Наплавка чугунного седла клапана. Восстановление клапанов и распределительных валов

Восстановление клапанных гнезд. При износе клапанных гнезд, не превышающем предельно допустимый, восстановление их работоспособности сводится к образованию необходимого угла фаски. Перед обработкой фасок клапанных гнезд заменяют изношенные направляющие втулки стержня клапана на новые и обрабатывают их разверткой, устанавливаемой в оправку. Обработанное отверстие используют в качестве технологической базы при зенковании фаски клапанных гнезд, что обеспечивает необходимую соосность отверстий направляющих втулок и клапанных гнезд. Обработку клапанных гнезд производят с использованием плавающего патрона. При износе клапанных гнезд выше допустимого их восстанавливают установкой клапанных седел.

При восстановлении клапанных гнезд запрессовкой седел неподвижность соединения обеспечивается натягом. Необходимая прочность при этом достигается за счет напряжений, возникающих в материале седла и головки цилиндров. При длительном действии нагрева напряжения могут уменьшиться, снизив тем самым прочность посадки. Поэтому для изготовления клапанных седел необходимо применять высокопрочные теплоустойчивые материалы: чугун ВЧ50-1,5, специальный чугун № 3 ТМ 33049. В последнее время получил распространение сплав ЭП-616 на хромоникелевой основе. Отверстия под седла обрабатывают специальным зенкером, который устанавливают в специальную оправку. Диаметр зенкера выбирают в соответствии с размером обрабатываемого отверстия под вставку клапана. Центрование инструмента производят с помощью направляющих цанговых оправок, устанавливаемых в отверстия под втулки клапанов. Этим обеспечивают высокую концентричность обрабатываемых поверхностей под вставки седел и центрирующей поверхности. Кроме этого, применение жестких направляющих позволяет обрабатывать отверстия на вертикально-сверлильном станке 2Н135 и получать требуемую размерную и геометрическую точность обрабатываемых поверхностей. При растачивании головку устанавливают в специальное приспособление.

Вначале предварительно растачивают клапанные гнезда, а затем окончательно при 100 об/мин шпинделя станка, ручной подаче за один проход. В подготовленные таким образом клапанные гнезда запрессовывают седла (рис. 58 и 59) с помощью оправки. При этом головку цилиндров предварительно нагревают до температуры 80...90°С, а седла охлаждают в жидком азоте до -100 - ... 120 °С. Нагрев головок производят в ванне для нагрева ОМ-1600, а охлаждение с помощью сосуда Дьюара. Кольца должны быть запрессованы в выточки головки до отказа и без перекоса (рис. 60). После запрессовки производят зачеканивание седел в четырех точках равномерно на дуге через 90°. Затем головку цилиндров устанавливают на стенд ОР-6685 для обработки фасок клапанных гнезд, развертывают отверстия в направляющих втулках и зенкуют фаски клапанных гнезд. Отверстия во втулках развертывают при 50 об/мин и подаче 0,57 мм/об за один проход, зен-кование производят при 200 об/мин зенкера, подача 0,57 мм/об за несколько проходов.

В результате неоднократной обработки плоскости головок блоков цилиндров фрезерованием или шлифованием нижняя стенка головки становится более тонкой и менее прочной, поэтому для этой группы деталей восстановление клапанных гнезд запрессовкой седел недостаточно надежно. В таком случае следует восстанавливать клапанные гнезда газовой наплавкой. Если у головки, кроме изношенных клапанных гнезд, имеются еще и трещины, то сначала необходимо восстановить гнезда, а потом заваривать трещины.

При работе на двигателе в результате воздействия механических и тепловых нагрузок в нижней плоскости головки цилиндров накапливаются зна-чительные внутренние напря--женин, значения и характер распределения которых могут быть весьма различными. Накопившиеся напряжения приводят к короблению головок, а в отдельных случаях - к появлению трещин. Если применять холодную электродуго-вую сварку, то возникающие при этом сварочные напряжения, складываясь на отдельных участках с остаточными, а также монтажными (при затяжке головки) и рабочими, вызовут появление новых трещин. Поэтому для наплавки гнезд нужно применять такой способ, который позволил бы снизить остаточные напряжения и не привел бы к возникновению новых. Такой способ - горячая сварка, обеспечивающая высокое качество сварных швов при минимальной напряженности детали.

При горячей сварке головку предварительно нагревают до температуры 600... 650 °С и сваривают при температуре детали не ниже 500 °С. Нижний предел нагрева устанавливают, исходя из свойств чугуна, пластичность которого ниже этой температуры резко падает, что приводит к возникновению сварочных напряжений. Перед нагревом клапанные гнезда головок тщательно зачищают.

Для нагрева головки используют нагревательную камерную печь с электрическим или другим подогревом. Целесообразно применять камерную электрическую печь Н-60, в которой можно нагревать одновременно до пяти головок.

Большое значение имеет скорость нагрева и охлаждения деталей. Быстрый нагрев головки цилиндров может вызвать появление дополнительных напряжений.

По окончании нагрева к отверстию печи перемещают передвижной сварочный стол и укладывают на него головку.

Сварку выполняют ацетилено-кислородной горелкой ГС-53 или ГС-ЗА («Москва»), используя наконечники № 4 или 5 в зависимости от разм-ера трещины. Для обеспечения высокого качества наплавленного металла следует применять хорошо сформированное, резко очерченное пламя горелки, для чего мундштук сварочной горелки должен быть в хорошем техническом состоянии. При заварке трещин и наплавке клапанных гнезд используют восстановительную часть пламени, защищающую металл от окисления благодаря содержанию в пламени водорода, углекислого газа и окиси углерода. Ядро пламени в процессе наплавки должно находиться от поверхности детали на расстоянии 2...3 мм. Сварку ведут при равномерном непрерывном нагреве сварочной ванны.

В качестве присадочного прутка применяют чугунные прутки марки А (состав в %): 3...3,6С; 3...2,5 Si; 0,5...0,8 Мп; Р 0,5...0,8; S0,08; 0,05 Сг; 0,3 Ni. Диаметр прутка - 8... 12мм (выбирают в зависимости от ширины разделки трещины). Поверхность прутков должна быть тщательно очищена и обезжирена. В качестве флюса применяют мелкотолченую прокаленную буру или ее 50%-ную смесь с просушенной кальцинированной содой.

