Технология изготовления коленчатых валов  03.04.2018 18:47

Технология изготовления коленчатых валов

Назначение коленчатых валов, условия работы, кон­структивные особенности.   Кривошипно-шатунный механизм ком­прессора, состоящий из коленчатого вала, шатуна, крейцкопфа или поршня, служит для преобразования вращательного движе­ния коленчатого вала в возвратно-поступательное движение крейцкопфа или поршня, а также для передачи усилия с колен­чатого вала на поршень цилиндра для производства работы — сжатия газов.

  Коленчатый вал является наиболее нагруженной деталью компрессора, так как всю мощность от двигателя он передает шатунам и масляному насосу. Коленчатый вал во время работы испытывает переменные динамические нагрузки, поэтому он дол­жен быть достаточно жестким, чтобы под действием рабочих нагрузок обеспечивать необходимую точность движения переме­щающихся частей, обладать высоким сопротивлением усталости. Трущиеся поверхности коленчатого вала должны иметь высокую износостойкость.

  Коленчатые валы отличает ряд конструктивных особенностей, обусловливающих специфику их обработки :

 - цилиндрические поверхности не имеют общей оси — коренные шейки  
 - расположены на одной оси, а шатунные  — на других осях;

 - наличие сравнительно больших плоских поверхностей, не яв­ляющихся поверхностями вращения;

 - наличие различного числа колен, расположенных под опреде­ленными углами.

  Коленчатые валы компрессоров разных типов можно разбить на три технологические группы:

 - коленчатые валы первой технологической группы имеют сле­дующие параметры: диаметр шатунной шейки 30—85 мм; длина ко­ленчатого вала 25—1000 мм; масса коленчатого вала 3—50 кг;

 - вторая технологическая группа: диаметр шатунной шейки 90—130 мм; длина коленчатого вала 1000—2000 мм; масса колен­чатого вала 75 — до 250 кг;

третья технологическая группа: диаметр шатунной шейки 130—300 мм; длина вала 2000—6000 мм; масса вала 400—6000 кг.

  Производство коленчатых валов различных технологических

групп отличается технологией изготовления, применяемым обо­рудованием, методами термической обработки, подъемно-транс­портными средствами.

  Материал и способы получения заготовок. Коленчатые валы изготовляют из высококачественной углеродистой стали марок 40 и 45 или легированной стали марки 40Х. Марку стали выбирают так, чтобы обеспечивались высокая пластичность и возможность закалки трущихся поверхностей. В связи с низкими литейными свойствами стали и недопустимостью каких-либо пороков в ма­териале (свойственных стальному литью) заготовки коленчатых валов получают обработкой давлением.

  В единичном и мелкосерийном производствах для коленчатых валов третьей технологической группы заготовками являются поковки. Форма и размеры поковок значительно отличаются от формы и размеров готовых коленчатых валов. Поковки выполняют на мощных парогидравлических прессах.

  В серийном и крупносерийном производствах заготовки валов второй технологической группы получают горячей штамповкой. Штамповка заготовок включает в себя предварительную и оконча­тельную штамповку, обрезку облоя на обрезном прессе, горячую правку в штампах подмолотом. Поковки коленчатых валов подвер­гают термической обработке для получения определенного ка­чества материала.

  Штампованные заготовки подвергают нормализации для сня­тия внутренних напряжений. Режим нормализации: загрузка в печь при 450 °С; нагрев в течение 8 ч до 950 С; выдержка в печи в течение 3 ч при температуре 950 °С; охлаждение с печью в тече­ние 3 ч до 640 °С; охлаждение на воздухе.

  После термической обработки заготовки очищают от окалины. Поковки небольших размеров очищают от окалины путем дробе­струйной обдувки, а на крупных поковках окалину снимают пневматическими молотками. Для испытания механических свойств материала поковок припуск на длинном конце вала увеличивают на 60—100 мм (для изготовления образцов). При испытании образцов производят проверку на ударную вязкость, предел текучести, относительное удлинение и твердость.

  Очень малые коленчатые валы (например, для компрессоров домашних холодильников) изготовляют непосредственно из прутка, т. е. резанием без предварительной обработки давле­нием.

  Весьма перспективно изготовление коленчатых валов из моди­фицированного литейного чугуна марки ВЧ 50-1,5, так называе­мого высокопрочного чугуна.   Проведены экспериментальные ис­следования по применению чугунных коленчатых валов для ком­прессоров средней мощности. Длительные испытания компрессора с литым коленчатым валом показали целесообразность его при­менения. Литые чугунные коленчатые валы имеют существенные 74 преимущества по сравнению е коваными и штампованными сталь­ными!

