4.1. Назначение детали, описание ее конструкции, анализ

технических требований, основные технологические задачи по

обеспечению этих требований.

Подача, распределение и распыливание топлива по цилиндрам

дизелей осуществляется топливной аппаратурой и ее основными

элементами – прецизионными парами. Нормальная работа топливной

аппаратуры современных двигателей обеспечивается высоким давлением,

тонкостью и однородностью распыливания топлива, соблюдением

заданных формы и направления струй и т.д. Эти факторы зависят от

качества материалов и точности изготовления основных деталей

аппаратуры, к которым относятся игла форсунки, распылитель, плунжер

топливного насоса и втулка плунжера.

Для повышения надежности и долговечности работы дизелей к

топливной аппаратуре предъявляют жесткие требования: топливо должно

подаваться по заданному закону, одинаково по всем цилиндрам в строго

определенные моменты цикла работы, с необходимым качеством

распыливания при наивыгоднейшем распределении топлива по камере

сжатия. Должна быть обеспечена высокая стабильность процесса подачи

топлива по времени, надежность и долговечность топливной аппаратуры и

всех ее элементов. Затраты на изготовление, техническое обслуживание и

ремонт должны быть минимальными.

На основании анализа статистических данных установлено, что в

процессе эксплуатации перечисленные требования к топливной аппаратуре

часто не выдерживаются. По причине неисправностей топливной

аппаратуры дизели нередко выходят из строя.

К наиболее частым неисправностям топливной аппаратуры,

встречающимся при эксплуатации, относят: выход из строя отдельных

элементов и деталей топливоподающих систем, нестабильность подачи

топлива по времени и снижение в связи с этим технико-экономических

показателей работы дизелей. Отказы отдельных элементов

топливоподающих систем приводят к значительным простоям техники,

которые колеблются от 25 до 35% общего времени простоя машин.

Наиболее характерными причинами отказов топливной аппаратуры

дизелей являются: изменение геометрической формы рабочих

поверхностей деталей пар и их повышенный износ, подтекание топлива

через уплотнительные и прецизионные поверхности, разрушение

подшипников, пружин, осей, прихватывание или зависание подвижных

прецизионных деталей, закоксовывание внутренней поверхности корпусов

распылителей и наружной цилиндрической части игл, нарушение

герметичности стыков и т.д.

Практика показывает, что для повышения надежности дизелей

необходимо в первую очередь повысить надежность и безотказность

работы топливной аппаратуры. Увеличение срока службы топливной

аппаратуры дизелей зависит главным образом от повышения доремонтной

и особенно послеремонтной надежности прецизионных пар.

Прецизионные детали работают в условиях загрязненного

механическими частицами топлива, знакопеременных гидравлических

нагрузок, высоких быстроизменяющихся температур, при этом они

омываются горячими агрессивными газами, способными вызвать коррозию

рабочих прецизионных поверхностей.

Кратковременные действия гидравлических нагрузок и высоких

контактных давлений и температур вызывают термоусталость, приводят к

образованию внутренних трещин, изменениям структуры, твердости и

механических свойств материала деталей.

Учитывая тяжелые условия работы прецизионных пар, заводы

изготовляют их из высоколегированных, конструкционных и

инструментальных сталей (ШХ15, ХВГ, 25Х5МА, 18Х2Н4ВА, Р18 и др.).

Материал деталей прецизионных пар должен обладать высокой

твердостью, повышенной коррозионной стойкостью и

износоустойчивостью, высоким пределом прочности, стабильностью

размеров и механических свойств поверхностного слоя во времени,

высокой релаксационной стойкостью, малым коэффициентом линейного

расширения.

Требуемые механические характеристики материала деталей пар

достигают путем термической и химико-термической обработки.

Подбор материалов, наилучшим образом удовлетворяющих

перечисленным требованиям, представляет сложную задачу. Для

изготовления иглы разрабатываемой насос-форсунки выбираем

быстрорежущую сталь Р18. Детали, изготовленные из этой стали,

подвергают сплошной закалке на высокую твердость (6065 HRC). Для

повышения твердости и износостойкости деталей из быстрорежущих

сталей предусматривают после закалки и отпуска низкотемпературное

цианирование при температуре 540 с последующим медленным

охлаждением на воздухе. Глубина цианированного слоя 0,03 – 0,04 мм.

