6.6.Обработка коленчатых валов

Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных деталей поршневых двигателей внутреннего сгорания. Коленчатые валы двигателей обычно имеют несколько (2-8) опорных коренных шеек и до 8 шатунных.

Коленчатые валы изготовляют с противовесами или без них. Кривошипы валов располагают под углом 180 или 120°, реже под углом 90^о.

Размеры коленчатых валов автотракторных двигателей: длина( вала 550-1200 мм; диаметр коренных шеек 50-95 мм, их длина 30-95 мм; диаметр шатунных шеек 45-90 мм, их длина 45-90 мм; радиус кривошипа 36,5-102,5 мм и диаметр фланца 117-190 мм.

Коренные и шатунные шейки должны быть обработаны по 1-2 классам точности и по 8-10 классам шероховатости; овальность, конусность и вогнутость должны находиться в пределах 0,005-0,01 мм.

Непараллельность осей шатунных шеек и крайних коренных не должна превышать 0,01-0,03 мм на всей длине шейки. Шейку переднего конца необходимо обрабатывать по 2 классу точности. Шероховатость поверхностей этих шеек должна соответствовать 7-8 классам.

Неплоскостность торца фланца, к которому крепится маховик должна быть не более 0,04-0,1 мм, а биение на длине его радиус 0,03-0,05 мм.

Коленчатые валы подвергают динамической балансировке. Некоторые типы валов автомобильных и тракторных двигателей приведены на рис. 6.76.

Рис.6.76. Коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей:

а - малолитражного авто; б - грузового; в,г – тракторов.

Материалы коленчатых валов должны обладать хорошими механическими и пластическими свойствами, высокой износоустойчивостью и высокой циклической вязкостью.

Коленчатые валы автотракторных двигателей изготовляют из yглеродистых и легированных сталей или из высокопрочных чугунов модифицированных магнием, из никелемолибденовых чугунов. Литые валы обычно полые, имеют несколько увеличенные диаметры коренных и шатунных шеек, большую толщину щек и радиусы галтелей. Литые валы имеют меньшую прочность при изгибе, чем кованые. Внутренние полости литых валов обычно бочкообразные, благодаря чему, уменьшается неравномерность толщины тела в разных сечения вала и повышается плотность отливки.

Большинство коленчатых валов изготовляют из сталей марок 40Х, 43Х, 45Х, 45Г2 и 50Г. Коленчатые валы дизелей, работающие в условиях высоких нагрузок, изготовляют из сталей марок 18ХНМА, 18ХНВЛ и 40ХНМА.

Заготовки валов, выполняемых из сталей, штампуют. Затем подвергают термической обработке (отжигу и нормализации), при которой снимаются внутренние напряжения в металле и нормализуется его твердость (НВ 177-255), что облегчает обработку заготовок на металлорежущих станках,

После предварительной обработки на металлорежущих станках поверхности коренных и шатунных шеек стальных валов вторично

подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Закалка проводится токами высокой частоты на специальных агрегатах, а низкотемпературный отпуск, осуществляемый для снятия напряжений - в специальных печах конвейерного типа. Вторичная термическая обработка улучшает механические свойства стали, повышает поверхностную твердость и износостойкость шеек.

Чугунные литые коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей по некоторым показателям превосходят стальные штампованные валы. Специальные чугуны, из которых отливают коленчатые валы, отличаются от обычных ковких чугунов присутствием хрома (0,2-0,25%), повышенным содержанием марганца (1,15-1,4%), низким содержанием серы (0,002-0,014%), присутствием церия и других легирующих компонентов.

Для коленчатых валов применяют также серые чугуны, модифицированные сплавом ферроцерия с магнием.

Масса литых коленчатых валов на 10-15% меньше, чем штампованных. Припуски на механическую обработку у литых заготовок значительно меньше, чем у штампованных заготовок.

Литые заготовки, имеющие значительно меньшую неуравновешенность, чем штампованные, обрабатывают на металлорежущих станках с широким использованием инструментов, изготовленных из твердых сплавов.

