2. Методы повышения предела выносливости и износостойкости коленчатых валов

7. Общие сведения

Повысить прочность коленчатых валов можно путем поверх­ностного упрочнения.

В практике дизелестроения существуют хорошо зарекомен­довавшие себя способы упрочнения коленчатых валов, изготов­ленных из высокопрочного чугуна с глобулярным графитом, к которым относятся прежде всего накатывание (пластическая деформация) галтелей роликами, азотирование, а также хро­мирование рабочих поверхностей шеек.

Накатывание роликами галтелей чугунных коленчатых валов, изготовленных из ВПЧ, повышает их предел выносливо­сти на 50% и более [6].

На заводе «Русский дизель» чеканка галтелей крупных многоопорных стальных коленчатых валов значительно увели­чила их надежность. Для упрочняющей обработки этих валов был применен метод поверхностного упрочнения при помощи вибрирующего ролика. Кроме того, для повышения износостой­кости и предела выносливости коленчатых валов из высокопроч­ного чугуна широкое распространение получило азотирование. Установлено, что предел выносливости образцов, вырезанных из натурных коленчатых валов, в результате их азотирования повышается со 165 до 355 МПа, т. е. в два с лишним раза. Однако горячая правка образцов снижает их предел выносли­вости с 355 до 255—235 МПа, т. е. на 28—34%, в зависимости от остаточной стрелы прогиба после правки.

Процент снижения предела выносливости на образцах мо­жет быть отнесен и к натурным коленчатым валам, так как в процессе правки вала на поверхности его шеек, особенно в местах концентрации напряжений, могут возникнуть остаточ­ные растягивающие напряжения, а также микротрещины.

Чтобы избежать прогиба вала во время его азотирования, в настоящее время разработан такой технологический процесс, который предусматривает вращение вала в период всего цикла азотирования, что почти полностью исключает необходимость его правки.

Как показывает практика применения различных методов поверхностного упрочнения шеек валов против износа, хоро­шие результаты дает хромирование, которое наряду с повы­шением износостойкости шеек уменьшает интенсивность нара­стания ступенчатости между соседними опорами вала, снижа­ет величину изгибающих моментов и замедляет усталостные процессы. Хромирование не вызывает коробления вала, что очень важно при его упрочнении. Однако этот способ упрочне­ния валов дизелей большой и средней мощности не получил широкого распространения из-за высоких затрат на его выпол­нение. Но учитывая успехи физики металлов и гальванотехни­ки, значительное увеличение производства электроэнергии и хромового ангидрида признано целесообразным; для дизелей малой мощности более широко применять хромирование как при изготовлении новых валов, так и при их ремонте.

8. Пластическая деформация (накатывание) поверхности галтелей

Применение высокопрочного магниевого чугуна (ВПЧ) с шаровидным графитом для коленчатых валов тепловозных ди­зелей, обладающим повышенной износостойкостью и более высокими механическими свойствами, все же не решило про­блемы увеличения срока службы этих валов. Статистические данные и тщательный металлографический анализ изломов коленчатых валов показали, что разрушения коленчатых валов в своем большинстве вызваны появлением и развитием уста­лостных трещин в наиболее напряженных местах вала — гал­телях шатунных и коренных шеек. Чаще всего эти изломы у валов дизелей типа Д100 возникают по щекам между первой коренной и первой шатунной, между четвертой коренной и четвертой шатунной, между седьмой коренной и седьмой ша­тунной, между восьмой коренной и восьмой шатунной, между одиннадцатой коренной и десятой шатунной шейками.

Зона наибольшей напряженности галтелей у различных кон­струкций валов примыкает к щеке (при щеках малой жестко­сти) или к цилиндрической части шейки. Поэтому при механи­ческом упрочнении поверхности металла методом накатывания галтелей шеек у чугунных коленчатых валов целесообразно охватывать всю поверхность галтели, т. е. производить накаты­вание по всей длине ее образующей, хотя зона наибольшей концентрации напряжений может и не распространяться по всей галтели.

