1.                    ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ

1.1 Исходные данные.

Исходными данными для разработки технологического процесса являются:

l 

l 

l 

l 

1.2 Анализ условий работы детали.

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.

Материал шатуна – сталь 45Г2, твёрдость материала шатуна НВ 228¸269.

1.3 Технические условия на контроль-сортировку.

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 чертеже. При контроле детали, поступившей в капитальный ремонт проверяются следующие параметры:

l 

l 

l  ^+0,023 мм;

l 

l 

1.4 Маршрут восстановления детали.

Согласно карте дефектации во время капитального ремонта восстанавливаются лишь отверстия верхней и нижней головки и изгиб шатуна. Поэтому маршрут восстановления детали один.

1.5 Способы устранения дефектов.

Изгиб или скручивание шатуна проверяется на универсальной установке для проверки и правки шатунов. Если шатун имеет недопустимый изгиб, то нужно не снимая его с прибора править скобой до устранения дефекта. Если шатун скручен, то нужно не снимая его с прибора править при помощи винтового приспособления до устранения скручивания. Далее шатун нагревается в электропечи-ванне до температуры 450¸500 °С, для снятия напряжений, и выдерживается при этой температуре в течении часа, затем охлаждается на воздухе. После ремонта шатун должен удовлетворять следующему условию: параллельность осей отверстий верхней и нижней головки и отклонение от положения их в одной плоскости не более 0,03 мм на длине 100 мм.

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).

1.6 План рациональной последовательности и содержание технологических операций.

При составлении технологического маршрута необходимо учитывать следующие требования:

l 

l 

l 

План рациональной последовательности принимаем следующий:

1). Моечные операции.

2). Контрольные операции.

3). Слесарно-механическая операция (правка шатуна).

4). Расточная операция (тонкая расточка) отверстия в верхней головке шатуна под втулку ремонтного размера.

5). Расточная операция (чистовая расточка отверстия в нижней головке шатуна для исправления геометрии).

6). Гальваническая операция (нанесение покрытия на поверхность отверстия в нижней головке шатуна).

7). Шлифовальная операция (шлифовка восстановленного отверстия до номинального размера с учётом припуска на хонингование).

8). Хонинговальная операция (хонингование отверстия до номинального размера).

9). Контрольная операция.

1.7 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:

l 

l 

l 

При механической обработке шатуна базой является торцовая поверхность кривошипной головки. При износе этой поверхности она должна быть восстановлена. При правке шатуна используют универсальное приспособление и базовым является отверстие в верхней головке шатуна.

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

Схема базирования.

Рис. 1.1.

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.

1.8. 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 проверки и правки используется универсальное приспособление. Изгиб правится скобой до устранения дефекта, при скручивании шатун правится при помощи винтового приспособления. Для контроля используют набор щупов 0,01¸0,45 мм.

Для предварительного чистового растачивания используем токарный станок 1М61 с применением приспособления для центровки нижней головки шатуна. Характеристики станка приведены в табл. 1.1. 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.

Таблица 1.1

Краткая характеристика станка 1М61.

Таблица 1.2

Краткая характеристика станка 3А228.

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. Характеристики станка приведены в табл. 1.3. 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.

Таблица 1.3

Краткая характеристика станка 3Б833.

При точении отверстия верхней головки шатуна используем токарный станок модели 1М61. Данные станка приведены в табл. 1.1. 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. Уменьшение расстояния между осями верхней и нижней головок контролируем шаблоном 155,95 мм.

1.9 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:

                                                                 (1.1)

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:

l 

l 

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:

                                             (1.2)

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).

                                                         (1.3)

                                                         (1.4)

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

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

Схема графического расположения припусков и допусков при восстановлении детали.

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

                                                 (1.5)

                                                           (1.6)

                                                               (1.7)

                                                          (1.8)

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

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

                                               (1.9)

                                                         (1.10)

                                                             (1.11)

                                                 (1.12)

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

                                         (1.13)

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

                                                         (1.14)

                                                             (1.15)

                                                    (1.16)

6). Определим толщину наращиваемого слоя при восстановления детали:

                                                       (1.17)

                                                       (1.18)

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

                                             (1.19)

                                              (1.20)

                                                  (1.21)

                                            (1.22)

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.

Таблица 1.4

Расчёт припусков и предельных размеров на обработку детали.

1.10 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.

1.11 Расчёт режимов механической обработки.

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

1.11.1 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:

                                                      (1.23)

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:

                                (1.24)

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):

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

                                                                 (1.25)

где d_Д – диаметр детали (отверстия), мм.