возможность получения более рациональных конструктив­ных форм, например, пустотелых шеек и щек, что помимо облегче­ния вала позволяет значительно снизить трудоемкость получения масляных каналов;

более высокий коэффициент использования металла за счет меньшего количества снимаемой стружки; например, на литых чугунных автомобильных коленчатых валах снимается стружки в 3 раза меньше, чем на штампованных стальных; помимо эконо­мии металла снижаются затраты труда на обработку;

шатунные шейки коленчатых валов из высокопрочного чугуна можно не подвергать термической обработке, так как ан­тифрикционные свойства этого чугуна настолько высоки, что износ шеек без термической обработки меньше, чем у закаленных стальных;

меньше чувствительность чугуна и концентрации напря жений.

Литые чугунные коленчатые валы широко применяют в авто­тракторной промышленности.

Перспективным направлением является применение сборной конструкции коленчатого вала. Коренные и шатунные шейки изготовляют отдельно, затем собирают путем запрессовки в со­ответствующие отверстия пластин-щек. В этом случае весьма упрощаются как заготовительные процессы, так и процессы меха­нической обработки.

  Изготовление коленчатого вала рассмотрим на примере колен­чатого вала унифицированного поршневого компрессора П110.

  Основные поверхности и анализ технологичности конструкции коленчатого вала Коленчатый вал — двухопорный, колена расположены под углом 180".

На концах вал имеет центровые отверстия, являющиеся искус­ственными технологическими базами для основных операций

  Для облегчения обработки размеры канавок под призматиче­ские шпонки в основном унифицированы. Это позволяет обрабаты­вать все пазы одной фрезой. Шпоночная канавка (на правом конце вала) не может быть унифицирована, что объясняется иными усло­виями работы сопрягаемой с ней шпонки.

  Внутренние резьбы предназначены для установки заглушек на свободных концах масляных каналов Все внутренние резьбы имеют одинаковые диаметр и шаг. Это позволяет сверлить от­верстия сверлом одного диаметра, нарезать резьбы одним метчи­ком. На собранном компрессоре  участок вала 080 мм с отверстием под масляный канал находится внутри корпуса сальника, куда масло нагнетается насосом, а затем через систему масляных каналов подается к трущимся поверхностям шатунных шеек и нижних головок шатунов.

  Шатунные шейки испытывают во время работы трение и потому для повышения износостойкости их подвергают поверхностной закалке на глубину 3 ± 0,5 мм до твердости HRC 52—62, пара­метр шероховатости поверхности шатунной шейки Ra 0,32 мкм.

Коренные шейки сопрягаются с внутренними кольцами под­шипников качения и потому не испытывают трения Диаметраль­ные размеры 090кб коренных шеек унифицированы. Параметр шероховатости их поверхности Ra 1,25 мкм.

Правый (длинный) конец вала имеет конический участок, сопрягаемый со шкивом-маховиком. Коническое сопряжение по­зволяет лучше центрировать шкив-маховик, чем цилиндрическое сопряжение с зазором. Применение же посадки с натягом затруд­няет снятие шкива-маховика, которое часто производят при ремонте.

    Анализ технических требований. 
  Посадочные поверхности ша­тунных шеек брабатываются по квалитету 7, корен­ных шеек — по квалитету 6, с параметром шероховатости поверх­ности соответственно Ra = 0,32 ... 1,25 мкм.

Предъявляются повышенные требования к точности геометри­ческой формы коренных и шатунных шеек. Овальность и конус­ность допускаются в пределах 0,5 допуска на диаметральный размер, что составляет величину порядка 0,01 — 0,02 мм. Если допустить большие отклонения от геометрической формы корен­ных и шатунных шеек, то это приведет к ускоренному износу подшипников качения и вкладышей нижних головок шатунов. Значительная овальность конусного участка будет вызывать рас­шатывание шкива на валу, а на участке 0 80 мм — нарушение герметичности сальника.

  Строгие требования предъявляются к точности взаимного расположения обеих коренных шеек 0 90кб и конусного участка. Допуск радиального биения коренных шеек относительно оси коленчатого вала 0,03 мм, других участков — 0,05 мм. Биение коренных шеек приводит к ускоренному изнашиванию подшип­ников. Назначаются также допуски параллельности оси шатун­ных шеек осям коренных шеек в пределах 0,02 мм на 100 мм длины. Невыполнение этого требования приводит к расшатыванию шатуна на коленчатом валу, а за ним всей шатунно-поршневой группы. Биение торцов (связанных размерами 301 ± 0,2; 315_0,зз и 80+о.5змм) в пределах 0,03—0,06 мм на диаметре 100 мм.

