В ремонтной практике применяют такие основные способы восстановления изношенных деталей, как: механическая и слесарная обработка, сварка, наплавка, металлизация, хромирование, никелирование, осталивание (железнение), склеивание, упрочнение поверхности деталей и восстановление их формы под давлением. После восстановления детали одним из способов ее подвергают механической или слесарной обработке, что необходимо для восстановления посадок сопряженных деталей, устранения овальности или конусности их поверхностей, обеспечения требуемой чистоты обработки.
Механической и слесарной обработкой восстанавливают детали с плоскими сопрягаемыми поверхностями (направляющие станин, планки, клинья). При износе направляющих до 0,2 мм их восстанавливают шабрением, при износе до 0,5 мм — шлифованием, а при износе более 0,5 мм — строганием с последующим шлифованием или шабрением.
Восстановление валов, осей, винтов. При ремонте валов, осей, винтов и т. п. в первую очередь проверяют и восстанавливают их центровые отверстия. После этого поверхности, имеющие незначительный износ (царапины, риски, овальность до 0,02 мм), шлифуют, а при более значительных износах наращивают, обтачивают и шлифуют до ремонтного размера.
Наиболее простым способом восстановления является обработка посадочных мест под ремонтный размер. Однако ремонтные размеры установлены на ограниченное число деталей машин. Поэтому часто обработку ведут под наибольший возможный размер, а сопряженные с валом подшипники скольжения изготовляют заново.
При износах более 2 мм восстановление валов и осей дорожных машин производят наплавкой.
Наращивание шеек валов хромированием, осталиванием и металлизацией при ремонте дорожных машин применяют на специализированных ремонтных предприятиях, так как это связано с применением специального оборудования. После наращивания одним из указанных способов посадочные места протачивают, шлифуют, а для получения особо чистых и гладких поверхностей полируют.
Неисправности шпоночных пазов и шлицев могут проявляться в виде износа и смятия их поверхностей, выкрашивания металла на рабочих поверхностях.
При ремонте изношенных деталей нередко возникают трудности при выборе способа базирования детали для обработки в связи с изменением основной установочной базы изношенной детали. В таких случаях ориентируются не на основные установочные, а на вспомогательные базы и от них ведут обработку рабочих поверхностей. Наряду с восстановлением деталей механической обработкой при ремонте негодную часть детали иногда заменяют новой.
Еще одним способом является применение компенсаторов износа. Чтобы восстановить первоначальные посадки сопряженных деталей, при их значительном износе применяют детали-компенсаторы (рис. 1). Одну из сопрягаемых деталей обрабатывают до ближайшего ремонтного размера и во вторую вставляют промежуточную деталь-компенсатор. Детали-компенсаторы могут быть сменными и подвижными. Сменные компенсаторы устанавливают в сопряжении, в котором износ появился к моменту ремонта. Подвижные компенсаторы устанавливают тогда, когда можно, не производя ремонта, соответствующим перемещением компенсатора относительно основных деталей устранить зазор, образующийся вследствие износа деталей. Сменными компенсаторами для цилиндрических деталей служат втулки и кольца, а для плоских — планки. Для наиболее распространенных узлов станков сменные детали-компенсаторы целесообразно заготавливать заранее в соответствии со шкалой ремонтных размеров.
Типовые случаи применения деталей-компенсаторов, используемых для устранения износа сопряжений, показаны на рис. 1. При износе наружной цилиндрической поверхности вала на него напрессовывают или сажают на клей втулку (рис. 1а). На износившуюся шейку коленчатого вала устанавливают полувтулку (рис.
1б). Если в отверстии «разработалась» резьба, то в него ввертывают дополнительную втулку (ввертыш) с вновь нарезанной резьбой (рис. 1в). При износе внутренней цилиндрической или конусной поверхности в деталь также вставляют втулку (рис. 1г). Износ плоскостей чаще всего компенсируют планкой (рис. 1д), которую привинчивают к ремонтируемой детали. Как видно из примеров, сменные детали в большинстве случаев скрепляют с одной из деталей сопряжения при помощи прессовой посадки, винтов, сваркой или универсальным клеем.
