Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Групповая технология обработки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания

Групповая технология обработки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания

В соответствии с современными требованиями производство двигателей внутреннего сгорания (ДВС) должно осуществляться на технологическом оборудовании, обладающем возможностью быстрой переналадки на новые изделия, и детали, имеющие общие конструктивные признаки с ранее изготовляемыми деталями. Соответственно и оборудование для изготовления коленчатых валов для ДВС должно обеспечивать производство нескольких типов данных деталей в рамках одного технологического потока.

Для этого технология изготовления коленчатых валов должна соответствовать принципам группового производства. Групповое производство - это прогрессивная в технико-экономическом отношении система организации дискретных производственных процессов, экономико-организационной основой которых является целевая подетальная (предметная) специализация участков и цехов, а технологической составляющей - унифицированная групповая (типовая) форма организации технологических процессов.

Групповая технология обработки коленчатых валов должна быть ориентирована на изготовление деталей, имеющих общие конструктивные признаки: конструкция заготовки должна быть выполнена в виде единой отливки или штамповки (поковки); конструкция детали должна содержать три и более опор в виде коренных шеек, а также иметь плоское или пространственное расположение шатунных шеек.

Наряду с общими конструктивными признаками изготавливаемые по групповой технологии коленчатые валы должны удовлетворять следующим требованиям, характеризующим геометрическую точность и качество поверхностного слоя деталей:

  1. Твердость шеек, подвергаемых закалке, должна быть не менее 52 HRC. При этом галтельные переходы не должны подвергаться закалке;
  2. Шероховатость цилиндрических поверхностей шеек диаметром до 100 мм должна быть менее Ra 0,32; диаметром более 100 мм не менее Ra 0,63;
  3. Диаметры коренных и шатунных шеек должны выполняться по 6-7 квалитету точности. Отклонения от круглости при этом должны соответствовать 5-6 квалитету;
  4. Биение коренных шеек относительно оси вала не должно превышать 0,03 мм для шеек диаметром 100 мм, и 0,04 мм для шеек диаметром более 100 мм;
  5. Отклонение радиуса кривошипа допускается не более ±0,15 мм на 100 мм длины радиуса. При этом смещение углов между коленами кривошипов допускается не более ±30' по всей длине вала;
  6. Биение торца соединительного фланца крепления маховика должно быть не более 0,01 мм на 100 мм диаметра фланца;
  7. Коленчатый вал должен быть динамически сбалансирован. Величина дисбаланса должна находиться в пределах 20...70 г*см. Большие значения дисбаланса допускаются при частотах вращения вала менее 1500 мин-1.

Типовая технология изготовления коленчатого вала, удовлетворяющего данным признакам группирования деталей, приведена на рис. 1.

Заготовкой для коленчатого вала является поковка (обычно из сталей 45, 40Х, 50Г, 38ХНМА) или отливка из высокопрочного чугуна ВЧ50 и др. Масса поковки для данной технологии не должна превышать 100... 120 кг. Конструкция заготовки должна быть такой, чтобы коэффициент ее использования был не менее 0,7. Твердость заготовки в состоянии поставки должна составлять 207...225 НВ. При этом разность показаний твердости на концах детали не более 48 НВ. Глубина зачистки материала перед замером твердости не более 1,5 мм. Для обеспечения данных условий заготовка обычно подвергается нормализации, после чего необходимо произвести ее зачистку, т.е. травление с последующей обдувкой чугунным песком.

Рис. 1а. Групповая технология изготовления коленчатого вала

На подготовленной подобным образом заготовке, на первом этапе технологического процесса (операции 10,15, 20, 25) выполняются технологические базы для последующей ее обработки.

На операции 10, выполняемой на фрезерно-центровальном станке, например модели 2Г942, осуществляется фрезерование горцев коленчатого вала и в них выполняются центровые отверстия. При этом заготовка устанавливается в призмы по коренным шейкам 1 и 5 и ориентируется вдоль оси вала в результате упора в торец щеки заготовки смежной с шейкой 3. В процессе фрезерования выдерживаются линейные размеры 1, 2 и размеры центровых отверстий 3.

Рекомендуемые режимы резания: скорость фрезы vф = 80 м/мин; подача фрезы sф = >0,35 мм/об; скорость резания при зацентровке vц = 20 м/мин; подача центровочного сверла sц= 0,1 мм/об.

На операции 15, выполняемой на токарном гидрокопировальном станке, например модели 1Е713, осуществляется проточка цилиндрического хвостовикаколенчатого вала. Деталь устанавливается в центры токарного станка с упором в торец фланца на необрабатываемом конце заготовки.