Опыт работы многооборотных дизелей показал, что в условиях

динамических нагрузок для корпуса распылителя форсунки целесообразны

материалы, сочетающие высокую твердость рабочих поверхностей с

вязкими свойствами сердцевины – такую, как легированная

конструкционная сталь 18Х2Н4ВА, с цементацией детали на глубину 0,5 –

0,6 мм. Твердость после закалки 56 – 60 HRC.

Заготовками при изготовлении перечисленных деталей служат

холоднотянутые прутки. Перед механической обработкой заготовки

подвергают отжигу для смягчения материала и облегчения процесса

резания.

При изготовлении прецизионных деталей топливной аппаратуры

предъявляют жесткие технические требования к точности геометрической

формы, взаимному расположению шероховатости и износостойкости

рабочих поверхностей. Основное требование к обработке прецизионной

пары – создать плотное сопряжение, не допускающее падения давления и

вместе с тем обеспечивающее легкое передвижение скользящих деталей.

Для этого необходимы чрезвычайно малые, но гарантированные зазоры

между сопрягаемыми деталями (25 мкм). При таких зазорах детали

должны иметь исключительно точную цилиндрическую форму как в

поперечном, так и в продольном сечении. Измерения высококачественных

форсунок показывают, что овальность и конусообразность игл не

превышает 0,5 мкм, а отверстий корпусов распылителей – 1 мкм. При этом

поверхности скольжения имеют чрезвычайно высокий класс чистоты – 12.

В целях повышения долговечности работы прецизионных пар

разработаны и внедрены конструкторские, технологические и

организационные мероприятия, способствующие значительному

повышению точности изготовления и снижению шероховатости

поверхности деталей. Повышение точности и снижение шероховатости

обработанных поверхностей позволили перейти на селективный метод

сборки деталей в условиях массового производства. Для селективной

сборки пар распылителей отклонения от правильной геометрической

формы иглы в плоскости продольного сечения должны быть не более

0,0005, а в плоскости поперечного – 0,0003 мм.

Повышены также требования к точности обработки сопряженной с

иглой внутренней цилиндрической поверхности корпуса распылителя. Их

конусообразность должна быть не более 0,0005 мм, овальность 0,0002 –

0,0003 мм, а непрямолинейность 0,0006 мм. В таблице 1 изложены

требования к геометрической форме сопряженных деталей, в результате

соблюдения которых стала возможна реализация селективной сборки

распылителей на заводах.

Табл. 1. Технические требования на изготовление распылителей.

(ГОСТ 9928-71).

Основные параметры, мм Корпус Игла

Диаметральный зазор, не менее

Некруглость

Овальность

Огранка

Непрямолинейность

Конусообразность

Бочкообразность

Седлообразность

Неплоскостность уплотнительного торца

Биение запирающей поверхности относи-

тельно оси цилиндрической поверхности

Параметр шероховатости поверхности

Ra,мкм:

цилиндрической

уплотнительного торца

конической

0,002

0,0005

0,0005

0,001

0,001

0,001

0,0006

0,003

0,04

0,125

0,32

0,002

0,0005

0,0005

0,0005

0,001

0,001

0,001

0,002

0,04

0,16

К прецизионным парам предъявляют и другие требования,

например: непараллельность уплотнительных и опорных поверхностей

должна быть 0,02 – 0,05 мм, неперпендикулярность уплотнительных

опорных торцовых поверхностей относительно цилиндрических не более

0,01 – 0,03 мм, биение торцовой поверхности относительно рабочих

цилиндрических поверхностей находится в пределах 0,01 – 0,05 мм,

относительно рабочих прецизионных – не превышает 0,01 – 0,05 мм.

Предварительную обработку заготовок выполняют на револьверных

станках, а при большом масштабе производства – на токарных

полуавтоматах. Используют также фрезерные и сверлильные станки.

Изготовление деталей прецизионных пар связано с большим числом

промежуточных термических операций. Кроме закалки и отпуска, а для

соответствующих марок стали также цементации, азотирования или

цианирования, предусматривают искусственное старение для

стабилизации структуры. С этой целью детали выдерживают в кипящем

масле при 140 в течение 12 час. Кроме того, для превращения остаточного

аустенита в мартенсит применяют обработку холодом.

