділянку, що наплавляється. Через індуктор подається захисний газ 5. Температура нагріву на 50−100 °С перевищує температуру плавлення сплаву. Істотною особливістю є те, що в кінці процесу поверхня клапана, протилежна поверхні що наплавляється, окропляється водою із спрейера 4, що забезпечує направлену кристалізацію сплаву і його підвищені експлуатаційні властивості.

Плазмове наплавлення. При зміцненні і відновленні деталей залежно від їх форми, умов роботи застосовують декілька різновидів плазмового наплавлення, що відрізняються типом присадного матеріалу, способом його подачі на зношену поверхню і електричною схемою підключення. При плазмовому наплавленні по відношенню до деталі, що наплавляється, застосовують два види стислої дуги: прямої і непрямої дії. У обох випадках запалення дуги плазмотрона і здійснення процесу наплавлення виконують комбінованим способом, тобто спочатку між анодом і катодом плазмотрона за допомогою осцилятора порушують стислу дугу побічної дії. Дуга прямої дії утворюється при зіткненні малоамперної (40−60 А) непрямої дуги з струмоведучої деталлю, в зону дуги можуть подаватися присадні матеріали: нейтральна або струмоведучий дріт, відразу дві дроти, порошок, порошок одночасно з дротом.

Метод непрямої дуги полягає в тому, що між дугою і струмоведучим дротом утворюється пряма дуга, продовження якої є непрямою (незалежною) дугою по відношенню до електрично нейтральної деталі. По цій схемі разом з струмоведучим дротом (прутком, стрічкою) на поверхню, що наплавляється, можна одночасно подавати і порошок.

Плазмове наплавлення можна виконувати одиночними валиками (при наплавленні циліндрових деталей по гвинтовій лінії), а також із застосуванням коливального механізму (для широких шарів), на прямій або зворотній полярності.

При плазмовому наплавленні із застосуванням наплавлювальних сплавів у вигляді порошку найбільш простим способом є наплавлення по шару грубозернистого порошку (розмір зерен 0,5- 3 мм), заздалегідь насипаного на поверхню, що наплавляється. При використанні дрібного порошку для оберігання його від роздування стислою дугою і захисним газом застосовують різні закріплюючі речовини. При наплавленні клапанів за профілем фаски клапана виготовляють металокерамічні кільця, які надягають на фаску клапана і розплавляють стислою дугою.

Рис. 2.5 Схема плазмового наплавлення з вдуванням порошку в дугу: 1 — вольфрамовий електрод; 2 — джерело живлення стислої дуги побічної дії (плазмового струменя); 3- плазмоутворююче сопло; 4 — плазмовий струмінь; 5-захисне сопло; 6 — стисла дуга прямої дії; 7 — джерело живлення стислої дуги прямої дії

Наплавлення тугоплавких порошків здійснюють шляхом їх подачі в хвостову частину зварювальної ванни.

Універсальний спосіб плазмового наплавлення — наплавлення з вдуванням порошку в дугу, який, частково оплавляючись, переноситься на поверхню виробу, дугою прямої дії (Рис 2.5). За рахунок широкого діапазону регулювання теплоти, що йде на нагрів порошку і деталі, цей спосіб дозволяє отримувати наплавлені шари високої якості з мінімальною глибиною проплавлення. До недоліків способу слід віднести складність конструкції плазмотрона, його низьку надійність роботи і великі розміри (зовнішній діаметр 55- 60 мм), а також значну загальну витрату газу (22- 26 л/хв.).

Розроблено два способи плазмового наплавлення: з подачею порошку в зварювальну ванну транспортуючим газом через захисне сопло і з одночасною подачею порошку і дроту в зону наплавлення (комбінований спосіб).

При використанні дроту, що наплавляється, найбільш перспективним є наплавлення струмоведучим дротом. В цьому випадку стисла дуга використовується головним чином для плавлення дроту і у меншій мірі для підігріву деталі. Наплавлений шар в основному утворюється за рахунок теплоти перегрітого наплавленого металу, що змочує поверхню підігрітого основного металу.

Наплавлення непрямою дугою струмоведучим дротом дозволяє понизити частку участі основного металу в першому наплавленому шарі до 4%, що важливе для забезпечення необхідних фізико-механічних властивостей наплавлення.

Наплавлення прямою дугою струмоведучим дротом збільшує продуктивність, але при цьому зростає глибина проплавлення основного металу (Рис. 2.6)(підведення струму до деталі показане штриховою лінією).

