Технология упрочнения цилиндровых втулок судовых двигателей лазерной обработкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.04, кандидат технических наук Мордвинкин, Петр Петрович

• Мордвинкин, Петр Петрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мордвинкин, Петр Петрович

Введение

1. Аналитический обзор технологических методов упрочнения цилиндровых втулок судовых дизелей при производстве сменно- запасных деталей в судоремонте

1.1 Анализ методов упрочнения, применяемых для цилиндровых втулок судовых среднеоборотных дизелей

1.2 Технологические лазерные установки и области их применения

1.3 Технологические особенности повышения эффективности лазерной обработки

1.4 Постановка задач исследований технологии лазерной обработки цилиндровых втулок судовых двигателей

2. Структурообразование в зоне лазерной обработки чугуна

2.1 Определение износостойкости и сопротивлению задиру внутренних поверхностей цилиндровых втулок

2.2. Исследование микроструктуры серого чугуна в зоне лазерной обработки

2.3. Влияние остаточного аустенита на износостойкость чугуна

2.4. Формирование износостойких структур в поверхностных слоях СЧ 25 упрочненных лазером

3. Экспериментальные исследования упрочнения материала

СЧ 25 цилиндровых втулок лазерной обработкой

3.1 Влияние химических элементов на свойства чугунов цилиндровых втулок, обработанных лазером

3.2. Влияние режимов лазерной обработки на физико-механические свойства чугуна СЧ

3.3. Исследование износостойкости поверхностных слоев

СЧ25 в зависимости от расположения лазерных дорожек

3.4. Выбор оптимальных режимов лазерной обработки чугуна

СЧ 25 цилиндровых втулок

4. Разработка технологии упрочнения цилиндровых втулок лазерной обработкой в условиях производства сменнозапасных деталей в судоремонте

4.1. Технологические рекомендации организации участка для лазерного упрочнения сменно-запасных деталей судовых дизелей

4.2. Технология лазерной обработки «зеркала» цилиндровых втулок

4.3 Промышленное внедрение и экономический эффект применения лазерной технологии 120 Заключение 126 Список литературы 128 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология упрочнения цилиндровых втулок судовых двигателей лазерной обработкой»

Актуальность работы. Сложные условия эксплуатации судовых дизелей вызывают повышенный износ деталей, что приводит к значительным потребностям в запасных частях и соответственно денежных средствах на ремонт. Эксплуатация судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) различных типов и модификаций предопределяет необходимость содержать на складе судоремонтных предприятий значительные объёмы запасных деталей двигателей, стоимость которых составляет до 2,5 % от балансовой стоимости судов.

Как показывает практика эксплуатации судовых двигателей, сроки проведения текущего и среднего ремонтов существенно зависят от технического состояния деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Одной из наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей ЦПГ является цилиндровая втулка (ЦВ), износ рабочей поверхности которой, определяет межремонтный период работы двигателя.

Высокие требования, предъявляемые к эксплуатационным характеристикам и работоспособности втулок цилиндров судовых дизелей, которые в настоящее время используют в неупрочнённом состоянии, обусловливает необходимость повышения их ресурса. Известно достаточное количество способов упрочнения втулок: хромирование, фосфатирование, азотирование, изотермическая закалка и др.[9]. Однако трудоёмкость технологических процессов, необходимость назначения оптимальных припусков на механическую обработку затрудняют применение эффективных методов.

Фундаментальным проблемам упрочнения деталей машин и механизмов и повышения их надежности как при изготовлении, так и в процессе ремонта посвящены научные труды известных учёных:

Д.Н. Гаркунова, А.Н. Гаврилова, И.В. Крагельского, И.А. Мишина, М.К. Овсянникова, Л.И. Погодаева, А.П. Семёнова, М.М. Тененбау-ма, Ю.Н. Цветкова и др.

Решению проблем, связанных с увеличением надёжности машин и механизмов посвящены работы A.B. Асташкевича, O.A. Борчевского, В.Н. Дубнякова, А.П. Ермакова, Ю.Е. Ежова, Ю.Г. Кулика, Ю.И. Матвеева, Н.С. Молодцова, А.П. Пимошенко, Ю.В. Су-меркина и др.

Несмотря на большое количество работ и проведённых исследований, к настоящему моменту нет достаточно надёжных производственных технологий упрочнения ЦВ среднеоборотных двигателей (СОД), позволяющих повысить ресурс данных деталей до нормативных значений.

Поэтому проблема повышения износостойкости цилиндровых втулок СОД является актуальной.

Цель исследования. Целью данной работы является исследования и разработка технологии упрочнения ЦВ СОД лазерной обработкой, при производстве сменно-запасных деталей в судоремонте.

