Технология производства коленчатых валов

Коленчатые валы относятся к числу наиболее ответствен­ных деталей ДВС, работающих в условиях знакопеременных динамических нагрузок. Шейки коленчатых валов испыты­вают высокие удельные нагрузки при наличии трения сколь­жения.

По конструкции коленчатые валы бывают (в зависимости от типа, размера и других показателей двигателей) целыми и составными из двух-трех групп кривошипов (колен), кото­рые, в свою очередь, бывают целыми, полусоставными (от­дельно выполняется рамовая шейка) и составными (отдель­ное изготовление рамовых и мотылевых шеек). Различия в конструкции определяют и различия в технологическом, процессе изготовления коленчатого вала.

К материалу коленчатых валов предъявляются весьма высокие требования. Для коленчатых валов обычно применяются углеродистые стали марок 35, 40, 45 и 50Г, которые по сравнению с легирован­ными менее склонны к возникновению различного рода поро­ков и не требуют сложной термической обработки.

Коленчатые валы быстроходных двигателей, в зависимо­сти от степени напряженности, изготовляют из сталей 45, 40Х, ЗОХМА, 40ХНМА и 18Х2Н4ВА. Последняя отличается высокими показателями прочности и ударной вязкости, а так­же износостойкости.

Для улучшения поверхностной твердости и износостойко­сти шеек валов их подвергают закалке токами высокой ча­стоты до 50...55 HRC. Твер­дость шеек и усталостную прочность всего вала из сталей 18Х2Н4ВА и 40ХНМА иногда повышают азотированием, местным наклепом и дробеструйной обработкой.

Находят применение и коленчатые валы, изготовленные из модифицированного и высокопрочного чугуна (например, ВЧ50) с шаровидной формой графита для двигателей самого различного назначения.

Заготовки коленчатых валов получают свободной ковкой, штамповкой и отливкой.

Свободной ковкой получают заготовки валов крупных дви­гателей, выпускаемых малыми сериями, для которых нецеле­сообразно делать сложные и дорогие штампы. Из-за слож­ности конфигурации валов заготовки только отдаленно напо­минают окончательную форму, поэтому при обработке уда­ляется большое количество металла.

При свободной ковке обжимаются только рамовые шейки (рис. 10, а). Колена выполняются способом передачи металла. На протянутой из слитка пластине делают кузнечным топо­ром с двух сторон надрубку, а затем отжимают металл трех­гранником. Передвигают несколько ниже боек и смещают металл. Последовательно путем передачи металла образуют колена I, II, III. Затем, делая по концам заготовки уступы, получают концевые рамовые (коренные) шейки, фланец и пробные бруски (рис. 10, б). Для получения колен, распо­ложенных под углом, одно колено зажимают между бойка­ми, а соединение с другим разворачивают рычагом и краном (шейку предварительно нагревают во избежание разрыва металла).

 

Рис. 10. Заготовки коленчатых валов

 

В валах, откованных подобным образом, мотылевые шейки получают вырезкой металла в сплошных коленах (рис. 10, б), что является существенным недостатком данного способа, так как при этом перерезаются волокна и ослабляется прочность металла вала.

Заготовки валов быстроходных двигателей, выпускаемых, как правило, большими сериями, получают штамповкой в за­крытых штампах (при значительных размерах валов штам­повка производится по частям в секционных штампах). При этом методе волокна в заготовке идут по контуру вала без отрыва.

Небольшие валы штампуют из проката, более крупные — из слитков. Для удаления пороков с наружной поверхности слиток подвергается механической обработке, затем его слегка осаживают по оси и протягивают на пластину.

Непосредственно после ковки (штамповки) заготовки под­вергают термической обработке: обычной нормализации (при t = 850 °С) для углеродистых и низколегированных ста­лей и высокой нормализации для легированных сталей (например, для 18Х2Н4ВА при t = 950 °С). Цель термо­обработки - улучшить структуру металла после возможного перегрева или наклепа при ковке, устранить напряжение и облегчить последующую черновую обработку на станках.

Литые заготовки получают в земляных формах (для крупных двигателей), при этом шейки отливаются полыми, или в оболочковых формах (для автотракторных двигателей). Литые заготовки подвергаются рентгенографическому контролю для выявления внутренних скрытых раковин.