Чистовую обработку поверхностей ведут на

бесцентровошлифовальных, круглошлифовальных, универсально-

шлифовальных и плоскошлифовальных станках, окончательную доводку

наружных сопрягаемых поверхностей – на притирочных станках,

отверстий – на хонинговальных и притирочных станках.

Широко применяют электроискровой метод для обработки не только

распыливающих отверстий сопла, но и кармана в корпусе распылителя.

4.2. Методы получения заготовок, анализ

технологичности конструкции заготовки.

На отечественных заводах и большинстве специализированных

зарубежных фирм исходными заготовками прецизионных деталей

являются холоднотянутые прутки, черновая обработка которых

производится на токарных автоматах. Но в этом случае низок коэффициент

использования металла (25 – 50 %).

Иглы распылителей изготовляют из прутка быстрорежущей

инструментальной стали Р18 на токарных одношпиндельных автоматах

продольного точения либо на токарно-револьверных одношпиндельных

прутковых автоматах. Обработанная на автомате игла имеет 3 – 5 класс

точности, шероховатость поверхности Rz = 8040 мкм. Режим обработки:

n = 1400 об / мин, t = 1,21,5 мм, sпр = 0,23 мм / об, sпоп = 0,0150,04 мм /

об.

Корпуса распылителей изготовляют из прутков диаметром 18 – 18,5

мм стали 18Х2Н4ВА и др. Черновую обработку корпусов распылителей

производят, как правило, на токарных шестишпиндельных прутковых

автоматах. Точность обработки должна быть в пределах 4 – 5-го классов,

шероховатость поверхности Rz = 8020 мкм. Биение наружной

поверхности относительно поверхности отверстия не превышает 0,15 мм, а

неплоскостность уплотнительного торца не более 0,05 мм. Режим

обработки: n = 190450 об / мин, t = 0,51,5 мм, sпр = 0,090,4 мм / об, sпоп

= 0,020,03 мм / об. Припуск на дальнейшую обработку наружных

цилиндрических поверхностей 0,3 – 0,5 мм.

Для повышения степени точности и производительности обработки

корпусов распылителей на автоматах применяют многолезвийные

инструменты, совмещение операций, а сверление центрального отверстия

производят с помощью ружейных сверл. Точность обработки в пределах 3

– 5-го классов, а шероховатость Rz = 8020 мкм. Режим обработки: n

=5502790 об / мин, t = 0,51,0 мм, sпр = 0,09 мм / об, sпоп = 0,015 мм / об.

Припуски на последующие механические операции для наружных

цилиндрических поверхностей должны быть 0,2 – 0,8 мм, а внутренних 0,3

– 0,9 мм.

4.3. Общий маршрут обработки детали. Схемы

базирования и закрепления, описание и анализ этих схем.

К операциям предварительной обработки относят: точение,

фрезерование, сверление, пластическую деформацию, протягивание и

электрохимическую обработку. В результате выполнения этих операций

должна быть достигнута высокая точность и оставлены минимальные

припуски на окончательную обработку.

Повышение точности обработки обеспечивается за счет совмещения

технологических операций, применения автоматизированных

многопозиционных схем наладок, твердосплавных, алмазных и

многолезвийных инструментов, автоматизированных систем управления

вспомогательными и основными операциями, автоматизированной

принудительной смены инструментов, активных методов контроля и т.д.

Для повышения производительности труда, снижения трудоемкости

механической обработки и улучшения условий труда широко используют

универсальные токарно-револьверные автоматы, токарные многорезцовые

станки, станки с гидрокопировальным суппортом, агрегатные

многопозиционные станки и узкоспециализированные автоматы для

сверления непрецизионных отверстий.

Наружные цилиндрические поверхности корпусов распылителей

обрабатывают на круглошлифовальных станках или на

круглошлифовальных бесцентровых станках. В качестве установочных баз

принимают конусные и цилиндрические поверхности. Точность

обработанной поверхности должна быть 2 – 3-го классов, припуск на

последующую обработку 0,05 – 0,15 мм. Некоторые заводы производят

обработку наружных цилиндрических поверхностей корпуса распылителя

на токарно- револьверных автоматах. При этом точность обработки

достигает 3 – 4-го класса. Фасонные поверхности корпуса распылителя

обычно обрабатывают на токарно-винторезных станках или токарно-

револьверных автоматах.

