А. Дробеструйная обработка

Сущность этого способа заключается в том, что поверхности галтелей вала (обычно вместе с примыкающими щеками) подвергаются действию потока дроби с помощью дробеструйных установок различных конструкций. Дробинки, ударяясь о поверхность галтели, пластически деформируют (упрочняют) ее.

Обработка дробью дает прирост предела выносливости коленчатых валов на 20–30 при симметричном изгибе в плоскости кривошипа, при кручении  на 10–20 .

Дробеструйная обработка полуосей трехосных автомобилей на ЗИЛе увеличила срок их службы на 40 .

Б. Накатывание роликами (шариками)

Накатывание галтелей коленчатых валов роликами (шариками) осуществляется с помощью различных приспособлений и на специальных установках.

В табл. 11.2 систематизированы некоторые данные из отечественных и зарубежных источников по накатыванию галтелей коленчатых валов роликами. Легко заметить, что в результате такой обработки предел выносливости возрастает в среднем на 30–90 % и даже более при симметричном изгибе в плоскости кривошипа. При кручении эффективность накатывания несколько ниже.

Обращает на себя внимание широкая номенклатура материалов валов, для которых накатывание эффективно. Это и среднеуглеродистая сталь 45, и легированные стали 18ХНВА, 18Х2Н4ВА, и, наконец, высокопрочные чугуны.

Измерения остаточных напряжений показали, что, после закалки шатунной шейки с нагревом ТВЧ в галтелях наводились остаточные напряжения растяжения до 160–170 МПа, а после накатывания в них возникли остаточные напряжения сжатия от 10 до 300 МПа. Зачастую накатывание галтелей полностью компенсирует вредное влияние обрыва закаленной зоны и у стальных и у чугунных коленчатых валов.

Следует иметь ввиду, что граница наклепанного и ненаклепанного металла не является источником остаточных напряжений растяжения (рис. 11.4), как это имеет место в случае обрыва закаленной зоны (рис. 11.1,б,в) .

Рис. 11.4. Распределение осевых остаточных напряжений в

месте резкого обрыва наклепанного

слоя (по И.В.Кудрявцеву).

Твердость поверхности галтели после накатывания возрастает на 20–30 % , шероховатость поверхности уменьшается с Rа=0,63–2,5 мкм до Rа=0,08–0,39 мкм. Глубина слоя с повышенной твердостью составляет 2–2,5 мм и более.

С помощью накатывания галтелей (и др. способов ППД) иногда удается полностью скомпенсировать вредное влияние концентратора напряжений на сопротивление усталости вала, и место излома вала перемещается из галтели на цилиндрическую часть шейки.

Накатыванием можно компенсировать различные пороки галтелей: риски, раковины и т.п. Усталостные испытания валов, в галтелях которых высверливались отверстия диаметром 3,5 (4) мм и глубиной 3,5 (4) мм, показали, что предел выносливости валов с накатанными галтелями, несмотря на наличие отверстий, даже немного повышается.

После накатывания отмечается некоторое искажение формы галтели: появляется канавка К (рис. 11.5) и наплыв H на некотором расстоянии L от щеки. Накатывание галтелей производится как перед окончательным шлифованием, так и после него  перед отделочной обработкой.

Рис. 11.5. Профиль накатанной галтели.

Накатыванием роликами удается эффективно упрочнять галтели радиусом до 5 мм. При большем радиусе галтели необходимо увеличить силу накатывания до 50000–60000Н, что практически трудно осуществимо. У шариков приведенный радиус кривизны меньше, чем у роликов, поэтому с их помощью удается успешно накатывать галтели радиусом до 10–12 мм.

В связи с простотой и эффективностью накатывания рекомендуется после наплавки шеек КВ упрочнять галтели коренных и шатунных шеек ППД, так как при этом частично или полностью восстанавливается предел выносливости валов. Так, у чугунных КВ двигателя ЗМЗ-66 после наплавки шеек и накатывания галтелей с Р=2кН предел выносливости составил 106% по отношению к эталонным (без наплавки) КВ. КВ двигателя СМД-14 после такой обработки имели предел выносливости в пределах 95,6–101,7% по сравнению с новыми, а коленчатые оси трактора ДТ-75–119–122% по сравнению с новыми.

