СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
METHOD AND DEVICE FOR INCREASING FATIGUE RESISTANCE OF CRANKSHAFTS

Изобретение относится к способу повышения усталостной прочности коленчатых валов, в частности прочности при знакопеременном изгибе и прочности при знакопеременном кручении коленчатых валов, в частности больших коленчатых валов, посредством локальной проковки высоконагруженных участков, таких как галтели, устья отверстий и переходы сечений, с помощью импульсных машин или ударных устройств, которые через ударные инструменты вводят в коленчатый вал собственные сжимающие напряжения. Изобретение относится также к устройству для повышения усталостной прочности коленчатых валов.
Способ и устройство этого типа описаны в DE 3438742 С2.
Во избежание ввода касательных напряжений при локальной проковке предложено, чтобы в момент воздействия импульса давления между выдающим импульс телом и поверхностью детали не происходило никакого относительного движения поперек направления импульса. Для этого подача во время ввода собственных сжимающих напряжений ударными инструментами должна происходить постепенно.
В основе настоящего изобретения лежит задача усовершенствования описанного выше способа, в частности в отношении эффективности и повышения усталостной прочности, в частности прочности при знакопеременном изгибе и прочности при знакопеременном кручении.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что импульсные устройства или ударные машины в момент ввода сжимающих напряжений совершают между ударным инструментом и обрабатываемым сегментом коленчатого вала только одно относительное движение в плоскости перпендикулярно поверхности сегмента коленчатого вала.
При осуществлении способа, согласно изобретению, касательные напряжения, как в уровне техники, устраняются в значительной степени, если вообще не полностью. Это происходит, в частности, в том случае, если коленчатый вал во время обработки непрерывно вращают, причем во время ввода собственных сжимающих напряжений за счет попадания ударного инструмента на обрабатываемый сегмент коленчатого вала вращательное движение последнего останавливают в течение времени воздействия ударного инструмента на коленчатый вал.
Для достижения этого в одном весьма предпочтительном варианте осуществления изобретения может быть предусмотрено, что время воздействия ударного инструмента и давления ударов выбраны с возможностью принудительной остановки вращательного движения коленчатого вала.
В отличие от уровня техники способ можно проводить, таким образом, с непрерывным приводом коленчатого вала, в результате чего устройство, согласно изобретению, может быть выполнено соответственно просто.
Для этого требуется лишь выбрать частоту и давления ударов или ударные усилия так, чтобы привод вращения коленчатого вала и соединенных с ним деталей, таких как коробка передач, выдерживал без повреждений приложенные «принудительные остановки».
Практически за счет «принудительных остановок» вся система привода натягивается, как пружина, которая затем снова ослабляется, и соответственно снова начинается вращательное движение коленчатого вала.
На практике предпочтительными оказались частоты ударов 0,1-20 Гц, предпочтительно 1-10 Гц, еще более предпочтительно 3-6 Гц. Давления ударов в зависимости от эксплуатации должны составлять 10-300 бар, предпочтительно 30-130 бар, еще более предпочтительно 50-120 бар.
С приведенными выше значениями способ, согласно изобретению, может быть осуществлен на практике оптимальным образом.
Температура в зоне обрабатываемого сегмента коленчатого вала должна быть не выше 65°С; предпочтительны значения 12-25°С.
Способ, согласно изобретению, может применяться также у коленчатых валов, которые предварительно уже были обработаны другими способами с целью повышения их усталостно-прочностных свойств. Так, например, коленчатый вал, обработанный посредством индукционной закалки, может быть впоследствии улучшен в отношении его прочности при знакопеременном изгибе и прочности при знакопеременном кручении посредством ввода собственных сжимающих напряжений способом, согласно изобретению.
На практике оказалось, что за счет ввода собственных сжимающих напряжений через ударный инструмент, имеющий, как правило, шаровую форму, можно обойтись без нагружения благодаря выбросам материала к поверхностным трещинам. Как правило, такие трещины дальше не распространяются и не играют также особой роли в отношении усталостно-прочностных свойств, однако ухудшают, по меньшей мере, внешний вид. В одном варианте осуществления изобретения может быть поэтому предусмотрено, что после ввода собственных сжимающих напряжений ударными инструментами поверхностно-близкие собственные сжимающие напряжения уменьшают за счет съема поверхности обрабатываемого сегмента коленчатого вала и удаляют деформационные начальные трещины на поверхности.
