СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ Российский патент 2003 года по МПК B23P6/00 B22D19/10 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к центробежной наплавке, и может быть использовано для восстановления изношенных внутренних поверхностей гильз цилиндров и других деталей, имеющих форму тел вращения.

Известен способ восстановления гильз цилиндров пластинированием [1, 2], заключающийся в том, что в изношенную гильзу после механической обработки и придания правильной геометрической формы ее отверстию вставляется свернутая в цилиндр и состоящая из двух частей упругая пластина из тонкой стальной ленты (например, из стали У8), подвергнутой предварительной термообработке для получения необходимых эксплуатационных свойств, которая благодаря упругости и небольшой толщине плотно прилегает к стенке отверстия гильзы, принимая его форму
Однако при этом способе необходимы высокая точность получения размеров пластин, подгонка сопрягаемых торцов двух частей пластин, что связано с большой трудоемкостью, относительно высокой стоимостью оборудования и сложностью многооперационного технологического процесса. Кроме того, замена рабочей чугунной поверхности гильзы цилиндра стальной ухудшает условия работы пары гильза цилиндра - поршень. Учитывая изложенное, этот способ не нашел широкого применения.

Более близким к предлагаемому техническому решению является способ восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров индукционной центробежной наплавкой [3], заключающийся в том, что присадочный материал в виде порошка, смешанного с флюсом, вводят в проточку вращающейся вокруг горизонтальной оси гильзы и затем нагревают совместно с ней до температуры выше 1273 К (1000^oС). Расплавление присадочного материала происходит за счет теплопередачи от основного металла гильзы, нагреваемого индуктором, вводимым в отверстие гильзы.

Однако технология упомянутого способа восстановления еще до конца не отработана и не обеспечивает стабильные результаты, требуется относительно сложное оборудование, обеспечивающее подачу индуктора в отверстие гильзы; нагрев присадочного материала теплопередачей от основного металла гильзы не обеспечивает расплавления относительно большого объема присадочного материала при необходимости наплавления слоя металла толщиной 3-4 мм и более; процесс можно использовать только для наплавки металла с температурой плавления значительно ниже чем температура плавления основного металла, так как нагрев основного металла гильзы до высокой температуры, близкой к температуре плавления, может привести к короблению, деформации деталей и трещинам в них, а также окислению поверхностей, не подлежащих восстановлению, а следовательно, к потере размерной точности деталей, из-за чего процесс восстановления теряет смысл. Все это делает процесс восстановления очень трудоемким, дорогим, нестабильным и, зачастую, не обеспечивающим необходимые требования к наплавленному слою, поэтому этот способ используют редко и только для повышения износостойкости деталей.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является упрощение процесса восстановления гильз, повышение производительности труда, снижение трудоемкости процесса и расхода металла, повышение стабильности процесса и качества восстановленных деталей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров, включающем нагрев гильзы, вращение ее вокруг горизонтальной оси и введение присадочного материала на восстанавливаемую поверхность, в указанном способе присадочный материал вводят в гильзу на восстанавливаемую поверхность в жидком состоянии, упомянутую поверхность перед восстановлением обрабатывают с получением "рваной" резьбы под размер, обеспечивающий толщину наплавленного слоя после наплавки и окончательной механической обработки не меньше минимально допустимой при эксплуатации, при этом нагрев восстанавливаемой поверхности гильзы производят перед вводом внутрь присадочного материала.

Анализ известных способов восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров показал, что ни один из них не содержит совокупности операций, содержащихся в предлагаемом решении, следовательно, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критериям охраноспособности.

Восстановлению подвергли гильзы цилиндров двигателей КамАЗ, которые при капитальном ремонте полностью заменяются новыми, так как техническими условиями не предусмотрено восстановление их механической обработкой под ремонтные размеры, из-за чего при прочих равных условиях сокращается срок их использования. Для наплавки отбирали гильзы без трещин и обломов.

