Технологические процессы изготовления характерных деталей

Ступенчатые валы

Валы предназначены для передачи крутящих моментов и мон­тажа на них различных деталей и механизмов. Конструктивно ступенчатые валы подразделяют на гладкие, фланцевые и валы- шестерни. В общем случае они представляют собой сочетание гладких посадочных и непосадочных, шлицевых, шпоночных, резьбовых и переходных поверхностей. Для уменьшения массы валов их часто выполняют пустотелыми. Если отношение дли­ны вала к среднему диаметру L / D ≤ 12, вал считают жестким, при L / D > 12 — нежестким.

Технические требования, предъявляемые к валам, характе­ризуются следующими данными.

Диаметральные размеры посадочных шеек выполняют по IT7, 1Т6, реже по IT5, других шеек — по IT 10, IT 11; допуски на длину ступеней вала назначают в пределах 0,1...0,4 мм.

Допуски формы (отклонения от круглости, цилиндричности и прямолинейности) обычно составляют часть допуска Т _i, на вы­полняемый диаметральный размер (для тел вращения, напри­мер, до 0,ЗТ _i). Допуски расположения — отклонения от парал­лельности шпоночных канавок или шлицевых поверхностей от­носительно оси не более 0,1 мкм на 1 мм длины; отклонения от перпендикулярности для опорных заплечиков под подшипники и привалочных фланцевых поверхностей валов не более 0,1 мкм; соосность поверхностей в пределах 0,01...0,03 мм.

Неравномерность шага шлицевых поверхностей, их смеще­ние относительно оси должно быть не более 0,02 мм. Допускае­мые биения посадочных шеек относительно базовых поверхнос­тей не должны превышать 0,01...0,03 мм, а непосадочных 0,05...0,10 мм. Шероховатость поверхности посадочных шеек Ra =  0,8...0,2 мкм, непосадочных шеек Ra = 3,2...6,3 мкм.

Валы, работающие с высокой частотой вращения, подверга­ют динамической балансировке, их дисбаланс не должен превы­шать 12...40 г мм. Ступенчатые валы изготовляют из стали ма­рок 25, 35, 40, 45, 35Х, 40Х, 40ХН, 45ХНМ, 38Х2ЮА, 38Х2МЮА и других, подвергаемой для повышения износостойкости и фи­зико-механических свойств материала различным видам терми­ческой обработки. Валы из малоуглеродистых сталей цементи­руют на глубину 0,7... 1,2 мм, обеспечивая твердость после за­калки и отпуска в пределах 55...58 HRC; из среднеуглеродистых сталей подвергают улучшению, нормализации или поверхност­ной закалке, а валы из высоколегированных сталей (38Х2ЮА, 38Х2МЮА и др.), работающие при высоких скоростях скольже­ния, азотируют на глубину 0,3...0,4 мм, обеспечивая твердость до 1000 HV.

Заготовки для ступенчатых валов в серийном производстве при небольших перепадах диаметров ступеней получают резкой из горячекатаного проката. При значительных перепадах диа­метров ступеней заготовки валов изготовляют ковкой на моло­тах или прессах. В крупносерийном и массовом производстве заготовки ступенчатых валов получают штамповкой из проката, высадкой на горизонтально-ковочных и обжатием на радиаль­но-ковочных машинах, поперечно-клиновой прокаткой. Эти ме­тоды (кроме последнего) обеспечивают коэффициент использо­вания материала К _и.м ≈ 0,7. При поперечно-клиновой прокатке K _и.м ≥ 0,85. Типовой ТП изготовления заготовок состоит из сле­дующих операций: отрезания заготовки из проката, ее нагреве до температуры ковки, непосредственного формоизменения, уда­ления заусенцев или облоя, термической обработки и правки. После пластического деформирования заготовку подвергают тер­мической обработке в целях снятия остаточных напряжений и обеспечения необходимой структуры металла.

Основными факторами, определяющими технологию изготов­ления и применяемое оборудование, являются конструкция вала, его размеры и жесткость, технические требования, программа выпуска.

При обработке заготовок валов в качестве технологических баз используют центровые отверстия, которые позволяют обра­батывать почти все наружные поверхности вала на единых базах с установкой в центрах. Жесткие требования на линейные раз­меры обеспечиваются применением плавающего переднего центра и базированием заготовки по торцу, от которого выдерживают размеры при токарной обработке и шлифовании заплечиков. Это исключает влияние погрешности зацентровки вала на точность линейных размеров.

