При восстановлении изношенной рабочей поверхности гильзы расточкой под ремонтный размер снимается верхний, упрочненный, слой металла гильзы [1-3]. В результате, микротвердость расточенной рабочей поверхности гильзы меньше, чем до расточки под ремонтный размер. Чтобы устранить этот недостаток применяют упрочнение расточенной рабочей поверхности пластическим деформированием с помощью электромеханической обработки специальными устройствами.

Сущность электромеханической обработки металлических поверхностей заключается в осуществлении поверхностного пластического деформирования (наклепа) предварительно разогретой электрическим током поверхности детали [1-3].

Проведение поверхностного упрочнения электромеханической обработкой рабочей поверхности соответствующим инструментом требует создания определенных условий, при которых будет обеспечиваться достаточное усилие воздействия раскатывающим инструментом на рабочую поверхность гильзы. Усилие раскатывания должно быть таким, что бы рабочая поверхность гильзы претерпела пластическое деформирование (наклеп) без появления микротрещин, сколов и задиров. Для облегчения процесса деформации рабочей поверхности гильзы предполагается разогревать ее электрическим током, подавая напряжение на раскатывающие ролики и гильзу, создавая тем самым замкнутую электрическую цепь с возникновением в местах контакта роликов и поверхности гильзы электрического разряда.

Усилие раскатывания зависит от твердости, плас­тичности и структуры металла, шероховатости поверхности, конст­руктивных особенностей детали и инструмента [1, 4-5]. Слишком малое давление не обеспечивает полного смятия выступов микронеровно­стей поверхности. Для получения поверхности с требуемыми свой­ствами необходимо увеличивать число проходов, что снижает про­изводительность обработки. Слишком большое давление приводит к перенапряжению и разрушению поверхности, деформации дета­ли и снижению ресурса инструмента. Упрочнение предполагается осуществлять модернизированным устройством для упрочнения внутренних поверхностей, которое отличается от существующих аналогов тем, что несущий вал имеет лыски, предотвращающие проворачивания во время раскатки ползунов. Также предлагается выполнить насечки на основном валу для нормирования усилия прижатия роликов к обрабатываемой поверхности гильзы цилиндра.

Расчетная схема сил, возникающих при проведении упрочнения рабочей поверхности гильзы цилиндров предлагаемым устройством путем пластического деформирования приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Расчетная схема упрочнения поверхности:

1-гильза; 2- ролик; 3- пружина;

4- гайка; 5- ось ролика.

Наиболее точно усилие раскатывания при деформации роликами  мож­но определить по формуле [1-3]:

                                                                           (1)

 где F-усилие раскатывания, Н;

        d-диаметр обрабатываемой детали, d =0,1м;

        q -наибольшее значение давления, МПа.

q=(1,8…2,1)σ_В,

          где σ_В- предел прочности материала, МПа.

          У детали из высокопрочного чугуна ВЧ 100 принимаем σ_В=1000МПа.

  Определим наибольшее значение давления:

q =1,8·1000·10⁶=1,8·10³ МПа;

          где Е-модуль упругости обрабатываемого материала, МПа

                       Для чугуна ВЧ 100Е=1,85·10⁵МПа

                b -длина контакта ролика с деталью, принимаем b=1·10^-4м.;

               D_р- диаметр ролика, D_р=0,023м.

Чтобы обеспечить работоспособность устройства для электромеханической обработки необходимо, чтобы раскатывающие ролики выдерживали усилие раскатывания. Для этого проводим проверочный расчет оси ролика на срез и смятие.

Проверка производится при условии, что сила, действующая на ось равна максимальной нагрузке на ролике  при условии работы устройства в неупругом режиме F  = 183Н  (рис. 1).

Условие прочности на срез:

                                      (2)

где F – действующая на ось сила, перпендикулярная его оси, Н;

       z – количество плоскостей среза, z = 2;

       d – диаметр оси, d = 0,004 м;

      [τ_С] – допускаемое напряжение на срез.

          При статической нагрузке  [τ_С] = 0,25 .

          Для Ст 3

[τ_С] = 0,25·140=35 МПа.

