2.4.5. Методы упрочнения коленчатого вала

Упрочнение КВ проводится для повышения его усталостной прочности и достигается

-конструктивными методами ;

-технологическими методами .

Последние , в свою очередь , делятся на :

1. Химико-термические ( азотирование , цементация ) ;

2. Поверхностную закалку ТВЧ ;

3. Механические ( обкатка роликами , обжим , обдувка дробью )

Конструктивные методы заключаются в придании элементам вала и его сопряжениям более благоприятных геометрических форм , позволяющих уменьшить концентрацию напряжений , снижающую запас прочности.

Рациональное конструирование позволяет более эффективно использовать металл и получить более равномерных распределение напряжений по объему детали .

Накопление экспериментальных данных о влиянии различных конструктивном решений на усталостную прочность отдельных элементов вала позволяет выделить наиболее существенные из них .

1. Перекрытие шеек КВ (r < r _кш < r_шш ) увеличивает жесткость КВ . Если перекрытие ( А ) составляет 10 мм , то предел выносливости на изгиб увеличивается на 3,5% при А=20 мм - на 29% , при А=30 мм - на 75 %.

2. Увеличение радиуса галтели снижает концентрацию опасных напряжений при изгибе в опасных сечениях колена . Однако , при этом уменьшается рабочая длина шеек вала , что приводит к повышению давления на опорные поверхности . Для увеличения опорной поверхности шейки при одновременном снижении концентрации напряжений галтели выполняют двумя - тремя дугами различных радиусов .

3. Углубление галтели в шейку уменьшает концентрацию напряжений , обеспечивая при этом более равномерную эпюру напряжений с меньшими максимальными напряжениями как вдоль образующей шейки , так и по ширине щеки . Кроме того , при этом можно увеличить радиусы переходов от шейки к щеке . При наличии на шейке разгружающей канавки увеличивается усталостная прочность КВ при изгибе , но вследствие уменьшения сечения шейки , снижается при знакопеременном кручении .

4. Эксцентричное расположение внутреннего облегчающего отверстия в ШШ относительно ее геометрической оси в сторону удаления от радиуса кривошипа ( эксцентриситет е ) сопровождается уменьшением концентрации напряжений в галтели и повышением усталостной прочности на 10 - 15% .

5. Бочкообразная форма внутренней полости шеек уменьшает концентрации у галтели и повышает усталостную прочность при знакопеременном кручении . При одинаковых жесткостях КВ максимальные напряжения галтели с бочкообразными полостями шеек на 10% меньше , чем с цилиндрическими . Усталостная прочность на кручение выше на 30%

6. Масляное отверстие в ШШ располагается в плоскости , перпендикулярной плоскости кривошипа в местах минимальных касательных напряжений ( максимальные возникают в зонах ШШ , близко расположенных к плоскости симметрии кривошипа ) .

Технологические методы упрочнения КВ

Заключаются в соответствующей механической , химико-термической или электротермической обработке всего вала или его поверхностей , при которой либо блокируются источники концентрации напряжений , либо создаются остаточные напряжения сжатия , а также повышается износостойкость поверхностей , а иногда и их коррозионная стойкость .

Существующие методы местного поверхностного упрочнения с помощью специальной механической обработки сводятся к наклепу поверхностей вала и полированию масляных каналов .

1. Наклеп заключается в изменении структуры металла за счет пластической деформации , в результате чего уменьшается пластичность и ударная вязкость ,

но повышаются :

-предел пропорциональности ,

-предел текучести ,

-твердость .

Наклеп создается в местах взаимодействия концентраций напряжений и производится :

-обкаткой галтелей роликами ;

-обдувкой галтелей дробью ;

-обжатием краев масляного отверстия шариком .

При наклепе создается поверхностный слой с остаточными напряжениями , а также уничтожаются субмикроскопические трещины , которые являются возможными источниками возникновения усталостного разрушения под воздействием знакопеременных нагрузок .

При обжатии галтелей роликами и обжатии шариком краев масляных отверстий предел выносливости при изгибе увеличивается на 40% , а при кручении на 20% .

При обдувке галтелей стальной дробью предел выносливости КВ увеличивается на 40% .

В целом усталостная прочность КВ при обжатии роликами галтелей с их последующем закалкой ТВЧ увеличивает усталостную прочность на 50% .

2. Закалка ТВЧ обеспечивает повышение механической прочности закаленного слоя и появление поверхностных остаточных напряжений сжатия . На участках без концентрации напряжений предел выносливости увеличивается незначительно (на 15 % ) , но при наличии концентраций напряжений усталостная прочность может быть повышена в 2 раза .

Закалка галтелей с выходом на щеку повышает усталостную прочность вала на 60%.

Для высокочастотной закалки используются углеродистые и низколегированные стали 40 , 45 , 40х и другие .

Однако , при неправильном режиме закалки ТВЧ и температурного режима последующего отпуска могут возникнуть микротрещины , повышающие усталостную прочность .

3. Азотирование - диффузионное насыщение поверхности слоя . Применяется для создание твердой износостойкой и коррозионно-стойкой поверхности .

В этом же слое создаются остаточные напряжения сжатия , что также повышает предел усталости и долговечность детали .

Из-за недостаточной твердости поверхности простая углеродистая сталь малопригодна для азотирования . Для азотирования применяются легированные стали 35ХМЮА , 35ХЮЛ , легирующие элементы которых ( Al , Cr , Mo ) дают устойчивые дисперсные нитриды .

Азотирование КВ из легированных сталей повышает усталостную прочность при изгибе на 60 % , а при кручении на 35 % , что в 1,5 - 2,0 раза выше по сравнению с закалкой ТВЧ .При азотировании также сжимаются внутренние напряжения , возникающие при обработке вала резаком .

Азотирование проводят после окончательной механической обработки запаленных и отпущенных деталей . Для получения азотированного слоя толщиной 0,25...0,30 мм при температуре 500-520^о С требуется 24 часа ( закалка ТВЧ для получения слоя 2,0 мм занимает 16 - 18 с ) .

Сокращение времени азотирования достигается применением жидкостного азотирования в ванне с расплавленными цианистыми солями ( до 3 - х часов )

После азотирования не допускается механическая обработка КВ ( сверление отверстий , шлифование и т. д.) , т.к. это может резко снизить усталостную прочность КВ.

Например , сверление отверстий снижает усталостную прочность КВ в 2 раза , а прочность галтели при шлифовании - на 20 - 25 % .

Долговечность азотированных КВ до перешлифования - 600,000 км пробега .

Однако , азотирование увеличивает стоимость КВ на 30 - 50 % , являясь очень длительным и трудоемким процессом .

4. Цементация - диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом при температуре 900 - 950^о С . Повышает твердость , износостойкость поверхности , а также усталостную прочность КВ вследствие образования на поверхности остаточных напряжений сжатия . Глубина цементации 0,5 - 2,0 мм .

Цементации подвергаются КВ из стали с низким содержанием углерода ( 0,1 - 0,25 % ) . После цементации КВ обязательно подвергают термообработке - закалке и отпуску .

51