Разработка маршрутного технологического процесса и экономическое обоснование восстановления гильзы цилиндра автомобиля ГАЗ-53А

Введение

Индустрия автомобильного ремонта, особенно в сегменте грузового транспорта, сталкивается с постоянной дилеммой: замена изношенных деталей на новые или их квалифицированное восстановление. Для двигателя ЗМЗ-53, который является сердцем легендарного автомобиля ГАЗ-53А, гильза цилиндра представляет собой одну из наиболее нагруженных и критически важных деталей. Износ рабочей поверхности гильзы — естественный процесс, который ведет к падению компрессии, увеличению расхода масла и снижению общей мощности двигателя.

Статистический факт: По данным исследований в области машиностроения, до 70% всех неисправностей двигателей внутреннего сгорания, требующих капитального ремонта, напрямую или косвенно связаны с критическим износом деталей цилиндропоршневой группы, при этом гильзы цилиндров являются лидерами по необходимости восстановления геометрических параметров.

Настоящий курсовой проект посвящен разработке исчерпывающего, экономически обоснованного и технологически корректного процесса восстановления гильзы цилиндра автомобиля ГАЗ-53А.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ конструкции и определить предельно допустимые дефекты гильзы.
2. Обосновать выбор рационального метода восстановления рабочей поверхности (расточка и хонингование) и внешних посадочных поясков (осталивание).
3. Разработать полный технологический маршрут и произвести расчет режимов резания для ключевых операций.
4. Спроектировать специальное технологическое приспособление для обеспечения точности обработки.
5. Выполнить экономическое обоснование разработанного процесса и сформулировать требования охраны труда.

Структура данной работы соответствует полному циклу инженерного проектирования: от анализа исходных данных и выбора технологии до детального расчета и экономического сравнения, что обеспечивает высокую практическую ценность проекта.

Анализ конструкции, материалов и дефектов гильзы цилиндра ГАЗ-53А

Гильза цилиндра двигателя ЗМЗ-53, используемого в ГАЗ-53А, является классическим примером так называемой «мокрой» гильзы. Это означает, что ее наружная поверхность непосредственно контактирует с охлаждающей жидкостью, что обеспечивает более эффективный теплообмен, но одновременно накладывает жесткие требования к материалу и точности посадочных поверхностей. Важно понимать, что нарушение точности посадочных поясков неминуемо ведет к ухудшению теплоотвода и риску локального перегрева.

Характеристики детали и исходные данные

Материалом для изготовления гильзы цилиндра служит серый легированный чугун, например, марки СЧ 21-40 (согласно старому ГОСТ 1412-54) или современные аналоги, обеспечивающие твердость в диапазоне 217–250 HB. Такой материал гарантирует необходимую износостойкость и достаточные антифрикционные свойства для работы в паре с поршневыми кольцами.

Химический состав чугуна СЧ 21-40 (ориентировочно):

Элемент	Процентное содержание (%)	Назначение
Углерод (C)	3.0 – 3.4	Обеспечивает перлитную или феррито-перлитную структуру, высокую износостойкость.
Кремний (Si)	1.7 – 2.4	Графитизирующий элемент, способствует образованию графита.
Марганец (Mn)	1.0 – 1.5	Повышает прочность и твердость.
Фосфор (P)	До 0.25	Влияет на жидкотекучесть, но может снижать ударную вязкость.

Номинальный внутренний диаметр рабочей поверхности гильзы составляет 92,0^+0,06 мм. Требования к точности и шероховатости этой поверхности являются определяющими для ресурса всего двигателя.

Дефектация и предельно допустимые износы

В процессе эксплуатации гильза подвергается комплексному воздействию механических, тепловых и химических нагрузок, что приводит к возникновению ряда характерных дефектов.

