Введение: Актуальность, цели и задачи инженерного проекта
Современная стратегия эксплуатации транспортных средств неразрывно связана с поддержанием их ресурса, что в условиях растущей стоимости запасных частей и необходимости минимизации простоя техники делает ремонт и восстановление изношенных деталей ключевым звеном в системе технического обслуживания. Этот подход не просто обеспечивает работоспособность агрегатов, но и генерирует значительный экономический эффект, который, как показывает практика, может достигать 70% по сравнению с приобретением новых узлов. Именно поэтому, в условиях ограниченных ресурсов, грамотный восстановительный ремонт становится экономически выгодной стратегией.
Актуальность данного инженерного проекта определяется высокой степенью износа деталей газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя ЗМЗ-402, устанавливаемого на автомобили ГАЗ-24 «Волга» и его модификации. Ось коромысел, работающая в условиях интенсивного трения скольжения и знакопеременных нагрузок, является типичным объектом для восстановительного ремонта.
Цель проекта — разработка исчерпывающего, технологически обоснованного и экономически эффективного маршрутного процесса восстановления оси коромысел клапанов ГАЗ-24, включая выбор рационального метода ремонта, расчет режимов обработки, а также проектирование специального приспособления для обеспечения требуемой точности.
Задачи проекта:
- Проанализировать конструкцию оси, определить характерные дефекты и предельные критерии выбраковки.
- Выбрать и обосновать рациональный метод восстановления изношенных шеек.
- Разработать полный технологический маршрут и рассчитать режимы чистовой механической обработки.
- Спроектировать специальное приспособление для базирования детали.
- Провести технико-экономическое обоснование проекта и определить требования охраны труда.
Анализ конструкции детали и технические требования к ремонту
Прежде чем приступить к разработке восстановительного технологического процесса, необходимо провести глубокий анализ конструкции детали, ее функционального назначения и условий эксплуатации. Этот этап закладывает основу для выбора адекватного ремонтного решения, обеспечивающего долгий срок службы восстановленного узла.
Назначение, материал и конструктивные особенности
Ось коромысел клапанов (каталожный номер 24-1007098-40 для двигателя ЗМЗ-402) выполняет критически важную функцию в газораспределительном механизме. Она представляет собой полый стержень (толстостенную трубу), который является неподвижной опорой для качающихся коромысел.
Основные характеристики:
- Функция: Базирование коромысел, обеспечение их свободного раскачивания и, что критично, распределение смазочного материала. Ось имеет внутренние каналы, через которые моторное масло подается к трущимся парам «ось — втулка коромысла».
- Материал: Ось изготавливается из конструкционных сталей марок 20 или 30.
- Требования к износостойкости: Рабочие поверхности шеек, сопрягающиеся с втулками коромысел, подвергаются химико-термической обработке — цементации. Глубина цементованного слоя составляет 0,4–0,8 мм. После закалки и низкого отпуска твердость этого поверхностного слоя должна находиться в пределах HRC 58–62. Столь высокая твердость необходима для обеспечения износостойкости в условиях интенсивного трения скольжения.
Характерные дефекты и критерии выбраковки
В процессе эксплуатации ось коромысел подвергается износу в местах сопряжения с коромыслами и стойками. Основным дефектом является износ наружной поверхности шеек, выражающийся в уменьшении диаметра.
Таблица 1. Типовые дефекты и критерии выбраковки оси коромысел
| Дефект | Место возникновения | Номинальный размер (мм) | Предельный износ (мм) | Критерий выбраковки |
|---|---|---|---|---|
| Износ наружной поверхности шеек | Под втулки коромысел | 28,00-0,016 | >28,06 | Нарушение гарантированного масляного зазора. Требуется восстановление. |
| Изгиб оси | По всей длине | Допуск соосности 0,02 | Более 0,10 | Аварийный изгиб. Требуется правка или замена. |
| Трещины, отслоение слоя | Рабочие шейки | Цементованный слой | Наличие трещин, сколов | Окончательная выбраковка. |
Номинальный диаметр шеек 28,00-0,016 мм соответствует требуемой системе посадок. При восстановительном ремонте для обеспечения гарантированного зазора для масляной пленки и правильной работы узла должна быть обеспечена посадка типа H7/f7 (отверстие втулки коромысла по H7, ось по f7). Превышение диаметра шейки свыше 28,06 мм (т.е. износ более 0,06 мм) является критическим, поскольку приводит к недопустимому увеличению зазора и падению давления масла в узле. Это не просто технический дефект, это прямой путь к быстрому разрушению всего ГРМ.
