CC BY
15
МАШИНОСТРОЕНИЕ
V, А
УДК 621.92
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРОБЛЕНИЯ ПЛОСКИХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ С ДВУМЯ ШАТУННЫМИ ШЕЙКАМИ ПРИ НАКАТЫВАНИИ ГАЛТЕЛЕЙ
В.Н.Емельянов
EXPERIMENTAL STUDY OF HOGGING OF FLAT CRANKSHAFTS WITH TWO CRANKPINS WHILE ROLLING FILLETS
V.N.Emel'ianov
Политехнический институт НовГУ, Valery.Emelyanov@novsu.ru
Наиболее радикальным средством повышения сопротивления усталости коленчатых валов (КВ) является упрочнение их галтелей поверхностным пластическим деформированием (ППД). Однако эта операция сопровождается короблением КВ. Причем величина коробления в некоторых случаях достигает 0,2-0,6 мм и более, что недопустимо. Процесс коробления КВ при упрочнении их галтелей ППД, в частности, при накатывании галтелей, изучен в недостаточной мере. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование процесса коробления плоских КВ с двумя шатунными шейками при накатывании их галтелей, а также проверка адекватности математических моделей реальному процессу коробления КВ. Были накатаны галтели большой партии (117 штук) плоских КВ. Практическая кривая распределения величины коробления соответствует теоретической кривой Релея, что свидетельствует о нормальном стабильном ходе технологического процесса накатывания галтелей КВ. Рассчитаны коэффициенты, с помощью которых получены ожидаемые величины короблений КВ в различных сечениях. Отклонение фактических величин коробления КВ от расчетных составляет не более 15-20%, что позволяет рекомендовать предложенные формулы для расчета величины коробления КВ при обработке галтелей накатыванием роликами.
Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, коленчатый вал, накатывание галтелей, сопротивление усталости, коробление
The most radical means for increasing the fatigue strength of crankshafts (CS) is hardening of their fillets by surface plastic deformation (SPD). However, this operation is accompanied by CS hogging. Moreover, the magnitude of hogging in some cases reaches 0.2-0.6 mm or more which is unacceptable. The process of CS hogging at hardening their fillets by SPD, particularly in the fillet rolling, is not fully understood. The aim of this work is an experimental study of the process of hogging of flat CS with two crankpins while rolling their fillets, as well as verification of the adequacy of mathematical models of CS hogging. The fillets of a large batch (117) of flat CS were rolled. The practical distribution curve of CS hogging corresponds to Riley's theoretical curve, which indicates that the process of CS fillets rolling is normal and stable. The calculated ratios are used for calculating the expected values of CS hogging in different sections. The deviation of the actual values from the calculated CS hogging is not more than 15-20%. This allows recommending the proposed formulas for calculating the value of CS hogging in fillet rolling. Keywords: surface plastic deformation, crankshaft, fillet rolling, fatigue strength, hogging
Введение
Коленчатые валы (КВ) являются весьма распространенными и важными деталями. От их надежности зависит надежность двигателей в целом. Отечественное и зарубежное машиностроение накопило богатый опыт в их проектировании, изготовлении, эксплуатации и ремонте. Однако нередки случаи разрушения КВ в эксплуатации из-за недостаточного запаса сопротивления усталости.
Наиболее радикальным средством повышения сопротивления усталости коленчатых валов является упрочнение их галтелей поверхностным пластическим деформированием (ППД). Однако упрочнение
галтелей КВ ППД сопровождается короблением КВ — нарушением их исходной геометрической формы, которое выражается в увеличении биения коренных шеек КВ. Причем величина коробления в некоторых случаях достигает 0,2-0,6 мм и более, что недопустимо, так как допускаемая величина биения коренных шеек КВ находится обычно в пределах 0,02-0,06 мм. На кафедре «Технология машиностроения» НовГУ разработаны основные положения теории коробления КВ при упрочнении их галтелей ППД [1]. Однако этот процесс, в частности при накатывании галтелей, изучен в недостаточной мере.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование процесса коробления пло-
ских КВ с двумя шатунными шейками при накатывании их галтелей, а также проверка адекватности математических моделей, приведенных в работе [1], реальному процессу коробления КВ при накатывании их галтелей.
Экспериментальное исследование процесса коробления плоских КВ с двумя шатунными шейками при накатывании их галтелей
В работе [1] предложены формулы для расчета величины коробления КВ при накатывании галтелей роликами. Для расчета величины коробления КВ при накатывании валов диаметром до 30 мм с силой до 11 кН предложена формула (1):
НВ-(1-V) г Ь-с) ^ ¥
V L 'У
8Аи - K7-
(1)
E-Vctt
где 8А — величина коробления КВ в сечении А-А; К7 — коэффициент, который следует находить экспериментально; HB — твердость по Бринеллю; v — коэффициент Пуассона; E — модуль упругости первого рода, МПа; стТ — предел текучести материала, МПа; r — радиус кривошипа КВ (расстояние между осями коренных и шатунных шеек), мм; h — толщина щеки КВ, мм; b — расстояние от левой опоры до сечения, в котором измеряется величина коробления КВ, мм; L — расстояние между опорами КВ, мм; c — расстояние от упрочняемой ППД галтели до левой опоры КВ, мм; Р — сила накатывания, Н; Т — коэффициент, учитывающий неполную обработку щеки ППД; g — коэффициент, учитывающий кривизну контактирующих поверхностей накатного ролика и галтели.