Дефекты, возникающие в деталях в результате действия внутренних напряжений, больших усилий или из‑за механических повреждений (трещины, пробоины, значительные задиры, царапины и выкрашивания), устраняют слесарно-механической обработкой. Трещины и пробоины запаивают, заваривают, заливают, металлизируют, ставят штифты и заплаты. Заплаты применяют для заделки пробоин и больших трещин, соединяя заплату с основной деталью винтами или заклепками. Для чугунных и дюралюминиевых деталей используют винты, а для стальных — еще и заклепки.
Восстановление деталей сваркой и наплавкой. Сваркой и наплавкой восстанавливают более половины всех ремонтируемых деталей автомобилей. При помощи сварки завариваются также трещины и изломы на раме и платформе, ставятся заплаты, различные накладки и усилительные косынки, восстанавливаются картеры агрегатов. Поврежденная или изношенная резьба на поворотных цапфах и других деталях восстанавливается заваркой с последующим нарезанием новой резьбы. Таким же способом восстанавливают внутренние резьбы. Восстановление деталей наплавкой заключается в том, что изношенные рабочие поверхности наплавляют так, чтобы их можно было обработать под номинальные или ремонтные размеры. При ремонте автомобилей применяются автоматическая и полуавтоматическая наплавка и сварка под слоем флюса или в среде углекислого газа.
При автоматической наплавке зажигание дуги, подача электродной проволоки и перемещение дуги вдоль шва механизированы. При более простой — полуавтоматической наплавке или сварке дуга вдоль шва перемещается вручную. Полуавтоматическую сварку или наплавку целесообразно применять при коротких сварочных швах и наплавках, когда автоматическая сварка нерациональна.
Наибольшее распространение в ремонтной практике получила автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка и наплавка под слоем флюса. Ручные способы сварки и наплавки менее совершенны, но являются незаменимыми при ремонте деталей машин в неспециализированных ремонтных предприятиях благодаря маневренности, универсальности и простоте процесса.
Преимуществами автоматической и полуавтоматической сварки и наплавки по сравнению с ручной являются более высокая производительность и лучшее качество. Повышение качества наплавленного слоя или сварного шва под слоем флюса достигается тем, что расплавленный флюс предохраняет свариваемый или наплавляемый металл от воздействия кислорода и азота окружающего воздуха. Наплавкой под слоем флюса ремонтируют распределительные и шлицевые валы, ободы колес автомобилей БелАЗ, головку сошки рулевого управления и другие детали. Для круговой и продольной наплавки изношенных деталей применяют специальные установки.
Газовую сварку применяют для восстановления деталей из серого чугуна. Детали малого размера и веса сваривают без предварительного подогрева, а крупные детали предварительно нагревают (рис. 2).
Электродуговая сварка более экономична и создает более надежное сварное соединение по сравнению с газовой сваркой. Правильная подготовка детали к сварке обеспечивает высокое качество наплавленного слоя и прочное сцепление его с основным металлом. Перед сваркой детали очищают и разделывают их кромки. Поверхность деталей очищают стальной щеткой, напильником, наждачным полотном, абразивным кругом, пескоструйным аппаратом, затем промывают бензином или керосином, а также подвергают щелочному травлению. Кромки листов, свариваемых встык, разделывают (скашивают) под углом (60–70 град.), а края изломов и пробоин выравнивают.
Наплавка является одним из основных методов восстановления деталей.
Покрытия, полученные наплавкой, характеризуются отсутствием пор, высокими значениями модуля упругости и прочности на разрыв. Прочность соединения этих покрытий с основой соизмерима с прочностью материала детали.