После закаливания и отпуска поверхностная твердость шеек у валов, изготовленных из сталей марок 45, 50Г, 40ХНМ и 18ХНВА, колеблется в пределах HRC 52-62. Глубина закаленного слоя должна быть не менее 3- 6,5 мм, а твердость шеек на глубине закаленного слоя HRC 45.

Заготовки стальных коленчатых валов изготовляют штампованием молотах и прессах по 8-9 классам точности. При серийном производстве заготовки штампуют на молотах, а при массовом - обычно ковочных прессах. Штамповка на ковочных прессах в 1,5-2 раза производительнее, она обеспечивает уменьшение штамповочных уклонов до 3-6°, припусков на механическую обработку на 30-40% и расхода металла на 10-12% (рис. 6.77).

Рис. 6.77. Штамповка коленчатого вала на прессе

Заготовки литых валов получают в основном двумя методами: отливкой в земляные и в оболочковые формы (рис. 6.78).

Рис. 6.78. Отливка коленчатого вала в песчанно-глинистую форму

Основными операциями при механической обработке заготовок коленчатых валов являются:

1) обработка технологических баз (торцов, центровых отверстий и платиков); 2) обработка коренных и шатунных шеек, щек и галтелей; 3) обработка масляных каналов; 4) обработка отверстий во фланце и на концах вала; 5) отделка поверхностей шеек; 6) балансирование вала.

Торцы и центровые отверстия обрабатывают на фрезерно- центровальных станках за одну операцию или на фрезерных и центровальных станках за две операции. Для массового производства валов часто применяют станки фрезерно-центровальные барабанного типа. Заготовка центруется по двум крайним коренным шейкам в

приспособлении сходящимися призмами 1 и 2 (рис. 6.79), которые перемещаются гидравлически или пневматически независимо одна от другой, что обеспечивает некоторое выравнивание заготовки при установке и закреплении; в осевом направлении заготовка фиксируется подвижной призмой 3. Приспособления барабанного типа используют для установки четырех и более заготовок.

Рис. 6.79. Схема обработки коленчатого вала на фрезерно-центровальном станке

В массовом производстве применяют четырехпозиционные фрезерно-центровальные станки для фрезерования торцов, платиков на щеках (угловые базы) и сверления центровых отверстий. Одна из четырех позиций станка является загрузочно-разгрузочной; установка и съем заготовки механизированы. Весь цикл работы станка, включая закрепление заготовки, подачу и поворот стола с заготовками, полностью автоматизирован.

Применяются и балансировочно-центровальиые станки, которые центруют заготовки не по геометрической оси, а по оси инерции. Заготовки устанавливают в сбалансированном зажимном приспособлении, которое вращается вокруг горизонтальной оси. Благодаря специально предусмотренной системе заготовка автоматически изменяет положение во вращающемся приспособлении, так что при определенном числе оборотов ось инерции ее совмещается с осью центровочных сверл, установленных в шпинделях станка.

На большинстве заводов шейки валов до термической обработки обрабатывают на токарных и шлифовальных станках, а после термической обработки - на шлифовальных, полировальных или на станках для суперфиниша. В ряде случаев применяют фрезерование шеек. Между токарными и шлифовальными операциями заготовка вала подвергается

правке, а в некоторых случаях - правке центровых отверстий.

При крупносерийном и массовом производстве валов токарные, сверлильные, шлифовальные и другие станки встраиваются в автоматические линии.

При обтачивании коренных шеек заготовки длинных коленчатых валов обычно устанавливают в центрах с опорой по средней коренной шейке. Для этого средняя коренная шейка предварительно обрабатывается на токарном и шлифовальном станках. Для токарной обработки используют обычно специализированные многорезцовые станки с двухсторонним приводом. На этих станках заготовки устанавливаются в центрах двух патронов (рис. 6.80). Для обеспечения постоянной скорости резания в процессе обработки в конструкциях станков предусмотрено бесступенчатое изменение чисел оборотов шпинделя. Станки позволяют обтачивать шейку с точностью до 0,2-0,3 мм (5- 7 классы) и по 4 классу шероховатости. Биение шеек вала равно 0,3-0,5 мм.

