Надежность автомобиля

Коленчатый вал двигателя

Коленчатый вал двигателя

Совершенствование технологического процесса изготовления коленчатых валов — один из решающих факторов увеличения моторесурса двигателей. Для повышения их надежности и ка­чества изготовления проведен комплекс исследований и конструкторско-технологических мероприятий, которыми преследовалась цель уменьшить остаточные напряжения в волокнах материала, снизить влияние концентраторов напряжений, улучшить формо­образование заготовки, усовершенствовать термическую обра­ботку, применить различные методы упрочнения и повышения качества.

Коленчатые валы двигателя шести- и восьмицилиндровых четырехтакт­ных двигателей изготовляются из марганцовистой стали 50Г, а двенадцати цилиндровых — из Хромованадиевой стали 60ХФА. Коренные и шатунные шейки, а также шейки под уплотнительные манжеты подвергаются поверхностной закалке с нагревом ТВЧ. Сложная форма кованых коленчатых валов влечет за собой необ­ходимость сравнительно большого съема металла при механиче­ской обработке. Металл снимается не только на шейках, но и на щеках. Сравнительно большие припуски имеют коленчатые валы У-образных двигателей, когда шейки расположены в не­скольких плоскостях. Кроме того, стремление использовать штамп как можно дольше также приводит к увеличению припу­сков. Согласно исходной технологии токарная обработка корен­ных шеек, переднего и заднего Концов коленчатого вала прово­дилась одновременно на многорезцовых станках мод. МК-840, а шатунных шеек на многорезцовых станках мод. МК-8212. При этом суммарная ширина режущих кромок одновременно рабо­тающих резцов на станке мод. МК-840 для шестицилиндровых валов составляла 440 мм, для восми-цилиндровых 490 мм, а на станке мод. МК-8212 — соответственно 240 и 320 мм.

Неисправности двигателя, подробнее...

Наличие значительных сил резания и ударных нагрузок при обработке щек в сочетании с перераспределением внутренних напряжений в материале вала после снятия поверхностного слоя штампованной заготовки приводило к короблению вала на пред­варительных операциях его изготовления. Нагрев шеек при закалке ТВЧ также вызывал дополнительное коробление вала. При этом суммарные деформации вала достигали 1,5—2 мм. I С целью их устранения технологическим процессом предусма­тривалась правка вала, которая производилась после обтачи­вания коренных и шатунных шеек и после термической обработки. Процесс правки заключался в неоднократном прогибе вала с устра­нением биения до допустимых величин. Холодная правка в про­цессе механической обработки приводила к возникновению боль­ших остаточных напряжений. Исследованиями на усталостных машинах коленчатых валов, подвергавшихся холодной правке, и валов, не подвергавшихся правке, показали значительную разницу в их прочностных характеристиках. Усталостная проч­ность коленчатых валов, подвергавшихся холодной правке, снижается на 30% и более. При этом характерно значительное рассеяние разрушающих напряжений . В процессе эксплуата­ции двигателя происходила релаксация остаточных напряжений, что приводило к короблению валов и отрицательно сказывалось на надежности как собственно вала, так и сопрягаемых с ним деталей и прежде всего подшипников (вкладышей) и блока ци­линдров.

Чтобы исключить причины, вызывающие появление остаточ­ных напряжений, в технологию изготовления вала введены до­полнительные операции перецентровки: первая — после обтачи­вания коренных шеек, вторая — после термической обработки. Базой при перецентровках приняты первая и четвертая коренные шейки, что позволило усреднить биение и снизить припуски на последующую обработку. Во время второй перецентровки, произ­водимой на алмазно-расточном станке, кроме корректировки центров улучшается форма центровых фасок, уменьшается шеро­ховатость поверхности, что важно для последующей обработки детали на финишных операциях. Все это позволило ликвиди­ровать операции правки валов, уменьшить и стабилизировать межоперационные припуски и, в конечном итоге, благоприятно сказалось на надежности коленчатых валов в эксплуатации. Проблема снижения остаточных напряжений решена путем внед­рения более производительного и прогрессивного способа пред­варительной обработки коленчатых валов методом кругового фрезерования. При этом методе обработка производится много­резцовыми фрезерными головками, оснащенными твердосплав­ными неперетачиваемыми пластинками с механическим крепле­нием. Резание ведется на скорости 100—150 м/мин. Коленчатый вал производит за цикл медленный поворот в режиме подачи. Количество шеек, обрабатываемых за один поворот детали, соот­ветствует количеству фрезерных головок. Таким методом можно обрабатывать как коренные, так и шатунные шейки. По сравне­нию с точением фрезерование характеризуется сравнительно невысокой нагрузкой на коленчатый вал во время обработки. Достигается это соответствующим расположением режущих кро­мок пластинок фрезерной головки, благодаря чему весь профиль шейки делится на отдельные участки (секторы). При этом режу­щие кромки инструмента вступают в работу попеременно, что значительно снижает силы резания. Привод круговой подачи осуществляется с обоих концов вала, благодаря чему исключается   его деформация  и обеспечивается высокая геометрическая точность.

Стружка дробится, что также положительно сказывается на параметрах процесса.