Для выполнения данной работы необходимо решить ряд задач: обобщение и анализ существующего опыта в упрочнении деталей ЦПГ на судоремонтных и дизелестроительных предприятиях; систематизировать основные причины изнашивания и отказы ЦВ судовых дизелей; научно обосновать метод лазерного упрочнения «зеркала» ЦВ, выполненых из серого чугуна СЧ 25; исследовать процесс лазерной обработки материала СЧ 25

ЦВ; провести исследования структур поверхностных слоев материала ЦВ СОД, упрочнённых лазерным излучением; определить влияние режимов лазерной обработки на фазовый состав и физико-механические свойства материала ЦВ; исследовать и выбрать оптимальные режимы лазерной обработки материала ЦВ.

Теоретические исследования выполнены с применением методов математической теории планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторных стендах, а также на испытательном стенде 6ЧРН36/45 ОАО «РУМО».

Научная новизна исследований.

- обоснована целесообразность метода упрочнения лазерной обработкой ЦВ СОД;

- изучено влияние лазерной обработки чугуна цилиндровых втулок СОД на структуру и физико-механические свойства;

- получены математические модели влияния технологических факторов при лазерной обработке на структуру и свойства рабочих поверхностей ЦВ;

- установлено положительное влияние лазерного упрочнения на триботехнические свойства и эксплуатационные характеристики ЦВ;

- разработана методика ускоренных триботехнических испытаний деталей работающих в условиях трения.

Практическая ценность заключается в разработке технологии упрочнения рабочей поверхности ЦВ СОД лазерной обработкой, позволяющая повысить ресурс втулок в 1,5-2 раза по сравнению с серийными деталями; определён оптимальный диапазон режимов лазерной обработки материала ЦВ; построены номограммы для определения оптимальных режимов лазерной обработки серых чугунов; исследовано влияние геометрии расположения лазерных дорожек на износостойкость ЦВ; результаты научных и практических исследований диссертационной работы используются в учебном процессе студентов электромеханической специальности; для ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» даны технологические рекомендации и необходимая документация для организации участка лазерного упрочнения сменно-запасных деталей СДВС.

Реализация работы Совместно с ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» изготовлена опытная партия втулок СОД 6ЧРН36/45 с лазерной обработкой, в количестве 10 шт. Экспериментальные ЦВ были поставлены на испытательный стенд ОАО «РУМО», наработка данных деталей к настоящему времени составляет 840 ч. На ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» создан участок лазерного упрочнения сменно-запасных деталей СДВС.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТа в 1997-99г.г., научно-технической конференции, посвященной 10-летию Нижегородского филиала института машиноведения Российской академии наук (г. Н.Новгород, 1997), региональной науч.-практич. конференции инженерного факультета НГСХА по итогам работы за 1996 - 1999 г. (г. Н.Новгород, 1999).

Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

Заключение диссертации по теме «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства», Мордвинкин, Петр Петрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. На основании аналитического обзора производственного опыта судоремонтных предприятий водного транспорта обоснована целесообразность упрочнения ЦВ лазерной обработкой.

2. Разработана методика ускоренных триботехнических испытаний деталей, работающих в условиях трения.

3. Исследовано влияние химических элементов чугуна ЦВ на структуру и фазовый состав поверхностных слоёв зоны лазерного воздействия.

4. Определена оптимальная структура серого чугуна ЦВ, способствующая получению высоких триботехнических характеристик.

5. Установлено, что минимальный износ ЦВ достигается при мощности лазерного излучения Р = 1250. 1300 Вт и скорости перемещения луча V = 6.7 мм/с. (литьё в землю), Р = 1200. 1300 Вт и V = 4,5. .6 мм/с. (центробежный способ литья).

6. Наблюдаемое уменьшение микротвёрдости на поверхности зоны лазерного воздействия является благоприятным условием формирования микроструктуры, т.к. процесс приработки ЦВ будет протекать за меньший промежуток времени. В процессе эксплуатации будут работать слои с повышенной твёрдостью, что обеспечит дополнительное повышение износостойкости ЦВ.

7. По результатам исследований получены математические модели и построены номограммы выбора режимов лазерной обработки серого чугуна СЧ 25.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мордвинкин, Петр Петрович, 2000 год

1. Абильситов Г.А., и др. Оптимизация технологического С02 лазера замкнутого цикла мощностью 10 кВт. Квантовая электроника, 1979, т. 6, N 1, с. 204

2. Абильситов Г.А., и др. Стационарный технологический С02 лазера мощностью 10 кВт. Квантовая электроника, 1980, т. 7, N 11, с. 246 - 247

3. Акулина Г.А., Цырлин С.Э. Лазерная закалка деталей машин. М., 1984.