Рис. 6.80. Протачивание средней шейки коленчатого вала и подрезка щек на товарном полуавтомате с двусторонним приводом

После токарной обработки средняя шейка шлифуется под люнет методом врезания. Одновременно с шейкой шлифуются торцы щек и галтели. На шлифовальных станках в таких случаях заготовки устанавливают в центрах, а вращение заготовок осуществляется с помощью поводковых патронов (рис. 6.81).

Используя среднюю коренную шейку как дополнительную опору, в последующих операциях обтачивают остальные коренные шейки, фланец и передний ступенчатый конец; одновременно с этим подрезают торцы щек, фланца и обтачивают галтели. Для этого используют токарные многорезцовые полуавтоматы с центральным приводом (например, модель

186 и др.). На этих станках заготовки устанавливаются в центрах, а средняя коренная шейка - в люнете (рис. 6.82). Поводком является щека средней шейки. В этой операции одновременно обтачивают остальные коренные шейки (кроме средней), ступенчатый конец вала, фланец и подрезают торцы щек и галтели. Шейки обтачивают широкими радиальными призматическими резцами, установленными в передних и задних суппортах.

Рис. 6.81. Шлифование коренных шеек коленчатого вала

Рис. 6.82. Схема обтачивания коренных шеек и концов коленчатого вала на токарном полуавтомате с центральным приводом

Шатунные шейки обтачивают попарно (по две шейки, лежащие на одной оси вращения), например, сначала первую и шестую, затем вторую и пятую и, наконец, третью и четвертую или все шейки одновременно. В обоих случаях подрезают плоскости прилегающих к шейкам щек и протачивают галтели. Так, в первом случае обтачивание шатунных шеек шести коленчатого вала должно выполняться за три операции, во втором все шатунные шейки можно обточить одновременно. Для обработки по первому варианту могут быть использованы станки с двусторонним приводом (модель 187). В этом случае коленчатый вал устанавливают в положение, при котором оси двух шеек, подлежащих обработке, совпадают с осью вращения шпинделя станка. Для установки и зажима вала используются такие же приспособления, как и для обтачивания средней коренной шейки. При установке вала в приспособлениях ось коренных шеек смещается по отношению к оси вращения шпинделя на величину радиуса кривошипа.

Для обработки шеек по второму варианту используют станки специального назначения, число рабочих суппортов которых соответствует числу обрабатываемых шатунных шеек. Вал устанавливают по крайним коренным шейкам и опирают на люнеты коренными шейками.

В обоих случаях угловое базирование вала осуществляется специ- альными сухарями, фиксирующими его по фрезерованным платикам (угловым базам) на крайних щеках. Вал вращается вокруг оси коренных шеек, а суппорты движутся вместе с обрабатываемыми шейками, воспроизводя движение шатунов, закрепленных на этих шейках. В каждом суппорте имеется резцедержатель с тремя резцами: два крайних фасонных резца служат для подрезания щек и протачивания галтелей и один средний (широкий прямой) - для обтачивания цилиндрической части шейки. Резцы имеют радиальную подачу (рис. 6.83).

Станок снабжен двумя копирными коленчатыми валами 2 и 3, вращающимися синхронно с обрабатываемым валом 1 и управляющими движениями суппортов. Резцом 4 обтачивают шейки.

Шатунные шейки обтачиваются с подачами, меньшими, чем при токарной обработке коренных шеек. Это уменьшает деформацию (закручивание) валов.

Для одновременной токарной обработки всех шатунных шеек и их щек применяют двухшпиндельные станки. На этих станках обрабатывают одновременно два вала с последовательным или параллельным совмещением переходов. В первом случае на одной позиции станка подрезают щеки и протачивают галтели, а на другой позиции обтачивают

шейки. При этом вал необходимо устанавливать 2 раза. Сначала его устанавливают в верхнюю позицию, затем перекладывают в нижнюю.

В последние годы применяется обработка шеек, щек и галтелей ме- тодом ротационного фрезерования (рис. 6.84).