Назначаются также допуски расположения боковых поверх­ностей шпоночных пазов: допуски параллельности относительно оси и симметричности относительно диаметральной плоскости вала 0,03—0,05 мм на 100 мм длины. Коленчатые валы компрес­соров П110, П220, П165 предельно унифицированы. Это позволяет использовать при изготовлении коленчатых валов указанных 76
компрессоров одинаковое оборудование и практически ту же оснастку.

Материал и вид заготовки колен­чатого вала. Коленчатый вал компрес­сора П110 изготовляют из стали 45. Заготовка получена горячей штампов­кой. Противовесы отштампованы заод­но целое с валом. Масса заготовки 98 кг. Коэффициент использования ме­талла 0,78 Общий припуск на корен­ные шейки составляет 15 мм на диа­метр, а на шатунные шейки — 10 мм. Общий припуск на длину вала состав­ляет 40 мм, т. е. по 20 мм на каждый конец (объясняется округленной фор­мой концов штампованной заготовки).

Для выравнивания и улучшения структуры, а также для устранения внутренних напряжений заготовки вала до начала механической обработки подвергают нормализации. Затем очищают от ока­лины в дробеструйной камере.

Выбор маршрута обработки и оборудования. На маршрут обработки коленчатого вала в большой степени влияет наличие операции термической обработки шатунных шеек. Эту операцию желательно выполнить как можно раньше, потому что после нее в заготовке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к изменению взаимного положения поверхностей вала. С другой стороны, термическую обработку следует проводить после токарной обработки шатунных шеек и после сверления Ь них масляных каналов. В противном случае выполнение этих операций станет невозможным из-за высокой твердости закален­ного слоя.

Таким образом, маршрут обработки вала можно разбить на два этапа. Первый этап — обработка заготовки до термической обработки шатунных шеек, а именно: подрезка торцов, сверление центровых отверстий, токарная обработка коренных и шатунных шеек, сверление отверстий под масляные каналы в них. Второй этап — после закалки шатунных шеек: вторичная центровка, так как после закалки центровые отверстия могут потерять точ­ность своей формы; окончание токарной обработки длинного конца вала, сверление отверстий 0 18.4+0'33 мм и нарезание в них резьб, нарезание наружных резьб, фрезерование шпоночных ка­навок, окончательная обработка посадочных шеек вала.

  В условиях серийного производства в основном используют универсальное оборудование со специальными приспособлениями. Исключение составляют некоторые операции, например, шлифо­вание шатунных шеек (которое трудно выполнить на станке общего назначения).

  По мере увеличения объема производства компрессоров, что стало возможным благодаря унификации компрессоров и их деталей, целесообразно применение специализированных станков, многорезцовых гидрокопировальных полуавтоматов, агрегатных станков. Так, изготовление коленчатых валов производится иа механизированной поточной линии, в которой все оборудование расположено по ходу технологического процесса, усовершенство­вана транспортировка заготовок с одной операции на другую. На всех операциях применяется высокопроизводительное обору­дование и специальные приспособления, позволяющие обеспечить требуемое качество и точность деталей.

  Проектирование основных операций механической обработки. На первых операциях механической обработки обрабатываются поверхности, которые впоследствии используются как базовые для большинства операций. Для коленчатого вала такими базами являются центровые отверстия.

  Коленчатый вал устанавливается в призмы  по поверхностям коренных шеек с фиксацией в осевом направлении по упору. Торцы обрабатываются фрезами с твердосплавными пластинками, а центровые отверстия — сверлами из быстрорежущей ста­ли Р18

  Автоматический цикл работы станка состоит из следующих этапов: подвод стола с заготовкой к фрезам, рабочая подача инструментального шпинделя (фрезерование), отвод стола от фрез в исходную позицию, подвод сверлильных шпинделей к заго­товке, рабочая подача сверлильных шпинделей (сверление), отвод сверлильных шпинделей в исходное положение, выключение станка.

Одновременное фрезерование двух торцов обеспечивает их параллельность.   Кроме того, использование данного станка позво­ляет получить центровые отверстия с осями, перпендикулярными торцам.

  Особенностью обработки на фрезерно-центровальном станке является получение заготовок с одинаковой глубиной центровых отверстий, что позволяет при последующей токарной обработке на универсальных станках обеспечить требуемую точность линей­ных размеров. При использовании в последующем гидрокопи­ровальных автоматов точность зацентровки по глубине не имеет значения

Далее следуют операции предварительного обтачивания ко­роткого и длинного концов вала с подрезкой торцов.