4. Андрияхин В.М. Процессы лазерной сварки и термообработки. -М.: Наука, 1988.-176 с.

5. Андрияхин В.М. Зверев C.B., Чеканов Н.Г. Упрочнение стали У10 лазерным излучением. Автомобильная промышленность, 1980, № 6, С.28.

6. Андрияхин В.М., Фикшис М.М. Лазеры и перспективы их применения в автомобилестроении. -М.: НИИавтопром, 1980.-65 с.

7. Антюхов В.В. и др. Мощный многолучевой С02 лазер, возбуждаемый разрядом переменного тока. Квантовая электроника, 1981, т. 8, N 10, с. 223 -224

8. Антюхов В.В. и др. Многолучевой волноводный С02 лазер, возбуждаемый разрядом переменного тока. Квантовая электроника, 1980, т. 10, N 2, с. 425

9. Арзамасцева Э.А., Мульченко Б.Ф. Применение лазеров в промышленности. Технология автомобилестроения, 1980, N5.-C. 85 89

10. Ю.Архипов В.Е., Гречин А.Н., Хина М.Л. Лазерное упрочнение корпуса дифференциала а/м «Москвич». Технология автомобилестроения, 1978, N10.-с. 3-6

11. П.Архипов В.Е., Биргер Е.М., Гречин А.Н. Применение лазерной технологии на АЗЛК. Технология автомобилестроения, 1980, N5.-с. 24

12. Асташкевич Б.М. и др. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Минск: Высшая школа, 1985, 115 с.

13. Асташкевич Б.М., Ларин T.B. и др. Результаты испытаний закалённых ТВЧ цилиндровых втулок тепловозных дизелей. Вестник ВНИИЖТ, 1978, N7, с. 19-25.

14. Асташкевич Б.М., Воинов С.С., Шур Е.А. Лазерное упрочнение втулок цилиндров тепловозных дизелей. МиТОМ, 1985, N 4, с. 31 39.

15. Банас K.M., Уэбб Н. Лазерная обработка материалов. ТИИЭР. 1982. Т. 70, N6. с. 35-45.

16. Бративник Е.В. Методы определения оптимальных режимов лазерной закалки и контроля ее качества. МиТОМ, 1982, № 9, с. 36-38.

17. Бродский В.Г. Таблицы оценки эксперимента для факторных и полиномиальных моделей. Под редакцией Налимова B.B. М. Металлургия, 1982. -752 с.

18. Бункин Ф.В., Кириченко H.A., Лукъянчук Б.С. О возможностях снижения энергозатрат на нагрев металлов лазерным излучением. ФиХОМ, 1981, N 5, с. 7.

19. Васильев В.Ю., Еднерал Н.В., Кузьменко Т.Т., Чеканова Н.Т. Влияние лазерной обработки на коррозионные свойства чугуна СЧ 24 44 и стали У 10. Защита металлов. 1982. N3. с. 450-453

20. Веденов A.A., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергоатомиздат,1985.

21. Гаврлюк В.Л. и др. Характеристики С02 лазера с возбуждением ёмкостным разрядом переменного тока. Квантовая электроника, 1979, т. 6, N 3, с. 203 - 204

22. Гаврлюк В.Л. и др. Исследование эффективности накачки С02 лазера переменного тока. Квантовая электроника, 1977, т. 4, N 9, с. 223 - 224

23. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.: Машиностроение, 1966, 562 с.

24. Глебов В.В.,Прохоров И.И. Лазерная обработка поверхности чугуна с целью его упрочнения. Сб. статей «Управление строением отливок и слитков», 1992

25. Готтесман К.А. Практическое применение лазеров в автомобилестроении. Автомобильная промышленность. США. 1976. N2. с. 18-21

26. Григорянц А.Г., Шиганов И.Н. Оборудование и технология лазерной обработки материалов. -М.: Высшая школа, 1990. 158 с.

27. Григорянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. -М.: Машиностроение, 1989. -304 с.: ил.

28. Григорянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазерного термоупрочнения сплавов :Учеб. пособие для вузов М.: Высш. шк., 1988. - 159 е.: ил.

29. Григорьев М.А., Павлинский В.М., Бунаков В.М. Соотношение износов, вызванных различными эксплуатационными факторами, в общем износе цилиндров двигателей. Автомобильная промышленность. 1975. N3. с. 3 -5.

30. Григорович В.К. Твёрдость и микротвёрдость металлов. М.: Наука, 1976, 232 с.