Маршрут обработки заготовок в центрах включает обычно следующие операции: создание базовых поверхностей, черновое и чистовое обтачивания, черновое шлифование шеек, фрезеро­вание шпоночных пазов, сверление отверстий, нарезание резьб, термическую обработку, зачистку центров, шлифование шлицев, окончательное шлифование шеек, микрофиниширование шеек, контроль размеров вала. Для обеспечения заданной точности в маршруте необходимо соблюдать принцип постоянства баз при обработке практически всех ответственных поверхностей: поса­дочных шеек, торцевых заплечиков, боковых поверхностей шпо­ночных пазов и шлицев, а также обеспечивать соосность шеек и внутренних поверхностей. Точность обработки после каждого перехода повышается, число переходов для каждой элементар­ной поверхности зависит от точности исходной заготовки и тех­нических требований на деталь.

Обработку заготовок нежестких валов ведут с использованием в схеме установки дополнительных опор: неподвижных и под­вижных люнетов. Для применения неподвижного люнета в мар­шрут изготовления вала включают дополнительные операции об­работки шейки под люнет (а в ряде случаев и контрольных пояс­ков, используемых при выверке заготовки на станке). Такую шейку выполняют на середине заготовки, а неподвижный люнет уста­навливают на станине станка. Подвижный люнет располагают на суппорте токарного станка, осуществляющем подачу: при этом опорные ролики люнета контактируют с обрабатываемой поверх­ностью. Кроме того, если допускают технические требования, мар­шрут изготовления нежестких валов дополняют операциями прав­ки. На стадии выполнения операций обработки стараются умень­шить силы резания, снижая глубину резания и подачу инструмента, а также изменяя у резцов главный угол в плане.

Ступенчатые валы изготовляют различными сериями, исполь­зуя для этого разные структурные схемы операций и оборудова­ние, однако общая последовательность операций остается оди­наковой для любого типа производства.

В серийном производстве при отсутствии специального обо­рудования базовые поверхности валов обрабатывают на токар­ном станке за два установа. Заготовку закрепляют в патроне, подрезают торец, центровым сверлом обрабатывают отверстия. После перезакрепления переход повторяют. Смена баз и перезакрепление заготовки приводят к возникновению погрешнос­ти расположения осей центровых отверстий относительно оси, вследствие которой в процессе обработки заготовка будет ба­зироваться по кромкам конических поверхностей, вызывая их смятие и погрешности формы. Создание базовых поверхностей таким способом характерно для заготовок валов, осей, торсионов и требует для повышения точности обработки введения в процесс дополнительных операций правки и восстановления ба­зовых поверхностей. Центровые отверстия по большому диа­метру D конуса (рис. 5.14, а—в) обрабатывают с допуском Т _D =  0,2...0,5 мм, что вызывает изменение глубины центрового от­верстия на ∆ l = 0,5 Т _D / tg 30° = 0,17...0,43 мм. Такое изменение при отсутствии опорной торцевой базы приведет к погрешности линейных размеров.

Рис. 5.34. Виды центровых отверстий (а—в) и торцеподрезной инстру­мент для обработки центрового отверстия (г)

 

В крупносерийном и массовом производстве для обработки базовых поверхностей применяют фрезерно-центровальные полу­автоматы МР-71,..., МР-74 и автоматы А981, А982. Для обработ­ки заготовку устанавливают в призмы и в осевом положении ба­зируют по торцевой поверхности, расположенной предпочтитель­но посредине вала для равномерного распределения припуска по торцам. На первой позиции торцевой фрезой обрабатывают тор­цы, на второй — центровые отверстия. Для обеспечения шерохо­ватости конической поверхности с параметром Ra = 1,6 мкм по­дача центрового сверла должна быть 0,05...0,06 мм/об. Соосность осей самоцентрируюгцих призм и шпинделей станка обеспечива­ет минимальную погрешность зацентровки.

В последнее время в крупносерийном и массовом производ­стве применяют однопозиционные станки, оснащенные торце­подрезным инструментом (рис. 5.34, г), конструкция которого обеспечивает идентичность глубины центровых отверстий (раз­мер l) и соответственно стабильность точности обработки ли­нейных размеров. Инструмент работает со скоростью резания около 70 м/мин для пластин и около 20 м/мин для сверл.