Для расчета величины коробления КВ при накатывании валов диаметром 50-250 мм с силой более 11 кН предложена формула (2):
K HB-(1-v) r b - (L -c) зР— Т
8Аи - K8--E----L----(2)
где А — коэффициент, учитывающий кривизну контактирующих поверхностей накатного ролика и галтелей крупных валов.
В эти формулы входят коэффициенты К7 и К8, которые следует находить экспериментально. Эксперименты проводились с КВ, эскиз которого приведен на рис.1. Материал коленчатого вала — сталь 45, твердость после отжига НВ = 180-228, шатунные шейки диаметром 3 8 мм закаливают ТВЧ на глубину 2-4 мм до HRC = 52-62, при этом галтели радиусом 2-3,2 мм с параметром шероховатости Ra = 1,6 мкм остаются сырыми. Параметры материала КВ: НВ = 200 МПа; v = 0,25; E = 2 -105 МПа; am = 360 МПа.
Размеры КВ: r = 37,5 мм; h = 27 мм; L = 254 мм; c = 60 мм; bi в сечении А-А = 123 мм; bi в сечении Б-Б = 87 мм; bi в сечении В-В = 77 мм; bi в сечении Г-Г = 56 мм; bi в сечении Д-Д = 14 мм; bi в сечении Е-Е = 17 мм.
На специальной установке были накатаны галтели 2 у 117 коленчатых валов. Накатывание производилось роликами с режимом Р = 1800 Н, n = 106 об/мин и х = 50 сек. Величина коробления измерялась в сечении Б-Б (рис.1). По результатам измерений была построена практическая кривая распределения ве-
личины коробления КВ. С помощью критерия Пирсона х2 установлено, что она соответствует теоретической кривой распределения по закону Релея. По характеру измерения величина коробления КВ в каждом данном сечении является существенно положительной случайной величиной, имеющей как радиус-вектор двухмерное рассеивание.
h
А Б В Г
IJii
Рис.1. Плоский КВ с двумя шатунными шейками; 1-6 — номера галтелей
Рассеяние существенно положительной величины коробления по закону Релея свидетельствует о нормальном стабильном ходе технологического процесса накатывания галтелей коленчатого вала. Поле рассеяния составило 4 мкм, среднее арифметическое значение величины коробления КВ в сечении Б-Б составило 0,055 мм.
С помощью формул (1) и (2) были рассчитаны коэффициенты: К7 = 2,42; К8 = 0,1245.
С учетом этих значений коэффициентов К7 и К8 были рассчитаны величины ожидаемого коробления КВ двигателя УД-2 для различных сечений А-А — Е-Е при силе накатывания Р = 1000 Н (табл.1).
Таблица 1 Расчетные величины коробления КВ в различных сечениях
№
Величина коробления КВ, мм, в сечении
ф°р- мулы А-А Б-Б В-В Г-Г Д-Д Е-Е
(1) 0,03 0,021 0,018 0,014 0,0034 0,0042
(2) 0,026 0,018 0,016 0,012 0,0030 0,0036
В табл.2 приведены средние значения фактических величин коробления КВ по результатам 25 экспериментов.
Таблица 2 Фактические величины коробления КВ в различных сечениях
Сечение КВ по рис. 1 А-А Б-Б В-В Г-Г Д-Д Е-Е
Величина коробления 8,-, мм 0,03 0,02 0,015 0,0125 0,0028 0,0034
Величина расхождения между расчетными и фактическими величинами коробления составляет: для формулы (1) — до 25% (в среднем, до 14%), для формул (2) — до 12% (в среднем до 7,8%).
По данным табл.1 и 2 построены графики зависимости величины коробления КВ от местоположения сечения, в котором измеряется величина коробления (рис.2).
-— bi bi —-
Рис.2. Зависимость величины коробления КВ от местоположения сечения, в котором производится измерения: кривая 1
— величина 5 рассчитана по формуле (1) (табл.1); кривая 2
— величина 5 рассчитана по формуле (2) (табл.1); кривая 3 построена по экспериментальным данным (табл.2)
Из анализа данных табл.1, 2 и рис.2 следует, что отклонение фактических величин коробления КВ от расчетных составляет в среднем не более 15-20% (25% максимум), что позволяет рекомендовать вышеприведенные формулы для расчета величины короб-
ления КВ при обработке галтелей накатыванием роликами. Заметим также, что при использовании формулы (2) погрешность расчета примерно вдвое меньше, чем при использовании формулы (1).
Выводы
1. Впервые показано, что рассеяние величины коробления плоских КВ с двумя шатунными шейками при накатывании их галтелей соответствует закону Релея. Это свидетельствует о нормальном стабильном ходе технологического процесса накатывания галтелей таких коленчатых валов.
2. Зависимости (1) и (2), предложенные в работе [1], адекватно описывают процесс коробления плоских КВ с двумя шатунными шейками при накатывании их галтелей.
Емельянов В.Н. Основные положения теории коробления коленчатых валов при упрочнении их галтелей и правке поверхностным пластическим деформированием // Вестник НовГУ. Сер.: Естеств. и техн. науки. 1997. №5. С.29-34.
References
Emel'ianov V.N. Osnovnye polozheniia teorii korobleniia kolenchatykh valov pri uprochnenii ikh galtelei i pravke poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Basics of the theory of hogging crankshafts at hardening their fillets and editing by surface plastic deformation]. Vestnik NovGU. Ser. Estestvennye i Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Natural and Engineering Sciences, 1997, no. 5, pp. 29-34.
