Прокатка валов
В последние годы внимание машиностроителей привлек способ изготовления ступенчатых валов путем поперечной прокатки валками с клиновидными калибрами. Некоторое неудобство представляет образование торцовых утяжин после прокатки, что приводит к потерям металла. С целью уменьшения торцовых утяжин предложено вести прокатку торцовых участков в два этапа [А. с. № 500866 (СССР)]. На первом этапе обрабатывают меньшую по длине часть заготовки до конечного диаметра, а на втором — оставшуюся часть. Меньшая часть по длине составляет 0,2—0,5 диаметра заготовки. Глубина утяжины, образующаяся при таком способе прокатки, уменьшена в 3 раза. Первоначально прокатанный участок вала является жестким концевым участком, сдерживающим развитие утяжины при дальнейшем обжатии.
Другой способ повышения качества прокатанных валов и уменьшения торцовой утяжины состоит в том, что в процессе прокатки торец заготовки охлаждают на глубину 0,1—0,25 исходного диаметра до температуры, при которой предел текучести охлажденного металла возрастает в 1,5 раза [А. с. № 564911 (СССР) ]. Охлаждение производят струей воды, подводимой к торцу прокатываемой заготовки. Иногда охлаждение осуществляют путем погружения в воду торцовой части заготовки. Например, для заготовок диаметром 20 мм, нагретых до 1000 °С, торцовые участки охлаждали до 500 °С на длине до половины диаметра. Это позволило уменьшить глубину торцовой утяжины в 1,6 раза, довести ее размеры до величины припуска на механическую обработку. Во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте металлургического машиностроения (ВНИИметмаш) под руководством акад. А. И. Целикова разработан способ получения роторных валов винтового профиля поперечно-винтовой горячей прокаткой. Технология внедрена в производственном объединении «Арсенал» им. М. В. Фрунзе в г. Ленинграде [10] при изготовлении роторных валов диаметром 125 мм с окружным симмметричным зацеплением. Прокатка осуществляется тремя валками с нарезанными на них винтовыми калибрами; валки расположены симметрично относительно заготовки. Управление станом проводится с пульта и может быть ручным или автоматическим. Производительность стана составляет 150 тыс. шт. валов в смену. Диаметр заготовки под прокатку ведущего роторного вала равен 113,5 4= 0,1 мм, ведомого 109,7 ± 0,1 мм. Материал заготовок — сталь 40. Для улучшения захвата заготовки валками ее передний конец выполнен коническим. Длина конуса заготовки ведущего роторного вала составляет 40 мм, ведомого — 25 мм, угол конуса в обоих случаях 7°. Винтовой профиль роторных валов, отформованный прокаткой, подвергается дальнейшей механической обработке (фрезерованию), а входная и выходная части профиля удаляются на токарных станках. Припуск под механическую обработку составляет 2—2,5 мм. Прокатанные валы имеют весьма низкие колебания размеров: у ведомого вала на наружном диаметре 0,5—0,7 мм; на внутреннем 0,3—0,8 мм и на толщине витка профиля 0,2— 0,4 мм; у ведущего вала на наружном диаметре 0,7—1 мм и на внутреннем 0,5—0,7 мм. Разница обусловлена тем, что ведущий роторный вал менее устойчив в валках при прокатке. Шероховатость поверхности прокатанного профиля составляет от Rz-5-10 мкм до Ra = 2,54-1,25 мкм. Использование поперечно-винтовой прокатки роторных валов для винтовых компрессоров в промышленности подтвердило ее высокие технико-экономические показатели: снижен расход металла, высвобождено механическое оборудование и т. д. На Минском автозаводе освоена холодная продольная раскатка деталей типа валов с утолщениями на концах (торсионных валов) из стали 45ХН2МФА и полуосей заднего моста автомобилей из стали 38ХГСА. Формообразование детали производится на профильно-раскатном стане ПР-40 с программным управлением. Инструментом для раскатывания служат два не приводных ролика. Обрабатываемую заготовку захватывают цангами с двух сторон. Ролики, не вращаясь, сближаются до лобовых упоров и вдавливаются в неподвижную заготовку на участке одной из галтелей, после чего производят продольное протягивание заготовки до участка второй галтели. Затем ролики разводят и повторяют цикл обжатия с кантовкой на 90°. За три-четыре прохода с поворотом заготовки по определенной программе, задаваемой на перфокарте, формируют цилиндрическую часть детали и галтели. Шероховатость поверхности составляет от R = 204-10 мкм до R = 2,54-0,63 мкм. Время изготовления детали 2—2,5 мин.
