способ упрочнения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ упрочнения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, включающий поверхностную индукционную закалку шеек и галтелей коленчатого вала, отличающийся тем, что после закалки проводят стабилизирующий отпуск закаленных поверхностей и шлифовку шеек и галтелей для устранения коробления коленчатого вала, а затем осуществляют низкотемпературную химико-термическую обработку шеек и галтелей коленчатого вала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отпуск производят при температуре больше или равной температуре низкотемпературной химико-термической обработки.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что низкотемпературной химико-термической обработке подвергают все поверхности коленчатого вала или только часть из них.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что индукционной закалке подвергают дополнительно торцы шеек коленчатого вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ упрочнения коленчатых валов азотированием (см. “Двигатели ЯМЗ-8421.10, ЯМЗ-8424.10, ЯМЗ-8424.10-01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации,” г.Тутаев, 1991 г., стр. 20).

Недостатком этого способа упрочнения является недостаточная глубина азотированного слоя. Это не позволяет иметь достаточное количество ремонтных размеров для восстановления коленчатых валов в эксплуатации.

Известен также способ упрочнения коленчатых валов, при котором сначала подвергаются азотированию поверхности коренных и шатунных шеек, а также поверхности галтелей, а затем индукционной закалке подвергаются только поверхности шеек (см. патент США 3377214 от 9.04.68).

Недостатки этого способа упрочнения коленчатых валов - после индукционной закалки коленчатый вал коробится; исправление коробления правкой снижает прочность коленчатого вала, а исправление коробления шлифовкой шеек и галтелей коленчатого вала удаляет наиболее эффективную часть азотированного слоя. Поэтому этот способ упрочнения не применяется для коленчатых валов со значительными габаритными размерами.

За прототип, по совокупности существенных признаков, принят способ упрочнения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий индукционную закалку коренных и шатунных шеек и галтелей (см. патент РФ №2019382 С1, C 21 D 9/30, 15.09.1994).

Недостатки этого способа упрочнения коленчатых валов - недостаточная прочность, износостойкость и термостойкость коленчатого вала.

Была поставлена задача - добиться повышения долговечности, прочности, надежности, термостойкости и износостойкости коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что индукционная закалка шеек и, дополнительно, галтелей коленчатых валов с последующим стабилизирующим отпуском закаленных поверхностей и дополнительная шлифовка шеек и галтелей, с целью устранения коробления коленчатых валов, предшествует химико-термической обработке (азотированию, карбонитрированию, каталитическому азотированию, ионному азотированию, оксикарбонитрированию и др.) вышеупомянутых поверхностей. При индукционной закалке поверхности шеек, галтелей и торцов подвергаются упрочнению на значительную глубину (до 5 мм и более). Поэтому возникающее при индукционной закалке коробление коленчатого вала устраняется шлифовкой шеек и галтелей, после которой глубина упрочненного индукционной закалкой слоя на шейках и галтелях остается еще достаточной для обеспечения необходимой прочности коленчатого вала. Последующая химико-термическая обработка (азотирование, карбонитрирование, каталитическое азотирование, ионное азотирование, оксикарбонитртрование и др.) придает упрочненному индукционной закалкой слою повышенную твердость, термостойкость, задиростойкость и износостойкость.

Анализ известных технических решений показал, что новый признак, а именно “индукционная закалка предшествует химико-термической обработке” не выявлен, что является доказательством соответствия заявленного решения критерию изобретения “новизна”.

Заявленное техническое решение является неочевидным для квалифицированных специалистов в данной области, так как оно разрешило, казалось бы, неразрешимое противоречие, а именно: с одной стороны, для повышения прочности коленчатого вала необходимо увеличивать глубину индукционного закаленного слоя, с другой стороны, при этом коленчатый вал коробится и для исправления коробления его необходимо или править, что уменьшает его прочность и надежность, или шлифовать, что удаляет наиболее эффективную часть азотированного слоя.

Выполнение же индукционного упрочнения шеек и галтелей коленчатого вала перед химико-термической обработкой (азотированием, карбонитрированием, каталитическим азотированием, ионным азотированием, оксикарбонитрированием и др.) позволяет получить для обеспечения прочности необходимую глубину закаленного индукционной закалкой слоя, а последующая химико-термическая обработка позволяет придать упрочненному слою повышенную твердость, термостойкость, задиростойкость и износостойкость, и таким образом разрешено вышеуказанное противоречие, что является доказательством соответствия заявленного решения критерию “изобретательский уровень”.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где

фиг.1 - фрагмент коленчатого вала;

фиг.2 - фрагмент I на фиг.1;

На фиг.1 изображен фрагмент коленчатого вала 1 с множеством коренных шеек 2 и шатунных шеек 3, которые смещены по оси от коренных шеек 2 щеками 4. Переход от коренных шеек 2 к щекам 4 выполняется галтелями 5 и торцами 7, переход от шатунных шеек 3 к щекам 4 выполняется галтелями 6 и торцами 8.

На фиг.2 показан слой 9 упрочнения, полученный индукционной закалкой, а также показан упрочненный слой 10, полученный химико-термической обработкой.

Способ упрочнения коленчатого вала осуществляется следующим образом.

1. Коленчатый вал после предварительной механической обработки подвергается индукционной закалке с упрочнением коренных шеек 2, шатунных шеек 3, галтелей 5 и 6 и торцов 7 и 8.

2. Коленчатый вал подвергается отпуску при температуре большей или равной температуре химико-термической обработки.

