УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗНОШЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВТУЛКИ ВЕРХНЕЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, более конкретно к устройству для восстановления внутренней изношенной поверхности деталей, преимущественно, цилиндрической формы методами порошковой металлургии и может найти применение при восстановлении внутренней изношенной поверхности бронзовой втулки верхней головки шатуна для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) сельскохозяйственных машин и мелиоративной техники.
Известно устройство для восстановления износа поверхности прокатного валка, содержащее средства для отливки изношенного слоя в виде полого цилиндра из высокохромистого чугуна или быстрорежущей стали (см. патент РФ №2245216, БИПМ №3, 2005 г.).
К недостаткам такого устройства следует отнести сложность литьевого оборудования, использование которого для восстановления малоразмерных деталей машин, в том числе указанных бронзовых втулок, является нецелесообразным по технологическим и экономическим соображениям.
Наиболее близким техническим решением к предложенному, является устройство для горячего изостатического прессования, которое может быть использовано для восстановления внутренней изношенной поверхности втулок. Известное устройство содержит оправку, ограничивающую рабочий объем, средства для его заполнения порошком требуемого состава и спекания под давлением (см. патент РФ №2245221, БИПМ №3, 2005 г. - прототип).
Недостатком известного устройства является сравнительно сложная технология горячего изостатического прессования, требующая наличия высокотемпературного оборудования для статического нагрева порошков под давлением при повышенной точности поддержания режимных параметров, что является ограничением для использования этой технологии в условиях ремонтных мастерских удаленных районов агропромышленного комплекса.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого, эффективного и удобного в технологическом отношении устройства для восстановления внутренних изношенных поверхностей дефицитных бронзовых втулок верхних головок шатунов двигателей внутреннего сгорания типа Д-160 в условиях ремонтных мастерских.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для восстановления внутренней изношенной поверхности втулки верхней головки шатуна ДВС, содержащем оправку, ограничивающую рабочий объем, средства для его заполнения металлическим порошком и спекания под давлением, согласно полезной модели, оправка содержит нижнее и верхнее центрирующие кольца, установленные по оси втулки и размещенный внутри нее калибровочный стержень, зазор между которыми заполнен металлическим порошком на бронзовой основе, верхнее и нижнее центрирующие кольца установлены между электродами машины точечной сварки для нагрева порошка проходящим электрическим током до температуры спекания, при этом верхнее центрирующее кольцо установлено с возможностью осевого перемещения для сжатия порошка, а наружная поверхность втулки и оправки охвачена теплоизолирующим экраном.
Кроме того, верхнее центрирующее кольцо и калибровочный стержень оправки могут быть изготовлены из графита, металлический порошок может быть выбран из группы железистых бронз, теплоизолирующий экран может содержать оболочку из асбеста, а в качестве машины точечной сварки может быть выбрана машина МТ - 16-18, обеспечивающая рабочий ток для спекания порошка в оправке в диапазоне 12-14 кА и давление в ее рабочем объеме в диапазоне 0,5-10 МПа.
Такое выполнение устройства позволяет решить практическую задачу восстановления внутренней изношенной поверхности бронзовой втулки для шатунов ДВС путем спекания необходимого слоя порошка БрАЖ - 9-4 дисперсностью 40-50 мкм с внутренней поверхностью втулки при экспериментально найденных параметрах давления и электрического тока, обеспечивающих нагрев и спекание частиц порошка при температуре на 50-150°С ниже температуры его плавления. Доводка размеров втулки до расчетных значений осуществляется при последующей механической обработке избыточной части спеченного слоя порошка.
Бронзовая втулка верхней головки шатуна двигателя Д-160 имеет высоту 35 мм, наружный диаметр 33 мм и внутренний диаметр около 28 мм. При указанных размерах втулки для слоя порошка бронзы толщиной около 1,5 мм электрический ток не должен быть ниже 12 кА из-за недостаточного нагрева его частиц и не должен превышать 14 кА по причине возможной эрозии поверхностей втулки.
Качественное спекание порошка БрАЖ - 9-4 в этих условиях обеспечивалось в диапазоне давлений от 0,5 до 10 МПа за счет передачи усилия от опрессовочных электродов машины точечной сварки МТ - 16-18 на верхнее и нижнее центрирующие кольца оправки. Верхнее центрирующее кольцо и калибровочный стержень оправки, регламентирующий толщину спеченного слоя порошка, на опытном экземпляре установке изготовлены из графита, хотя по условиям эксплуатации могут быть выполнены из другого жаропрочного проводящего материала.
