Тех.маш.Ч

V

Vд

Рис. 2.26. Фрезерование шлицов червячной фрезой по методу обкатки

При этом червячная фреза должна иметь усики, вырезающие канавки у основания шлицев, необходимые для выхода шлифовального круга при окончательной обработке впадин шлицев вала.

По сравнению с методом деления метод обкатки червячной фрезой более производителен и точен.

Короткие шлицы на концах валов у выступов, не позволяющих использовать фрезу, обрабатываются на зубодолбежных станках специальными долбяками.

После фрезерования точность обработки шлицев составляет 9–10 квалитет, а шероховатость по боковой поверхности Ra ~ 10 мкм, по внутреннему диаметру Ra ~ 5 мкм, что является недостаточным для шлицевого соединения. Поэтому в технологический процесс вводятся операции предварительной химико-термической обработки (объёмная закалка, закалка ТВЧ, цементация) и операции шлифования. Шлифование шлицев осуществляется на шлицешлифовальных станках одним профильным кругом (рис. 2.27). Для этого метода характерна простота наладки и обеспечение точности взаимного расположения поверхностей. Размерная точность повышается до 8 квалитета, шероховатость Ra = 0,63 мкм по внутреннему диаметру и Ra = 1,25 мкм по боковым поверхностям.

Vд

Рис. 2.27. Шлифование шлицев на валу профильным кругом

51

8.2.Технология обработки шлицев на валах при центрировании по наружному диаметру

Предварительная обработка шлицевого вала аналогична обработке при центрировании вала по внутреннему диаметру (раздел 8.1), единственное отличие заключается в том, что на червячной фрезе нет усиков для нарезания канавок во впадинах, зато есть у основания зубьев фрезы фланк для обработки фасок на вершинах шлицев. При этом методы обработки используются те же самые: деление и обкатка.

После операции термообработки осуществляется шлифование наружной поверхности вала на кругло-шлифовальных станках по схемам, описанным в разделе 5.2. При назначении режимов резания на операциях шлифования подача уменьшается на поправочный коэффициент, учитывающий прерывистость обрабатываемой поверхности.

8.3.Технология обработки шлицев на валах при центрировании по боковым сторонам

Предварительная обработка шлицевого вала аналогична обработке при центрировании по внутреннему диаметру (раздел 8.1). После операции термообработки шлицы вала шлифуются на специальных шлифовальных станках периферией или торцом круга (рис. 2.28).

Однако технологически трудно управлять размерами ширины шлица из-за невозможности обеспечения требуемого размера при имеющейся схеме базирования (по центровым отверстиям – ось вала скрытая технологическая база) и неравномерного износа шлифовального круга.

Поэтому данная посадка вала и отверстия применяется крайне редко, в основном в технологических соединениях.

S

S

а б

Рис. 2.28. Шлифование боковых поверхностей шлицев: а) периферией круга; б) торцом круга

52

8.4. Технология обработки шлицев на валах методами накатывания

Формирование шлицев на наружных поверхностях валов может осуществляться методами накатывания без последующей термообработки и шлифования. Накатывание может проводиться на «холодной» заготовке или предварительно нагретой. Наиболее эффективным способом нагрева является индукционный высокочастотный нагрев, позволяющий за счёт быстрого нагрева уменьшить толщину слоя окалины. Формирование шлицев осуществляется по двум кинематическим схемам: методу копирования (деления) и методу обкатки профиля.

Метод копирования применяется для образования прямобочных и треугольных шлицев значительной глубины при малом количестве зубьев. К этому методу относятся такие процессы, как: продавливание через матрицу, ротационное обжатие пуансонами, ударное накатывание, продольное накатывание многороликовыми головками. Профиль впадин шлицев при этом методе полностью копирует профиль накатного инструмента.

Метод обкатки применяется для образования треугольных и эвольвентных шлицев. К этому методу относятся: накатывание зубчатыми роликами, рейками (аналогично накатыванию резьбы), пуансонами, поперечное и поперечновинтовое накатывание.

Профиль шлицев при этом получается, как огибающая поверхность последовательных положений инструмента.

Процесс накатывания (рис. 2.29) производителен и достаточно точен, но недостаточная жёсткость основных узлов станка, отсутствие надежной системы синхронизации вращения роликов – основные недостатки этого способа. Поэтому накатываются обычно только мелкие (до m = 1 мм) шлицы ограниченной длины.

Vд		Vр

Рис. 2.29. Схема обработки шлицев методами накатывания: а) методом копирования многороликовой головкой; б) методом обкатки цилиндрическими роликами

53

9. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВАЛОВ

Точность изготовления валов проверяется в определенной последовательности. Сначала определяется правильность формы поверхностей, затем их геометрические размеры и потом уже их положение. Такая последовательность необходима для того, чтобы была возможность путём исключения ошибок измерять с наибольшей точностью тот параметр, который необходимо проверить.

Измерительными базами при контроле валов обычно являются центровые отверстия, торцы и поверхность опорных шеек.