Таблица 1. Основные дефекты и предельные износы гильзы цилиндра ГАЗ-53А

Вид дефекта	Характер проявления	Предельно допустимое значение	Метод контроля
Износ рабочей поверхности	Конусность и овальность (максимум в зоне ВМТ)	Увеличение диаметра 0,3 мм	Нутромер, индикаторный прибор
Износ посадочных поясков	Уменьшение наружного диаметра верхнего и нижнего поясков	Определяется по посадке в блок (обычно до 0,15 мм на диаметр)	Микрометр
Трещины	Разрушение структуры металла	Недопустимы, деталь подлежит браковке	Дефектоскопия (магнитопорошковый, капиллярный методы)
Коррозия	Повреждение поверхности охлаждающей жидкостью	Глубокие раковины, не устраняемые расточкой	Визуальный осмотр
Повреждение опорного бурта	Излом или задиры	Недопустимы	Визуальный осмотр

Ключевым эксплуатационным дефектом является износ рабочей поверхности, который наиболее выражен в верхней части цилиндра (напротив хода первого компрессионного кольца). При превышении износа в 0,3 мм гильза теряет герметичность, что требует ее восстановления путем расточки под ремонтный размер.

Для гильз двигателя ЗМЗ-53 предусмотрены следующие стандартные ремонтные размеры:

• I ремонтный размер: 92,5 мм (увеличение на 0,5 мм).
• II ремонтный размер: 93,0 мм (увеличение на 1,0 мм).
• III ремонтный размер: 93,5 мм (увеличение на 1,5 мм).

Выбор рационального метода восстановления и технологический маршрут

Выбор метода восстановления должен основываться на принципе минимизации затрат при гарантированном достижении требуемых эксплуатационных характеристик, соответствующих техническим условиям на ремонт. Отсюда следует, что использование метода, позволяющего сохранить максимальный ресурс детали при наименьшей трудоемкости, всегда предпочтительнее.

Основной технологический маршрут (рабочая поверхность)

Для восстановления изношенной внутренней поверхности гильзы, имеющей дефекты в виде овальности и конусности, наиболее рациональным и общепринятым методом является механическая обработка с увеличением диаметра — расточка под ближайший ремонтный размер с последующим хонингованием.

Этот процесс обеспечивает не только восстановление номинальной геометрии, но и достижение требуемого микрорельефа поверхности.

Таблица 2. Маршрутный технологический процесс восстановления рабочей поверхности гильзы

Номер операции	Наименование операции	Цель операции	Оборудование/Оснастка
005	Мойка и очистка	Удаление нагара, масла, загрязнений	Моечная машина, УЗ-ванна
010	Дефектация	Контроль геометрических параметров, поиск трещин	Нутромер, дефектоскоп
015	Установка в приспособление	Точное базирование и жесткое крепление	Специальное приспособление
020	Предварительная расточка	Снятие основного припуска, удаление глубоких дефектов	Вертикально-расточной станок
025	Чистовая расточка	Получение размера, меньшего на припуск на хонингование	Вертикально-расточной станок
030	Снятие фасок	Подготовка к хонингованию	Вспомогательный инструмент
035	Хонингование	Формирование финишного микрорельефа (хона), достижение требуемого ремонтного размера	Хонинговальный станок
040	Окончательный контроль	Проверка диаметра, овальности, конусности, шероховатости	Приборы контроля

Припуск на финишную обработку (хонингование) должен быть минимальным, чтобы обеспечить высокое качество поверхности. Стандартная величина припуска на хонингование составляет от 0,03 до 0,08 мм на диаметр.

Восстановление посадочных поясков (Детализация)

Внешние посадочные пояски гильзы (верхний бурт и нижний центрирующий пояс) обеспечивают ее точную посадку в блок цилиндров и герметичность системы охлаждения. Износ этих поверхностей приводит к вибрации гильзы, нарушению теплоотвода и утечке охлаждающей жидкости.

Для компенсации износа внешних поверхностей (при отсутствии глубоких дефектов, требующих наплавки) наиболее эффективным является метод осталивания (гальваники). Этот метод позволяет нанести тонкий, твердый слой металла (железа) электролитическим способом.