  Выполняется операция на гидрокопировальном полуавтомате 1Б732. Для выполнения операции обтачивания применяют также многорезцовые гидрокопировальные полуавтоматы типа 1719, 1Н713, 1722, 1723.

  Заданные размеры получаются автоматически, поэтому за­готовку необходимо базировать в продольном направлении по торцу А, для чего передний центр станка должен быть плавающим (подпружиненным). При поджатии заготовки задним центром она вместе с передним центром перемещается влево, пока поверх­ность А не коснется шпинделя.

  Для ускорения закрепления заготовки на станке пнноль задней бабки перемещается н закрепляется гидравлическим устройством.

Обтачивание поверхностей осуществляется резцом, установ­ленным в гидрокопировальном суппорте. Резец с помощью гидра­влического следящего устройства воспроизводит на заготовке форму установленного на станке копира. По окончании обработки резец быстро отводится от заготовки и переходит в исходное положение.

  Подрезка торцов выполняется с помощью переднего подрез­ного суппорта Полуавтоматы имеют достаточно большую мощность главного привода и большую жесткость, что позволяет применять более форсированные режимы резания, чем на универсальных станках.

  В серийном и мелкосерийном производствах для обтачива­ния ступеней вала применяют станки с программным управле­нием.

Токарные станки с программным управлением (16К20ПУ, 1Б732ФЭ и др.) оснащают одним или двумя суппортами с поворот­ными резцедержателями, револьверной головкой и суппортом. В зависимости от выбранной схемы возможна последовательная, параллельная и параллельно-последовательная обработка.

На этих станках по программе меняется лишь подача, частота вращения шпинделя не регулируется, ее устанавливают по диа­метру средней шейки вала.

  В единичном производстве для этих операций применяют универсальные токарные станки.

После обработки коренных шеек коленчатого вала обрабаты­ваются шатунные шейки.

  Предварительное обтачивание шатунных шеек выполняется на специальном многорезцовом станке МК-857. На данной опера­ции базовыми поверхностями являются обработанные на предыду­щей операции коренные шейки. Она состоит из планшайбы , навинчиваемой на шпиндель станка и являющейся ведущей, и планшайбы 4 — ведомой, вращающейся на бронзовой втулке, закрепленной на шпинделе задней бабки. Коренные шейки обра­батываемого коленчатого вала устанавливают во втулках крон­штейнов 3, привернутых к планшайбам болтами. Для уравновеши- 60 

вания приспособления к планшайбам прикреплены чугунные противовесы.

  Обтачивание шатунных шеек в мелкосерийном и единичном производствах  выполняется на универсальных токарных станках с помощью специальных приспособлений (центросме- стителей).

Вращение заготовке вместе с центросместителями  и  сооб­щается специальной планшайбой, навинченной на шпиндель. На планшайбе размещаются передний центр , кулачки , противовес, компенсирующий неуравновешенность относительно

оси вращения шатунной шейки. Центросместители обеспечивают совмещение оси обрабатываемой (сначала одной, потом другой) шатунной шейки с осью шпинделя.

  Шатунные шейки валов третьей технологической группы обра­батываются на специализированных станках. Вал устанавливается на призмы коренными шейками и во время обработки остается неподвижным. Обработка шатунных шеек осуществляется рез­цами, закрепленными на суппортах, расположенных на вращаю­щейся кольцевой планшайбе.

  Следующая операция перед термической обработкой шатунных шеек — сверление отверстий в них на радиально-сверлильном станке 2М55.

Коленчатый вал устанавливают в поворотное приспособление, установочными базами являются коренные шейки. На шатунную шейку устанавливают кондуктор и сверлят 4 отверстия в одной шейке, затем коленчатый вал поворачивают на 180° и сверлят отверстия в другой шатунной шейке. На этом завершается первый этап обработки коленчатого вала.

Далее выполняют операцию термической обработки шатунных шеек. Поскольку здесь требуется местная поверхностная закалка с отпуском, нагрев ведут токами высокой частоты.

Коленчатый вал устанавливают на специальном станке в го­ризонтальном положении. Шатунные шейки закаливают с по­мощью разъемных кольцевых индукторов, состоящих из двух половин, образующих замкнутый контур, по которому пропускается электрический ток высокой частоты. К источнику этого тока индуктор подключается шинами , изолированными друг от друга диэлектриком 6. Для обеспечения лучших условий передачи тока основные части половинок индуктора соединены с шинами  и  набором гибких пластин 8 из тонких полос меди Другие концы  и  половин индуктора во время термической обработки плотно прижаты друг к другу прижимом. По оконча­нии термической обработки этот прижим снимается, обе половины индуктора раскрываются, поворачиваясь вокруг шарниров , индуктор отводится в сторону, а затем ставится в другую шейку Применение кольцевых индукторов позволяет автоматизировать управление процессом. В качестве охлаждающей среды применяют воду, которая подается по трубкам  в камеры А и Б, а отво­дится вода через трубку  из камеры А и многочисленные мелкие отверстия из камеры Б.

