Термическая обработка коленчатого вала

Реферат

     ПЗ: 44 с., 5 рис., 8 джерел.

     Мета  курсової роботи: отримання навичок  у виборі матеріалів для виробу колінчастого валу із урахуванням умов експлуатації та вимог до матеріалу, розробки технології термічної обробки. 

КОЛІНЧАСТИЙ ВАЛ, ЕКСПЛУАТАЦІЯ, НАПРУЖЕННЯ, ПОЛІПШЕННЯ, КРИТИЧНІ ТОЧКИ, ЛЕГУВАЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ, ГАРТУВАННЯ, ВІДПУСК, АЗОТУВАННЯ, СОРБІТ, ДЕФЕКТ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ЗМІСТ 

    Вступ……………………………………………………………………………….

1. Характеристика та умови експлуатації колінчастого валу. Вимоги до матеріалів……………………………………………………………………….
2. Маршрутна технологія виготовлення колінчастого валу …........................
3. Обґрунтування вибору матеріалів для колінчастого валу …………….…..
4. Характеристика обраного матеріалу……………………………....................
5. Розробка режимів та технології термічної обробки………………………..
6. Технічний контроль, попередження та виправлення дефектів…………….

    Висновки……………………………………………………………………………

    Перелік посилань…………………………………………………………………. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВСТУП 

    Термічною обробкою називається процес обробки  виробу із металів і сплавів шляхом теплового впливу із метою зміни  їх структури та властивостей в заданому напрямку.

    Ця  взаємодія може поєднуватись також  із хімічною, деформаційною, магнітною  та іншими взаємодіями.

    Термічна  обробка – найпоширеніший в сучасній техніці спосіб зміни властивостей металів та сплавів. На металургійних  та машинобудівних заводах термічна обробка є однією із найважливіших  частин технологічного процесу виробництва  напівфабрикатів та деталей машин. Термообробку застосовують як проміжну операцію для покращення технологічних  властивостей (оброблюваність тиском, різанням та інше) і як завершальну  операцію для надання металу або  сплаву такого комплексу механічних, фізичних і хімічних властивостей, який забезпечує необхідними експлуатаційними характеристиками виріб. Чим відповідальніше  конструкція, тим, як правило, більше в  ній термічно оброблюваних деталей.

    Теорія  термічної обробки є частиною металознавства. Головне в металознавстві – це учення про взаємодію між  будовою та технічно важливими властивостями  металів та сплавів. При нагріванні та охолодженні змінюється структура  металевого матеріалу, що обумовлено зміною механічних, фізичних та хімічних властивостей та впливає на його поведінку при  обробці та експлуатації.

    Теорія  термічної обробки складає учення про зміни будови і властивостей металів або сплавів при тепловій взаємодії, які не зникають після  його завершення.

    По  глибині та різновиду структурних  змін, які виникають в результаті термообробки, з нею не можуть порівнятися  ні механічні, ні будь які інші види взаємодії на метали.

    Колінчастий вал належить до найбільш відповідальних і дорогих деталей двигуна. Колінчастий  вал двигуна повинен мати високу міцність, жорсткість і зносостійкість поверхонь (шийок), що труться, при відносно невеликій масі (маса валу складає 7-15% маси двигуна). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Характеристика та умови експлуатації  колінчастого валу. Вимоги до матеріалів. 

    Колінчастий вал — вал складної форми, призначений для перетворення зворотно-поступового руху в обертальний. Працює в умовах високого рівня знакозмінних напружень від згину або крутильних коливань валу.

    Він зазнає значних зусиль тиску, від  сил інерції поступально і  обертально рухомих мас. Крім того, виникає напруження від крутильних коливань. Шийки валу зазнають змінного тиску, що обумовлює значну роботу тертя і знос шийок.

    Основні елементи колінчастого валу

    Корінна шийка - опора валу, що лежить в корінному підшипнику, розміщеному в картері двигуна.

    Шатунна шийка - опора, за допомогою якої вал зв'язується з шатунами (для змащення шатунних підшипників є масляні канали).

    Щоки - зв'язують корінні і шатунні шийки.

