Дефекты коленчатых валов и способы их устранения

Дефект	Способ устранения
Износ коренных и ша­тунных шеек; оваль­ность, конусность, задиры посадочных мест под распредели­тельную шестерню, шкив и маховик	Шлифование под ремонтный размер. Нанесение покрытий электродуговой наплавкой, электро­контактной приваркой ленты, газотермическим напылением порошковых материалов. Наплавка с последующим обтачиванием и шлифованием, электроконтактная приварка ленты с последующим шлифованием
Износ маслосгонной резьбы	Углубление резьбы резцом и шлифование шейки до выведения следов износа
Износ шпоночных канавок Износ посадочного места наружного кольца шарикопод­шипника в торце вала	Фрезерование под увеличенный размер шпонок, новой шпоночной канавки; наплавка с после­дующим фрезерованием шпоночной канавки Растачивание посадочного места, запрессовка втулки с последующим растачиванием, наплавка с последующим растачиванием
Износ отверстий под штифты крепления маховика	Развертывание под ремонтный размер
Износ резьбы	Растачивание или зенкерование с последующим нарезанием резьбы увеличенного размера, углубление резьбовых отверстий с последующим нарезанием такой же резьбы под удлиненные болты (пробки)
Скручивание вала (нарушение расположения кривошипов)	Шлифование шеек под ремонтный размер с последующей балансировкой, наплавка шеек с последующим обтачиванием, шлифованием и балансировкой
Торцевое биение фланца маховика	Подрезание торца фланца на токарном станке с последующей балансировкой
Изгиб вала: до 0,15...0,2 мм до 0,2... 1,2 мм Трещины	Шлифование шеек под ремонтный размер Правка под прессом или чеканка шеек Шлифование шеек под ремонтный размер, разделка трещин с помощью абразивного инструмента
Коррозия трущихся поверхностей	Зачистка шлифовальной шкуркой, шлифование и полирование

Большинство изношенных валов имеют прогиб, значение ко­торого контролируют при установки их крайними коренными шей­ками на призмы индикатором, который закреплен на штативе. Вал поворачивают в призмах вручную, наблюдая за показаниями ин­дикатора. Разность между крайними показаниями индикатора за один оборот коленчатого вала представляет собой значение про­гиба. Если прогиб превышает значение, указанное в технических условиях, то его устраняют правкой. Если значение прогиба мень­ше, то вал не правят, а шлифуют под ремонтный размер.

Правка вала методом статического изгиба. При данном методе правку проводят на гидравлических прессах путем нагружения и разгружения вала. В зависимости от прогиба и опыта правильщи­ков зависит число нагружений, их величина и направление. Про­цесс нагружения повторяют до тех пор, пока прогиб оси вала не станет меньше допустимого. Недостаток данного метода — это снижение усталостной прочности и пластичности вала, так как в зоне галтелей шатунных шеек могут развиваться старые и зарож­даться новые микро- и макротрещины, а также возможен воз­врат прогиба.

Правка вала методом чеканки. Этот метод наиболее успешно сле­дует применять для правки валов двигателей с рядным располо­жением цилиндров, имеющих аварийные прогибы до 0,75 мм (би­ение 1,5 мм). Снижение усталостной прочности не наблюдается, сохраняется высокая стабильность формы детали в эксплуатации.

Чеканку галтелей выполняют клепальным пневматическим мо­лотком КМП-14М или ручным слесарным молотком массой 0,8 кг со специальными бойками, размеры которых должны соответство­вать размерам галтелей. Перед чеканкой у вала определяют место и направление наибольшего изгиба, после чего его устанавливают на призмы максимальным прогибом вниз.

 

Если максимальное биение находится в области третьей корен­ной шейки в плоскости кривошипа, то выполняют чеканку галте­лей первой и второй шеек в зоне перекрытия коренной и шатунной шеек на дуге 40...50°. После чего проводят контроль биения вала. Если значение биения выше допустимого, то необходимо: чеканить галтели третьей и четвертой шеек; контроль биения; чеканить галтели пятой и шестой шеек. При биении коленчатого вала больше 0,8 мм чеканку проводят неоднократно в указанной последовательности.

Когда максимальный прогиб находится в плоскости, перпен­дикулярной кривошипам, правку вала осуществляют чеканкой двух симметрично расположенных галтелей относительно выпрямляе­мой шейки. Участок наклепа располагается под углом 45° к плос­кости кривошипа.

Коленчатые валы шлифуют под ремонтный или номинальный размеры. Шлифование под ремонтный размер чаще всего выпол­няют в одну операцию. Величина износа шеек определяет ремонт­ный размер шеек, выбор которого проводится в соответствии с техническими условиями.