Хорошие результаты дает также применение флюсов ФСЧ-1, АНП-1 и АНП-2.

По окончании сварки головку цилиндров снова помещают в печь, чтобы снять сварочные напряжения. Головку нагревают до 680°С, а затем охлаждают, сначала медленно (с печью), до 400 °С, а затем в сухом песке или термосе, соблюдая режим согласно графику. Полностью остывшие головки очищают от шлака и окалины и направляют на механическую обработку. Сначала фрезеруют привалочную плоскость на горизонтально-фрезерном станке типа 6Н82 цилиндрической фрезой 180Х Х125 мм или на вертикально-фрезерном 6М12П торцевой фрезой со вставными резцами ВК6 или ВК8.

После механической обработки плоскости контролируют качество сварки. Заваренные места должны быть чистыми, без раковин и шлаковых включений. Обработку фасок клапанных гнезд производят зенкером аналогично описанной выше обработке фасок седел.

Притирка клапанов. Перед разборкой головок цилиндров очистить их от масла и нагара и пометить порядковые номера клапанов на торцах тарелок для того, чтобы при сборке установить их на свои места.

Для рассухаривания клапанов необходимо головку цилиндров без форсунок, коромысел, осей коромысел и шпилек крепления осей коромысел установить привалочной поверхностью на плиту так, чтобы обеспечить упор для клапанов. Рассухаривание выполнять с помощью приспособления, изображенного на рис. 84. Для этой цели ввернуть упорный болт 1 приспособления в отверстие под шпильку крепления оси коромысла, нажимную тарелку 2 приспособления установить на тарелку пружин соответствующего клапана и, нажимая на рукоятку 3 рычага приспособления, отжать пружины клапана, вынуть сухари и снять все детали клапанного узла. Таким же путем последовательно рассухарить все остальные клапаны и снять пружины клапанов и сопряженные с ними детали.

Повернуть головку цилиндров и вынуть клапаны из направляющих втулок. Клапаны и седла тщательно очистить от грязи, нагара и масляных отложений, промыть в керосине или специальном моющем растворе, высушить и осмотреть для определения степени ремонта. Восстановить герметичность клапана притиркой возможно только при наличии незначительных износов и мелких раковин на рабочей фаске и лишь в том случае, если тарелка и стержень не покороблены и нет местных прогаров на фасках клапана и седла.

При наличии таких дефектов притирке должны предшествовать шлифовка седел и клапанов или замена неисправных деталей новыми.

Для притирки клапанов использовать специальную притирочную пасту, приготовленную путем тщательного перемешивания трех частей (по объему) микропорошка зеленого карбида кремния с двумя частями моторного масла и одной частью дизельного топлива. Перед употреблением притирочную смесь тщательно перемешать, так как при отсутствии механического перемешивания микропорошок способен осаждаться.

Установить головку цилиндров на плиту или специальное приспособление привалочной поверхностью кверху. Нанести на фаску клапана тонкий равномерный слой притирочной пасты, смазать стержень клапана чистым моторным маслом и установить его в головку цилиндров. Допускается наносить пасту на фаску седла. Притирку выполнять возвратно-вращательными движениями клапанов при помощи специального приспособления или дрели с присосом. Нажимая на клапан с усилием 20...30 Н (2...3 кгс), повернуть его на 1/3 оборота в одном направлении, затем, ослабив усилие, на 1/4 оборота в обратном направлении. Нельзя выполнять притирку круговыми движениями.

Периодически поднимая клапан и добавляя на фаску пасту, продолжать притирку, как указано выше, до тех пор, пока на фасках клапана и седла не появится непрерывный матовый поясок шириной не менее 1,5 мм. Разрывы матового пояска и наличие на нем поперечных рисок не допускается. При правильной притирке матовый поясок на фаске клапана седле должен начинаться у большего основания

После окончания притирки клапаны и головку цилиндров тщательно промыть керосином или специальным моющим раствором и высушить.

Внимание! Наличие даже незначительных остатков притирочной пасты на клапане или головке цилиндров могут привести к натиру и ускоренному износу гильз цилиндров и поршневых колец.

Клапаны, пружины и детали их крепления установить на головку цилиндров и засухарить клапаны, используя приспособление (см. рис. 84).

Качество притирки сопряжения клапан-седло проверить на герметичность путем заливки керосина или дизельного топлива, заливая его поочередно во впускные и выпускные каналы. Хорошо притертые клапаны не должны пропускать керосин или дизельное топливо в течение одной минуты.

Допустима проверка качества притирки карандашом. Для этого поперек фаски притертого чистого клапана мягким графитовым карандашом нанести через равные промежутки 10-15 черточек, после чего осторожно вставить клапан в седло и, сильно нажимая к седлу, повернуть его на 1/4 оборота. При хорошем качестве притирки все черточки на рабочей фаске клапана должны стереться. При неудовлетворительных результатах проверки качества притирки ее необходимо продолжить.

1

В статье рассматривается вопрос о необходимости и целесообразности применения аустенитного мар-ганцовистого чугуна для седел клапанов ДВС, эксплуатирующихся на газомоторном топливе. Приводят-ся сведения о серийно выпускаемых седлах клапанов ДВС автомобилей, описываются наиболее распро-страненные сплавы для изготовления деталей седел, их недостатки, несовершенство сплавов, применяе-мых при эксплуатации, и причины низкого ресурса деталей такого типа. В качестве решения данной проблемы предлагается использовать аустенитный марганцовистый чугун. На основе многолетних ис-следований свойств марганцовистого чугуна было предложено использовать данный сплав для изготов-ления седел клапанов автомобильных двигателей с газомоторным топливом. Рассматриваются основные свойства, которыми обладает предлагаемый сплав. Результаты исследований положительные, а ресурс новых седел по сравнению с серийными в 2,5 … 3,3 раза больше.

головка блока цилиндров

система питания

изнашивание

ресурс деталей

газомоторное топливо

ДВС автомобиля

1. Виноградов В.Н. Износостойкие стали с нестабильным аустенитом для деталей газо-промыслового оборудования / В.Н. Виноградов, Л.С. Лившиц, С.Н. Платонова // Вестник машиностроения. - 1982. - № 1. - С. 26-29.