Правильность геометрической формы проверяется индикатором в нескольких сечениях, перпендикулярных оси вала. Отклонения образующей цилиндрической поверхности от прямолинейности проверяются также индикатором, наконечник которого проводится по образующей поверхности параллельно оси вала. По разности наибольшего и наименьшего показаний судят об ошибке отклонения от параллельности.

Диаметральные размеры в зависимости от степени точности и величины диаметра проверяются предельными калибрами (скобами), штангенциркулями, микрометром (до 0,01 мм), пассаметром (до 0,002 мм) или микротастом (до 0,001 мм).

Затем производится контроль правильности положения поверхностей относительно оси вращения вала. Величина отклонения контролируемой поверхности от допуска соосности с осью вращения вала проверяется индикатором при вращении вала вокруг оси. Такую проверку необходимо производить в двух крайних сечениях контролируемой поверхности.

Шероховатость поверхности контролируется преимущественно сравнением с эталонными образцами.

Рис. 2.30. Устройство для контроля прерывистых поверхностей:

1 – верхняя подвесная губка; 2 – измерительный стержень; 3 – спиральная пружина

54

Промежуточный контроль валов может осуществляться в процессе обработки с использованием приборов активного контроля: двух или трёхконтактных скоб, принцип действия которых основан на прямом методе измерения.

Валы с прерывистой поверхностью (шлицевые валы и валы со шпоночными пазами) обычными устройствами активного контроля не измеряются. Для них используются устройства с наконечниками специальной формы (дуговые наконечники), перекрывающие разрывы (канавки) на поверхности (рис. 2.30).

55

III.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГООСНЫХ ДЕТАЛЕЙ

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ»

1.1.Типовые технологические требования, предъявляемые

кколенчатым валам

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

Основными элементами коленчатого вала (рис. 3.1) являются:

–коренные (или опорные) шейки, расположенные на оси вращения вала, через которые он сопрягается с вкладышами картера;

–шатунные шейки, расположенные в коленах, через которые вал сопрягается с шатунами;

–щёки, соединяющие между собой коренные и шатунные шейки;

–передний и задний концы вала, предназначенные для передачи движения механизмам внутри двигателя и к наружному приводному механизму.

Рис.3.1. Основные элементы коленчатого вала

Задний конец коленчатого вала имеет фланцевое или шлицевое исполнение. В местах переходов от шеек к щекам и фланцу имеются галтели, необходимые

для снижения концентраций напряжений.

Сочетание шатунной шейки со щеками называются коленом или кривошипом.

56

Кривошипы могут располагаться относительно друг друга под углом 90º, 120º или 180º. Щёки коленчатого бывают круглые, овальные или прямоугольные.

Для снижения массы вала на щеках, в ненагруженных местах снимаются фаски, или скосы. На щеках в некоторых случаях устанавливаются противовесы, которые могут быть насадными (посадка с натягом) или крепиться болтами резьбовым соединением.

Основные технические требования, предъявляемые к коленчатым валам:

1.Твёрдость шеек, подвергаемых закалке, должна быть не менее 52 ед. HRCэ. При этом галтельные переходы не должны подвергаться закалке;

2.Шероховатость цилиндрических поверхностей шеек диаметром до 100 мм должна быть Ra ~ 0,32 мкм; диаметром более 100 мм – Ra ~ 0,63 мкм;

3.Диаметры коренных и шатунных шеек должны выполняться по 6–7-му квалитету точности. Отклонения от круглости при этом должны соответствовать 5–6- му квалитету точности;

4.Биение коренных шеек относительно оси вала не должно превышать 0,003

ммдля шеек диаметром до 100 мм, и 0,004 мм для шеек диаметром более 100 мм.

5.Отклонение радиуса кривошипа допускается не более ± 0,15 мм на 100 мм длины радиуса. При этом смещение углов между коленами кривошипов допускается не более ± 30’ по всей длине вала;

6.Допуск параллельности шатунных шеек относительно соседних коренных шеек до 0,03 мм;

7.Биение торца соединительного фланца крепления маховика должно быть не более 0,005 мм на 100 мм диаметра фланца;

8.Коленчатый вал должен быть динамически сбалансирован. Величина дисбаланса должна находиться в пределах 20–70 г/см. Большие значения дисбаланса допускаются при частотах вращения вала менее 1500 об/мин.

1.2.Способы получения заготовок и исходные материалы для коленчатых валов

Коленчатые валы в зависимости от напряженности могут изготавливаться из углеродистых сталей 45, 45А, 40Х, 45Г2, 50Г и др. Для более нагруженных дизельных двигателей применяются легированные стали 18ХНМА, 40ХНМА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА и др. Хромоникелевольфрамовая сталь 18Х2Н4ВА отличается особенно высокой прочностью (твердость НВ 321…381) и ударной вязкостью. Поверхностная твёрдость и износостойкость углеродистых сталей повышается термической обработкой с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Твёрдость и усталостная прочность поверхностного слоя валов из высоколегированных сталей 40ХМА, 18Х2Н4ВА обеспечиваются азотированием.

