[02-2016] Инновационная технология изготовления вкладышей подшипников среднеоборотных дизелей

[Admin]

Инновационная технология изготовления вкладышей подшипников среднеоборотных дизелей

Развитие конструкций современных тепловозных и судовых среднеоборотных дизелей обуславливает новый уровень по точности и качеству изготовления деталей и узлов и, в первую очередь, определяющих надежность двигателя в целом. К числу таких деталей, несомненно, относятся вкладыши подшипников коленчатого вала, так как выход из строя одного подшипника приводит к повреждению вала и всего двигателя. Одновременно, в текущей экономической ситуации не менее актуальной задачей является повышение производительности труда и снижение себестоимости продукции. Решение этих задач требует новых инновационных решений в технологии производства вкладышей подшипников скольжения.
Как отмечалось в работе [1], в тепловозном парке России эксплуатируются 3 основных типа подшипников коленчатого вала, классифицируемые по применяемым материалам:

• □ с бронзовым корпусом и баббитовым антифрикционным сплавом;
• □ биметаллические со стальной основой, плакированные алюминиевым сплавом с добавлением олова, меди и иногда свинца;
• □ так называемые триметаллические, состоящие из стального корпуса, бронзового антифрикционного сплава и тонкого, относительно мягкого приработочного покрытия на основе свинца, олова и меди.

Каждый из этих типов имеет свою область применения в зависимости от конструкции, степени форсирования, условий работы и ремонта двигателей. Однако основным типом является последний из перечисленных, который занимает по данным, приведенным в работе [2], более 90 % общего объема эксплуатируемых подшипников.

Все вышеприведенные типы подшипников имеют технологические особенности получения заготовки:

• - бронзо-баббитовые получают заливкой баббита в бронзовую обечайку,
• - биметаллические сталеалюминиевые — плакированием антифрикционного сплава на стальную полосу;
• - триметаллические сталебронзовые — заливкой бронзы в стальную трубу или непрерывной заливкой (или спеканием) на стальную полосу.

Тем не менее, на определенном этапе механическая обработка всех типов вкладышей включает в себя токарные, фрезерные, сверлильные, расточные операции для обеспечения геометрических параметров и качества поверхностей в соответствии с технической документацией на подшипник.
До настоящего времени вся механическая обработка вкладышей подшипников среднеоборотных дизелей на отечественных предприятиях производится, в основном, на универсальных станках, оборудованных специальными приспособлениями для установки деталей при выполнении отдельных операций. При этом, например, для обработки вкладышей одного типоразмера необходимо применять до 20 наименований оснастки и приспособлений (оправок, постелей, кондукторов, копиров и др.), что значительно затрудняет и замедляет подготовку производства для выпуска новых наименований вкладышей и вкладышей ремонтных градаций. Переустановки деталей и «человеческий фактор» в процессе выполнения отдельных операций также снижают производительность, точность и стабильность качества изготовления подшипников.
Пооперационная механическая обработка вкладышей на автоматизированных
линиях необходима и оправдана в условиях массового производства вкладышей, например, для автомобильных и автотракторных двигателей, где на отдельных операциях используются специализированные станки-автоматы, составляющие в совокупности высокопроизводительные автоматизированные линии. Для вкладышей среднеоборотных двигателей, где производство относится к серийному и даже иногда к единичному, больше подходят гибкие технологии, где имеется возможность быстро перестроиться на производство различных наименований и ремонтных (градационных) размеров подшипников в небольших количествах [1].

Разработка гибких технологий механической обработки вкладышей среднеоборотных дизельных двигателей стала возможной, прежде всего, вследствие достижения определенного уровня развития станкостроительной промышленности, выпускающей станки с числовым программным управлением (ЧПУ), позволяющие выполнять разнообразные операции (фрезерные, сверлильные, токарные, расточные) на одном станке и с обеспечением заданных параметров точности и качества поверхностей.
В настоящее время специалистами фирмы ООО «Леада» (г. Коломна) и НПО «Станкостроение» (г. Стерлитамак) разработана технология механической обработки вкладышей подшипников коленчатого вала тепловозного двигателя с использованием станков с ЧПУ, оборудованных поворотным столом и специальным приспособлением для установки заготовки вкладышей. На конструкцию данного приспособления подана заявка на выдачу патента на полезную модель.