    Передня вихідна частина  валу - частина валу на якій кріпиться зубчасте колесо.

    Задня вихідна частина  валу (хвостовик) - частина валу що з'єднується з маховиком або шестернею.

    Противаги - забезпечують розвантаження корінних підшипників від відцентрових сил інерції першого порядку незрівноважених мас кривошипа і нижньої частини шатуна.

    Колінчастий вал працює при температурах не вище 400̊С.

    Причинами поломки колінчатих валів є: високий  рівень знакозмінних напружень від згину або крутних коливань валу, ливарні дефекти та дефекти обробки валу (рихлоти, пористості, підрізи). Підвищення рівня напружень при згині в шийках і щоках вала відбувається в результаті утворення ступінчастості суміжних опор, збільшеного згину валу, порушення врівноваженості валу (неправильний підбір поршнів і шатунів за масою). Великими концентраторами напруження є місця переходу з одного діаметра на інший.

    Справна робота колінчастого валу з підшипниками залежить від правильності укладки  колінчастого валу, стану його поверхні шийок і вкладишів, подачі мастила  в потрібній кількості і необхідної якості та інших умов. Основними  несправностями колінчатих валів є: тріщини і злами, які можуть бути наслідком порушень при виготовленні або ремонту валу, зокрема неправильної установки в підшипниках; вищерблення, корозія і знос вкладишів.

    Згин  валу буває двох видів: пружний і  залишковий. Пружний згин валу відбувається під дією сил, що діють від шатунів  і валу якоря тягового генератора, при неправильній укладці колінчастого валу в ліжках блоку і порушення  центрування валів: колінчастого і  якоря генератора.

    Залишковий  згин колінчастого валу утворюється  в результаті неправильного шліфування корінних шийок (неспіввісності шийок) або релаксації залишкових внутрішніх напружень.

    Для виготовлення колінчастих валів  використовують конструкційні поліпшувальні леговані сталі з вмістом вуглецю 0,3-0,5%. Сталі піддають гартуванню при 820-880̊ С в маслі і високому відпусканні при 550-680̊ С. Після такої обробки структура сталі сорбіт. Сталі повинні мати високу границю текучості, малу чутливість до концентраторів напруження, а в виробах, які працюють при багаторазово прикладених навантаженнях – висока границя витривалості і достатній запас в’язкості. Крім того поліпшувальні сталі повинні мати гарну прогартовуваність і малу чутливість до відпускної крихкості.

    Колінчасті  вали виготовляють з вуглецевих, хромомарганцевих, хромонікельмолібденових, та інших сталей, а також із спеціальних високоміцних чавунів. Найбільшого застосування знаходять, сталі марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г та ін.

    Колінчасті  вали з легованих сталей зміцнюються  азотуванням. Азотування використовують як для зміцнення крупних валів  діаметром  шийки  (150—300  мм) відповідального  призначення, так і для масових  колінчастих валів малого середнього розміру з менш легованих сталей. Переваги азотування — висока зносостійкість і втомна міцність валів (вище чим  при обкатці роликами) при їх мінімальній деформації. Основний недолік - більша тривалість і відповідно мала продуктивність процесу. Азотуванню піддають ті місця колінчастих валів, які зазнають високих напружень тертя, тобто азотують шийки валів для їх зміцнення і довговічності.

    У зв'язку з високими вимогами механічної міцності валу велике значення має  розташування волокон матеріалу  при отриманні заготовки щоб  уникнути їх перерізання при подальшій механічній обробці. Для цього застосовують штампи із спеціальними згинальними струмками. Після штампування перед механічною обробкою, заготовки валів піддають термічній обробці – нормалізації - і потім очищенню від окалини травленням або обробкою на дробовій машині.