Экономические последствия износа
Чрезмерный износ сопряжения «ось-коромысло» влечет за собой не только технологические, но и серьезные экономические потери. Увеличенный зазор приводит к вибрациям, ударным нагрузкам и, главное, к значительному ухудшению смазки.
В результате, критический износ сопряжений вызывает следующие негативные последствия:
- Снижение эффективной мощности: Увеличение тепловых зазоров клапанов и масляное голодание узла приводят к нарушению фаз газораспределения, что может снизить эффективную мощность двигателя на 5–8%.
- Повышенный расход масла: Недостаточная герметичность и утечки через изношенные сопряжения увеличивают расход масла на угар. Для старых двигателей ЗМЗ-402 это может выражаться в превышении нормы расхода масла до 1 л на 1000 км пробега, что является прямым экономическим ущербом.
Выбор рационального метода восстановления изношенных поверхностей
Выбор оптимального метода восстановления для оси коромысел — это компромисс между технологичностью, стоимостью и качеством получаемого ремонтного слоя, который должен соответствовать или превосходить по износостойкости исходный цементованный слой. Каким образом, при минимальных затратах, мы можем вернуть детали её заводские характеристики?
Сравнительный анализ методов восстановления
Для деталей типа валов и осей с износом до 0,5 мм традиционно рассматриваются следующие методы:
- Хромирование: Обеспечивает высокую твердость (до HRC 68), но имеет низкую скорость осаждения и высокую стоимость.
- Наплавка (Электродуговая/Лазерная): Применяется при значительных износах (более 2 мм). Недостаток: высокий температурный нагрев, который может вызвать деформацию тонкостенной оси и привести к отпуску исходного цементованного слоя.
- Гальваническое Осталивание (Железнение): Наращивание слоя железа электролитическим путем.
Обоснование выбора метода Гальванического Осталивания (Железнения)
Для восстановления изношенных шеек оси коромысел (износ до 0,3 мм) метод Гальванического Осталивания (Железнения) признается наиболее рациональным.
Технологические и экономические преимущества Осталивания:
- Отсутствие термических деформаций: Процесс протекает при относительно низких температурах (60–80°С), что исключает риск коробления (изгиба) тонкостенной полой оси и сохраняет твердость базового металла.
- Наращивание слоя с высокой точностью: Метод позволяет нарастить слой железа толщиной до 1,2 мм (в несколько приемов до 3 мм), что достаточно для компенсации износа и обеспечения припуска под чистовую обработку.
- Высокая твердость ремонтного слоя: При правильном ведении процесса (высокая плотность тока 40–60 А/дм²) можно получить «твердое» осталивание, где твердость осажденного слоя достигает HRC 50–52. Это лишь немного ниже твердости исходного цементованного слоя (HRC 58–62), но вполне достаточно для обеспечения надежной работы.
- Повышенная износостойкость: Исследования показывают, что при определенной микроструктуре износостойкость покрытия, полученного методом осталивания, может на 25–30% превышать износостойкость новой детали, благодаря высокой микротвердости и маслоемкости.
- Экономичность: Стоимость восстановления методом осталивания, как правило, составляет всего 20–35% от стоимости новой детали, что обеспечивает значительную экономию ресурсов.
Таким образом, Осталивание является оптимальным выбором, обеспечивающим требуемую твердость, минимальную деформацию и высокую экономическую эффективность.
Разработка маршрутного технологического процесса восстановления
Разработанный технологический маршрут включает шесть основных этапов, обеспечивающих последовательное и качественное восстановление оси коромысел.
