A A A

Półfabrykaty i obróbka cieplna walów korbowych

W produkcji jednostkowej i małoseryjnej jako półfabrykaty na wały korbowe stosowane są odkuwki swobodne. Metody kucia swobodnego wa­łów korbowych omówiono w rozdziale II (patrz rysunki 67474). Wykorbienia odkuwane są przy tym jako całość, czopy zaś korbowodowe kształ tuje się dopiero po usu­nięciu materiału z miejsc pomiędzy ramionami (w miejscu X rys. 337), czyli po wycięciu wykorbień. Wycinanie wykorbień naj­częściej odbywa się w ten sposób, że najpierw wierci się szereg otworów (rys. 337), następnie dłutuje się ramiona wzdłuż cienkiej linni przerywanej. Wyciętą część usuwa się wybijając ją za pomocą kli­nów. Niekiedy zamiast dłutowania stosuje się wiercenie otworów wzdłuż całego zarysu wykorbienia; jest to jednak sposób mniej wy­dajny, a oprócz tego powierzchnia po wycięciu pozostaje nierówna i wy­maga dłuższej obróbki. Czasem do wycinania wykorbień stosowane są piły tarczowe. Wycinanie wykorbień odbywa się niekiedy za pomocą palnika gazo­wego. Sposób ten jest szybki i tani, lecz nie jest pożądany ze względu na możliwość pogorszenia własności mechanicznych materiału w wyniku miejscowych nagrzań. W każdym przypadku po cięciu palnikiem wał po­winien być wyżarzony. W produkcji wielkoseryjnej i masowej wałów korbowych półfabryka­tami są najczęściej odkuwki matrycowe wytwarzane przy użyciu młotów lub pras (patrz rysunki 85487). Przy wytwarzaniu wałów korbowych z kołnierzem (do osadzenia koła zamachowego), którego średnica jest znacznie większa od średnicy czopa głównego, po zakończeniu kucia na młocie lub prasie następuje kształto­wanie kołnierza przez spaczenie na poziomej kuźniarce. W ten sposób można uzyskać powierzchnie czołowe kołnierza bez pochyleń kuźniczych oraz wgłębienie do osadzenia łożyska wałka skrzyni biegów. Dokładność wymiarów odkuwek matrycowych wałów korbowych odpo­wiada zwykle klasie 8 lub 9, a naddatki na obróbkę wahają się w grani­cach 2,0r2,5 mm na stronę. Obróbka cieplna kutych wałów korbowych dzieli się na dwie części: wyżarzanie normalizacyjne i utwardzanie powierzchniowe. Wytwórnie sil­ników przemysłowych i okrętowych średniej i wielkiej mocy stosują wały korbowe ulepszane cieplnie z czopami nieutwardzanymi. Wyżarzanie normalizacyjne, przeprowadzane w dziale obróbki cieplnej kuźni, ma na celu poprawienie własności mechanicznych całej odkuwki oraz przygotowanie do obróbki mechanicznej przez polepszenie struktury, ujednolicenie twardości i usunięcie naprężeń wewnętrznych powstałych przy studzeniu odkuwki. Do utwardzania powierzchniowego czopów wałów korbowych stosowane są następujące metody: 1)powierzchniowe hartowanie płomieniowe, powierzchniowe hartowanie indukcyjne, powierzchniowe hartowanie w maszynach hartowniczych, azotowanie, nawęglanie i hartowanie. Dwie pierwsze metody są stosowane najczęściej i dlatego omówimy je szerzej. Powierzchniowe hartowanie płomieniowe. Hartowa­nie płomieniowe polega na miejscowym nagrzaniu części przedmiotu, któ­ry chcemy zahartować, palnikiem gazowym i następnie intensywnym chło­dzeniu strumieniem wody z dyszy. Nagromadzone podczas grzania ciepło powoduje szybki wzrost temperatury w warstwie powierzchniowej, pod­czas gdy środek pozostaje nie nagrzany, wskutek czego po hartowaniu pozostaje miękki i ciągli wy. Hartowanie płomieniowe wałów korbowych przeprowadza się metodą hartowania za jednym obrotem wału lub metodą nagrzewania szybko obracającego się wału i następnie chłodzeniu. Przy hartowaniu według pierwszej metody strumień wody chłodzącej jest kierowany tuż za płomieniem. Palnik szeroko płomieniowy oraz urzą­dzenie do chłodzenia osadzone są nieruchomo, a wał obraca się powoli (szybkość