Критически важный технологический параметр: При осталивании для последующей чистовой обработки шлифованием, наносится электролитический слой толщиной 0,15 – 0,25 мм на сторону (по радиусу). Это позволяет компенсировать суммарный износ по диаметру до 0,3–0,5 мм и обеспечить достаточный припуск для последующего шлифования до номинального (или ремонтного) посадочного размера.

После нанесения покрытия, посадочные пояски подвергаются чистовому шлифованию или точению для восстановления требуемых допусков и посадок.

Расчет режимов механической обработки и требований к качеству

Для обеспечения высокой точности и производительности процесса восстановления необходимо строго нормировать режимы резания. В качестве ключевой операции рассмотрим чистовую расточку внутренней поверхности гильзы. Почему расчет режимов резания так важен? Потому что только точно подобранные параметры гарантируют отсутствие вибраций и необходимое качество поверхности, которое напрямую влияет на ресурс двигателя.

Выбор оборудования и инструмента

Расточка гильз цилиндров (как отдельно, так и в блоке) традиционно выполняется на вертикально-расточных станках высокой точности. В ремонтной практике часто используются станки советской серии (например, 2Е78) или их современные аналоги. Эти станки способны обеспечить точность позиционирования и жесткость, необходимые для достижения отклонения от геометрической формы не хуже 0,005 мм (5 мкм) после чистовой расточки.

Инструмент: Поскольку материал гильзы — чугун высокой твердости (HB 217–250), для обеспечения высокой чистоты и стойкости инструмента рекомендуется использовать резцы, оснащенные пластинами из:

1. Твердого сплава ВК3М: Обладает высокой износостойкостью при обработке чугунов.
2. Эльбора (Кубический нитрид бора): Применяется для сверхчистовой обработки и обеспечивает наилучшую шероховатость и стойкость, особенно на высоких скоростях.

Расчет режимов резания и норм времени

В качестве примера проведем расчет режимов для операции чистовой расточки гильзы под I ремонтный размер (D_р = 92,5 мм).

Исходные данные для чистовой расточки:

• Диаметр расточки (D_р): 92,5 мм.
• Длина хода резцовой головки (включая перебег) (L_р): 160 мм.
• Рекомендуемая скорость резания (V): 110 м/мин (среднее значение из диапазона 100–120 м/мин).
• Рекомендуемая подача (S): 0,08 мм/об (среднее значение из диапазона 0,05–0,10 мм/об).

1. Расчет частоты вращения шпинделя (n)

Частота вращения шпинделя определяется исходя из заданной скорости резания и диаметра обработки.

n = (1000 * V) / (π * D_р)

Подставляем значения:

n = (1000 * 110) / (3,14 * 92,5) ≈ 378,08 мин-1

Принимаем ближайшее стандартное или регулируемое значение частоты вращения станка, например, n = 380 мин^-1.

2. Расчет основного времени расточки (T₀)

Основное (машинное) время, необходимое для выполнения одного рабочего прохода, рассчитывается по формуле:

T₀ = L_р / (S * n)

Подставляем значения:

T₀ = 160 / (0,08 * 380) ≈ 5,26 мин

Если для чистовой расточки требуется два прохода, то суммарное основное время составит $2 \cdot 5,26 = 10,52$ мин. На основе основного времени рассчитываются нормы штучного и штучно-калькуляционного времени, необходимые для экономического обоснования.

Требования к финишной обработке (Хонингование)

Хонингование — это абразивная финишная операция, которая следует за расточкой и является критически важной для обеспечения долговечности гильзы. Основная задача хонингования — достижение:

1. Высокой геометрической точности: Окончательное устранение остаточных микроскопических конусностей и овальностей. Требования к точности обработки после расточки и перед хонингованием: отклонение от геометрической формы должно быть не более 0,01 мм.
2. Требуемой шероховатости: Хонингование должно обеспечить шероховатость поверхности R_a ≤ 0,32 мкм (что соответствует 9–12 классу чистоты).
3. Формирование «хона»: Создание на рабочей поверхности сетки пересекающихся рисок (хона) с определенным углом наклона. Эта сетка необходима для гарантированного удержания моторного масла, предотвращения сухого трения и обеспечения эффективной приработки поршневых колец.