Другим фактором, способствующим внедрению гибких технологических процессов механической обработки и снижению трудоемкости изготовления вкладышей подшипников скольжения, явился переход изготовления основного вида триметаллических подшипников тепловозных дизелей на заготовку из биметаллической сталебронзовой полосы.
В начале 2000-х годов на заготовку из биметаллической сталебронзовой полосы производства фирмы «Federal-Mogul Wiesbaden» вместо индивидуальной заливки свинцовистой бронзы в стальную трубу при изготовлении вкладышей перешло предприятие ОАО «Коломенский завод» — изготовитель тепловозных дизелей типа Д49. Это позволило существенно снизить трудоемкость и расход материалов при изготовлении вкладышей подшипников с одновременным повышением качества за счет уменьшения дефектов бронзовой заливки, характерных для технологии индивидуальной заливки в стальную трубу: ликвации свинца, трещин и пор. Начиная с 2002 г. из такой же заготовки начала производить вкладыши фирма ООО «Технокомплекс».

Однако указанным выше предприятиям до настоящего времени не удалось в технологии механической обработки избавиться от стереотипов технологического процесса обработки вкладышей, получаемых из трубчатой биметаллической заготовки. Это проявляется в сохранении в технологии механической обработки вкладышей операций точения и шлифования наружной поверхности после штамповки половины подшипника из заготовки-карточки. Данные операции были необходимы при обработке вкладышей, получаемых из трубы, так как точением наружной поверхности удалялись окалина и другие дефекты, полученные при заливке бронзы, а шлифованием обеспечивались заданные технической документацией шероховатость поверхности и геометрические параметры, прежде всего, по прямолинейности образующей наружной поверхности и прилеганию ее к контрольной постели.
Биметаллическая же полоса, изготавливаемая фирмами «Federal-Mogul Wiesbaden», «Shanghai Hewei Industry Co.Ltd», «Федерал-Могул Димитровград», так же как и другими поставщиками аналогичной заготовки, имеет высокое качество наружной поверхности стальной основы: обычно Ra < 0,63 и не требует дополнительной обработки после штамповки заготовки, о чем свидетельствует опыт многих зарубежных и отечественных фирм, выпускающих вкладыши из биметаллической (сталебронзовой или сталеалюминиевой) полосы. Шлифование наружной поверхности вкладышей из биметаллической полосы может только увеличить ее шероховатость до значений Ra > 1,25. Кроме того, только дополнительной механической обработкой наружной поверхности вкладышей невозможно улучшить ее геометрические параметры, в частности, по прямолинейности образующей и прилеганию к поверхности контрольной постели.

Как показал опыт изготовления подшипников из биметаллической полосы, заданные параметры по прямолинейности и прилеганию наружной поверхности, так же как и диаметральный размер вкладыша по стыку в свободном состоянии, возможно обеспечить только правильно выбрав размер постели матрицы штампа, величину осадки (пластического обжатия) заготовок в штампе, обеспечив соответствующее качество поверхности постели штампа и выполнив термические обработки заготовки.
Как показано в работах [3, 4], стабильность геометрических параметров вкладышей (диаметральный размер по стыку в свободном состоянии, выступание стыка над плоскостью контрольного приспособления, прямолинейность образующей и прилегание наружной поверхности к контрольной постели) определяется заложенным уровнем остаточных напряжений растяжения в бронзовой заливке, противоположных по знаку монтажным, термическим и механическим нагрузкам, возникающим в процессе работы дизеля.
Этот уровень остаточных напряжений создает запас по уровню напряжений растяжения в антифрикционном слое, который препятствует достижению предела текучести данного материала от совокупных напряжений сжатия, возникающих в процессе монтажа подшипника и работы дизеля, а значит, деформации и изменению геометрических параметров вкладыша. При этом максимально возможный уровень необходимых напряжений в слое бронзы достигается в случае проведения термической обработки на последнем этапе изготовления вкладыша, когда отсутствуют операции со съемом металла по наружной поверхности, а значит, и не происходит перераспределения напряжений в биметаллической заготовке подшипника.
Если же в процессе обработки заготовок вкладышей не будут соблюдены технически обоснованные требования по пластическому обжатию и термообработке, никакие дополнительные операции по обработке наружной поверхности не смогут обеспечить заданные геометрические параметры подшипников и их стабильность в процессе работы.