Если в машиностроительном производстве наплавку применяют для повышения износостойкости трущихся поверхностей, то в ремонтном производстве — в основном для проведения последующих работ по восстановлению расположения, формы и размеров изношенных элементов. Восстановительная наплавка при этом обеспечивает также получение новых свойств поверхностей: коррозионной, эрозионной, кавитационной стойкости, жаростойкости и др.
Доля трудоемкости сварки и наплавки составляет ~ 70 % всех способов создания ремонтных заготовок при восстановлении деталей. Наплавка изношенных поверхностей занимает ведущее место вследствие своей универсальности. Способы наплавки делят на группы в зависимости от видов применяемых источников тепла, характера легирования и способа защиты формируемого покрытия от влияния кислорода и азота воздуха.
Электродуговая наплавка имеет много видов. При их классификации учитывают следующие классификационные признаки:
• уровень механизации (ручная, полуавтоматическая, автоматическая);
• вид применяемого тока (постоянный, переменный, импульсный, специальной характеристики);
• вид электрода (плавящийся, неплавящийся);
• полярность электрода при постоянном токе (прямая, обратная);
• вид дуги (прямая, косвенная);
• режим (стационарный, нестационарный);
• способ защиты зоны наплавки от воздушной атмосферы (в среде защитных газов, водяных паров, жидкости, под слоем флюса (рис. 3), комбинированный);
• способ легирования наплавляемого металла (покрытием электрода, флюсом, электродным материалом, комбинированный).
Наплавка широко применяется в тех случаях, когда трущимся поверхностям необходимо придать большую износоустойчивость. Наплавляют два, три и более слоев часто твердыми сплавами, позволяющими увеличить срок службы деталей в несколько раз. Качество наплавки в значительной степени зависит от состояния восстанавливаемой поверхности. Чугунные и стальные детали из малоуглеродистой стали перед наплавкой обезжиривают с целью удаления масла из пор и трещин. Для этого поверхность детали обжигают газовой горелкой, паяльной лампой или в нагревательных печах. Копоть, налет окислов после обжига удаляют с поверхности детали наждачным полотном или ветошью, смоченной керосином или бензином. Участок детали под наплавку обрабатывают стальными щетками или абразивными кругами.
Восстановление деталей металлизацией. При металлизации расплавленный металл наносят на поверхность детали в специальном приборе — металлизаторе струей воздуха или газа. Нанесенный слой не является монолитным, а представляет собой пористую массу, состоящую из мельчайших окисленных частиц.
Металлизация применяется для восстановления деталей с изношенными плоскими наружными и внутренними цилиндрическими поверхностями, заделки трещин в корпусных деталях, повышения жаростойкости, коррозионной стойкости и получения высоких антифрикционных свойств (рис. 4).
В зависимости от источника тепла для распыления наращиваемого металла металлизацию подразделяют на газовую, электрическую и плазменную. Восстановление изношенных деталей металлизацией состоит из операций подготовки поверхности детали, металлизации поверхности и обработки поверхности детали после металлизации. Подготовка поверхности — наиболее ответственная операция, которая включает следующее: очистку и обезжиривание; предварительную механическую обработку; специальную обработку для образования шероховатости, а также изоляцию поверхностей детали, не подлежащих металлизации.
Способом металлизации восстанавливают размеры посадочных мест для подшипников качения, зубчатых колес, муфт, шеек коленчатых валов и т. п. Чтобы слой прочно соединился с поверхностью детали, поверхность очищают от грязи и масла и подвергают пескоструйной обработке. Твердость покрытия определяется качеством наносимого материала.
Гальванические покрытия. Для повышения поверхностной твердости деталей и увеличения их сопротивления механическому износу, а также для восстановления размеров деталей их покрывают слоем хрома (хромируют) толщиной 0,25 и 0,3 мм.
