Ремонт отверстий в деталях двигателей и агрегатов
В конструкциях двигателей можно выделить два типа отверстий. Первый тип — отверстия, по поверхности которых работает — вращается или поступательно движется, ответная деталь (вал, толкатель, поршень, палец и т.д.). Это — цилиндры, гипьзы цилиндров, поршни, опоры подшипников распределительного вала в головке, отверстия в поршне и т.д. Второй тип — отверстия, используемые для установки или запрессовки втулок, вкладышей подшипников и других деталей, т.е. по поверхности таких отверстий ответная деталь непосредственно не работает (не перемещается). К таким отверстиям относятся постели в головке и блоке цилиндров под вкладыши или втулки, отверстия верхних и нижних головок шатунов и др. Кроме того, отверстия первого типа следует различать по способу смазки пары трения — под давлением или разбрызгиванием.
В соответствии с типом отверстий в эксплуатации встречаются повреждения различного характера, среди которых следует отметить износы, задиры, остаточные температурные деформации и др. При этом различные типы отверстий требуют для ремонта различных способов и средств (технологий) ремонта.
Для отверстий первого типа основным способом ремонта является увеличение диаметра, что предполагает использование ответной детали увеличенного (ремонтного) размера. Для отверстий второго типа при ремонте обычно требуется восстановление размера до стандартного.
Существенное влияние на способ ремонта оказывает то, является ли отверстие разъемным или неразъемным. Так, для изно-шенных разъемных отверстий первого типа возможно восстановление в прежний (стандартный) размер. Для этого необходимо обработать плоскости (поверхности) разъема так, чтобы появился припуск на окончательную обработку отверстий (рис. 9.1). Ес-ли износ небольшой, менее 0,10+0,15 мм, обычно бывает достаточно обработать только поверхность разъема крышки отверстия. После обработки отверстия в размер допускаются небольшие, в сумме не более 20% длины отверстия необработанные участки у разъема. Если износ или деформация отверстия велики (более 0,15 мм), для ремонта требуется обработка плоскости разъема и крышки и основания отверстия, в противном случае могут остаться большие необработанные участки отверстия. Однако следует проявлять осторожность — практически любой ремонт разъемных отверстий приводит к смещению оси в сторону от крышки к основанию (рис. 9.2). Для некоторых конструкций
это может оказаться нежелательным (ослабление натяжения цепей или ремней) или даже недопустимым (изменение межо-севого расстояния пары шестерен).
Неразъемные отверстия как первого, так и второго типов могут быть отремонтированы установкой дополнительной втулки. Этот способ является основным для отверстий второго типа, в то время как для отверстий первого типа его следует применять лишь в крайних случаях при очень сильном износе ипи повреждении.
Во всех случаях ремонта отверстий необходимо учитывать их взаимное расположение по отношению к другим элементам конструкции деталей. Так, при ремонте не должны быть нарушены параллельность, перпендикулярность и соосность ремонтируемого отверстия к так называемым базовым поверхностям, относительно которых была произведена обработка отверстий на заводе-изготовителе.
Практика показывает, что наиболее сложно ремонтировать группу соосных отверстий, если произошел износ или деформация одного или нескольких из них. В данной ситуации приходится ремонтировать, как правило, все отверстия, расположенные на данной оси. Это требует специального прецизионного оборудования и нередко достаточно большого объема работ по подготовке к ремонту.
Для ремонта поверхности отверстий наиболее часто используются токарные, расточные, хонинговальные и внутри-шлифовальные станки.
Токарные и расточные станки чаще применяются для предварительной обработки отверстий. На токарных станках можно обработать только небольшие по габаритам детали, например, крышки и корпуса маслонасосов, шатуны и т.д. Точность обработки даже на универсальном токарном оборудовании достаточно высока — попасть в допуск 0,015^-0,020 мм нетрудно. Однако для деталей сложной формы часто требуется специальная планшайба, а время обработки оказывается достаточно велико, в основном, из-за трудности выверки положения детали. Если ориентироваться на описанные выше типы отверстий, то токарная обработка подходит во всех случаях, кроме отверстий первого типа со смазкой разбрызгиванием (например, поверхность цилиндров).