2. Литвинов В.С. Физическая природа упрочнения марганцевого аустенита / В.С. Литви-нов, С.Д. Каракишев // Термическая обработка и физика металлов: межвузовский сб. - Свердловск, УПИ. - 1979. - № 5. - С. 81-88.

3. Масленков С.Б. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник: в 2 т. / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. – М. : Металлургия, 1991. - Т. 1. - 328 с.

4. Станчев Д.И. Перспективы применения специального аустенитного марганцовистого чугуна для деталей фрикционных узлов лесных машин / Д.И. Станчев, Д.А. Попов // Акту-альные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-техни-ческой конференции ВГТУ. – Вологда, 2007. – С. 109-111.

5. Технология машиностроения. Восстановление качества и сборка деталей машин / В.П. Смоленцев, Г.А. Сухочев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев, А.В. Бондарь, В.Ю. Склокин. – Воронеж: Изд-во Воронежского гос. тех. ун-та, 2008. - 303 с.

Введение. Использование газомоторного топлива в качестве горючего для ДВС сопряжено с рядом технических вопросов, без решения которых эффективная эксплуатация автомобилей на двухтопливных системах питания невозможна. Одним из наиболее острых вопросов технической эксплуатации автомобилей на газомоторном топливе является низкий ресурс сопряжения «седло-клапан».

Анализ повреждений седла позволил установить причины их возникновения, а именно: пластическая деформация и газовая эрозия, вызванная ухудшением прилегания пары трения в процессе эксплуатации . На рисунках 1 и 2 представлены основные характерные повреждения седел и клапанов при работе на газовом топливе.

Традиционно для бензиновых двигателей седла клапанов изготавливают из серого чугуна марок СЧ25, СЧ15 по ГОСТ 1412-85 либо углеродистых и легированных сталей 30 ХГС по ГОСТ 4543-71, которые обеспечивают удовлетворительную эксплуатационную надежность и долговечность сопряжения на протяжении гарантированного ресурса двигателя. Однако при переходе на двухтопливную систему питания ДВС ресурс сопряжения резко сокращается, по разным оценкам, ремонт головки блока требуется уже через 20000-50000 тыс. км пробега. Причина снижения ресурса сопряжения - низкая скорость сгорания газовоздушной смеси на режимах работы с высокой частотой вращения коленчатого вала и, как следствие, значительный разогрев металла седла, потеря его прочности и далее деформация от взаимодействия с клапаном.

Таким образом, для обеспечения гарантированного ресурса сопряжения седло-клапан, при использовании газомоторного топлива, от материалов требуются не только высокие антифрикционные свойства, но и повышенная жаропрочность.

Цель исследования. Результаты исследования. Целью исследований является обоснование целесообразности использования для изготовления седел клапанов марганцовистого аустенитного чугуна. Известно, что стали и чугуны феррито-перлитного и перлитного класса не отличаются жаропрочностью и не применяются для деталей, работающих при температурах свыше 700 ºС. Для работы в экстремальных условиях, при рабочих температурах порядка 900 ºС, в частности, используют жаропрочные чугуны аустенитного класса с минимальным количеством свободного графита в структуре. К числу таких сплавов можно отнести аустенитный марганцовистый чугун, связующую основу которого составляет аустенит, содержащий карбидные включения и мелкодисперсный пластинчатый графит. Традиционно такой чугун используется как антифрикционный под маркой АЧС-5 и применяется для подшипников скольжения.

Многолетние исследования марганцовистого чугуна позволили выявить ценные качества данного материала, достигаемые путем улучшения свойств сплава за счет его модифицирования и совершенствования технологии получения. В ходе выполненных работ было изучено влияние концентрации марганца в сплаве на фазовый состав и эксплуатационные свойства аустенитного чугуна. Для этого была произведена серия плавок, при которых варьировалось только содержание марганца на четырех уровнях, состав остальных компонентов, условия и режим проведения выплавки были постоянными. Микроструктура, фазовый состав и свойства полученных чугунов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние концентрации марганца на структурный состав и механические свойства марганцовистого чугуна в литом состоянии

	Микроструктура (шлиф травленый)		Твердость	Микротвердость, 10 ∙ МПа
				аустенит	мартенсит
	Аустенито-мартенситная смесь, мартенсит, карбиды средних и мелких размеров. Преобладает мартенсит. Крупный пластинчатый графит
	Аустенит, аустенито-мартенситная смесь, карбиды, мелкодисперсный графит. Преобладание аустенита
	Аустенит, незначительное количество мартенсита, карбидная сетка, мелкодисперсный графит. Преобладание аустенита
	Аустенит, значительное количество крупных карбидов, распределенных неравномерно, отдельные поля ледебурита

В результате исследования микроструктуры было отмечено, что с ростом содержания марганца в чугуне изменяется соотношение фазовых составляющих (рис. 3): увеличивается отношение гамма-фазы к альфа-фазе железа, возрастает количество карбидной фазы (Fe3C, Mn3C, Cr3C2) и уменьшается количество графита.

Как показали результаты рентгенографических исследований, с повышением содержания марганца отношение площадей интегральных интенсивностей, занимаемых соответственно гамма-фазой аустенита и альфа-фазой мартенсита (I111/I110) на рентгенограмме поверхности шлифа, увеличивается. При содержании марганца 4,5% I111/I110 = 0,7; при 8,2% I111/I110 = 8,5; при 10,5% I111/I110 = 17,5; при 12,3% I111/I110 = 21.

Для установления влияния марганца на физико-механические свойства чугуна были проведены испытания, в частности на износостойкость в условиях сухого трения и неконтролируемого фрикционного разогрева. Сравнительные испытания на износ чугунов с различным содержанием марганца проводились на машине СМЦ-2 по схеме трения «колодка-ролик» при удельном давлении 1,0 МПа и скорости скольжения 0,4 м/с. Результаты испытаний представлены на рисунке 4.

При увеличении содержания марганца от 4,5 до 10,5% в чугуне возрастает количество аустенита, содержащегося в структуре. Увеличение доли аустенита в металлической матрице чугуна обеспечивает надежное удерживание карбидной фазы в основе. Повышение содержания марганца свыше 12% не приводило к существенному росту износостойкости чугуна. Это обстоятельство объясняется тем, что приращение карбидной фазы (наблюдаются отдельные поля ледебурита) не оказывает существенного влияния на износостойкость материала при данных режимах трения.

