12.1.2. Требования к геометрической форме прямых валов

К геометрической форме прямых валов также предъявляются высокие требования. В частности, допуск на взаимное биение посадочных шеек, как правило, не превышает нескольких сотых долей мм. Для ответственных валов это требование ужесточается. Так, у шпинделя координатно-расточного станка мод. 2А430 биение опорных шеек не должно превышать 3 мкм.

В процессе изготовления прямых валов в них формируются неуравновешенные остаточные напряжения, которые приводят к искривлению оси и, как следствие, к повышенному биению посадочных шеек валов. Ситуация еще более усложняется при изготовлении нежестких валов с отношением валов L/D10, а их в различных отраслях промышленности по некоторым данным выпускается более одного млн. шт./год.

Восстановление (с помощью наплавки) изношенных прямых валов (в частности, распределительных валов двигателей) сопровождается искривлением их оси и увеличением биения посадочных шеек.

Для достижения прямолинейности оси прямых валов в технологический процесс их изготовления (также как и для КВ) вводят одну или несколько операций правки. В настоящее время известны различные способы правки валов.

12.1.3. Холодная правка валов на прессах

В настоящее время наиболее широко применяют холодную правку на прессах (ХПП). Деталь устанавливают на столе пресса на двух опорах выпуклостью вверх и измеряют величину исходного прогиба. Затем ползуном пресса, движущимся вниз, воздействуют на выпуклость детали, изгибая ее в противоположном направлении и исправляя тем самым ее геометрическую форму. Холодная правка деталей на прессах имеет серьезные недостатки:

1. Эта правка нетехнологична, так как, исходя из величины первоначального прогиба детали, рабочий должен нажать на педаль привода ползуна пресса с таким расчетом, чтобы на ползуне развилось усилие, необходимое для создания на детали остаточного прогиба, равного по величине, но противоположного по направлению исходному. При этом следует учесть, что при рабочем ходе ползуна пресса деталь испытывает упруго-пластическую деформацию. При отходе ползуна деталь частично восстанавливает свою прежнюю форму (в пределах упругой деформации). Остаточный прогиб детали будет равен алгебраической сумме упруго-пластической и упругой деформаций. Практически это все учесть весьма сложно, возникают неоднократные "недогибы" и "перегибы" детали. 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 неуправляемым, так как в связи с неравномерной жесткостью коленчатых валов в различных направлениях невозможно заранее предсказать место, где произойдет деформация вала, а также величину и направление остаточного прогиба после правки. 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. Проф. Щапов Н.П. установил, что при воздействии внешних нагрузок на стальные детали, подвергнутые ХПП, происходит следующее :

4.1. Если знак изгибающего момента М_изг от внешних сил противоположен знаку М_изг при ХПП, предел текучести образцов резко (практически до нуля) падает (в противном случае он значительно увеличивается).

4.2. Если знак М_изг при ХПП и испытаниях на удар совпадают, ударная вязкость образцов заметно понижается (на 40–50%) в широком интервале температур испытаний (от -40⁰ до +100⁰С). Причем это понижение заметнее при низких температурах (при -40⁰С ударная вязкость уменьшается на ~60%). Иными словами, ХПП несколько уменьшает сопротивление хладноломкости стальных образцов.

4.3. При повторном изгибе ударом число ударов до излома образцов уменьшается, если знаки М_изг при испытаниях и ХПП противоположны (при совпадении знаков М_изг число ударов до излома увеличивается).

4.4. "Пластическая жесткость" (термин проф. Щапова Н.П.) детали после ХПП в направлении, противоположном направлению ХПП, значительно меньше, чем в направлении ХПП. Поэтому при перемене знака М_изг внешней нагрузки по отношению к знаку М_изг при ХПП осей железнодорожного состава "при самых малых загружениях получался остаточный прогиб. Следовательно, правленная ось, подвергаясь в эксплуатации повторным воздействиям разного знака, будет вновь искривляться".

5. 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, химикотермической обработки деталей).

6. ХПП закаленных деталей на прессах практически невозможна из-за их повышенной упругости и хрупкости.

7. ХПП зачастую приводит к снижению сопротивления усталости валов на 10–30%. Если же валы подвергнуты обработке ППД с целью повышения сопротивления усталости, то ХПП может частично или полностью снять эффект от обработки ППД. Иногда во время ХПП происходят поломки КВ, особенно чугунных.

Таким образом, ХПП отрицательно влияет на многие эксплуатационные показатели качества деталей машин. Поэтому для ответственных деталей холодная правка на прессах категорически запрещается, о чем делается соответствующая запись в технических условиях на деталь.

Правку КВ за рубежом производят на специальных прессах ЦСП-60 и ЦСП-80. Валы выпрямляют не в коренных, а в шатунных шейках.

Фирма “Pere” ФРГ выпускает специальные правúльные станки, которые, в отличие от прессов, позволяют править вал в том месте, где появилась деформация.

В ФРГ разработана разновидность ХПП – поэлементная холодная правка коленчатых валов на прессах.

Этот способ применяется и в нашей стране. Сущность способа заключается в том, что правке подвергается не весь КВ, а только его отдельные деформированные элементы. Усилие пресса через специальное устройство воздействует на шатунную шейку со стороны оси коренной шейки. Противоположная сторона шатунной шейки является опорной.

Таким способом возможно править до 85% стальных и чугунных КВ с исходным прогибом до 1,4–2,5 мм, доводя его до 0,03–0,15 мм.

Разработчики способа утверждают, что геометрическая форма выправленных КВ стабильна во времени и под нагрузкой, а предел выносливости КВ несколько возрастает.

Недостатком способа является необходимость в мощных прессах (до 150 тонн!), а также в специальной оснастке. Производительность способа невысока, а квалификация рабочего напротив должна быть весьма высокой.