Рисунок 2- Расчетная схема оси ролика на срез и смятие

Условие прочности на срез выполняется.

Условие прочности на смятие:

                                                                                   (3)

где t – толщина соединяемых частей (t = 4), мм;

[s_см] – допускаемое напряжение на смятие, [s_см] = 70 МПа.

n – количество осей, n =1,

11,4 МПа < 70 МПа.

         Условие прочности выполняется.

Таким образом, расчеты показали, что ось раскатывающего ролика выдержит прилагаемую к ней нагрузку и обеспечит надлежащие условия работы устройства.

Для проверки работоспособности вала устройства, произведем проверочный расчет определение осевой силы,  действующей на вал.

Осевую силу, действующую на вал, определим геометрическим путем. В треугольнике АВС катет ВС равен усилию раскатывания Fр=183Н, катет АВ равен четвертой части осевой силы Fос/4, α-угол при вершине, α=7º.

  Гипотенузу АС определим как отношение Fр/sin α

АС= Fр/ sin α=183/ sin7 º=1830Н.

  Осевую силу Fос определяем следующим образом:

Также проводим проверочный расчет болта шарнира планки на срез и смятие.

Проверка производится при условии, что сила, действующая на болт равна максимальной осевой нагрузке на валу  при условии работы устройства в неупругом режиме Fср  = 1828Н  (рисунок 3).

Условие прочности на срез:

                                                                               (4)

где  Fср – действующая на болт сила, перпендикулярная его оси, Н;

         z – количество плоскостей среза, z = 2;

        d – диаметр болта, d = 0,008 м;

        [τ_С] – допускаемое напряжение на срез.

          При статической нагрузке  [τ_С] = 0,25 s_см.

          Для Ст 3 s_см = 140 МПа

[τ_С] = 0,25·140=35 МПа.

         Условие прочности на срез выполняется.

Рисунок 3 – Схема к расчету болта на срез и смятие

         Условие прочности на смятие:

                                                                                                              (5)

 где t – толщина соединяемых частей (t = 6), мм;

[s_см] – допускаемое напряжение на смятие, [s_см] = 70 МПа.

n – количество болтов, n =1,

38,4 МПа < 70 МПа.

           Условие прочности выполняется.

Таким образом, определив расчетное значение усилия раскатывания рабочей поверхности гильзы цилиндров модернизированным устройством для электромеханической обработки внутренних цилиндрических поверхностей деталей и сделав проверочный расчет на прочность основных элементов устройства, можно сделать заключение о возможности изготовления работоспособного устройства с требуемыми параметрами.

Для обеспечения достаточного уровня износостойкости рабочей поверхности  гильз автомобильных двигателей, которые в основной массе изготавливаются из чугуна, прибегают к проведению поверхностной или сквозной термической обработке (закалке) [4]. В этом случает твердость обработанной поверхности гильзы будет располагается в интервале 55-65 HRС. Исходя из этого, для проведения расточки целесообразно воспользоваться резцами с материалом режущей части из Эльбора-Р. Такие резцы имеют стабильные режущие свойства при высоких температурах вплоть до 1500°С и характеризуются высокой стойкостью к изнашиванию.

Для расчета берем гильзы самого большого диаметра из распространенных двигателей, а именно  гильзу двигателей ЯМЗ-236/238 диаметром 130 мм. Такие двигателя устанавливались на автомобили марки МАЗ, Урал, КрАз, КамАЗ и другие, то есть на большегрузные автомобили. Нормирование расточки гильз меньшего диаметра будет отличаться не значительно данного технологического процесса.

Для выбранной гильзы, ориентируясь на среднюю величину износа припуск на механическую обработку, составит 1,2 мм на диаметр. То есть величина припуска на механическую обработку на одну сторону составит менее половины миллиметра, а именно 0,6 мм.  Такую толщину металла можно снять за один проход выбранным резцом. То есть,  глубина резания будет равна t= 0,6 мм. Подачу принимаем из S = 0,12 мм/об. Скорость резания определим по формуле [5, 6]

                                                                                                                                                                          (1)

         где V- скорость резания, м/мин;

        С_v- коэффициент (зависит материала);

        t- глубина резания, мм;

        S – подача резца, мм/об;

       Х_v,У_v– степенные показатели;

        К_v- коэффициент поправки на скорость резания.