Поскольку ввод собственных сжимающих напряжений может происходить на глубину 15 мм и более, это означает, что в зоне поверхности может происходить съем нескольких миллиметров, например от 0,3 до 2 мм, преимущественно 0,5 мм, без решающего ухудшения за счет этого прочности при знакопеременном изгибе или прочности при знакопеременном кручении коленчатого вала.
Съем поверхности может происходить различным образом, например посредством шлифования, точения или фрезерования.
В частности, у больших коленчатых валов нередко у радиусов галтелей выбирают так называемую форму коробовой арки. Нередко желательно иметь очень большой переходный радиус, чтобы поддерживать напряжение от нагрузки относительно низким, а с другой стороны, желателен относительно маленький радиус на переходе к рабочей поверхности, чтобы получить как можно более широкую рабочую поверхность.
Технически целесообразный ввод собственных сжимающих напряжений в форму коробовой арки до сих пор оказывался на практике, однако, проблематичным.
Согласно изобретению, для решения проблемы в одном его усовершенствовании предложено, что при выполнении обрабатываемого сегмента коленчатого вала в форме коробовой арки выполняют выполненные в виде предварительного контура непрерывные переходные радиусы, посредством ввода собственных сжимающих напряжений ударными инструментами уплотняют, а затем обрабатывают переходные радиусы до требуемого окончательного контура формы коробовой арки посредством съема поверхности.
Это значит, что предусмотрен предварительный контур с непрерывным переходным радиусом, который соответствует большому переходному радиусу. Этот радиус уплотняют посредством ударного упрочнения ударным инструментом, после чего осуществляют обработку переходных радиусов до требуемого окончательного контура формы коробовой арки с соответственно большим переходным радиусом и заметно меньшим радиусом на переходе к рабочей поверхности.
Эта обработка может осуществляться так же, как и обработка поверхности для устранения или предотвращения начальных трещин, например посредством шлифования, точения или фрезерования.
В качестве альтернативы этому может быть предусмотрено, что при выполнении обрабатываемого сегмента коленчатого вала в форме коробовой арки форма коробовой арки ударного инструмента образована в плоскости, проходящей в продольном направлении коленчатого вала, тогда как в плоскости перпендикулярно продольному направлению образована, например, шаровая форма.
За счет подобного ударного инструмента, не имеющего больше, таким образом, обычную форму шара в ударной зоне, можно за одну операцию уплотнить форму контура и получить ее, тем самым, без дальнейшей обработки.
Вместо двух ударных инструментов на ударную машину может быть предусмотрено также, что импульсные устройства или ударные машины ориентированы своими продольными осями в направлении ударов и что ввод собственных сжимающих напряжений происходит соответственно только за счет ударного инструмента, расположенного в соответствующем импульсном устройстве или ударной машине.
Благодаря этому выполнению сохраняется линейный контакт всех ударных зон с обрабатываемым сегментом коленчатого вала.
Способ, согласно изобретению, может применяться не только для повышения прочности при знакопеременном изгибе и прочности при знакопеременном кручении коленчатых валов, но и предпочтительным образом также для рихтовки продолговатых деталей, в частности коленчатых валов. При этом собственные сжимающие напряжения вводят способом, согласно изобретению, с помощью ударных инструментов локально ограниченно, чтобы выправить соответственно согнутый коленчатый вал. Для этого ударные инструменты должны быть лишь расположены в соответствующих местах. В отличие от известных способов рихтовки этот способ не имеет негативных последствий для усталостной прочности. Напротив, в качестве побочного эффекта способ даже положительно влияет на усталостную прочность коленчатого вала или продолговатой детали.
Хотя способ описан для обработки коленчатых валов, он пригоден, в принципе, также для других продолговатых деталей, например валов компрессоров, эксцентриковых валов или шеек крестовин. В принципе, изобретение относится к любым деталям, нагружаемым особенно динамически.
Ниже примеры осуществления изобретения описаны с помощью чертежей, на которых изображены
- фиг.1: общий вид устройства для осуществления способа;
- фиг.2: импульсную машину с подробностью А из фиг.1 в увеличенном виде;
- фиг.3: разрез III-III коленчатого вала для изображения импульсной машины из фиг.2 в осевом направлении;
- фиг.4: вид сбоку ударного инструмента в форме коробовой арки;
- фиг.5: вид ударного инструмента в осевом направлении по стрелке А из фиг.4;
- фиг.6: фрагмент импульсной машины только с одним ударным инструментом.