Требования к механической обработке заготовок коленчатых валов следующие:

1)оси всех рамовых шеек должны лежать на одной пря­мой. Несоосность рамовых (коренных) шеек при соосных опо­рах рамы приводит к появлению в вале дополнительных на­пряжений (постоянного знака) и к увеличению опорных ре­акций. Допуск абсолютного радиального биения составляет 0,03…0,04 мм при dШ £ 180 мм и 0,05...0,06 мм для шеек большего диаметра (абсолютное биение - биение шейки относительно оси, про­ходящей через крайние рамовые шейки), допуск относитель­ного радиального биения соседних коренных шеек - не более 0,02 мм при dШ £ 180 мм и не более 0,03...0,04 мм для большего диаметра;

2) ось каждой мотылевой (шатунной) шейки должна быть параллельна оси рамовых шеек. Допуск параллельно­сти осей — 0,03 мм на 100 мм длины;

3) торцевая плоскость соединительного фланца должна быть перпендикулярна к оси вала. Допуск торцевого биения при жестком соединении фланца - не более 0,005 мм на каждые 100 мм диаметра, при прочих соединениях - не бо­лее 0,03 мм на 100 мм диаметра.

4) углы разворота между мотылями относительно любого мотыля, принятого за базу, должны быть выдержаны в пре­делах ± 30 °;

5) обработка по размерам (рис. 11) ведется с точностью, указанной в табл. 3;

 

Рис. 11. Обрабатываемые поверхности коленчатого вала

Таблица 3

Точность обработки коленчатого вала

 

Размер Поле допуска Примечание
dК h6 Для валов всех диаметров
dШ h6 Для валов всех диаметров
lК H10 Длина коренных шеек
lШ H10 Длина шатунной шейки в случае фиксации по ней шатуна от осевого перемещения
r ± 0,15 мм На 100 мм радиуса кривошипа (r – радиус кривошипа)

 

6) механические свойства валов должны соответствовать показателям, установленным в зависимости от марки стали и категории прочности. Обязательными по­казателями механических свойств являются предел текуче­сти, относительное сужение, ударная вязкость и твердость;

7) каждый коленчатый вал должен быть динамически сбалансирован. Одно- и двухколенные валы, а также валы, работающие с частотой вращения n<1000 мин-1, допуска­ется балансировать статически. Допускаемый дисбаланс ука­зывается в рабочем чертеже;

8) шероховатость обработанных поверхностей коленча­тых валов указана в табл. 4.

Таблица 4

Шероховатость обработки коленчатого вала

Номер поверхности Шероховатость поверхности Ra, мкм Примечание
1,6  
2, 3 0,2 Для шеек с dШ < 100 мм
2, 3 0,4 Для шеек с dШ > 100 мм
0,8 Для шеек на подшипниках качения
0,4 Все галтели
5, 6, 7, 8 12,5 Для тихоходных двигателей
5, 6, 7, 8 0,4 Для быстроходных двигателей (валы из легированных сталей)
1,6…0,8 Все отверстия

 

Применяется следующий технологический процесс изготовления коленчатого вала двигателя средней мощности при мелкосерийном производстве из цельнокованой заготовки с учетом:

1) обдирочные операции отделяются от чистовых;

2) наибольшие трудности в механической обработке ко­ленчатых валов обусловливаются их относительно малой жесткостью, поэтому для обеспечения наименьших деформаций валы устанавливают и закрепляют по поверхностям, рас­положенным как можно ближе к обрабатываемым частям вала;

3) пробные бруски у легированных сталей обычно отрезаются в механическом цехе после термообработки, у угле­родистых сталей - в кузнечном цехе после поковки вала.

операция 05 - проверка поковки, разметка под обработку. В механический цех поковка может поступать либо в виде пластины, либо в уже частично обработанном виде (рамовые шейки предварительно образованы, колена развернуты - рис. 10, б). Ниже рассматривается второй случай. Операция производится на разметочной плите с помощью обычных приспособлений;

операция 10 - зацентровка торцев на горизонтально-сверлиль­ном или специальном центровочном станке;

операция 15 - обдирка рамовых шеек, наружных сторон щек, затылков мотылей, скосов. Операция выполняется на круп­ногабаритном токарном станке, как правило, снабженном двумя или четырьмя суппортами, которые располагаются с передней и задней сторон станка. Вал устанавливают одним концом в кулачки патрона, другой конец поддержи­вается центром. Прежде всего производят обдирку и обточку шеек под люнеты, причем вначале обтачивают крайнюю шейку со стороны задней бабки. Чтобы избежать быстрого износа и разработки центрового отверстия, используют вра­щающийся задний центр. После обработки крайней шейки вал снимают с центра и устанавливают на люнет. Обработка в люнетах дает возможность снимать стружку большого се­чения, не опасаясь прогиба вала. После черновой обточки оставляют припуск 3...5 мм на сторону для чистовой обработки;

