СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА Российский патент 1997 года по МПК C21D9/30 

Изобретение относится к технологическим процессам обработки деталей машин, в частности к способам термической обработки коленчатых валов.

Известен способ термической обработки коленчатого вала при закалке, состоящий в нагреве его коренных шеек, шатунных шеек, галтелей и последующем охлаждении указанных элементов вала (авт. св. СССР N960280, кл. C 21 D 9/30, 1981).

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает необходимого качества вала после проведения его термической обработки, поскольку при этом происходит значительная деформация вала/коробление и другие дефекты вследствие больших термических нагрузок, возникающих при обработке вала ТВЧ, а также неравномерная закалка галтелей.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение качества вала после проведения его термической обработки путем снижения его деформации, обеспечиваемого уменьшением термических нагрузок на вал в целом, получения равномерной закалки галтелей и повышения изностойкости вала путем создания на упрочняемых поверхностях оптимальных триботехнических рисунков.

Для этого в известном способе термической обработки коленчатого вала при закалке, состоящем в нагреве его коренных шеек, шатунных шеек, сопряженных с ними галтелей и последующем охлаждении указанных элементов, нагрев производят пучком лазерного излучения, который перемещают вдоль образующей каждой шейки в процессе вращения коленчатого вала при обработке коренных шеек -вокруг их оси, а при обработке шатунных шеек -вокруг соответствующей их оси с образованием на поверхности каждой шейки спиральных сопряженных между собой зон нагрева а галтель, сопряженную с каждой шейкой, нагревают пучком лазерного излучения, ориентированного по нормали к касательной в центральной зоне галтели, причем температуру нагрева всех указанных элементов вала определяют по соотношению

где Z глубина нагрева в направлении пучка лазерного излучения, мм;
t время нагрева, с.

q_Ф плотность мощности пучка лазерного излучения, Вт/см²;
λ_т коэффициент теплопроводности, Вт/м • град;
α коэффициент температуропроводности, м²/с;
R_л радиус пучка лазерного излучения, мм,
при скорости нагрева большей или равной 500 град/с и скорости охлаждения большей или равной 200 град/с.

На фиг. 1 изображена схема установки коленчатого вала при термической обработке его шеек и галтелей; на фиг.2 схема термической обработки шейки и галтели вала; на фиг.3 схема расположения зон нагрева шейки при различных соотношениях частоты вращения вала (а) и скорости перемещения пучка лазерного излучения (б).

На фиг. 1 показаны центры 1 для установки коленчатого вала 2 по оси его коренных шеек 3, источник 4, создающий пучок 5 лазерного излучения и зеркало 6 для отражения пучка 5 и направления его в необходимую зону обрабатываемого вала.

На фиг.2 показана в увеличенном масштабе схема термической обработки шейки и галтели вала. При обработке галтели пучок лазерного излучения направлен по нормали 7 к касательной 8, проходящей через центральную зону 9 галтели.

На фиг. 3, изображены спиральные зоны 10 нагрева поверхности шеек 3 при скорости вращения шейки, значительно превышающей скорость перемещения пучка лазерного излучения.

На фиг. 3б, изображены спиральные зоны 11 нагрева поверхности шеек 3 при сопоставимом соотношении скоростей вращения шейки и перемещения пучка лазерного излучения.

Для осуществления способа устанавливают в центрах 1 коленчатый вал 2 по оси его коренных шеек 3 и приводят его во вращение вокруг оси этих шеек. При этом устанавливают зеркало 6 в положение, обеспечивающее направление пучка 5 по нормали к образующей шейки (положение I) и перемещают пучок 5 вдоль образующей от ее начального до конечного участка, производя нагрев шейки. После этого устанавливают зеркало 6 в положение, обеспечивающее направление пучка 5 по нормали 7 к касательной 8, проходящей через центральную зону галтели (положение II) и производят нагрев одной галтели. Для обработки другой галтели устанавливают зеркало 6 в положение III, при котором пучок 5 будет ориентирован аналогично тому, как он ориентирован при обработке первой галтели. При обработке галтелей на них образуются спиральные зоны термообработки с максимальной глубиной в середине и с минимальной глубиной по краям.