Схема технологического маршрута
Технологический процесс восстановления изношенных шеек оси коромысел методом Гальванического Осталивания:
| № опер. | Наименование операции | Содержание операции | Оборудование / Инструмент |
|---|---|---|---|
| 005 | Дефектация и мойка | Предварительная очистка, контроль на трещины (магнитная/цветная дефектоскопия), измерение износа шеек. | Ванна моечная, дефектоскоп. |
| 010 | Предварительная мех. обработка | Круглое шлифование шеек «на верность» до удаления следов коррозии и подготовки поверхности под гальванику. | Круглошлифовальный станок. |
| 020 | Гальваническая подготовка | Изоляция торцов и поверхностей, не подлежащих покрытию. Обезжиривание (химическое/электрохимическое), промывка, травление (для активации поверхности). | Ванны гальванические. |
| 030 | Наращивание (Осталивание) | Нанесение слоя железа толщиной, достаточной для последующей чистовой обработки (с учетом припуска 0,3–0,5 мм на диаметр). | Ванна гальванического осталивания, источник постоянного тока. |
| 040 | Чистовая механическая обработка | Круглое шлифование наращенного слоя до чертежного размера 28,00-0,016 мм (квалитет IT7). | Высокоточный круглошлифовальный станок. |
| 050 | Финишный контроль | Измерение диаметра шеек, проверка соосности, контроль шероховатости Ra 0,63–1,25. | Микрометр, индикаторный нутромер, профилометр. |
Расчет режимов чистового шлифования
Наиболее ответственной операцией, определяющей конечную точность и качество поверхности (шероховатость Ra), является Чистовое Круглое Шлифование (Операция 040). Поскольку ось тонкостенная и длинная (соотношение длины к диаметру >10), требуется точное назначение режимов резания и обязательное использование люнетов.
Целевые параметры чистового шлифования:
- Диаметр детали (dд): 28,00 мм.
- Требуемая точность: IT7.
- Требуемая шероховатость: Ra 0,63–1,25 мкм.
- Материал: Осталенный слой, обработка которого аналогична шлифованию закаленной стали.
Режимы шлифования:
- Окружная скорость круга (Vк): Для чистового шлифования цементованных сталей принимается Vк = 20-30 м/с. Примем Vк = 25 м/с.
- Скорость детали (Окружная подача Vд): Для получения требуемой шероховатости принимается в диапазоне 12-18 м/мин. Примем Vд = 15 м/мин.
- Глубина шлифования (t): При чистовой обработке назначается минимальная глубина для минимизации тепловыделения и деформации: t = 0,005 — 0,03 мм/ход.
Расчет частоты вращения детали (nд):
Частота вращения детали (nд) рассчитывается по стандартной формуле:
nд = (Vд · 1000) / (π · dд)
Где:
- Vд — скорость детали (15 м/мин);
- dд — диаметр детали (28,00 мм).
Пошаговый расчет:
- Подстановка данных в формулу:
nд = (15 · 1000) / (3,14 · 28,00)
- Вычисление:
nд ≈ 15000 / 87,96
nд ≈ 170,5 об/мин
Для обеспечения требуемой скорости детали на станке необходимо установить частоту вращения, ближайшую к расчетной — 170 об/мин.
Проектирование специального технологического приспособления
Ось коромысел является полой деталью с высоким соотношением длины к диаметру. При чистовой механической обработке, особенно шлифовании, критически важно обеспечить высокую соосность всех шеек и предотвратить прогиб, который может возникнуть под действием сил резания. Неужели можно достичь квалитета IT7 на тонкостенной детали без жесткого и точного базирования?
Требования к базированию оси коромысел
Для достижения высокой точности (квалитет IT7) и соосности шеек необходимо исключить влияние деформации внешней поверхности на точность базирования. Следовательно, ось должна базироваться не по наружным, а по внутренним поверхностям — масляным каналам.
Принцип базирования:
Базирование должно осуществляться по двум торцам детали, используя принцип двойного касания (по внутреннему диаметру и торцу) для обеспечения фиксации и устранения радиальных и осевых биений.