Изображенное на фиг.1 в общем виде устройство соответствует по своей конструкции устройству из DE 3438742 С2 с несколькими импульсными машинами 1, поэтому ниже более подробно поясняются только основные части и отличия от уровня техники.
Устройство содержит станину 2 и коробку 3 передач с редуктором 3' для приведения детали, а именно коленчатого вала 4, во вращательное движение. На обращенном от коробки 3 скоростей и редуктора 3' конце коленчатый вал 4 установлен в опоре 5 с возможностью вращения.
Привод 6 обеспечивает через редуктор 3' непрерывное вращательное движение коленчатого вала 4, установленного в зажимном диске 7.
Описанные ниже импульсные машины 1 (показаны две) установлены в соответствующем устройстве 9 перемещения и регулирования с возможностью настройки для согласования с положением и длиной коленчатого вала 4.
На фиг.2 более подробно изображено выполнение импульсной машины 1. Она содержит основание 10, которое в соответствии с радиусом обрабатываемого сегмента коленчатого вала снабжено призматической опорой 11 и имеет в себе направляющие 12, которые направляют два прижима 13 в плоскости их опоры и придают им соответствующую свободу по углу опоры вокруг пальца 15, которая требуется для согласования с соотношениями размеров коленчатого вала 4. На передних концах обоих прижимов 13 расположено по одному шарику в качестве ударного инструмента 14. Промежуточная деталь 16 создает соединение между ударным поршнем 17 и пальцем 15, который направляет энергию удара дальше на прижимы 13.
Для повышения эффективности удара на противоположной стороне основания 10 посредством пружин 19 с регулируемыми стяжными шпильками 20 с гайками 21 может быть закреплена зажимная призма 18.
За счет расположения нескольких импульсных машин 1 по длине обрабатываемого коленчатого вала 4 можно, в случае необходимости, одновременно обрабатывать все центрические и эксцентрические участки.
Привод 6 и редуктор 3' выполнены так, что они вызывают непрерывное вращательное движение коленчатого вала 4. Как только ударные инструменты 14 попадут на коленчатый вал 4, вращательное движение принудительно прерывается или коленчатый вал 4 в течение продолжительности попадания ударных инструментов 14 останавливается из-за высокой силы удара. Таким образом, в редукторе 3' возникает напряжение, однако вследствие специальной связи редуктора в комбинации и специально подобранного люфта редуктора это не вызывает повреждений. Предпочтительно работать с частотой ударов 3-6 Гц и сжимающими усилиями 50-120 бар.
Во избежание или для уменьшения начальных трещин, в случае необходимости, может быть произведен съем материала коленчатого вала 4 на обработанных сегментах шлифовальным, фрезеровальным или токарным инструментом на глубину 1,5 мм.
На фиг.4 и 5 изображен ударный инструмент 14', имеющий форму коробовой арки для упрочнения радиусных переходов. Как видно, ударный инструмент 14' имеет в продольном направлении коленчатого вала 4 два разных радиуса, а именно больший радиус Ry, например, 17 мм и меньший радиус Rx, например, 8 мм. Меньший радиус Rx представляет собой переходный радиус к рабочей поверхности. Как видно из фиг.5, ударный инструмент 14' имеет в направлении перпендикулярно направлению формы коробовой арки ударного инструмента 14', т.е. поперек продольной оси коленчатого вала 4, радиус Rz шара.
На фиг.6 изображена импульсная машина 1', снабженная только одним ударным инструментом 14. В этом случае импульсная машина 1' установлена наискось к коленчатому валу 4, а именно так, что ударный инструмент 14, расположенный коаксиально продольной оси импульсной машины 1', попадает вертикально на участок обрабатываемого сегмента коленчатого вала. В этом случае может быть обработан, правда, соответственно только один сегмент коленчатого вала, однако, с другой стороны, конструктивное выполнение лучше и проще, как и передача усилий импульсной машины 1' происходит лучше и проще. Дополнительно окончания отверстий могут быть упрочнены этим инструментом в стоячем положении.
Особенно предпочтительным это выполнение оказывается для применения в асимметричных сегментах коленчатых валов, таких как концевые участки и окончания смазочных отверстий, а также других деталей, в частности сегментах, с которыми собственные сжимающие напряжения могут вводиться асимметрично.