В предварительно подготовленную и нагретую изложницу устанавливали очищенную дробеструйно и нагретую до температуры ≈ 720 К восстанавливаемую гильзу, внутренний диаметр которой был расточен до 124,6 мм (см. расчеты ниже) и имел "рваную" резьбу, включали привод изложницы и во вращающуюся с частотой вращения 1000 мин^-1 гильзу из ковша заливали необходимое количество металла, нагретого до температуры ≈ 1670 К (1400^oС) и имеющего химический состав, соответствующий химическому составу гильз цилиндров двигателей КамАЗ. После затвердевания наплавленного слоя оснастка разбиралась, и восстанавливаемые гильзы медленно охлаждались (в термопечах или термошкафу).

Контроль макроструктуры наплавленного слоя и места сплавления его с основным металлом на кольцах, вырезанных из верхней, средней и нижней частей (по высоте) восстановленной гильзы показал, что наплавленный слой по всей окружности гильзы имеет плотное мелкозернистое строение без неметаллических включений и пузырей, практически не отличающееся от строения основного металла, а место соединения наплавленного слоя с основным металлом, в основном, плотное, но местами встречаются одиночные газовые раковины размером не более 1,5 мм.

Таким образом, изучение макроструктуры показало, что качество наплавленного слоя и места контакта его с основным металлом удовлетворительны. При этом коробление, деформация и трещины на невосстанавливаемых поверхностях, а также их окисление не наблюдались.

Отсутствие неметаллических включений в зоне контакта наплавленного слоя с основным металлом объясняется тем, что при наплавке не использовали флюс, который, как показали предварительные эксперименты [4], не успевал расплавиться и пройти через наплавленный металл, образовывая неметаллическую прослойку между слоями и уменьшая силу их сцепления. Плотное строение металла в зоне контакта получалось за счет нагрева гильз до температуры, достаточной для удаления механической влаги перед наплавкой, но относительно низкой для того, чтобы появлялись коробление, трещины и окисление. При этом для обеспечения достаточной силы сцепления наплавленного слоя с основным металлом, которую контролировали по специально разработанной методике, на восстанавливаемой поверхности гильзы перед наплавкой нарезали "рваную" резьбу, что предотвращало смещение наплавленного слоя относительно основы (при восстановлении гильз цилиндров двигателей КамАЗ пластинированием, допускаемым техническими условиями, сцепление между слоями вообще отсутствует).

При увеличении частоты вращения гильз при наплавке до 1400 мин^-1 сцепление слоев увеличивалось на 10-15%.

В процессе эксперимента контролировали твердость и химический состав наплавленного слоя, которые соответствовали требованиям технических условий на гильзы цилиндров двигателей КамАЗ.

При токарной обработке и хонинговании отверстий восстановленных гильз затруднений практически не наблюдалось.

Для устранения опасности появления поверхностного отбела в торцах наплавленного слоя последние можно изолировать от металлической оснастки листовым асбестом.

Для повышения прочности наплавленного слоя и уменьшения вероятности скалывания его при механической обработке его толщина после механической обработки должна быть максимально возможной, но не меньше минимально допустимой, которая может выдержать нагрузку в конце цикла сжатия, не разрушаясь.

Расчет минимально допустимой толщины стенки гильзы вели по наиболее опасной нагрузке от внутреннего давления газов, пренебрегая боковой нагрузкой на стенки гильзы от поршня и температурными напряжениями из-за их малой величины [5]

(единицы физических величин соответствуют применяемым в источнике)
где σ_p - напряжение разрыва по образующей цилиндра, кг/см²;
Р_zm - максимальное давление газов, кг/см²;
D - внутренний диаметр гильзы, см;
δ_p - наименьшая толщина стенки гильзы, см.

Следовательно,
.

Учитывая, что нагрузка на стенки гильзы по кольцевому сечению значительно ниже [5], чем по образующей цилиндра, принимаем минимально допустимую толщину стенки гильзы 1,2 мм.

Гильзы перед наплавкой растачивали на диаметр 124,6 мм, что при номинальном диаметре гильзы 120 мм позволяло получать толщину наплавленного слоя восстановленной гильзы после механической обработки 2,3 мм, т.е. почти в 2 раза больше расчетной. Расточку гильз перед наплавкой на больший диаметр не позволял их наружный размер.