    Складність  конструктивної форми колінчастого валу, його недостатня жорсткість, високі вимоги до точності оброблюваних поверхонь  викликають особливі вимоги до вибору методу методів базування, закріплення  і обробки валу, а також послідовності, поєднання операцій і вибору устаткування. Основними базами колінчастого валу є опорні поверхні корінних шийок. Проте  далеко не на усіх операціях обробки  можна використати їх в якості технологічних. Тому в деяких випадках технологічними базами вибирають поверхні центрових отворів. У зв'язку з  порівняно невеликою жорсткістю валу на ряду операцій при обробці  його в центрах в якості додаткових технологічних баз використовують зовнішні поверхні заздалегідь оброблених шийок. При обробці шатунних шийок, які відповідно до вимог технічних  умов повинні мати необхідну кутову координацію, опорною технологічною  базою є майданчики, що спеціально фрезеруються, на щоках. 
 
 
 
 
 
 

    2. Маршрутна технологія виготовлення  колінчастого валу 

    Заготовки сталевих колінчастих валів середніх розмірів у багатосерійному і масовому виробництві виготовляють куванням в закритих штампах на молотах або пресах при цьому процес отримання заготовки проходить декілька операцій. Після попереднього і остаточного кування колінчастого валу в штампах роблять обрізання облоя на пресі обріза і гарячу правку в штампі під молотом. У зв'язку з високими вимогами механічної міцності валу велике значення має розташування волокон матеріалу при отриманні заготовки щоб уникнути їх перерізання при подальшій механічній обробці. Для цього застосовують штампи із спеціальними згинальними струмками. Після штампування перед механічною обробкою, заготовки валів піддають термічній обробці - нормалізація - і потім очищенню від окалини (травлять або обробляють на дробострумінній машині). Правку валів роблять після нормалізації в гарячому стані в штампі на пресі після виїмки заготовки з печі без додаткового підігрівання.

    1. Кування. Заготовки з прутків виготовляють на пресах шляхом згинання з висадкою при зональному індукційному нагріванні. При цьому окремо нагрівають і штампують кожне коліно валу, що значно скорочує витрати металу і знижує зусилля пресів. Штампування дозволяє отримати хорошу макроструктуру оброблюваної деталі - завдяки штампуванню волокна не перерізуються і проходять рівномірно які підвищують міцність деталі.

    2. Попередня термічна обробка для поліпшення оброблюваності різанням: нормалізація ( термічна операція, при якій сталь нагрівають до температур на 30 - 50 ̊С вище верхній критичній точці Ас₃ і Асm, потім витримують при цій температурі і охолоджують на спокійному повітрі). При нормалізації зменшується внутрішня напруга, відбувається перекристалізація сталі, зменшується крупнозернистість структури металу. Твердість після такої обробки не повинна перевищувати НВ 270.

    Після попередньої термічної обробки  від верху поковок відрізають темплет для перевірки макро- і мікроструктури  (ліквації сірки, флокенів, шиферності, скупчень неметалевих включень).

    3. Попередня механічна обробка з припуском близько 8 мм на діаметр по корінним шийкам.

    4. Попередня термічна обробка для об'ємного зміцнення валів - поліпшення: гартування (нагрівання до 850° С, охолодження в маслі) + відпуск (посадка в піч з температурою не вище 200 °С, нагрівання до 600° С).

    5. Правка валу (при необхідності) під пресом в гарячому стані, після правки - повторний відпустку по тому ж режиму.

    6. На зразках, оброблених разом  з валом, визначаюся механічні  властивості.

    7. Термічна стабілізація. Вали укладають на підставки таким чином, щоб забезпечити повну відсутність прогину. Всі зазори між підставками і валом вибирають клинами. Режим стабілізації: посадка в піч з температурою не вище 200°С, нагрівання до 500-530 °С протягом 8-9 годин, охолодження з піччю до 300°С зі швидкістю 50-60 °С / год, потім на повітрі.

    8. Попереднє шліфування з припуском 0,3 мм на діаметр шийок.

    9. Очищення і знежирення поверхні валу (наприклад бензином з протиранням ганчір'ям); поверхні, що не підлягають азотуванню, покривають оловом.

    10. Азотування в електропечах. Для запобігання деформації вали розміщують в печі в горизонтальному положенні на двох опорах. Газове азотування проводять в атмосфері дисоційованого аміаку. Після азотування вали охолоджуються з піччю під струмом аміаку приблизно до 200° С. Товщина азотованого шару азотування за наведеними режимам становить не менше 0,7 мм.