Конструкция самоцентрирующей разжимной оправки
Для операции чистового шлифования целесообразно спроектировать самоцентрирующую разжимную оправку (или цангового типа).
Принцип действия:
- Конструкция: Оправка представляет собой ступенчатый стержень, на концах которого расположены разрезные (цанговые) втулки или конические элементы.
- Установка детали: Ось коромысел надевается на разрезные втулки оправки.
- Базирование и фиксация: При затягивании гайки (или винта) с одного торца, коническая поверхность оправки входит в коническое отверстие разрезной втулки, заставляя ее расширяться. Втулка плотно прижимается к внутренним стенкам оси, обеспечивая жесткое и точное базирование по внутреннему диаметру.
- Установка на станок: На торцах оправки предусмотрены стандартные центровые отверстия, позволяющие устанавливать приспособление вместе с деталью в центрах круглошлифовального станка.
Такая оправка гарантирует высокую соосность наружных шеек относительно внутренних базовых поверхностей, минимизирует биение и позволяет надежно закреплять тонкостенную деталь без ее деформации.
Технико-экономическое обоснование и охрана труда
Завершающий этап инженерного проекта включает оценку экономической эффективности разработанного техпроцесса и разработку мер по обеспечению безопасности труда.
Расчет себестоимости и экономического эффекта
Экономическое обоснование подтверждает целесообразность восстановления оси коромысел по сравнению с приобретением новой детали.
Исходные данные:
- Стоимость новой оси коромысел ЗМЗ-402 (Снов) в сборе: ориентировочно 6 000 руб.
- Относительная стоимость восстановления методом осталивания (Сотн): 30% от стоимости новой детали (учитывая материалы, электроэнергию, амортизацию оборудования и трудозатраты).
Полная себестоимость восстановления (Свос) рассчитывается по формуле:
Свос = Снов · Сотн
Расчет себестоимости восстановления:
Свос = 6000 руб. · 0,30 = 1800 руб.
Расчет экономического эффекта (Э):
Экономический эффект — это разница между стоимостью новой детали и полной себестоимостью ее восстановления:
Э = Снов - Свос
Э = 6000 руб. - 1800 руб. = 4200 руб.
Вывод: Восстановление оси коромысел клапанов методом Гальванического Осталивания позволяет получить чистый экономический эффект в размере 4 200 рублей на одну деталь, что составляет 70% экономии. Данный расчет убедительно доказывает высокую рентабельность разработанного технологического процесса.
Требования охраны труда и нормативная база ремонта
Обеспечение безопасности труда является неотъемлемой частью технологического процесса, особенно при работе с электрохимическими (гальваническими) и высокоскоростными механическими операциями (шлифование).
Нормативная база:
- ГОСТ 25346-89 и ГОСТ 25347-82: Определяют допуски и посадки (ЕСДП) для всех сопряжений, включая посадки ремонтного размера (H7/f7), обеспечивая правильную сборку и функционирование узла.
- РД 153-34.0-03.292-00: «Типовая инструкция по охране труда при работе на шлифовальных станках». Данный документ регламентирует общие требования безопасности при выполнении ключевой операции чисто��ой обработки.
Требования охраны труда при шлифовании:
- СИЗ: Работник должен быть обеспечен и использовать полный комплект СИЗ: спецодежду, защитные очки (для предотвращения попадания абразивной пыли и частиц), а также при необходимости — наушники (из-за высокого уровня шума) и респиратор.
- Ограждение: Опасная зона шлифования должна быть оборудована защитным экраном или ограждением для защиты от разлетающихся искр и охлаждающей жидкости.
- Технологическая безопасность: Категорически запрещается производить замеры, менять инструмент или регулировать станок при работающем шпинделе или двигателе.
- Применение люнетов: При обработке длинных и тонких деталей, таких как ось коромысел (отношение длины к диаметру более 10), в соответствии с требованиями охраны труда и технологической корректности, обязательно применение подвижных или неподвижных люнетов. Люнеты предотвращают прогиб детали и, что критично с точки зрения безопасности, исключают риск выброса детали из центров станка при потере устойчивости, поэтому их использование является обязательным условием для обеспечения как качества, так и безопасности процесса.
