Финишная обработка коленчатых валов, методы контроля их базовых размеров

Министерство  сельского хозяйства РФ

Департамент научно-технологической

политики  и образования

ФГОУ  ВПО

Ярославская государственная сельскохозяйственная академия 
 

Кафедра «Технический сервис»

Реферат по «Чистовой обработке деталей»

на тему: 

«Финишная обработка коленчатых валов, методы контроля их базовых размеров» 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент 52 группы

инженерного факультета

Курзин  С.В. 

Проверил: ст. преподаватель, к.т.н.

Карпов  Д.С. 
 

Ярославль 2011 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………3

           1 Технология финишной обработки……………………………………………………………4

           2  Методы контроля базовых  размеров коленчатого вала…………………………………...11

           2.1 Окончательный контроль коленчатых валов……………………………………………………...12

            Литература....................................................................................................................................15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение 

  Практика  показывает, что межремонтный срок капитально отремонтированных автотракторных двигателей редко превышает 50% от срока службы новых.

  Коленчатый  вал является одной из основных тяжелонагруженных  деталей двигателя, определяющих его  ресурс.

  Износостойкость и усталостная прочность коленчатого  вала во многом зависят от качества поверхностного слоя  шеек и галтелей после их восстановления или механической обработки на  ремонтные размеры.

  Ремонтные предприятия не могут обеспечить качественную отделку шеек и галтелей коленчатых валов автотракторных двигателей по шероховатости поверхности и структурному состоянию материала, как это предусмотрено техническими условиями на их ремонт.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Технология финишной обработки

  Финишная  обработка шеек коленчатых валов осуществляется, как правило, после шлифования на полировальных, суперфинишных станках или стендах упрощенной конструкции, на которых отделка шеек  производится с помощью сжимков, выложенных внутри войлоком, покрытых абразивной пастой или абразивными  брусками, кусками шлифовальной ленты.

  Технология  доводки шеек на этих станках и стендах малопроизводительна. При этом обработка галтелей не производится. Процесс отделки шеек ведется в течение 8–12 мин. Снимаемый слой металла не превышает 1,5–3,5 мкм, а обработка сводится к сглаживанию микронеровностей от предыдущей операции, после чего процесс самопроизвольно затухает и прекращается. Образуемый в процессе полирования или суперфиниширования  микрорельеф  поверхности  неоднороден и  сохраняет  следы  глубоких  шлифовочных рисок и прижогов из-за невозможности удаления указанными методами всего дефектного слоя, сформированного в процессе шлифования. 

  Изучение  опыта работы машиностроительных предприятий  и научных разработок в области  отделочной обработки деталей машин  позволило  нам предложить ремонтным  предприятиям использовать в качестве метода финишной обработки шеек и галтелей коленчатых валов автотракторных двигателей ленточное шлифование, вместо малопроизводительных на этой операции процессов суперфиниширования и полирования.

  Особенностью  предположенного способа обработки  является наложение дополнительных поперечных осциллирующих движений на бесконечную шлифовальную ленту. При этом полирование шейки и двух прилегающих к ней галтелей производится путем поступательного движения шлифовальной  ленты по вращающейся шейке коленчатого вала с поочередным набеганием на каждую галтель. 

  Предложенный  способ был назван вибрационно-ленточным  полированием (ВЛП) бесконечной шлифовальной лентой.

  ВЛП позволяет  вести процесс со снятием слоев  металла величиной 10–12 мкм за 20 с, при этом стабильно обеспечивается обработка цилиндрической части шеек с шероховатостью поверхности 10-го класса, а галтелей – 8-го класса, как это предусмотрено техническими требованиями на обработку этих поверхностей по ГОСТ4689 и ГОСТ10158.