Таким образом, как показано выше, для максимального использования преимущества применения прогрессивной заготовки — биметаллической полосы с необходимым качеством отделки наружной поверхности стальной основы, целесообразно отказаться от обработки данной поверхности. Уже только это приведет к существенному снижению металлоемкости и трудоемкости изготовления деталей путем применения более тонкой полосы и исключения операций выполнения фасок (для крепления на токарной и шлифовальной оправках) с необходимостью их последующей обрезки и, собственно,точения и шлифования наружной поверхности. Причем, каждая из перечисленных дополнительных операций требует отдельных станков и приспособлений для установки заготовки.
Тем не менее, не отмена обработки наружной поверхности является решающим фактором для совершения инновационного прорыва в процессе механической обработки вкладышей подшипников скольжения среднеоборотных дизелей. Только применение станка с ЧПУ с поворотным столом, оборудованным вышеупомянутым приспособлением для установки и закрепления вкладышей, а также использования высококачественного инструмента позволяет осуществлять все основные операции механической обработки вкладышей на одном станке с одного постанова и достигнуть нового уровня технологии их производства.

На рис. 1?2 и в таблице приведен пример сравнения маршрутных технологий основных операций механической обработки нижнего шатунного вкладыша тепловозного дизеля типа Д49, где показаны принципиальные отличия инновационной технологии фирмы ООО «Леада» и традиционно применяемой на отечественных предприятиях-производителях вкладышей тепловозных дизелей. Основой для механической обработки здесь является отштампованная из биметаллической полосы заготовка половины вкладыша. Термические обработки и гальванические покрытия так же, как и незначительные операции по выполнению небольших фасок, притуплению острых кромок и тому подобное в данном процессе не показаны.
Порядок выполнения операций может варьироваться для оптимизации процесса механической обработки в зависимости от конкретного применяемого оборудования.
Из приведенной таблицы очевидно, что в процессе механической обработки по технологии фирмы ООО «Леада» отсутствует большое количество вспомогательных операций, и количество применяемых станков сведено к минимуму (вплоть до одного с ЧПУ), а, следовательно, существенно снижается трудоемкость изготовления. Сравнение времени, необходимого для механической обработки одного вкладыша по старой и инновационной технологиям свидетельствует о возможности повышения производительности труда в несколько раз благодаря исключению некоторых операций и отсутствию переустановок деталей на различные станки.

Кроме того, такой способ механической обработки обеспечивает не только значительное увеличение производительности, но и существенное повышение качества изготавливаемых деталей. Это обусловлено, в первую очередь, техническими возможностями системы СПИД (станок — приспособление — инструмент— деталь), позволяющей получать более высокие показатели по точности и качеству (шероховатости) поверхностей, определяющих надежность подшипника, а также отсутствием факторов, отрицательно влияющих на качество деталей — таких как многочисленные переустановки деталей со сменой технологических баз и «человеческий фактор».