На основании результатов, полученных при испытании экспериментального чугуна с различным содержанием марганца, наибольшей износостойкостью обладает чугун, содержащий 10,5% Mn. Такое содержание марганца обеспечивает создание оптимального с точки зрения фрикционного контакта структуры, образованной относительно пластичной аустенитной матрицей, равномерно армированной карбидными включениями.

При этом наиболее оптимальным соотношением фазовых составляющих, а также их формой и расположением отличался сплав, содержащий 10,5% Mn. Его структуру составлял преимущественно аустенит, армированный средними и мелкими по величине разнородными карбидами и мелкодисперсными графитными включениями (рис. 5). Относительные испытания на износ при сухом трении, проведенные с образцами из чугунов с различной концентрацией марганца, показали, что марганцовистый чугун, содержащий 10,5% Мn, в 2,2 раза превосходил по износостойкости чугун с 4,5% Mn.

Увеличение содержания марганца свыше 10,5% приводило к дальнейшему повышению количества аустенитной и карбидной фаз, но при этом карбиды наблюдались в виде отдельных полей, износостойкость чугуна не возрастала. На основании этого для дальнейших исследований и испытаний был выбран химический состав чугуна, %: 3,7 С; 2,8 Si; 10,5 Mn; 0,8 Cr; 0,35 Cu; 0,75 Mo; 0,05 B; 0,03 S; 0,65 P; 0,1 Ca.

С целью изучения влияния термической обработки на структурный состав и свойства аустенитного марганцовистого чугуна предложенного химического состава образцы (колодки) подвергали закалке. Объемную закалку образцов проводили в проточной воде с температуры нагрева 1030-1050 °С и продолжительностью выдержки при нагреве: 0,5, 1, 2, 3, 4 ч.

Исследования структуры образцов после объемной закалки показали, что температура нагрева, продолжительность выдержки при нагреве и скорость охлаждения играют значительную роль в формировании структуры марганцовистого чугуна. Закалка в общем случае приводила к практически полной аустенизации, получению зерен среднего и мелкого размера. Нагрев обеспечивает растворение карбидов в аустените. Полнота этих превращений возрастает с увеличением продолжительности выдержки образцов в печи. Мартенсит, присутствующий в структуре отливки, при нагреве полностью растворялся в аустените и при закалке не выделялся. Карбиды, в зависимости от продолжительности выдержки при нагреве, растворившись частично или полностью в аустените, снова выделяются при охлаждении. После закалки количество графита в структуре чугуна становится значительно меньше по сравнению с литым состоянием. В закаленном чугуне пластинки графитных включений тоньше и короче. Твердость по Бринеллю закаленного марганцовистого чугуна снижается, вязкость повышается и улучшается обрабатываемость резанием.

С целью определения режима закалки, обеспечивающего максимальную износостойкость экспериментального марганцовистого чугуна, образцы с различным временем выдержки при закалке подвергались изнашиванию. Изучение износостойкости проводилось на машине трения СМЦ-2 при удельном давлении на образец 1,0 МПа и скорости скольжения 0,4 м/с.

В результате испытаний было установлено, что повышение времени выдержки до 2∙3,6∙103 с при температуре закалки вызывает повышение относительной износостойкости марганцовистого чугуна, после чего его износостойкость не изменяется. Эти испытания подтверждают предположение о том, что структурный состав марганцовистого чугуна, полученного закалкой после выдержки 2∙3,6∙103 с, является наиболее совершенным и способен обеспечить высокую работоспособность при сухом трении.

Кроме того, снижение твердости до 160-170 HB аустенитного марганцовистого чугуна при закалке, по всей вероятности, должно иметь положительное влияние на повреждение и износ контртела (ролика), имитирующего колесо локомотива. В этой связи для последующих лабораторных и эксплуатационных испытаний использовался аустенитный марганцовистый чугун в литом (ИАЧл) и закаленном состоянии, полученный после 2-часовой выдержки при температуре закалки (ИАЧз).

На основе проведенных исследований и испытаний удалось разработать специальный состав аустенитного чугуна, полученного модифицированием марганца, отличающегося высокой износостойкостью в условиях сухого трения (тормоза, фрикционные муфты), отличающихся высоким фрикционным разогревом до 900 ºС («Износостойкий чугун», патент РФ № 2471882) . Результаты испытаний данного состава чугуна в условиях и режимах нагружения сопряжения «седло-клапан» ГРМ показали высокую работоспособность материала, превышающую ресурс седел из серого чугуна СЧ 25 по ГОСТ 1412-85 и 30 ХГС по ГОСТ 4543-71 в 2,5-3,3 раза. Это позволяет считать такой чугун перспективным для использования в условиях сухого трения и высоких температур, в частности для седел клапанов, нажимных дисков сцепления, тормозных барабанов подъемно-транспортных машин и др.

Выводы. Таким образом, можно заключить, что использование аустенитного марганцовистого чугуна для изготовления седел клапанов позволит значительно увеличить ресурс работы ГБЦ двигателей, переведенных на газомоторное топливо, и использующих комбинированную систему питания (бензин-газ).

Рецензенты:

Астанин В.К., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технического сервиса и технологий машиностроения, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж.

Сухочев Г.А., д.т.н., профессор кафедры технологий машиностроения, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж.

Библиографическая ссылка

Попов Д.А., Поляков И.Е., Третьяков А.И. О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АУСТЕНИТНОГО МАРГАНЦОВИСТОГО ЧУГУНА ДЛЯ СЕДЕЛ КЛАПАНОВ ДВС, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОМОТОРНОМ ТОПЛИВЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12291 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

6.10.1 Плазменная наплавка клапанов .

Выпускные клапаны среднеоборотных судовых дизелей (например «SULZERA 25») изготовляют из сталей 40Х9С2 и 40X10С2М.

