Финишная обработка шеек и галтелей коленчатых валов бесконечными шлифовальными лентами

УДК 621. 922. 02 Б.В. Юферов

ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ШЕЕК И ГАЛТЕЛЕЙ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ БЕСКОНЕЧНЫМИ

ШЛИФОВАЛЬНЫМИ ЛЕНТАМИ

В статье дается обоснование применения метода финишной обработки шеек и галтелей коленчатых валов бесконечными алмазными лентами при ремонте автотракторных двигателей.

Ключевые слова: абразивная обработка, поверхностный слой, тонкая структура, свойства.

B.V. Yuferov FINAL POLISHING OF THE CRANKSHAFT PINS AND BEARING FILLETS BY THE CONTINUOUS GRINDING BELTS

Substantiation of use of the technique for final polishing of the crankshaft pins and bearing fillets by the continuous diamond belts in the process of motor-and-tractor engine repair is given in the article.

Key words: abrasion, surface coating, fine texture, properties.

Практика показывает, что межремонтный срок капитально отремонтированных автотракторных двигателей редко превышает 50% от срока службы новых.

Коленчатый вал является одной из основных тяжелонагруженных деталей двигателя, определяющих его ресурс.

Износостойкость и усталостная прочность коленчатого вала во многом зависят от качества поверхностного слоя шеек и галтелей после их восстановления или механической обработки на ремонтные размеры.

Как показали наши замеры [1], ремонтные предприятия не могут обеспечить качественную отделку шеек и галтелей коленчатых валов автотракторных двигателей по шероховатости поверхности и структурному состоянию материала, как это предусмотрено техническими условиями на их ремонт. Финишная обработка шеек коленчатых валов осуществляется здесь, как правило, после шлифования на полировальных, суперфинишных станках или стендах упрощенной конструкции, на которых отделка шеек производится с помощью сжимков, выложенных внутри войлоком, покрытых абразивной пастой или абразивными брусками, кусками шлифовальной ленты.

Технология доводки шеек на этих станках и стендах малопроизводительна. При этом обработка галтелей не производится. Процесс отделки шеек ведется в течение 8-12 мин. Снимаемый слой металла не превышает 1,5-3,5 мкм, а обработка сводится к сглаживанию микронеровностей от предыдущей операции, после чего процесс самопроизвольно затухает и прекращается. Образуемый в процессе полирования или суперфиниширования микрорельеф поверхности неоднороден и сохраняет следы глубоких шлифовочных рисок и прижогов из-за невозможности удаления указанными методами всего дефектного слоя, сформированного в процессе шлифования.

Изучение опыта работы машиностроительных предприятий и научных разработок в области отделочной обработки деталей машин позволило нам предложить ремонтным предприятиям использовать в качестве метода финишной обработки шеек и галтелей коленчатых валов автотракторных двигателей ленточное шлифование, вместо малопроизводительных на этой операции процессов суперфиниширования и полирования.

Особенностью предположенного нами способа обработки является наложение дополнительных поперечных осциллирующих движений на бесконечную шлифовальную ленту. При этом полирование шейки и двух прилегающих к ней галтелей производится путем поступательного движения шлифовальной ленты по вращающейся шейке коленчатого вала с поочередным набеганием на каждую галтель.

Предложенный способ был назван вибрационно-ленточным полированием (ВЛП) бесконечной шлифовальной лентой.

ВЛП позволяет вести процесс со снятием слоев металла величиной 10-12 мкм за 20 с, при этом стабильно обеспечивается обработка цилиндрической части шеек с шероховатостью поверхности 10-го класса, а галтелей - 8-го класса, как это предусмотрено техническими требованиями на обработку этих поверхностей по ГОСТ4689 и Г0СТ10158.

Проведенные нами электронно-микроскопические исследования [2] микрорельефа поверхностей шеек коленчатых валов после различных методов финишной обработки, приработки на стенде и после пробега

автомобиля 20 тысяч км показали, что наиболее благоприятный микрорельеф поверхности с точки зрения приработки и эксплуатации шеек коленчатого вала обеспечивает ВЛП шеек бесконечными алмазными лентами со съемом припуска около 10 мкм. Микрорельеф поверхности, образуемый алмазными лентами, имеет равномерные следы обработки, весьма незначительно засорен продуктами резания и наиболее приближен к микрорельефу шеек после приработки.

Однако исследование процессов механической обработки и изнашивания только путем изучения мак-ро- и микрогеометрии не может дать исчерпывающей картины, характеризующей их. Поэтому в настоящей работе проводились сравнительные исследования физического состояния материала поверхностного слоя шеек коленчатых валов двигателей ЗИЛ-130, прошлифованных абразивным кругом и обработанных предложенным способом ВЛП и традиционными способами: полированием в сжимках и суперфинишированием.

