Спосіб зміцнення колінчатих валів

Изобретение относится к термической и деформационной обработке металлов и может быть использовано для поверхностного упрочнения шеек коленчатых валов с нагревом лазерным излучением. Известен способ термообработки коленчатого вала, в котором шейку вала закаливают с использованием высокочастотного нагрева, а кольцевую зону, равную по ширине поверхности галтели, закаливают с использованием лазерного нагрева [1]. При этом допускается разрыв между зонами закалки ТВЧ и лазером. Известно, что зона обрыва закаленного слоя является источником разупрочнения [2]. В данном случае на шейку вала вводятся три зоны разупрочнения (или структурной концентрации неблагоприятных растягивающих оста точных напряжений): обрыв зоны закалки лазером, окружность, совпадающая с началом галтели на шейке и являющаяся геометрическим концентратором напряжений, усугубленным обрывом в этом месте слоя закалки лазером, и, наконец, обрыв зоны закалки ТВЧ. Каждый из этих факторов (и тем более их совокупность) приводят к резкому снижению усталостной прочности вала. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ упрочнения коленчатых валов, выбранный в качестве прототипа [3]. Закалке лучом лазера подвергают 50-70% поверхности шейки, при этом упрочненные зоны создают в виде полос, расположенных по винтовой линии на цилиндрической части шейки. Затем вал подвергают объемному отпуску при 250-350°С в течение 1.5-2,0 часа и обкатывают роликами поверхность шейки с усилием 100-120 кг. Этот способ несколько уменьшает недостатки способованалогов. Однако, этот способ не позволяет избежать уменьшения усталостной прочности реальных коленчатых валов, имеющих конструктивные концентраторы напряжений в виде галтелей на шейках. Кроме того, свойства шейки вала по ее длине получаются существенно неоднородны, что отрицательно сказывается на служебных характеристиках вала. Задачей данного технического решения является повышение срока службы вала путем увеличения износостойкости поверхности и сохранения усталостной прочности на уровне незакаленного вала. Технический результат достигается тем, что в способе, включающем закалку лучом лазера 60-70% поверхности цилиндрической части шеек вала с созданием упрочненных зон в виде полос, расположенных по винтовой линии, объемный отпуск вала и последующую обкатку поверхности шеек и галтелей роликами, перед созданием упрочненных зон в виде полос на расстоянии h 1=(2-4)σ от начала второй галтели этой же шейки, выполняют закалку лучом лазера по кольцу, плоскость которого перпендикулярна оси шейки, закалку лучом лазера для создания зон в виде полос по винтовой линии, начинают в месте совмещения начала и конца упрочненной зоны в виде кольцевой полосы, а заканчивают на расстоянии h2 = h1 от начала второй галтели этой же шейки, затем выполняют закалку лучом лазера по кольцу, плоскость которого перпендикулярна оси шейки, а начало и конец совпадают с концом винтовой линии, обкатку поверхности цилиндрической части шейки роликами проводят на длине, симметрично превышающей длину закаленной зоны на К = (4-6)s, с усилием, отнесенным к диаметру шейки, равным 6-8 кг/мм, при отношении профильного радиуса к диаметру шейки 0,2-0,35. Все количественные характеристики установлены экспериментально. Критериями служили износостойкость и усталостная прочность коленчатого вала. Перед созданием упрочненных зон в виде полос по винтовой линии и после их создания, выполняют закалку лучом лазера по кольцу, плоскость которого перпендикулярна оси вала, для того, чтобы получить равномерные свойства поверхности шейки по всей длине закаленной зоны. Расположение этих колец закалки на шейке вала на расстоянии h = (2-4)s , где σ - ширина полосы упрочнения от соответствующи х галтелей, устанавливают, исходя из следующего. При лазерной закалке в поверхностном слое вала возникают растягивающие остаточные напряжения, которые переходят в сжимающие на расстоянии (1-2)s по поверхности вала от места закалки. Если h 4σ нецелесообразно, так как это приводит к резкому снижению износостойкости. Совмещение начала и конца кольцевой линии закалки с началом или концом винтовой линии обусловлено обеспечением условий нереализации двойной закалки одного и того же места поверхности шейки вала, что может вызвать микрорастрескивание и, соответственно, снижение усталостной прочности вала. В результате лазерной обработки повышается износостойкость, но уменьшается усталостная прочность. Для повышения усталостной прочности проводят обкатку роликами цилиндрической части шейки на длине, симметрично превышающей длину закаленной зоны на К = (4-6)σ. Уменьшение К 6s обкатка не дает увеличения положительного эффекта по сравнению с заявляемым интервалом, но технологически сложно осуществима. Обкатку осуществляют с усилием, отнесенным к диаметру шейки, равным 6-8 кг/мм. При величине данного параметра, меньшей 6 кг/мм, эффект упрочнения невелик. При относительном усилии, большем 8 кг/мм, имеет место коробление. Для обкатки берут ролики, отношение профильного радиуса (г) которых к диаметру шейки (Д) составляет 0,25-0,35. При r/Д 0.35 нет эффективного повышения усталостных характеристик вала за счет малых удельных давлений при обкатке. Способ реализуется следующим образом. Обработке подвергают коленчатые валы из высокопрочного чугуна химического состава; мас.%: 2,8-3,8 С; 0,5-0.9 Μn; 1,8-2,25 Si; < 0,1 Ρ; < 0,025 S; < 0,15 Cr; < 0,5 Ni; 0,04-0,1 Mg. Диаметр шеек вала Д ~ 200 мм. Лазерную закалку поверхности шеек коленчатых валов выполняют на установке ЛТ1-2 по следующему режиму: Мо щность излучения Ρ = 2,5 кВт; Плотность мощности W = 90 Вт/мм 2; Линейная скорость перемещения детали V = 35 м/ч; Ширина под лучом линии закалки σ = 7 мм; Глубина закаленного слоя а = 1,1 мм. Испытания на износостойкость и изнашивающую способность материала коленвала производили по схеме вал-вкладыш на стенде ИПС-2 при скорости скольжения 7,5 м/сек, удельном давлении 50 кг/см 2 в течение 50 часов. Измеряли линейный износ шеек вала. Контртело - биметаллический вкладыш "Сталь-сплав А020-1". Изнашивающую способность материала вала контролировали по весовому износу вкладышей. Испытания на усталость коленчатых валов проводили при симметричном изгибе на специальном стенде с инерционным возбуждением. База испытаний 107 циклов. Результаты испытаний приведены в таблице. Как видно из таблицы и приведенных выше соображений, упрочнение по режимам 7-9 дает наилучшее сочетание износостойкости коленчатых валов и вкладышей и усталостной прочности. Использование предлагаемого способа упрочнения коленчатых валов из высокопрочного чугуна обеспечивает по сравнению с существующими способами наилучший комплекс эксплуатационных характеристик.