В качестве материала для коленчатых валов применяется и высокопрочный чугун с шаровидной формой графита. Такие чугуны содержат 0,2…0,25% Cr, 1,15…1,4% Mn, не более 0,002…0,140% S, а также незначительное количество церия и других легирующих элементов. Механические свойства таких чугунов близки к свойствам высококремнистой стали. Материал имеет высокие эксплуа-

57

тационные качества и хорошо обрабатывается режущим инструментом. Применяются и серые чугуны, модифицированные сплавом ферроцерия с магнием.

Заготовки стальных коленчатых валов изготовляются штамповкой на молотах и прессах по 8–9-му классам точности. При серийном производстве заготовки штампуются на молотах, а при массовом – обычно на ковочных прессах. Штамповка на ковочных прессах в 1,5–2 раза производительнее, она обеспечивает уменьшение штамповочных уклонов до 3–6о, припусков на механическую обработку на 30–40% и расхода металла на 10–12 %.

Исходным материалом для штамповки служит квадратный или круглый катаный пруток или периодический фасонный прокат. Наиболее экономично применение фасонного проката (масса исходной заготовки уменьшается на 5–8%). Наибольшее распространение получил следующий процесс штамповки заготовок. После подогрева и разрезки прутков на штанги заготовки с противовесами штампуют за две операции, без противовесов – за одну операцию. В первом случае заготовки сначала штампуются в двух ручьях (подкатном и гибочном), затем в одном ручье (окончательном). Во втором случае заготовки обрабатываются в трёх ручьях: подкатном, гибочном и окончательном. Применение гибочного ручья исключает перерезание волокон в местах сопряжения шеек вала со щеками. Фланцы обычно высаживаются на горизонтально-ковочных машинах (рис. 3.2).

а)

б)

в)

г)

д)

Рис.3.2. Последовательность формообразование заготовки коленчатого вала при штамповке на прессе:

а) заготовка для штампования; б) гибка; в) предварительное и окончательное штампование; г) обрезание заусенец; д) высадка фланца на горизонтальноковочной машине

Заготовки литых валов получаются литьём в песчаные или оболочковые формы. Литьё в оболочковые формы обеспечивает квалитет точности IT12…IT14 с припусками на обработку 1,5…3 мм. Это позволяет отдельные поверхности ос-

58

тавлять черными и начинать обработку шеек шлифованием. Из-за высокой износоустойчивости чугуна валы иногда не подвергаются термической обработке.

Чугунные литые коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей по некоторым показателям превосходят стальные штампованные валы.

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

1.3. Особенности методов базирования коленчатых валов

Коленчатый вал является нетехнологичной деталью вследствие недостаточной жесткости и сложности конструкции. При обработке вал легко деформируется под действием радиальных и осевых нагрузок, возникающих в процессе его закрепления и в процессе обработки.

Коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей изготавливаются в крупносерийном и массовом производствах на поточных или автоматических линиях по типовым технологическим процессам (ТП). В качестве технологических баз для обработки коренных шеек и других поверхностей принимаются центровые отверстия, на которых выполняется черновая, чистовая и отделочная обработки, сохраняя при этом принцип постоянства баз.

Соответственно шатунные шейки обрабатываются при базировании по коренным шейкам, что обеспечивает их параллельность и точность радиуса кривошипа. Угловыми базами служат обработанные площадки на противовесах или поверхностях кривошипов. В качестве базы по длине используются поверхности щёк коренных и шатунных шеек.

Обработка шатунных шеек (особенно у длинных валов) проводится на оборудовании, имеющем синхронный привод передней и задней бабок, что позволяет избежать «скручивания» вала.

На точность обработки влияют усилия закрепления на отдельных операциях. Так, при шлифовании коренных шеек коленчатых вал должен устанавливаться в центрах без пережима, т.е. правильно установленный вал должен свободно вращаться от руки и не иметь качаний в осевом направлении. Для этого пиноль задней бабки шлифовального станка должна иметь специальный тарированный маховик, настроенный на определённое усилие. Опорные поддерживающие люнеты тоже должны иметь тарированное усилие поджима вала с возможностью постоянного поддерживания оси шейки вала в общей оси центров при постоянном уменьшении диаметра шейки.

Воздействие сил резания на отдельных операциях вызывает деформацию вала, что вынуждает включать в техпроцесс обработки многократные правки на прессах. Действующие технологические процессы изготовления отдельных валов включают 6…10 правок. В то же время каждая правка вызывает дополнительные внутренние напряжения, которые могут привести к неконтролируемой деформации вала на последующих операциях и даже в процессе его эксплуатации в двигателе. С этих позиций количество правок следовало бы снижать, но сокращение

59

или полное исключение правок приводит к увеличению межоперационных припусков на обработку, а, следовательно, к увеличению общего припуска и трудоемкости механической обработки.

1.4.Типовой технологический процесс изготовления коленчатого вала в серийном производстве

Технологическая схема изготовления стальных коленчатых валов из штампованной заготовки состоит из следующих основных операций:

000 Заготовительная операция (штамповка с последующей нормализацией).

005 Фрезерно-центровальная операция (заготовка устанавливается в призмы по коренным шейками 1 и 5 и ориентируется по оси упором в торец щеки шейки 3).

60