Рис. 2.6 Схема плазмового наплавлення з присадним дротом: 1 — вольфрамовий електрод; 2 — плазмоутворююче сопло; 3- вода; 4 — баластні реостати; 5 — джерело живлення; 6 — струмоведучий дріт (пруток); 7 — плазмовий струмінь; 8 — захисний газ; 9 — плазмоутворюючий газ; підведення струму до деталі у разі наплавлення прямою дугою

Газополуменеве напилення. В якості горючих газів використовують: ацетилен (C₂H₂); метан (CH₄); пропан (C₃H₈); бутан (C₄H₁₀) і водень (H₂), а також суміші пропан-бутан. Коротка характеристика цих газів наведена в табл. 2.3.

Рис. 2.7 Газополуменевий метод нанесення покриттів при розпилюванні порошкових матеріалів: 1 — сопло; 2 — факел; 3 — покриття; 4 — деталь

Таблиця 2.3 Фізико-хімічні властивості горючих газів

Найвища температура у суміші ацетилену і кисню але найвища теплотворна здатність пропану і бутану. Тому найчастіше для газополуменевого напилювання використовують або суміш ацетилену з киснем, або пропано-бутано-кисневу суміш.

Технічні особливості способу газополуменевого напилювання Ознаки цього методу:

1. Вигляд розпилюваного матеріалу (дріт, порошок).

2. Тип горючого газу.

3. Ступінь механізації (ручний, повністю механізований).

До конструктивних параметрів, які найбільш впливають на ефективність процесу, належать: діаметр газового сопла, діаметри отворів по периферії сопла, кут нахилу осей отворів до осі розпилювача,. Найбільш значним параметром режиму роботи газополуменевого розпилювача є рід горючого, його тиск на вході в розпилювач і його витрати, тиск окислювального газу та його витрати, співвідношення між цими газами. Тиск горючого газу визначає його витрати. = 0,03 — 0,05 МПа, що відповідає витратам 1 — 2. Велику роль відіграє відношення витрат кисню до горючого газу, яке позначають через. У практиці напилення =1:1 для суміші O₂ і C₂H₂, а для киснево-пропано-бутанової суміші в=4. Тиск кисню становить 0,35 — 0,45 МПа, що відповідає його витраті: .

Для стискування полум`я використовують повітря під тиском 0,3 — 0,4 МПа, що відповідає витратам 30 — 40 .

Дисперсність порошкових частинок при газополум`яному напиленні становить 10 — 100 мкм. Більш крупні порошки не встигають прогріватись. Витрати порошку становлять 0,5 — 3 кг/год. В багатьох випадках порошок висипається з живильника під дією власної ваги за участю інжекції струменя, в інших конструкціях він подається транспортувальним газом.

При цьому тиск транспортувального газу (кисень чи повітря) знаходиться в межах 0,1 — 0,2 МПа, а витрати 0,3 — 0,6. Діаметр розпилюваного дроту становить 1 — 5 мм. Швидкість подачі дроту в полум`я знаходиться в межах 180 — 500 м/год (5 — 30 кг/год).

Максимальну продуктивність одержують при використанні високих потужностей і товщини дроту. Дистанція напилення 100 — 200 мм, швидкість переміщення плями напилення становить 0,2 — 0,3 м/с. Максимальна температура біля зрізу сопла становить 2500 — 3200 ^оС, швидкість струменя газу — 150 — 200 м/с. Довжина високотемпературної частини струменя для ацетилено-кисневої суміші становить 150 — 200 мм. Температура частинок твердої фази при порошкових способах не перевищує 2200 ^оС, а при розпилюванні дроту досягає 2700 ^оС. Швидкість частинок біля поверхні напилення становить 15 — 20 м/с, щільність потоку

Такі види робіт відносяться до робіт з підвищеною мірою небезпеки. Це пояснюється тим, що газове напилювання, зварювання, наплавлення і різання металів супроводжуються забрудненням повітряного середовища робочої зони виробничих приміщень ацетиленом, оксидами азоту, окислом вуглецю, парами металів і їх оксидами. При виникненні стислого газоподібного кисню з маслом або жирами останні можуть займатися, що може бути причиною пожежі. Тому при поводженні з кисневими балонами і апаратурою необхідна ретельно стежити за тим, щоб на них не падали навіть незначні сліди масла і жирів. Суміш кисню з горючих рідин при певних співвідношеннях кисню і горючої речовини вибухає. Кисень транспортується в сталевих балонах під тиском 15 МПа (150 кгс/см²); у ацетиленових балонах тиск складає 1,6 МПа. Кисневий балон забарвлений в блакитний колір, ацетиленовий, — в білий. Упаковка, маркування, транспортування і зберігання газоподібного технічного кисню — по ГОСТ 26 460–85. Балони, наповнені киснем, перевозять транспортом всіх видів відповідно до правил перевезення небезпечних вантажів.