Накатывание галтелей коленчатых валов получило широкое применение на автомобильных заводах США и Европы.

В ЦНИИТМАШе разработан способ пластического вдавливания галтелей малого радиуса. На натурных образцах из стали 45 КВ компрессоров диаметром 100 мм галтели радиусом 0,6 мм вначале прорезали резцом, а затем накатывали вибрирующим роликом с профильным радиусом 3 мм при энергии удара 12 Дж. Предел выносливости возрос на 50–60 по сравнению с исходными КВ.

У вторичного вала коробки передач после закалки ТВЧ галтели обкатывают роликом. По результатам стендовых испытаний долговечность валов увеличилась в 15–30 раз.

После накатывания галтелей прямых валов роликами или шариками предел выносливости возрастает на 80–100.

Установлено, что накатывание галтелей прямых валов приводит к повышению пределов выносливости и по разрушению и по трещинообразованию. Предел выносливости по разрушению в зависимости от предела прочности обрабатываемого материала возрастает на 100–500, по трещинообразованию – на 25–100. Причем, в широком интервале напряжений усталостные трещины, возникающие в начале испытаний, превращаются в нераспространяющиеся.

К преимуществам описанного способа можно отнести простоту конструкций накатных устройств, их надежность в работе и простоту обслуживания, невысокую квалификацию операторов, низкую себестоимость, большой эффект повышения сопротивления усталости валов.

Недостатком является ограниченность диапазона применения (роликами эффективно накатываются галтели радиусом до 5 мм, шариками - до 10–12 мм). Кроме того при использовании однороликового (одношарикового) приспособления коленчатый вал, являясь нежесткой деталью, деформируется под действием силы накатывания. Чтобы избежать этого, применяются многороликовые приспособления с размещением роликов вокруг шейки вала. Правда, в этом случае усложняется конструкция накатных устройств.

Для достижения максимального эффекта от накатывания галтели необходимо, чтобы была обработана вся поверхность галтели. Однако, это условие выполнить непросто, так как форма и размеры галтелей валов весьма многообразны:

1) по конструктивным соображением профиль галтели очерчивается по радиусу окружности, по эллипсу, параболе или какой-либо более сложной кривой;

2) в партии валов размеры и форма галтелей изменяются часто в довольно широких пределах;

3) даже если галтель имеет наиболее простую форму, описываемую дугой окружности, ввиду технологических трудностей, особенно в массовом производстве, довольствуются обычно получением галтели, по форме более или менее близкой к радиусной.

Для того, чтобы в условиях рассеяния размеров и форм галтелей (особенно в крупносерийном и массовом производстве) обеспечить их эффективное ППД, разработаны специальные конструкции накатных роликов. В частности, известны ролики клиновидной (рис. 11.6,а) и каплевидной (рис. 11.6,б) формы.

Однако и с их помощью невозможно обработать всю поверхность галтели при отклонении ее формы от радиусной.

а) б)

Рис. 11.6. Конструкции накатных роликов. а)- каплевидный,

б) –клиновидный.

Для того, чтобы гарантированно обработать всю поверхность галтели, необходимо следующее:

1. Профильный радиус ролика должен быть меньше наименьшего текущего радиуса галтели сложной (или искаженной) формы.

2. Накатному ролику необходимо задавать перемещение вдоль образующей галтели или по хорде. Это усложняет конструкцию оборудования и сам процесс накатывания. Иногда применяют охватывающие приспособления с роликами, расположенными под углом 120 друг к другу. Профильные радиусы роликов выполняют равными минимальному, среднему и максимальному радиусам галтели. Однако и в этом случае невозможно равномерно накатать галтель сложной (или искаженной) формы.

Успешно решить эту задачу возможно при использовании ролика с “качающимся” профилем при предельно простой конструкции накатного устройства (рис. 11.7). Упрочняющий ролик 1 установлен на оси 2, закрепленной в вилке 3, и прижимается к поверхности галтели упрочняемой детали 4 пружиной 5, создающей силу накатывания Р. Рабочий профиль ролика 1 выполнен таким образом, что плоскость его симметрии I-I расположена под углом  к плоскости II-II, перпендикулярной к оси вращения ролика О₁–О₁. Радиус закругления R₁ рабочего профиля ролика 1 должен быть равен или несколько меньше наименьшего текущего радиуса кривизны галтели r_min .