Сравнительные исследования поверхностного слоя включали в себя измерение микротвердости, определение фазового состава, величины блоков и напряжений II рода, а для окончательной оценки тех сложных структурных изменений, протекающих в поверхностных слоях, проводились испытания натурных образцов на износостойкость и усталостную прочность.

Цель исследования - изучить влияние методов абразивной обработки на тонкую структуру материала обработанной поверхности и основные эксплуатационные свойства детали после их применения для определения наиболее эффективного способа финишной обработки шеек и галтелей коленчатых валов автотракторных двигателей применительно к условиям ремонтных предприятий.

Подготовка шеек коленчатых валов к испытаниям осуществлялась на Березовском авторемонтном заводе Красноярского края.

Шлифование и последующее полирование шеек в сжимках и суперфиниширование шеек проводились по технологии Саратовского политехнического института. Вибрационно-ленточное полирование шеек бесконечными шлифовальными лентами производилось на производственной установке ВЛПУ-5 [3].

Режимы вибрационно-ленточного полирования шеек:

скорость поступательного движения ленты 36м/с

частота поперечных колебаний ленты 600 кол/мин

амплитуда поперечных колебаний ленты 4 мм

частота вращения коленчатого вала 62 об/мин

давление ленты на деталь 0,2-0,3 МПа

Шейки коленчатых валов шлифовали на 1-й ремонтный размер абразивным кругом ПП 750х33х305 23А40СМ2К5, полированиие шеек в сжимках производили абразивной пастой Г0И-30, суперфиниширование

- абразивными брусками 24АМ14М2К, вибрационно-ленточное полирование - бесконечными шлифовальными лентами: абразивной - ЛСВТ 1950 23а М40; алмазной - АЛшБ 1920 АС08063 100% Р9; эльборной -1920 ЛМ40 на лавсановой основе.

Образцы для исследований вырезались из коленчатых валов электроискровым способом, что позволило получить образцы с поверхностным слоем без наложения дополнительных деформаций (рис.1).

Рис. 1. Образцы для исследования: а - тонкой структуры металла и микротвердости; б - на износостойкость; в - на усталостную прочность

Исследования тонкой структуры материала шеек проводилось рентгеновским методом на дифрактометре УРС-50ИМ.

При съемке использовали монохроматическое Река излучение. Напряжение на аноде трубки 11=30 кВ, ток на аноде трубки ^бра, скорость вращения гониометра 0,5 °/мин, скорость движения диаграммной ленты - 20 мм/мин. Обработка рентгенограмм осуществлялась с учетом рекомендаций, изложенных в [4].

Измерение микротвердости по глубине исследуемого слоя производилось по методу «косых срезов» с помощью микротвердомера ПМТ-3, при нагрузке на алмазную пирамиду 20 г, время выдержки под нагрузкой 5 с.

Сравнительные испытания на изнашивание выполнены в лабораторных условиях при одинаковых условиях трения на машине МИ-1М в режиме смазки веретенным маслом. Поверхность трения контрольного образца, который вырезался из заводского сталеалюминиевого вкладыша, составляла 1 см2 (рис. 1,б). Износ образцов производился при постоянной нагрузке 6,5 МПа при скорости трения 2 м/с в течение 20 ч с постоянной регистрацией момента трения.

Оценка износостойкости образцов производилась по глубине вырезанных лунок согласно методике ГОСТ17534-72.

Испытания на усталостную прочность производились на образцах, состоящих из одной шатунной и двух коренных шеек (рис. 1,в) по стандартной методике ГОСТ2860-65 на машине резонансного типа модели УК-100 конструкции ЦНИИТМАШ. Живучесть натурного образца определялась путем фиксирования числа циклов нагружения до момента полного разрушения образца - остановки машины. На усталостную прочность было испытано 43 шейки коленчатых валов, по 8-9 шеек по каждому варианту финишной обработки.

Структура исходного закаленного металла шеек коленчатых валов, изготовленных ковкой из стали 45 (закалка ТВЧ, 52-56НРС), состоит из мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита.

Повышение температуры в поверхностном слое при механической обработке должно приводить к частичному распаду мартенсита, в связи с этим представляет интерес изучить изменение количественного соотношения мартенсита (а-фазы) и аустенита (у-фазы) в исследуемых образцах, в зависимости от способа финишной обработки. Для экспериментального определения количества аи-фаз необходимо получить две близкие интерфериционные линии, принадлежащие этим фазам, и измерить их интегральные интенсивности. В данном случае количество мартенсита и аустенита определялось по соотношению интегральных интенсивностей дифракционных отражений с индексами (110) для мартенсита (угол отражения 0=28° 36' и (111) - для аустенита (угол отражения 0=27° 43').

Финиширование образцов и запись дифракционных кривых производилась с 3-кратной повторностью.

Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние способов финишной обработки на фазовый состав поверхностного слоя закаленной стали 45 и контактные температуры в зоне резания

Вариант обработки Способ обработки Содержание, % Температура в зоне резания, Т0С

мартенсита аустенита

0 Закалка, ТВЧ 52-54 НРС 86,0 14,0

1 Шлифование чистовое 78,5 21,5 784

2 Полирование в жимках 85,0 15,0 57

3 Суперфиниширование 86,5 13,5 73

4 Вибрационно-ленточное полирование бесконечной шлифовальной лентой: алмазной 87,0 13,0 156

5 эльборной 84,0 16,0 191

6 абразивной 86,5 13,6 249

Примечание: контактные температуры в зоне резания определялись методом полуискусственных термопар (в качестве термоэлектрода использовалась проволока из алюмели диаметром 0,2 мм).

Из таблицы 1 видно, что содержание аустенита в результате поверхностной обработки значительно повысилось только в образцах после чистового шлифования. Во всех остальных образцах какие-либо фазовые изменения в материале отсутствовали и находились на уровне закаленного металла, так как точность определения количества фаз в данном случае ± 3%. Эти данные вполне согласуются с результатами изме-

рения в зоне резания контактных температур (табл. 1). Установлено, что только при шлифовании в зоне резания развиваются высокие температуры (выше критических), при которых протекают фазовые превращения в закаленной стали - при нагреве стали происходит переход мартенсита в аустенит и это способствует уменьшению твердости закаленной стали и образованию прижогов. Все остальные способы финишной обработки протекают с значительно меньшей теплонапряженностью, что способствует устранению прижогов в поверхностном слое.

Однако интенсивная пластическая деформация микрообъемов металла абразивными частицами приводит к заметным изменениям кристаллической структуры - происходит дробление блоков и формирование остаточных напряжений.

Величина напряжений II рода и дисперсность блоков оценивались по расширению линий на рентгенограммах. Чтобы исключить влияние на ширину линий физических факторов и геометрических условий съемки, осуществлялось применение стандартного образца - эталона. Определение проводилось по дефракци-онным отражениям (110) и (220) на Fe-излучении установки УРС-50ИМ методом послойного электролитического сполировывания поверхности в электролите на основе ^О3 и HзPО4. Истинная ширина линии определялась методом аппроксимации кривой распределения интенсивности дефракционных отражений аналитической функцией. Для разделения эффектов дисперности и микронапряжений используется их различная

п -

зависимость от угла отражения. При этом величина микронапряжении характеризуется отношением — или

величиной ст с размерностью напряжения, а размер блоков - D6 (см).

Погрешность всех расчетов определяется точностью измерения ширины линии и соотношением ширины линии исследуемого образца и эталона, которая, как правило, не превышает 5-10%.

Результаты исследований микротвердости и микронапряжений поверхностного слоя шеек после различных видов абразивной обработки представлены на рисунке 3, размеры блочных структур по глубине исследуемого слоя представлены в таблице 2.

Н.МПа

б

Рис. 2. Микротвердость (а) и остаточные напряжения II рода (б) в закаленной стали 45 после шлифования -1 и последующего финиширования: полированием в сжимках - 2; суперфиниширования - 3; ВЛП со съемом припуска 10 мкм: алмазными лентами - 4; эльборными - 5; электрокорундовыми - 6

Таблица 2

Размер блочных структур по глубине исследуемого слоя закаленной стали 45

Вариант обработки Способ обработки Размер блоков 0 -КУ6 см

Глубина исследуемого слоя 1т, мкм

- 5 10 15 30

0 Закалка ТВЧ 52-54 HRC

1 Шлифование чистовое 3,5 5, 1 6,4 5,0 3,4

2 Полирование в жимках 3,3 5,0 6,3 5,4 3,2

3 Суперфиниширование 3,1 4,2 4,7 5,1 3,3

4 Вибрационно-ленточное полирование бесконечной шлифовальной лентой: алмазной 2,4 3,1 3,0 3,2 3,2

5 эльборной 2,5 3,2 2,9 3,3 3,2

6 абразивной 2,8 3,3 3,8 3,4 3,3

В результате рентгеноструктурного анализа и измерения микротвердости установлено, что структура основного закаленного слоя стали 45 на глубине более 30 мкм состоит из мартенсита (87+84)% и остаточного аустенита (13+16)% с размером блоков Д=(3,2+3,5)-10-6 см, внутриблочные напряжения II рода а=(180+280) МПа, микротвердость материала Н=(5800+6300) МПа.