Токарную обработку валов в серийном производстве выпол­няют на станках с ЧПУ моделей 16К20ФЗ, 16К.20Т1.02, 1716ПФ30 и других, работающих по полуавтоматическому циклу. Оснащен­ные 6- и 8-позиционными инструментальными головками с го­ризонтальной осью поворота или магазином эти станки приме­няют для обработки заготовок со сложным ступенчатым и кри­волинейным профилем, включая нарезание резьб. Наличие в головке нескольких инструментов позволяет вести многопере­ходную обработку поверхностей, устойчиво обеспечивая квали- тет точности IT 10 и выше. Схема обтачивания вала на станке с ЧПУ приведена на рис. 5.35.

Рис. 5.35. Схема обтачивания вала на станке с ЧПУ:

а — чистовой проход; б — нарезание резьбы

 

Время обработки на станках с ЧПУ по сравнению со стан­ками с ручным управлением сокращается в 1,5—2 раза за счет сокращения вспомогательного времени и интенсификации ре­жимов резания.

В крупносерийном производстве обработку валов ведут на многорезцовых или гидрокопировальных полуавтоматах. Точность обработки на многорезцовом полуавтомате в значительной сте­пени зависит от положения резцов в наладке. Неодновременное начало и окончание их работы вызывает изменение отжатий тех­нологической системы, что приводит к возникновению погреш­ности формы обрабатываемых поверхностей. В общем случае точ­ность обработки соответствует IT10, IT 11, а точность линейных размеров и их стабильность выше, чем на обычных станках. Мно­горезцовые полуавтоматы более эффективны при тонком обта­чивании (точность обработки соответствует IT9). Время наладки и подналадки гидрокопировальных станков в 2—3 раза меньше времени наладки многорезцовых станков и составляет в сред­нем 30 мин. Точность обработки на гидрокопировальных стан­ках соответствует IT 10.

В последнее время в целях расширения технологических воз­можностей гидрокопировальных полуавтоматов их выпускают с многоинструментальными головками и устанавливают дополни­тельные каретки (рис. 5.36). Заготовку устанавливают на цент­ры, используя плавающий передний центр; координацию линейных размеров ведут от упора в левую торцевую поверхность.

Поверхности вала обрабатывают резцом 1, им же обтачивают хвостовик. Резцом 2 обтачивают поверхность под шлицы, рез­цом 4 подрезают торец, а резцом 3 — канавку под стопорное кольцо. Иногда для подрезки торцев используют несколько рез­цов, расположенных в разных плоскостях.

Рис. 5.36. Схема обработки ступенчатого вала на гидрокопировальном полуавтомате

 

В массовом производстве обработку валов ведут на AЛ, ском­понованных из фрезерно-центровального и нескольких гидро­копировальных станков с автоматической загрузкой и транспор­тировкой заготовок роботами портальной конструкции.

Точность обработки обеспечивают проведением при проек­тировании операции необходимых точностных расчетов, назна­чением на их основе режимов резания, а также использованием адаптивных систем управления. На станках с ЧПУ точность фор­мы повышают путем предыскажения траектории движения ин­струмента.

Обработку шлицевых поверхностей валов ведут на шлице­фрезерных станках червячными шлицевыми фрезами при уста­новке заготовок в центрах. Если шлицевая поверхность пре­дусматривает центрирование по наружнему диаметру, то обра­ботку выполняют фрезами, имеющими у основания зубьев фланк для обработки фасок на вершинах шлицев. При центри­ровании вала по внутреннему диаметру шлицы обрабатывают фрезами с усиками для одновременного прорезания канавок во впадинах, чтобы облегчить процесс шлифования шлицев. Если центрирование соединения ведут по внутреннему диамет­ру и боковым поверхностям одновременно, то профиль зубьев фрезы имеет более сложную форму. Канавки во впадинах иногда обрабатывают дисковыми фрезами отдельно. Припуск на шли­фование шлицев после термической обработки предусматрива­ют до 0,1 мм на сторону. Шероховатость после фрезерования составляет по боковой поверхности Ra = 10 мкм, по дну впади­ны Ra = 5 мкм; точность обработки соответствует IT9, IT10. Шлифованием шлицевых поверхностей точность обработки по­вышают до IT8, IT9; погрешность шага уменьшают до 0,01 мм, а шероховатость поверхности — до Ra = 0,4 по дну и Ra = = 1,8 мкм по боковой поверхности.