31. Гуреев Д.М. и др. Анализ зависимости глубины упрочненного слоя от плотности энергии лазерного излучения. ФиХОМ, 1985, N2.

32. Густва В.А., и др. Влияние лазерного облучения на структуру штамповой стали Х12М.-Изр.Вузов. Черная металлургия, 1980, N11, с. 106

33. Дубняков В.Н., Кащук О.Л. Соотношение между количественными характеристиками микроструктуры и износостойкостью серого чугуна, упрочнённого лазерным излучением. МиТОМ, 1986, N9. 40 с.

34. Дубняков В.Н. Влияние предшествующей обработки на пластичность и абразивную износостойкость метастабильных слоёв. Трение и износ, 1985, Т. 4, N9, с. 870-875.

35. Дубняков В.Н. и др. Влияние метаетабильного состояния поверхностных слоев твёрдых тел на трение и износ. Трение и износ. 1983, т. 4, N5, с. 925 -929.

36. Зб.Еднерал Н.В. и др. Поверхностная лазерная обработка стали У10. Технология автомобилестроения, 1980, N5 с.27.

37. Ершова JI.C. О механизме перекристаллизации при лазерной обработке. МиТОМ, 1973, N3.

38. Ильин В.М. Влияние лазерного упрочнения на стойкость и надёжность режущего инструмента. Изв. Вузов. Машиностроение, 1982. N 7. с. 11 115

39. Кондратьев H.H. Отказы и дефекты судовых дизелей. М: Транспорт, 1985.- 152 с.

40. Коваленко B.C., Дятел В.П. Лазерная обработка отверстий. Машиностроитель. 1978. N1.-23 с.

41. Коваленко B.C., Котляров В.П., Дятел В.П. Справочник по технологии лазерной обработки. К: «Техника», 1985, 167 с.

42. Костин А.К., Пугачёв Б.П., Кочинев Ю.И. Работа дизелей в условиях эксплуатации. Л.: Машиностроение, 1989, 284 с.

43. Костецкий Б.И., Ноювский И.Г., Караулов А.К. и др. Поверхностная прочность материалов при трении. К.: «Техника», 1976, 296 с.

44. Кокора А.Н. Лазерная термообработка и перспективы ее применения на предприятиях Минлегпищемаша (обзор). М.: ЦНИИТО ЛЕГПИШЕМАШ, 1977, 49 с.

45. Кожевников В.А. Исследование влияния микрогеометрии втулок цилиндров судовых дизелей на их износостойкость и работоспособность. : Авто-реф. дис. канд. техн. наук. Л.: 1972. - 22 с.

46. Комбинированные процессы упрочнения деталей машин и инструмента, включающие лазерный нагрев/ Бронер Г.И., Варавка В.Н., Пустовойт В.Н. Рос. науч.-тех. конф. "Нов. матер, и технол." Москва. 3-4 нояб. 1994. Тез. докл. М., 1994. С. 63.

47. Котляров В.И. и др. Прогрессивные технологические процессы лазерной обработки материалов. Киев: Знание, 1983. С.16.

48. Котляров В.П. Поверхностная от дел очно-упрочняющая обработка с лазерным облучением. Электронная обработка материалов. 1987. №1. С. 12-17.

49. Криулин A.B. Особенности структуры и химического состава сульфоциа-нированного слоя на чугуне. Ремонт судов речного флота. - Л.: ЛИВТ, 1985. с.12-19

50. Криулин A.B. Повышение надёжности деталей дизелей методами химико-термической обработки. Л.: Транспорт, 1973. с.228 - 234

51. Кришталл М.А., Жуков A.A., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М., 1973. 192 с.

52. Крылов К.И., Прекопенко В.Г., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л: Машиностроение, 1990, 316 с.

53. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Машиностроение, 1976.

54. Летохов З.С., Устинов Н.Д. Мощные лазеры и их применение. М.: Советское радио, 1980, 112 с.

55. Лазеры в технологии/ Под ред. И.Ф. Стельмаха, М.: Энергия, 1975, 216 с.

56. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник/ H.H. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев и др. М.: Машиностроение, 1985.

57. Липов В .Я., Ратновский A.A., Райнин Г.А. Разработка лазерных установок для термообработки. В сб.: Современное электротермическое оборудование для термической обработки металлических материалов, МДНТП, 1982, с. 6.

58. Локализованная термическая обработка поверхности изделия с помощью лазерного луча. Coherent Inc. Патент №7934405. США. Опубл. 20.08.80.

59. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976, 176 с.