Штифтовые и топливораспыливающие отверстия в корпусах

распылителей сверлят на универсально-сверлильных, специальных

сверлильных и агрегатных станках. Топливораспыливающие отверстия

можно сверлить на высокооборотных специальных станках при n = 18 000

об / мин и s = 0,005 мм / об. Распыливание топлива и организация

процессов смесеобразования, испарения и сгорания топливовоздушной

смеси в цилиндре дизеля зависят от направления отверстий и их

расположения, поэтому к точности их направления и расположения

предъявляют жесткие требования.

Механическую обработку торцовых поверхностей корпусов

распылителей осуществляют на универсальных плоскошлифовальных,

круглошлифовальных, торцешлифовальных и карусельно-шлифовальных

станках. Установочными базами являются наружные, внутренние

цилиндрические и торцовые поверхности. При обработке торцовых

поверхностей на плоскошлифовальных станках используют многоместные

кассеты. Обработку на круглошлифовальных и торцешлифовальных

станках производят в оправках и специальных приспособлениях – призмах.

Припуски на шлифование торцов 0,2 – 0,6 мм. Шлифование осуществляют

кругами ЭБ25СТ1-С1, Э25СМ2-СМ1К, Э40СТК.

С помощью электрохимической обработки производят обработку

труднодоступных мест на специальной установке, состоящей из источника

питания постоянного тока напряжением 160,01 В, гидравлической

системы, подающей электролит в приспособление под давлением в начале

процесса 1,2 и в конце 0,4 кгс / см2, и механизмов контроля и

автоматизации процесса обработки. Обработанные детали следуют на

дальнейшую обработку отверстия или химико-термические операции.

Почти на всех стадиях предварительной обработки детали тщательно

промывают в различных моечных средах. Для ускорения промывки

применяют высокочастотные моечные установки.

В топливной аппаратуре к глубоким особоточным отверстиям

малого диаметра относят отверстия с диаметром 3 – 12 мм, у которых

отношение глубины отверстия к диаметру равно 5, точность обработки 2-й

класс и выше, шероховатость поверхности не более Ra = 1,25 мкм.

Геометрическая форма таких отверстий должна отвечать высоким

техническим требованиям. Механическая обработка глубоких

особоточных отверстий малого диаметра сложна и трудоемка, здесь

оказывает влияние незначительная жесткость и стойкость режущих

инструментов, вследствие чего большие искажения формы

обрабатываемого отверстия (конусообразность, овальность,

седлообразность, бочкообразность, непрямолинейность оси). При

различных видах обработки эти искажения могут быть в пределах 0,02 –

0,5 мм. В процессе термической обработки форма отверстия получит

дополнительные искажения (деформации), равные 0,02 – 0,06 мм, с такими

искажениями формы отверстия деталь поступает на доводочные операции.

Для компенсации погрешностей контроля и предварительной

механической и термической обработок под операции окончательной

обработки оставляют значительные припуски (0,08 – 0,3 мм). Существуют

следующие методы предварительной обработки глубоких отверстий

малого диаметра: сверление специальными сверлами, зенкерование,

развертывание спиральными развертками, растачивание, дорнование,

калибрование шариком.

Большое влияние на полную взаимозаменяемость или селективный

подбор пар оказывает первоначальное формообразование глубокого

отверстия. При сверлении спиральным сверлом, последующем

зенкеровании, развертывании и растачивании наблюдаются значительные

погрешности, которые полностью не исправляются доводкой. Для

уменьшения трудоемкости доводочных работ, а также для автоматизации

доводочно-притирочных работ необходимо перед термообработкой

повысить точность обработки малых отверстий и уменьшить припуски на

доводочные операции. Применение ружейных сверл значительно

повышает точность и чистоту обработки отверстия и, следовательно,

уменьшает трудоемкость доводочных работ при сборке прецизионных

деталей топливной аппаратуры.

Термическая обработка прецизионных деталей топливной

аппаратуры включает три периода. На некоторых заводах стальные

прутки, предназначенные для изготовления деталей, подвергают

предварительной термической обработке (закалке и отпуску) для

улучшения обрабатываемости на металлорежущих станках, а также для

размельчения и стабилизации структуры.

