Изготовление коленчатых валов автомобильных двигателей и материалы, применяемые для их изготовления.

Служебное назначение и требования к точности коленчатых валов.

Коленчатые валы различных двигателей по служебному назначению предназначены для преобразования поступательного движения штоков поршней во “вращательное”. По конструкции валы являются относительно не жесткой деталью, в тоже время испытывают большие переменные нагрузки и подвергаются под воздействием возникающих в работе сил кручению и изгибу.

  В зависимости от назначения двигателя техническими условиями предусматривается точность диаметральных размеров коренных и шатунных шеек коленчатых валов в пределах 1-2-го классов с чистотой поверхности 8-10-го классов и выше. Допустимые отклонения на овальность и конусность, например, для автомобильных двигателей, лежат в пределах 0,010-0,005 мм, а не параллельность осей коренных и шатунных осей коренных и шатунных шеек – не более 0,01 на всей длине каждой шатунной шейки. Допуски на радиусы кривошипов составляют 0,05-0,15 мм. Чрезмерные отклонения радиусов кривошипов и угловых развала приводят к неравномерности степени сжатия в различных цилиндрах и к сдвигу фаз распределения, что отрицательно сказывается на работе двигателей.

  Коленчатые валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, обусловливают и повышенные требования к поверхности шеек в отношении их износостойкости и усталостной прочности. Поэтому поверхностная твердость коренных и шатунных шеек, полученных после термической обработки, Лежит в пределах HRC 52-62.Технические условия на коленчатые валы в зависимости от назначения Двигателя определяются ГОСТом. Коленчатый вал контролируют по 80-90 параметрам. Кроме размеров и формы, контролируют и относительное положение обрабатываемых поверхностей вала. К наиболее важным конролируемым параметрам относятся параллельность оси шеек, положение шатунных шеек по отношению к коренным (радиусы кривошипов), угловое положение шатунных шеек по отношению одна к другой, угловое положение шпоночной канавки по отношению к кривошипам, положение торца Фланца к оси коренных шеек.

   Процесс контроля параметров коленчатого вала весьма трудоемкий и сложный. Поэтому для контроля большинства перечисленных параметров применяют специальные многомерные индикаторные, пневматические, “пневмоэлектрическим” и электронные мерительные устройства.

Материал и способы получения заготовок для коленчатых валов.

Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов. Набольшее 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 пере резания 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.

Механическая обработка коленчатых валов.

Сложность конструктивной формы коленчатого вала, его недостаточная жесткость, высокие требования к точности обрабатываемых поверхностей вызывают особые требования к выбору методу методов базирования, закрепления и обработки вала, а также последовательности, сочетания операций и выбору оборудования. Основными базами коленчатого вала являются опорные поверхности коренных шеек. Однако далеко не на всех операциях обработки можно использовать их в качестве технологических. Поэтому в некоторых случаях технологическими базами выбирают поверхности центровых отверстий.

При обработке шатунных шеек, которые в соответствии с требованиями технических условий должны иметь необходимую угловую координацию, опорной технологической базой являются специально фрезерованные площадки на щеках.

 Типовой технологический маршрут обработки штампованных стальных коленчатых валов типа может быть представлен в такой последовательности:

 1) фрезерование торцов;

 2) сверление центровых отверстий;

 3) фрезерование технологических опорных баз на щеках;

 4) обтачивание концов вала и коренных шеек;

 5) предварительное шлифование коренных шеек;

 6) обтачивание противовесов и щек;

 7) обтачивание шатунных шеек;

 8) обработка поверхностей камер грязесборников, смазочных каналов и шпоночных пазов;

 9) термическая обработка – закалка коренных и шатунных шеек;

 10) окончательное шлифование конца вала, коренных шеек и фланца;

 11) окончательное шлифование шатунных шеек;

 12) обработка отверстий во фланце и на концах вала;

 13) растачивание поверхности посадочного отверстия под подшипник со стороны фланца;

 14) отделочная операция поверхности коренных и шатунных шеек.