Твердые хромовые покрытия подразделяются на два вида: гладкое и пористое. При гладком хромировании смазка на поверхности детали не удерживается из‑за плохой «смачиваемости». При работе деталей возникает сухое трение, на трущихся поверхностях появляются задиры. Для устранения этого недостатка применяют пористое хромирование. В порах и каналах, образующихся на наружной поверхности детали, задерживается смазка, снижающая износ и удлиняющая срок службы деталей. Твердое гладкое хромирование применяют для восстановления размеров деталей, работающих с неподвижными посадками, а пористое — для деталей, работающих при значительных удельных давлениях, повышенных температурах и с большими скоростями скольжения. Поры и каналы в хромовых покрытиях чаще всего образуются электрохимическим способом, при помощи анодного травления.
Процесс состоит из трех основных этапов:
• Подготовка поверхности. На данном этапе необходимо тщательным образом подготовить металлическую поверхность к проведению процедуры гальваники. Для этого сначала нужно убрать с нее все загрязнения и провести процесс обезжиривания. Затем необходимо промыть поверхность водой и обработать средствами для остановки процесса окисления.
• Нанесение гальванического покрытия. После всех подготовительных процедур наступает процесс погружения металлических деталей в гальванические ванны. В них содержится сплав металла, которым будет покрываться поверхность. Вся процедура проводится при высоких температурах. При этом величина электрического тока поддерживается на определенном уровне.
• Обработки покрытого металлом материала. На завершающем этапе проводят тесты по определению уровня сцепления металлического сплава с поверхностью.
Восстановление деталей путем гальванического наращивания слоя стали (осталивание, или железнение) — один из эффективных методов современной технологии ремонта. Осталивание, в отличие от хромирования, позволяет наносить слой металла значительно большей толщины (2–3 мм и более). Этим способом целесообразно восстанавливать: детали с неподвижными посадками или детали с невысокой поверхностной твердостью; детали, работающие на трение при величине износа более 0,5 мм; детали, работающие одновременно на удары и истирание. Гальваническое наращивание металла на поверхность детали основано на процессе электролиза. Под действием постоянного электрического тока, поступающего в электролит через проводники — электроды, положительно заряженные ионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные — к аноду.
Твердое никелирование. Повышенная твердость никелевых покрытий достигается за счет применения электролитов специального состава, обеспечивающих получение осадков никеля с фосфором. Никелевые покрытия с содержанием фосфора обычно называют никельфосфорными покрытиями, а процесс их получения — твердым никелированием. Твердое никелирование может осуществляться электрическим и химическим способами. Химическое никелирование является более простым и осуществляется путем выделения никеля из растворов его солей с помощью химических препаратов — восстановителей.
Восстановление изношенных деталей давлением. Поврежденные и изношенные детали можно восстанавливать давлением. Этот способ основан на использовании пластичности металлов. Детали восстанавливают до номинальных размеров при помощи специальных приспособлений, путем перемещения части металла с нерабочих участков детали к ее изношенным поверхностям. При восстановлении деталей давлением изменяется не только их внешняя форма, но также структура и механические свойства металла. Применяя обработку давлением, можно восстанавливать детали, материал которых обладает пластичностью в холодном или нагретом состоянии. Изменение формы детали и некоторых ее размеров в результате перераспределения металла не должно ухудшать их работоспособность и снижать срок службы. Механическая прочность восстановленной детали должна быть не ниже, чем у новой детали.
К основным видам восстановления различных деталей давлением относятся:
• осадка при восстановлении втулок, пальцев, зубчатых колес;
• раздача при восстановлении пальцев поршней, роликов автоматов и т. п.;
• обжатие при восстановлении вкладышей подшипников и втулок;
• вдавливание при восстановлении зубчатых колес и шлицевых валиков;
• правка для выправления гладких и коленчатых валов и рычагов;
• накатка для увеличения диаметра шеек и цапф валов за счет поднятия гребешков металла при образовании канавок.
Различают следующие виды обработки пластическим деформированием: осадку, раздачу, обжатие, вдавливание, вытяжку, правку, накатывание.