После предварительной механической обработки на автоматах

прецизионные детали снова поступают на термический участок.

Термическая обработка прецизионных деталей перед шлифованием

производится с целью сообщения их материалу высокой твердости,

износостойкости, прочности, а также свойств минимальной деформации от

тепловых напряжений и при воздействии внешних приложенных сил,

сохранения стабильности размеров при хранении и эксплуатации.

Термическая обработка корпусов распылителей, изготовленных из

стали 18Х2Н4ВА, включает цементацию, обработку холодом и отпуск.

Режим цементации деталей в твердом карбюризаторе с содержанием 1 –

5% BaCO3 следующий: загрузка деталей в печь при 900С, время подогрева

120 мин, выдержка при температуре 90010С в пределах 210 – 240 мин,

охлаждение ящиков с деталями на воздухе до температуры окружающей

среды. Глубина слоя цементации составляет 0,5 – 0,9 мм.

При обработке холодом детали выдерживают при - 65- 75С до 30

мин. Разрыв между цементацией и обработкой холодом допускается не

более 24 ч. Для отпуска детали нагревают в масле до 18010С и

выдерживают в течение 240 мин. Нагретые детали охлаждают на воздухе.

Твердость цементованных корпусов распылителей равна 50 – 60 HRC.

Иглы из стали Р18 подвергают закалке, трехкратному отпуску и

старению. Закалка игл в печи производится до температуры 800С, а затем

их нагревают до 1275С в ванне с бариевой солью (BaCl2) и охлаждают в

масле при 20 - 50С. Для отпуска детали нагревают до 56010С,

выдерживают до 90 мин и охлаждают на воздухе. Старение деталей

производится в масле при 12010С. После выдержки в масле в течение

360 мин иглы снова охлаждают на воздухе.

После термической обработки рабочие поверхности прецизионных

деталей имеют высокую твердость, поэтому в дальнейшем их

обрабатывают абразивным инструментом, а также с помощью

электроискрового и электрохимического методов. Метод обработки

выбирают с учетом конкретных требований, указанных в технических

условиях на изготовление детали. Особое внимание уделяют

установочным базам, которые выбирают в зависимости от конструкции,

взаимного расположения рабюочих поверхностей и метода обработки.

Например, при шлифовании рабочего конуса иглы распылителя в качестве

установочных баз используют фаски с применением прямых и обратных

технологических центров.

При шлифовании на круглошлифовальных станках за установочные

базы принимают центровые гнезда, а на бесцентровых – сами

обрабатываемые поверхности.

В производстве деталей топливной аппаратуры применяют

практически все виды шлифования наружных и внутренних

цилиндрических, конических и плоских поверхностей. Шлифование

наружных цилиндрических поверхностей закаленных деталей является

наиболее распространенным методом повышения класса точности и

снижения шероховатости. Чистовое и отделочное шлифование производят

на круглошлифовальных бесцентровых станках высокой и особо высокой

точности, а также бесцентровых круглошлифовальных автоматах. Для

чистового шлифования наружных цилиндрических поверхностей следует

применять круги: Э25-16С1К -–рабочие, Э12СТ2В – ведущие.

Внутренние цилиндрические и конические поверхности шлифуют,

как правило, на внутришлифовальных станках зарубежных фирм.

Например, внутришлифовальный автомат мод. И551 2А предназначен для

последовательного шлифования за одну установку направляющего

отверстия и уплотняющего конуса в корпусе распылителя. Это позволяет

обеспечить высокую точность взаимного расположения обработанных

поверхностей.

Торцовые плоскости шлифуют на плоскошлифовальных станках

высокой и особо высокой точности с горизонтальным шпинделем.

Заданную точность обработки достигают, как правило, методом

автоматического получения размеров на настроенных станках. Этот метод

обеспечивает повышение точности и стабильности обработки и снижение

брака, рост производительности обработки, рациональное использование

рабочих высокой квалификации, поэтому его широко применяют в

условиях крупносерийного и массового производства. При этом широко

используются автоматы с активным контролем и механизмами

автоматической правки шлифовальных кругов и подналадки станка.