Через поводок осуществляется передача вращени от шпинделя станка на заготовку. При выполнени данной операции угловое положение детали устанавливается произвольно и определяется угловым положа нием поводка, расположенным на шейке вала. Обрабоnка крайней цапфы вала осуществляется по копиру, установленному на станке. При этом выдерживают линейные размеры 1, 2, 3, 4, 5 и диаметральные 6, 7, 8. В процессе обработки при точении торца заготовки формируется выступ (бобышка), позволяющи сохранить фаску на обрабатываемом конце заготовки.

Рекомендуемые режимы резания: скорость резани (детали) v = 100 м/мин; продольная подача резца Sпр = 0,15 мм/об; поперечная подача резца sпоп = 0,1 мм/oб.

На операции 20 осуществляется обработка противоположного торца и цилиндрической поверхност заготовки. По схеме базирования и закреплени: используемому оборудованию и режимам обработк она полностью аналогична операции 15.

Рис 1б. Групповая технология изготовления коленчатого вала (продолжение)

На этих операциях осуществляется переход от одни баз к другим, т.е. от центровых фасок к цилиндрически поверхностям цапф коленчатого вала. Этот перехо вызван тем, что базовых поверхностей центровых фасок не достаточно для надежной установки и закрепления заготовки при ее последующей обработке.

На операции 25 осуществляется выполнение угловых базовых поверхностей, необходимых для однозначной ориентации заготовки при последующей обработке. Операция выполняется на горизонтально-фрезерном станке, например модели 6Р83. Заготовка устанавливается в центры специального приспособления с упором в торец фланца заготовки и в этом положении закрепляется. В процессе фрезерования выдерживаются размеры 1,2,3.

Рекомендуемые режимы резания: скорость резания (фрезы) vф = 125 м/мин; продольная подача заготовки sпр - 100 мм/мин.

Второй этап групповой технологии составляют операции 30, 35, 40, 45, на которых осуществляется черновая обработка детали и формируется ее контур. При этом используются однотипные круглофрезерные станки, одинаковые технологические базы, однотипный режущий инструмент и режимы обработки.

На операции 30 осуществляется обработка коренных шеек 2 и 4. Обработка осуществляется на круглофрезерном станке модели КЛ-720. При этом деталь устанавливается в патроны шпинделей передней и задней бабок станка на цилиндрические поверхности цапф заготовки, обработанные на предыдущих операциях. В осевом положении заготовка базируется в результате упора в одну из щек. При этом ее угловое положение ориентировано путем упора в одну из площадок, выполненных на щеках шатунных шеек. В процессе фрезерования выдерживаются размеры 1, 2, 3, 4 и диаметры 5 шеек. Цикл обработки каждой шейки содержит два перехода: фрезерование врезанием при неподвижной заготовке и фрезерование с круговой подачей.

Рекомендуемые режимы резания: при врезании -скорость фрезерования vф= 120 м/мин; подача инструмента sвр = 50 мм/мин; при круговой подаче - скорость фрезы vр= 120 м/мин; подача заготовки sпр =150 мм/мин.

На операции 35 осуществляется обработка коренных шеек 3 и 5. Данная операция полностью аналогична предыдущей операции.

На операциях 40 и 45 осуществляется обработка шатунных шеек. При этом схема базирования, используемое оборудование, инструмент и режимы резания полностью аналогичны предыдущим операциям. Принципиальным отличием данных операций является то, что в процессе обработки здесь формируется размер 5, определяющий величину радиуса кривошипа коленчатого вала. Этот размер обеспечивается из-за того, что зажимные патроны шпинделей передней и задней бабок станка смещены относительно оси вращения шпинделя на величину этого радиуса. Соответственно на операции 40 они оба смещены в одну сторону, а на операции 45 - в противоположную.

На всех четырех операциях обработка ведется с использованием подводимых опор (люнетов), устанавливаемых под обрабатываемую поверхность и без охлаждения. В качестве инструментов используются трехсторонние дисковые фрезы со съемными металлическими пластинами (СМП) из трехкарбидных сплавов группы ТТК (титан-тантал-кобальт). Число пластин, коэффициенты их перекрытия и диаметры фрез рассчитываются на основе известных методик.

