Коленчатые валы
Коленчатые валы относятся к классу «стержней с фасонной поверхностью».
Их изготавливают из стали 45, из высокопрочного чугуна, из стали 50, из стали 42ХМФА-Ш.
Технологический маршрут типового технологического процесса
восстановления деталей класса «круглые стержни»
| Операция | Оборудование |
| Исправление центровых отверстий | Токарный или центровочный станок |
| Устранение радиального биения | Пресс |
| Устранение поврежденной или изношенной резьбы | Токарный станок |
| Наплавка резьбовых и шлицевых поверхностей, заварка шпоночных пазов | Установка для наплавки |
| Правка деталей после наплавки (по потребности) | Пресс |
| Механическая обработка наплавленных поверхностей (резьбовых, шлицевых, шпоночных пазов и гладких отверстий) | Токарный, фрезерный, сверлильный станки |
| Предварительная и окончательная обработка поверхностей, подлежащих сопряжению с ДРД | Токарный станок |
| Запрессовка ДРД | Пресс |
| Предварительная обработка ДРД после запрессовки | Круглошлифовальный и токарный станки |
| Наплавка шеек | Установка для наплавки |
| Правка вала после наплавки | Пресс |
| Термическая обработка | Термическая печь |
| Правка | Пресс |
| Предварительная механическая обработка наплавленных шеек | Токарный и круглошлифовальный станки |
| Подготовка поверхностей к электрохимическому наращиванию | - |
| Нанесение электрохимических покрытий | Установка |
| Предварительная обработка электрохимических покрытий | Круглошлифовальный станок |
| Чистовая обработка поверхностей | То же |
| Балансировка | Балансировочный станок |
| Доводка | Станок для суперфиниширования |
Дефекты коленчатых валов и способы их устранения
| Дефект | Способ устранения |
| Износ коренных и шатунных шеек; овальность, конусность, задиры посадочных мест под распределительную шестерню, шкив и маховик | Шлифование под ремонтный размер. Нанесение покрытий электродуговой наплавкой, электро- контактной приваркой ленты, газотермическим напылением порошковых материалов. Наплавка с последующим обтачиванием и шлифованием, электроконтактная приварка ленты с последующим шлифованием |
| Износ маслосгонной резьбы | Углубление резьбы резцом и шлифование шейки до выведения следов износа |
| Износ шпоночных канавок | Фрезерование под увеличенный размер шпонок, новой шпоночной канавки; наплавка с последующим фрезерованием шпоночной канавки |
| Износ посадочного места наружного кольца шарикоподшипника в торце вала | Растачивание посадочного места, запрессовка втулки с последующим растачиванием, наплавка с последующим растачиванием |
| Износ отверстий под штифты крепления маховика | Развертывание под ремонтный размер |
| Износ резьбы | Растачивание или зенкерование с последующим нарезанием резьбы увеличенного размера, углубление резьбовых отверстий с последующим нарезанием такой же резьбы под удлиненные болты (пробки) |
| Скручивание вала (нарушение расположения кривошипов) | Шлифование шеек под ремонтный размер с последующей балансировкой, наплавка шеек с последующим обтачиванием, шлифованием и балансировкой |
| Торцевое биение фланца маховика | Подрезание торца фланца на токарном станке с последующей балансировкой |
|
Изгиб вала: до 0,15...0,2 мм до 0,2... 1,2 мм |
Шлифование шеек под ремонтный размер Правка под прессом или чеканка шеек |
| Трещины | Шлифование шеек под ремонтный размер, разделка трещин с помощью абразивного инструмента |
| Коррозия трущихся поверхностей | Зачистка шлифовальной шкуркой, шлифование и полирование |
Большинство изношенных валов имеют прогиб, значение которого контролируют при установки их крайними коренными шейками на призмы индикатором, который закреплен на штативе.
Вал поворачивают в призмах вручную, наблюдая за показаниями индикатора.
Разность между крайними показаниями индикатора за один оборот коленчатого вала представляет собой значение прогиба.
Если прогиб превышает значение, указанное в технических условиях, то его устраняют правкой.
Если значение прогиба меньше, то вал не правят, а шлифуют под ремонтный размер.