3. Спеціальна частина

3.1 Опис базової установки для напилювання

З широкого асортименту сучасного обладнання важливим етапом в розробці технології є вибір недорогого та практичного обладнання, яке буде задовольняти своїми параметрами всі критерії, та матиме перспективи подальшої експлуатації.

Для ручного та механізованого процесів напилювання покриттів з порошкових матеріалів широкої номенклатури призначена установка УГПУ, що наведена на Рис. 3.1. Дана установка не являється передовим досягненням в даній області, що зумовлює її дешевизну, та доступність на ринку, а технічні показники ідеально підходять для підприємств малої механізації. Вона розрахована на використання сумішей ацетилен-кисень і пропан-бутан-кисень. При роботі на ацетилен-кисневих сумішах можна наносити покриття з матеріалів з температурою плавління до 2050 ^оС (типу Al₂O₃).

Рис. 3.1. Установка УГПУ: 1 — пульт керування; 2 — дозатор для металевих порошків; 3 — дозатор для керамічних порошків; 4 — розпилювач; 5,6,7 — редуктори;

При роботі на суміші пропан-бутан-кисень можна наносити порошки з температурою плавлення до 1500 ^оС.

Установка складається із пульта керування, двох порошкових дозаторів, розпилювача, кисневого, ацетиленового і пропанового редукторів.

На Рис. 3.2 приведений загальний вигляд газополуменевого розпилювача. Він розрахований на напилювання порошкових матеріалів з температурою плавлення до 2273 … 2473 єК. Тут кисень використовується не тільки для утворення суміші з ацетиленом, але як і транспортувальний газ. Повертанням сопла 1 навколо своєї осі можна регулювати подачу кисню, який надходить на обтискування факела. У газовому соплі 11 зроблені отвори, через які кисень надходить до порожнини, що утворена зовнішньою поверхнею порошкового струменя і внутрішньою поверхнею факела полум`я.

До ніпеля 3 приєднується гнучкий шланг, через який до розпилювача надходить суміш транспортувального кисню і порошку.

Розпилювачі, які призначені для нанесення дротяних матеріалів, крім розпилювальної головки, мають у своєму складі механізм подання дроту (редуктор і турбінний привод).

Рис 3.2 Газополуменевий розпилювач (УПН 8 — 68) 1 — сопло обтискувальне; 2 — гайка; 3 — ніпель; 4,7 — ущільнювач; 5 — вентиль; 6 — інжектор; 8 — гайка; 9 — корпус; 10 — розсікач; 11 — сопло газове; 12 — сопло порошкове.

Установка для газополуменевого напилювання моделі «УГПУ» призначена для газополуменевого розпилювання порошків металів і сплавів з метою нанесення покриттів для захисту поверхонь деталей від різних видів зношування, кавітації, окислення, корозійної дії різних середовищ, а також відновлення зношених деталей з одночасним поліпшенням їх експлуатаційних властивостей.

Дане обладнання призначене для експлуатації при температурі повітря від +5 до +35 °С, відносній вологості повітря 80±15% при 20 °C та атмосферному тиску від 84 до 106,7 КПа.

Установка може експлуатуватися в цехових або польових умовах в середовищах, що не містять пари кислот, лугів і інших їдких рідин.

3.2 Вибір необхідного порошку

Як матеріал покриття використовуємо порошок на основі нікелю ПХ20Н80. Провівши аналіз різних типів порошків, які використовуються в сучасних підприємствах, можна зробити ряд важливих висновків. Найважливішим фактором при використанні будь-якого порошку є його вартість. Необхідність вибору доступних за ціною матеріалів, суттєво звужує коло пошуку.

Порошки на основі нікелю є одним із найважливішим класом матеріалів для отримання захисних покриттів. Найширше застосування для формування зносостійких покриттів отримали порошки на нікелевій основі. Температури плавлення порошків на нікелевій основі складають 980−1150 С. Комплекс експлуатаційних характеристик (зносостійкість, корозійна стійкість, твердість напиленого покриття), дозволяє вибрати такий порошок для відновлення голівки штовхача.