  Проведенные электронно-микроскопические исследования микрорельефа поверхностей шеек коленчатых валов после различных методов финишной обработки, приработки на стенде и после пробега автомобиля  20 тысяч км показали, что наиболее благоприятный микрорельеф поверхности с точки зрения

приработки и  эксплуатации шеек коленчатого вала обеспечивает ВЛП шеек бесконечными алмазными лентами со съемом припуска около 10 мкм. Микрорельеф поверхности, образуемый алмазными  лентами,  имеет равномерные следы обработки, весьма незначительно засорен продуктами резания и наиболее приближен к микрорельефу шеек после приработки.

  Однако  исследование процессов механической обработки и изнашивания  только путем  изучения макро и микрогеометрии не может дать исчерпывающей картины, характеризующей их.  Поэтому в настоящей работе  проводились сравнительные исследования  физического состояния материала поверхностного  слоя  шеек коленчатых валов двигателей ЗИЛ-130, прошлифованных абразивным кругом и обработанных предложенным способом ВЛП и традиционными способами: полированием в сжимках и суперфинишированием.

  Сравнительные исследования поверхностного слоя включали в себя измерение микротвердости,  определение фазового состава, величины блоков и напряжений II рода,  а для окончательной оценки тех сложных структурных изменений, протекающих в поверхностных слоях, проводились испытания натурных образцов на износостойкость и усталостную прочность.

  Цель исследования – изучить влияние методов  абразивной обработки на тонкую структуру  материала обработанной поверхности и основные эксплуатационные свойства детали после их применения для определения  наиболее  эффективного  способа  финишной  обработки  шеек  и  галтелей  коленчатых  валов  автотракторных двигателей применительно к условиям ремонтных предприятий.

  . Вибрационно-ленточное полирование шеек бесконечными шлифовальными лентами производилось на производственной установке ВЛПУ-5.

  Режимы  вибрационно-ленточного полирования  шеек:

   скорость  поступательного движения  ленты         36м/с 

  частота поперечных колебаний ленты                    600 кол/мин

  амплитуда поперечных колебаний ленты               4 мм

  частота вращения коленчатого вала                       62 об/мин

  давление  ленты на деталь                                        0,2–0,3 МПа

  Шейки коленчатых валов шлифовали на 1-й ремонтный  размер абразивным кругом ПП 750х33х305 23А40СМ2К5, полирование шеек в сжимках производили абразивной пастой ГОИ-30, суперфиниширование – абразивными брусками 24АМ14М2К, вибрационно-ленточное полирование  – бесконечными  шлифовальными лентами: абразивной – ЛСВТ 1950 23А М40; алмазной – АЛШБ  1920 АСО8063 100% Р9; эльборной – 1920 ЛМ40 на лавсановой основе.

  Образцы для исследований вырезались из коленчатых валов  электроискровым способом, что позволило получить образцы с поверхностным слоем без наложения дополнительных деформаций (рис.1). 

  Рис 1. Образцы для исследования: а – тонкой структуры металла и микротвердости;

   б –  на износостойкость; в – на  усталостную прочность 

   Исследования  тонкой структуры материала шеек проводилось рентгеновским методом на дифрактометре УРС-50ИМ.

  При съемке использовали монохроматическое  Fekα  излучение. Напряжение на аноде трубки U=30 кВ, ток на аноде трубки  J=6µа, скорость вращения гониометра 0,5 0/мин, скорость движения  диаграммной ленты – 20 мм/мин. Обработка рентгенограмм осуществлялась с учетом рекомендаций, изложенных в [4].

  Измерение микротвердости по глубине исследуемого слоя производилось по методу «косых срезов» с помощью микротвердомера ПМТ-3, при нагрузке на алмазную пирамиду 20 г, время выдержки под нагрузкой 5 с.

  Сравнительные испытания на изнашивание выполнены  в лабораторных условиях при одинаковых условиях трения на машине МИ-1М в режиме смазки веретенным маслом. Поверхность трения контрольного образца, который вырезался из заводского сталеалюминиевого вкладыша, составляла 1 см2 (рис. 1,б). Износ образцов производился при постоянной нагрузке 6,5 МПа при скорости трения 2 м/с в течение 20 ч с постоянной регистрацией момента трения.

  Оценка  износостойкости  образцов  производилась  по глубине вырезанных  лунок  согласно методике ГОСТ17534-72.