операция 20 - фрезерование боковых поверхностей щек. Операция производится на продольно-фрезерном станке при установке коленчатого вала в призмах. Установочной базой слу­жат рамовые шейки. На чистовую обработку оставляют припуск около 5 мм;

операция 25 - разметка контура мотылей для вырезки ме­талла (формирование мотылей). Поскольку вырезка может производиться несколькими способами (высверливанием, выстрогиванием и др.), то и разметка производится по-разному. В первом случае по контуру мотыля размечают и закернивают все отверстия, подлежащие сверлению, с перекрытием друг друга на 2...3 мм; во втором размечается только гра­ница долбления и два вспомогательных отверстия в углах контура для поворота и вывода резца (рис. 10, в);

операция 30 - вырезка (высверливание) металла для обра­зования кривошипа (мотыля). Удаление металла может производиться следующими способами:

- высверливание по контуру;

- долбление по контуру;

- вырезка круглой или ленточной пилой;

- газовая резка.

Метод высверливания материала требует последующей зачистки долблением оставшейся зубчатой поверхности, что­бы при обточке мотылевой шейки предохранить резец от ударов.

Весьма производительный метод - газовая резка. Ранее считалось, что она вредно влияет на структуру металла. Однако, оставляя припуски 5...10 мм, можно в дальнейшем полностью удалить дефектный слой;

 

 

Рис. 12. Обточка мотылевых шеек вала на станке с

вращающимся суппортом

 

операция 35 - черновая обточка мотылевых шеек и внутрен­них сторон щек. Применяется специальный станок с вра­щающимся суппортом (рис. 12). Коленчатый вал уклады­вают рамовыми шейками как базовыми поверхностями на призматические стойки 10, установленные на станине стан­ка 9. Коленчатый вал закрепляют неподвижно. Корпус 7 суппорта может передвигаться вдоль станины 9станка; кроме того, он снабжен направляющими 8для поперечного пере­мещения. Внутри корпуса суппорта помещено кольцо 3, снабженное зубчатым ободом 4и получающее вращательное движение от червяка 5, - таким образом осуществляется главное движение инструмента. К кольцу прикреплены две призматические направляющие 2, по которым в радиальном направлении передвигаются два суппорта 1с резцами. Дви­жение передается от электродвигателя 6.

Ось обрабатываемой мотылевой шейки совмещают с осью вращающегося кольца поворотом коленчатого вала вокруг оси и поперечным передвижением корпуса суппорта 7. Для проверки установки вала служит скоба 11, которой измеряют расстояние от накерненного центра мотылевой шейки на наружной стороне щеки до внутреннего пояска на вращаю­щемся кольце. При обточке шейки резец подается продоль­ным движением корпуса. Для подрезки внутренних сторон щек подачу осуществляют радиальным перемещением суп­портов с резцами. Одновременно обтачивают закругления на нижних поверхностях щек.

При отсутствии станка с вращающимся суппортом моты левые шейки обтачивают на токарных станках (рис. 13). На концы коленчатого вала надевают диски 5, снабженные центровыми втулками 2, положение которых должно соответ­ствовать осям обтачиваемых мотылевых шеек.

 

 

Рис. 13. Обточка мотылевых шеек на токарном станке

Диски для вала устанавливают на плите, тщательно выве­ряя их угловое положение по разметочным рискам. Чтобы увеличить жесткость вала и уменьшить деформации, между щеками и дисками по оси центров станка устанавливают распорки 3, а не обрабатываемые в данной установке мотыли скрепляют планками 4и болтами. Вращение валу передают поводком через отверстие 6в диске. Из-за вращения боль­ших неуравновешенных масс такой метод малопроизводите­лен и недостаточно точен. Прикрепление к планшайбе тяже­лого свинцового противовеса 1лишь частично устраняет этот недостаток;

операция 40 - сверление отверстий в шейках. Отверстия в рамовых шейках обрабатывают на универсально-расточ­ном или горизонтально-сверлильном станке. Их сверлят спи­ральными сверлами, а затем растачивают борштангой с рез­цами. Подобным же образом обрабатывают отверстия в мотылевых шейках. Если эти отверстия недоступны для обра­ботки инструментом, установленным в шпинделе станка (мешают фланцы или соседние колена), то используют угло­вые машинки с коническими передачами с приводом от элек­тродвигателя или станка;

операция 45 - термообработка. Для углеродистых сталей - отпуск (нагрев до 600…650 °С и охлаждение с печью), для легированных сталей - закалка при 800 °С и высокий отпуск при 500 °С;

операция 50 - разметка под обработку боковых и наружных плоскостей, скосов и затылков щек - производится на разме­точной плите;

