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.