Накатывать галтели можно как жестко фиксированным ро­ликом или шариком, так и роликом, самоустанавливающим- ея относительно галтели. При самоустанавливающемся ролике накатывание галтели может выполняться как с поперечной подачей ролика, так и без подачи. Преимущество приспособле­ний с самоустанавливающимся роликом состоит в том, что такие приспособления исключают появление дефектов накаты­вания (ненакатанные участки, сплывы металла, искажение про­филя галтели) из-за неправильного взаиморасположения роли­ка и накатываемой галтели. Однако эти способы накатывания галтелей имеют к- существенные недостатки, которые затруд­няют их широкое использование. Так, накатывание без подачи ролика с радиусом его профиля #_пр, равным радиусу галтели R (рис. 13,а), требует даже для галтели небольшого радиуса (примерно 5 мм), больших усилий на ролцк (свыше 2000 кгс), что вызывает необходимость создания специализированного оборудования, обеспечивающего реализацию боковых усилий на станину станка. Накатывание коническим роликом (про­филь ролика несимметричен к оси вращения) (рис. 13, б) тре­бует большой частоты вращения вала для достижения необ­ходимой прокатки металла, что снижает производительность

Рис. 13. Способы накатывания галтелей: а — накатывание без подачи; б — накатывание роликом с нессиметричиым к оси вращения профилем; в — накатывание роликом с подачей по дуге; г — накатыва­ние тремя роликами с различными профильными радиусами

процесса. Накатывание галтелей при подаче ролика вдоль об­разующей галтели (по дуге или по хорде), т. е. параллельно оси вала (рис. 13, в), практически затруднено ввиду ограниченного расстояния между щеками коленчатого вала. Для реализаций этого метода требуется создание весьма сложных накатных устройств.

Способ накатывания галтелей, показанный на рис. 13, г, позволяет с высокой производительностью, не прибегая к повы­шенным усилиям на ролик, накатывать галтели шеек коленча­тых валов по всей длине их образующей. Накатывание таким способом осуществляется одновременно тремя роликами раз­личного профильного радиуса, расположенными вокруг шейки вала. Размеры профильных радиусов роликов подбираются такими, чтобы они охватывали или перекрывали всю длину образующей галтели. Этот способ не требует продольной пода­чи ролика по галтели, а потому наиболее приемлем для прак­тического применения.

Такие способы упрочнения поверхности металла занимают особое место среди других способов, так как они имеют ряд преимуществ: простота технологии, минимальные затраты, практическая пригодность для всех металлов и сплавов (ис­ключение составляет олово и некоторые другие металлы, у ко­торых температура рекристаллизации ниже комнатной); воз­можность упрочнения поверхностного слоя металла на довольно большую глубину — от 0,4 до 20 мм; поверхностная пла­стическая деформация (наклеп) не вызывает образования тре­щин и обезуглероживания поверхности (так, например, это имеет место при закалке); границы наклепанной поверхности не являются слабыми зонами, как, например, при закалке то­ками высокой частоты и некоторых других видах упрочнения; поверхностный наклеп, возникающий при накатке, дает сущест­венное повышение предела выносливости.

Однако поверхностный наклеп (накатка) имеет некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при выборе спосо­ба его выполнения для конкретных деталей: наклепанный

слой металла при воздействии на него окружающей агрессив­ной среды имеет пониженную химическую стойкость, прочность 38 в результате поверхностного наклепа возрастает (повышаются противокоррозионные свойства) вследствие увеличения оста­точных сжимающих напряжений; поверхностный наклеп прак­тически не повышает контактный предел выносливости метал­ла; поверхностный наклеп мало повышает твердость поверх­ности — всего на 30—35% и максимально до 75%, тогда как большинство других методов поверхностного упрочнения дает повышение твердости на 100% и больше; при повышении пре­дела выносливости поверхностным пластическим деформирова­нием уменьшается пластичность металла и тем самым нес­колько снижается сопротивление его ударным нагрузкам, осо­бенно в вязкой стадии разрушения. Поэтому при выборе режи­ма упрочнения наклепом необходимо избегать интенсивных способов обработки.

При накатывании упрочняемой детали поверхностный слой металла деформируется, что приводит к повышению его проч­ности, сопровождающейся возникновением остаточных сжима­ющих напряжений.

Поверхностное деформирование (наклеп) металла отлича­ется от равномерного по сечению деформирования (например, волочение или холодная прокатка) тем, что поверхностный наклеп дает значительно большее повышение предела вынос­ливости, чем равномерный наклеп, так как при этом в поверх­ностных слоях металла возникают сжимающие остаточные напряжения.

После накатывания остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое металла могут достигать значительных значений (350 МПа и более). Эти напряжения, складываясь с растягивающими напряжениями от внешних сил, уменьшают значение последних и, следовательно, поверхностный слой в этом случае оказывается менее напряженным, чем в ненака- танных деталях. Сжатые слои детали также замедляют ско­рость роста трещин усталости [12].