   Испытания   на усталостную прочность производились  на образцах, состоящих из одной  шатунной и двух коренных шеек (рис. 1,в)  по стандартной методике  ГОСТ2860-65 на машине резонансного типа модели УК-100 конструкции ЦНИИТМАШ. Живучесть натурного образца  определялась путем фиксирования числа циклов  нагружения  до  момента  полного разрушения  образца  –  остановки  машины.  На  усталостную прочность было испытано 43 шейки коленчатых валов, по 8–9 шеек по каждому варианту финишной обработки.

  Структура исходного закаленного металла  шеек коленчатых валов, изготовленных  ковкой из стали 45 (закалка ТВЧ, 52-56НRС), состоит из мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита.

    Повышение  температуры в поверхностном  слое при механической обработке  должно приводить к частичному  распаду мартенсита, в связи с  этим представляет интерес изучить  изменение количественного соотношения  мартенсита ( -фазы) и аустенита ( -фазы) в исследуемых образцах, в зависимости от способа финишной обработки. Для экспериментального определения количества аи-фаз необходимо получить две близкие интерфериционные  линии,  принадлежащие этим  фазам,  и измерить  их  интегральные интенсивности. В данном  случае  количество  мартенсита  и аустенита определялось  по  соотношению интегральных  интенсивностей  дифракционных отражений с индексами (110)  для мартенсита  (угол отражения =280 36′ и (111) – для аустенита (угол отражения =270 43′). 

  Финиширование  образцов и запись дифракционных  кривых производилась с 3-кратной  повторностью.

  Результаты  исследования представлены в таблице 1.

   Влияние  способов финишной обработки  на фазовый состав поверхностного  слоя 

  закаленной  стали 45  и контактные температуры в зоне резания

  Таблица 1

  Примечание: контактные температуры в зоне резания  определялись методом  полуискусственных термопар (в качестве термоэлектрода использовалась проволока из алюмели диаметром 0,2 мм).

   Из  таблицы 1 видно, что содержание аустенита в результате поверхностной обработки значительно повысилось только в образцах после чистового шлифования. Во всех остальных образцах какие-либо фазовые изменения  в материале отсутствовали и находились на  уровне закаленного металла, так как точность определения количества фаз в данном случае ± 3%. Эти данные вполне согласуются с результатами измерения в зоне резания контактных температур (табл. 1). Установлено, что только при шлифовании в зоне резания развиваются высокие температуры (выше критических), при которых протекают фазовые превращения в закаленной  стали – при нагреве стали происходит переход мартенсита в аустенит и  это способствует уменьшению твердости закаленной стали  и образованию прижогов. Все остальные способы финишной обработки протекают с значительно меньшей теплонапряженностью, что способствует устранению прижогов в поверхностном слое.

  Однако  интенсивная пластическая деформация микрообъемов металла абразивными частицами приводит к заметным изменениям кристаллической структуры – происходит дробление блоков и формирование остаточных напряжений.

  Величина  напряжений II рода и дисперсность блоков оценивались по расширению линий на рентгенограммах.  Чтобы исключить влияние на ширину линий физических факторов и геометрических условий съемки, осуществлялось  применение стандартного образца – эталона. Определение проводилось по дефракционным отражениям (110) и (220) на Fe-излучении установки УРС-50ИМ методом послойного электролитического сполировывания поверхности в электролите на основе CrО3  и H3PО4. Истинная ширина линии определялась методом аппроксимации кривой распределения интенсивности дефракционных отражений аналитической функцией.  Для разделения эффектов дисперности и микронапряжений используется их различная зависимость от угла  отражения. При этом величина микронапряжений характеризуется  отношением     или  величиной  σ с размерностью напряжения, а размер блоков –  D-6  (см).

  Погрешность всех расчетов определяется точностью  измерения ширины линии и соотношением ширины линии исследуемого образца и эталона, которая, как правило, не превышает 5–10%.

