1.2 Анализ технологичности сборочной единицы плунжерной пары

Обрабатываемость материала заготовки является одним из определяющих показателей, оказывающих влияние на построение технологического процесса обработки заготовок.

При отработке на технологичность исходных заготовок в условиях массового и крупносерийного производства одним из важнейших показателей является коэффициент использования материала. В условиях массового и крупносерийного производства для обеспечения технологичности конструкции исходные заготовки должны быть приближены (по форме и размерам) к готовой детали и иметь простую геометрическую форму с плавными переходами [1].

Следует учитывать, что в разных условиях производства одна и та же исходная заготовка может быть технологичной и нетехнологичной. Технологичность конструкции заготовок постоянно совершенствуется, так как неразрывно связана с уровнем развития техники и технологии.

При отработке исходной заготовки на технологичность необходимо обеспечить хорошую обрабатываемость применяемых материалов, унификацию, стандартизацию и нормализацию конструкций, возможность приме­нения прогрессивных методов и процессов получения исходных заготовок .

По ГОСТ 14.205 – технологичность конструкции – это совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособляемость к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Для количественного метода оценки технологичности конструкции применяют показатели, предусмотренные ГОСТ 14.203.

Технологичность определяем по следующим показателям:

1. Коэффициент использования материала:

; (1.1)

где - вес восстанавливаемой детали;

=0,40 кг;

- вес заготовки(плунжерная пара);

=0,130 кг.

.

2. Коэффициент точности обработки детали:

; (1.2)

где - число размеров необоснованной степени точности обработки;

=1;

- общее число размеров, подлежащих обработке;

=5.

.

Деталь считается технологичной по точности, если коэффициент точности обработки ≤0,8

В данном случае деталь технологична.

3. Коэффициент шероховатости поверхности:

; (1.3)

где О_ш.н. – число поверхностей детали, необоснованной шероховатости;

О_ш.н.=1;

О_ш.о.- общее число поверхностей детали, подлежащих обработке;

О_ш.о.= 10.

_.

При К­_ш<0,16 – деталь технологична.

Анализируя коэффициенты, следует считать что деталь технологична

1.3 Материал сборочной единицы и его свойства

С целью уменьшения интенсивности изнашивания плунжерные пары изготавливают из высокоуглеродистых легированных и конструкционных сталей и подвергают термообработке.

Плунжерные пары изготовляют из таких сталей, как ЗОХГСА, ШХ15,

38Х2МЮА и др. Химический состав и физико-механические свойства некоторых сталей применяемых для изготовления плунжерных нар, представлены в табл. 1.2 и 1.3.

Применение данных сталей для производства плунжерных нар обеспечивает их высокую твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость, сохранение стабильности размеров и геометрической формы, способность работать в условиях повышенных давлений и температур.

Таблица 1.1 Химический состав сталей, применяемых для изготовления

плунжерных нар, %

Марка стали	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cu	Mo	Al	Cr
				Не более
30ХГСА	0,32-0,3	0,90-1,20	0,80-1,10	_	0,30	0,02	0,20	_	_	0,8-1,1
ШХ15	0,95-1,0	0,17-0,37	0,20-0,40	0,30	0,02	0,03	0,25	_	_	1,30-1,65
38Х2МЮА	0,35-0,42	0,20-0,45	0,30-0,60	_	0,02	0,02	0,30	0,20	0,7-1,10	1,35-1,65

Таблица 1.2 Физико-механические свойства сталей, применяемых для

изготовления плунжерных нар

Марка стали	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Относительное сужение, %	Ударная вязкость, кДж/м²	Модуль упругости МПа	Плотность, м/г²
30ХГСА	1080	835	10	45	490	2,18	7673
ШХ15	590-730	370-410	20	45	440	2,11	7812
38Х2МЮА	825	665	16,5	64	1600	2,09	7710

В связи со специфическими условиями работы плунжерных пар предъявляют повышенные требования к стабильности размеров, высокой термо - и износостойкости рабочих поверхностей, прочности и допустимым термическим и монтажным деформациям их деталей. Выполнение этих требований достигают с помощью различных видов термической обработки (азотирование, цианирование, цементация, закалка, отпуск, нормализация и др.) [9;11-13].

Азотирование осуществляют для получения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя детали, повышения предела усталости или коррозионной стойкости [14]. Сущность процесса заключается в насыщении стали азотом, который при температуре 500...600 °С находится в атомарном состоянии и образует с железом и другими элементами (А1, V, Сг) химические соединения - нитриды (A1N, VN, CrN), придающие азотированной стали твердость до HRC 55...60 [14, 15, 16].

Из легирующих элементов наибольшую твердость азотируемому слою придает алюминий, однако он способствует хрупкости слоя и увеличивает деформацию изделия. Молибден тормозит рост хрупкой фазы и, подобно хрому, устраняет крупнозернистость, свойственную алюминиевой стали [17].

В процессе термообработки при температуре 500 °С азот диффундирует в глубь металла на 0,01 мм/ч. При высоких требованиях к механическим свойствам сердцевины деталь до азотирования подвергают закалке с высоким отпуском.

Благодаря высокой твердости азотированного слоя и наличию в нем остаточных напряжений сжатия предел выносливости детали, особенно имеющей концентраторы напряжений, существенно повышается. Начало усталостного разрушения приходится на границу азотированного слоя с не азотированной сердцевиной, поэтому сопротивление усталостному разрушению детали тем выше, чем толще азотированный слой [17].

По сравнению с цементацией и закалкой азотирование протекает при более низкой температуре, что является его преимуществом; азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износо - и коррозионную стойкость, лучшую полируемость; свойства азотированной поверхности сохраняются практически неизменными при повторных нагревах вплоть до 500...600 °С, в то время как при нагревах цементированной и закаленной поверхности до 225...275 °С твердость ее снижается [14, 16].