Для обеспечения повышенной работоспособности клапана упрочняют наплавкой уплотнительный пояс тарелки. Для обеспечения оптимальных свойств наплавленного металла, ЗТВ и основного металла разработан процесс автоматической плазменной наплавки самофлюсующимся порошком ПР-Н77Х15СЗР2. (Ранее для этого применяли ручную аргонодуговую наплавку стеллитом).

Плазменную наплавку осуществляют на установке УПН-303 при следующих параметрах режима: ток дуги прямой полярности 100-110А, напряжение дуги 35-37В, расход порошка 2кг/ч, скорость наплавки 7-8 м/ч. Порошок вдувается в плазму. Наплавка выполняется с перечными колебаниями плазматрона. В качестве плазмообразующего, защитного и транспортирующего газа используется аргон. Перед наплавкой тарелку клапана нагревают ацетилено- кислородным пламенем до температуры 200-250 0 С.

Подготовку кромок выполняют согласно рис. 1. Для обеспечения горизонтального положения плоскости наплавляемого пояска шток клапана в манипуляторе наплавочной установки располагают под углом 30 0 к вертикали. Наплавку осуществляют в один слой.

После наплавки производится отжиг при температуре 700 0 С.

Клапаны имеют необходимую твердость основного металла HRC 24-25, требуемую повышенную твердость наплавленного HRC 38-41 и приемлемую твердость металла ЗТВ HRC 36-37.

6.10.2 Наплавка клапанов стеллитом.

Наплавку клапанов мощных судовых дизелей выполняют также стеллитом.

Кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом, так называемые стеллиты, отличаются замечательными эксплуатационными свойствами: они способны сохранять твердость при высоких температурах, стойки против коррозии и эрозии, а также имеют отличную износостойкость при сухом трении металла по металлу. Сам по себе кобальт не обладает высокой жаропрочностью, это свойство придают сплавам присадки хрома (25-35%) и вольфрама (3-30%). Важным компонентом является и углерод, который образует с вольфрамом и хромом специальные твердые карбиды, улучшающие сопротивление абразивному износу.

Кобальтовыми сплавами наплавляют клапаны двигателей внутреннего сгорания, уплотнительные поверхности паровой арматуры сверхвысоких параметров, матрицы для прессованияцветных металлов и сплавов и др. При наплавке сталей необходимо стремиться к минимальному переходу железа из основного металла в наплавленный, иначе свойства последнего резко ухудшаются. Наплавленный металл склонен к образованию холодных и кристаллизационных трещин, поэтому наплавку ведут с предварительным и часто с сопутствующим подогревом деталей.

Обеспечение минимальной доли основного металла и соблюдение необходимых термических условий являются наиболее важными особенностями технологического процесса наплавки кобальтовых сплавов. Наплавку осуществляют газовым пламенем или аргонодуговой сваркой прутками из сплавов В2К и ВЗК, а также покрытыми электродами марки ЦН-2 со стержнем из прутка ВЗК.

Применяется подогрев деталей до температуры 600-700 0 С. При таком нагреве доля основного металла велика (до 30%), поэтому для получения минимального содержания железа наплавку приходится выполнять в три слоя. Это увеличивает расход весьма дорогого наплавочного материала и повышает трудоемкость работ.

Цель работы: составить технологический процесс восстановления клапана, седла и сопряжения «седло- клапан» и выполнить практически.

Для реализации поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

Выбрать мерительный инструмент, метод и средства контроля;

Освоить правильность заполнения технологической документации.

Исходные данные для выполнения работы

Рабочие чертежи (плакат);

Перечень дефектов клапана, седла клапана (задается преподавателем);

Технические условия на ремонт (плакат);

Указания по технике безопасности приведены вприл 16.

Оснащение рабочего места

Для выполнения лабораторной работы рабочее место имеет следующее оснащение:

Станок для шлифовки фасок клапанов, модель СШК-3 ГОСНИТИ;

Универсальный станок для притирки клапанов типа ОПР-1841 А;

Прибор для проверки концентричности рабочей фаски клапана;

Индикаторная головка типа 0,01 ГОСТ 577-68;

Прибор для проверки герметичности сопряжения «седло-клапан»;

Универсальный прибор ГАРО-2215 для шлифования клапанных гнезд или электродрель с приспособлением (плавающий патрон);

Приспособление для проверки концентричности рабочей фаски седла;

Приспособление для сборки клапанной пары;

Паста для притирки;

Слесарный столик;

Угловые шаблоны.

Последовательность выполнения работы

Ознакомится с организацией рабочего места, и проверить его комплектность (плакат по организации рабочего места);

Ознакомится со способами восстановления и особенностями обработки при восстановлении клапана, седла и сопряжения «седло-клапан»;

Изучить применяемое оборудование и оснастку;

Выбрать мерительный инструмент, метод и средства контроля (плакат);

Составить технологический процесс восстановления клапана для заданного сочетания дефектов и выполнить практически;

Составить технологический процесс на восстановление фаски седла и выполнить практически;

Составить технологический процесс на восстановление сопряжения «седло-клапан» и выполнить практически;

Собрать клапанную пару и произвести контроль качества притирки;

Оформить и сдать отчет по работе.

Краткая конструктивно-технологическая характеристика клапана, седла клапана и сведения о технологии восстановления

Объектом ремонта является головка цилиндра и сбора двигателя КамАЗ-740.

Головка цилиндров отлита из алюминиевого сплава. В головку запрессованы чугунные седла и металлокерамические направляющие втулки клапанов, которые растачиваются после запрессовки. Клапаны изготовлены из жаропрочных сталей: впускной- 4Х10С2М, выпускной 5Х20НЧАГ9М, общая твердость поверхности клапанов после закалки HRC 30…35. Твердость торца клапанов HRC 50…55, глубина закалки 2…4 мм.

Коническая поверхность головки выпускного клапана по фаске направлена стеллитом ВЗК следующего химического состава: С=1,0...1,5%; C r =28...32%; S i =-6...2,8%; N i =2,0...3,0%; W=4,0...5,0%; C 0 =58...62%. Содержание F e в стеллите после наплавки max 3%.Твердость наплавленного слоя НRC 40...45.

Диаметр головки выпускного клапана меньше диаметра головки впускного. Стержни обоих клапанов на длине 125 мм от торца покрыты графитом (для этого стержни клапанов помещают в раствор графита и воды) с целью улучшения приработки.