3. Коленчатый вал подвергается шлифовке для устранения коробления от упрочнения индукционной закалкой и получения геометрических размеров коленчатого вала по чертежу с припуском под финишную обработку шеек коленчатого вала.

4. Коленчатый вал подвергается химико-термической обработке (азотированию, карбонитрированию, каталитическому азотированию, ионному азотированию, оксикарбонитрированию и др.) по всем поверхностям или только по части из них.

5. Коленчатый вал подвергается финишной обработке (шлифовке, растачиванию, суперфинишированию, полированию и др.).

Были проведены работы по упрочнению коленчатого вала перспективного автомобиля КАМАЗ. При разработке перспективного автомобиля КАМАЗ повышенной грузоподъемности и долговечности для сохранения неизменными габаритов двигателя и возможности использования существующих линий по обработке деталей двигателя диаметры коренных и шатунных шеек, толщины щек коленчатого вала оставлены как у серийного автомобиля.

Необходимые прочность, долговечность, надежность, термостойкость и износостойкость коленчатого вала получились при изменении твердости основного материала коленчатого вала с 248...286 НВ (твердость серийных коленчатых валов) на 311...363 НВ и химико-термической обработкой (карбонитрированием, каталитическим азотированием). Проведенные испытания подтвердили прочность, долговечность, надежность, термостойкость и износостойкость такого коленчатого вала.

При внедрении в производство перспективного автомобиля КАМАЗ возникли следующие острые проблемы.

1. Обработка коленчатых валов с твердостью НВ 311... 363 привела к резкому снижению стойкости режущего инструмента и, как следствие, к резкому падению производительности автоматической линии по обработке коленчатых валов.

2. Так как коленчатые валы под азотирование (карбонитрирование, каталитическое азотирование) не проходят упрочнение индукционной закалкой, то при их изготовлении на автоматической линии при выполнении транспортных операций возникают забоины на коленчатых валах, которые потом остаются на готовых коленчатых валах и их удаление связано с большими трудностями.

3. С самого начала обработки серийные коленчатые валы (с твердостью основного материала НВ 248...286) и коленчатые валы для перспективного автомобиля КАМАЗ (с твердостью основного материала НВ 311... 363) не могли обрабатываться одновременно на одной автоматической линии, для каждого из них необходимо было перенастраивать линию по режимам механической обработки.

Для решения этих острых проблем была изменена технология изготовления коленчатого вала согласно заявленному техническому решению. Коленчатый вал перспективного автомобиля КАМАЗ изготавливается из стали 42ХМФА следующего химического состава, %: углерод - 0,40...0,45; ванадий ~ 0,08...0,12; марганец ~ 0,50...0,80; кремний - 0,17...0,37; хром - 1...1.3; молибден - 0,35...0,45.

Поковка коленчатого вала подвергается операции термического улучшения на твердость НВ 248...286. После предварительной механической обработки коленчатый вал упрочняется индукционной закалкой по шейкам, галтелям и торцам на глубину 3..5 мм с твердостью 53...63 HRC. Затем коленчатый вал подвергается дальнейшей механической обработке. Перед операцией предварительной шлифовки шеек коленчатый вал подвергается стабилизирующему отпуску при температуре 350...620С в течение 2...5 часов. После стабилизирующего отпуска коленчатый вал обрабатывается на окончательные размеры, кроме поверхностей, где оставляется припуск под финишные операции.

В таком виде коленчатый вал подвергается химико-термической обработке (азотированию, карбонитрированию, каталитическому азотированию, оксикарбонитрированию, ионному азотированию и др.). После этого коленчатый вал подвергается финишной обработке до полной готовности.

При внедрении предлагаемого технического решения были достигнуты следующие технические результаты.

1. Так как твердость основного материала коленчатого вала перспективного автомобиля КАМАЗ осталась на уровне серийного коленчатого вала, проблемы по механической обработке коленчатого вала на автоматической линии снялись. И серийный коленчатый вал и коленчатый вал перспективного двигателя стало возможным обрабатывать на одной автоматической линии без перестройки ее по режимам механической обработки.

2. После стабилизирующего отпуска все внутренние напряжения снимаются и в процессе дальнейшей химико-термической обработки коленчатый вал не коробится.

3. После стабилизирующего отпуска в местах бывшего расположения слоя индукционной закалки твердость будет находиться в пределах HRC 36...48. Так как слои индукционной закалки располагаются в наиболее нагруженных местах коленчатого вала, то при этой твердости прочность коленчатого вала находится на достаточном уровне.

4. Слой, полученный химико-термической обработкой, будет образовываться на подложке с твердостью HRC 36...48, а в этом случае он будет иметь оптимальные служебные свойства, что позволит обеспечить прочность, надежность, термостойкость, задиростойкость, износостойкость и ремонтопригодность коленчатого вала.

5. После индукционной закалки шейки галтели и торцы коленчатых валов будут иметь твердость HRC 53...63, а после стабилизирующего отпуска твердость HRC 36...48, поэтому вероятность образования забоин на коленчатых валах при выполнении транспортных операций значительно снижается.

6. Разделение потока серийных коленчатых валов и коленчатых валов перспективного автомобиля начнется только непосредственно перед операцией стабилизирующего отпуска, а затем поток будет объединяться и снова разделится непосредственно перед химико-термической обработкой, после которой потоки снова объединятся до окончания цикла обработки.

Изготовленные по предлагаемому техническому решению коленчатые валы перспективного двигателя КАМАЗ имеют долговечность, прочность, термостойкость и износостойкость на уровне, обеспечивающем надежную работу автомобилей КАМАЗ.