Цементация заключается в насыщении поверхностного слоя малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твердости, износостойкости и получения вязкой сердцевины. Цементация происходит при температуре 800...900°С[18].

В зависимости от среды, в которой протекает процесс, различают цементацию в твердом, газообразном и жидкостном карбюризаторах.

Цементация в твердом карбюризаторе осуществляется прогревом деталей, упакованных чаще всего в смеси активированного древесного угля в зернах диаметром 3,5... 10 мм. Для ускорения цементации в смесь добавляют 10-40 % углекислого бария и углекислого натрия. Глубина науглероженного слоя зависит от продолжительности процесса. При цементации твердым карбюризатором в течение 4-24 ч может быть достигнута глубина науглероженного слоя 0,4...2,5 мм [14].

Жидкая цементация осуществляется в ваннах из расплавленных солей углекислого натрия (75-85 %), поваренной соли (10-15 %) и карбида кремния (5-10 %). Температура ванны поддерживается 850...860 °С. Обрабатываемые детали в стальных корзинах или ковшах погружают в ванну и выдерживают в ней 0,5-3 ч. В зависимости от продолжительности цементации глубина диффузии может достигнуть 0,2...0,5 мм [19].

Технологический процесс газовой цементации осуществляется в основном в электрических вертикальных шахтных печах или в печах непрерывного действия с радиационным нагревом.

Преимущества газовой цементации перед цементацией в твердом и жидкостном карбюризаторе состоят в следующем: а) продолжительность процесса уменьшается в 1,5-2 раза; б) снижается себестоимость производства; в) возможно регулирование глубины цементирова1нюго слоя и содержания углерода в нем не только за счет длительности выдержки при высокой температуре, но и за счет изменения количества и состава газа; г) возможна механизация процесса [15, 19].

Твердость стали после цементации достигает HRC 56...60. Термическая обработка после цементации обычно заключается в двойной закалке и отпуске [14].

Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхности стальных деталей азотом и углеродом с целью увеличения твердости и износостойкости поверхности детали. Процесс может протекать в жидкой или газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низкотемпературное (530...650 °С) и высокотемпературное (800...930 °С) [20].

Жидкостное цианирование производится в ваннах, содержащих цианистые и нейтральные соли. Скорость разложения цианистых солей увеличивается с ростом температуры; вместе с тем увеличивается скорость диффузии углерода в сталь и тормозится внедрение в нее азота. При рабочей температуре около 900 °С сталь незначительно насыщается азотом, и процесс цианирования приближается к цементации [21].

Низкотемпературное цианирование по своей сущности мало отличается от азотирования. Скорость цианирования в глубь составляет 0,25...0,36 мм/ч [22].

Газовое цианирование, или нитроцементация, производится в газовой среде, состоящей из цементующего и нитрирующего газов. При высокотемпературной нитроцементации глубина цианированного слоя за время выдержки 6-7 ч получается около 1,8 мм [12, 14].

В результате цианирования поверхностный слой стальных изделий одновременно содержит и углерод (0,4-0,8 %) и азот (0,5-0,8 %). Твердость такого слоя очень высока - HRC 58...64 [15].

Преимуществами цианирования по сравнению с цементацией и азотированием является большая скорость процесса и значительный упрочняющий эффект.

В настоящее время существуют следующие режимы термической обработки плунжерных пар:

- деталей плунжерной пары из стали 25Х5МА - закалка ТВЧ при температуре 1040 °С, отпуск с нагревом ТВЧ 700 ± 10 °С, старение при температуре 180± 10 °С, время выдержки 5 мин [23];

- деталей плунжерной нары из стали ХВГ - закалка при температуре 830± 10 °С в масле, выдержка 7-10 мин, обработка холодом - при 60...70 °С, время выдержки 3-4 мин, отпуск при 160± 10 °С, время выдержки 10-12 мин, старение при 120... 140 °С, время выдержки 6 мин [24];

- деталей плунжерной пары из стали ШХ15 - закалка при температуре 830±10 °С в масле, время выдержки 10-12 мин, обработка холодом - при 60.,.70 °C, время выдержки 3^ мин, отпуск при 160± 10 °С, время выдержки 120 мин.

Все стали после термообработки имеют практически одинаковую твердость HRC 60...65 [24,25].

В ряде работ [5, 6, 11, 25, 26] отмечается, что надежность в работе топливной аппаратуры зависит также и от точности изготовления деталей плунжерной пары, и от качественной их сборки. Несмотря на небольшие зазоры в плунжерных парах, плунжер должен свободно перемещаться во втулке, поэтому к геометрической форме плунжерных пар и чистоте сопрягаемых поверхностей предъявляются высокие требования. В соответствии с ГОСТ 2789-73 твердость цилиндрических поверхностей плунжерных пар должна быть не ниже HRC 58, шероховатость поверхности плунжера и втулки плунжера R^<0,04 мкм, допустимое отклонение от цилиндрической формы - не более 0,001 мм, некруглость - не более 0,0005 мм, конусность - не более 0,0006 мм на длине 20 мм рабочей поверхности плунжера.

Из вышеизложенного следует, что к материалу для изготовления плунжерных пар, к его термообработке, к точности геометрических параметров трущихся поверхностей деталей плунжерной пары, а также к качественной их сборке предъявляются очень высокие требования. Все это необходимо учитывать при разработке технологического процесса восстановления и упрочнения деталей плунжерных пар, принимая во внимание величину и характер их изнашивания в процессе эксплуатации.