Шлицевые поверхности с эвольвентным профилем нарезают фрезами с прямолинейным профилем зуба. Фрезерование от­крытых шпоночных пазов выполняют дисковыми срезами на шпоночно-фрезерных станках. Закрытые шпоночные пазы (рис.5.37) обрабатывают шпоночными, концевыми или сверло­пазовыми фрезами. Для облегчения работы шпоночных и кон­цевых фрез вначале сверлят отверстие на полную глубину паза сверлом меньшего диаметра, чем ширина паза, а затем осевой подачей вводят фрезу и обрабатывают паз.

В серийном производстве обработку таких пазов ведут мето­дом «маятниковой подачи», используя шпоночные фрезы (см. рис. 5.37). В результате на боковых поверхностях пазов появля­ются продольные риски. Для обеспечения натяга в соединении паз калибруют зачистным проходом, который выполняют с при­менением патрона, регулирующего эксцентриситет фрезы. Точ­ность обработки ширины паза соответствует IT8, IT9 при шеро­ховатости боковой поверхности Ra = 5 мкм. Смазочные отвер­стия различного назначения в зависимости от конструкции вала обрабатывают на сверлильных станках с вертикальной или го­ризонтальной осью расположения шпинделя.

Резьбы на валах в массовом производстве нарезают твердо­сплавным инструментом на автоматах и станках с ЧПУ, работа­ющих по автоматическому циклу. Точность обработки резьбы соответствует полю допуска 6h. Перед резьбонарезанием шейки валов шлифуют с точностью до IT7. Менее ответственные резь­бы на валах получают резьбофрезерованием. В серийном произ­водстве резьбы нарезают на токарно-винторезных станках обыч­ным способом, а также на станках с ЧПУ.

Посадочные шейки валов шлифуют дважды (предварительно и окончательно) методом продольного или врезного шлифования при установке заготовок в центрах.

Рис. 5.37. Схема обработки закрытого шпоночного паза

 

Предварительным шлифова­нием обеспечивают квалитет точности IT8, IT9 и шероховатость поверхности Ra = 0,4...0,8 мкм, окончательным, которое выпол­няют после термической обработки, — IT6, IT7 и Ra = 0,2...0,4 мкм.

В большинстве случаев валы шлифуют методом продольного шлифования, для которого характерно равномерное изнашива­ние круга в процессе работы, его самозатачивание, минималь­ное тепловыделение и высокое качество поверхности.

Для совмещенного шлифования характерна одновременная обработка нескольких поверхностей широким кругом (рис. 5.38). В этом случае возможна и обработка торцевых заплечиков. Об­работка вала совмещенным шлифованием ведется по автомати­ческому циклу, обеспечивая высокую производительность.

Точность формы шлифованных поверхностей определяется в значительной степени состоянием базовых поверхностей, поэто­му перед окончательным шлифованием их исправляют конус­ными абразивными кругами на специальных станках.

В отдельных случаях при обработке высокоточных валов при­меняют тонкое шлифование, когда речь идет о шероховатости поверхности Ra = 0,025...0,1 мкм; при этом снимаемый слой металла составляет 0,05...0,1 мм. Эту операцию выполняют на высокоточных станках с предварительной подготовкой круга и применением охлаждающей жидкости.

Шейки валов шлифуют и на бесцентрово-шлифовальных стан­ках методом проходного или врезного шлифования. Обрабаты­ваемую заготовку 1 устанавливают на опорный нож 3 между шли­фовальным 4 и ведущим 2 кругами (рис. 5.39). Вращение заго­товки происходит под действием силы трения, возникающей в контакте с ведущим кругом, а продольная подача достигается поворотом оси ведущего круга на определенный угол.

Рис. 5.38. Схема обработки ступен­чатого вала широким шлифоваль­ным кругом

Рис. 5.39. Схема бесцентро­вого круглого шлифования вала

Жесткость технологической системы бесцентрово-шлифовальных станков в 1,5—2 раза выше жесткости круглошлифовальных станков. Это позволяет вести обработку со скоростью резания до 60 м/с с точностью, соответствующей IT5, IT6. Бесцентровым шлифова­нием обрабатывают гладкие валы или валы, имеющие неболь­шие перепады ступеней.

После шлифования острые кромки на поверхностях валов притупляют, переходные поверхности подвергают доработке, а посадочные поверхности — суперфинишированию. В крупно­серийном и массовом производстве валы обрабатывают на АЛ, которые компонуют из специальных станков, соединенных транспортными системами с роботами для установки и снятия заготовок, а также со средствами активного контроля и цент­рализованным управлением.

Технический контроль валов предусматривает контроль всех ответственных размеров и параметров. С этой целью применяют многомерные контрольные стенды и приспособления, оснащен­ные различными приборами.