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:

                                                            (1.26)

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

                                                                 (1.27)

где р_z – составляющая силы резания.

                                             (1.28)

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.

                                        (1.29)

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.

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

Условие выполняется: N_р<N_э

0,23<3.

1.11.2 Железнение.

После выполнения токарной обработки предусмотрена гальваническая операция (железнение – см. п. 1.10) отверстия нижней головки шатуна.

1.11.3 Шлифование.

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

                                                       (1.30)

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.

Условие выполняется: N_р<N_эст

3,6<8,275.

1.11.4. Хонингование отверстия нижней головки шатуна.

Определяем скорость резания по формуле:

                                                               (1.31)

где v_в – скорость вращательного движения хона, об./мин.; v_в-п – скорость возвратно-поступательного движения хона, м/мин.

                                                                (1.32)

где D=63,4 мм – диаметр хонингуемого отверстия; n=155 об./мин. – частота вращения шпинделя станка.

                                                            (1.33)

где n_вх=10 ход/мин. – число двойных ходов хона; L_х=0,15 м – длина хона.

 м/мин.

Мощность при вращательном движении определяется по формуле:

                                                               (1.34)

где Р_х – осевая составляющая силы резания, м.

                                                            (1.35)

где f_х – коэффициент трения резания; р – давление брусков, Па; S – площадь контакта одного бруска с обрабатываемой поверхностью, м²; n – количество брусков в хоне, ед.

Условие выполняется: N_в<N_эст

1,25<2,8.

1.11.5 Растачивание отверстия верхней головки шатуна.

Протачиваем отверстие верхней головки шатуна до ремонтного размера. 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:

                                                      (1.23)

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:

                                (1.24)

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):

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

                                                                 (1.25)

где d_Д – диаметр детали (отверстия), мм.

Максимальная частота вращения шпинделя станка равна 2000 об./мин. Принимаем частоту вращения шпинделя, близкую к расчётной n=850 об./мин.

Тогда скорость обработки рассчитывается по формуле:

                                                            (1.26)

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

                                                                 (1.27)

где р_z – составляющая силы резания.

                                             (1.28)

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.

                                        (1.29)

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.

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

Условие выполняется: N_р<N_э

0,50<3.

1.12 Техническое нормирование операций технологического процесса.

Норма времени включает ряд элементов: t_о – основное время; t_в – вспомогательное время; t_орм – время обслуживания рабочего места; t_п – время перерыва на отдых; T_п-з – подготовительно-заключительное время.

Основное время – время в течение которого происходит изменение размеров, формы и свойств обрабатываемых поверхностей детали.

Вспомогательное время включает две составляющие: время на установку и снятие детали и время, связанное с переходом.

Время обслуживания рабочего места и время перерыва на отдых принимается в процентах от оперативного времени, которое равно сумме основного и вспомогательного времени.

Подготовительно-заключительное время даётся на парию и не зависит от величины этой партии.

Штучно-калькуляционное время определяется по формуле:

                                                          (1.30)

где n – размер партии деталей.

Размер партии определяется по формуле:

                                                                (1.31)

где N=20000 шт. – производственная программа; D_x – число дней хранения (10-20 дней); D_p – число рабочих дней в году.

Расточная обработка отверстия нижней головки шатуна:

                                                                   (1.32)

где L_px – длина рабочего хода инструмента, мм; i – число проходов; n – частота вращения детали, об./мин.; S – подача инструмента за один оборот детали, мм/об.

                                                      (1.33)

где t_ву - вспомогательное время на установку-снятие; t_вп - вспомогательное время, связанное с переходом.

Растачивание отверстия верхней головки шатуна:

мин.

Шлифование отверстия нижней головки шатуна:

                                                               (1.34)

где L_px – длина рабочего хода инструмента, мм; h – припуск на диаметр, мм; K₃ – коэффициент ходов; n_D – частота вращения детали, об./мин.; S_пр – глубина шлифования, мм.

мин.

мин.

мин.

Хонингование отверстия нижней головки шатуна:

,                                                                  (1.35)

где z – припуск на диаметр, мм; b – толщина слоя металла, снимаемого за двойной ход хона, мм.

мин.

мин.

Гальваническое покрытие.

Восстанавливаем размеры отверстия нижней головки шатуна:

                                                        (1.36)

где h – толщина покрытия, мм; g - плотность осаждённого металла, г/см³; D_к – плотность тока на катоде, А/дм²; С – электрохимический эквивалент, г/А´ч; h - коэффициент выхода металла по току.

                                                      (1.37)

где n₁ – количество деталей, загруженных в ванну; K_u – коэффициент использования ванн.