Рис. 6.83. Одновременное обтачивание всех шатунных шеек коленчатого вала

Рис. 6.84. Ротационное фрезерование шейки коленчатого вала

Такое фрезерование характеризуется небольшими скоростями вращения заготовки, высокими скоростями вращения инструмента и большим съемом металла в единицу времени. Обрабатываемая заготовка вращается со скоростью, равной скорости круговой подачи.

Условия резания при ротационном фрезеровании более благоприятны, чем при точении. При фрезеровании скорость резания не зависит от конфигурации, размеров, а главное - от неуравновешенности заготовки.

Шейки стальных заготовок коленчатых валов шлифуют предварительно до термической обработки и окончательно - после нее на станках ХШ-335.

Припуски на шлифование шеек, щек и галтелей заготовок коленчатых валов длиной 600-800 мм с диаметром шеек 65-80 мм даются в пределах 0,3-0,5 мм на сторону до термической обработки и немного меньше после термической обработки.

При поточном производстве коренные шейки шлифуют врезанием на однокамневых круглошлифовальных станках, а при автоматизированном производстве - на многокамневых станках.

Большинство станков работает по полуавтоматическому циклу. На них установлены контрольно-измерительные приборы (скобы с индикаторами) для контроля размеров шеек в процессе шлифования.

После термической обработки коренные шейки 1-2 раза шлифуют методом врезания. Заготовки устанавливают в центрах и поддерживают люнетами.

В большинстве случаев станки для окончательного шлифования оснащают приборами активного контроля и автоматического управления циклом работы.

Шатунные шейки валов после термической обработки шлифуют предварительно и окончательно на станках XIII-2-01 и ХШ-2-02. Заготовки на станках устанавливают, так же как и при шлифовании, до термической обработки.

При крупносерийном и массовом производстве коренные и шатунные шейки часто шлифуют на автоматических линиях.

После чистового шлифования шейки подвергают отделочной обработке для получения высокой чистоты рабочих поверхностей. Отделочными операциями являются главным образом суперфиниширование, полирование и микрофиниширование.

Суперфиниширование шеек осуществляют головками с абразивными брусками. Для суперфиниширования обычно применяют бруски сечением

20 20 мм из белого электрокорунда. Для предварительного суперфинишировния применяют бруски твердостью 83-88 и зернистостью 500, для окончательного соответственно 77-82 и зернистостью 600 и выше. Шероховатость поверхности после суперфиниширования соответствует 10-13 классам.

Полируют шейки полотняной или бумажной лентой на специальных полировальных станках. Полирование проводят за одну операцию, но иногда и за две операции. При этом предварительно шейки полируют лентой с абразивным порошком зернистостью 180-240 и окончательно лентой с абразивным порошком зернистостью 240-300. Коренные и шатунные шейки полируют одновременно, т. е. число полировальных суппортов на станке равно числу шеек вала.

При полировании снимают припуск, равный 0,010-0,015 мм. Полирование абразивной лентой ведется при скорости v - 15 ~ 4-20 м/мин и при числе оборотов n = 100 150 в минуту. Шероховатость, после предварительного полирования шеек должна соответствовать 8 классу, а после окончательного 9-10 и выше. Продолжительность полирования шеек

колеблется в пределах 3-5 мин.

В последние годы при окончательной обработке шатунных и коренных шеек применяют новый метод - микрофиниширование.

Созданы специальные станки, которые обеспечивают согласование в процессе обработки следующих параметров: частоты и амплитуды колебания и направления движения брусков, удельного давления брусков на обрабатываемую поверхность и окружной скорости обрабатываемой поверхности. Благодаря сочетанию движения брусков в разных направлениях и вращению детали следы обработки перекрещиваются, и это повышает чистоту поверхности.

Процесс микрофиниширования проводится при незначительных давлениях брусков на обрабатываемую поверхность 14-30 (1,4-3,0 кгс/см²) с частотой 500-1500 колебаний в минуту и амплитудой 3-5 мм. Окружная скорость вращения обрабатываемых деталей равна 18-40 м/мин. При микрофинишировании снимается припуск 0,012-0,015 мм на сторону. Для смывания с заготовки отходов, получаемых в процессе обработки, используют состав, состоящий из 10-20% минерального масла и 80-90% керосина.