Обработка шатунных шеек, раз­личается методом врезания фрезерной головки. По первой схеме врезание производится в проем между щеками на величину  до достижения заданного диаметра шейки А по­следующее снятие припуска ведется при круговой подаче. По второй схеме  врезание происходит непосредственно в шейку, а остальная ее часть и проем между щеками обрабаты­ваются при круговой подаче. В этом случае за счет уменьшения длины врезания повышается производительность обработки. По первой схеме обрабатываются валы двенадцати цилиндровых дви­гателей одновременно двумя фрезами от самостоятельных при­водов последовательной обработки в сочетании 1—6-й, 2—5-й и 3—4-й шейки. Контуры шейки и щек формируются на раздель­ных станках. Шейки и щеки валов шести- и восьмицилиндровых двигателей обрабатываются по второй схеме на одном станке. Станок имеет самостоятельные позиции с независимыми приво­дами для обработки двух валов одновременно.

Коренные шейки фрезеруются одновременно, при этом выдерживаются размеры.  Шатунные шейки фрезеруют после­довательно (1, 2, 3 и 4-я) с выдержкой диаметра шейки  и толщины буртиков щек  с обоих сторон, радиусов галтелей, радиуса кривошипа . Оси кривошипов 2, 3 и 4-й шейки относительно 1-й выдерживаются с точностью ±15'. Линейные размеры до торцов щек выдерживаются с точностью 0,2 мм. Ширину шеек и радиусы галтелей по заданным размерам определяет приме­няемый инструмент. На круглофрезерные станки вал поступает с обработанными хвостовиками для базирования  в  постелях зажимных патронов и с проточкой диаметром  и ши­риной  на средней шейке для установки люнета. При фрезе­ровании коренных шеек средняя опора находится в жестком люнете, а 2 и 4-я шейки устанавливаются в следящий гидравли­ческий люнет. Благодаря этому деталь имеет надежное крепле­ние и не подвергается деформации при обработке. Снятие при­пуска ведется двумя комплектами, состоящими из двух и трех фрез, расположенных с противоположных сторон детали. Такая схема размещения инструмента позволяет снизить величину сил, скручивающих вал при обработке. При фрезеровании шатунных шеек 2, 3 и 4-я коренные шейки находятся в гидролюнетах, а 1 п 5-я помещены в базовых вкладышах зажимных патронов. В про­цессе фрезерования шатунной шейки фреза совершает синхронное С кривошипом вала возвратно-поступательное перемещение в го­ризонтальной плоскости. Как видно из приведенных схем, усилия резания  воспринимаются   хвостовиками   вала,   закрепленными I патронах жестких шпинделей. Двойной привод вала, жесткие и точные люнеты, установленные на шейках, обеспечивают мини­мальное скручивание и прогиб вала. Деформации вала по новой технологии 0,1—0,2 мм (против 1,5—2 мм по старой). Это позво­лило отказаться от первой перецентровки и получить после закалки ТВЧ и отпуска коленчатые валы с биением по коренным шейкам в пределах 0,3—0,4 мм.

Благодаря высокой точности, достигаемой на станках для кругового фрезерования, припуски на шлифование обработанных коренных и шатунных шеек сводятся к минимуму. При данном методе на обработанной поверхности образуется огибающая кривая в виде многоугольника с большим количеством граней. Такой профиль является результатом специфических условий обработки данным инструментом. При рассмотрении поверхности обработки кажется на первый взгляд, что последующее оконча­тельное шлифование можно осуществить только с повышенным износом шлифовального круга. Однако на практике имеет место обратная картина, когда грани вызывают саморегулирующий износ и очистку зерен шлифовального круга. Эта особенность процесса позволяет в ряде случаев отказаться от операции пред­варительного шлифования. Фрезерные головки оснащены твердо­сплавными поворотными пластинками, которые устанавливаются в точно выполненные пазы и закрепляются при помощи каленых клиньев.

В зависимости от профиля пластинки имеют до восьми режу­щих кромок. При повороте или замене пластинок сохраняется точность кругового вращения и ширина инструмента в пределах допуска пластинок, который составляет по ГОСТ 19086—73. Материал пластинок для обработки валов из стали 50Г-СШ и 60ХФА — твердый сплав Т14К8; формы пласти­нок 07141—270660 по ГОСТ 19061—73, 09141—180600 по ГОСТ 19058—73 и др. Смена и проверка пластинок фрезерной головки осуществляется вне станка, поэтому при замене фрезы не требуется наладки станка, что обеспечивает сокращение вре­мени на простой оборудования, связанный с техническим обслу­живанием, и обеспечивает стабильное качество. В настоящее время метод кругового фрезерования шеек коленчатых валов наиболее прогрессивен, так как обеспечивает высокую произво­дительность и точность получения геометрических параметров детали, а также снижение внутренних напряжений в волокнах металла. Конструкции станков для данного вида обработки со­вершенствуются. В частности, кругло фрезерные станки с внеш­ним расположением инструмента заменяются станками, где обра­ботка ведется фрезой с внутренним расположением зуба. Новый принцип обработки позволяет, с одной стороны, создать более жесткий рабочий орган фрезерной головки, что обеспечивает спокойную работу при повышении режимов более чем в 2 раза, с другой стороны, станок стал меньше по габаритам. Примером та­ких станков могут служить мод. RFК-250, RFК400 фирмы «Геллер».

Коленчатый вал двигателя, подробнее...

{jcomments on}