Штамповка валов. Для получения одноколейных кривошипных валов для двигателей внутреннего сгорания штамповку применяют сравнительно давно. Основные достоинства этого метода состоят в сокращении расхода металла, благоприятном (без перерезывания) расположении волокон макроструктуры. В последнее время получили распространение новые методы штамповки кривошипных валов, позволяющие исключить штамповочные уклоны на щеках и ограничиться только шлифовкой коренных шеек. Обычный способ штамповки одноколейных валов, имеющих очень короткую шатунную шейку и близкое взаимное расположение щек, экономически невыгоден. В зоне колена происходит большой износ гравюры штампов из-за повышенных механических и термических нагрузок.
Точный процесс штамповки включает следующие операции: очистку заготовок от окалины, передачу на электровысадочную машину, местный нагрев и высадку. Из высаженного утолщения формируют колено за один удар на фрикционном молоте, после чего на обрезном прессе удаляют заусенец. Щеки колена закрепляют в разъемном зажиме и производят осадку шатунной шейки с помощью плавающих бойков. Благодаря этому получают заданное расстояние между щеками колена и калиброванные плоскости обеих щек. Концы вала нагревают и штампуют в открытом штампе, не подвергая деформации колено, после чего обрезают образовавшийся заусенец, а концы вала только шлифуют. Число поковок, снимаемых2 с одного штампа без его восстановления, 6000 шт., снижение расхода металла 11 %, экономия Й электроэнергии при HarpeBe^40j%, уменьшение трудоемкости механической обработки 18%.
Сочетание штамповки с элементами прокатки также иногда дает хорошие результаты. Предварительно откованную и развернутую поковку кривошипа при температуре штамповки гнут и обжимают на прессе путем проталкивания ее между двумя валками, установленными на столе пресса и образующими калибр. При этом центральным нижним пуансоном пресса формуют цапфу кривошипа, а валками — щеки. Валки могут быть связаны с пуансоном зубчатой рейкой. Поковка изготовляется с минимальными припусками и имеет хорошую макроструктуру. Коленчатые валы для дизелей относят к деталям сложной формы и ответственного назначения. Крупногабаритные коленчатые валы нельзя получить традиционной штамповкой, что обуславливает применение ковки с последующей гибкой и скручиванием шеек. Механическая обработка колен и щек приводит к потерям металла в стружку 70—75 %. Но потребность в дизелях возрастает в связи с их экономичностью, простотой конструкции и высокой удельной мощностью. В связи с этим процессы изготовления таких поковок постоянно совершенствуют: применяют дополнительные устройства на прессах, конструируют специальные прессовые установки, совмещают высадку щек и изгиб колен и т. д. В ГДР предложено за один рабочий цикл получать коленчатый вал из вальцованной или предварительно кованной заготовки.
Штамп устанавливают на стол гидравлического пресса. В процессе штамповки производят следующие операции: сжатие частями матрицы заданного участка заготовки, осадку (высадку) этого участка, гибку. При опускании верхней плиты возникает горизонтальная составляющая усилия Р^ как результат разложения усилия ползуна (треугольники сил). Горизонтальная составляющая увеличивается по мере опускания верхней плиты штампа
После нагрева участка длины заготовки ее укладывают на нижнюю матрицу. При движении верхней плиты две пары частей матрицы зажимают нагретый участок заготовки и при дальнейшем ходе высаживают его. Поворот шарнирных рычагов приводит к движению сомкнутых частей матрицы навстречу друг другу; усилие, передаваемое от ползуна, резко увеличивается. В процессе этого движения пуансон опускается, смещая шейку вала в заданное положение. При высадке форма щек получается эллиптической, поскольку течение металла не ограничено инструментом.
Штамп по конструкции прост и прочен, а также экономически выгоден, особенно при большом числе колен у валов с диаметром коренных шеек 90—500 мм. Максимальные размеры вала определяются размерами штампа и усилием пресса. Для штамповки валов с диаметром шатунной шейки 700 мм и диаметром кривошипа 950 мм требуется пресс усилием 32 МН. Так как примерно 90 % поверхности колена в процессе деформирования ограничено инструментом, то получают высокую точность формы и размеров вала.