Правка вала методом статического изгиба.
При данном методе правку проводят на гидравлических прессах путем нагружения и разгружения вала.
В зависимости от прогиба и опыта правильщиков зависит число нагружений, их величина и направление.
Процесс нагружения повторяют до тех пор, пока прогиб оси вала не станет меньше допустимого.
Недостаток данного метода — это снижение усталостной прочности и пластичности вала, так как в зоне галтелей шатунных шеек могут развиваться старые и зарождаться новые микро- и макротрещины, а также возможен возврат прогиба.
Правка вала методом чеканки.
Этот метод наиболее успешно следует применять для правки валов двигателей с рядным расположением цилиндров, имеющих аварийные прогибы до 0,75 мм (биение 1,5 мм).
Снижение усталостной прочности не наблюдается, сохраняется высокая стабильность формы детали в эксплуатации.
Чеканку галтелей выполняют клепальным пневматическим молотком КМП-14М или ручным слесарным молотком массой 0,8 кг со специальными бойками, размеры которых должны соответствовать размерам галтелей.
Перед чеканкой у вала определяют место и направление наибольшего изгиба, после чего его устанавливают на призмы максимальным прогибом вниз.
Если максимальное биение находится в области третьей коренной шейки в плоскости кривошипа, то выполняют чеканку галтелей первой и второй шеек в зоне перекрытия коренной и шатунной шеек на дуге 40...50°.
После чего проводят контроль биения вала.
Если значение биения выше допустимого, то необходимо:
чеканить галтели третьей и четвертой шеек;
контроль биения;
чеканить галтели пятой и шестой шеек.
При биении коленчатого вала больше 0,8 мм чеканку проводят неоднократно в указанной последовательности.
Когда максимальный прогиб находится в плоскости, перпендикулярной кривошипам, правку вала осуществляют чеканкой двух симметрично расположенных галтелей относительно выпрямляемой шейки.
Участок наклепа располагается под углом 45° к плоскости кривошипа.
Коленчатые валы шлифуют под ремонтный или номинальный размеры.
Шлифование под ремонтный размер чаще всего выполняют в одну операцию.
Величина износа шеек определяет ремонтный размер шеек, выбор которого проводится в соответствии с техническими условиями.
Для шлифования шеек применяют универсальные шлифовальные станки 3A423 и 3B423.
Сначала шлифуют коренные шейки и другие поверхности, находящиеся на одной с ними оси, а затем шатунные.
Шейки вала шлифуют электрокорундовыми на керамической связке шлифовальными кругами зернистостью 16...60 мкм.
Перед шлифованием шлифовальный круг правят алмазным карандашом, закрепленным в оправке, при обильном охлаждении эмульсией.
Цилиндрическую часть круга правят, перемещая алмазный карандаш в горизонтальной плоскости, а галтели — качанием оправки с карандашом в этой же плоскости.
Боковые плоскости круга обрабатывают до требуемой ширины при поперечной подаче шлифовального круга.
Шлифовальные круги рекомендуется править после шлифования одного-двух коленчатых валов.
Базовыми поверхностями при шлифовании коренных шеек являются центровые отверстия.
Шлифование шатунных шеек проводят на другом станке, оборудованном центросместителями, обеспечивающими совпадение осей шатунных шеек с осью вращения станка.
Крайние коренные шейки коленчатого вала закрепляют в патрон центросместителя, предварительно установленного на требуемый радиус кривошипа, что обеспечивает погрешность базирования не более 0,03 мм.
Затем шатунные шейки выставляются только в горизонтальной плоскости.
Предварительно шлифуемую шейку выставляют призмой, окончательно — индикаторным устройством.
Показание индикатора равняется половине припуска на шлифование.
При окончательно отшлифованной шейке индикатор устанавливается на «ноль».
Припуск на шлифование оставляют в пределах 0,3...0,5 мм на сторону.
В каждом конкретном случае режимы шлифования уточняются в зависимости от жесткости коленчатого вала.
Для предотвращения появления микротрещин при шлифовании применяют обильное охлаждение.
Струя охлаждающей жидкости должна полностью покрывать рабочую поверхность шлифовального круга.