операция 55 - чистовая строжка или фрезеровка боко­вых сторон щек - производится на поперечно-строгальном или фрезерном станке;

операция 60 - окончательная обточка затылков, скосов и наружных плоскостей щек - выполняется на токарном станке при установке в центрах;

операция 65 - перецентровка вала. Необходимость этой операции обосновывается тем, что при обработке затылков, скосов, наружных сторон щек (особенно при обдирочных операциях) центровые отверстия разбиваются и уже не мо­гут служить надежной установочной базой при обработке рамовых шеек. На универсально-расточном станке растачи­вают пояски в отверстиях рамовых шеек по концам вала. В эти пояски вставляют центровые пробки для последующей установки вала в центры токарного станка.

В некоторых случаях перецентровку производят после термообработки, а обработку затылков, скосов наружных плоскостей щек — в одной операции с обработкой рамовых шеек;

операция 70 - окончательная обточка рамовых шеек.

Для обеспечения надлежащей точности обработку проводят в следующей последовательности. Сначала обрабатывают все шейки с припуском 0,4...0,5 мм на сторону, идя от крайних шеек к средним с установкой люнетов под обрабо­танные шейки. Последние проходы часто ведут резцами с широкой режущей кромкой при глубине резания 0,1 мм и подаче 10...15 мм/об. Галтели обрабатывают широкими фасонными резцами;

операция 75 - чистовая обточка мотылевых шеек и вну­тренних сторон щек - производится на станке с вращаю­щимся суппортом. Ось мотылевой шейки совмещают с осью вращающегося кольца. В этой же операции может произво­диться полировка мотылевых шеек. Тогда на суппорте вместо резцов закрепляется деревянная колодка с наждачным полотном;

операция 80 - разметка отверстий на фланце и шпо­ночного паза для посадки шестерни привода;

операция 85 - сверление наклонных смазочных отвер­стий - производится на радиально-сверлильном станке, устанавливая вал под углом. У крупных валов эту операцию про­изводят на универсально-расточном станке;

операция 90 - сверление и зенкерование отверстий во фланце с припуском и развертывание их совместно с флан­цем присоединяемого вала - производится на горизонтально-сверлильном или универсально-расточном станке;

операция 95 - фрезерование шпоночного паза на верти­кально-фрезерном станке;

операция 100 - отделка рамовых шеек. Применяется шли­фование, полирование, чаще микрошлифование (суперфини­ширование). Для последнего создан ряд специальных стан­ков, где бруски автоматически прижимаются к шейкам вала, а также специальные приспособления, позволяющие произво­дить суперфиниширование на токарном станке. Суперфини­ширование производится абразивными брусками с зерни­стостью 400...600. Продукты износа брусков с частицами металла смываются струей керосина. Припуск на суперфини­ширование составляет 0,003…0,015 мм.

Полирование производится эластичными кругами, на ко­торые нанесена абразивная паста. Круги изготавливаются из войлока, фетра, бязи, парусины и кожи; скорость враще­ния кругов до 40 м/с.

Суперфиниширование и полирование не устраняют по­грешности формы.

Притирка применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность размеров и требуемую шерохо­ватость поверхности шейки. Она производится чугунными или медными притирами с притирочными пастами, состоя­щими из мелкозернистого абразивного порошка, смешанного с парафином, маслом, керосином и другими жидкостями. Припуск на притирку 0,005 ... 0,020 мм.

Шлифование мотылевых шеек коленчатых валов меньших размеров может производиться на специальных шлифоваль­ных станках, чаще всего с двухсторонним приводом (рис. 14).

 

 

Рис. 14. Шлифование мотылевых шеек

 

Вал концевыми коренными шейками устанавливают в па­троны 1 с эксцентрично расположенными гнездами 4. Все мотылевые шейки шлифуют на одном станке с трех позиций. Для этого на конец вала надевают делительный диск 3, снаб­женный тремя пазами 5для фиксирующего штифта 2. Поло­жение паза 5 при надевании диска должно строго соответ­ствовать отверстию ближайшей мотылевой шейки, что про­веряется специальным калибром. На каждой позиции шли­фуют пару мотылевых шеек, расположенных в одной плос­кости. Шлифуемые шейки поддерживают люнетами 6. При шлифовании шеек используют приборы с индикаторами, поз­воляющие измерять диаметр во время работы станка;

операция 105 - балансировка коленчатого вала - производится на специальном балансировочном приспособле­нии (статическая балансировка) или балансировочном стан­ке (динамическая балансировка).

