Технология производства шатунов
В процессе работы шатуны испытывают циклические нагрузки, воспринимаемые ими от поршней, вследствие действия газов и сил инерции.
Это предопределяет высокие требования к материалу шатунов.
Для шатунов малооборотных двигателей используют, в основном, углеродистые стали: для стержней - сталь 35, для головок - сталь 25, 35, для шатунных болтов - сталь 30.
В многооборотных двигателях в зависимости от степени напряженности для стержней и крышек применяют углеродистую сталь 45, легированные стали 40Х, 45Х, ЗОХНМА, 1ЯХ2Н4ВА (последняя имеет высокую прочность и ударную вязкость). Для шатунных болтов используют ст. 20ХНЗА и 18Х2Н4ВА.
Заготовки шатунов штампуют, при этом форма стержня шатуна, как правило, двутаврового сечения. Отъемные головки шатунов и крышки нижних головок - литые и штампованные.
Штамповка производится, главным образом, в закрытых штампах, при этом заготовки шатунов могут быть отштампованы вместе с крышкой или раздельно.
Заготовки шатунов небольших размеров чеканят по торцам головок на прессе. В результате этого повышается точность высоты головок, что важно для последующей механической обработки.
Материал для шатунов тщательно проверяют. Механическим испытаниям подвергают образцы, взятые от каждой детали, для чего у заготовки с одного конца предусматривают пробный брусок.
Требования к механической обработке заготовок шатунов следующие:
1) допуск параллельности осей отверстий верхней и нижней головок (а также оси отверстия под палец прицепного шатуна) на 100 мм длины не должен превышать 0,03 мм - при межцентровом расстоянии до 350 мм; 0,02 мм - при межцентровом расстоянии свыше 350 мм.
Допуск пересечения осей (перекрещивание) на 100 мм длины не должен превышать 0,05 мм - при межцентровом расстоянии до 350 мм; 0,03 мм - при межцентровом расстоянии свыше 350 мм;
2) оси отверстий головок должны быть перпендикулярны к оси стержня и пересекать ее. Допуск перпендикулярности на 100 мм длины - 0,05 мм, допуск смещения осей - до 0,5 мм;
3) допуск параллельности плоскостей разъема нижней головки шатуна относительно оси отверстия не должен превышать 0,2 мм на 100 мм длины;
4) допуск круглости и цилиндричности отверстий верхней и нижней головок не должен превышать 2/3 допуска на диаметр соответствующего отверстия;
5) допуск торцевого биения нижней головки шатуна относительно оси этой головки должен быть не более 0,1 мм на диаметр 100 мм. Допуск торцевого биения верхней головки указывается в технической документации;
6) допуск параллельности опорных поверхностей под головку и гайку шатунного болта относительно оси отверстия под болт на 100 мм длины не должен превышать 0,1 мм - для болтов с диаметром опорной поверхности до 25 мм; 0,07 мм - для болтов с диаметром опорной поверхности свыше 25 мм;
7) допускаемая разность масс шатунов в пределах одной массовой группы или на один двигатель не должна превышать 1,5 % - для двигателей с n = 500 об/мин; 0,8 % - для двигателей с n = 500…1000 об/мин.
Для двигателей с n ³ 1000 об/мин: 0,2 % - с удельной массой двигателя до 2,2 кг/кВт; 0,3 % - с удельной массой двигателя от 2,2 до 7,3 кг/кВт; 0,4 % - с удельной массой двигателя свыше 7,3 кг/кВт;
8) обработка по размерам (рис. 8) производится с точностью, указанной в табл. 2;
Рис. 8. Шатун
Таблица 2
Точность обработки шатунов
Размер | Поле допуска | Примечание |
d1 | H6…H7 | Отверстие под цельную втулку |
d2 | H6…H7 | Для крупных двигателей H9 |
L | ± 0,1…0,05 мм | Для шатунов без компрессионных прокладок |
d3 | H7…H9 | Отверстие для центрирующей бобышки |
d3 | f7…h6 | Диаметр центрирующей бобышки |
d4 | H9 | Отверстия под шатунные болты |
d4 | f7…e8 | Шейки шатунных болтов |
l | ± 0,03 мм | Для взаимозаменяемых отъемных головок |
9) шероховатость поверхностей указана на рис. 8. Шатуны многооборотных двигателей, изготовленные из легированных сталей, полируются кругом до Ra = 0,4…0,2 мкм;
10) окончательная расточка отверстия под вкладыши в нижней головке шатуна должна производиться на собранном шатуне с затяжкой болтов рабочим усилием.