Відсотковий вміст елементів в порошку:

Ni — 80%;

Cr — 20%;

с_{порошку}= 0,8· с_Ni+0,2· с_Cr =8,6 г/см³;

с_{Ni=8,9 г/с}³

с_{Cr=7,19 г/см}³

3.3 Вибір газу

Основним завданням при використанні газополуменевого напилювання є вибір використовуваного газу, адже сучасна промисловість виробляє широкий асортимент цих газів.

Ацетилен відноситься до групи неграничних вуглеводнів ряду Сnh2n-2. Це безбарвний горючий газ із специфічним запахом. Щільність ацетилену при 20 °C і 760 мм рт. ст. рівна 1,091 кг/м³.

Ацетилен — єдиний широко використовуваний в промисловості газ, що належить до небагатьох з'єднань, горіння і вибух яких можливі у відсутності кисню або інших окислювачів.

Технічно розчинений ацетилен транспортують в сталевих балонах ТУ 6−21−32−78. Допустимий максимальний тиск в балонах не повинен перевищувати 13,4 кгс/см² при температурі -5°С і тиску 760 мм рт. ст. і 30 кгс/см² при температурі +40°С і тиску 760 мм рт. ст.

Найближчим конкурентом ацетилену є газ МАФ.

Таблиця 3.1 Порівняльна таблиця ефективності застосування МАФ і Ацетилену

Зрідженим газом МАФ (Метілацетілен-алленова фракція) є суміш метил ацетилену і аллен (пропадієну), стабілізовану, з метою безпеки ізобутаном, ізобутиленом, пропаном, пропіленом, бутадієном або іншими вуглеводнями в різних поєднаннях. МАФ володіє різко вираженим запахом, який виявляється вже при концентрації 1: 100 мг/м³. По токсичності газ відноситься до четвертої групи (малотоксичні). При високих концентраціях може викликати анестезуючу дію. Пари МАФ не роблять шкідливого впливу на слизисті оболонки, але попадання рідкої фракції на відкриті ділянки шкіри може викликати обмороження.

На відміну від пропана і природного газу МАФ має високу тепловіддачу, як у вторинній, так і в первинній зонах полум’я і в результаті має велику ефективну потужність полум’я в порівнянні з іншими газами. МАФ має температуру ефективної зони полум’я близькою до температури полум’я ацетилену (2927 Сє проти 3087 Сє) і зберігає передачу великої кількості теплоти на метал.

Ацетилен — вибухонебезпечний газ. З повітрям утворює вибухонебезпечну суміш. Температура самозаймання ацетилену 335єС.

Переваги використання в газополум’яній обробці металів такого технічного газу, ацетилену незаперечні. Ацетилен надає широкі можливості в обробці самих різних металів і тугоплавких матеріалів за рахунок забезпечення високої температури горіння. Проте ацетилен досить доріг. Це робить сферу його використання на практиці досить обмеженою. Вартість використовуваного ацетилену незмінно позначається на кінцевій вартості робіт.

З метою збільшення конкурентоспроможності підприємства, зниженню витрат на придбання ацетилену і зменшенню часу простою в разі невчасної доставки заправлених балонів пропонується радикальне рішення. Воно полягає в тому, що для забезпечення безперебійного здобуття досить дешевого ацетилену можна використовувати спеціальні генератори.

Технологія добування ацетилену за допомогою ацетиленового генератора досить проста. Для цього генератор заправляють спеціальними компонентами. Залежно від виробничих потреб можна генерувати таку кількість ацетилену, яка буде необхідна для безперебійного процесу. Ацетилен в генераторі утворюється в результаті хімічної реакції з'єднання вуглецю і водню. Для його добування використовують таку хімічну речовину, як карбід кальцію.

Для добування ацетилену необхідно зробити закладку карбіду кальцію в спеціальне відділення генератора, потім забезпечити доступ води. Після цього виставляються точні налаштування по кількості ацетилену, що виробляється, і запускається процес. Після добування ацетилену його можна закачати в спеціалізовані ємності під тиском. Але ацетилен в більшості випадків, що виробляється генератором, відразу ж подається в газовий пальник і використовується для забезпечення процесів горіння.

3.3 Необхідне обладнання, інструмент, пристрої для попередньої та остаточної обробки

Установка мийна стаціонарна ОМ-35 455М Установка Рис 3.3 призначена для видалення забруднень з деталей та вузлів тракторів, автомобілів та інших деталей машин від різного роду забруднень на станціях ремонту та обслуговування, а також для зняття мастил консервування, очищення деталей перед покриттям, перед покрашенням.

