Раздел 5

Технологическая часть.

• Выбор конструкции пуансона.

Для восстановления профиля кулачков я выбрал метод пластической деформации, а конкретно вдавливание. Для проведения данной операции необходимо, как уже было сказано, предварительно разогреть отдельный участок детали, на который будут действовать силы давления. То есть нагреть кулачок распределительного вала до температуры 840° С. Мой выбор пал на электроконтактный метод нагрева кулачков с торцов переменным током. Физическая сущность электроконтактного способа нагрева заключается в том, что масса металла (деталь) нагревается за счет тепловой энергии электрического тока, протекающего по нему и преодолевающего электрическое сопротивление, оказываемое этим металлом, вследствие чего в последнем выделяется тепловая энергия.

В то же время контакты электроконтактной установки можно использовать как инструмент вдавливания, имеющий определенный профиль, необходимый для предания кулачку нужной формы. Для этого необходимо переоборудовать электроконтактную установку: оснастить ее приспособлением для фиксации распределительного вала в горизонтальном положении и вращения вокруг оси; оснастить специальными контактами, которые не только нагревают, но и передают силу давления (вдавливаются) кулачку именно с торцов(рис.5.1).

Рис. 5.1. Схема расположения контактов относительно кулачка распределительного вала:1 — трансформатор, 2 — направление силы давления , 3 —кулачок, 4 – контакты.

Таким образом контакты выполняют роль пуансонов, которые выдавливают металл с нерабочей торцевой поверхности кулачка в сторону ее вершины (рис.5.2). Для достижения такого эффекта(смещение слоев металла в нужном направлении) пуансон-контакт должен быть определенной геометрической формы - полуцилиндр (рис.5.3).

Рис. 5.2. Направление движения смещающегося слоя металла: 1 – пуансоны-контакты, 2 – смещенный слой металла, 3 – кулачок распределительного вала.

Рис.5.3. Геометрические формы пуансон-контакта: 1 – основание, 2 - погружающаяся в металл часть.

Подобная форма пуансон-контакта выбрана для более правильного смещения нагреваемого металла кулачка в сторону вершины. Радиус профиля пуансона равна R= 4 мм, площадь контактируемой поверхности S = πR²/2

S= (3,14*4²)/2= 25,12 мм²

Рассчитаем ориентировочный объем изнашиваемого металла при износе вершины кулачка 2мм:

, где Н – ширина кулачка 19 мм

V₁ = (3.14*2² *19)/2= 238,6 мм³

Таким образом необходимо восстановить не менее 240 мм³ металла.

Рассчитаем объем выдавливаемого металла с помощью пуансон-контактов с двух сторон.

Геометрические параметры (расчетные) пуансон-контактов находим по той же формуле :

Радиус R – 4 мм

Вдавливаемая общая длина H – 18 мм

V₂ = (3,14*4² *18)/2 = 452,2 мм³

Данное количество металла, согласно неравенству V₂ > V₁, является достаточным для восстановления вершины кулачка в ремонтный размер. Следовательно, конструкция пуансон-контактов считается удовлетворительным. Пуансоны в работе подвергаются воздействию высоких силовых нагрузок, а также тепловым нагрузкам. Поэтому пуансон для горячих процессов изготавливают из износоустойчивых сталей с повышенной прочностью при температурах деформирования. Так как пуансон выполняет роль контактов электроконтактной установки, он должен обладать высокой электропроводностью.

Ввиду конструкции распределительного вала, у кулачка есть труднодоступные места для пуансон-контактов. Как видно из рисунка 5.4, каждый кулачок имеет одну свободную сторону и одну прикрытую сторону другим кулачком или опорной шейкой. Расстояние между кулачками и опорной шейкой составляет 9 мм. Соответственно пуансон-контакт одной стороны будет меньшего размера в сечении по сравнению с другим и иметь другой профиль. Значит в кулачок будет вдавливаться только одна сторона контактов рис.5.4. С труднодоступной стороны контакт только прижимается к кулачку, с другой стороны контакт вдавливается после нагрева кулачка на 18 мм.

Рис.5.4. Конструкция и расположение пуансон-контактов на валу:

• Пуансон-контакт, 2- контакт, 3- опорная шейка распредвала.

Необходимо рассчитать ориентировочное усилие для деформирования кулачка распределительного вала:

Р= Fσ_тС,

где F – площадь основания пуансона, σ_т- предел текучести материала распределительного вала при температуре 840°С, С – коэффициент, зависящий от угла инструмента.

F= 25,12мм²

σ_т= 15 Н/мм²

С = 4 (согласно таблице 9, выбираем наибольший коэффициент)

Р= 25,12 * 15*4 =1507,2 Н, что соответствует 106 кг.