Коленчатые валы

Коленчатые валы подразделяют на цельные, составные и сбор­ные. Цельные изготовляют длиной до 5000 мм, составные — из двух секций для крупных судовых двигателей, сборные — для двигателей небольшой мощности (например, мотоциклетных). Наиболее массовыми в производстве считаются коленчатые валы автотракторных двигателей. Их длина изменяется от 400 до 1000 мм. Являясь конструктивно и технологически сложной де­талью, коленчатый вал считается одной из самых ответственных деталей двигателя. Все это обусловливает высокие требования к точности изготовления коленчатых валов: квалитет точности диа­метральных размеров коренных и шатунных шеек IT5 (реже IT6), допуски формы коренных и шатунных шеек ≤ 0,3 от допуска на диаметр этих шеек, отклонения от соосности расположения ко­ренных шеек ≤ 0,02 мм, отклонения от параллельности осей ко­ренных и шатунных шеек ≤ 0,015 мм на длине шейки, угол раз­ворота колен

 ± 30', биение коренных шеек относительно оси центровых отверстий 0,01...0,03 мм, шероховатость поверхности коренных шатунных шеек Ra = 0,08...0,2 мкм, дисбаланс колен­чатых валов 15...40 г мм, твердость коренных и шатунных шеек 58...62 HRC при глубине 3...5 мм.

Коленчатые валы бензиновых двигателей изготавливают из уг­леродистой стали марок 45, 45А, 40Х, 45Г2, 50Г и др. Для дизе­лей применяют легированные стали 18ХНМА, 40ХНМА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА и др. Хромоникелевольфрамовая сталь 18Х2Н4ВА от­личается особенно высокой прочностью (321...381 НВ) и удар­ной вязкостью. Поверхностную твердость и износостойкость уг­леродистых сталей повышают термической обработкой с нагре­вом токами высокой частоты (ТВЧ). Твердость и усталостную прочность поверхностного слоя валов из высоколегированных сталей 40ХМА, 18Х2Н4ВА обеспечивают азотированием.

В качестве материала для коленчатых валов используют и вы­сокопрочный чугун с шаровидной формой графита. Такие чугуны содержат, % (масс.): 0,2...0,25 Сг, 1,15...1,4 Мn, < 0,002...0,14 S, а также незначительное количество церия и других легирующих элементов. Механические свойства таких чугунов близки к свой­ствам высококремнистой стали. Материал имеет высокие экс­плуатационные качества и хорошо обрабатывается режущим ин­струментом. Применяют также серые чугуны, модифицирован­ные сплавом ферроцерия с магнием.

В качестве заготовок коленчатых валов автотракторных дви­гателей используют штамповки, изготовленные на AЛ. Так, за­готовку для двигателей КамАЗов получают из горячекатаной труднообрабатываемой стали 42ХМФА, легированной ванади­ем. На AЛ проводят индукционный нагрев, предварительное формоизменение заготовки вальцеванием, ее штамповку на кри­вошипном горячештамповочном прессе, обрезание облоя и вы­крутку колен на гидравлическом прессе, правку заготовки, тер­мическую обработку с контролем твердости поковок, удаление окалины. Применяемые на заводах ТП изготовления заготовок обеспечивают их высокие точностные параметры. Более круп­ные заготовки, например для тепловозных двигателей, получа­ют методом гибки с высадкой, сущность которого заключается в следующем. Слиток нагревают в газопламенной печи и на мощном прессе подвергают протяжке, в результате которой получают длинную круглую заготовку. Эту заготовку обтачива­ют по наружному диаметру в механическом цехе в целях удале­ния дефектов поверхности после ковки. Для последующего фор­моизменения участок заготовки под одно колено нагревают то­ками промышленной частоты и подают под пресс, где в штампе сначала высадкой, а затем гибкой формообразуют колено. Та­ким же образом последовательно обрабатывают каждое колено. Это позволяет, используя менее мощное оборудование, получить качественную заготовку со значительно меньшими припусками и благоприятным расположением волокон. Заготовки крупных судовых двигателей в серийном производстве изготовляют мето­дом свободной ковки универсальными инструментами. В этом случае К _и.м составляет 0,2...0,25.

Заготовки литых валов получают литьем в песчаные или обо­лочковые формы. Литье в оболочковые формы обеспечивает ква- литет точности IT12...IT14 с припусками на обработку 1,5...3 мм. Это позволяет отдельные поверхности оставлять черными и на­чинать обработку шеек шлифованием. В связи с высокой изно­соустойчивостью чугуна шейки валов иногда не подвергают тер­мической обработке.

Коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей в крупносерийном и массовом производстве получают на поточ­ных или автоматических линиях по типовым ТП. В качестве баз для обработки коренных шеек и других поверхностей принима­ют центровые отверстия, на которых выполняют черновую, чис­товую и отделочную обработки, сохраняя принцип постоянства баз. Соответственно шатунные шейки обрабатывают 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 используют поверхности щек средней коренной шейки. В серийном производстве при изго­товлении коленчатых валов специальных ответственных двига­телей ТП отрабатывают особенно тщательно. Они состоят из 40, 60 и более операций. Отдельные поверхности подвергают трех- или четырехкратному шлифованию.

Рассмотрим особенности обработки заготовки коленчатого вала для V-образного 12-цилиндрового двигателя, имеющего 6 ша­тунных и 7 коренных опор. В качестве заготовки использована штамповка, изготовленная на кривошипном горячештамповоч­ном прессе. Материал заготовки 18ХНВА. Укрупненно процесс можно разделить на четыре этапа.

1. Черновая обработка, которая заключается в удалении боль­ших объемов материала (обработка концов вала, центровых отверстий, обтачивание коренных шеек за два установа, шлифова­ние четвертой коренной шейки под люнет, обтачивание шатун­ных шеек), шлифовании коренных шеек, обработке централь­ного отверстия в коренных и отверстий в шатунных шейках; закалка и высокий отпуск.

2.  Восстановление баз — центровых фасок, шлифование пя­той коренной шейки под люнет, обработка концов вала, корен­ных и шатунных шеек, шлифование шеек, обработка контуров щек, их скосов, шлифование торцев щек, окончательная обра­ботка центрального отверстия и отверстий в шатунных шейках, обработка смазочных отверстий и старение.

3. Восстановление баз, шлифование коренных и шатунных шеек, азотирование.

4. Восстановление баз, полирование торцев щек их конту­ров, двухкратное шлифование коренных и однократное шлифо­вание шатунных шеек, полирование центрального отверстия и отверстий в шатунных шейках, балансировка детали.

После изготовления деталей выполняют контроль их раз­меров.

При обработке заготовок коленчатых валов структура пост­роения операций и применяемое оборудование зависят от объ­ема выпуска. При этом в любом процессе особое внимание уде­ляется состоянию базовых поверхностей и выполнению отделоч­ных операций для формирования высокой точности обработки.

Для снижения деформаций при обработке заготовок нежест­ких коленчатых, распределительных и других валов кроме лю­нетов применяют специальные станки с центральным или двух­сторонним приводом.

В массовом и крупносерийном производстве обработку ба­зовых поверхностей заготовок коленчатых валов выполняют спе­циальным инструментом (см. рис. 5.34, г) на торцеподрезных центровальных станках. В основу конструкции станка положен торцеподрезной полуавтомат и балансировочная машина. Обра­ботку ведут после нахождения оси, относительно которой заго­товка наиболее уравновешена. Базирование заготовки осуществ­ляют по крайним коренным шейкам.

Коренные шейки обрабатывают на специальных многорез­цовых станках с центральным или двухсторонним приводом в центрах. Обработку шатунных шеек ведут на специальных то­карных станках, основное кинематическое движение в которых задается с помощью двух эталонных коленчатых валов (рис. 5.40). Заготовка 1 вращается синхронно с эталонами 3 относительно коренных шеек. Кулисы суппорта 2 с инструментами 4, совер­шая плоскопараллельное движение, перемещаются вместе с об­рабатываемыми шейками, благодаря чему кинематика резания сохраняется неизменной.

Рис. 5.40. Схема обтачивания шатунных шеек коленчатого вала

(I — траектория движения центра обрабатываемой шейки;

II — траектория движения режущей кромки резца)

 

При обработке заготовок более крупных валов, например для тепловозных двигателей, такие станки не применяют в связи с большими вращающимися массами. Обработку шатунных шеек в этом случае ведут на токарно-дисковых станках последователь­но, одну за другой (рис. 5.41). В конструкции станка имеется вращающийся суппорт 4, который приводится во вращение зуб­чатым венцом 5 от червячного привода и осуществляет главное рабочее движение инструмента 6. Радиальное перемещение суп­порт совершает по призматическим направляющим 3.