Токарная обработка коренных и шатунных шеек.

Коренные шейки, которые в дальнейшем используют в качестве технологических баз для обработки шатунных шеек и других поверхностей, можно обрабатывать на обычных токарных станках, но, так как коленчатый вал является недостаточно жесткой деталью и при обработке имеет тенденцию изгибаться и скручиваться под действием сил резания, особенно при одностороннем приводе токарных станков, то для обработки коренных шеек многоколенных валов применяют специализированные станки, у которых для уменьшения изгибающего и скручивающего моментов предусмотрен центральный или двусторонний привод.

Не менее трудоемкой и сложной операцией является обтачивание шатунных шеек, которые должны быть с определенной точностью ориентированны по отношению к коренным шейкам. В качестве технологических баз для этой операции выбирают поверхности уже обработанных коренных шеек и базовые площадки на крайних щеках коленчатого вала, с помощью которых определяется его угловое положение. Шатунные шейки можно обтачивать попарно (по две шейки, лежащие на одной оси вращения) или одновременно все. На этой же операции подрезают плоскости, прилегающие к шейкам щек. В первом случае можно использовать ранее описанные станки с двухсторонним приводом, однако при этом применяют специальное приспособление, позволяющее совместить оси обрабатываемых шатунных шеек с осью вращения шпинделя, причем ось коренных шеек при установке вала в это приспособление смещается по отношению к оси вращения вала на радиус кривошипа.

 Для одновременного обтачивания всех шатунных шеек используют станки специализированного назначения, у которых количество рабочих суппортов соответствует количеству обрабатываемых шатунных шеек. При этом вал вращается вокруг оси коренных шеек, а суппорты, кинематически связанные с копировальными коленчатыми валами, синхронно вращающимися с обрабатываемым валом, перемещаются вместе с шатунными шейками.

Обработка внутренних плоскостей и смазочных каналов.

 Различные отверстия в шейках, в шейках и фланцах коленчатого вала в зависимости от программы выпуска обрабатывают на вертикальных и радиально- сверлильных станках и на автоматических линиях. В подавляющем большинстве случаев технологическими базами на этих операциях являются цилиндрические и боковые поверхности опорных шеек и для угловой ориентации –базовые площадки шеек, а также наружные поверхности или отверстия соответствующих шатунных шеек.

 Отверстия масляных каналов в шейках обычно небольшого диаметра (6-8 мм) при значительной глубине (до 250 мм), поэтому при сверлении их требуется многократные вводы и выводы сверл из отверстий для удаления стружки и охлаждения инструмента.

 Отверстия переднего и заднего концов вала при сравнительно небольших масштабах выпуска можно сверлить в две операции на вертикально –сверлильном станке с многошпиндельными головками в многопозиционных приспособлениях (для заднего конца) и на токарно-револьверных станках с установкой вала в патроне по фланцу ив люнете по первой коренной шейке (для сверления отверстия в заднем конце).

Шлифование и отделка шеек коленчатых валов.

 Высокие требования точности шеек коленчатых валов диаметральным размерам (1-2-й классы), геометрической формы (овальность и конусность в пределах 5-12 мкм) и шероховатости поверхности (9-10-й классы чистоты) достигаются шлифовальными и отделочными операциями.

 Шлифовать коренные шейки сравнительно жестких одно-коленчатых и двух коленчатых валов можно и на обычных кругло шлифовальных станках. Однако ,как правило, шейки валов шлифуют на специализированных станках. При шлифовании коренных шеек вал устанавливают в центрах с применением люнетов.

Шатунные шейки шлифуют обычно одним кругом поочередно. В качестве технологической базы выбирает поверхность коренных шеек, а для угловой ориентации-отверстия во фланце или, реже, базовой площадке на шейках колен.

 Шлифуют на станках двусторонним приводом, причем при установке в приспособлении ось коренных шеек смешена от оси вращения шпинделя на величину радиуса кривошипа.

 Последнее время для шлифования коренных и шатунных шеек коленчатых валов созданы автоматические линии.