Получаем:

                                                                                                                                                                            (2)

         где  К_mv – коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала;

        К_nv – коэффициент состояния обрабатываемой поверхности;

        К_UV – коэффициент, зависящий от материала лезвия резца;

        К_φv, К_qv- коэффициент параметров резца: радиус при вершине лезвия резца, главный угол в плане;

K_ov– коэффициент, учитывающий вид обработки.

Подставив числовые значения параметров в формулу (2), получаем 

Определяем частоту вращения детали:

                                                                                                                                                                          (3)

          где d – диаметр обрабатываемой поверхности детли, мм

Согласно паспортным данным станка 2Е78П число оборотов шпинделя принимаем равным n= 500 мин^-1.

Определяем необходимую для растачивания мощность [5, 6]

                                                           (4)

         где N- мощность необходимая для расточки гильзы, кВт

Pz – сила резания, Н

  (5)

         где С_p- коэффициент, учитывающий условия работы и механические свойства обрабатываемого материала.

Подставив числовые значения в формулу (5), получаем:

Подставим полученные значения в формулу (4):

Таким образом, согласно паспортным данным станка (при частоте вращения шпинделя n = 500 мин^-1 мощность составляет N=1,47 кВт), мощность двигателя станка достаточна для расточки гильзы.

Проводим расчет необходимого времени на расточку гильзы цилиндра. Нормируемое время – это время, в течение которого выполняется работа в соответствии с техническим заданием. Нормируемое время может быть основным, вспомогательным, дополнительным и подготовительно-заключительным. Все эти виды нормируемого времени входят в состав технической нормы времени, выражаемой следующей формулой [5-7]:                                                                                                                                                                          (6)

где   Тн – норма времени или штучно-калькуляционное время, мин

То – время основное, мин

Тв – время вспомогательное, мин

Тдоп – время дополнительное, мин

Т_ПЗ – время подготовительно-заключительное, мин

n_шт – число изделий в партии, шт.

Основным временем называют время, в течении которого происходит изменение формы, размера, внешнего вида или свойств детали при какой-то обработке. По способу выполнения основное время может быть машинным или машинно-ручным.

Определяем машинное время [5-7]:

                                                   (7)

где  L – длина расточки гильзы цилиндров, мм

l – величина врезания и перебега резца, мм

l =1 мм

Подставив числовые значения получаем:

Вспомогательное время – это время, расходуемое на разнообразные вспомогательные действия, которые способствуют выполнению основной работы. Например: установка заготовки (детали), выверка, настройка (наладка) оборудования. Вспомогательное время на установку и снятие детали из приспособления принимаем Тв = 2 мин.

Тогда

Дополнительное время состоит из времени, затрачиваемого на организационно-техническое обслуживание рабочего места, времени на отдых и перерывы, естественные надобности и производственную гимнастику. Оно рассчитывается пропорционально затратам оперативного времени [5-7]:

где k- отношение дополнительного времени к операционному, к=10%.

Таким образом, величина нормируемого времени на расточку одной гильзы составит (при Т_пз = 3 мин):

По окончании расточки, осуществляется доводка обрабатываемой поверхности гильзы хонингованием. Это отделочная операция, позволяющая получить высокую точность обработки, вплоть до 7-го квалитета и малую величину шероховатости поверхности  (Rа= 0,3…0,08 мкм), а также особую сетку микрометрического профиля на обрабатываемой поверхности. Микрометрический профиль помогает удержать на поверхности зеркала цилиндра смазочные материалы.

В процессе хонингования рабочей поверхности гильзы, рабочий орган-хон совершает вращение, движение подачи вдоль оси детали и радиальное движение подачи брусков. Это позволяет создать условия для резания, самозатачивания и формирования характерного рисунка микрометрического профиля (сетки). При хонинговании срезаемый припуск составляет 5…2000 мкм, а иногда и более.

Хонингование будет осуществлятся на вертикально-хонинговальном станке модели 3Г833.

Определяем режимы обработки поверхности гильзы при черновом хонинговании.