Составление технологического процесса на восстановление клапана, седла и сопряжения «седло-клапан» производится на уровне составления технологического маршрута с указанием их содержания, который заполняется в маршрутной карте в соответствии с ЕСТД ГОСТ 3.1118-82 форма 1,2.

Восстановление клапана (фаски и торца)

Фаску клапана и торец шлифуют на станке СШК-3 шлифовальным кругом ПП 125х10х32 24 А 40ПС2- СТ19К5А ГОСТ 2424-75, что обеспечивает шероховатость R a =0,63…0,16 мкм. Припуск на шлифование 0,2…0,6 мм, точность получаемого размера и формы 1Т5-1Т7.

Окружная скорость шлифовального круга (V k) зависит от вида связки и профиля круга, V k =25…50 м/с.

Для кругов, диаметр которых меньше 150 мм V k =25…30 м/с.

При V k =30…35 м/с и шлифовании закаленной стали скорость вращения детали V D =25…30 м/мин.

Для выполнения операции шлифования фаски клапана (рис. 15) необходимо:

Установить приспособление для правки круга и произвести правку алмазным карандашом.

Снять приспособление для правки круга.

Проверить соответствует ли установка зажимного цангового патрона угла фаски шлифуемого клапана.

Установка положения цангового патрона производится следующим образом: ослабляется гайка и корпус зажимного патрона, устанавливается угол соответствующий углу фаски шлифуемого клапана (α=45 0) по метке стола. Для облегчения установки корпус зажимного цангового патрона фиксируется штифтом на угол 45 0 , после чего гайка снова затягивается.

Рис. 15. Схема шлифования фаски (а) и торца клапана (б)

Установить требуемую по диаметру стержни клапана цангу. Для того, чтобы установить требуемую цангу по диаметру стержня клапана необходимо вывернуть из резьбы патрона зажимную ручку и вынуть цангу и заменить другой требуемого размера. После этого в цангу вставляется стержень клапана и зажимается завинчиванием зажимной ручки. Зажимная цанга, втулка и патрон должны быть исключительно чистыми от грязи и абразивной пыли.

Включить станок с разрешения преподавателя или лаборанта, стол с зажимным патроном с помощью ручного рычага подвести к шлифовальному кругу.

Подать шлифовальный круг на фаску клапана путем вращения вправо ручного штурвала до тех пор, пока не начнется шлифование клапана. Затем стол с зажимным патроном подается влево пока клапан не отойдет от шлифовального круга. Наибольшим поворотом вправо ручного штурвала производится установка на глубину резания.

Равномерным движением подвести клапан к шлифовальному кругу и шлифовать по всей поверхности круга, не выходя за его ширину. Этот процесс повторять до тех пор, пока клапан не будет отшлифован. В конце клапан повести к шлифовальному кругу при весьма малой глубине шлифования.

Примечание. Установку на заданную глубину резания нельзя производить, если клапан находится в зацеплении с шлифовальным кругом.

По окончании шлифования вращением влево ручного штурвала следует отвести шлифовальный круг с суппортом, выключить станок и вынуть клапан.

По окончании операции шлифования фаски клапана необходимо проверить биение фаски на приспособлении (рис.16). Биение фаски относительно стержня клапана не должно превышать 0,02 мм.

Рис. 16. Схема контроля фаски клапана.

Для выполнения операции шлифования торца клапана (рис.15б) необходимо:

Установить специальную подставку для шлифования торцов стержня клапанов с помощью направляющего выступа и закрепить гайкой в пазу стола зажимного патрона.

Установить стол так, чтобы передняя сторона подставки была удалена от шлифовального круга примерно на 12 мм.

Положить клапан на призму приспособления. При шлифовании торца стержня клапана правой рукой клапан прижимается к шлифовальному кругу и вращается на подставке вокруг своей оси, а двумя пальцами левой руки поджимается к призме.

Шлифовать торец «как чисто».

Восстановление седла клапана и сопряжения «седло-клапан»

Седла клапанов восстанавливаются шлифованием. Шлифование как метод предварительной и окончательной обработки фаски седла обеспечивает шероховатость поверхности R a =1,25…0,8 мкм и точность размера и формы 1Т6…1Т7.

Для шлифования фаски седло клапанов используется комплект прибора модели ЦКБ-2447, в состав которого входит шлифовальная машинка с планетарно-шлифовальным механизмом.

В лабораторных условиях используется электрическая дрель и приспособление для шлифования (рис.17)

При износе клапанных гнезд, не превышающем предельно допустимый, восстановление их работоспособности сводится к образованию необходимого угла фаски. Перед обработкой фасок клапанных гнезд заменяют изношенные направляющие втулки стержня клапана на новые и обрабатывают их разверткой, устанавливаемой в оправку. Обработанные отверстия используют в качестве технологической базы при шлифовании фаски клапанных гнезд, что обеспечивает необходимую соосность отверстий направляющих втулок и клапанов гнезд. При износе клапанных гнезд выше допустимого их восстанавливают установкой новых клапанных седел.

Для выполнения операции шлифования седла клапана (рис. 17) необходимо:

произвести правку шлифовального круга (шлифовальный круг правится на токарном станке в сборе с оправкой алмазным карандашом в специальном приспособлении или для этой цели может быть использован станок для шлифовки клапанов СШК - 3;

установить оправку со шпиндельной головкой в направляющую втулку клапана;

соединить шпиндельную головку с электродрелью и нажатием дрели на шпиндельную головку прошлифовать фаску седла "как чисто".

Рис. 17. Схема шлифования седла клапана

По окончании шлифования производится контроль соосности клапанного гнезда и направляющей втулки. Контроль осуществляется с помощью индикаторного приспособления (рис. 18). Измерение производится поворотом втулки приспособления на 360°. Биение фаски должно быть не более 0,04 мм.

Рис. 18. Индикаторное приспособление для контроля соосности

Герметичность сопряжения «седло-клапан» достигается путем притирки. Притирка обеспечивает высокую точность размера и формы (IT5 и выше) шероховатость поверхности, R a =0,16 мкм.

Притирка клапана производится на специальном станке типа ОПР-841. А для притирки клапанов автомобильных двигателей (со скоростью притира 10...3 Ом/мин). Технические данные и устройство основных узлов станка представлено на плакате.