Твердость шатунных шеек проверяют до окончательного шли­фования не менее чем в двух точках. Глубину закаленного слоя проверяют на образцах для партии коленчатых валов 50 шт.

После термической обработки вала, перед тем как приступить к окончательной обработке ступеней вала, производят растачи­вание центровых отверстий 

  Операцию выполняют на универсальном токарно-винторезном станке мод. 16К20 за два установа. Обработка производится специально заточенным резцом. Назначение операции состоит как в исправлении формы центрового отверстия, которая могла быть искажена вследствие больших нагрузок при выполнении черновых операций, так и в исправлении положения центровых отверстий, которое могло измениться в результате действия внутренних напряжений при термической обработке. Применение резца, а не конического зенкера объясняется тем, что резец, являясь однолезвийным инструментом, меньше отжимается под действием сил резания, чем зенкер.

  Последующие токарные операции завершают обработку ко­роткого и длинного концов вала. Выполняется чистовое обтачи­вание на станках тех же моделей, что и при черновом обтачивании и при тех же схемах обработки, но при других режимах резания.

  После чернового обтачивания всех посадочных шеек вала про­изводится сверление трех отверстий 0 18,4 мм и одного 0 10 мм. Операцию выполняют на агрегатно-сверлильном станке с помощью сверлильных силовых головок. Коленчатый вал базируется корен­ными шейками в призмах и закрепляется.  

  В мелкосерийном производстве эти операции выполняют на специальном станке для глубокого сверления.

Последующие сверлильные операции выполняют на радиально- сверлильном станке с использованием специального приспособле­ния, представляющего собой поворотный стол, на котором за­крепляются разные кондукторы. Сочетание поворотного стола со сменными, прикрепляемыми к нему кондукторами позволяет значительно упростить конструкцию и обслуживание кондукторов в тех случаях, когда отверстия расположены с разных сторон заготовки, тем самым расширяя технологические возможности станка. В этой операции сверлят все оставшиеся отверстия зенкуют фаски в трех отверстиях 0 18,4 мм, нарезают в них резьбу М20х 1,5—7Н на длину /=15 мм. В связи с унифи­кацией резьб нарезание производят без смены метчика. При зенко­ван™ фасок и нарезании резьб планки с кондукторными втулками должны быть откинуты или вынуты кондукторные втулки. Для нарезания глухих резьб применяют предохранительные патроны.

  Следующая операция — нарезание наружных резьб иа трех участках вала. Операцию выполняют на токарно-винторезном станке резьбовым резцом при установке вала в центрах.

  Шпоночные пазы в зависимости от их вида фрезеруют диско­выми или концевыми фрезами. Установку коленчатого вала про­изводят в двух призмах с базированием по коренным шейкам, или в центрах — с базированием по центровым отверстиям.

  С точки зрения точности взаимного расположения шпоночных пазов относительно оси вала предпочтителен второй вариант уста­новки. Фрезерование шпоночных пазов для данного вала выде­лено в две операции.

Одну операцию выполняют на фрезерно-шпоночном станке, где фрезеруют два шпоночных паза шириной 10 мм каждый конце­вой фрезой. Вторую операцию выполняют на вертикально-фрезер­ном станке, где фрезеруют канавку шириной 12 мм под сегментную шпонку на конусном участке вала. Обрабатывают канавку дисковой фрезой Совместить эти две операции в одну нецелесообразно в связи с тем, что канавки обрабатываются различными инструментами.

  Одно из основных требований, предъявляемых к фрезерованию шпоночных канавок, — обеспечение параллельности их боковых плоскостей к оси вала — выполняется благодаря наличию уста­новочных шпонок  в основании (плите)  приспособления, рас­положенных в одном из пазов стола, и точному положению базо­вых плоскостей призм  относительно этих шпонок.

  Последующие операции — шлифование коренных, шатунных шеек и конусного участка коленчатого вала.

  Шлифование коренных шеек и конусного участка вала вы­полняют на круглошлифовальном станке  в две опера­ции — предварительное и окончательное шлифование. В качестве базовой поверхности приняты центровые отверстия. Шлифование может производиться методом продольной или поперечной по­дачи. Обработка с поперечной подачей (врезное шлифование) отличается высокой производительностью, особенно при обработке набором кругов, когда одновременно шлифуют несколько шеек.

Комментарии

Комментариев пока нет