  Результаты  исследований микротвердости и микронапряжений  поверхностного слоя шеек после различных видов абразивной обработки представлены на рисунке 3, размеры блочных структур по глубине ис-следуемого слоя представлены в таблице 2.

  Рис 2. Микротвердость (а) и остаточные напряжения II рода (б) в закаленной стали 45 после шлифования –1 и последующего финиширования: полированием в сжимках – 2; суперфиниширования – 3;  ВЛП со съемом припуска 10 мкм: алмазными лентами – 4;  эльборными  – 5; электрокорундовыми  – 6 Таблица 2

  Размер  блочных структур по глубине исследуемого слоя закаленной стали 45

  В результате рентгеноструктурного анализа и  измерения микротвердости установлено, что структура основного закаленного  слоя стали 45 на глубине более 30 мкм состоит из мартенсита (87ч84)% и остаточного  аустенита  (13ч16)%  с  размером  блоков  Д=(3,2ч3,5)·10-6  см,  внутриблочные  напряжения  II  рода σ=(180ч280) МПа,  микротвердость материала Н=(5800ч6300) МПа.

  После чистового  шлифования с тщательным выхаживанием поверхности на глубине 8ч16 мкм образуется зона материала с пониженной микротвердостью до Н=5600 МПа и увеличенными размерами блоков до Д=5,0ч6,4  10-6 см, как результат термического воздействия процесса шлифования. На глубине 4–6 мкм от шлифованной поверхности микротвердость, размер блоков и микронапряжения находятся на уровне основного закаленного слоя, а  на самой поверхности наблюдается наличие повышенного количества остаточного аустенита до 21%, микротвердость стали умненьшается до H=5200 МПа. После обработки ранее шлифованной поверхности полированием в сжимках или суперфиниширования микротвердость величина блоков и микронапряжения по глубине слоя соответствуют этим же параметрам поверхностей, обработанных шлифованием, если учесть величину слоя, снимаемого  этими способами обработки. Это говорит о том, что структурное состояние шеек после их обработки традиционными способами – полированием и суперфинишированием – из-за малой величины съема металла 2ч3,5 мкм весьма чувствительно к результатам  предшествующей обработки, т.е. к результатам процесса шлифования.

  Следует отметить, что большим дроблением блоков до размеров Д=(2,4ч2,8  10-6 см с  достижением больших остаточных микронапряжений σ=450 МПа характеризуются  поверхности, обработанные ВЛП. Здесь наибольший эффект в повышении прочности материала наблюдается при применении алмазных и эльборных лент. Эти данные подтверждаются результатами замера микротвердости. Микротвердость поверхностного слоя после обработки ВЛП находится в пределах 6500 МПа и постепенно снижается до уровня микротвердости основного закаленного слоя.

    Исследования  также показали, что в  тончайших  поверхностных  слоях в  пределах  1–2 мкм от  поверхности  после  абразивной  обработки  наблюдаются  значительные  изменения  размеров  блоков,  микротвердости и  микронапряжений, связанных с интенсивной деформацией материала абразивными зернами, что согласуется с результатами исследований .

    Сравнительные  испытания образцов на износостойкость  после различных методов абразивной обработки показали, что износостойкость образцов, обработанных ВЛП алмазными, эльборными и электрокорундными  лентами,  соответственно,  в  3,0,  1,9  и  1,4  раза  выше  износостойкости  образцов,  полированных пастой в сжимках, или в 2,4, 1,5, 1,2 выше износостойкости образцов суперфинишированных.

  Более высокую  износостойкость образцов после  ВЛП можно объяснить тем, что образуемый в процессе  полирования  или  суперфиниширования  микрорельеф  поверхности    неоднороден,  сохраняет  следы шлифовочных рисок и прижогов,  и по  структуре сохраняет большее количество  остаточного аустенита, сформированного закалкой и шлифованием.

  Испытания на усталостную прочность  показали (рис. 3), что предел выносливости образцов, обработанных полированием пастой в сжимках, меньше предела выносливости  образцов, финишированных ВЛП алмазными лентами на 16%; эльборными лентами – на  5,6%; электрокорундовыми лентами – на   4,6%, а после суперфиниширования – на  2,3%.