Рис 3.3 Установка мийна стаціонарна ОМ-35 455М 1 — мийна камера; 2 — відкидна кришка; 3 — ротор; 4 — стіл мийний; 5 — корзина; 6 — фільтр; 7 — пружини газові; 8 — блок нагріву; 9 — насос КМ 32−50−125; 10 — електрошафа; 11 — люк; 12 — вікно; 13 — лист;

Установка може використовуватися як мийна камера з мийними машинами високого тиску імпортного або вітчизняного виробництва.

Таблиця 3.2 Основні технічні характеристики

Токарно-гвинторізний станок 16К20

Токарні станки призначені головним чином для оброблення зовнішніх та внутрішніх циліндричних, конічних и фасонних поверхонь, нарізання різьби и оброблення бічних поверхонь деталей типу тіл обертання за допомогою різнорідних різців, зенкерів, мітчиків та плашок.

Попередня механічна штовхача здійснюється проточкою на токарному верстаті. Токарні верстати вже багато років є основним виробничим устаткуванням. За статистикою більше 60% всіх оброблюваних деталей проходять через токарні верстати.

Використання допоміжного спеціального обладнання (для шліфування, фрезерування, свердління) значно розширяє технологічні можливості станків даної групи. Процес різання на токарних верстатах здійснюється при обертаючому русі, що надається обробляючій заготовці, та при прямолінійному (поступальному русі подачі, що надається різцю. Елементами режиму різання при точінні заготовки являється швидкість різання, подача та глибина різання.

Рис 3.4 Токарно-гвинторізний станок 16К20 1 — станина; 2 — рукоятки управління блокування управління; 3,5,6 — установки подачі або шагу різьби, що нарізується; 4 — коробка подач; 7,12 — управління частоти обертання шпинделя; 8 — кожух ремінної передачі головного приводу; 9 — передня бабка з головним приводом; 10 — установки нормального та збільшеного шагу нарізання багато-західної різьби; 11 — зміна напряму різання; 13 — електрошафа; 14 — екран; 15 — захисний щиток; 16,17 — верхні санчата та рукоятки їх переміщення; 18,21 — фіксація пінолі, та штурвал її переміщення; 19,20 — задня бабка, та рукоятка її фіксації; 22 — супорт прокольного переміщення; 23 — включення прискореного переміщення; 24 — включення та виключення гайки ходового гвинта; 25 — управління зміною обертання шпинделя, та його зупинки; 26 — включення та виключення подачі; 27 — кнопка включення та виключення головного електродвигуна; 28- поперечне переміщення санчат; 29 — включення та виключення автоматичної повздовжньої подачі; 30 — фартух; 31 — повздовжнє переміщення санчат; 32 — ходовий гвинт; 33 — направляючі станини;

Таблиця 3.3 Основні технічні характеристики станка 16К20

Трьохкулачковий патрон Установлення заготовок в трьохкулачкові патрони відбувається при обробці деталей невеликої довжини. Універсальний самоцентруючий трьохкулачковий патрон Рис. 3.5 має три кулачка, які одночасно сходяться до центру або розходяться від нього. Кулачки забезпечують точне центрування деталі. Кулачки 2 рухаються радіальних пазах корпусу 3. В корпусі розташований диск, з однієї сторони якого є спіральна різьба, а з іншої нарізані зубці. Кулачки виступами на підошві входять в канавки спіральної різьби. Диск 4 приводиться в рух ключем, що вводиться в гніздо одного з спряжених з ним малих зубчатих коліс 1. Кулачки патрона рухаються до центру або від нього, закріплюючи або відпускаючи деталь. Робочі поверхні кулачків зношуються не рівномірно, тому їх періодично розточують або шліфують.

Рис 3.5 Трьохкулачковий патрон 1 — Конічне зубчате колесо; 2 — кулачки; 3 — корпус; 4 — диск зі спіральною нарізкою;

Станок для шліфування Р186

Штовхач встановлюється на підшипникову опору-призму, упирається торцем в грибок опору, який може висуватися відповідно по довжині штовхача.

Поворотом навколо горизонтальної осі приводний ролик притискує штовхача до підшипникової опори-призми. Вісь обертання ролика складає 4 до осі штовхача для створення осьової сили, що притискує штовхача до упору.

Шліфування проводиться за схемою зображеною на Рис. 3.6.

Рис. 3.6 Шліфування штовхача 1-шліфувальний круг; 2-ролик приводний; 3-штовхач; 4-опорна призма; 5-упор;

Установка Р 186 призначена для шліфовки фасок і торців клапанів з діаметром стрижня клапана 5−18 мм в умовах станцій технічного обслуговування і автотранспортних підприємств при ремонті автомобілів. Оскільки дане обладнання не призначене для шліфування таких деталей, як штовхач, то при використанні установки Р 186, необхідно внести її в конструкцію ряд змін.