Это позволило в чертежах вкладышей подшипников коленчатого вала для запасных частей дизелей типа Д49, выпущенных фирмой ООО «Леада» и согласованных с ОАО «ВНИИЖТ» и ОАО «РЖД», установить повышенные требования к качеству поверхностей (в частности, поверхностям стыков и внутренней рабочей поверхности), определяющих запас по несущей способности [1], а, следовательно, надежность подшипникового узла в целом.
Необходимо отметить, что новая технология в полной мере подходит для обработки биметаллических сталеалюминиевых вкладышей, а на определенном этапе (после обработки наружной поверхности и разрезки на половинки) данным способом возможна обработка и бронзо-баббитовых вкладышей.
Итак, инновационная технология и оснастка, разработанные и внедренные на производственной базе фирмы ООО «Леада», обеспечивают достижение нового уровня технологии производства вкладышей подшипников скольжения среднеоборотных дизелей и, в частности:

• - позволяют максимально использовать преимущества рациональной заготовки — биметаллической полосы, а именно, заданные параметры качества и геометрии подшипников получаются без дополнительной обработки наружной поверхности;
• - обеспечивают повышение уровня и стабильности качества подшипников посредством применения современного оборудова-НИЯ И ИСКЛЮЧЕНИЯ НиГаТИБНОГО ВЛИЯНИЯ Пврб-
• установок и смены технологических баз, а также «человеческого фактора»;
• - производительность процесса механической обработки может быть увеличена в несколько раз за счет отмены ряда операций и выполнения всего процесса на одном станке в одном приспособлении;
• - изготовление вкладышей ремонтных градаций производится в кратчайшие сроки без переналадки оборудования, а только изменением программы станка с ЧПУ;
• - затраты и время на подготовку производства подшипников другой номенклатуры становятся минимальными, так как для этого необходимы только один штамп, одно приспособление для механической обработки и одно контрольное приспособление для измерения выступания стыков. Это позволяет в кратчайшие сроки осваивать производство вкладышей новых типов и размеров.

Канд. техн, наук А.А. ЕРМОЛАЕВ,
ООО «АртБизнесГрупп», инженеры А.Е. СКВОРЦОВ,
И.А. АЛЕКСАНДРОВ,
ООО «Леада», г. Коломна

Библиография
1. С.М. Захаров, А.А. Ермолаев, А.Е. Миронов, А.Е. Скворцов. Анализ путей совершенствования применяемых материалов и технологии изготовления подшипников коленчатого вала тепловозных дизелей//Тяжелое машиностроение, 2015, №6. с. 11 — 18.
2. B.T. Бордуков, Б.И. Богданов, В.Е. Вит-винский, М.Э. Меш. Подшипники коленчатых валов форсированных дизелей в СССР и за рубежом. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1987. с. 32
3. В.Г. Быков, М.А. Салтыков, М.Н. Горбунов. Новый способ обеспечения стабильности геометрических параметров для высо-конагруженных подшипников дизелей — Двигателестроение.1985. № 8. с. 32 — 35, 48.
4. ОСТ 24.067.40—84 Вкладыши коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей. Общие технические условия.

Аннотация
В настоящей статье выполнен анализ существующих технологий механической обработки вкладышей подшипников скольжения среднеоборотных дизелей. Представлена разработанная инновационная технология обработки вкладышей коленчатого вала. Показаны пути повышения качества, улучшения технических характеристик деталей, снижения трудоемкости изготовления и расхода материалов, повышения производительности труда.
In this article the analysis of existing technologies of mechanical processing of plain bearing shells of medium-speed diesel engines. The developed innovative technology of machining of the crankshaft bearings. The ways of improvement of quality, increasing of technical characteristics of parts, reducing the complexity of manufacture and consumption of materials, increasing productivity.

Ключевые слова:
Среднеоборотные дизели, вкладыши подшипников скольжения, подшипники коленчатого вала, инновационная технология механической обработки, повышение производительности труда, качество подшипников скольжения.
Medium-speed diesel engines, plain bearing shells, crankshaft bearings, innovative technology of mechanical processing, increasing productivity, quaiiLy Oi plain wearings.