CC BY
73
Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, An-zev@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vitchuk Natalia Andreevna, assistant, vitchuk. natalya@mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch)
УДК 621.982.7
ПРЕЦИЗИОННАЯ ПРАВКА КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ УДАРНОЙ
ЧЕКАНКОЙ ЩЕК
В.Н. Емельянов, В.И. Бережнов, О.М. Мирзахамдамов
Описаны результаты исследований двух способов прецизионной правки коленчатых валов ударной чеканкой щек.
Ключевые слова: коленчатый вал, прецизионная правка, ударная чеканка, коренная шейка.
К геометрической форме коленчатых валов (КВ) предъявляются весьма высокие требования. Так, биение средних коренных шеек КВ относительно крайних, как правило, не должно превышать 0,02 - 0,05 мм. Столь жесткие требования очень сложно выполнить в условиях производства. Например, при изготовлении КВ на одном из предприятий после суперфиниша коренных и шатунных шеек биение средних коренных шеек (КШ) КВ выше допустимого (0,04 мм) имело около 80 % валов. Максимальная величина биения составляла 0,18 мм. Поэтому в технологические процессы изготовления коленчатых валов, как правило, вводят одну или несколько операций холодной правки на прессах (ХПП).
В процессе эксплуатации КВ двигателей внутреннего сгорания имеют место задиры шеек, заклинивание коренных и шатунных вкладышей, поршней, обрывы клапанов, шатунов и другие повреждения. В результате КВ изгибаются, приобретают остаточные прогибы, которые выражаются в увеличении биения КШ. Примерно 15...30 % (в зависимости от модели) КВ автомобильных двигателей, поступивших в капитальный ремонт, имеют биения до 1...3 мм и более.
Прогиб КВ до 0,2 мм устраняют шлифовкой коренных шеек, при больших прогибах стальные КВ правят на прессах в холодном состоянии, чугунные КВ предварительно подогревают до 400...450 С.
Количество КВ, требующих правки, составляет с ненаплавленными КШ 81,6 %, с ранее наплавленными КШ - 8,4 %. Процент валов с биением КШ более 0,5 мм составляет 11.. .15 %.
331
При проведении восстановительных операций (например, наплавке) вследствие значительных термических напряжений происходит коробление КВ, поэтому после наплавки необходимо проведение операции правки, которую проводят на прессах. При многодуговой наплавке КВ двигателя ГАЗ-52 биение КШ доходит до 2,5 мм.
Из-за отрицательных последствий правки на прессах на сопротивление усталости КВ введены допустимые для правки величины прогибов. Так, НАТИ рекомендует править на прессах КВ тракторных двигателей: до закалки шеек со стрелой прогиба / < 1,5 мм, после закалки шеек - с / < 1 мм. Техническими требованиями на ремонт двигателей ЗИЛ-130 и ЗМЗ-53 установлена допустимая величина прогиба КВ / < 2 мм. Германская фирма "Даймлер-Бенц" подвергает правке КВ автомобильных двигателей с / < 0,7 мм.
Таким образом, в процессе ремонта и восстановления КВ необходимо проведение неоднократных правок валов в результате изгибов КВ, полученных при эксплуатации (из-за заклинивания поршней и т.п.), ремонте и проведении операций наплавки. В настоящее время наиболее широкое применение нашла холодная правка на прессах (ХПП). Однако она имеет серьезные недостатки.
1. Эта правка нетехнологична. Остаточный прогиб вала будет равен алгебраической сумме упругопластической и упругой деформации. Практически это учесть весьма сложно, возникают неоднократные "недогибы" и "перегибы" вала. Время правки увеличивается. Квалификация рабочего должна быть высокой. При правке на прессах в зависимости от исходного прогиба КВ производится от 1 до 15 (!) нагружений вала. Вал изгибают на величину, в 10-15 раз превышающую исходный прогиб, т. е. до 3...5 мм. Каждое нагружение сопровождают выдержкой 0,5.3 мин. Точность правки КВ рекомендуют повторно проверять после выдержки не менее суток в связи с возможностью его полного или частичного возврата к исходной до правки форме.
2. Процесс правки КВ на прессах является плохо управляемым в связи с неравномерной жесткостью КВ в различных сечениях и направлениях. Иногда при вертикальном приложении силы коренные шейки КВ перемещаются в горизонтальном направлении.
3. Геометрическая форма деталей после ХПП нестабильна и даже при обычном вылеживании без внешних нагрузок имеет тенденцию к самопроизвольному частичному или полному возврату детали к исходной (до правки) форме из-за проявления обратного упругого последействия.