В першу чергу необхідно замінити штатний шліфувальний круг на круг 3П250×25×76 1А40К. Використовувати одну опорну призму замість двох. Найважливішим етапом є налаштування механізму повороту приводу штовхача, адже вісь сферичного профілю штовхача повинна співпасти з віссю механізму повороту. Для цього повздовжні та поперечні санчата приводів знаходитимуться в майже граничних положеннях.

Формування сферичного профілю показано на Рис. 3.7.

Рис. 3.7 Формування сферичного профілю штовхача 1-штовхач; 2-шліфувальний круг; 3-напрямок обертання штовхача; 4-напрямок обертання шліфувального круга; 5-траекторія переміщення штовхача;

Утворення профілю відбувається в декілька етапів. Першим з яких є установлення необробленого штовхача, та запуск двигунів станка Рис. 3.7.а). Наступним етапом є саме процес шліфування, створення профілю сфери відбувається завдяки повертанню штовхача з його приводом навколо вертикальної осі, що співпадає з віссю сфери Рис. 3.7. б). При находженні штовхача в положенні Рис. 3.7. в) закінчується формування профілю і готовий відшліфований штовхач повертається в положення Рис. 3.7 г), в якому відбувається зупинка двигунів, та зняття деталі з станка.

Пристрій і принцип дії

По направляючих чавунної станини 1 (Рис. 3.8) переміщаються: двигун з шліфувальним кругом 4 (за допомогою маховичка 5), а вузол приводу деталі, редуктор, 11, приводний ролик 12 і двигун 13 (за допомогою рукоятки 7).

Рис. 3.5 Загальна схема розташування деталей та вузлів установки Р186 1-станина; 2-поперечні санчата; 3,13-електродвигуни; 4-круг шліфувальний; 5-маховичок; 6-салазки повздовжні; 7-рукоятка; 8-санчата поворотні; 9-призма; 10-кронштейн; 11-редуктор; 12-ролик приводний; 14-насос; 15-кронштейн; 16-пас; 17-бак для емульсії;

Вузол приводу деталі може повертатися: навколо вертикальної осі для обробки деталі під різним кутом (під кутом 45 і 60 до осі деталі) і навколо горизонтальної осі для затиску деталі в призмах 9 роликом 12 під дією ваги вузла.

Зазори в направляючих типу «ластівчин хвіст» вибираються регулювальними клинами. Кут нахилу рукоятки 7 може змінюватися перестановкою зубчатого сектора по рейці. Насос подачі емульсії 14 приводиться в дію гумовим кільцем (паском) 16 від шківа на валу двигуна. Бак для емульсії 17 висувається на планках з тильного боку станини. Двигуни пускаються пакетними вимикачами серії ПВ-3.

Використання такого специфічного обладнання для шліфування дає ряд переваг при відновленні штовхача підприємствами з малою механізацією, організаціям з обмеженими коштами, та станціям технічного обслуговування. Адже вартість станка Р 186 менша ніж вартість аналогічного обладнання для шліфування. Також використання цього станка не тільки для шліфування штовхача, а й для шліфування фасок клапана, робить даний станок незамінним в будь-якій майстерні, цеху, тощо.

4. Технологічна частина

4.1 Розробка технологічного процесу

З відділення миття де очищують штовхачі від бруду та залишків мастила їх передають на лінію відновлення, де проводять їхню придатність до відновлення. Далі штовхачі поступають на обробку різанням, де проводять проточку голівки штовхача на задану глибину на токарному верстаті. Нанесення покриття на штовхач відбувається на установці газополуменевого напилювання.

Після операції нанесення покриття на шліфувальному верстаті проводять чорнове шліфування голівки та чистове шліфування.

Потім очищають штовхач від різного роду залишків. Після цього він поступає на стіл контролю де проводять контроль якості нанесеного покриття, та лінійних розмірів деталі. На закінчення відбувається очищення і консервація готового виробу.

Алгоритм технологічного процесу відновлення штовхача:

Рис. 4.1 Алгоритм технологічного процесу відновлення штовхача

4.2 Підготовка порошків

Важливим етапом при підготовці порошку перед напилюванням є визначення його фракції. Адже від фракції порошку залежать як режими роботи так і якість кінцевого покриття. Для визначення фракції частинок порошку використовується так званий ситовий аналіз (ГОСТ 3584−73). Проходячи через спеціальний набір сит з визначеними розмірами комірки визначається розмір частинок порошку.