Заключение
Разработанный в рамках данного инженерного проекта маршрутный технологический процесс восстановления оси коромысел клапанов автомобиля ГАЗ-24 является комплексным, высокотехнологичным и экономически обоснованным решением.
Путем глубокого анализа конструкции детали и характерных дефектов было доказано, что метод Гальванического Осталивания (Железнения) является наиболее рациональным для восстановления изношенных шеек, обеспечивая необходимую твердость (до HRC 52) и высокую износостойкость ремонтного слоя без риска термической деформации тонкостенной оси.
Технологический маршрут включает все необходимые этапы от дефектации до чистового шлифования, для которого были точно рассчитаны режимы обработки (например, nд ≈ 170 об/мин), обеспечивающие достижение квалитета точности IT7 и требуемой шероховатости Ra 0,63–1,25 мкм.
Для обеспечения соосности и точности шлифования была обоснована необходимость проектирования специальной самоцентрирующей разжимной оправки, базирующей деталь по внутренним поверхностям. Это решение — ключ к успеху в обработке длинных тонкостенных валов.
Наконец, технико-экономическое обоснование подтвердило высокую эффективность проекта: при стоимости новой детали в 6 000 рублей, восстановление обеспечивает экономический эффект в 4 200 рублей, что составляет 70% экономии. Проект полностью соответствует действующей нормативно-технической базе (ГОСТ 25346-89, РД 153-34.0-03.292-00) и готов к практической реализации в условиях ремонтного производства.
Список использованной литературы
- Ось коромысел ГАЗ-2410, УАЗ: надежная снова ГРМ заволжских моторов [Электронный ресурс] // autoars.ru. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Восстановление изношенной шейки вала: сравнение методов по стоимости и качеству [Электронный ресурс] // inner.su. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Восстановление коромысел и осей коромысел [Электронный ресурс] // Устройство автомобиля. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Режимы резания при шлифовании [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Автомобиль ГАЗ-24 «Волга»: Конструктивные особенности и ремонт. 1970.
- Вязников В.А. Ремонт автомобилей и двигателей. ЕКТС, 2004.
- ГОСТ 25346-89. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений. Введ. 1990-01-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 1989.
- ГОСТ 25347-82. Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Поля допусков и рекомендуемые посадки. Введ. 1983-01-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 1982.
- Единый тарифно-квалификационный справочник. Экономика, 1989.
- ЕСКД. Методическое указание по оформлению технологической документации.
- ЕСКД. Общие правила выполнения чертежей. Сборник стандартов.
- Карагодин В.И. Ремонт автомобилей и двигателей. Мастерство, 2001.
- Меры безопасности при обработке металла и древесины [Электронный ресурс] // trudcontrol.ru. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Ось коромысел ЗМЗ-402, 410, УМЗ в сборе 24-1007098-40 [Электронный ресурс] // rusautoopt.ru. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Ось коромысел со штангами ДВ-402 ГАЗель, Волга, УАЗ (ОАО ЗМЗ) [Электронный ресурс] // Sparox.ru. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта. Транспорт, 1986.
- Разработка технологического процесса восстановления оси коромысел двигателя Д37 курсовая 2010 по транспорту [Электронный ресурс] // Docsity, 2017. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Ремонт автомобилей и двигателей. Методика технического нормирования в ремонтном производстве для студентов. ЕКТС, 2003.
- Способы восстановления деталей при ремонте [Электронный ресурс] // panoramix.ru, 2018. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).
- Справочник инструментальщика. Ординарцев И.А. Машиностроение, 1984.
- Справочник технолога – машиностроителя: в 2 т. / под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. Москва: Машиностроение, 1986. Т. 1, 2.
- Суханов Б.Н. и др. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Москва: Транспорт, 1985.
- Техника безопасности при работе на токарном станке по металлу [Электронный ресурс] // Стербруст. URL: [URL] (дата обращения: 22.10.2025).