  Рис 3. Кривые усталостной прочности шатунных шеек коленчатых валов двигателей ЗИЛ-130, обработанных различными методами: 1 – полированием пастой в сжимках (□); 2 – суперфинишированием (•);  3 – полированием абразивной лентой (Л); 4 – полированием алмазной лентой (о); 5 – полированием эльборной лентой (*)

  Высокая выносливость образцов, финишированных вибрационно-ленточным полированием при съеме припуска 10 мкм, может быть объяснена тем, что данный метод обработки эффективно удаляет дефекты поверхностного слоя,  образуемые при шлифовании,  обеспечивает высокое качество материала поверхностного слоя с благоприятным микрорельефом поверхности к условиям эксплуатации. Как показали исследования, преимущество ВЛП как способа финишной обработки шеек и галтелей коленчатых валов больше всего проявляется при применении на этой операции алмазных лент.

  Таким образом, исследования показали, повышение износостойкости и усталостной прочности коленчатых валов может быть достигнуто путем применения технологического процесса,  состоящего из чистового шлифования и последующего вибрационно-ленточного полирования бесконечными алмазными лентами.

2 Методы контроля базовых размеров коленчатого вала

  Коленчатые  валы передают другим механизмам значительный крутящий момент. Чтобы это соединение работало безотказно продолжительное время, большое значение имеет высокая точность выполнения основных рабочих поверхностей коленчатых валов по диаметральным размерам и по их расположению.

  На диаметры коренных шеек коленчатых валов назначаются допуски в пределах 0,01—0,02 мм (В₁—В). Реже этот допуск незначительно увеличивается. Конусность и овальность шеек допускается не более 0,01 мм. Шейки коленчатых валов на завершающих операциях подвергаются суперфинишу или микрофинишу с шероховатостью поверхности 0,20 – 0,10.

  Шатунные  шейки коленчатых валов обычно обрабатывают по тем же допускам и с такой же шероховатостью, как и коренные.

  При незначительных зазорах шеек вала в подшипниках  биение промежуточных шеек относительно крайних допускается не более 0,02—0,04 мм. При соблюдении этого требования гарантируется, что в процессе работы не будет защемления коренных шеек коленчатого вала в коренных подшипниках корпусных деталей.

  У коленчатых валов предусматриваются допуски  на расстояние r между осями коренных и шатунных шеек в пределах от ±0,005 до ±0,1 мм. 
 

  Рис 4. Коленчатый вал 

  По техническим  условиям биение торца Т₂ и радиальное биение обода D₂ фланца В допускается в пределах 0,03—0,05 мм относительно крайних коренных шеек вала. Радиальное биение отверстия С относительно крайних коренных шеек вала допускается в пределах 0,02—0,04 мм. На переднем конце F коленчатого вала часто устанавливается зубчатое колесо. Чтобы избежать защемления зубьев с парным колесом или же увеличенных зазоров между ними, устанавливается допуск на радиальное биение шейки F относительно крайних шеек вала в пределах 0,03—0,05 мм. Кроме того, проверяется торцовое биение торца этой шейки, которое допускается в пределах 0,02—0,04 мм. 

  2.1 Окончательный контроль коленчатых валов.

   У всех  коленчатых валов, поступающих на окончательную приемку, производят сплошную проверку диаметров, конусности и овальности коренных и шатунных шеек с помощью индикаторных скоб. Такая проверка возможна также пневматическими скобами. Скобы устанавливают на требуемый размер уста-новами. В ряде случаев диаметры коренных и шатунных шеек с помощью этих скоб сортируют на две-три группы. Ввиду того, что диаметры шеек коленчатых валов имеют высокий класс точности, необходимо при выборе того или иного метода их проверки определить возникаемые при этом погрешности измерений.

  На линейные размеры расположения шеек назначается допуск ±0,2 мм, иногда несколько точнее или даже грубее.