Просіюванням через сито добиваються того, що порошки маютьодинакову фракцію. Саме однорідність фракції порошку може гарантувати якісне покриття. Для просіювання порошку в більшості випадків використовуєть машина, яка має одночано близько 5 сит, що дозволяє з маси порошку відділити декілька фракцій.

При підготовці порошку обов’язково відбувається сушка, яка дозволяє підвищити сипкість порошку, знижується кількість вологи, органічних забруднень. Для сушки металевих порошків температура складає 120 — 150? С.

Після просіювання та вибору данної фракції порошку відбувається прогартовування порошку. Прокгартовування здійснюється для розпаду більших фракцій на менші, при температурі близькій до 900С, після прогартовування проводиться повторне просіювання.

Після другого просіювання та відбору необхідної фракції порошок необхідно просушити при темпіратурі 150−180 ^оС на протязі 1−1,5 години в сушильних шафах. Це необхідно робити для видалення вологи з порошку, що дозволяє зменшити пористість наплавленого шару.

Підготовлюючи порошки, необхідно перевіряти їхню сипкість. Для цього використовують методики, прийняті в порошковій металургії.

4.3 Підготовка поверхні перед напилюванням

Для нанесення якісного покриття, необхідно дотримуватися певного контролю поверхні, а саме її чистоти та шорсткості. Ступінь очищення поверхні деталей від забруднення фактично визначає якість готового покриття. Наявність на поверхні бруду, плівок масла, сліди окислів, зменшується міцність зчеплення нанесеного покриття з матеріалом деталі, і служить причиною більшості браку та передчасного виходу з ладу. Особливу увагу приділяють деталям, які мають ґрунтові забруднення, залишки паливно-змащувальних матеріалів, продуктів корозії та інших специфічних забруднень. Видалення яких проводять різними технологічними способами та механізмами: механічним, струмінню, занурюванням, циркуляційною обробкою, комбінованими способами і ін.

Якість відновлених деталей методом будь-якого процесу напилювання значною мірою залежить від дотримування технологічних режимів підготовки поверхні і режимів нанесення самого покриття. Для підвищення сили механічного зчеплення з поверхнею з напиленим шаром, перед нанесенням деталь піддають обробці, в результаті якої її поверхня стає більш шорсткою.

Для підвищення шорсткості поверхні виконують механічну (нарізка рваної різьби, фрезерування, обкатка) і дробоструменеву обробку. Найбільш ефективним процесом вважають дробеструменеве оброблення. Його застосовують для підвищення шорсткості майже на всіх відновлюваних деталях. Деталі з алюмінієвих сплавів та сплавів кольорових металів частіше піддають механічній обробці: плоскі фрезерують, а циліндричні піддають проточці на токарному верстаті. Під час проточки рваної різьби різець в різцетримачі супорту встановлюють з більшим вильотом, чим зазвичай при обточуванні звичайних деталі. При цьому кінчик різця повинен бути на 1−2 мм нижче осі деталі. При такому налаштуванні різець під час проточування дрібно вібрує, створюючи на поверхні переривчату різьбу.

Глибина проточування залежить від ступеня зношування деталі, але повинна бути не меншою ніж 0,6 мм від номінального розміру деталі, з тим щоб після остаточної обробки нанесеного покриття його товщина була не менше 0,3 мм.

Поверхня деталі, що не підлягає відновленню, необхідна піддатися захисту від пошкоджень. Для цих цілей виготовляють спеціальне обладнання та пристосування. Коли деталь вже оброблена і підготовлена до напилювання, до неї не можна торкатися голіруч, оскільки наявність на поверхні навіть найменших забруднень, особливо слідів жиру і масла, знижує в декілька разів міцність зчеплення покриття з основою. Всі операції по переміщенню деталей на ділянці необхідно проводити в захисних чистих рукавицях або за допомогою спеціальних щипців та іншого обладнання такого роду.

В більшості випадків саме перед процесом напилювання поверхню знежирюють спеціальними розчинниками або іншими речовинами, для повного виключення жирових включень. При використанні спеціальних розчинників слідують інструкціям та методам індивідуального захисту залежно від типу розчинника.

Перед нанесенням покриття на відновлювану поверхню, необхідно відпрацьовувати режими напилювання на зразках, виходячи із загальних рекомендацій.

Великий вплив на міцність зчеплення покриття з основою надає метод і якість підготовки поверхні деталі до напилювання. Чим шорсткішою вона буде і чим менший проміжок між виконанням цієї операції і нанесенням покриття, тим міцність зчеплення з основою буде вища.