Проектирование специального технологического приспособления

Для обеспечения высокой точности расточки гильзы как отдельной детали, необходимо использовать специализированное зажимное приспособление. Оно должно гарантировать жесткое и надежное крепление детали, точное базирование, исключающее деформацию тонкостенной гильзы, а также соосность растачиваемого отверстия с внешними посадочными поверхностями. Что произойдет, если пренебречь точным базированием?

Принцип конструкции приспособления:

Приспособление представляет собой корпус, который жестко крепится к столу вертикально-расточного станка.

1. Базирование: Гильза центрируется по ее наружным посадочным пояскам (верхнему и нижнему) с помощью точной установочной втулки и корпуса приспособления. Такое базирование (по наружным диаметрам) гарантирует, что ось растачиваемого отверстия будет строго соосна с осью, определяемой при сборке гильзы в блок.
2. Зажим: Фиксация гильзы осуществляется осевым усилием, прикладываемым через быстросъемный элемент — например, откидной винт и гайку (или эксцентриковый зажим). Прижимное усилие должно быть равномерно распределено по опорному торцу гильзы, чтобы избежать ее деформации.

Обеспечение соосности является критическим требованием: ось растачивания должна быть перпендикулярна опорному бурту гильзы.

Комплект чертежей приспособления:

В рамках курсового проекта к расчетно-пояснительной записке должны прилагаться чертежи, выполненные в соответствии с требованиями ЕСКД:

1. Сборочный чертеж приспособления (с указанием спецификации).
2. Рабочие чертежи ключевых деталей, требующих высокой точности изготовления:
   • Корпус приспособления.
   • Установочная (центрирующая) втулка.
   • Прижимная шайба и откидной винт.

Экономическое обоснование и требования охраны труда

Разработанный технологический процесс должен быть не только эффективным с технической точки зрения, но и экономически целесообразным. Выбор ремонта должен быть продиктован не только возможностью, но и выгодой.

Расчет себестоимости восстановления (Актуальность)

Экономическая эффективность ремонта определяется путем сравнения полной себестоимости восстановления одной гильзы (C_{ремонта}) с ценой покупки новой гильзы (C_новой).

Формула расчета полной себестоимости восстановления (C_{ремонта}):

C_ремонта = C_осн.зарплаты + C_доп.зарплаты + C_отч + C_мат + C_экспл.об + C_цех.расх + C_общезав.расх

Где:

• C_{осн.зарплаты} — основная заработная плата рабочих, занятых в процессе.
• C_{доп.зарплаты} — дополнительная зарплата (отпускные, премии, не связанные со сдельными расценками).
• C_отч — отчисления на социальные нужды (страховые взносы).
• C_мат — стоимость основных (электроды, гальванические растворы) и вспомогательных материалов (СОЖ, режущий инструмент).
• C_{экспл.об} — расходы на эксплуатацию оборудования (амортизация, электроэнергия, ремонт).
• C_{цех.расх} и C_{общезав.расх} — накладные расходы.

Детализация расчета основной заработной платы (C_{осн.зарплаты}):

Заработная плата рабочего-сдельщика рассчитывается на основе норм времени и часовой тарифной ставки.

C_осн.зарплаты = T_шт * Т_ч * (1 + П / 100)

Где:

• T_шт — штучное время на выполнение всего комплекса операций (мин или час).
• Т_ч — часовая тарифная ставка рабочего соответствующего разряда (руб./час).
• П — процент премии, выплачиваемой за выполнение плана.

Для актуального экономического обоснования (2025 год) часовую тарифную ставку рабочего-станочника 4–5 разряда (Т_ч) следует принимать в диапазоне 600 – 850 рублей/час. Используя рассчитанное ранее основное время T₀ и добавив вспомогательное время и время на обслуживание, получаем штучное время T_шт, что позволяет точно определить затраты на оплату труда.