przesuwania się powierzchni czopa względem palnika wynosi 150f200 mm/min). W każdej chwili nagrzewa się tylko wąski pasek po­wierzchni na całej długości czopa, pozostała zaś część czopa albo jest już zahartowana (część, która już przeszła pod natryskiem wodnym), albo jeszcze nie (część, która nie doszła jeszcze do płomienia palnika). Przy zastosowaniu tej metody powstaje na styku ostatniego odcinka hartowa­nego z pierwszym pewien pasek odpuszczony. Twardość w tym miejscu wynosi np. dla stali 45 około 45 Hrc, gdy tymczasem pozostała powierzch­nia ma twardość powyżej 56 Hrc. Przy hartowaniu według drugiej metody czop obraca się z prędkością obwodową ok. 8 m/min nagrzewając się równomiernie na całej powierz­chni, po czym cała powierzchnia ulega równoczesnemu zahartowaniu. W tym przypadku otrzymuje się bardziej równomierną twardość powierz­chini i pasek odpuszczony nie występuje. Przy stosowaniu drugiej metody czop nagrzewa się wolniej niż przy pierwszej i strefa przejściowa od struk­tury martenzytycznej do niezmienionej struktury rdzenia jest grubsza. Na rys. 338 pokazano schemat hartowania płomieniowego według dru­giej metody. Palnik 1 i dysza 2 są względem siebie osadzone nieruchomo w jednym suporcie 3, wykonującym ruch poprzeczny w stosunku do osi wału 4. Hartowanie składa się z dwóch operacji: operacji nagrzewania (rys. 338a) i operacji chłodzenia (rys. 3385). Proste urządzenie do hartowania pło­mieniowego można wykonać wykorzy­stując do tego celu starą tokarkę. Na suporcie tokarki zamiast imaka nożo­wego ustawia się uchwyty do zamoco­wania palnika i dyszy. Urządzenia bar­dziej specjalne, zautomatyzowane, wy­konywane są fabrycznie. Tego rodzaju zautomatyzowane urządzenie do harto­wania czopów wałów korbowych poka­zano na rys. 339. Wał korbowy zamocowuje się w uchwycie o nastawnym mimośrodzie. Uzyskiwana zwykle przy hartowaniu płomieniowym twardość wynosi dla stali węglowych 50460 HRC, a dla stali stopowych 52462 HRC. Grubość warstwy zahartowanej na martenzyt zawiera się zwykle w granicach 2f5 mm. Na rys. 340 przedstawiono typowy przekrój warstwy zaharto­wanej oraz rozkład twardości na powierzchni i w płaszczyźnie średnico­wej czopa samochodowego wału korbowego hartowanego płomieniowo. Hartowanie płomieniowe wałów korbowych, mimo olbrzymiego postępu w dziedzinie hartowania indukcyjnego, znajduje szerokie zastosowanie. Obecnie wiele zakładów w Europie produkujących seryjnie silniki z za­płonem samoczynnym stosuje tę metodę hartowania powierzchniowego czopów. Hartowanie indukcyjne. Zasada grzania indukcyjnego jest następująca. Ogrzewany przedmiot 1 (rys. 341) umieszcza się w pewnej małej odległości od wzbudnika ukształtowanego zwykle w po­staci kilkuzwojowej cewki 2, do której doprowadza się następnie prąd zmienny z generatora o 1 przedmiotu, indukują się prądy wirowe spy­chane przez pole elektromagnetycz­ne, powstające wewnątrz przedmiotu, do powierzchni. W rezultacie prawiedelkiej częstotliwości. W tej części u działania pola elektromagnetycznego cały prąd płynie w cienkiej warstwie powierzchniowej, tym cieńszej, im większa jest częstotliwość prądu. Zjawisko to nosi nazwę efektu powierz­chniowego. Oporność materiału grzanego powoduje przemianę energii prądów wirowych, w ciepło, w wyniku czego następuje szybkie nagrze­wanie powierzchni przedmiotu. Gdy metal w warstwie powierzchniowej osiągnie temperaturę powyżej punktu Ac3, wyłącza się prąd w obwodzie wzbudnika, a powierzchnię czopa poddaje intensywnemu oziębianiu cieczą chłodzącą. Wzbudniki wykonywane są często z rurek miedzianych, przez które przepływa woda i chłodzi je. Wykonuje się również wzbudniki, których część grzewcza jest połączona z urządzeniem