Способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания
METHOD OF REPAIRING STRENGTHENED BY INDUCTION HARDENING CRANKSHAFTS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при ремонте коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ ремонта шеек коленчатого вала с применением накладок (RU, №2074802, кл. В23Р 6/00, 10.03.1997), заключающийся в том, что на изношенную поверхность шейки устанавливают основную кольцевую ленточную накладку с нанесенной на ее внутреннюю поверхность пастообразным припоем и фиксируют ее на шейке контактно-точечной импульсной пайкой, после чего на наружной стороне поверхности основной накладки последовательно размещают по меньшей мере одну дополнительную кольцевую ленточную накладку с пастообразным припоем на внутренней поверхности, фиксируемую контактно-импульсной пайкой, причем сумму толщин основной и дополнительной накладок выбирают из условия доведения диаметра изношенной шейки до номинального размера, используют основную и дополнительные накладки, толщина каждой из которых по меньшей мере равна глубине зоны термического влияния на шейку вала при пайке, а перед установкой каждой последующей накладки наружную поверхность предыдущей подвергают индукционной обработке.
Недостатками такого способа ремонта является низкая прочность и износостойкость коленчатого вала, т.к. пайка не является надежным способом фиксации и не обеспечивает необходимой надежности и долговечности.
Известен способ ремонта кривошипного механизма двигателя с изношенными шатунными и коренными шейками, включающий нанесение на изношенные шейки металлического покрытия, последующую их механическую обработку и комплектование с вкладышами подшипников, при котором покрытие наносят электродуговой металлизацией шеек, а вкладыши используют из ленты, выполненной из стали 45 (RU, №2090332, кл. В23Р 6/00, опубл. 20.09.1997).
Недостатком способа является низкая прочность и износостойкость изделий после ремонта, а также дороговизна и высокая трудоемкость контроля, что ограничивает использование данного изобретения.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ ремонта индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий шлифовку шеек на установленные ремонтные размеры с последующей финишной обработкой (RU, №2158191, кл. В23Р 6/00, B60S 5/00, опубл. 27.10.2000).
Недостатком данного способа являются низкие прочностные характеристики коленчатого вала из-за возникновения среза вдоль образованных волокон при действии нагрузок направленных перпендикулярно его оси, поскольку созданная индуктором текстура металла состоит из зерен, выросших в направлении действия теплового потока (перпендикулярно оси вала).
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа ремонта индукционным упрочнением коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, позволяющего увеличить предел выносливости и долговечности за счет формирования направленной текстуры материала вдоль оси вала.
Техническим результатом способа является повышение износостойкости, прочности, надежности коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и продление срока их службы.
Решение указанной проблемы и технический результат достигаются тем, что способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания включает индукционную закалку шеек коленчатого вала, их отпуск с дальнейшей шлифовкой на ремонтные размеры и финишную обработку. Согласно изобретению перед индукционной закалкой поверхность шейки коленчатого вала предварительно нагревают на глубину от 0.5 до 1 мм, а индукционную закалку осуществляют путем перемещения индуктора параллельно оси вала со скоростью от 15 до 25 мм/с при зазоре между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала 5-10% от диаметра закаливаемой детали.
Предварительный нагрев поверхности шейки коленчатого вала на глубину от 0.5 до 1 мм необходим для устранения напряжений и облегчения обработки поверхности за счет предупреждения образования внешних и внутренних дефектов, что приводит к повышению сопротивления статическим и усталостным нагрузкам при изгибе коленчатого вала.
Осуществление индукционной закалки путем перемещения индуктора в направлении оси вала со скоростью от 15 до 25 мм/с в течении 2-3 сек позволяет получить подвижным тепловым потоком горизонтально направленную текстуру поверхности шейки коленчатого вала с сохранением вязкой сердцевины из-за предотвращения образования остаточных растягивающих напряжений, что обеспечивает повышение на 1-2 порядка предельных нагрузок, воспринимаемых коленчатым валом при работе двигателя внутреннего сгорания, а также износостойкость и одновременно высокую динамическую прочность детали. Кроме того, за счет формирования горизонтально направленной структуры поверхности шейки коленчатого вала происходит повышение надежности коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и продление срока их службы.
При перемещении индуктора параллельно оси вала со скоростью менее 15 мм/с на глубине проникновения токов высокой частоты не происходит направленный рост зерна металла, что не обеспечивает получение направленной текстуры поверхности шейки коленчатого вала, а при скорости перемещения индуктора более 25 мм/с ось зерна не успевает сформироваться в направлении оси вала.
Осуществление индукционной закалки при зазоре между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала менее 5% не формируется направленная текстура материала вдоль оси вала, а следовательно, не происходит упрочнение коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. При зазоре между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала более 10% от диаметра закаливаемой детали также не позволяет получить подвижным тепловым потоком горизонтально направленную текстуру поверхности шейки коленчатого вала.
Сущность изобретения иллюстрируется примером конкретного выполнения способа.
Коленчатый вал изготовлен из стали 40ХНМА имеющей химический состав, %: углерод 0,37-0,44; хром 0,6-0,9; медь 0,3; марганец 0,5-0,8; молибден 0,15-0,25; глубина упрочненного индукционной закалкой слоя составляет 2 мм.
Коленчатый вал помещали в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, где индуцировались вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности шейки коленчатого вала. Для нагрева на глубину более 0.5 мм, используется ламповый генератор с частотой 50-10 Гц, мощностью 2 кВт/см. Форма индуктора соответствовала внешней форме шейки вала при постоянном зазоре между индуктором и поверхностью шейки.
После нагрева детали в течение 2 с индуктор перемещают вдоль оси шейки вала со скоростью 20 мм/с.
Повышение прочности коленчатого вала происходит в процессе создания текстуры металла, направленной вдоль оси вала за счет роста кристаллов в направлении действия теплового поля, перемещающегося вдоль оси вала индуктора установки ТВЧ (токами высокой частоты), который позволит сформировать оси кристаллов перпендикулярно действию нагрузки на вал
Завершающей операцией обработки коленчатого вала является финишная обработка и полирование.
Поверхностная индукционная закалка перемещающимся индуктором упрочняет коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания при одновременном повышении сопротивления статическим и усталостным нагрузкам при изгибе коленчатого вала и высоких контактных напряжениях в опорах скольжения, создавая твердость 52-62 HRC. Кроме того, данное изобретение обеспечивает формирование направленной текстуры материала вдоль оси вала, повышая предел выносливости и долговечность в 3,8 раза за счет предотвращения образования остаточных растягивающих напряжений.
В настоящее время изобретение находится на стадии технического предложения.