Расчет затрат на эксплуатацию оборудования (C_{экспл.об}):

Расходы на эксплуатацию оборудования E_об для конкретной операции:

E_об = (T₀ * A_год) / F_эф + T₀ * (C_эл / 3600) * N_об

Где: T₀ — основное время операции (в часах), A_год — годовые амортизационные отчисления, F_эф — эффективный годовой фонд рабочего времени (часы), C_эл — стоимость электроэнергии (руб./кВт·ч), N_об — мощность оборудования (кВт).

Анализ экономической эффективности

Ремонт считается экономически целесообразным, если:

C_ремонта < C_новой * K_замены

Где K_замены — коэффициент, учитывающий потенциально меньший ресурс отремонтированной детали по сравнению с новой. Если ресурс отремонтированной гильзы составляет 70% от ресурса новой, то K_замены = 0,7.

Сравнение также должно проводиться с учетом затрат на 1000 км пробега. Если при стоимости новой гильзы в 4500 руб. и ресурсе 200 тыс. км, а стоимость ремонта составит 1800 руб. при ресурсе 150 тыс. км, экономия на ремонте будет очевидна, даже с учетом меньшего ресурса.

Охрана труда и промышленная безопасность

Работы по расточке и хонингованию относятся к категории повышенной опасности из-за вращающихся частей, разлета стружки и контакта с химическими веществами (СОЖ).

Основные требования охраны труда (ОТ):

1. Оборудование и СИЗ: Запрещено работать на неисправном оборудовании. Обязательно применение защитных ограждений и экранов для локализации стружки и брызг. Оператор должен использовать средства индивидуальной защиты: защитные очки (или щиток), спецодежда, а также перчатки при контакте с СОЖ.
2. СОЖ и пожарная безопасность: Применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) обязательно.
   • Для расточки чугуна используются стандартные эмульсии или масляные СОЖ.
   • Для хонингования чугунных гильз критически важно использовать СОЖ, обладающие хорошими смазывающими и вымывающими свойствами, при этом предотвращающие засаливание абразивных брусков. Традиционно используется керосин или смесь керосина с 10–20% веретенного (шпиндельного) масла. Поскольку керосин является легковоспламеняющимся веществом, рабочее место должно быть оборудовано средствами пожаротушения (огнетушители) и эффективной вытяжной вентиляцией.
3. Рабочее место: Регулярная очистка рабочего места от стружки и отработанной СОЖ. Стружка должна удаляться только специальными щетками или скребками, но не руками.

Заключение и комплект технической документации

Разработанный маршрутный технологический процесс восстановления гильзы цилиндра автомобиля ГАЗ-53А, основанный на комплексе операций расточки и хонингования для внутренней поверхности, и осталивания для посадочных поясков, является технически обоснованным и экономически целесообразным. Это ключевой вывод, демонстрирующий, что ремонт не только возможен, но и выгоден в условиях современного автосервиса.

Применение высокоточного оборудования (вертикально-расточные станки) и строгое соблюдение режимов резания (например, V = 110 м/мин, S = 0,08 мм/об) гарантирует восстановление геометрических параметров с точностью, необходимой для достижения высокого эксплуатационного ресурса. Критически важными технологическими параметрами являются достижение шероховатости R_a ≤ 0,32 мкм и обеспечение соосности за счет использования специального базирующего приспособления. Экономический анализ подтверждает, что полная себестоимость восстановления (C_{ремонта}) значительно ниже стоимости новой детали, что обеспечивает высокую рентабельность ремонтного предприятия.