oziębiającym (natryskowym). Wewnętrzna powierzchnia takich wzbudników ma liczne otwory, przez które na nagrzany przedmiot wytryskuje woda chłodząca. Kształt wzbud­nika jest zależny od kształtu grzanego przedmiotu. Na przykład na rys. 342 pokazano wzbudnik do grzania czopów wału korbowego. Na rys. 343 przedstawiono maszynę hartowniczą konstrukcji prof. Wołogdina, stosowaną do obróbki wałów korbowych silników ZIS. Do całości urządzenia należy jeszcze generator prądu i tablica rozdzielcza. Maszyna ta jest całkowicie zautomatyzowana. Za jednym założeniem wału hartuje się kolejno 13 czopów, za pomocą 13 wzbudników. Każdy wzbudnik składa się z dwóch części, przy czym dolna jest nieruchoma, a górną opuszcza się po założeniu wału. Zetknięcie się połówek wzbudnika powoduje samoczyn­ne włączenie prądu i nagrzewanie czopa. Po nagrzaniu do właściwej tem­peratury następuje samoczynne wyłączenie prądu i włączenie dopływu wody chłodzącej, a jednocześnie rozpoczyna się grzanie następnego czopa. Czas nagrzewania i oziębiania jednego czopa wynosi 5510 sek, a całego wału około 2,5 min. Czas chłodzenia oraz ilość wody chłodzącej jest tak dobrana, że ciepło zawarte jeszcze w środkowej części wału powoduje samoodpuszezanie czopa. Hartowanie wałów korbowych na takiej maszynie jest bardzo korzystne. Maszyna ta bowiem zajmuje mało miejsca i może być wraz z tablicą rozr dzielczą umieszczona na linii poto kowej obróbki mechanicznej wałów korbowych. Czas trwania cyklu har­towania jest uzgodniony z taktem li­nii potokowej. Wyeliminowanie spe­cjalnej operacji odpuszczania po har­towaniu skraca oczywiście czas ob­róbki cieplnej i znacznie zmniejsza jej koszty. Po zahartowaniu powierzchnie czopów wału mają równomierną i stosunkowo dużą twardość (60465 HRC). Struktura zahartowanej war­stwy powierzchniowej, zwykle o gru­bości 344 mm, składa się z drobnego martenzytu. Rozkład twardości na przekroju czopa wału, wykonanego ze stali 45, pokazano na rys. 344. Spadek twardości między zahartowaną warstwą powierzchniową a miękkim rdzeniem jest szybki, ale nie rapto­wny, dzięki czemu warstwa zahartowana przylega dobrze i nie ma ten­dencji do odpryskiwania. Przy końcach czopów twardość jest obniżona w celu uniknięcia pęknięć na przejściach między czopem a ramieniem wykorbienia. Hartowanie indukcyjne jest najbardziej wydajne i najczęściej stosowa­ne do utwardzania czopów wałów korbowych przy produkcji masowej. Hartowanie powierzchniowe w maszynach har­towniczych. Wał korbowy nagrzewa się w piecu, a następnie umie­szcza w maszynie hartowniczej, w której poddawany jest intensywnemu chłodzeniu w ciągu ściśle określonego czasu. Wskutek tego warstwa po­wierzchniowa hartuje się na pewną głębokość, gdy tymczasem rdzeń zo­staje miękki. Wały korbowe azotowane lub nawęglane. Mimo, że można przytoczyć wiele przykładów zupełnie zadowalającej pracy azoto­wanych lub nawęglanych wałów korbowych w silnikach samochodowych, ciągnikowych, a zwłaszcza lotniczych, stosowanie takich wałów nie rozpowszechniło się ze względu na to, że ich produkcja jest skomplikowana i kosztowna. Wały korbowe z czopami nieutwardzonymi. Przy­kładem obróbki cieplnej kutych wałów korbowych ulepszanych cieplnie (z czopami nieutwardzanymi) może być obróbka według następującego schematu: 1)wyżarzanie normalizujące w temperaturze 900r920°C w czasie 6f8 godzin z chłodzeniem w powietrzu do 400°C; hartowanie z temperatury 830 °C z chłodzeniem w powietrzu do 400°C; 2)odpuszczanie w temperaturze 620r650°C w czasie 6f8 godzin z chło­dzeniem w powietrzu do temperatury otoczenia. Podany przykład dotyczy jednolitego wału ze stali 35 przeznaczonego do wielkiego silnika z zapłonem samoczynnym o mocy 1000 KM.