Правка применяется при искажении формы деталей, например при изгибе и скручивании валов, осей, шатунов, рам; вмятинах и перекосах тонкостенных деталей. В зависимости от степени деформации и размеров детали правят с нагревом или без него. Инструментом при правке могут служить молотки (стальной, медный, деревянный), кувалды, специальные ключи, скобы, прессы, домкраты и др.
При правке без нагрева у стальных деталей остаются значительные внутренние напряжения. В результате этого после правки они постепенно принимают первоначальную форму. Для снятия внутренних напряжений после холодной правки деталь необходимо стабилизировать, т. е. выдержать при температуре 400…450 °С около 1 ч или при температуре 250…300 °С в течение нескольких часов.
Крупные и сильно деформированные детали правят в нагретом состоянии, так как холодная правка не всегда дает устойчивый результат, так как в металле в результате наклепа могут возникнуть внутренние напряжения, накладываемые на остаточные напряжения, сохраняющиеся в деталях. Эти процессы не возникают при горячей правке, когда места деформации нагревают до 600…900 °С. Например, для правки металлоконструкций нагревают деформированные элементы с помощью газовых горелок и паяльных ламп до 900 °С в местах наибольших изгибов с выпуклой стороны. Возникшие при нагреве напряжения растяжения вызывают выпрямление детали.
Осадка применяется для увеличения наружного диаметра сплошных деталей или для уменьшения внутреннего диаметра полых. При осадке диаметр детали увеличивается за счет уменьшения ее длины. Этим способом восстанавливают различные втулки при износе по наружному или внутреннему диаметру, цапфы валов, оси, клапаны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и другие детали, имеющие поверхностный износ не более 1% их диаметра. Осадкой увеличивают диаметр деталей типа пальцев и втулок из цветных металлов за счет некоторого уменьшения их длины.
Этим способом можно уменьшить длину деталей до 15%, однако ответственные детали не уменьшают больше чем на 8%. Приспособление для осадки состоит из верхней и нижней подставок и цилиндрической оправки, диаметр которой должен быть на 0,2 мм меньше окончательного диаметра отверстия. После осадки под прессом отверстие втулки развертывают до требуемого размера. Небольшие по ширине цилиндрические зубчатые колеса восстанавливают в нагретом состоянии с помощью специальных штампов, которые позволяют получить небольшое утолщение зубьев и уменьшение отверстия ступицы.
Отверстие ступицы после осадки растачивают, а затем обтачивают наружные поверхности и нарезают зубья колеса. Если необходимо, производят термическую обработку зубьев на режимах, предусмотренных для новых зубчатых колес. Обжатие проводят при необходимости уменьшить внутренний диаметр полых деталей за счет изменения наружного диаметра. Этим способом восстанавливают втулки из цветных металлов, проушины различных рычагов при износе гладких или шлицевых отверстий, корпуса гидронасосов и пр. При обжатии изношенную втулку проталкивают с помощью пуансона через отверстие матрицы, размер которой, регулируемый вкладышем, равен наружному диаметру обжатой втулки. После обжатия наружный диаметр увеличивают, например, с помощью электролитического наращивания слоя металла, а внутренний развертывают до требуемого размера.
Обжатием уменьшают внутренние размеры деталей типа втулок, изготовленных из цветных металлов. Втулку проталкивают пуансоном через установленную в подставке матрицу. Входное отверстие матрицы сужается под углом 7…8 град., далее идет калибрующая часть, которая заканчивается входным отверстием, расширяющимся углом 18…20 град. После обжатия наружную поверхность втулок омедняют и протачивают, а внутреннюю — развертывают.
Вытяжка применяется для увеличения длины детали за счет местного (на небольшом участке) сужения ее поперечного сечения. Этот способ используют при ремонте тяг, штанг и др.