Комплект технической документации (по стандартам ЕСКД и ЕСТД):

Для полного оформления курсового проекта к расчетно-пояснительной записке прилагается следующий обязательный комплект технологической и конструкторской документации, строго оформленный по действующим Государственным стандартам (ГОСТ):

1. Маршрутная карта (по форме ЕСТД): Содержит полную последовательность всех технологических операций с указанием цехов, оборудования и инструмента.
2. Операционная карта (по форме ЕСТД): Развернутое описание ключевой операции (например, чистовой расточки) с указанием припусков, режимов резания, норм времени и схем наладки.
3. Ремонтный чертеж детали (эскиз): Чертеж гильзы с указанием всех номинальных и предельно допустимых размеров, а также технических условий (ТУ) на ремонт (например, указание ремонтного размера 92,5 мм и требований к шероховатости рабочей поверхности).
4. Сборочный чертеж приспособления: Чертеж разработанного зажимного приспособления, выполненный в соответствии с требованиями ЕСКД, с указанием спецификации и принципа работы.
5. Карта контроля качества: Документ, описывающий методы и средства контроля геометрических параметров и шероховатости после финишной обработки.

Список использованной литературы

1. Ремонт автомобилей и двигателей / В.А. Вязников. ЕКТС, 2004.
2. Единый тарифно-квалификационный справочник. Экономика, 1989.
3. Ремонт автомобилей и двигателей. Методика технического нормирования в ремонтном производстве для студентов. ЕКТС, 2003.
4. Охрана труда в электротехнической промышленности / Н.А. Чекалин. Энергоатомиздат, 1984.
5. Ремонт V-образных автомобильных карбюраторных двигателей / М.И. Подщеколдин [и др.]. Самара, 1967.
6. Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта. Транспорт, 1986.
7. Ремонт автомобилей Зил-130 / А.Г. Липкид. Транспорт, 1970.
8. Ремонт автомобилей и двигателей / В.И. Карагодин. Мастерство, 2001.
9. ЕСКД. Общие правила выполнения чертежей. Сборник стандартов.
10. ЕСКД. Методическое указание по оформлению технологической документации.
11. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев. Машиностроение, 1984.
12. Справочник технолога – машиностроителя: в 2 т. / под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. Москва: Машиностроение, 1986.
13. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей / Б.Н. Суханов [и др.]. Москва: Транспорт, 1985.
14. Ремонт отдельных деталей и узлов двигателя ГАЗ-53-12 [Электронный ресурс]. URL: sinref.ru (дата обращения: 22.10.2025).
15. Ремонтные размеры гильз блока цилиндров [Электронный ресурс]. URL: gilzy-cilindrov.com.ua (дата обращения: 22.10.2025).
16. Гильза ЗМЗ-53 (ГАЗ-53, ГАЗ-66, ПАЗ-672) Мотордеталь-Конотоп [Электронный ресурс]. URL: agroteh.org.ua (дата обращения: 22.10.2025).
17. Гильза цилиндров 24-1002020-04 и 66-1002020-04 для двигателей ЗМЗ [Электронный ресурс]. URL: kombat.com.ua (дата обращения: 22.10.2025).
18. Технические условия на капитальный ремонт автомобилей ГАЗ-53А [Электронный ресурс]. URL: voentex.ru (дата обращения: 22.10.2025).
19. Исследование дефектов гильз цилиндров [Электронный ресурс]. URL: studfile.net (дата обращения: 22.10.2025).
20. 3 практическая работа.docx [Электронный ресурс]. URL: ektu.kz (дата обращения: 22.10.2025).
21. Хонингование цилиндров: что это, как выполняется [Электронный ресурс]. URL: centr-to.ru (дата обращения: 22.10.2025).
22. Приспособление для расточки гильз [Электронный ресурс]. URL: chertezh-buy.ru (дата обращения: 22.10.2025).
23. Расчет себестоимости работ (услуг) [Электронный ресурс]. URL: studbooks.net (дата обращения: 22.10.2025).
24. Расчет стоимости капитального ремонта двигателей автомобиля ЗИЛ–508 [Электронный ресурс]. URL: studfile.net (дата обращения: 22.10.2025).
25. Совершенствование технологии ремонта гильз цилиндров ДВС финишной антифрикционной безабразивной обработкой рабочей поверхности [Электронный ресурс]. URL: innoscience.ru (дата обращения: 22.10.2025).