Таким образом, необходимое усилие для вдавливания пуансон-контакта при температуре нагрева 840°С, принимаем Р= 106 кг.

• Выбор оборудования.

Для нагревания кулачка при восстановлении вершины необходима установка электроконтактного нагрева. С помощью этой установки прямого нагрева и ряда приспособлений можно сконструировать оборудование для восстановления вершины кулачка распределительного вала методом пластической деформации с электроконтактным нагревом деформируемой поверхности.

Установками прямого нагрева принято называть такие, в которых преобразование электрической энергии в тепловую происходит в нагреваемом материале (то есть в вершине кулачка) при непосредственном подключении его к источнику питания электроэнергией за счет прохождения через него электрического тока по закону Джоуля–Ленца. Прямой нагрев не имеет пределов по достижимым температурам, обладает высокой скоростью, пропорциональной вводимой мощности, и высоким КПД.

Принцип работы установки электроконтактного нагрева(рис. 5.5):

Деталь включают в электрическую цепь и нагревают протекающим по ней электрическим током. Так как сопротивление цепи мало, то для нагрева необходим ток большой силы, который подводят к ней при помощи контактов.

Нагревать можно постоянным или переменным током, однако практически применяется только переменный ток, так как необходимые для нагрева токи в сотни и тысячи ампер при напряжении от десятых долей вольт до 24 В могут быть наиболее просто получены лишь при помощи трансформаторов переменного тока. Трудность подвода тока к детали - один из существенных недостатков контактного нагрева деталей. Зажимы должны иметь хороший контакт с деталью. В промышленных установках прямого нагрева для этого применяют пневмо- и гидроприводы, для снижения температуры в контактах делают их водоохлаждаемыми.

Рис.5.5. Установка электроконтактного нагрева деталей.

Установка прямого нагрева включает в себя следующие основные узлы:

а) понижающий трансформатор, монтируемый в кожухе установки с обмоткой, охлаждаемой водой, и несколькими ступенями напряжения в диапазоне до 25 В, обеспечивающий нагрев тел, имеющих разное сопротивление;

б) токопровод от выводов обмотки низкого напряжения трансформатора до водоохлаждаемых зажимов(контактов);

в) зажимы, обеспечивающие крепление нагреваемого изделия и необходимое давление в контактах подвода питания;

г) привод контактной системы;

д) приборы контроля и автоматического регулирования процесса нагрева.

На рис. 5.6 изображена одна из конструкций контактных установок мощностью 150 кВА. Установка предназначена для заготовок длиной от 400 до 650 мм и диаметром от 20 до 42 мм.

В настоящее время есть возможность нагревать электроконтактным способом заготовки до 75 мм в диаметре. Для заготовок диаметром более 75 мм этот способ не применяется из экономических соображений, так как при больших размерах заготовок чрезвычайно возрастают размеры силовых трансформаторов. КПД электроконтактных установок колеблется от 60 до 90%. Удельный расход электроэнергии при нагревании легированных сталей составляет 0,325 кВт • ч/кг, что в полтора раза меньше чем при индукци онном нагреве.

Рисунок. 5.6. Установка электроконтактного нагрева заготовок типа К-17:
1 - понижающий трансформатор, 2 - зажимные контактные головки, 3 - шкаф с аппаратурой управления, 4 - контактор; 5 - пневматический кран.

Для восстановления кулачков распределительного вала необходимо переоборудовать и доработать электроконтактную установку нагрева. Берем слесарный стол, на котором установлен стенд для контроля размеров кулачка распределительного вала КамАЗ. Под столом устанавливаем основную часть нагревательной установки – понижающий трансформатор с водяным охлаждением. Трансформатор находится в спрятанном состоянии за дверьми слесарного стола. На столе чуть позади стенда по контролю распределительного вала устанавливается две специальные перекладины, параллельные по вертикали относительно друг друга (рис.5.7). в поперечном разрезе перекладины представляют собой Т-образные сечения. На перекладины крепится специальный блок 3, в котором находится зажимное устройство с гидроприводом и к которому крепятся контакты-пуансоны. Этот блок контактов перемещается в горизонтальном направлении вдоль распределительного вала. Перемещение осуществляется вручную, для более точного расположения относительно кулачков, с помощью колеса 1 рис.5.7 через цепную передачу вращательного движения в поступательное. Для предотвращения непроизвольного перемещения блока контактов, на колесе управления необходимо установить стопорящий механизм.

Рис. 5.7. Примерная схема конструкции стола-стенда: 1- колесо управления перемещением блока контактов, 2 – место расположения понижающего трансформатора, 3 –блок контактов, 4 – параллельные перекладины, 5 – стенд для фиксации распределительного вала.