На фиг.1. представлено сечение устройства для восстановления внутренней изношенной поверхности втулки верхней головки шатуна двигателя Д-160.
Устройство содержит оправку, включающую нижнее стальное кольцо 1 и верхнее центрирующие кольцо 2 из конструкционного графита, установленные по оси стальной втулки 3. Внутри последней с зазором 1,5 мм размещен калибровочный стержень 4, изготовленный из графита. Указанные элементы ограничивают рабочий объем устройства, который заполнен металлическим порошком 5 марки БрАЖ - 9-4 дисперсностью 50 мкм в количестве около 40 г. Верхнее и нижнее центрирующие кольца 1, 2 установлены между электродами 6, 7 машины точечной сварки МТ - 16-18 (не показана) для нагрева порошка проходящим электрическим током до температуры спекания в диапазоне 850-950°С. Верхнее центрирующее кольцо 2 установлено с возможностью осевого перемещения на 0,5-3 мм под действием усилия сжатия электродов 6, 7 для увеличения плотности порошка, соответствующей давлению в рабочем объеме около 2 МПа. Снаружи втулки 3 и нижнего центрирующего кольца 1 оправки имеется теплоизолирующий экран, включающий слой 8 асбеста и стальной защитный кожух 9 из листовой стали. Поз.10 обозначена ограничительная втулка для удержания избыточного количества порошка.
Устройство функционирует следующим образом.
В рабочий объем оправки устройства при отсутствии верхнего центрирующего кольца 2 в зазор между калибровочным стержнем 4 и втулкой 3 через воронку засыпают заранее определенное количество (около 40 г) порошка 5 марки БрАЖ - 9-4 дисперсностью 50 мкм. Затем устанавливают верхнее центрирующее кольцо 2, которое в данном положении выше плоскости верхнего торца калибровочного стержня 4 на 1,5 мм. Нижнее и верхнее центрирующие кольца 1, 2 устанавливают между электродами 6, 7 машины точечной сварки МТ - 16-18. После этого осуществляют сжатие порошка до давления около 2 МПа с помощью верхнего центрирующего кольца 2, установленного с возможностью осевого перемещения на указанные 1,5 мм под действием усилия сжатия электродов 6, 7. Количество порошка 5, смещение кольца 2 и достигаемое давление в данном случае подобраны так, что в конечном положении верхние плоскости кольца 2 и калибровочного стержня 4 практически совпадают.
Затем включают источник питания машины точечной сварки и устанавливают рабочий ток 12,5 кА. Электрический ток проходит между электродами 6, 7 через верхнее центрирующее кольцо 2, калибровочный стержень 4, порошок 5, втулку 3 и нижнее центрирующее кольцо 1. Суммарное выделение тепла от прохождения тока приводит в результате к нагреву порошка 5 до указанных температур и спеканию его частиц с внутренней стенкой втулки 3. Экспериментально установлено, что характерное время спекания в данных условиях составляет 4-5 мин. Теплоизолирующий экран при этом обеспечивает выравнивание теплового поля по высоте втулки 3 и снижение потерь на спекание.
Известно, что затраты на восстановление изношенных деталей, таких как втулки шатунов ДВС, значительно ниже затрат на изготовление новых изделий, которые зачастую невозможно заказать или приобрести. Особенно это относится к деталям, изготовленным из достаточно дорогих и дефицитных металлов и сплавов. В предложенном устройстве используется метод электроконтактного спекания металлических порошков с восстанавливаемой поверхностью деталей, позволяющий получить напекаемый слой с требуемыми характеристиками, не подвергая деталь расплавлению и перегреву. При этом физико-механические свойства исходных порошков и свойства спеченных порошков в нанесенном покрытии сохраняются практически без изменения.
Количество операций при восстановлении бронзовых втулок верхних головок шатунов двигателей Д-160 в предложенном устройстве по сравнению с их заводским изготовлением снижается в 5-8 раз, а расход материалов в 10-20 раз и более. Эксплуатация устройства осуществляется в благоприятных для рабочих условиях, в том числе, на базе стандартных ремонтных мастерских.
Стабильность механических характеристик и гарантированный химический состав получаемого покрытия на внутренней поверхности втулки обеспечивают перспективу широкого внедрения устройства для восстановления внутренних изношенных поверхностей дефицитных бронзовых втулок верхних головок шатунов двигателей внутреннего сгорания типа Д-160 в системе агропромышленного комплекса при минимальных затратах на материалы и потребляемую электроэнергию.