Следует отметить, что для отверстий первого типа чем выше качество поверхности, тем меньше износ. Получаемая после обработки резцом поверхность отверстия может служить причиной ускоренного износа вала, особенно, если отверстие выполнено из мягкого металла (алюминий). Такие случаи встречаются в опорах подшипников скольжения, в том числе в отверстиях поршней и верхних головок шатунов. Для отверстий второго типа после токарной обработки возможно уменьшение площади контакта и увеличение контактного термического сопротивления между корпусом (отверстие) и устанавливаемой в него деталью вследствие повышенной шероховатости поверхности. Результатом этого может быть перегрев деталей (вкладыш, гильза).
Вышесказанное справедливо и для обработки отверстий на расточных станках. В отличие от токарных, расточные станки обеспечивают, как правило, более высокую точность. Для сравнительно коротких отверстий используются вертикально-расточные станки (цилиндры, шатуны, крышки, корпуса маслонасосов и т.д.). Для длинных или соосных отверстий, расположенных на большой длине (опоры валов в блоке ипи головке цилиндров) чаще применяются горизонтально-расточные станки.
Обработка таких отверстий представляет собой достаточно сложную техническую задачу. С одной стороны, требуется большой вылет резца. Консопьно расположенный резец при растачивании может вибрировать, что значительно снижает качество обработки — поверхность становится «дробленой». Чтобы устранить дробление, необходимо иметь дополнительную опору резца. В этой связи представляет интерес обработка отверстий с помощью борштанги — специального резцедержателя, установленного на двух подшипниках, закрепленных на торцах или одной из плоскостей обрабатываемой детали (см. раздел 9.5.2.). Применение борштанги требует тщательной настройки всех резцов на заданный размер (обычно их количество равно числу обрабатываемых соосных отверстий), но упрощает требования к станку, от которого нужны только вращение и продольная подача. Независимо от используемого оборудования обработка соосных далеко расположенных отверстий требует очень точной выверки положения детали.
На современных двигателях
1000
прецизионные отверстия в деталях всегда имеют окончательную (финишную) обработку после растачивания. Поскольку одна из основных задач ремонта — добиться качества поверхности после ремонта не хуже, чем у новой детали, для окончательной обработки лучше всего подходят различные хонинговальные станки.
Хонингование выполняется абразивными брусками. Для обработки алюминиевых, бронзовых и чугунных деталей используются бруски из окиси алюминия Al203 ипи карбида кремния SiC. Для обработки стальных деталей часто применяются алмазные бруски, а также бруски из кубического нитрида бора. Бруски устанавливаются на хонинговальной головке станка, которая имеет возможность вращения и возвратно-поступательного движения. При обработке поверхности отверстия необходима подача большого количества смазоч-но-охлаждающей жидкости (СОЖ), препятствующей задирам и внедрению абразива в поверхность, особенно у алюминиевых, чугунных и бронзовых деталей. Кроме того, СОЖ уносит абразив и частицы металла от поверхности отверстия, а также охлаждает деталь при обработке.
В качестве СОЖ используется специальное хоновое масло, содержащее большой спектр моющих присадок, препятствующих также «засаливанию» брусков. Иногда применяют смесь масла — индустриального ипи веретенного, с керосином ипи чистый керосин. Последний вариант уменьшает ресурс брусков, т.к. керосин разъедает связку — состав, связывающий частицы абразива в бруске.
На практике находят применение различные схемы хо-нингования (рис. 9.3). Гибкое подпружиненное крепление брусков на хонинговальной головке дает хорошую чистоту поверхности, но не исправляет отклонений от цилиндрической формы, если они по каким-либо причинам имелись перед хо-нингованием, и не позволяет из-за этого снимать большой
Рис. 9.3.