В качестве охлаждающей жидкости используют эмульсию (10 г эмульсионного масла на 1 л воды).
Когда полностью использованы предусмотренные конструкторами межремонтные размеры, что соответствует максимальному накоплению усталостных напряжений, на изношенные шейки коленчатого вала наносят металлопокрытия.
Усталостные напряжения возникают из-за неравномерного износа шеек, кратковременных перегрузок двигателя, неравномерной подачи топлива к цилиндрам, смещения опор блока в связи со старением металла.
Предел выносливости у таких коленчатых валов снижается на 20...25% по сравнению с новыми.
Зона накопления усталостных повреждений у карбюраторных двигателей находится в центральной части шеек (щеки значительно прочнее шеек) в зоне маслопроводящих отверстий, у дизельных — в зоне перехода галтели в щеки вала.
Основной опасной нагрузкой для дизельных двигателей считают изгибающий момент (разрушение вала по щекам), а для карбюраторных — крутящий (разрушение вала по шейкам).
При перешлифовках валов карбюраторных двигателей удаляются поверхностные слои шеек с накопившимися усталостными повреждениями, а их наращивание приводит к разгрузке наиболее напряженных слоев металла, что способствует восстановлению их ресурса.
Для коленчатых валов дизельных двигателей перешлифовкой полностью удалить напряжение и предельно разрушенные слои металлов в зоне галтелей практически невозможно, поэтому их ресурс восстановить не удается.
Более 85 % объема восстановления шеек коленчатого вала выполняются сварочно-наплавочными методами.
Изношенные поверхности под шкив и шестерни наращивают на наплавочном станке У-651У4 или на токарно-винторезном, оснащенном наплавочной головкой ОКС-6569, электродуговой наплавкой проволоки 18ХГС или ЗОХГС диаметром 1,0...1,5 мм в среде углекислого газа.
После наплавки проверяют состояние центровых отверстий.
Видимые забоины, вмятины и следы коррозии исправляют растачиванием на токарно-винторезном станке типа 1М63 или 16К20.
Для этого вал зажимают в патроне за первую коренную шейку, а под крайнюю устанавливают люнет.
Затем выверяют вал и добиваются, чтобы биение коренной шейки было не более 0,03 мм.
Исправляют центровое отверстие протачиванием до выведения следов износа.
Для исправления второго центрового отверстия вал зажимают в патроне за поверхность под шестерню коленчатого вала, а люнет устанавливают под первую коренную шейку и поджимают вращающимся центром.
Наплавленные поверхности протачивают на станке типа 1М63 с применением резцов с твердосплавными пластинами марки ТК.
Шлифование обработанных поверхностей проводят на круглошлифовальных станках типа ЗБ 161.
Шпоночный паз заваривают в среде углекислого газа и наплавляют всю шейку вала проволокой 08Г2С или 08ГС толщиной 0,8...1,2 мм на полуавтомате А-547У или ЦЦГ-301 для дуговой сварки.
Паз заваривают на всю глубину с превышением наплавленного слоя над остальной поверхностью примерно на 1 мм.
Фрезеруют шпоночные пазы на горизонтально-фрезерном станке типа 6Р82Г.
Для точного размещения и обработки паза применяют специальное приспособление.
Контролируют положение паза относительно диаметральной плоскости и угловое смещение относительно оси первого кривошипа.
Для упрочнения валов применяют накатывание галтелей роликами из твердосплава.
Накатные устройства должны обеспечивать пневматическое, гидравлическое или пневмогидравлическое статическое (безударное) нагружение роликов и иметь автоматический регулятор давления для поддержания постоянного усилия накатывания требуемой величины.
Подвод роликов, достижение требуемых усилий накатывания, а также снятие нагрузки (отвод роликов) следует осуществлять плавно при вращающемся коленчатом вале.
Накатывание неподвижного вала вращающимися накатными устройствами не рекомендуется, так как это ведет к фиксации прогиба от собственного веса.
Прекращение вращения вала в процессе накатывания не допускается.
В процессе накатывания упрочняемая поверхность галтелей должна смазываться жидким машинным маслом (93...95%) в смеси с олеиновой кислотой (5...7%).