В качестве примера рассмотрим типовой порядок обработки шатуна с неотъемной нижней головкой (наиболее часто применяемой в двигателях с диаметром цилиндра до 300…350 мм) в условиях мелкосерийного производства.
Заготовка - поковка совместно с крышкой нижней головки, стержень круглого сечения.
Механическая обработка такого шатуна состоит из пяти технологических этапов:
1) обработка до отрезки крышки нижней головки;
2) обработка крышки нижней головки;
3) обработка шатуна без крышки нижней головки;
4) сборка шатуна с крышкой и частичная механическая обработка;
5) обработка шатуна с крышкой в сборе. Применяется следующий технологический процесс изготовления шатуна:
операция 05 - проверка заготовки. Разметка центровых отверстий, отверстий в верхней и нижней головках шатуна;
операция 10 - зацентровка головок (сверление центровых отверстий) — производится на горизонтально-расточном станке обычным сверлом и зенковкой;
операция 15 - черновая обточка стержня и головки на токарном станке. В случае штампованной заготовки обработка стержня шатуна не производится;
операция 20 - черновое подрезание торцов верхней и нижней головок, вырезание перемычек в отверстиях головок с помощью резцовой головки производится на горизонтально-расточном станке (рис 9, а) на чистовую обработку оставляется припуск 1,5...2,0 мм на сторону;
Рис. 9. Черновая обработка шатуна:
а) вырезка перемычек в отверстии головки;
б ) сверление отверстия в стержне шатуна для масла
операция 25 - термообработка для снятия напряжений (для легированной стали - закалка и высокий отпуск с получением сорбитной структуры). После термообработки производят все испытания пробных брусков, которые отрезаются круглой пилой. Для шатунов из углеродистой стали после операции 20 термообработки нет: она была сделана до начала механической обработки в виде нормализации;
операция 30 - перецентровка головок шатуна и чистовая обточка шатуна по калибру на токарном станке;
операция 35 - отрезка крышки нижней головки на горизонтально-фрезерном станке. При этом необходимо, чтобы ширина разреза была меньше толщины будущего набора прокладок; кроме того, оставляется небольшой припуск (несколько десятых миллиметра) для зачистки плоскостей разъема;
операция 40 - сверление центрального отверстия в стержне шатуна и подрезка плоскости разъема с крышкой на токарном станке. Для сверления отверстия вдоль шатуна его закрепляют верхней головкой непосредственно в патрон токарного станка или используют специальное приспособление (рис. 9, б), а под цилиндрическую поверхность нижней головки подводят люнет или используют кондуктор 1, шейка 2которого поддерживается люнетом 3. Отверстия сверлят сперва коротким, а потом удлиненным сверлом, закрепленным в суппорте. Через сверло подается от насоса жидкость для охлаждения и вымывания стружки. Отверстия диаметром свыше 40...50 мм сверлят перовым сверлом;
операция 45 - фрезерование площадок под головки шатунных болтов на вертикально-фрезерном станке;
операция 50 - предварительное сверление отверстий под шатунные болты в стержне на радиально-сверлильном станке в кондукторе. Крышки нижней головки к этому времени обработаны с припуском в гнезде для вкладыша, на боковых плоскостях и отверстиях для шатунных болтов;
операция 55 - пригонка и сборка стержня с крышкой на временных болтах и на прокладках (если они предусмотрены конструкцией);
операция 60 - окончательная обработка отверстий под шатунные болты. Зенкерование и развертывание отверстий (временные болты вынимают по одному) под шатунные болты на радиально-сверлильном станке. Постановка калиброванных болтов;
операция 65 -чистовая расточка отверстий в головках и шлифование.
При обработке шатунов со стержнями двутаврового профиля стремятся обеспечить постоянство установочной базы (обычно это боковые плоскости головки шатуна и отверстия в головках). Поэтому обработка этих поверхностей предшествует обработке стержня как при черновых, так и чистовых операциях. Обработка двутавра производится на горизонтально- или вертикально-фрезерных станках, а также на копировальных.