Основные схемы хонингования:
а — с подпружиненными брусками давление на стенки и сьем металла рав¬номерны, поэтому геометрия цилиндра (эллипс) сохраняется; б — с жесткой подачей брусков съем металла происходит только по малому радиусу, что приводит к постепенному исправлению эллипса
В конструкциях двигателей можно выделить два типа отверстий. Первый тип — отверстия, по поверхности которых работает — вращается или поступательно движется, ответная деталь (вал, толкатель, поршень, палец и т.д.). Это — цилиндры, гипьзы цилиндров, поршни, опоры подшипников распределительного вала в головке, отверстия в поршне и т.д. Второй тип — отверстия, используемые для установки или запрессовки втулок, вкладышей подшипников и других деталей, т.е. по поверхности таких отверстий ответная деталь непосредственно не работает (не перемещается). К таким отверстиям относятся постели в головке и блоке цилиндров под вкладыши или втулки, отверстия верхних и нижних головок шатунов и др. Кроме того, отверстия первого типа следует различать по способу смазки пары трения — под давлением или разбрызгиванием.
Рис. 9.4. Схемы хонинговальных головок:
а — с подпружиненным креплением брусков; б — один брусок с жесткой подачей и
1000
один — подпружинен; в — оба бруска с жесткой подачей; г — головка с жесткой подачей бруска: 1 — брусок; 2 — башмак
(более 0,1 мм) припуск. Хонинговальные головки с жесткой подачей брусков обеспечивают съем больших слоев металла (если это необходимо), лучшее качество поверхности и исправляют отклонения от цилиндрической формы отверстия.
В автоматических и полуавтоматических хонинговальных станках подача брусков на разжим происходит автоматически по мере снятия материала из отверстия по крутящему моменту на головке. При уменьшении крутящего момента система автоматического регулирования разжимает бруски на головке. В станках с ручным управлением подача брусков на разжим осуществляется вручную.
Хонинговальные головки имеют различную конструкцию (рис. 9.4).
Рис. 9.5. Схемы взаимного расположения шпинделя хонинговаль-ного станка и детали:
а — жесткое крепление привода шпинделя и детали требует установки двух шарниров в приводе; б — жесткое крепление только детали — достаточно одного шарнира; в — нежесткое крепление детали — шарнир не нужен; 1 — шпиндель станка; 2 — шарнир; 3 — хонинговальная головка; 4 — деталь
Рис. 9.6. Геометрия цилиндра до (—) и после (———) хонингования:
а — при хорошей исходной геометрии ось цилиндра сохраняется; б — при одностороннем износе поверхности ось цилиндра после хонингования может быть перекошена
ются головки с одним рядом брусков. Для длинных отверстий или разнесенных на большую длину опор в блоках и головках цилиндров применяют специальные головки (оправки) с 2+7 расположенными в один ряд брусками. Отверстия небольшого диаметра могут обрабатываться головками, у которых в одном ряду один брусок с одним двойным или двумя направляющими башмаками. Для длинных отверстий, в том числе цилиндров, применяются головки с направляющими башмаками и без них. Для станков с автоматической подачей брусков головки могут иметь 2 бруска и 2 башмака. Один из башмаков настраивается на размер цилиндра, другой — подпружинен. В головках с ручной подачей для простоты настройки башмаки могут иметь жесткую подачу одновременно с брусками. Находят применение головки с жесткой подачей брусков без башмаков, при этом требуется 6+8 брусков. Такой инструмент имеет большую производительность, но обычно уступает в точности головкам с направляющими башмаками.
Хонингованием могут быть обработаны отверстия в любых деталях — стальных, чугунных, алюминиевых и бронзовых. На процесс хонингования слабо влияет неоднородность металла, наблюдаемая, например, при внедрении подкаленных слоев стали в отверстие алюминиевой детали или при местной закалке поверхности отверстия стальной детали из-за перегрева. Этого нельзя сказать о растачивании, где даже для обработки алюминиевых деталей часто приходится пользоваться наиболее твердыми «эльборовыми» резцами, если есть внедрение частиц стали или чугуна.