4. ХПП во многих случаях может вызвать разрывы сплошности, особенно в местах концентрации напряжений, в том числе и в местах неметаллических включений, газовых пузырей и т. д., которые могут послужить эпицентром развития усталостных трещин. Такая опасность особенно велика при ХПП деталей с охрупченным поверхностным слоем (например, после закалки, химико-термической обработки деталей).
5. ХПП закаленных деталей на прессах практически невозможна из-за их повышенной упругости и хрупкости.
6. ХПП часто приводит к снижению сопротивления усталости валов на 10...30 % и более. Иногда во время ХПП происходят поломки КВ, особенно чугунных.
Таким образом, ХПП отрицательно влияет на эксплуатационные показатели качества КВ. Поэтому для ответственных валов холодная правка на прессах категорически запрещается, о чем делается соответствующая запись в технических условиях на КВ.
В связи с изложенным и в нашей стране, и за рубежом разработаны и разрабатываются альтернативные способы правки, в частности, способы и устройства для правки КВ с помощью ударной чеканки.
На рис. 1 приведена схема правки КВ рассредоточенной чеканкой щек. С помощью стрелок показаны те участки поверхностей щек, которые обрабатываются. В качестве инструмента используют либо шаровой молоток, либо боек со сферической рабочей частью. Авторы способа считают, что можно допустить не более 3 - 4 ударов по одному и тому же месту, так как при повторных ударах эффективность правки снижается. Этим способом возможно устранить относительно небольшую кривизну КВ -до 0,03.0,05 % длины вала, если исходный прогиб КВ находится в плоскости кривошипов. На рис.1, а, б с помощью стрелок показаны те зоны щек плоских КВ, которые необходимо обработать чеканкой при различных исходных прогибах КВ, показанных утолщенными линиями.
При правке шестиколенных КВ появляется возможность правки исходного прогиба, не совпадающего с плоскостью кривошипов. В этом случае обрабатывают щеки кривошипов, лежащих в разных плоскостях с таким расчётом, чтобы вектор геометрической суммы векторов правки от обработки этих щек был направлен в сторону, противоположную исходному прогибу КВ.
Рис. 1. Зоны рассредоточенной чеканки при различных исходных
прогибах КВ
Усталостные испытания образцов КВ, обработанных различными способами, показали следующее. Пределы выносливости на изгиб образцов, выправленных ударной чеканкой, не выправленных и выправленных
а
6'
под прессом с созданием в галтели шатунных шеек (ШШ) остаточных напряжений сжатия, практически одинаковы. После правки на прессе с созданием в галтели ШШ остаточных напряжений растяжения предел выносливости снижается на 36.70 % в зависимости от уровня последних.
Способ правки КВ путем ударной чеканки локальных участков ("точек") их щек отличается тем, что с помощью чеканки обрабатываются резко ограниченные, локальные участки - "точки". Кроме того, в одну точку наносятся не менее 20 ударов бойка. Это вызвано следующими соображениями. В работе проф. И. В. Кудрявцева [3] показано, что при многократном динамическом вдавливании шарика диаметр пластических отпечатков от него возрастает с увеличением числа ударов. Это увеличение постепенно затухает, но, тем не менее, продолжается до весьма значительного числа повторений ударных воздействий - до 10 - 20 раз.
Следовательно, с увеличением числа ударов сферического бойка по одному и тому же месту до 10 - 20 ударов растут (с постепенным затуханием) диаметр пластического отпечатка, зона распространения пластической деформации вокруг него, глубина наклепа, а, следовательно, глубина залегания остаточных напряжений и зона их распространения вокруг пластического отпечатка. А это означает, что осуществляется процесс правки.
После 18 - 20 ударов запасы пластичности этого локального участка, видимо, исчерпываются, рост перечисленных параметров останавливается, процесс правки прекращается. Количество пластически деформированных локальных участков, их расположение и режимы чеканки определяются экспериментальным путем.
В такой ситуации становится возможным четко определить величину правки КВ от обработки одного локального участка, определить необходимое количество таких участков в зависимости от исходного прогиба КВ. Это дает возможность использовать описанный способ в крупносерийном и массовом производстве без измерения биений коренных шеек (КШ) КВ до и после правки, если известно, что в результате осуществления предшествующей операции КВ был покороблен на определенную величину в определенном направлении (такая ситуация обычна после упрочнения галтелей КШ и ШШ различными способами ППД с целью повышения их сопротивления усталости).