Третий этап групповой технологии составляют операции 50,55, на которых осуществляется восстановление технологических баз, после снятия основной части припуска с заготовки. Выполняются они в зависимости отразмеров заготовки натокарно-винторезных станках модели 16К20 или 1М63. Станки обычно имеют специальные наладки, заключающиеся в установке на них неподвижных люнетов, устанавливаемых на коренные шейки 5 (оп. 50) и 1 (оп. 55) соосно оси шпинделя станка. Установка заготовки при этом осуществляется в патроне станка и люнете поддерживающего устройства. В осевом направлении заготовка зафиксирована в результате упора в одну из щек. В ходе токарной операции обрабатываются наружные цилиндрические поверхности цапф коленчатого вала, размеры 1, 2, 3, 4, 5 и центровые отверстия, размеры 6, 7. Эти поверхности в дальнейшем используются в качестве баз на операциях предварительного шлифования контура коленчатого вала и его термической обработке.

Четвертый этап данной технологии составляют операции 60, 65, 70, это - операции предварительного шлифования вала перед его термообработкой.

На операциях 60, 65 выполняется шлифование коренных шеек вала. Базирование заготовки осуществляется в центрах круглошлифовального станка, например модели ЛТ-72. При установке заготовки в приспособление она базируется в осевом направлении по торцу обрабатываемой коренной шейки (в данном случае это шейка 5). Ориентация заготовки осуществляется механизмом осевого ориентирования заготовки, имеющемся на станках данной модели. В процессе обработки выдерживаются размеры: 1, 2, 3, 4. Причем размер 1 обеспечивается шлифовальным кругом, геометрическая форма которого создается в процессе его правки. Каждая из шеек обрабатывается при врезной подаче инструмента.

Рекомендуемые режимы резания: шлифовальный круг 24А40С17К5, скорость круга vk-1 = 50 м/с; частота вращения заготовки nд - 60 мин; величина врезной подачи sвр изменяется в пределах 1...5 мм/мин в зависимости от шлифовального перехода. При шлифовании торцев подача имеет большие значения, чем при шлифовании цилиндрической поверхности. В конце технологического перехода шлифования той или иной шейки обязательно осуществление выхаживания (шлифование без подачи) в течение одной минуты (не менее).

Шлифование коренных шеек коленчатого вала разбито на две операции. Это обусловлено различной шириной шеек, поэтому операция 65 полностью аналогична операции 60. Отличием одной операции от другой являются размеры режущего инструмента (ширина шлифовального круга).

На операции 70 осуществляется последовательное шлифование шатунных шеек I, II, III, IV. Шлифование проводится на специальных круглошлифовальных станках, например модели ХШ2-02. Станки данной модели снабжены механизмом, синхронизирующим вращение шпинделей передней и задней бабок. Базирование заготовки при этом осуществляется по цилиндрическим поверхностям коренных шеек 1 и 5 коленчатого вала с упором в торец щеки коренной шейки 5. В процессе шлифования выдерживаются размеры 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Размер 5 обеспечивается вследствие формирования фасонной поверхности круга при правке, а размер 7 наладкой приспособлений (патронов), размещенных в передней и задней бабках станка. Шлифование шеек проводится последовательно в результате изменения положения заготовки в патронах станка. В первом положении шлифуются шейки I и IV, во втором (противоположном) - II и III. В каждом положении заготовка вращается вокруг оси шлифуемой поверхности. В связи с этим патроны станка мод. ХШ2-02 снабжены противовесами, позволяющими уравновесить заготовку и приспособление в процессе обработки. Режимы шлифования шатунных шеек аналогичны режимам, используемым при шлифовании коренных шеек.

В пятый этап групповой технологии (см. рис. 1 (продолжение)) входят операции термической обработки (75,80) шатунных и коренных шеек, которые включают в себя закалку шеек на установках ТВЧ с последующим низкотемпературным отпуском. Закалка шеек осуществляется во вращающихся индукторах на специальных установках, позволяющих заготовке вращаться вокруг оси коренных шеек. При этом индукторы, установленное на коренные шейки, неподвижны относительно заготовки, а индукторы, установленные на шатунные шейки, совершают планетарное перемещение вместе с шейкой. Режимы закалки, т.е. величина силы тока, время разогрева поверхности шейки, частота ее вращения, подбираются индивидуально в процессе настройки и зависят от материала заготовки и ее размеров. Обычно закалка осуществляется до твердости не менее 52 HRC. После закалки заготовки подвергают низкотемпературному отпуску в течение 3...6 ч при температуре 180...250 °С.