Недостатком хонингования является высокая стоимость инструмента, поскольку одна оправка (головка) может иметь небольшой диапазон регулирования диаметра (3+5 мм для больших отверстий и 2+3 мм для малых). Исключение составляют хонинговальные головки для цилиндров, которые могут охватывать весь диапазон диаметров, например, от 60 до 100 мм.
Головки в хонинговальных с
1000
танках могут иметь шарнирное и жесткое крепление. Для обработки цилиндров на верти-кально-хонинговальном станке необходимы два шарнира, чтобы устранить возможную несоосность шпинделя станка и отверстия (рис. 9.5). Обработка опор подшипников в блоках цилиндров и головках выполняется на горизонтапьно-хонин-говальных станках, где также требуются два шарнира между шпинделем станка и головкой. В то же время для хонингования небольших деталей удобны горизонтально-хонинговаль-ные станки с жестким креплением головки. Деталь при обработке удерживается здесь вручную и имеет возможность пе-» ремещаться в плоскости вращения.
Существенной особенностью хонингования, ограничивающей его применение, является то, что обработка отверстий не ведется от базовых поверхностей, в отличие, например, от других способов (растачивание, шлифование и т.д.). Базой при хонинговании является само отверстие, т.е. в процессе обработки сохраняется соосность между отверстиями до и после съема небольшого слоя металла (например, в несколько десятых долей миллиметра).
Рассмотрим этот вопрос более подробно. Допустим, обрабатываемое отверстие небольшой длины сильно деформировано. При этом оно становится нецилиндрическим, однако его образующая прямолинейна и параллельна оси. В таком случае при хонинговании головками с жесткой подачей брусков отверстие становится цилиндрическим и ось отверстия не перекашивается (рис. 9.6) Если же образующая непрямолинейна (например, вследствие износа обычно отверстие имеет «корсетную» форму), поверхность имеет конусность или односторонний износ, то после хонингования может возникнуть перекос оси, т.е. новая ось отверстия не будет параллельна старой.
Аналогично при снятии больших припусков ось отверстия, несмотря на все меры, в том числе хонингование с разных сторон, двух деталей вместе и т.д., также может оказаться перекошенной. При съеме каждый раз небольших слоев металла накапливается погрешность, которая становится весьма ощутимой, если припуск на хонингование превышает 0,8-И ,0 мм. В то же время для длинных или далеко разнесенных соосных отверстий припуск может быть увеличен в несколько раз без значительного увеличения перекоса.
Для сильно деформированных коротких отверстий небольших стальных деталей (например, шатунов) хорошие результаты дает внутреннее шлифование, выполняемое на специальных станках. Данный способ обработки заменяет сразу и растачивание и хонингование, которые приходится применять в указанных случаях. При этом шлифованное отверстие имеет более высокую точность — в нем практически отсутствуют «эллипс» и «конус», тогда как при растачивании и хонин-говании отклонение от цилиндричности может достигать 4-И О мкм. Правда, даже такая эллипсность или конусность является очень малой для подавляющего большинства деталей автомобильных двигателей.
Длинные или далеко разнесенные отверстия могут быть обработаны с помощью специальных разверток. Если для раз-ворачивания отверстий под направляющие втулки или в самих втулках в головках блока цилиндров, как правило, подходят стандартные развертки, то для опор валов в блоке или головке требуется специальный инструмент. Такие развертки могут быть изготовлены на заказ на инструментальном производстве, однако это достаточно дорогой инструмент, причем рассчитанный только на один диаметр. Кроме того, неоднородность металла в отверстиях, особенно поврежденных, затрудняет обработку разверткой. Вследствие этих причин данный способ для обработки опор подшипников применяется очень редко.
При ремонте отверстий большое значение имеют методы и средства контроля. Для всех случаев ремонта требуется точное измерение диаметра отверстия, например, нутромером с ценой депения до 0,01 мм. Для многих деталей требуются также измерения соосности, перпендикулярности и/или параллельности различных поверхностей.