Изготовление коленчатого вала

Материал  и способы получения  заготовок для  коленчатых валов

Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных  высокопрочных чугунов. Наибольшее применение находят, стали марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г, а для тяжело нагруженных коленчатых валов дизелей-40ХНМА, 18ХНВА и др.

Заготовки стальных коленчатых валов средних размеров в крупносерийном и массовом производстве изготовляют ковкой в закрытых штампах  на молотах или прессах при  этом процесс получения заготовки проходит несколько операций. После предварительной и окончательной ковки коленчатого вала в штампах производят обрезку облоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом.

В связи с  высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке - нормализация - и затем очистке от окалины травлением или обработкой на дробеметной машине.

Литые заготовки  коленчатых валов изготовляют обычно из высокопрочного чугуна, модифицированного  магнием. Полученные методом прецизионного литья (в оболочковых формах) валы по сравнению со “штампованными” имеют ряд преимуществ, в том числе высокий коэффициент использования металла. В литых заготовках можно получить ряд внутренних полостей при отливке.

Припуск на обработку шеек чугунных валов составляет не более 2,5 мм на сторону при отклонениях по 5-7-му классам точности. Меньшее колебание припуска и меньшая начальная неуравновешенность благоприятно сказываются на эксплуатации инструмента и “оборудования” особенно в автоматизированном производстве.

Коленчатые валы отливают в оболочковые формы  в горизонтальном положении. Если в  одной форме отливают два вала, заливку металла производят через  общий литник.

Правку валов  производят после нормализации в  горячем состоянии в штампе на прессе после выемки заготовки из печи без дополнительного подогрева. 
 

1.     Технические условия на коленчатые валы  

       Коленчатые  валы (рис.18.1) механических прессов  и ГКМ бывают одного, двух и трех коленные с разворотами колен  на 180 и 120⁰. Валы изготавливаются из сталей 35, 40, 45, 50, 38Г2, 46Г2, 40 ХН, 30 ХМА. Используют заготовки гнутые из проката или кованые. Перед механической обработкой заготовки нормализуют.              

           

       

       Рис. 18.1 Коленчатый вал. Поверхности 1,2,3,4 –  коренные шейки; 5 – мотылевая (шатунная) шейка; 6, 7 – щеки.  

       Оси коренных и шатунных шеек должны иметь  параллельность между собой с  отклонением в пределах 0,1 мм на 1 метр длины.

       Точность  исполнения размеров коренных и шатунных шеек должна находиться в пределах 6-9 квалитетов, овальность  и конусность их не должна быть более 0,04-0,05 мм.

       Точность  разворота колен должна находиться в пределах 15 минут.

       Допуски на несопрягаемые диаметральные  размеры выполняются по 10-11 квалитетам, а их линейные по 12-14 квалитетам точности.

       Шатунные  и коренные шейки и их галтели  должны иметь высоту неровностей 0,63-1,25 мкм.

       Быстроходные  валы должны быть динамически уравновешены.   

2.     Технологический маршрут изготовления коленчатого вала   

       При единичном и мелкосерийном производстве процесс начинается с разметки заготовки  на плите. В заготовке проводят осевые линии вдоль коренных и мотылевых шеек в вертикальной и горизонтальной плоскостях и выводят их на торец вала. Размечают положение шеек и мотылевых шеек. На 2-й операции вал устанавливают на призмы, выверяют по рискам, фрезеруют и сверлят центровые отверстия на горизонтально-расточном станке или при крупных размерах вала на расточной колонне.

       Если  станки имеют большой поворотный стол, то центровое отверстие выполняют  с одной стороны, а после поворота стола – с другой. При отсутствии поворотного стола деталь устанавливают  на плите и выверяют дважды для  центровки с одной и с другой стороны.

       В ряде случаев первую обточку центральных  шеек ведут в патроне и на одном (заднем) центре. Для такой обработки  требуется зацентровка только с  одного конца, но при зажиме в патроне  за другой конец необходимо повернуть  вал. Второй торец (место под кулачки) обтачивают и центрируют на последующих операциях, когда вал ставят на токарном станке обточенным концом в патроне и другим концом по обточенной шейке в люнете. На 3-й операции в центрах обтачивают начерно коренные и все осевые шейки, протачивают наружные боковые поверхности шеек с припуском 5 мм на сторону.