Для шлифования шеек применяют универсальные шлифоваль­ные станки ЗА423 и ЗВ423. Сначала шлифуют коренные шейки и другие поверхности, находящиеся на одной с ними оси, а затем шатунные. Шейки вала шлифуют электрокорундовыми на керами­ческой связке шлифовальными кругами зернистостью 16...60 мкм.

Перед шлифованием шлифовальный круг правят алмазным ка­рандашом, закрепленным в оправке, при обильном охлаждении эмульсией. Цилиндрическую часть круга правят, перемещая алмаз­ный карандаш в горизонтальной плоскости, а галтели — качанием оправки с карандашом в этой же плоскости. Боковые плоскости круга обрабатывают до требуемой ширины при поперечной пода­че шлифовального круга. Шлифовальные круги рекомендуется пра­вить после шлифования одного-двух коленчатых валов.

Базовыми поверхностями при шлифовании коренных шеек явля­ются центровые отверстия. Шлифование шатунных шеек проводят на другом станке, оборудованном центросместителями, обеспечи­вающими совпадение осей шатунных шеек с осью вращения станка.

Крайние коренные шейки коленчатого вала закрепляют в пат­рон центросместителя, предварительно установленного на требуе­мый радиус кривошипа, что обеспечивает погрешность базирова­ния не более 0,03 мм. Затем шатунные шейки выставляются только в горизонтальной плоскости. Предварительно шлифуемую шейку выставляют призмой, окончательно — индикаторным устройством. Показание индикатора равняется половине припуска на шлифо­вание. При окончательно отшлифованной шейке индикатор уста­навливается на «ноль».

Припуск на шлифование оставляют в пределах 0,3...0,5 мм на сторону. В каждом конкретном случае режимы шлифования уточ­няются в зависимости от жесткости коленчатого вала.

Режимы шлифования

Окружная скорость:

шлифовального круга, м/с............................................25...35

шлифуемой поверхности, м/мин.................................18...25

(коренные шейки);

7...12

(шатунные шейки)

Поперечная подача круга, м/м

черновое шлифование...................................................0,02...0,03

чистое шлифование.......................................................0.003...0,006

Продольная подача, мм/об..........................................................7... 11

 

Для предотвращения появления микротрещин при шлифова­нии применяют обильное охлаждение. Струя охлаждающей жид­кости должна полностью покрывать рабочую поверхность шлифо­вального круга. В качестве охлаждающей жидкости используют эмульсию (10 г эмульсионного масла на 1 л воды).

Когда полностью использованы предусмотренные конструкто­рами межремонтные размеры, что соответствует максимальному накоплению усталостных напряжений, на изношенные шейки ко­ленчатого вала наносят металлопокрытия. Усталостные напряже­ния возникают из-за неравномерного износа шеек, кратковремен­ных перегрузок двигателя, неравномерной подачи топлива к ци­линдрам, смещения опор блока в связи со старением металла. Предел выносливости у таких коленчатых валов снижается на 20...25% по сравнению с новыми. Зона накопления усталостных повреждений у карбюраторных двигателей находится в централь­ной части шеек (щеки значительно прочнее шеек) в зоне маслопроводящих отверстий, у дизельных — в зоне перехода галтели в щеки вала. Основной опасной нагрузкой для дизельных двигателей считают изгибающий момент (разрушение вала по щекам), а для карбюраторных — крутящий (разрушение вала по шейкам).

При перешлифовках валов карбюраторных двигателей удаляют­ся поверхностные слои шеек с накопившимися усталостными по­вреждениями, а их наращивание приводит к разгрузке наиболее напряженных слоев металла, что способствует восстановлению их ресурса. Для коленчатых валов дизельных двигателей перешлифов­кой полностью удалить напряжение и предельно разрушенные слои металлов в зоне галтелей практически невозможно, поэтому их ресурс восстановить не удается.

Более 85 % объема восстановления шеек коленчатого вала вы­полняются сварочно-наплавочными методами.

Изношенные поверхности под шкив и шестерни наращивают на наплавочном станке У-651У4 или натокарно-винторезном, оснащен­ном наплавочной головкой ОКС-6569, электродуговой наплавкой проволоки 18ХГС или ЗОХГС диаметром 1,0... 1,5 мм в среде уг­лекислого газа. После наплавки проверяют состояние центровых от­верстий. Видимые забоины, вмятины и следы коррозии исправляют растачиванием на токарно-винторезном станке типа 1М63 или 16К20. Для этого вал зажимают в патроне за первую коренную шейку, а под крайнюю устанавливают люнет. Затем выверяют вал и добиваются, чтобы биение коренной шейки было не более 0,03 мм. Исправляют центровое отверстие протачиванием до выведения следов износа.