При вращении обрабатываемой детали 4 ролик 1 за счет силы трения приводится во вращение. Рабочий профиль ролика 1 перемещается по образующей галтели, совершая движение, подобное качанию вокруг оси О, перпендикулярной плоскости чертежа. За время одного оборота ролика точка контакта ролика с галтелью переместится от точки “а” до точки “в” и обратно, на поверхности галтели при этом образуется упрочненная синусоидальная полоса (рис.11.8). Смещаясь вследствие некратности диаметра ролика и детали, она постепенно сливается в одну широкую упрочненную полосу. При этом вилка 3 совершает возвратно-поступательное движение в пределах разности расстояний между осью О₁–О₁ и точками “а, б, в” на поверхности галтели.

Рис. 11.7. Схема накатывания галтели роликом с «качающимся» профилем.

Через определенное время вся поверхность галтели покрывается сеткой перекрещивающихся синусоидальных полос, что служит сигналом для окончания обработки.

Рис. 11.8. Развертка следа ролика с «качающимся» профилем на галтели.

В. Накатывание вибрирующими роликами (шариками)

Этот способ разработан в ЦНИИТМАШе и осуществляется с помощью специальных приспособлений (см. гл. 10).

Во ВНИТИ, совместно с Коломенским тепловозостроительным заводом упрочнялись галтели коленчатого вала тепловозного двигателя 2Д100. Вал имеет 10 колен и передает мощность 2000 л.с., длина его 3750 мм, диаметры шеек  около 200 мм, материал  высокопрочный чугун. Накатывание галтелей вибрирующим роликом осуществлялось с помощью отбойного молотка МО - 10А. Статическая сила на ролике  2000 H, энергия удара  45 Дж. Накатанные галтели имели блестящую поверхность без следов шелушения. Диаметр шеек уменьшился на 0,75 мм. Глубина слоя с повышенной твердостью составила 5–6 мм. Усталостные испытания на стенде конструкции ВНИТИ (симметричный изгиб в плоскости кривошипа, база 50∙10⁶ циклов) показали, что предел выносливости валов возрос с 35 до 80 МПа, т.е. на 230%.

Успешно упрочнялись галтели радиусом 12 мм коленчатых валов из стали 34XH1M. При почти тех же режимах накатывания глубина канавки (рис. 11.5) составила 0,25 мм.

На 1 ГПЗ упрочняют галтели коленчатых валов всех типо-размеров, после чего валы обрабатываются окончательно (при этом удаляется образовавшийся при накатывании наплыв). Долговечность валов увеличилась в 2–3 раза.

На Харьковском моторостроительном заводе внедрена установка для упрочнения галтелей коленчатого вала тракторного и комбайнового двигателя СМД гидроимпульсной чеканкой шариками. Оптимальные режимы: сила на шарике  20000 H, частота импульсов  980 1/мин, число оборотов вала  1,25 об/мин. На поверхности галтели было достигнуто Ra =0,16–0,32 мкм, глубина наклепа составила 6 мм, твердость на поверхности возросла на 11%, предел выносливости  на 77%. До упрочнения в галтели наблюдались окружные и осевые остаточные напряжения растяжения 10–50 МПа, после упрочнения  напряжения сжатия  5–20 МПа, а после сошлифовывания слоя 0,3–0,4 мм величина остаточных напряжений сжатия достигла 10–50 МПа. Следовательно, максимальные остаточные напряжения сжатия залегали на некоторой глубине.

На заводе Русский дизель обработка вибрирующим роликом галтелей крупных многоопорных коленчатых валов из стали 34ХН1М увеличила моторесурс двигателя с 4000 до 12000 час.

Преимущества способа заключаются в простоте его осуществления, сравнительно простой конструкции устройств, большой глубине наклепа, благодаря чему можно весьма эффективно упрочнять крупные коленчатые валы.

Недостатками являются повышенный производственный шум от пневмомолотка и значительные ударные нагрузки на детали станка. Чтобы избежать последнее, вышеописанный способ применяется, в основном, для крупных валов, которые поглощают энергию удара.