Одним із чинників, що впливають на міцність покриттів, є їх товщина. Із зростанням товщини шару покриття, унаслідок збільшення внутрішньої напруги покриття, що виникає при нанесенні його, міцність зчеплення знижується. При нанесенні покриття значної товщини можливе розтріскування та відшарування частин покриття.

Для виключення перегріву і окисленню металу деталі при нанесенні значних за площею покриттів деталь охолоджують стислим повітрям від компресора. Струмінь повітря направляють на вже нанесене покриття. Попадання стислого повітря на частинки порошку або в пляму напилювання може призводить до охолодження частинок і негативно позначитися на властивостях покриття.

4.4 Розрахунок режимів напилювання

Необхідними розрахунками процесу є розрахунки використаного порошку. Саме цей параметр може надати приблизні відомості про доцільність відновлення, адже вартість порошку складає більшу частину собівартості відновлення. Також цей параметр необхідний в подальшому для контролю напилювання.

Таблиця 4.1 Вихідні дані

Для подальших розрахунків проводиться визначення густини порошку за формулою 4.1.

с _{порошку} = 0,8· с_Ni + 0,2· с_Cr; (4.1)

с _{порошку} = 0,8· 8,9 + 0,2· 7,19;

с _{порошку} = 8,56 г/см³;

Визначення об'єму порошку проводиться за формулою 4.2.

V= рR²· h;(4.2)

V =3,14· ·3 =1472мм³=1,47 см³;

Теоретична маса використаного порошку визначається за формулою 4.3.

m _теор. = с _{порошку}· V;(4.3)

m _теор. =8,56 г/см³· 1,47 см³=12,58 г.

Практична маса порошку розраховується за формулою 4.4.

M _практ. = ;(4.4)

M _практ =? 21 г.

З розрахунків слідує висновок, що для відновлення штовхача необхідно 21 г. порошку ПХ20Н80.

4.5 Остаточна обробка поверхні

Оброблення напилених покриттів проводять різними шляхами. Здійснюють шліфування поверхні або ж її проточування. При оброблюванні напилених покриттів виникає ряд особливих явищ, які необхідно враховувати.

В першу чергу, при обробці напиленої поверхні виникає напружений стан покриття, унаслідок різниці коефіцієнтів термічного розширювання і особливостей структури основного матеріалу, та матеріалу покриття.

По-друге, різні теплофізичні властивості матеріалу і покриття змінюють картину розповсюдження теплових потоків.

По-третє, шарувата будова матеріалу покриття, та наявність включень оксидів і слабкість зв’язків частинками зумовлюють специфічну природу фізико-хімічних явищ в зоні контакту інструменту і оброблюваного покриття. Тому при точінні переважно використовувати твердосплавні різці із закругленою вершиною різця.

Покриття із сплавів нікелю мають твердість 58−64 HRC_э, їх обробляють кругами із зеленого або чорного карбіду кремнію. При цьому попереднє шліфування проводять на режимі: V_k=20 м/с, V_d=12 м/хв., S_d=0,03 мм/дв.х, S_K=0,6 м/хв., а остаточне виконують на режимі V_k=30 м/с, V_d=17 м/хв., S_d=0,05 мм/дв.х, S_K=0,3 м/хв.

Зазвичай після механічної обробки допускаються пори і шлакові включення розміром менше 1 мм, загальне число пір і включень не повинне бути більше п’яти і відстань між ними не менше 5 мм на площі 250×250 мм.

Неприпустимим після шліфування є відшаровування частин покриття, наявність пор, та виявлення шлакових включень розмірами більш ніж 2 мм. При виявленні таких дефектів як тріщини, сколювання частини покриття, різного роду рисок, появлення чорноти та іншого роду слідів (наприклад від різця) деталь повертають на лінію відновлення, де вона проходить увесь алгоритм процесу відновлення.

4.6 Контроль якості покриттів

На сам перед перевіряють концентричність штовхача клапана щодо його осі на пристосуванні з індикаторними головками, та лінійні розміри довжини готової деталі.

Контроль зовнішнього вигляду здійснюють шляхом огляду з метою установлення наявності або відсутності спучення, тріщин, сколів або відшаровувань покриття і зрівняння кольору покриття з еталоном. Огляд здійснюють за допомогою лупи. Геометричні розміри деталі з покриттям заміряють звичайним вимірювальним інструментом (лінійкою, штангенциркулем, мікрометром).