Шестой технологический этап включает в себя операции 85, 90. На этих операциях восстанавливают технологические базы перед окончательной обработкой контура вала и формируют присоединительные поверхности для сопрягаемых с ним деталей. Так на операции 85 выполняется проточка цилиндрических поверхностей цапфы коленчатого вала и выполнение отверстия для установки деталей, приводимых в движение коленчатым валом. Операция выполняется на токарно-винторезных станках, например модели 1М63.

Рис. 1в. Групповая технология изготовления коленчатого вала (продолжение)

Заготовка базируется по цилиндрическим поверхностям фланца коленчатого вала с упором в торец щеки коренной шейки 5. При этом коренная шейка 1 поддерживается неподвижным люнетом, ось которого совмещена с осью вращения шпинделя. В процессе обработки выдерживаются размеры 1, 2, 3, 4. Особые требования предъявляются при этом к концентричности цилиндрических поверхностей отверстия в цапфе и ее наружной поверхности, являющейся опорой для деталей, приводимых во вращение коленчатым валом.

Перед операциями окончательного шлифования шеек и цапф коленчатого вала на операции 90 осуществляется расточка центровых фасок. При этом заготовка устанавливается в призмы станка по шейкам 1 и 5. В осевом направлении она ориентируется путем упора в торец щеки коренной шейки 5. Обработка заготовки осуществляется на специальных расточных станках, например модели 2712П. В процессе обработки выполняются размеры 1, 2, 3, 4.

Рекомендуемые режимы резания: расточный резец со СМП из сплава Т15К6, скорость резания vp = 80 м/мин (частота вращения резцовой оправки n - 800 мин-1), продольная подача Sпр= 0,08 мм/об. Расточенные центровые отверстия в дальнейшем служат базой для обработки коренных шеек коленчатого вала.

Седьмой этап групповой технологии составляют операции 95,100,105, НО, 115, на которых окончательно шлифуется контур коленчатого вала. Из них операции 95, 100 предназначены для шлифования коренных шеек, а операция 105 - для шатунных шеек. Коренные шейки обрабатываются на круглошлифовальных станках модели ЛТ-72, шатунные шейки на станках модели ХШ2-02.

Базирование, закрепление заготовок на данных операциях осуществляется аналогично операциям предварительного шлифования (60,65,70). Вместе с тем выполнение данных операций в отличие от предыдущего шлифования шеек имеет некоторые особенности. Они заключаются в установке подводимой опоры (люнета). На операции 95 люнет устанавливается на коренную шейку 3, которая на данной операции шлифуется последней. На операции 100 опора подводится к коренной шейке 4, наиболее удаленной от передней бабки станка. На операции 105 люнет устанавливается под шатунной шейкой III, так как в этом месте заготовка может иметь наибольшие деформации при всех ее возможных положениях.

Pис. 1г. Групповая технология изготовления коленчатого вала (продолжение)

В процессе обработки выдерживаются размеры 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Причем размер 5 формируется инструментом при его правке. Размер 6 (диаметр шейки) контролируется в процессе обработки с помощью средств активного контроля. Размер 7 (радиус кривошипа) обеспечивается в результате настройки поворотного приспособления для установки заготовки.

Режимы резания и характеристики режущего инструмента при окончательном шлифовании аналогичны режимам предварительного шлифования, за исключением шлифовального круга, который рекомендуется использовать меньшей твердости (на одну степень) для исключения возможного появления прижогов (особенно на торцах щек и в радиусах галтельных переходов).

На операциях 110,115 осуществляется окончательное шлифование поверхностей коленчатого вала, сопрягаемых с ведомыми узлами двигателя. Так на операции 110 обрабатывается фланец, являющийся базовой поверхностью для установки маховика двигателя, а на операции 115 - цапфа вала, на которую в дальнейшем осуществляется установка ведущих шестерен механизма газораспределения двигателя.

Выполняются данные операции на торцекруглошлифовальных станках, например модели ХШ-10. Здесь заготовки устанавливаются в центрах станка на ее центровые фаски. При этом в осевом направлении деталь ориентируется относительно торца фланца или цапфы, который в дальнейшем шлифуется. Ориентация детали осуществляется с помощью механизма осевого ориентирования, имеющегося на станках данной модели.

В ходе обработки выдерживаются размеры 1, 2, 3, 4. Причем размеры 1 и 2 выдерживаются благодаря использованию приборов активного контроля типа "ЭЛЕКОН-ЗМ", которыми оснащаются станки данной модели. Применение этих приборов позволяет гарантировать обеспечение требуемой геометрической точности в пределах 0,005 мм.

