Технологический процесс изготовления коленчатого вала.
Получение заготовки.
Заготовки коленчатых валов получают горячей штамповкой и литьём. Кованые коленчатые валы изготовляются из углеродистых и легированных сталей, а литые валы – из высокопрочных глобулярных чугунов, из ковких перлитных чугунов и легированных сталей. Литьё выполняется в земляные и оболочковые формы. Последний метод является более прогрессивным, т.к. он обеспечивает более высокую точность заготовки, снижает припуски на механическую обработку, а в некоторых случаях полностью её устраняет.
Изготовление заготовок коленчатых валов горячей штамповкой отвечает требованиям поточно-массового производства, т.к. этот метод приближает форму и размеры заготовки к форме и размерам готовой детали за счёт применения специальной технологической оснастки и специального оборудования, что снижает отход металла в стружку при механической обработке. При этом обеспечивается выгодное расположение волокон в металле, что повышает прочностные показатели деталей.
Технологический процесс изготовления заготовки коленчатого вала автомобиля ЗИЛ-130.
Исходным материалом для заготовки служит сталь 45, имеющая следующие механические свойства: твёрдость в нормализованном виде НВ 163—197; sв=61кГ/мм2; sт=36 кГ/мм2. Химический состав стали в %: 0,42—0,50 С; 0,17—0,37 Si; 0,50—0,80 Мn. Заготовка коленчатого вала изготовляется из штанги квадратного сечения 120х120 мм, длиной 875 мм, весом 96,95 кг. Отход на угар, заусенцы и клещевину составляет 40%. Поковка коленчатого вала весит 58 кГ. Требования, предъявляемые к качеству поковки: штамповочные уклоны максимум 5°; неоговоренные радиусы – не более 3 мм; поверхности вала, не подлежащие обработке, должны быть чистыми (без окалины, закатов, плён, расслоений и трещин); не допускается устранение дефектов зачеканкой и заваркой; твёрдость поковки НВ 163—197.
Схема технологического процесса изготовления коленчатого вала.
| Операция | Оборудование и оснастка |
| Резка штанги на длину заготовки с предварительным подогревом до 450--550° С | Нагревательная шахтная печь, пресс-ножницы |
| Нагревание заготовки до 1220--1340° С | Полуметодическая печь |
| Предварительная штамповка при 1000° С (минимальная температура) | Паровой штамповочный молот, штамп |
| Окончательная штамповка | То же |
| Обрезка заусенца и клещевины (допускается заусенец не более 2,5 мм) | Обрезные пресс и штамп |
| Выкрутка 2 и 3-го колена относительно 1 и 4-го на 90°±2° (горячая) | Выкрутная машина |
| Правка заготовки в двух ручьях (горячая) | Паровой молот, правильный штамп |
| Подогрев вала (по мере необходимости) | Полуметодическая печь |
| Выкрутка остальных колен (горячая) | Выкрутная машина |
| Нормализация (температура печи 850--870° С, время нагрева 35 мин, охлаждение на воздухе) | Конвейерная печь |
| Контроль твёрдости (диаметр отпечатка 4,3—4,7 мм) | Пресс Бринеля, измерительная лупа |
| Очистка заготовки травлением или дробью | Травильный агрегат, дробемётная камера |
| Холодная правка по коренным шейкам (допускается биение шеек I и V не более 2,5 мм; биение хвостовика не более 3 мм относительно тех же шеек) | Правильный гидравлический пресс |
| Окончательный контроль |
Заготовка подвергается термообработке (нормализации), это регламентирует твёрдость, снимает внутренние напряжения, что обеспечивает более производительную и качественную механическую обработку. При изготовлении горячештамповочных заготовок коленчатых валов требуется обеспечить особенно высокое уплотнение металла в местах наибольших напряжений (по коренным и шатунным шейкам) за счёт качественной проковки.
Не следует допускать перерезания волокон в местах сопряжения шеек вала со щёками. Современные технологические процессы изготовления горячештамповочных заготовок коленчатых валов обеспечивают кривизну вала 1,0—1,3 мм, овальность шеек 1,5—2,0 мм, продольный и поперечный перекосы 1,0—2,0 мм, неперпендикулярность торца фланца 0,5—0,8 мм, припуски по диаметру шеек 5,0—6,5 мм, припуски по торцам щёк 3,0—4,0 мм.
В условиях крупносерийного и массового производства заготовки стальных коленчатых валов штампуются на ковочных прессах, это обеспечивает более высокую производительность (до 2 раз) по сравнению со штамповкой на молотах. Кроме того, штамповка на прессах повышает точность заготовки за счёт уменьшения штамповочных уклонов и позволяет снизить припуски на механическую обработку (на 30--40%) за счёт лучшего обжатия металла в штампах и повышения точности формы заготовки. Лучшие результаты получаются, когда сочетаются штамповка на ковочных прессах с высадкой фланца на ГКМ. Горячештамповочные заготовки коленчатых валов изготовляются по 8—9-му классам точности.