Усилие на ролики накатного приспособления является ос­новным параметром процесса накатывания, так как оно в наи­большей степени влияет на величину и характер распределения остаточных напряжений. Поэтому выбор величины усилия, необходимого при накатывании данного металла, производят на образцах, вырезанных из основного металла упрочняемой детали. Причем диаметр образца и радиус галтелей должны быть равны диаметру шейки и галтели упрочняемого вала. Значения остаточных напряжений в этом случае определяют методом Закса на дисках толщиной 25 мм, вырезанных из накатанных образцов.

Степень пластической деформации и остаточные напряже­ния связаны с величиной контактных давлений при накатыва­нии. Чрезмерная пластическая деформация может вызвать разупрочнение поверхностного слоя металла, возникновение микротрещин, т. е. возникновение явления «перенаката», при­водящего не к повышению, а к снижению прочностных и упру­гих свойств металла у поверхности детали.

Устройства для накатывания коленчатых валов различают­ся по характеру нагрузки, приложенной к накатным роликам. Существуют три варианта устройств: со статической, ударной и комбинированной (вибрирующей) нагрузками на ролики.

Коленчатые валы накатывают на токарных станках с ис­пользованием накатных приспособлений или на специальных станках для накатывания коленчатых валов, а также на уст­ройствах для внестаночного наклепа (накатки) галтелей вала.

Для создания усилия на ролики в устройствах со статичес­кой нагрузкой используют гидравлические, пневматические или комбинированные (пневмогидравлические) приводы, а также пружинные механизмы.

Пневмогидравлические приводы наиболее удобны в управ­лении и сохранении заданного режима накатывания, так как они позволяют достигать высокого уровня автоматизации всех операций процесса накатывания. Наиболее широкое распрост­ранение устройств с пневмогидравлическим приводом получи­ло накатное устройство, разработанное Всесоюзным научно- исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) совместно с производственным объединением за­вода им. Малышева (рис. 14). С помощью этих устройств за одну установку вала можно накатывать галтели или одновре­менно на всех коренных и шатунных шейках, или раздельно, исходя из конкретных производственно-технических условий. Устройство позволяет использовать для накатывания галтелей шеек коленчатых валов универсальные токарные станки без их существенной переделки, что исключает необходимость проек­тирования дорогостоящего и сложного специального оборудова­ния, упрочняющее накатывание галтелей как коренных, так и шатунных шеек производится на вращающемся коленчатом валу, что гарантирует от деформации оси вала под действием собственной массы; автоматизация проведения цикла накаты­вания обеспечивает постоянство установленного режима и по­зволяет осуществить бесступенчатое регулирование всех пара­метров режима накатывания; устройство сбалансировано с помощью противовесов через кулисы, на противоположных концах которых имеются скобы с накатными роликами и поэ­тому в процессе накатывания оно не нагружает вал своей мас­сой и не вызывает дополнительного его прогиба, т. е. не вызы­вает деформации вала в процессе его упрочнения.

Для этого же в процессе упрочнения вал вращают, а ролики плавно нагружают. Снимают нагрузки плавно за один оборот, для чего накатное устройство снабжено полуавтоматическим управлением. После одного полного оборота вала командоап- парат, подающий в заданной последовательности команды

Рис. 14. Накатное устройство с пневмогидравлическим приводом:

/ — воздушная сеть; 2 — электропневмокран; 3 — электропровод к командоаппарату; 4 — гидравлический дроссель; 5 — гибкие шланги высокого давления; 6 — пиевмо- гидравлический усилитель; 7 — устройство для зажима коленчатого вала; 8 — тру­бопровод для заполнения системы жидкостью

исполнительным органам станка, осуществляет подачу масла из пневмогидроусилителя в силовые цилиндры скоб и обеспе­чивает автоматическое сохранение выбранного режима в те­чение всего цикла накатывания одной шейки вала.

С целью обеспечения равномерного уплотнения (наклепа) металла всей поверхности галтели, а также для снижения уси­лия накатывания и уменьшения коробления вала каждую гал­тель накатывают одновременно тремя роликами, каждый из которых выполнен различным радиусом по своему профилю.