Для исправления второго центрового отверстия вал зажимают в патроне за поверхность под шестерню коленчатого вала, а люнет устанавливают под первую коренную шейку и поджимают враща­ющимся центром. Наплавленные поверхности протачивают на стан­ке типа 1М63 с применением резцов с твердосплавными пласти­нами марки ТК. Шлифование обработанных поверхностей прово­дят на круглошлифовальных станках типа ЗБ161.

Шпоночный паз заваривают в среде углекислого газа и наплавляют всю шейку вала проволокой 08Г2С или 08ГС толщиной 0,8... 1,2 мм на полуавтомате А-547У или ЦЦГ-301 для дуговой сварки. Паз завари­вают на всю глубину с превышением наплавленного слоя над ос­тальной поверхностью примерно на 1 мм. Фрезеруют шпоночные па­зы на горизонтально-фрезерном станке типа 6Р82Г. Для точного раз­мещения и обработки паза применяют специальное приспособление. Контролируют положение паза относительно диаметральной пло­скости и угловое смещение относительно оси первого кривошипа.

Для упрочнения валов применяют накатывание галтелей роли­ками из твердосплава. Накатные устройства должны обеспечивать пневматическое, гидравлическое или пневмогидравлическое ста­тическое (безударное) нагружение роликов и иметь автоматичес­кий регулятор давления для поддержания постоянного усилия на­катывания требуемой величины. Подвод роликов, достижение тре­буемых усилий накатывания, а также снятие нагрузки (отвод роликов) следует осуществлять плавно при вращающемся колен­чатом вале. Накатывание неподвижного вала вращающимися на­катными устройствами не рекомендуется, так как это ведет к фик­сации прогиба от собственного веса. Прекращение вращения вала в процессе накатывания не допускается. В процессе накатывания упрочняемая поверхность галтелей должна смазываться жидким машинным маслом (93...95%) в смеси с олеиновой кислотой (5...7%). Смазывающая жидкость не должна содержать металли­ческих или абразивных примесей.

Частота вращения коленчатого вала должна быть в пределах 40...60 мин^-1; давление роликов на галтели — 8000...8500 Н/м²; время упрочнения (обкатки) — 0,12...0,18 мин; полное упрочне­ние галтелей на всех шатунных шейках выполняют за 2,5...3,0 мин.

Галтели коленчатых валов обрабатывают по схеме «на врезание» (рис. 21.2, а); обкатывают с помощью устройства (рис. 21.2, б), позволяющего применять деформирующие ролики минимального диаметра и снижать тем самым силу обкатывания. Деформирую­щие конические ролики 1 размещены в сепараторе 2 и контакти­руют с опорным конусом 3, смонтированным в корпусе 4. Для предотвращения одностороннего нагружения коленчатого вала слу­жат два поддерживающих ролика 5, каждый из которых опирается на два роликоподшипника 6, расположенных в нижней головке 7. Деформирующие и поддерживающие головки устанавливают в на­гружающем устройстве клещевого типа, смонтированном на то­карном станке, например 1К62. Сила деформирования создается гидроцилиндром, воздействующим на рычаги клещевого устрой­ства. На упрочнение не оказывают влияние отклонения линейных размеров шеек, а рабочая и опорная части деформирующих роли-I ков разделены, чем существенно повышается их долговечность.

Рис. 21.2. Схема обкатывания галтелей:

а — по схеме «врезание»; б — устройство для обкатки

 

Диаметр деформирующего ролика — 12 мм, угол конуса — 25°, угол опорного конуса — 46°. Радиусы закругления ролика соответ­ствуют минимально допустимым радиусам галтелям. Для предотв­ращения остаточного деформирования вала обкатывание произ­водят в три-четыре перехода (по несколько шеек в каждом перехо­де). Силу в каждом переходе создают таким образом, чтобы деформация вала, образовавшаяся за предыдущий переход, ком­пенсировалась при последующем переходе. В результате достигает­ся соосность коренных шеек 0,01...0,03 мм, не требуется холодная правка вала, а их сопротивление усталости повышается на 55... 75 %.