Стойки, на которые крепятся перекладины с блоком контактов, необходимо сделать скользящими с фиксацией положения. Это нужно для установления блока контактов в нерабочее или рабочее положение, для установки распределительного вала на осевых держателях.

Рядом со столом-стендом устанавливаем шкаф с аппаратурой управления. В этом шкафе совмещаются системы управления напряжением электроконтактной установки, включение-выключение питания, а также управление зажимами контактов. В шкафе необходимо установить индикаторы показателей напряжения, силы тока, времени включения-выключения установки, температуры нагревания детали (спектральным методом), температуры системы охлаждения (Рис.5.8).

Рис.5.8. Схема электроконтактной установки восстановления распределительных валов (ЭУ-ВРВ) : 1-шланги системы охлаждения контактов, 2-электросиловые провода, 3-шланги высокого давления привода зажимов, 4-шкаф управления ЭУ-ВРВ, 5-индикаторы датчиков, 6-блок кнопок управления, 7- место расположения электродвигателя, гидронасоса системы охлаждения и высокого давления.

Принцип работы электроконтактной установки восстановления распределительного вала:

• Установить распределительный вал на специальные держатели стенда 5 (рис.5.7) и зафиксировать в нужном положении кулачка(вершиной вверх). Конструкция установки удобна тем, что можно на нем же проверить размеры кулачков и шеек распределительного вала, используя мерительный инструмент.

• С помощью колеса управления 1 (рис.5.7) установить блок контактов 3 над восстанавливаемым кулачком, перемещая его вдоль и поперек распределительного вала, и зафиксировать его. Для упрощения этого процесса необходимо снабдить блок контактов лазерным указателем.

• Включить питание электросиловой установки, после чего заработают система охлаждения понижающего трансформатора и гидросистема высокого давления для вдавливания пуансон-контактов в кулачок.

• Включить зажимы в блоке контактов, после чего пуансон-контакты зажмут кулачок между собой.

• Установить необходимую для нагрева до 840 °С величину силы тока.

• Включить контакторы (рубильники), которые замыкают цепь понижающего трансформатора. Они находятся под столом рядом с трансформатором. После чего происходит локальный нагрев кулачка до рабочей температуры в течении короткого промежутка времени и пуансон контакты вдавливаются в кулачок распределительного вала.

• Выключить зажимы в блоке контактов, после чего пуансон-контакты выйдут из деформированного кулачка.

• Выключить контакторы замыкающие цепь трансформатора (выключить трансформатор).

• Перенастроить положение блока контактов на следующий кулачок или выключить питание электроконтактной установки и установить положение блока контактов в нерабочее положение ( в сторону от держателей распределительного вала).

• Снять распределительный вал с держателей.

Все манипуляции проводятся кнопками блока управления 6 рис.5.8.

Все показания датчиков выводятся на индикаторы 5 рис.5.8.

Техническая характеристика установки ЭУ-ВРВ:

- Время нагрева, с : 10 - 100

- Напряжение сети, В: 380

-Частота, Гц : 50

-Число фаз : 2

-Продолжительная мощность, кВт, не более: 8

-Габаритные размеры (д,ш,в), мм: 2330х800х1600

• Расчетные режимы для восстановления.

• Ниже приведены предельно допустимые скорости нагрева τ цилиндрических заготовок, установленные при эксплуатации электроконтактных заготовок и полученные при экспериментах.

Диаметр нагреваемой

детали в мм……………….10.. 20..30..40..50..60..70

Время нагрева в сек……….6…15..40..60..80..100..120

При таких скоростях не наблюдается перегрева или оплавления нагреваемых заготовок или приварки их к токоподводящим контактам.

Площадь сечения восстанавливаемого кулачка на месте контакта соответствует диаметру в 20 мм, соответственно оптимальным временем нагрева является 15 секунд.

• Аналитически значение удельного электрического сопротивления для данной температуры определяется по формуле:

(5.1)

где ϱ _t — удельное электрическое сопротивление заготовки при температуре t₂;

ϱ ₀ — удельное электрическое сопротивление при t₁ ~ 20° С= 0,14 ом*мм²/м ;

α — температурный коэффициент сопротивления для соответствующего материала нагреваемой заготовки = 0.002 C^-1. При электроконтактном нагреве зависимость удельного электрического сопротивления от температуры сказывается на технологическом режиме нагрева.

t ₁ =20°C

t ₂ =840°C

ϱ _t = 0.14(1+ 0.002(840-20))=0,37 ом*мм²/м = 0,37*10^-4 Ом*см

• Расчетная мощность электроконтактного устройства для нагрева кулачка:

, вт (5.2)

Где С - теплоемкость =460 дж/(кг•град);