60. Матвеев Ю.И. Повышение ресурса цилиндровых втулок и поршневых колец судовых среднеоборотных двигателей износостойкими покрытиями и лазерной обработкой. Дисс. канд. техн. наук, Нижний Новгород, 1995, 236 с.

61. Матвеев Ю.И., Мордвинкин П.П. Повышение износостойкости гильз цилиндров ДВС.// Материалы региональной науч.-практич. конференции инженерного факультета НГСХА по итогам работы за 1996 1999 г. — Н.Новгород, НГСХА, 1999, с.385 - 391

62. Матвеев Ю.И., Мордвинкин П.П. Влияние аустенита на износостойкость чугунов.// Материалы региональной науч.-практич. конференции инженерного факультета НГСХА по итогам работы за 1996 1999 г.— Н.Новгород, НГСХА, 1999, с.391 - 393

63. Марченко Е.А. О природе разрушения поверхности металлов при трении. М.: Наука, 1976, 118 с.

64. Мишин H.A. Долговечность двигателей. Л.: Машиностроение, 1976, 288 с.

65. Полушкин H.A. Глебов В.В., Лазерная обработка судовых деталей и машин (тез.). Сб. докладов XXIII научно-практической конференции, ВГАВТ, 1994 г.

66. Пружанский Л.Ю. Исследования методов испытаний на изнашивание. М.: Наука, 1978.

67. Проспект фирмы Spectra Physies

68. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М: Советское радио, 1977,330 с.

69. Рейман С.И., Митрофанов К.П., Шпинель B.C. Применение ЯГР для анализа фазового состава поверхности массивных образцов. М: Наука, 1979, вып. 9, с. 170.

70. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975, 296 с.

71. Репин Ф.Ф., Глебов В.В., Прохоров И.И. Лазерное упрочнение деталей машин из чугуна и стали. Сб. статей «Испытание материалов и конструкций», Н. Новгород, 1996, с. 80-108

72. Седунов В.К. и др. Изменение структуры и свойств гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания после лазерной обработки. МиТОМ, 1980, N9, с. 10.

73. Синдеев В.И., Исхакова Г.А. Особенности формирования поверхностного слоя деталей при лазерном и ультразвуковом воздействии.// ФиХОМ. 1988. №5. С. 85-88.

74. Способ лазерной обработки A.c. №1417337. СССР.

75. Способ поверхностной закалки железоуглеродистых сплавов с помощью С02-лазера непрерывного излучения мощностью 20-300 кВт/см2. Academie der Wissenschaften. Заявка №2385844.ГДР. Опубл. 16.11.83.

76. Способ и устройство для обработки заготовок лазерным лучем. Herziger. Заявка №3424825.ФРГ. Опубл. 2.06.86.Способ поверхностного упрочнения. A.c. №1026487. СССР.

77. Справочник по лазерной технике. Киев: Техника, 1976, с.85.

78. Справочник по триботехнике. Под общ.ред.Хебды М., Чичинадзе A.B. В зт. т 1. Теоретические основы. М.: Машиностроение, 1989, 400 с.

79. Способ термического упрочнения поверхности деталей с помощью высококонцентрированного источника нагрева. A.c. №1274306. СССР.

80. Стелмах И.Ф., Тимофеев А.И., Чельный A.A. Лазерная технология электронной промышленности. Электронная промышленность, 1976,№ 1 с. 3

81. Тененбаум М.М. Об оценке сопротивления материалов царапанию. ЖТФ. 1957, т. 27, N5, с. 1106-1117

82. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. М.: Машиностроение, 1966, 562 с.

83. Усов C.B. Комбинированные методы упрочнения деталей автоматических машин, построенные на основе лазерного излучения.// Передовой опыт. 1986. №7. С.25-28

84. Хегленд Д. Лазеры в действии. М.: ВЦП, 1979, NB-61611,15c.

85. Цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Заявка N 54 36904. Япония. Опубл. 12.11.79.

86. Шахрай А.Н., Лонго М. Применение лазеров большой мощности в производстве. М.: ВЦП, 1979, N В 59166, 59 с.

87. Miller Y.E., Wineman Y.A. Lazer hardening of suginaw steering gear. Metal Progress, 1977, v. Ill, N5, p. 38-43

88. Ayers I.D. Fhin. Solid Film. 1981. №4. P.323.

89. От ОАО «Завод Нижегородский Теплоход»:

90. Гончаров И.А. начальник технического отдел Терёхин К.Г. - начальника отдела маркетинга1. От ВГАВТа:

91. Глебов В.В. доцент, к.-ф.м.-н.

92. Матвеев Ю.И. доцент, к.т.н.1. Мордвинкин П.П. инженер