Число оборотов хонинговальной головки находим по формуле [5-7]:

                                                                                              (8)

где   n – количество оборотов хонинговальной головки, мин^-1

V- скорость хонингования (окружная), м/мин

D – диаметр гильзы (для чернового хонингования), мм

Скорость хонингования (для стали и высокопрочного чугуна) принимаем V=60 м/мин.

Получаем:

Скорость возвратно поступательного движения принимаем (для стали и высоколегированного чугуна) Vвп, = 8м/мин.

Ход хонинговальной головки находим по формуле:

где Н— ход хонинговальной головки, мм

L – длина хонингования, мм

k – перебег бруска, мм

m – длина бруска хоны, мм

Принимаем k =50 мм, m =150 мм.

Таким образом, получаем

Определяем время, необходимое для осуществления хонингования рабочей поверхности одной гильзы по следующей формуле [5-7]:

                                                     (9)

где Т_о – время основное, мин

n₁ – число двойных ходов на снятие припуска

n₂ – число двойных ходов шпинделя станка

                                               (10)

где t_в.х- толщина металла, срезаемого за один двойной ход, мм

                                                (11)

  Подставляя числовые значения в формулу (11), получаем

Подставляя числовые значения в формулу (4.10), получаем

Вспомогательное время для монтажа гильзы в приспособлении принимаем:

Тв = 1,6 мин.

  Таким образом, операционное время будет равно:

В таком случае, дополнительное время будет равно:

Подготовительно-заключительное время принимаем Т_ПЗ = 3 мин, и получаем нормируемое время на черновое хонингование одной гильзы

Режимы обработки чистового хонингования определяются также. Скорость возвратно-поступательного движения принимаем равным V_В.П.= 8м/мин. (для стали и высоколегированного чугуна).

Вспомогательное время для монтажа гильзы на станок принимаем Т_в = 1,6 мин.

Таким образом, операционное время будет равно:

В таком случае, дополнительное время составит:

Подготовительно-заключительное время принимаем Т_ПЗ = 3 мин и получаем нормируемое время на чистовое хонингование одной гильзы:

Тн =4,6 + 1,6 + 0,2 + 3 = 9,4 мин

Для восстановления микротвердости рабочей поверхности, подвергшейся механической обработке, необходимо провести упрочнение электромеханической обработкой (ЭМО). Упрочнение ЭМО рабочей поверхности гильзы предполагается осуществлять на токарно-винторезном  станке модели 1К65 с фиксацией  гильзы в трехкулачковом самоцентрирующемся патроне. Дополнительно потребуется трансформатор тока и инструмент-инструментальная головка для проведения ЭМО.

  При этом основное время составит:

То=L/n∙S мин,                                           (12)

где  L – длина обрабатываемой поверхности гильзы в мм;

                  n – число оборотов  шпинделя станка

                                                       n=1000V·60/d,                                            (13)

          где  V – требуемая частота вращения инструментальной головки

V=0,33…0,99 об/мин,

d – диаметр восстанавливаемой гильзы, d =130 мм.,

S – подача, мм/об. S=0,25…1,5 мм/об.

Определяем необходимое количество оборотов:

n=1000·0,25·60/3,14·130=117 мин^-1.

  Согласно формулы (12) получаем:

То=200/117·0,5=3,4 мин.

  Подготовительно-заключительное время принимаем Т_ПЗ = 1,9 мин.

  В таком случае, нормируемое время составит:

                                           Тн = То + Тпз                                                                                                   (14)

                                        Тн = 3,4 + 1,9 = 5,3 мин.

Таким образом, общее время на восстановление работоспособности одной гильзы цилиндров с внутренним диаметром 130 мм., будет складываться из нормируемого времени на все операции, входящие в технологический процесс. А именно – расточку под ремонтный размер, черновое хонингование, чистовое хонингование и ЭМО (упрочнение).

Суммируя нормируемое время на эти операции, получаем:

Тобщ = 12,2 + 8,4 + 9,4 + 5,3 = 35,3 минуты.

То есть, полный цикл операций по восстановлению работоспособности гильзы цилиндров потребует 35,3 минут.