Рис. 5.41. Схема обработки коленчатого вала на токарно-дисковом станке

 

Перед обработкой заготовку крайними коренными шейками устанавливают в призмы 1, выверяя по разметке горизонталь. Ось обрабатываемой коренной шейки совмещают с осью вра­щающегося суппорта поворотом заготовки вала вокруг его оси и поперечным перемещением корпуса 7. Заготовку по коренным шейкам закрепляют элементами 2. На таких станках обрабаты­вают и контуры щек. Точность при чистовой обработке может соответствовать IT8, IT9 при шероховатости Ra = 0,8...1,6 мкм.

Термическая обработка шеек коленчатых валов обычно за­ключается в закалке и низком отпуске до твердости 55...58 HRC. В условиях крупносерийного и массового производства закалку ведут с нагревом ТВЧ. Заготовки устанавливают вертикально шей­ками в индукторы 1 (рис. 5.42, а), нагрев ТВЧ продолжается определенное время, а затем из этих же индукторов подается вода и происходит закалка поверхностного слоя. Длительностью охлаждения регулируют температуру отпуска и соответственно твердость закаливаемой поверхности.

Если переходные поверхности валов — галтели — подверга­ют поверхностному пластическому деформированию, то в про­цессе термической обработки их защищают керамическими полу­кольцами 2 (рис. 5.42, б) или об­мазывают специальным составом, а затем (после термической обра­ботки) обкатывают роликами.

Для повышения общей устало­стной прочности и износостойко­сти поверхностей шеек коленчатых валов применяют азотирование. Для этого вал устанавливают на выдвижную платформу электри­ческой тоннельной печи, уклады­вают коренными шейками на гра­фитовые подшипники и сообща­ют ему медленное вращение для исключения деформирования в процессе азотирования. Азотиро­вание проводят в печи при тем­пературе 520...530 °С перед послед­ней отделочной операцией. Твердость поверхности на глубине 0,30...0,40 мм достигает 1000 HV и выше.

­

Рис. 5.42. Схема термической обработки коленчатого вала с нагревом ТВЧ(а) и защитные керамические полукольца (б)

 (q — направление теплового по­тока при отпуске)

 

Для ответственных двигателей в качестве отделочной опера­ции применяют микрошлифование подпружиненными шлифо­вальными брусками, совершающими дополнительно осциллиру­ющее движение в осевом направлении относительно коренных и шатунных шеек, а также наружное хонингование брусками с алмазным наполнителем.

Контроль коленчатых валов ведут на многоинструментных контрольных приспособлениях или машинах, позволяющих сра­зу определить несколько размеров и параметров.

Рычаги в шатуны

К деталям этого класса относятся собственно рычаги разной формы, тяги, серьги, поводки, коромысла, балансиры, вилки, прихваты и шатуны (рис. 5.43).

Рычаги являются звеньями кинематических цепей машин, которые выполняют требуемые перемещения деталей с необходимой скоростью или фиксируют их положение относительно других деталей.

Рис. 5.43. Конструктивные разновидности рычагов: а — рычаги;

  б — вилки

Они имеют два или большее количество основ­ных отверстий, оси которых расположены параллельно или под различными углами. Тело рычагов представляет собой стержень, как правило, некруглого сечения. Кроме основных отверстий в них могут быть шпоночные и шлицевые канавки, крепежные отверстия и прорези в бобышках.

Технические условия на изготовление деталей этого класса следующие: квалитет точности диаметров основных отверстий рычагов IT7...IT9, шатунов — IT6...IT8; отклонения межосевого расстояния основных отверстий 0,05...0,2 мм; квалитет точности размера между торцами бобышек IT 10, ITU, а ширины шпо­ночных пазов IT9, IT 10; отклонение от параллельности осей ос­новных отверстий 0,05...0,25 мм на 100 мм длины; отклонение от перпендикулярности торцевых поверхностей бобышек, голо­вок шатунов относительно оси основных отверстий 0,05...0,3 мм на 100 мм радиуса, а торцевых поверхностей лапок вилок отно­сительно оси основных отверстий 0,1...0,3 мм на 100 мм длины; отклонение от соосности наружных поверхностей головок на­груженных рычагов, тяг, серег относительно оси отверстий 0,5...1мм (из условий прочности); шероховатость поверхностей основных отверстий Ra = 0,32...2,5 мкм, торцев головок Ra =  1,25...3,2 мкм.