При работе шпиндели передают усилие на клапан с переменной нагрузкой. Возвратно-вращательное движение шпинделей на 360° производится от редуктора через шатунно-кривошипный механизм, рейку и шестерни шпинделей. Кроме возвратно-поступательного движения в горизонтальной плоскости, шпиндели имеют возвратно-поступательное движение в осевом направлении, которое осуществляется от шатунно-кривошипного механизма подъема шпинделей. Смещение начальных положений шпинделей производится при помощи гидравлического механизма смещения. В результате сочетания таких движений станок как бы копирует ручной режим притирки. Установка головок на нужную высоту производится либо вручную - маховиком через червячную передачу и реечное зацепление, либо электродвигателем через клиноременную передачу.

Наладка станка на притирку клапанов заключается в расстановке шпинделей станка на межосевые расстояния.

Притирку выполняют в одну, две, а в некоторых случаях и в три операции. При этом снимается припуск 0,02-0,005 мм на диаметр и менее. Притирка осуществляется свободными абразивными зернами, которые в смеси со связующей жидкостью наносится на рабочую поверхность притира.

Для притирки клапанов применяют притирочные пасты на основе абразивных порошков и синтетических алмазов. Например, микропорошок белого электрокорунда зернистостью М 20 или М14 (ГОСТ 3647-80), карбид бора М 40 (ГОСТ 5744-74). В качестве связующей среды применяют минеральное масло, дизельное топливо. Например, дизельное масло ДЛ-11 (ГОСТ 8581-78).

Состав пасты для притирки клапанов следующий: 1,5 части (по объему) микропорошка карбида кремния зеленого, одной части масла для двигателя и 0,5 части дизельного топлива. Перед употреблением притирочная паста перемешивается (микропорошок способен осаждаться). Притирочная паста наносится на фаску седла клапана равномерным слоем. Стержень клапана смазывается моторным маслом.

Скорость притирки снижается при повышении требований к качеству поверхностей (сопряжения).

Давление инструмента на обрабатываемую поверхность устанавливают в зависимости от выполняемой операции. При предварительной притирке 0,2...0,5 МПа, а при окончательной 0,1...0,15 МПа.

Притирка считается законченной, если на рабочих фасках клапана и седла появляются сплошные кольцевые полосы шириной 2-3 мм.

Для выполнения операции притирки клапанов необходимо:

вставить клапан в головку цилиндров предварительно надев на стержень пружину;

установить головки на плиту и закрепить;

поднять угольник подъемной площадки;

снять крышки кожуха и ослабить гайки втулок шпинделей;

расставить шпиндели по осям клапанов;

Закрепить нижние и верхние гайки втулок шпинделей. После закрепления обоих втулок, шпиндель должен от руки передвигаться в осевом направлении под действием пружины;

Вращением маховика поднять корпус шпинделей в верхнее положение;

Вставить переходники так, чтобы квадраты их вошли в отверстие муфты шпинделей (соединение с клапанами посредством присосок);

Поднять плиту так, чтобы при верхнем положении корпуса шпинделей зазор между тарелкой клапана и гнездом был 8-10 мм;

Нанести пасту и включить станок.

Машинное время притирки клапанов зависит от качества шлифовки клапана, седла клапана, а также от применяемой притирочной пасты.

Для получения хорошей матовой поверхности фасок рекомендуется перед окончанием притирки ослабить нажим на клапан, для чего необходимо на ходу станка опустить подъемную площадку так, чтобы зазор между клапанами и седлом был 20-25 мм.

Способы контроля качества притирки клапана

Плотность прилегания клапанов к седлам можно проверить следующим способом:

пробой на карандаш (стирание радиальных карандашных рисок, нанесенных на фаску клапана при повертывании его в седле в ту или другую сторону);

пробой на краску при нанесении берлинской лазури на седло и попеременном проворачивании клапана;

просачиванием керосина через испытываемое сопряжение при заливке его в патрубок головки цилиндров;

Проверкой на герметичность по времени падения воздуха в камере, расположенной над клапаном;

При качественной притирке карандашные риски сотрутся, на фаске клапана останется след от краски в виде ровной кольцевой поверхности шириной 1,5...2мм, керосин не просачивается через сопряжение клапан-седло; давление воздуха (Р = 0,02 МПа) в камере не падает в течение 10с.

Сборка головки цилиндров и контроль качества притирки:

Для выполнения операции сборки головки цилиндров необходимо:

Вставить впускной и выпускной клапаны;

Установить головку в приспособление для сборки головки так, чтобы штифты вышли в отверстие под болты крепления головки;

надеть пружины и тарелку клапанов;

вращая вороток приспособления отжать тарелкой пружины клапанов;

вставить втулки и сухари клапанов;

вывернуть винт из траверсы обратным вращением воротка;

снять головку цилиндров с приспособления;

установить головку цилиндра поочередно впускными и выпускными окнами вверх и залить в них дизельное топливо. Хорошо притертые клапаны не должны пропускать его в местах уплотнения в течение 30с. При подтекании топлива постучите резиновым молотком по головке клапана. Если подтекание не устраняется, клапаны притрите повторно.

указать цель и задачи работы;

выбрать мерительный инструмент;

дать метрологическую характеристику мерительного инструмента и приборов;

указать наименование и марку материала детали;

вычертить эскиз детали;

оформить технологический процесс восстановления на уровне маршрутной карты с указанием содержания операции.

Образец оформления отчета, заполнения маршрутной карты и необходимая информация по перечисленным пунктам приведены на плакатах.

Защита отчета производится путем тестового опроса.

Форма отчета приведена в прил. 16.

Контрольные вопросы

Назовите материал головки блока двигателя КамАЗ-740.

Назовите материал впускного, выпускного клапана, седла и твердость поверхности.

Назовите марки круга для шлифования клапана, получаемую шероховатость и точность после обработки, линейную скорость круга и детали.

Назовите способ восстановления седла клапана, требуемую шероховатость и точность механической обработки.

Какую точность и шероховатость поверхности обеспечивает притирка?

Как осуществляется операция притирки клапана?

Как осуществляется операция восстановления фаски и торца клапана?

Как осуществляется операция восстановления седла клапана?