  Процесс контроля предусматривает преимущественно  сплошную проверку линейного расположения коренных и шатунных шеек коленчатых валов.

  На окончательной  приемке радиальное биение промежуточных шеек и биение торцов у коленчатых валов проверяют на многомерном контрольном приспособлении. На корпусе 14 закреплены стойки 16 и 20 с вращающимися роликами 17, на которые устанавливают проверяемый вал. Осевое положение коленчатого вала фиксируется вращающимся упором 2. К последнему вал прижимается собственной массой, так как корпус приспособления имеет наклон в сторону упора 2.

  В стойках  1 и 11 установлен вал 10, по которому перемещается рычаг 6. На его переднем конце в прорези установлен рычаг 5, соприкасающийся с торцом Т коренной шейки. Второй конец рычага соприкасается с измерительным стержнем индикатора 3. Последний закреплен во втулке 4, установленной в отверстии рычага 6.

  На корпусе  приспособления монтируются стойки 15, 18 и 22, к которым прикрепляется направляющая линейка 9. С левой стороны в линейке сделаны фиксирующие призматические пазы. Чтобы рычаг 5 можно было установить в такое положение, которое необходимо для проверки биения торца Т коренной шейки, рычаг 6 со своим упорным пальцем 21 вводится в призматический паз линейки. В этом положении фиксируется требуемое осевое положение рычага 6 с индикатором, а также устраняется его перемещение во время измерения биения торца Т коренной шейки. Коленчатому валу дают один-два оборота и отсчитывают максимальное показание индикатора 3, которое и определяет биение торца Т коренной шейки. 

  Рис 5. Контрольное приспособление для  проверки радиального биения коренных шеек и торцевых поверхностей

  Для измерения  биения торца Т коренной шейки, к которой прижимается зубчатое колесо, прессуемое на вал, рычаг 6 переводится в крайний призматический паз линейки. В этом положении рычаг 5 соприкасается с торцом Т₁, торцовое биение которого определяют по индикатору 3. Радиальное биение средних коренных шеек относительно крайних проверяют индикатором 7 через прямую передачу, которая монтируется на поворотном рычаге 8. Последний перемещается по валу 10 и устанавливается против каждой коренной шейки, радиальное биение которой проверяется. Радиальное положение рычага 8 при этой проверке фиксируется закрепленным на нем пальцем 19, которым он прижимается к грани линейки. Для проверки биения промежуточных шеек валу дается один-два оборота и определяется максимальное показание индикатора 7.

  Эти показания  и определяют величину биения промежуточных шеек относительно крайних. Индикатором 7 проверяют также биение шейки F.

  Для проверки радиальных биений шейки D₁ обода D₂ и фланца В рычаг 8 перемещается в крайнее правое положение и устанавливается неподвижно на выступы а и b линейки 9. Коленчатый вал поворачивают несколько раз. Биение проверяют по максимальному показанию индикатора 7.

  В осевом отверстии С вала обычно устанавливаются подшипники качения. Чтобы гарантировать долговечность их работы, радиальное биение отверстия С относительно крайних коренных подшипников допускается не более 0,04 мм и проверяется у каждого вала индикатором 25 через рычажную передачу 26, которые установлены на стойке 13. На этой же стойке установлен индикатор 23 с прямой рычажной передачей 24 для проверки биения торца Т₂ фланца, к которому прикрепляется маховик. Стойка 13 подвижная и перемещается рукояткой 12. Перемещение стойки необходимо при снятии вала с приспособления, а также для подвода индикаторов для измерения биения отверстия С и торца Т₂ фланца.

  Приспособление  для комплексной проверки коленчатых валов обеспечивает высокую производительность процесса контроля. Оно может быть дополнено измерителями для проверки расстояния между осями коренных и шатунных шеек, расположения шпоночной канавки, углового расположения шатунных шеек и т. д.

  Окончательная приемка коленчатых валов заканчивается  оценкой шероховатости поверхностей коренных шеек, шатунных шеек и т. д., которые должны быть выполнены с шероховатостью поверхности 0,20 – 0,10.