Для устранения провисания вала от собственной массы в проемы станины станка вмонтированы четыре подвижные подпружиненные опоры, которые с помощью пневмоцилиндров выдвигаются в верхнее рабочее положение, фиксируемое жест­кими регулируемыми ограничителями. В процессе накатки эти опоры попеременно убираются вниз при подходе суппорта станка к месту их расположения. Управление опорами произ­водится с помощью расположенного на суппорте станка спе­циального кулачка, который поочередно выключает золотники цилиндров соответствующих опор.

Значительное распространение получили также накатные приспособления для накатывания галтелей коленчатых валов и галтелей пальцев кривошипов. Для удобства установки на­катываемого коленчатого вала на станок верхний ролик на­катного устройства смонтирован на откидной скобе. Усилие на ролик контролируется гидравлическим манометром. Двух- и четырехроликовые пружинные накатные устройства с самоуста- навливающимися роликами позволяют накатывать одновремен­но обе галтели одной шейки. Для облегчения вписывания роликов в галтель шейки при ее накатывании они жестко монтируются на поворотных траверсах приспособления.

Четырехроликовое приспособление является наиболее со­вершенным, так как возникающие при накатывании усилия, действующие параллельно оси вала и попарно направленные в разные стороны, гасятся самой рамой приспособления. При­способление крепится к суппорту станка, а его масса частично воспринимается накатываемым коленчатым валом, что является существенным его недостатком.

Накатные устройства для накатывания коленчатого вала, созданные в НАТИ, отличаются тем, что их профильные роли­ки, накатывающие галтели шеек вала, не связаны с корпусом приспособления. Давление на профильные ролики передается от корпуса приспособления через дополнительные ролики таким образом, что каждый профильный ролик получает три точки опоры (точка касания с галтелью вала и две точки касания с дополнительными роликами). Вследствие этого профильные

ролики самоустанавливаются по про­филю галтели. Нагружаются профильные ролики в приспособлении тарированной пружиной, что является существенным недостатком этого устройства.

1

Рис. 15. Схема совме­щенного накатывания галтелей н цилиндриче­ской поверхности шеек коленчатого вала:

/ — профильные ролики для галтелей; 2 — цилиндриче­ский ролик для шейки

Для увеличения производительности труда процесс упрочнения галтелей шеек коленчатого вала совмещают с чистовой обработкой цилиндрической части по­верхности шеек по схеме (рис. 15). В то время когда профильные ролики 1 интен­сивно накатывают металл галтелей, ши­рокий цилиндрический ролик 2 сглажи­вает шероховатость поверхности шейки, уравновешивая при этом усилия, возни­кающие при нагружении профильных ро­ликов.

Для накатывания коленчатых валов применяются также полуавтоматические и автоматические накатные станки. В полуавтоматическом бесцентровом стан­ке совмещены операции упрочняющего

накатывания галтелей и сглаживающего накатывания цилин­дрической поверхности шейки. Накатывают одну шейку вала на таком станке в течение 25—30 с.

В практике упрочнения шеек коленчатых валов применяют­ся также устройства с ударной или комбинированной (вибри­рующей) нагрузкой на ролики. Возбудителем нагрузки в этих устройствах являются пневматические или механические (экс­центрики) чеканочные механизмы. Эти устройства, основанные на упрочнении вибрирующим роликом, практически сочетают в одном агрегате обычное пружинное однороликовое устройст­во и чеканочный механизм. Такое сочетание усилия сжатой пружины и ударной (пневматического привода или эксцентри­ка) нагрузки при пластической деформации обеспечивает наибольшую глубину упрочненного слоя металла.

Недостаток этого способа — значительный шум, возника­ющий при работе устройства. Такие устройства рекомендуются в основном для упрочнения крупных деталей, поэтому энергия удара поглощается самой деталью и она не отражается на состоянии станка. Режим упрочнения регулируется изменением давления на ролик, частотой ударов, а также подбором роли­ков с различными профильными радиусами.

Для упрочнения крупных коленчатых валов наряду со ста­ционарными накатными устройствами и специальными станка­ми для накатывания галтелей шеек на заводах-изготовителях и в особенности на ремонтных предприятиях находят примене­ние и переносные накатные устройства для внестаночного уп­рочнения валов. Возбудителем нагрузки в этом случае является пневматический молоток со специальным бойком, который на­носит частые удары по галтели вала. От этих ударов на галте­ли остается след в виде заметной дорожки. Скорость продви­жения бойка и частота ударов выбираются такими, чтобы по­лучить достаточно высокий класс шероховатости поверхности галтели.