Раздача применяется для увеличения наружного диаметра за счет увеличения внутреннего диаметра полых деталей. Этим способом восстанавливают бронзовые втулки шестеренчатых насосов гидросистем, трубы рулевой колонки и пр. Раздачу чаще проводят в холодном состоянии, закаленные детали предварительно подвергают отпуску или отжигу. Наиболее часто этот способ применяют при восстановлении поршневых пальцев двигателей внутреннего сгорания. Изношенный палец устанавливают в специальную матрицу и раздают с помощью пуансона на прессе.
При накатывании диаметр поверхности увеличивается за счет поднятия гребешков металла. Полученную поверхность шлифуют или накатывают гладким роликом до получения требуемого размера. Накатка может быть применена для восстановления вкладышей, залитых свинцовистой бронзой, а также для восстановления изношенных поверхностей под неподвижную посадку колец роликовых и шариковых подшипников. Накаткой можно увеличить диаметр детали на 0,3…0,4 мм на сторону. Накатку применяют для сохранения работоспособности только деталей, работающих в легких условиях, так как износостойкость соединений, отремонтированных таким путем, значительно ниже износостойкости нового соединения.
Восстановление формы и размеров изношенных деталей производится до получения в местах износа номинальных размеров, увеличенных на припуск для механической обработки. Детали, которые в процессе восстановления потеряли заданные физико-механические свойства, подвергаются закалке и отпуску. Многие детали (коленчатые валы, шатуны, балки осей) после холодной правки термической обработке не подвергают.
Метод пластического деформирования при ремонте деталей применяют не только для восстановления размеров изношенных деталей, но и с целью повышения их прочности и долговечности. Поверхностное упрочнение деталей повышает износостойкость и прочность деталей. Пластическое деформирование деталей производят также обработкой стальной или чугунной дробью, чеканкой, обкаткой роликами или шариками.
Восстановление и склеивание деталей с использованием пластмасс. Для восстановления изношенных деталей при ремонте металлорежущих станков применяют пластмассы. В качестве клея пластмассы широко используются для склеивания поломанных деталей, а также для получения неподвижного соединения деталей, изготовленных из металлических и неметаллических материалов. При ремонте металлорежущих станков наибольшее распространение получили такие пластмассы, как текстолит, древеснослоистые пластики и быстро твердеющая пластмасса — стиракрил. Текстолит и древеснослоистые пластики применяются для восстановления изношенных поверхностей направляющих станков, изготовления зубчатых колес, подшипников скольжения, втулок и других деталей с трущимися рабочими поверхностями.
Одним из эффективных способов получения неподвижных соединений является склеивание деталей. По сравнению с клепкой, сваркой и сбалчиванием клеевые соединения имеют такие преимущества, как соединение материалов в любом сочетании, уменьшение веса изделий, герметичность клеевых швов, антикоррозионная стойкость и во многих случаях снижение стоимости ремонта изделия. В практике ремонта металлорежущих станков широко используется карбинольный клей и клей типа БФ. Детали, склеенные карбинольным клеем с наполнителем из непористого материала, устойчивы против действия воды, кислот, щелочей, спирта, ацетона и подобных растворителей. Различные марки клея БФ отличаются содержанием компонентов и назначением.
Процесс восстановления деталей склеиванием состоит из трех этапов:
подготовки поверхности, склеивания и обработки швов. Поверхности деталей, подлежащих склеиванию, очищаются от масла, загрязнений и хорошо пригоняются. Клей наносят кистью или стеклянной палочкой. Жидкий клей наносят на обе соединяемые поверхности.
Для склеивания деталей, работающих при температуре 60–80 °С, применяют клей БФ-2. Для склеивания деталей, работающих в щелочной среде, — клей БФ-4. Клеем БФ-6 приклеивают ткани и резину к металлу. Клей БФ наносят на склеиваемые поверхности в два слоя с перерывом примерно в 1 ч 15 мин. Соединяемые детали прижимают одну к другой (1–15 кг/см2) и выдерживают под прессом. Выдержка склеенных деталей под прессом занимает от 15 мин до 4 ч, в зависимости от марки клея. Чтобы разобрать склеенные детали, их необходимо нагреть до 200 °С и выше.