Назовите состав притирочных паст.

Чему равно давление инструмента на обрабатываемую поверхность при притирке?

Как определить окончание процесса притирки?

Назовите способы оценки качества притирки.

Тарелки клапанов с наплавленными фасками. Технологический процесс восстановления тарелки клапана.

Клапаны. Ресурс клапанов автотракторных двигателей лимитируется главным образом износом его фаски, в результате чего в соединении седло - фаска клапана увеличивается глубина погружения его тарелки относительно поверхности головки блока цилиндров, что ведет к ухудшению экономических показателей двигателя: снижению мощности, повышению расхода топлива, масла и др. Фаску, как правило, восстанавливают шлифованием. При износе до размера менее номинального клапан приходится заменять новым или восстанавливать.

Быстрый износ фасок клапанов объясняется тем, что в процессе работы они подвергаются химическому и тепловому воздействию, и через фаску в 3-5 раз отводится больше теплоты, чем через стержень. Практически все клапаны поступающих в ремонт двигателей имеют износ по фаске тарелки.

В повышении прочности фасок вновь изготовляемых клапанов хорошо себя зарекомендовал способ наплавки сжатой дугой прямого действия на установке У-151, разработанной ИЭС им. Е. О. Патона. На заготовку клапаны укладывают литое кольцо, которое затем сплавляют сжатой дугой. Попытка перенести опыт этого способа для наплавки изношенных клапанов не дала положительных результатов. Это объясняется тем, что высота цилиндрического пояска тарелки клапана в результате износа уменьшается до 0,4-0,1 мм, и наплавка тонкой кромки фаски вследствие неравномерного прогрева головки клапана и наложенного присадочного кольца затруднена: происходит подгорание.

Эффективным способом восстановления клапанов является способ плазменной наплавки с подачей жаропрочных порошковых твердых сплавов на изношенную фаску. Для этого Малоярославецким филиалом ГОСНИТИ, ЦОКТБ и ВСХИЗО на базе станка У-151 по конструкции ИЭС им. Е. О. Патона была разработана установка ОКС-1192. Установка состоит из наплавочного полуавтомата в комплекте с балластным реостатом РБ-300, плазмотрона конструкции ВСХИЗО.

Техническая характеристика установки ОКС-1192

Типоразмеры наплавляемых клапанов (диаметр тарелки), мм 30-70

Производительность, шт/ч < 100

Расход газа, л/мин:

плазмообразующего <3

защитно-транспортирующего <12

Расход охлаждающей воды, л/мин >4

Вместимость порошкового питателя, м 3 0,005

Мощность, кВт 6

Габаритные размеры, мм:

установки 610X660X1980

шкафа управления 780X450X770

В случае отсутствия промышленной установки при необходимости восстановления клапанов ремонтные предприятия в состоянии собрать плазменную установку из отдельных готовых узлов на базе токарного станка по схеме, представленной на рис. 42. Клапан устанавливают на медную водоохлаждаемую форму, соответствующую размеру его тарелки, которая через подпятник и пару конических шестерен приводится во вращение от шпинделя токарного станка.

Рис. 42. Схема установки для плазменной наплавки клапанов:

1 - источник питания; 2 - дроссель; 3- вольфрамовый электрод; 4 - внутреннее сопло; 5 - защитное сопло; 6 - клапан; 7 - медная форма; 8, 16 -подшипники; 9 - корпус установки; 10 - водоподводящая трубка; 11, 12 - штуцеры; 13 - основание; 14 -стойка; 15, 17 - сальники; 18 - стопорный винт; 19, 20 - конические шестерни; 21 - цилиндр

Принцип действия установки ОКС-1192 и установки, собранной в условиях ремонтного предприятия, примерно одинаков и состоит в следующем. После подачи к плазмотрону охлаждающей воды (из водопроводной сети), плазмообразующего газа аргона (из баллона), электрической энергии (от источника питания) между вольфрамовым электродом и внутренним соплом плазмотрона с помощью осциллятора возбуждается косвенная сжатая дуга (плазменная струя). Затем из порошкового питателя транспортирующим газом - аргоном через защитное сопло горелки на фаску вращающегося клапана подается порошок и одновременно через балластный реостат подводится ток к клапану. Между электропроводимой плазменной струей и фаской клапана возникает сжатая дуга, которая расплавляет одновременно фаску клапана и наплавочный порошок, образуя плотные слои высокого качества (рис. 43).

Рис. 43. Тарелки клапанов с наплавленными фасками

Для наплавки фасок клапанов тракторных двигателей, имеющих большую массу, кроме рекомендованных, можно применять также порошковые твердые сплавы на железной основе ПГ-С1, ПГ-УС25 с добавлением к последним 6% Аl.

При выборе материала для наплавки клапанов следует руководствоваться тем, что хромоникелевые сплавы имеют более высокую жаростойкость и износостойкость, но они в 8-10 раз дороже твердых сплавов на железной основе и хуже обрабатываются.

Режимы плазменной наплавки фасок клапанов

Сила тока, А 100-140

Напряжение, В 20-30

Расход газа (аргона), л/мин:

плазмообразующего 1,5-2

транспортирующего (защитного) 5-7

Скорость наплавки, см/с 0,65-0,70

Расстояние от плазмотрона до фаски клапана, мм 8-12

Ширина слоя, мм 6-7

Высота слоя, мм 2-2,2

Глубина проплавления, мм 0,08-0,34

Твердость HRC наплавленного слоя сплавом:

ПГ-СР2, ПГ-СР3 34-46

ПГ-С1, ПГ-УС25 46-54

Технологический процесс восстановления тарелки клапана содержит следующие основные операции: мойка, дефектация, очистка торца и фаски от нагара, плазменная наплавка, механическая обработка, контроль. Механическую обработку клапанов выполняют в такой последовательности: зачистить торец тарелки клапана; обточить тарелку клапана по наружному диаметру в номинальный размер, обработать предварительно тарелку фаски; обработать фаску шлифованием под номинальный размер. Первые три операции выполняют на токарном станке резцами с твердосплавными пластинами. Применение плазменного способа наплавки позволило повысить износостойкость рабочей поверхности тарелки автомобильных клапанов в 1,7-2,0 раза по сравнению с износостойкостью новых.