Микрофиниширование улучшает геометрическую точность, чистоту и качество поверхностного слоя (высота шероховатостей с 4 мкм уменьшается до 0,2 мкм).

Для повышения усталостной прочности сильно нагруженных коленчатых валов применяют их поверхностное упрочнение.

Упрочнению подвергают поверхности, в которых наблюдается концентрация возникающих напряжений. В стальных коленчатых валах такими местами являются галтели шеек.

В большинстве случаев галтели обкатывают роликовыми или шариковыми накатниками. В результате шероховатость поверхности повышается примерно на два класса: с 7 до 9-10. При обкатывании с усилием около 1000 кГ твердость поверхностного слоя увеличивается примерно на 20-30%, а предел усталости при изгибе повышается на 50- 60%.

Благодаря обкатке упрочняются галтели, в опасном сечении уменьшается концентрация напряжений и развальцовываются поверхностные микротрещины, возникающие при обработке резанием.

В шатунных шейках необходимо обрабатывать наклонные маслопроводные каналы диаметром 6-10 мм, длиной 100-220 мм, а в коренных шейках - маслопроводные отверстия диаметром 7-10 мм, длиной

40. мм. Во фланце обрабатывают обычно 4-6 крепежных отверстий диаметром 14-16 мм. Со стороны фланца в торце вала обрабатывается посадочное отверстие под подшипник диаметром 30-50 мм, длиной 40-70 мм, а в переднем конце вала сверлится отверстие, зенкуется и нарезается резьба. На переднем конце вала обрабатывают также шпоночные пазы под шпонки ведущей шестерни распределения и шкива вентилятора.

При крупносерийном и массовом производстве для этих целей широко применяют двусторонние многопозиционные агрегатные станки барабанного типа. Схема наладки шестипозиционного станка показана на рис. 6.85.

Рис. 6.85. Схема наладки двустороннего шестипозиционного сверлильного станка для обработки отверстий в переднем и заднем концах коленчатого вала

У коленчатых валов отверстия под маслопроводные каналы обрабатывают на двусторонних многошпиндельных горизонтально- сверлильных станках, оснащенных стационарными приспособлениями (рис. 6.86).

В коленчатых валах некоторых конструкций автотракторных двигателей в щеках и шатунных шейках обрабатывают полости для выхода маслопроводных каналов. Полости и отверстия под резьбовые пробки обрабатывают под углом 85° на горизонтальных (сверлильном и резьбонарезном) агрегатных станках. На первом станке отверстия сверлятся, на втором станке нарезается резьба под заглушки.

Рис. 6.86. Приспособление для сверления маслопроводных каналов

Коленчатые	валы	вместе	с противовесами	подвергают
балансированию,	при	котором	определяют и	устраняют

неуравновешенность сил инерции вращающихся масс.

Коленчатые валы неоднократно проверяют в процессе их изготовления после наиболее ответственных операций. При окончательном контроле обычно проверяют:

1. диаметр шеек, фланца и конца вала;

2. биение шеек и торцов фланца относительно крайних коренных шеек;

3. длину коренных и шатунных шеек, взаимное их расположение по длине между собой, их расстояние от базового торца и толщину фланца;

4. угловое расположение всех кривошипов;

5. радиус кривошипа;

6. расположение осей установочных отверстий относительно оси первой коренной шейки;

7. размеры и положение оси шпоночной канавки от плоскости первой шатунной шейки;

8. диаметр отверстия под подшипник во фланце и его биение относительно торца фланца или задней коренной шейки;

9. шейку под маховик.

В заключение осматривают наружную поверхность с целью обнаружения на шейках царапин, трещин, заусенцев и т. д.

В массовом производстве широко используются специальные приспособления для комплексного контроля коленчатых валов одновременно по нескольким проверяемым параметрам (рис. 6.87).

Рис. 6.87. Приспособления для комплексного контроля коленчатого вала

(для проверки линейных размеров вала, радиусов кривошипов и других элементов)

Для измерения диаметров шеек применяют скобы с микроиндикаторами, индикаторные приспособления или пневматические скобы.