Полирование шеек коленчатого вала алмазными лентами. Поли­рование производят на специальном станке одновременно всех коренных и шатунных шеек. Станок обеспечивает вращательное и возвратно-поступательное (колебательное) движения обрабатыва­емого вала и прижим с регламентированной силой. Постоянный контакт инструментов и детали обеспечивается за счет синхрон­ного вращения копиров и обрабатываемого вала. Нарезанные ку­сочки алмазной ленты наклеиваются на башмаки с дугообразной рабочей частью. Радиальная сила прижима инструмента к шейке вала создается пружиной. При полировании необходимо обеспе­чивать постоянный подвод СОЖ в зону обработки.

Режим полирования: частота вращения вала — 0,8 с^-1; сила при­жима инструмента — 120 Н; амплитуда колебаний — 4 мм; частота колебаний - 0,5 с^-1; СОЖ - ОСМ-1.

Полирование шеек коленчатого вала пастами. В качестве полиру­ющего материала применяют пасту ГОИ или алмазную пасту. Дав­ление полировальных хомутов на шейки вала должно быть в пре­делах 100... 120 Н/м². Продолжительность полировки при частоте вращения коленчатого вала 150 мин^-1 составляет 3...5 мин.

Суперфиниширование. Для доводки шеек вместо полирования применяют также суперфиниширование. Суперфиниширование вы­полняют головкой, оснащенной абразивными брусками, на специ­альном полуавтомате 3875К. Зернистость брусков 4...8. В качестве СОЖ используют смесь керосина с маслом или жидкость ОСМ-1. Шероховатость после обработки составляет
. Суперфиниши­рование выравнивает точность размеров, а также снижает шерохо­ватость шеек, вызванную неоднородностью условий предшеству­ющей обработки. При шлифовании валов под суперфиниширова­ние оставляют припуск 0,005 мм.

Уравновешивание коленчатых валов нарушается вследствие из­носа трущихся поверхностей (при эксплуатации), неравномерном наращивании изношенных поверхностей и механической обработке. Увеличенный в результате этого дисбаланс приводит к дополни­тельным вибрациям, ухудшающим работу двигателя. Уравновешен­ность вала достигается либо сверлением отверстий, либо фрезеро­ванием щек. Балансировку коленчатых валов проводят на станке КИ-4274.

 

21.3. Класс деталей «полые цилиндры»

 

К полым стержням относятся детали с отношением их высоты к наибольшему диаметру не менее 0,5. К этому классу относятся гильзы цилиндров, втулки, крышки подшипников первичного вала коробки передач, фланцы валов коробки передач, ступицы колес, чашки дифференциалов, втулки и др. Детали этого класса чаше всего изготавливаются из модифицированного, ковкого и специ­ального чугуна, углеродистых сталей.

Особенность деталей данного класса — это наличие концент­ричных наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Они могут иметь гладкие и ступенчатые, зубчатые и шлицевые, флан­цевые и сложные поверхности.

В процессе эксплуатации детали подвергаются механическим нагрузкам и для них основными видами износа являются коррозионно-механический и молекулярно-механический, которые харак­теризуются следующими явлениями — молекулярным схватыва­нием, переносом материала, разрушением возникающих связей, вырыванием частиц и образованием продуктов химического взаи­модействия металла с агрессивными элементами среды. Полые стер­жни работают в условиях трения, которое сопровождается цик­личным изменением температуры и наличием агрессивной среды. Основные дефекты, характерные для деталей этого класса де­талей — износ внутренних и наружных посадочных мест под под­шипники; износ шеек под сальники; износы, задиры, кольцевые риски на трущихся поверхностях.

Внутренние и наружные поверхности этих деталей, а также их торцы являются базовыми при механической обработке.

Износ отверстий под подшипники и шейку шестерни, сальни­ки устраняют постановкой дополнительных ремонтных деталей (ДРД) — втулок. Если же при восстановлении отверстий под под­шипники и сальники используется вибродуговая наплавка, то они сначала растачиваются, наплавляются в два слоя, а затем растачи­ваются в соответствии с заданным размером.

Если же на детали имеются шейки, то их износ может устраняться, либо вибродуговой наплавкой (механическая обработка, наплавка и механическая обработка с последующим шлифованием), либо электроконтактной приваркой стальной ленты (шлифо­вание, приварка ленты, шлифование поверхности ленты).

При восстановлении полых стержней необходимо обеспечивать размеры и шероховатость восстановленных поверхностей, твердость и прочность сцепления нанесенного материала с основным метал­лом, а также соосность и симметричность относительно общей оси, допустимую цилиндричность и круглость.

Технологический процесс восстановления деталей данного клас­са начинают с подготовки изношенных поверхностей к наплавке. Затем выполняют операции, связанные термическим воздействи­ем на деталь. После чего осуществляют: подготовку поверхностей под постановку ДРД, устанавливают ДРД и обрабатывают их; го­товят поверхности к электрохимическому наращиванию, наращи­вают поверхность и предварительно ее обрабатывают. В конце тех­нологического процесса проводят чистовую обработку и хонингование поверхностей.