Рычаги и шатуны изготовляют из конструкционных и леги­рованных сталей 20, 35, 45, 35Х, 40Х, 18ХНМА, 18ГН4ВА, а также серого и ковкого чугуна СЧ10, СЧ15, КЧ37-12 и др. В за­висимости от объема выпуска, типа производства и применяемо­го материала заготовки получают ковкой, штамповкой или лить­ем. При изготовлении рычагов ковкой желательны простые фор­мы, образованные плоскими и цилиндрическими поверхностями. При получении заготовок штамповкой выбранная поверхность разъема должна обеспечить легкую выемку ее из штампа. Пред­почтительна симметричная форма заготовки относительно поверх­ности разъема и разъем по плоской поверхности (а не по криво­линейной). Это облегчает и упрощает изготовление штампов.

Для штамповки используют паровоздушные штамповочные молоты. Чем больше объем выпуска, тем больше оснований ис­пользовать высокопроизводительное оборудование: кривошипные прессы, горизонтально-ковочные машины, метод поперечно-вин­товой прокатки. Плоские рычаги (типа серег) штампуют из лис­та соответствующей толщины. Для снятия остаточных напряже­ний после штамповки и улучшения обрабатываемости после куз­нечных операций заготовки рычагов подвергают нормализации. Стальные рычаги и вилки из среднеуглеродистых сталей, работа­ющие при значительных нагрузках, для повышения прочности подвергают закалке и отпуску. Перспективным для изготовления рычагов, вилок является использование метода горячего прессо­вания порошковых материалов, позволяющего получить заготов­ки практически без пор, с мелкозернистой структурой, что обес­печивает требуемые прочностные свойства изделий. Данный ме­тод почти полностью исключает последующую механическую обработку, а при автоматизации производства — и ручной труд.

При получении заготовок литьем предпочтительнее прямо­линейная форма рычага вместо криволинейной. Это упрощает изготовление модели и формы, так как допускает разъем в од­ной плоскости. Заготовки рычагов получают литьем в песчаные формы. Для образования основных отверстий применяют стер­жни. Заготовки стальных рычагов сложной формы и небольших размеров получают литьем в керамические формы по выплавля­емым моделям. Для устранения возможного искривления рыча­ги из стали и ковкого чугуна подвергают правке до и в процессе обработки.

Для повышения точности заготовок применяют плоскостную или объемную калибровку. Плоскостная калибровка (чеканка) обеспечивает необходимую точность вертикальных размеров на отдельных участках поковок. Ее проводят в холодном состоянии на чеканочных кривошипно-коленных прессах. Поверхности, подвергнутые чеканке, в дальнейшем не обрабатывают вовсе или только шлифуют. Объемная калибровка обеспечивает точность размеров поковки в разных направлениях. Для мелких рычагов калибровку выполняют в холодном состоянии, для крупных — в горячем с нагревом заготовки до определенной температуры. Маршрут обработки заготовок рычагов резанием следующий:

1) последовательная или параллельная обработка торцевых поверхностей основных отверстий (у заготовок, подвергнутых че­канке или полученных точным литьем, эту обработку часто не проводят);

2) обработка основных отверстий;

3) обработка шпоночных пазов или шлицевых поверхностей в основных отверстиях;

4) обработка поверхностей стержня рычага, прорезей, пазов;

5) обработка вспомогательных отверстий, нарезание резьбы.

Применяют варианты маршрута, в которых первую и вторую

операции меняют местами или объединяют в одну. Например, при обработке на фрезерно-сверлильно-расточном станке в од­ной операции объединяют несколько видов обработки.

На разных этапах ТП используют различные технологичес­кие базы. При обработке торцевых поверхностей основных от­верстий за базу принимают торцы и наружные поверхности бо­бышек (рис. 5.44, а). Для обеспечения равностенности головок (рис. 5.44, б) при обработке основных отверстий за базу берут обработанные торцы и наружные необработанные поверхности головок. Для обработки шпоночных и шлицевых канавок рыча­ги базируют по обработанной поверхности одного из основных отверстий и торцев (рис. 5.44, в). Для угловой ориентации ис­пользуют либо второе отверстие, либо необработанную поверх­ность стержня, либо вторую бобышку рычага. При обработке пазов, уступов, технологических лысок, фасонных исполнитель­ных поверхностей рычагов применяют схемы базирования, по­казанные на рис. 5.44, г, д. При обработке отверстий в большой и малой головках шатуна в качестве базы используют обрабо­танные торцы, две технологические лыски на малой головке и одну лыску на большой головке рычага (рис. 5.44, е). При пост­роении маршрута обработки рычагов должен быть выдержан принцип постоянств