Рекомендуемые режимы резания: шлифовальный круг 25А40С17К5; скорость круга vk-1 = 50 м/с; частота вращения заготовки nд = 60 мин ; величина врезной подачи должна изменяться в течение одного цикла обработки в пределах S вр = 1 ±0,2 мм/мин. После обработки 5...7 деталей шлифовальный круг подвергается принудительной правке. Число деталей обрабатываемых одним кругом между правками устанавливается экспериментально.

При обработке деталей с более высокими требованиями к геометрической точности данная группа операций может быть выполнена повторно. В результате этого точность обработки повышается в результате уменьшения величины снимаемого припуска на последующих операциях.

Завершается типовая технология обработки коленчатого вала операциями, на которых выполняются элементы, позволяющие передавать вращающий момент от этой детали на ведомые механизмы и узлы двигателя. Так на операции 120 выполняется шпоночный паз в цапфе коленчатого вала, предназначенный для передачи вращающего момента на ведущую шестерню коленчатого вала. Операция выполняется на горизонтально-фрезерном станке модели 6Р82. При этом деталь базируется в призмах приспособления по коренным шейкам 1 и 5, а в осевом направлении ориентируется до упора во фланец.

Рекомендуемые режимы резания: скорость резания (фрезы) vф = 15 м/мин; врезная подача фрезы sвр= 2 мм/мин; при фрезеровании используется шпоночная (грибковая) фреза из сплава 6РМ5 с числом зубьев не менее восьми. При обработке выдерживаются размеры 1,2,3,4,5. Размеры 2,5 обеспечиваются настройкой станка, размеры 1,3,4- геометрическими характеристиками фрезы.

На операции 125 выполняются крепежные и установочные отверстия во фланце коленчатого вала, используемые для установки маховика двигателя. Операция выполняется на специальном сверлильном станке путем последовательного выполнения следующих переходов: сверления, зенкерования, развертывания. Причем четыре крепежных отверстия только сверлятся и зенкеруются, а два установочных отверстия дополнительно развертываются. При обработке выдерживаются размеры 1, 2, 3.

Расположение отверстий обеспечивается приспособлением (кондуктором), диаметры отверстий - размерами инструмента. Режимы обработки: скорость резания vр = 7 м/мин (частота вращения инструмента nи = 160 мин-1), величина осевой подачи инструмента S = 0,1 мм/об. При более высоких требованиях к геометрической точности и расположению установочных отверстий на фланце коленчатого вала применяется дополнительная операция их растачивания.

Окончательная обработка коленчатых валов включает в себя операции суперфиниширования шатунных и коренных шеек, балансировку, слесарные операции, промывку. Характер выполнения этих операций и степень их оснащенности зависят от серийности выпускаемого изделия. Они в меньшей степени, чем рассмотренные выше, определяют трудоемкость изготовления данных деталей.

Таким образом приведенная типовая технология изготовления коленчатого вала содержит восемь групп технологических операций. Каждая из этих групп удовлетворяет требованиям по обеспечению геометрической точности коленчатых валов, объединенных общими конструктивными признаками. Это позволяет осуществлять достаточно быстрый переход с обработки коленчатого вала одного типоразмера на другой, что, в конечном счете, повышает гибкость производства, позволяет выпускать гамму деталей различных типоразмеров на одном и том же технологическом оборудовании.

Так на ОАО "НПО "Сатурн" подобная групповая технология используется при изготовлении дизельных двигателей моделей Д65, РМ80, РМ120. Данные двигатели, представляющие собой рядный четырехцилиндровый двигатель размерностью 110х130, различаются по мощности в пределах 60...120 л.с. Соответственно на данных моделях двигателей используются оригинальные коленчатые валы, конструктивно отличающиеся друг от друга геометрическими размерами шатунных и коренных шеек. Все три наименования деталей обрабатываются в одном технологическом потоке, по одной технологии, на одном и том же оборудовании и оснастке.

Переход с изготовления одной детали на другую осуществляется за счет перестройки технологического потока. Длительность переналадки составляет менее 8... 10 ч. Это свидетельствует о гибкости технологического процесса, который опирается на специально разработанные унифицированные конструкции коленчатых валов. В конечном итоге данная технология позволяет обеспечить эффективное использование производственных мощностей при выпуске достаточно широкой номенклатуры деталей, объединенных едиными конструктивными признаками.

В.А. ПОЛЕТАЕВ, В.А. НЕПОМНЯЩИЙ
Справочник. Инженерный журнал № 11, 2002, стр. 23-27; №12, 2002, стр. 12-15.

Статьи партнеров