Экономическая эффективность использования восстановленных гильз цилиндров при ремонте двигателей КамАЗ в натуральном исчислении составляет

где M - годовой экономический эффект, тонн легированного чугуна в год;
120000 - минимальное количество автомобилей КамАЗ, находящихся в эксплуатации, шт.;
5 - примерный срок эксплуатации до капитального ремонта, лет;
8 - число гильз в одном двигателе, шт.;
16 - масса чугуна для изготовления одной новой гильзы по данным Челябинского предприятия "КамАЗ-сервис" ("Мапра"), кг;
4 - масса чугуна для восстановления одной гильзы по результатам эксперимента, кг;
0,5 - коэффициент использования пригодных для восстановления наплавкой гильз цилиндров, полностью заменяемых при капитальном ремонте (учитывает число гильз, имеющих трещины и сколы и не подлежащих восстановлению), по данным статистики
Учитывая снижение трудоемкости механической обработки восстанавливаемых гильз по сравнению с обработкой новых (требуется, практически, только обработка отверстия), а также возможность восстановления гильз цилиндров двигателей других автомобилей и тракторов, экономический эффект будет значительно выше.

Кроме того, снижение расхода чугуна позволяет экономить невосполнимые природные ресурсы, в частности железную руду и легирующие материалы.

Таким образом, предлагаемый способ восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров, заключающийся в том, что не содержащий флюс присадочный материал в жидком состоянии вводится на восстанавливаемую поверхность нагретой гильзы, вращающейся вокруг горизонтальной оси, а восстанавливаемая поверхность предварительно обработана с образованием на ней "рваной" резьбы под размер, обеспечивающий толщину наплавленного слоя после наплавки и окончательной механической обработки не менее минимально допустимой при эксплуатации согласно расчету, позволяет упростить процесс восстановления гильз, повысить производительность труда, снизить трудоемкость восстановления и расход металла, повысить стабильность процесса восстановления и качество восстанавливаемых деталей и, в конечном счете, значительно повысить экономическую эффективность процесса восстановления. При этом свойства восстановленных гильз практически не уступают свойствам новых гильз.

Литература
1. Канарчук В.Е., Чигринец А.Д., Голяк О.Л. и др. Восстановление автомобильных деталей. - М.: Транспорт, 1995.

2. Титунин Б.А. Ремонт автомобилей КамАЗ. - М.: Агропромиздат, 1991.

3. Воловик Е. Л. Справочник по восстановлению деталей. - М.: "Колос", 1981.

4. Грехов И.Н., Волковичер Л.С., Клецкин Б.Э. и др. Восстановление деталей центробежной наплавкой // Автомобильная промышленность. - 1997. - 3.

5. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч.II./Под ред. И.М.Ленина. - М. : Высшая школа, 1976.

Способ может быть использован в литейном производстве при восстановлении центробежной наплавкой тел, имеющих форму тел вращения. Перед наплавкой производят обработку восстанавливаемой поверхности гильзы с получением рваной резьбы до максимально возможного диаметра, обеспечивающего получение наплавленного слоя заданной толщины. Перед вводом внутрь присадочного материала в жидком состоянии производят нагрев восстанавливаемой поверхности гильзы. Наплавку производят при вращении гильзы вокруг горизонтальной оси. Способ позволяет повысить стабильность процесса и качество восстановления деталей.

Способ восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров, включающий нагрев гильзы, вращение ее вокруг горизонтальной оси и введение присадочного материала на восстанавливаемую поверхность, отличающийся тем, что перед восстановлением производят обработку внутренней поверхности гильзы с получением рваной резьбы до максимально возможного диаметра, обеспечивающего последующее получение наплавленного слоя толщиной, после его окончательной механической обработки, не менее минимально допустимой при эксплуатации толщины стенки гильзы, при этом присадочный материал вводят в жидком состоянии, а нагрев гильзы производят перед вводом присадочного материала.