Балансировка коленчатых валов. На балансировку коленчатого вала следует обратить са­мое серьезное внимание, ибо при значительной частоте вра­щения неуравновешенные массы вызывают вибрацию, повы­шенный износ и даже нарушение правильного функциониро­вания двигателя.

Устранение неуравновешенности решается путем включе­ния в технологический процесс изготовления операции балан­сировки - статической или динамической. Балансировку не следует смешивать с уравновешиванием поршневых двига­телей, при котором решается чисто конструктивная задача взаимного уравновешивания в самом двигателе сил инерции движущихся частей.

Статическая балансировка. При вращении вала, когда центр тяжести его не лежит на оси вращения, возникает центробежная сила

Q = mrw2,

где m - масса вала, равная G/g; r - расстояние центра тяжести вала от оси вращения; w - угловая скорость вращения, равная (πn)/30; n - частота вращения вала; G - вес вала.

Неуравновешенность вала может являться следствием не только его неправильного изготовления и сборки, но и не­равномерной плотности металла.

Задачей статической балансировки является совмещение центра тяжести коленчатого вала с осью вращения. Процесс осуществляется с помощью приспособления, состоящего из двух параллельных пластин-ножей. Коленчатый вал с неуравновешенной массой, перекатываясь по ножам, самоустанав­ливается так, что его центр тяжести занимает низшее поло­жение. Уравновешивая вал путем удаления металла или до­бавления противовеса, добиваются его нейтрального положения. Таким образом центр тяжести вала совмещают с осью вращения и устраняют действие центробежной силы Q.

Динамическая балансировка. Рассмотрим два случая неуравновешенности (рис. 15).

В первом случае (рис. 15, а) отношение длины к диаметру невелико. Предположим, что влияние неуравновешенности сводится к действию груза М, расположенного в какой-либо точке на окружности диска.

При балансировке важно обеспечить положение центра тяжести диска на оси вращения, что достигается прикреп­лением груза М1. Причем взаимное расположение грузов М и М1 по длине диска в данном случае не играет существен­ного значения, так как длина диска невелика.

Во втором случае (рис. 15, б) длина детали значительно больше диаметра. Балансируя эту деталь статически, мы находим значение неуравновешенной массы. Однако здесь уже не безразлично положение уравновешивающего груза по длине, так как в случае расположения его в точках А или В при вращении детали возникает момент от пары цен­тробежных сил, равный соответственно mrw2l2 или mrw2l1 (М=М1=М2).

 

Рис. 15. Балансировка коленчатых валов

 

Отсюда следует, что при балансировке длинной детали (в частности, коленчатого вала) необходимо обеспечить сов­падение оси вращения с осью инерции.

Балансировка, обеспечивающая соблюдение такого усло­вия, называется динамической. Динамическое уравновеши­вание коленчатых валов основано на теоретической предпо­сылке, что любое число центробежных сил, действующих на вал, может быть приведено к двум равнодействующим цен­тробежным силам, приложенным в плоскостях двух крайних торцов вала. При динамической балансировке добиваются уравновешивания как центробежных сил, так и пары сил. Следует отметить, что динамическое балансирование предпо­лагает наличие и статического балансирования.

В процессе динамической балансировки:

- определяют значение и направление неуравновешен­ных сил;

- устраняют неуравновешенность, прибавляя или снимая уравновешивающие массы в двух произвольно выбран­ных плоскостях приведения, расположенных перпендикулярно к оси вращения.

Принцип работы балансировочных станков состоит в том, что вал устанавливается на две упругие опоры, поддержи­ваемые пружинами. При вращении неуравновешенного вала возникают колебания опор. Эти колебания измеряют при наибольших амплитудах, т.е. в условиях резонанса вала и опоры.

Балансировку выполняют сначала в одной плоскости при­ведения, для чего одну опору жестко закрепляют. Колебания системы происходят в вертикальной плоскости относительно неподвижной опоры. Для уравновешивания к валу прикреп­ляют грузы. Затем таким же образом уравновешивают вал и в другой плоскости, закрепляя уже другую опору.

Избыточные массы удаляют фрезерованием.

В настоящее время балансировочные станки снабжаются электрическими и оптическими устройствами. В частности, на станках с упругими опорами используют электрические методы компенсации дисбаланса с использованием индукци­онных датчиков.

Вопросы для самопроверки:


Лекция 17

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ МАШИН

 

1. Понятие о процессах сборки машин и классификация видов сборки.

2. Организационные формы сборки.

3. Размерные цепи, их определение, виды.

4. Методы расчета плоских размерных цепей.

5. Основные методы достижения точности замыкающего звена

6. Проектирование технологических процессов сборки.