Способ исследовался на КВ по рис. 2. Материал КВ - сталь 45. Для экспериментов использовался пневмомолоток МР5 (энергия удара Эу = 9 Дж, число ударов бойка в мин - 1200). В буксу пневмомолотка вкладывался боек, рабочая часть которого затачивалась по сфере диаметром В = 8 мм. Обрабатывались локальные участки П на поверхности щеки (рис. 2) в области наименьшей ее жесткости, лежащей между КШ и ШШ.
Результаты многочисленных экспериментов позволили сделать следующие выводы.
1. Геометрическая форма КВ чутко реагирует на количество локальных участков, обработанных чеканкой, а также на количество ударов бойка на каждом локальном участке. Это позволяет осуществлять процесс
правки с весьма высокой точностью, не доступной для общепринятой ХПП. Поэтому процесс правки валов с помощью чеканки можно назвать прецизионной правкой.
2. Вектор правки лежит в плоскости кривошипа с небольшим (± 515°) отклонением от нее.
3. Чеканка одного локального участка более 1 сек нецелесообразна, так как за одну секунду происходят 20 ударов бойка, и процесс правки прекращается.
Рис. 2. Плоский КВ с двумя шатунными шейками
При накатывании на специальном полуавтомате галтели 2 у 117 КВ по рис. 2 (с режимом Р=1800 Н, п=106 об/мин и т = 50 сек) наблюдалось коробление КВ. Левая КШ перемещалась из положения I по рис.2 в положение II. Среднее арифметическое значение величины коробления КВ в сечении Б-Б составило 0,055 мм. Для восстановления исходной геометрической формы КВ оказалось достаточным нанести три пластические «точки» П на левую щеку КВ с координатами, показанными на виде А рис.2. Механизм правки и основные положения теории правки валов ударной чеканкой приведены в работах [1, 2].
На рис.3 приведены данные по биению шеек вала в сечении Б-Б по данным 117 опытов до накатывания, после накатывания галтели 2 при P = =1800 Н и после правки чеканкой щеки П. Хорошо видно, что КВ стабильно возвращаются в исходное положение.
По результатам данных, приведенных на рис. 3, была построена практическая кривая распределения величины правки. Она соответствовала теоретической кривой Релея. По характеру измерения величина правки КВ в каждом сечении является существенно положительной случайной величиной, имеющей как радиус-вектор двухмерное рассеивание. Рассеяние существенно положительной величины (правки) по закону Релея свидетельствует о нормальном стабильном ходе технологической операции правки коленчатого вала.
Весьма важным является вопрос стабильности геометрической формы КВ, полученной в результате упрочнения его галтели и последующей чеканки щек (после правки вала под прессом почти всегда наблюдает-
ся явление обратного упругого последействия, что приводит по прошествии некоторого времени к короблению коленчатого вала и нарушению его правильной геометрической формы).
мкм
80 70 60 щ 50 43 40 30 20 10
Рис. 3. Биение КШ КВ по рис. 2 в сечении Б-Б до и после накатывания
галтели 2 при Р = 1800 Н и после правки чеканкой щеки П: 1 - до накатывания; 2 - после накатывания; 3 - после правки
Измерения биения КШ у 45 КВ после накатывания галтели 2 и правки чеканкой локальных участков щеки проводились в течение 30 месяцев и показали, что биение КШ за это время практически не изменилось. Таким образом, геометрическая форма КВ после их правки чеканкой щек весьма стабильна и не изменяется с течением времени при вылеживании КВ.
Не менее важным является вопрос стабильности новой геометрической формы КВ под действием рабочих нагрузок. Четыре двигателя с КВ по рис. 2 после накатывания галтели 2 и правки чеканкой локальных участков щек, испытывались в течение 24 часов при работе двигателей под 100 %-ной нагрузкой. Выяснилось, что новая геометрическая форма КВ сохраняется и при длительной работе под 100 %-ной нагрузкой.
Усталостные испытания КВ по рис. 2 проводились на усталостной машине, создающей знакопеременный симметричный консольный изгиб в плоскости кривошипа с максимальным напряжением в галтели 2 (или в примыкающей щеке). В результате получены следующие результаты.
1. После накатывания галтели 2 предел выносливости КВ в этом сечении увеличивается на 27 % по сравнению с серийными КВ.
2. Нанесение на левую щеку трех пластических точек не сказывается на сопротивлении усталости щеки. Этого следовало ожидать, так как трех пластических точек недостаточно, чтобы дать заметный прирост предела выносливости.
3. После сплошной чеканки щеки предел выносливости в сечении щеки увеличивается на 21 %.
4. После правки на прессе предел выносливости КВ в сечении щеки снижается на 23 %.