Для обработки шатунных шеек 12 приводят вал во вращение вокруг оси этих шеек и устанавливают зеркало 6 в положение, обеспечивающее направление пучка 5 по нормали к образующей шатунной шейки 12 (положение IY) и перемещают пучок 5 вдоль образующей шатунной шейки от ее начального до конечного участка, производя нагрев шатунной шейки. После этого устанавливают зеркало 6 в положение, обеспечивающее направление пучка 5 по нормали к касательной, проходящей через центральную зону галтели (положение Y) и производят нагрев одной галтели шатунной шейки. Для обработки другой галтели устанавливают зеркало 6 в положение IY, при котором пучок 5 будет ориентирован аналогично тому, как он ориентирован при обработке первой указанной галтели. В процессе нагрева шеек на них образуются спиральные сопряженные между собой зоны нагрева, создающие на упрочняемых поверхностях оптимальный триботехнический рисунок. Этот рисунок может быть образован зонами, перпендикулярными оси шейки (фиг. 3, а) при скорости вращения шейки, значительно превышающей скорость перемещения пучка лазерного излучения или может быть образована зонами, наклоненными к оси шейки (фиг.3,б) при сопоставимом соотношении скоростей вращения шейки и перемещения пучка лазерного излучения.

Температуру нагрева шеек и галтелей вала определяют из соотношения

где Z глубина нагрева в направлении пучка лазерного излучения, мм;
t время нагрева, с.

q_ф плотность мощности пучка лазерного излучения, Вт/см²;
λ_т коэффициент теплопроводности, Вт/м • град;
α коэффициент температуропроводности, м²/с;
R_л радиус пучка лазерного излучения, мм;
при скорости нагрева большей или равной 500 град/с и скорости охлаждения большей или равной 200 град/с.

После нагрева пучком лазерного излучения коренных шеек, шатунных шеек и их галтелей производят их охлаждение на воздухе путем самоотвода тепла внутрь детали. При лазерной обработке в лазерного воздействия образуются структуры мелкоигольчатого мартенсита, троостита и остаточного аустенита с высокой микротвердостью. В процессе работы коленчатого вала и его нагрева остаточный аустенит претерпевает изменения с образованием мартенситной составляющей высокой твердости, что обеспечивает поддержание стабильности элементов вала и следовательно достижение высокой износостойкости вала.

При обработке валов различных типов последовательность указанных операций термообработки может быть изменена, а скорость нагрева зависит от массы коренных и шатунных шеек и вала в целом.

Пример. Для осуществления термической обработки шатунных шеек коленчатого вала автомобиля КамАз определяют температуру нагрева этих шеек T по соотношению, приведенному выше. При этом известно, что плотность мощности пучка лазерного излучения составляет 25 • 10³ Вт/см, коэффициент теплопроводности составляет 33 Вт/см • град, коэффициент температуропроводности составляет 7 • 10² м²/с, радиус пучка лазерного излучения составляет 8 мм.

Исходя из указанных параметров по приведенному соотношению определяем температуру T нагрева на поверхности шейки при времени нагрева 0,5 с. Эта температура состоит T 1079^oC при скорости нагрева 2158 град/с, что больше 500 град/с и скорости охлаждения 3498 град/с, что превышает 200 град/с.

Использование: при изготовлении коленчатых валов. Сущность изобретения: для осуществления способа устанавливают в центрах 1 коленчатый вал 2 по оси его коренных шеек 3 и приводят его во вращение вокруг оси этих шеек. При этом устанавливают зеркало 6 в положение, обеспечивающее направление пучка 5 по нормали к образующей шейки и перемещают пучек 5 вдоль ее образующей от начального до конечного участка, производя нагрев шейки. После этого устанавливают зеркало 6 в положение, обеспечивающее направление пучка 5 по нормали 7 к касательной 8, проходящей через центральную зону 9 галтели и производят нагрев одной галтели. Нагрев другой галтели производят путем ориентирования пучка 5 по нормали к ее касательной. Для обработки шатунный шеек приводят вал во вращение вокруг оси этих шеек и ориентируют пучок 5 аналогично тому, как он ориентируется при обработке коренных шеек. Обработку галтелей шатунных шеек производят путем ориентирования пучка 5 аналогично тому, как это производится при обработке галтелей коренных шеек. 3 ил.

Способ термической обработки коленчатого вала, включающий поверхностный нагрев коренных и шатунных шеек и сопряженных с ними галтелей до температуры закалки, охлаждение, отличающийся тем, что нагрев шеек с галтелями осуществляют последовательно пучком лазерного излучения при перемещении вдоль образующей каждой шейки и одновременном вращении каждой шейки вокруг своей оси с образованием на поверхности спиральных сопряженных между собой зон нагрева, при нагреве галтели пучок направляют по нормали к касательной в центральной зоне галтели, при этом нагрев ведут со скоростью ≥ 500^oС/с до температуры, определяемой из соотношения

где Z глубина нагрева в направлении пучка лазерного излучения, мм;
t время нагрева, с;
q_ф плотность мощности пучка лазерного излучения, Вт/см²;
λ_т- коэффициент теплопроводности, Вт/м • град;
L коэффициент температуропроводности, м²/с;
R радиус пучка лазерного излучения, мм,
охлаждение ведут со скоростью ≥ 200^oС/с.