G₂ - масса нагреваемого металла = 0,05 кг;

t₂ - конечная температура нагрева данной массы металла =840 ^oС;

t₁ — начальная температура металла =20^oС;

ή₀ — к. п. д. электронагревательной установки =0,9;

τ— время нагрева =10 сек;

Р = = 2096 Вт=2,1 кВт

• Величину тока в зависимости от геометрических параметров нагреваемой детали и физических факторов можно выразить формулой:

(5.3)

Где l₂ — электрический ток в нагреваемой детали в А;

S ₂ — площадь поперечного сечения детали = 3,61 см²;

q ₂ — удельное электрическое сопротивление = 0,37*10^-4 ом-см;

ϱ — плотность материала нагреваемой детали = 7,8 г/см³.

l₂ = 0,032* 3,61= 0,032*3,61*93996,4= 10,9 кА

• Напряжение на нагреваемой заготовке. Для нагрева конкретной заготовки с заданной скоростью к ней должно быть подведено определенное напряжение, зависимость которого от различных геометрических параметров заготовки и других физических факторов выражается формулой

(5.4)

l₂—: длина нагреваемой детали между токоподводящими контактами =1,6 см.

U = 0,032*1,9 * 5,5= 0,33 В

• Разработка технологического процесса восстановления кулачка распределительного вала.

• Моечная операция. Распределительный вал погружают в моечную ванну, используя моющее средство.

• Контрольно-дефектовочная операция.

• Пластическая деформация кулачков. Распредвал фиксируют на столе электроконтактной установки и восстанавливают методом вдавливания продефектованные кулачки.

• Правка. По необходимости править распределительный вал.

• Шлифовальная операция. Шлифовать на копировально-шлифовальном и круглошлифовальном станках все поверхности под ремонтный размер.

• Фрезерная операция. Зачистить торцевые поверхности кулачков.

• Термическая обработка в печи ТВЧ.

• Правка вала после закалки.

• Чистовая обработка рабочих поверхностей.

• Балансировка вала.

• Контрольная операция. Доводка.

• Проектирование участка по восстановлению распределительных валов.

На территории кузнечного завода в цехе ремонта и эксплуатации напольного транспорта (ЦРиЭНТК) отведем место для экспериментального участка по восстановлению кулачков распределительного вала КамАЗ. Цех находится в 4 корпусе. Участок по восстановлению будет находиться на участке по ремонту шин, так как большая часть территории не используется рационально, рис.5.9. Таким образом совместим два участка, что уменьшит затраты на подготовку нового участка с нуля. Общее освещение участка имеется, но необходимо иметь местное освещение (локальное) непосредственно над электроконтактной установкой восстановления распределительного вала.

Рис.5.9. Схема проезда на участок по восстановлению распределительных валов внутри корпуса.

Не ремонтируемые распределительные валы доставляются на участок по восстановлению распредвалов после разборки двигателей уже в чистом состоянии. Так как в зоне ТО и ТР автопарка логистики проводят дефектацию, предварительно промыв его в моечной установке. Если распределительный вал можно шлифовать под ремонтный размер, его ремонтируют в автопарке логистики. Если же износ кулачка слишком велик, его отправляют вместе с оформлением заявки на участок по восстановлению валов пластической деформацией.

Таким образом распредвал остается только отмыть от пыли и обезжирить. Что значительно уменьшает трудоемкость моечной операции Т_мойки=0,08 чел-час.

Все операции выполняются на данном участке, кроме закалки ТВЧ.

Для этого распредвал необходимо транспортировать в соседний 3-й корпус, где находятся печи ТВЧ. Для рационального планирования производства распределительные валы необходимо отправлять на термообработку небольшими партиями (10-20 шт.). Это означает, что восстановленные распределительные валы после механической обработки нужно складировать на стеллажах, до набора необходимого их количества.

Для проведения процесса восстановления профиля кулачка необходимо компактно расставить все оборудование на участке. Необходимое оборудование представлено ниже в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Оборудование участка по восстановлению распредвала.

Рассчитаем площадь участка по восстановлению распределительных валов:

S= f *k, где k- коэффициент плотности расстановки оборудования=4,

f-площадь оборудования.

S= 18,97*4=75,88 м²

Площадь отведенного места под участок восстановления

S= 10,5*11=115,5 м².

Таким образом выделенное место вполне хватает, чтобы оборудовать участок восстановления кулачков распредвала методом пластической деформации.

Рис.5.10. Схема расположения оборудования на участке восстановления распределительных валов: 1- моечная ванна, 2-ЭУ-ВРВ, 3- Круглошлифовальный станок, 4- копировально-шлифовальный станок, 5- балансировочная установка, 6- стеллажи, 7- гидравлический пресс, 8- бак для метал. отходов.