Достижение необходимой точности обработки зависит от

правильного выбора режимов шлифования, характеристик шлифовального

круга и настройки станка. Точность размера наружных цилиндрических

поверхностей после чистового шлифования должна быть 1 – 2 мкм, а

формы 0,3 – 0,8 (круглость) и 0,5 – 1,0 (прямолинейность образующей).

При шлифовании отверстий достигается точность обработки 1 – 4 мкм.

Шероховатость поверхности при обычном шлифовании обеспечивается в

пределах Ra = 1,250,63 мкм, а при тонком Ra = 0,320,08 мкм.

При изготовлении прецизионных деталей широко применяют

электроискровую обработку. Она основана на использовании явления

электрической эрозии токопроводящих материалов под действием

кратковременных электрических разрядов, возникающих между

инструментом-катодом и деталью-анодом. Достоинства электроискровой

обработки: независимость производительности от свойств

обрабатываемого материала, широкий диапазон режимов,

обеспечивающий обработку от черновой до отделочной, возможность

получения высокой точности обработки и малой шероховатости

поверхности, отсутствие механического воздействия инструмента на

деталь, простота инструмента, возможность обработки труднодоступных

поверхностей и полной механизации и автоматизации процесса.

Электроискровой метод применяют для прошивки

топливораспыливающих отверстий, шлифования направляющего и

распыливающего отверстий, а также запирающего конуса в корпусах

распылителей.

Точность размеров и геометрической формы, шероховатость

поверхности и физическое состояние поверхностного слоя зависят от

правильного выбора окончательных методов обработки. К окончательным

методам обработки прецизионных деталей относят доводку связанным

абразивом (суперфиниширование) и доводку свободным абразивом

(абразивными и алмазными порошками и пастами).

Суперфиниширование, применяемое для уменьшения

микронеровностей, снятия дефектного слоя и увеличения опорной

поверхности, позволяет получить первый класс точности при

шероховатости поверхности Rz = 0,800,032 мкм. Снимаемый припуск не

превышает 0,002 – 0,02 мм на диаметр (как правило, в пределах допуска).

Доводка рабочих поверхностей прецизионных деталей свободным

абразивом во всех видах производства является основным методом

окончательной обработки, так как обеспечивает получение 1-го и выше

классов точности и шероховатость Rz = 0,400,032 мкм. При этом

поверхности обладают высокой износостойкостью.

Алмазно-абразивную доводку широко применяют для окончательной

обработки деталей топливной аппаратуры, гидравлических и

пневматических агрегатов управления: игл распылителей, стыковочных

поверхностей корпусных деталей и т.д.

Операции доводки позволяют удалять весьма тонкие слои металла,

достигать минимальных отклонений от заданной геометрической формы и

высокого качества обработанной поверхности. Незначительные тепловые и

динамические нагрузки, возникающие в процессе доводки, позволяют

получить поверхностный слой без структурных изменений.

В зависимости от формы обрабатываемых деталей различают

следующие разновидности доводки: плоскую доводку одной плоскости

детали, плоскопараллельную доводку одновременно двух

противоположных плоскостей с обеспечением их высокой взаимной

параллельности, доводку наружных цилиндрических и конических

поверхностей с помощью разрезных притиров, плоскую доводку

цилиндрических деталей на двухдисковых доводочных станках, доводку

отверстий с помощью разрезных притиров, доводку профильных

поверхностей, доводку наружных цилиндрических поверхностей с

помощью цилиндрических притиров на бесцентровых доводочных

станках. Доводку осуществляют на специальных станках с помощью

машинного привода или вручную. Производительность и качество

выполнения доводочных операций во многом зависят от точного

соблюдения технологического процесса и общей культуры производства.

При изготовлении деталей прецизионных пар топливной аппаратуры

дизелей возникают производственные погрешности. В процессе

изготовления прецизионных деталей сталкиваются как с постоянными, так

и с переменными погрешностями. Обилие технических условий и размеров

на изготовление прецизионных деталей создает сложный

многоступенчатый контроль, который обычно осуществляют после

обработки с последующей сортировкой деталей на размерные группы. Для

предупреждения брака применяют средства активного контроля (при

шлифовании наружных и внутренних цилиндрических и конических

поверхностей).

Широко используют выборочный операционный и окончательный

контроль. Выборочный контроль осуществляется в процессе работы или

при настройке станка, а операционный окончательный контроль

осуществляют как после окончания операции, так и на готовой детали.