       При обточке шеек и щек выдерживают  все линейные размеры ступеней шеек с учетом припуска по длине 5-7 мм; для  уменьшения биения вала на станке устанавливают  противовес на планшайбе. Длинные валы обтачивают с поддержкой в люнете и сначала обрабатывают шейку под люнет.    

       После черновой обточки осевых шеек и торцов колен на 4-й операции размечают  сердцевину колена подлежащую удалению и центры мотылевых шеек.

       На 5-й операции высверливают и вырезают сердцевину колена. Далее размечают щеки в размер (6-я операция) и на 7-й операции строгают, выдерживая размер по ширине щек.

       Установку вала на станке выверяют по разметочным  линиям щек и оси вала. Теперь вал легко положить на плоскости  щек, разметив их (8-я операция) по центру мотылевых шеек на размер между щеками с припуском по 15-20 мм на сторону и, в дальнейшем строгать (9-я операция) или фрезеровать между щеками. После обработки мотылевая шейка будет иметь прямоугольное сечение. На этой же операции обрабатываются щеки.

       После этих черновых операций вал термически обрабатывают (10-я операция), производят отпуск для снятия внутренних напряжений. После термической обработки  размечают вновь центры коренных шеек (11-я операция) и вал перецентровывают (12-я операция). На новых центровых отверстиях обтачивают шейки и щеки вала, оставляя припуск 25 мм на сторону под бугели (13 операция). Размечают шпоночные пазы на конце вала (14 –я операция), фрезеруют их (15-я операция) с припуском 5 мм на сторону, надевают бугели на концы вала и закрепляют болтами.(см. рис.18.2.)    
 
 

       

       Рис. 18.2. Обработка мотылевых шеек с помощью бугелей.                

        1-бугель, 2-распорка, 3-центровое отверстие.   

       На  расточном станке (16-я операция) засверливают на бугелях центровые отверстия 3, расположенные параллельно оси  коренных шеек вала. Перед сверлением вал должен быть выверен на станке по основной оси коренных шеек.

       Наконец вал готов для выполнения одной  из главных операций, т.е. обточки  мотылевых шеек (17-я операция). Эта  операция выполняется двумя способами: 1) на токарном станке с помощью бугелей  для валов средних размеров; 2) на специальном токарном станке с вращающимися на кольце резцами (станки типа Моль). Этот способ применяют для тяжелых валов. Мотылевые шейки на токарном станке обрабатывают с помощью бугелей, устанавливая вал центровыми отверстиями бугелей в центры станка.

       Жесткость валов обычно недостаточна, а поэтому ставят распорки 2 между бугелем и щекой вала, а также между щеками двух колен. При установке коленчатых валов на специальном станке (типа Моль) из-за трудности достижения параллельности, оси шеек всех мотылей вала приходится затрачивать значительное время на выверку, что снижает производительности этого способа обработки.

       Следует иметь в виду, что кроме чистовой обработки мотылевой шейки в  размер, на этой  же операции протачивают внутренние поверхности щеки на размер по чертежу и торцы щек по радиусу. На этом заканчивается чистовая обработка колен.

       На  следующей операции (18-я) обтачивают коренные шейки окончательно, а также  наружные боковые стороны щек  и их торцы по радиусу. Обе операции являются очень ответственными, так  как мотылевую шейку обтачивают по 6-7 квалитетам точности. При этом должны быть выдержаны точность формы и параллельность осей по ТУ.

       Коренные  и мотылевые шейки при выполнении 17-й и 18-й операций на токарном станке дополнительно накатывают роликами для увеличения срока службы. После снятия детали со станков и проверки, мотылевые и коренные шейки обертывают картоном, прижимают деревянными брусками  и закручивают проволокой. Остальные доделочные операции выполняют с закрытыми шейками; разметку шпоночного паза и четырех отверстий с торца (19-я), фрезерование шпонки с двух концов вала (20-я), сверление торцевых отверстий и нарезание резьбы (21-я). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Цементация  стали — насыщение поверхности стальных изделий углеродом при высокой температуре. Подвергаемые цементации стали (цементуемые) обычно содержат не более 0,25% углерода

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

• в твёрдом карбюризаторе
• в газовом карбюризаторе
• в кипящем слое
• в растворах электролитов
• в пастах

[править] Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный  уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и  торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология  процесса состоит  в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 920 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При "ускореном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией.

[править] Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс  осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой  цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.