Наиболее характерной деталью в классе «полые цилиндры» явля­ется гильза цилиндров. Основные дефекты гильз: износ зеркала Цилиндра; износ, изменение формы и взаимного расположения верхнего и нижнего установочных поясков относительно оси ци­линдра; сколы и трещины любого размера и расположения; отло­жения накипи на поверхности, омываемой водой; отложения на­кипи на поверхностях посадочных поясков; коробление, отколы, глубокие задиры или потеря натяга вставки гильзы. При наличии сколов или трещин любого размера и расположения гильзы вы­браковывают.

Коррозионный износ и деформацию поясков гильзы устраня­ют железнением (предварительное шлифование, нанесение покры­тия и окончательное шлифование до исходного размера) или плаз­менным напылением с последующим оплавлением покрытия (пред­варительное шлифование, струйная обработка, несение покрытия, оплавление покрытия кислородным пламенем, окончательное шлифование восстановленных поясков).

Износ зеркала цилиндра устраняется растачиванием с последу­ющим хонингованием под один из ремонтных размеров и поста­новкой ДРД.

Для растачивания зеркала гильза цилиндров устанавливается в приспособление (рис. 21.3), в котором она базируется посадочны­ми поясками. Растачивание гильз производится под один из ре­монтных размеров на алмазно-расточном станке 2А78Н резцами, оснащенными пластинками из эльбора или твердого сплава ВК6. Режим резания: подача — 0,03...0,05 мм/об; скорость резания — 80... 100 м/мин; глубина резания — 0,015...0,2 мм.

Рис. 21.3. Приспособление для центровки и закрепле­ния гильзы на столе расточ­ного станка: 1 — корпус; 2 — верхний и ниж­ний пояса зажима гильзы; 3 — резец; 4— индикаторное приспо­собление совмещения оси гиль­зы цилиндров с осью шпинделя; 5 — верхний и нижний посадоч­ные пояски приспособления; 6 — гильза; 7 — стяжной винт пояса с рукояткой

После растачивания отверстие гильзы обрабатывают на хонинговальных станках ЗГ833 и ЗА83С-33. Черновое хонингование про­изводят брусками КЗ 1 ОСТ 1 К или алмазными брусками АС6М1 100%-ной концентрации с содержанием алмазов в бруске 3,5 ка­рата. Чистовое хонингование ведут брусками КЗМ20СМ1К или ал­мазными брусками АСМ20М1 100 %-ной концентрации. Хонинго­вание ведут при режимах: окружная скорость — 60...80 м/мин; возвратно-поступательная скорость — 15...25 м/мин; давление на бруски — 0,5... 1,0 МПа (черновое хонингование) и 0,4...0,6 МПа (чистовое); СОЖ — керосин; припуск на черновое хонингование — 0,05...0,07 мм, а на чистовое — 0,01...0,03 мм.

При восстановлении гильз постановкой ДРД используются лег­косъемные пластины из стали 65Г, У10А или 60 С2А. Ленты толщи­ной 0,5; 0,6; 0,7 мм разрезаются на пластины в размер, обусловлен­ный диаметром расточенной гильзы с учетом припуска под шлифо­вание торцов. Глубина растачивания определяется конструктивными параметрами гильзы и ходом поршня. После обработки торцов пла­стину помещают между обжимными головками 5 и 7 (рис. 21.4) и, включив пневмоцилиндр 3, обжимают и свертывают пластину во втулку. С помощью штока прес­са и калиброванного пуансона 2 запрессовывают втулку в гильзу цилиндров. В каждую гильзу последовательно зап­рессовывают две пластины оп­ределенной ширины. Стыковые зазоры пластин должны быть разведены в противоположные стороны (на 180°). Благодаря упругим свойствам и неболь­шой толщине пластины плот­но прилегают к поверхности отверстия. Пластины друг к другу должны быть прижаты по торцу усилием в 10... 12 раз больше, чем усилие запрессов­ки их в цилиндр. Превышение длины пластин по сравнению с расчетной приводит к их выпучиванию внутрь гильзы. Гильзы с запрессованными пластинами подвергаются чер­новому и чистовому хонингованию.

Рис. 21.4. Приспособление для сов­мещения операций свертывания и запрессовки пластиныв гильзу цилиндров: 1 — ось; 2 — калиброванный пуансон; 3 — пневмоцилиндр; 4— плита; 5 и 7 —обжимные головки; 6 — вкладыши