Для оценки возможностей правки КВ описанным способом были проведены исследования этого процесса при правке КВ повышенной жесткости. Материал КВ - сталь 45Г, длина - 940 мм, диаметры КШ и ТТТТТТ ~ ~100 мм, радиус кривошипа - 70 мм, перекрытие КШ и ТТТТТТ ~ 30 мм.
При использовании молотка МР5А с энергией удара 12 Дж достигнута суммарная величина правки КВ 0,04.0,05 мм. При использовании молотка ИЭ4204 с энергией удара 25 Дж достигнута суммарная величина правки КВ 0,13.0,15 мм, т. е. 0,016 % от длины КВ.
Как и в случае правки КВ рассредоточенной чеканкой поверхностей щек, этот способ можно применить для правки и тех коленчатых валов, шатунные шейки которых расположены под углом 90 или 120°. При этом, обрабатывая чеканкой с различными режимами щеки, расположенные под углом друг к другу, необходимо добиться, чтобы суммарный вектор правки получил нужное направление. Это было подтверждено экспериментально на коленчатых валах с шатунными шейками, расположенными парами под углом 120°. Материал и размеры этих валов (кроме длины) аналогичны КВ, описанным в предыдущем абзаце. Величина правки сравнительно невелика и составляет обычно не более 0,03 .0,05 % длины КВ.
В заключение следует отметить, что ударную чеканку (и другие способы поверхностного пластического деформирования) можно успешно использовать (и используют) не только для правки КВ, но и других деталей машин: прямых валов, колец подшипников, пластин, рессор и др.
Список литературы
1. Емельянов В.Н. Правка прямых и коленчатых валов поверхностным пластическим деформированием // Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием: монография / под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 252 - 293.
2. Емельянов В.Н. Прецизионная правка прямых и коленчатых валов чеканкой // Мир техники и технологий (Международный промышленный журнал "The World of Technics and Technologies"). 2009. №6 (91). С. 36 - 39.
3. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом (методом чеканки) // Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа: Труды ЦНИИТМАТ. Кн.108: М.: Изд-во «Машиностроение», 1965. 212 с.
Емельянов Валерий Николаевич, д-р техн. наук, проф., Valery.Emelyanov@novsu.ru, Россия, Великий Новгород, Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого,
Бережнов Вячеслав Игоревич, студент, s2l2733 a std.novsu.ru, Россия, Великий Новгород, Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого,
337
Мирзахамдамов Одилджон Мирзакомил Угли, студент, s22395 7@std. novsu. ru, Россия, Великий Новгород, Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого
PRECISION STRAIGHTENING OF CRANKSHAFTS BY IMPECT CALKING OF CHEEKS V.N. Emelyanov, V.I. Berezhnov, O.M. Mirzakhamdamov
Results of research of two ways of precision straightening of crankshafts by impact calking of cheeks are described.
Key words: crankshaft, straightening, impact calking, main bearing.
Emelyanov Valery Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Va-lery.Emelyanov@novsu.ru, Russia, Novgorod the Great, Yaroslav-The-Wise Novgorod State University,
Berezhnov Vyacheslav Igorevich, student, s212733@std.novsu.ru, Russia, Novgorod the Great, Yaroslav-The-Wise Novgorod State University,
Mirzakhamdamov Odiljon Mirzakomil Ugli, student, s22395 7@std. novsu. ru, Russia, Novgorod the Great, Yaroslav-The-Wise Novgorod State University
УДК 621.91
ИЗМЕНЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ ВАЛА ПРИ ЕГО ШЛИФОВАНИИ С БАЗИРОВАНИЕМ В ПОЛУЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОПОРЕ
А.В. Щурова
В процессе эксплуатации роторов турбин шейки их валов подвергаются износу. Крупногабаритные валы турбин целесообразно восстанавливать на местах их эксплуатации. В связи с этим рассматривается возможность обработки шеек валов непосредственно базированием по обрабатываемым поверхностям в подшипниках корпусов турбин. Одним из вопросов обработки является определение окончательного положения оси шейки, что определяет последующий дисбаланс ротора. Для этого рассмотрен случай обработки круглым шлифованием. Использование имитационного моделирования показало, что величина смещения оси шеек валов на начальных стадиях обработки возрастает, но далее уменьшаться в зависимости от выбора определенных параметров технологической системы и режима обработки.
Ключевые слова: восстановление шеек валов турбин, базирование по обработанной поверхности, шлифование, несоосность.
В энергетике применяются роторы турбин, шейки валов которых закрепляются в подшипниках скольжения. В процессе эксплуатации данные шейки изнашиваются, что требует извлечения роторов для последующего восстановления изношенных поверхностей. Одним из традиционных
338