После чистового шлифования с тщательным выхаживанием поверхности на глубине 8+16 мкм образуется зона материала с пониженной микротвердостью до Н=5600 МПа и увеличенными размерами блоков до Д=(5,0+6,4)  10 6 см, как результат термического воздействия процесса шлифования. На глубине 4-6 мкм от шлифованной поверхности микротвердость, размер блоков и микронапряжения находятся на уровне основного закаленного слоя, а на самой поверхности наблюдается наличие повышенного количества остаточного аустенита до 21 %, микротвердость стали умненьшается до H=5200 МПа.

После обработки ранее шлифованной поверхности полированием в сжимках или суперфиниширования микротвердость величина блоков и микронапряжения по глубине слоя соответствуют этим же параметрам поверхностей, обработанных шлифованием, если учесть величину слоя, снимаемого этими способами обработки. Это говорит о том, что структурное состояние шеек после их обработки традиционными способами - полированием и суперфинишированием - из-за малой величины съема металла 2+3,5 мкм весьма чувствительно к результатам предшествующей обработки, т.е. к результатам процесса шлифования.

Следует отметить, что большим дроблением блоков до размеров Д=(2,4+2,8)  10'6 см с достижением больших остаточных микронапряжений ст=450 МПа характеризуются поверхности, обработанные ВЛП. Здесь наибольший эффект в повышении прочности материала наблюдается при применении алмазных и эльбор-ных лент. Эти данные подтверждаются результатами замера микротвердости. Микротвердость поверхностного слоя после обработки ВЛП находится в пределах 6500 МПа и постепенно снижается до уровня микротвердости основного закаленного слоя.

Исследования также показали, что в тончайших поверхностных слоях в пределах 1-2 мкм от поверхности после абразивной обработки наблюдаются значительные изменения размеров блоков, микротвердости и микронапряжений, связанных с интенсивной деформацией материала абразивными зернами, что согласуется с результатами исследований [5].

Сравнительные испытания образцов на износостойкость после различных методов абразивной обработки показали, что износостойкость образцов, обработанных ВЛП алмазными, эльборными и электроко-рундными лентами, соответственно, в 3,0, 1,9 и 1,4 раза выше износостойкости образцов, полированных пастой в сжимках, или в 2,4, 1,5, 1,2 выше износостойкости образцов суперфинишированных.

Более высокую износостойкость образцов после ВЛП можно объяснить тем, что образуемый в процессе полирования или суперфиниширования микрорельеф поверхности неоднороден, сохраняет следы шлифовочных рисок и прижогов, и по структуре сохраняет большее количество остаточного аустенита, сформированного закалкой и шлифованием.

Испытания на усталостную прочность показали (рис. 3), что предел выносливости образцов, обработанных полированием пастой в сжимках, меньше предела выносливости образцов, финишированных ВЛП алмазными лентами на 16%; эльборными лентами - на 5,6%; электрокорундовыми лентами - на 4,6%, а после суперфиниширования - на 2,3%.

Т-1, МПа 90 ---------

1-105 5-105 1-106 5-106 1-107

Число циклов, N

Рис. 3. Кривые усталостной прочности шатунных шеек коленчатых валов двигателей ЗИЛ-130, обработанных различными методами: 1 - полированием пастой в сжимках (); 2 - суперфинишированием (•);

3 - полированием абразивной лентой (Л); 4 - полированием алмазной лентой (о);

5 - полированием эльборной лентой

Высокая выносливость образцов, финишированных вибрационно-ленточным полированием при съеме припуска 10 мкм, может быть объяснена тем, что данный метод обработки эффективно удаляет дефекты поверхностного слоя, образуемые при шлифовании, обеспечивает высокое качество материала поверхностного слоя с благоприятным микрорельефом поверхности к условиям эксплуатации.

Как показали исследования, преимущество ВЛП как способа финишной обработки шеек и галтелей коленчатых валов больше всего проявляется при применении на этой операции алмазных лент.

Таким образом, исследования показали, повышение износостойкости и усталостной прочности коленчатых валов может быть достигнуто путем применения технологического процесса, состоящего из чистового шлифования и последующего вибрационно-ленточного полирования бесконечными алмазными лентами.

Литература

1. Юферов Б.В. К вопросу о качестве обработки шеек и галтелей коленчатых валов в условиях ремонтных предприятий // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестнику КрасГАУ»: сб. ст. - Вып. 4. - Красноярск, 2007. - С. 79-82.

2. Юферов Б.В. К вопросу о финишной обработке шеек коленчатых валов // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестнику КрасГАУ»: сб. ст.- Вып. 2. - Красноярск, 2004. - С. 71-74.

3. Меламед В.И., Юферов Б.В. Установка для вибрационно-ленточного полирования шеек и галтелей коленчатых валов: информ. листок №468-74 / Челябинский ЦНТИ. - Челябинск, 1974 . - 4 с.

4. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. - М.: Физматгиз, 1961. -863 с.

5. Костецкий Б.И., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах. - Киев: Техника, 1969.

- 214 с.