Заготовки чугунных коленчатых валов получают литьём в земляную или оболочковую форму. При литье валов коренные и шатунные шейки изготавливают полыми за счёт установки литейных стержней. У крупных литых валов делают полыми и щёки, что снижает вес вала. У литых валов исключается трудоёмкая обработка масляных каналов, т.к. при отливке вала ставятся специальные трубки. Структура литого вала способствует лучшему гашению вибрации при работе двигателя. При отливке в земляную форму в качестве связующего используют жидкое стекло, которое скрепляет форму при продувке её углекислым газом.
Более прогрессивным методом изготовления заготовки коленчатых валов является литьё высокопрочного глобулярного чугуна (sв=61кГ/мм2 и НВ 185—255) в оболочковые формы. Литьё в оболочковые формы обеспечивает высокий коэффициент использования металла, высокое качество отливки, точность до 5-го класса и чистоту до 4-го класса по ГОСТ 2789—59. Высокая точность отливки позволяет сократить трудоёмкость механической обработки (на 20—25%) за счёт уменьшения припусков. Литые валы лучше обрабатываются, менее чувствительны к концентрации внутренних напряжений и имеют меньшую начальную неуравновешенность, что облегчает условия эксплуатации станков и инструментов.
В условиях крупносерийного и массового производства изготовления оболочковых форм на основе термореактивных смол может быть организовано по полуавтоматическому или автоматическому циклу, а литьё деталей в оболочковые формы производится на конвейере. Эти особенности оболочкового литья позволяют сократить технологический цикл изготовления заготовок коленчатых валов, потребность в площадях заготовительных цехов, а также потребность в формовочных материалах в 10—15 раз. Литые заготовки коленчатых валов подвергают термообработке (нормализация, обжиг) с целью снятия внутренних напряжений и выравнивания структуры. После термообработки литой вал правят в горячем состоянии. Отливки коленчатых валов характеризуются следующими данными; припуски по диаметру шеек 3,0—3,5 мм; смещение отливки по линии разъёма формы 0,2—0,4 мм; припуски по торцам со стороны шеек 1,5—2,0 мм; овальность шеек 0,5—1,0 мм; кривизна вала 1,0—1,5 мм.
Механическая обработка коленчатых валов.
Технологический процесс механической обработки усложняется в связи с тем, что они имеют сложную конструкцию недостаточной жёсткости и сравнительно легко деформируются под действие сил резания, в то время как высокие требования к точности обрабатываемых поверхностей вызывают особые требования к выбору методов базирования, закрепления и обработки вала, а также к последовательности, сочетанию операций и выбору оборудования. Как правило, базами коленчатого вала принимаются поверхности его опорных шеек. Однако не на всех операциях механической обработки возможно использовать эти базы. В некоторых случаях на отдельных операциях за технологическую базу принимают поверхности центровых отверстий. При проектировании процесса механической обработки стремятся компенсировать недостаточную жёсткость коленчатого вала за счёт введения промежуточных опор по длине вала. При использовании таких опор в качестве дополнительных баз принимают поверхности предварительно обработанных шеек.
Как правило, после обработки технологической базы в виде центровых отверстий обработку вала ведут с дополнительной опорой в средней его части. Кроме того, снятие припуска при механической обработке разбивается на ряд операций (черновая, получистовая, чистовая, доводочная), что позволяет снижать усилия резания, а следовательно, и упругие отжатия по мере приближения размеров заготовки к заданным размерам по чертежу вала. Существенное влияние на конечный результат обработки коленчатого вала оказывает установление надлежащего порядка обработки поверхностей. Более ответственные и точные поверхности должны обрабатываться последними со снятием минимальных припусков. Точность механической обработки повышается за счёт холодной правки вала в процессе механической обработки. При обработке шатунных шеек они устанавливаются со смещением от оси коренных шеек на величину радиуса кривошипа вала, а в угловом положении ориентируются по обработанным площадкам на щёках. На точность обработки влияют усилия закрепления вала на отдельных операциях, поэтому следует регламентировать их (величину и место приложения).
Сложность конструкций коленчатых валов и большое количество разнообразных технологических операций являются значительным затруднением в направлении полной автоматизации процессов механической обработки. В связи с этим автоматизация изготовления коленчатых валов осуществляется за счёт создания отдельных автоматических участков и высокопроизводительных автоматических станков для отдельных видов обработки: подрезка торцов и центровка, токарная обработка коренных и шатунных шеек, сверление отверстий, шлифование, суперфиниширование, динамическое балансирование.