Смазывающая жидкость не должна содержать металлических или абразивных примесей.
Частота вращения коленчатого вала должна быть в пределах 40...60 мин-1; давление роликов на галтели — 8000...8500 Н/м2; время упрочнения (обкатки) — 0,12...0,18 мин; полное упрочнение галтелей на всех шатунных шейках выполняют за 2,5... 3,0 мин.
Галтели коленчатых валов обрабатывают по схеме «на врезание»,обкатывают с помощью устройства, позволяющего применять деформирующие ролики минимального диаметра и снижать тем самым силу обкатывания.
Деформирующие конические ролики 1 размещены в сепараторе 2 и контактируют с опорным конусом 3, смонтированным в корпусе 4.
Для предотвращения одностороннего нагружения коленчатого вала служат два поддерживающих ролика 5, каждый из которых опирается на два роликоподшипника 6, расположенных в нижней головке 7.
Деформирующие и поддерживающие головки устанавливают в нагружающем устройстве клещевого типа, смонтированном на токарном станке, например 1К62.
Сила деформирования создается гидроцилиндром, воздействующим на рычаги клещевого устройства.
На упрочнение не оказывают влияние отклонения линейных размеров шеек, а рабочая и опорная части деформирующих роликов разделены, чем существенно повышается их долговечность.
Диаметр деформирующего ролика — 12 мм, угол конуса — 25°, угол опорного конуса — 46°.
Радиусы закругления ролика соответствуют минимально допустимым радиусам галтелям.
Для предотвращения остаточного деформирования вала обкатывание производят в три-четыре перехода (по несколько шеек в каждом переходе).
Силу в каждом переходе создают таким образом, чтобы деформация вала, образовавшаяся за предыдущий переход, компенсировалась при последующем переходе.
В результате достигается соосность коренных шеек 0,01...0,03 мм, не требуется холодная правка вала, а их сопротивление усталости повышается на 55...75 %.
Полирование шеек коленчатого вала алмазными лентами.
Полирование производят на специальном станке одновременно всех коренных и шатунных шеек.
Станок обеспечивает вращательное и возвратно-поступательное (колебательное) движения обрабатываемого вала и прижим с регламентированной силой.
Постоянный контакт инструментов и детали обеспечивается за счет синхронного вращения копиров и обрабатываемого вала.
Нарезанные кусочки алмазной ленты наклеиваются на башмаки с дугообразной рабочей частью.
Радиальная сила прижима инструмента к шейке вала создается пружиной.
При полировании необходимо обеспечивать постоянный подвод СОЖ в зону обработки.
Режим полирования: частота вращения вала — 0,8 с-1; сила прижима инструмента — 120 Н; амплитуда колебаний — 4 мм; частота колебаний — 0,5 с-1; СОЖ — ОСМ-1.
Полирование шеек коленчатого вала пастами.
В качестве полирующего материала применяют пасту ГОИ или алмазную пасту.
Давление полировальных хомутов на шейки вала должно быть в пределах 100...120 Н/м2.
Продолжительность полировки при частоте вращения коленчатого вала 150 мин-1 составляет 3...5 мин.
Суперфиниширование.
Для доводки шеек вместо полирования применяют также суперфиниширование.
Суперфиниширование выполняют головкой, оснащенной абразивными брусками, на специальном полуавтомате 3875К.
Зернистость брусков 4...8.
В качестве СОЖ используют смесь керосина с маслом или жидкость ОСМ-1.
Суперфиниширование выравнивает точность размеров, а также снижает шероховатость шеек, вызванную неоднородностью условий предшествующей обработки.
При шлифовании валов под суперфиниширование оставляют припуск 0,005 мм.
Уравновешивание коленчатых валов нарушается вследствие износа трущихся поверхностей (при эксплуатации), неравномерном наращивании изношенных поверхностей и механической обработке.
Увеличенный в результате этого дисбаланс приводит к дополнительным вибрациям, ухудшающим работу двигателя.
Уравновешенность вала достигается либо сверлением отверстий, либо фрезерованием щек.
Балансировку коленчатых валов проводят на станке КИ-4274.
