Как куют коленвалы
Вы когда-нибудь интересовались, как изготавливают кованые коленвалы? Давайте посмотрим какие материалы для этого используют, как куют валы и как их упрочняют. Но наш краткий обзор этим не ограничится – мы вспомним и про литые коленвалы, и про «вырезанные» из цельного куска металла. Отдельно надо отметить, что разговор пойдет о коленчатых валах, предназначенных для вторичного рынка – то есть для рынка запасных частей.
Кованые коленчатые валы.
Каждый производитель коленчатого вала часто использует собственную технологию, но базовый принцип у всех один – стальная болванка, как правило – литая, нагревается в печи до температуры 1200–1300° C. При этом сталь становится достаточно пластичной (но не жидкой) и легко меняет форму. Затем горячую заготовку помещают в ковочную машину и формуют, задавая примерную форму будущего коленвала. «Обжатие» выполняется либо ударами молота, либо прессованием. В обоих случаях цель – целенаправленная деформация металла, нужная не только для точного заполнения формы, но и для увеличения прочности заготовки путем уплотнения и упорядочивания её структуры. Как правило, размер исходной отливки намного больше, чем объем внутри матрицы. Обычно заготовка (слиток) примерно в два раза тяжелее будущего готового изделия – коленчатого вала. Соответственно, при ковке или прессовании, избыток материала выдавливается по стыкам формы, образуя так называемый «облой», который затем срезают на обрезном прессе (см. фото 1–5):
Поковку, с обрезанным облоем и грубой, шероховатой, поверхностью (см. фото 6), затем подвергают термообработке – закалке и отпуску.
Поскольку при этом будущий коленвал может деформироваться (например – изогнуться) на величину до 1,5 мм, то такую процедуру лучше делать непосредственно перед механической обработкой.
У разных производителей разные методы, но обычно для подобной закалки используют водный раствор гликоля. Затем будущий коленчатый вал обрабатывают на металлорежущих станках – для получения окончательной формы. Затем нужно снять остаточные напряжения, возникающие при механообработке. Это опять делают в печи, нагревая коленвал до 200–315° C, причем продолжительность и нагрева, и последующего остывания тщательно контролируется (см. фото 7 и 8).
После этого проводят финишную механическую обработку детали – шлифование – получая требуемую шероховатость поверхности коренных и шатунных шеек. И, наконец, последняя стадия – упрочнение поверхности шеек (см. фото 9 и 10).
Для наглядности мы приводим замечания нескольких производителей коленвалов, которые уточняют некоторые подробности производственного процесса.
Кстати, когда заготовку коленвала куют молотом, то по словам Джона Каллайса, из компании Pacific Forge, боёк бьет по форме несколько раз, пока её половинки не сомкнутся. При этом давление может составлять до 17 тысяч атмосфер.
При взгляде на готовую поковку, хорошо заметна линия, которая выглядит как широкая линия «разъема», поэтому некоторые воспринимают ее как свидетельство того, что вал был отлит, а не откован. Однако подобная линия «разъема» – лишь остаток облоя: избытка стали, которая была вытеснена из штампа во время ковки. Облой, иногда не совсем правильно называемый заусенцами, удаляют с поковки при обработке коленчатого вала на обрезном прессе. Иногда эти участки обрабатывают очень тщательно и остатки облоя удаляют полностью, так что на поверхности коленвала не остается и малейшего следа. А в других случаях область обрезки может быть обработана не так старательно и остается небольшой выступ, который указывает на линию разъема штампа. Подобный выступ – не свидетельство каких-то проблем и влияет только на внешний вид. Другими словами, даже кованые коленвалы могут иметь «шов» по линии сопряжения матрицы. Это нормально и не представляет никакой проблемы с точки зрения качества детали.
Основы металлургии.
Ниже приведены общие отраслевые рекомендации по материалам, используемым для изготовления стальных поковок. Хотя информация, в целом, универсальна, надо иметь в виду, что некоторые производители коленвалов разработали свои собственные уникальные, запатентованные, марки сталей. Однако, все производители коленвалов, с которыми мы общались, используют для своих поковок сталь марки «4340».
Углеродистая сталь «4340»
Низколегированная сталь с содержанием углерода 0,4%. Кроме углерода в её состав входят и другие элементы: никель, хром и молибден. Эта марка стали известна своей вязкостью, высокой прочностью при термообработке, при одновременном сохранении хорошей усталостной прочности (отечественный аналог – сталь 40Х2Н2МА).
Хорошо поддается механической обработке в отожженном или нормализованном состоянии, как сказано выше. В отожженном состоянии обладает хорошей пластичностью, поэтому большинство операций формования выполняются после отжига. Деталям можно придавать форму изгибом или прессованием.
Упрочнение производят при нагреве до 830° C, с последующим охлаждением в масле. Для достижения наибольшей прочности сталь надо нормализовать при 900° C. Ковка может производиться в диапазоне от 980 до 1230° C. Стоит отметить, что сталь «4340» очень хорошо поддается и холодной формовке. Поэтому иногда можно обойтись и без «горячей» обработки.
Полный отжиг может быть выполнен при 840° C, с последующим контролируемым охлаждением печи со скоростью не более 28-30° C в час, до 315° C. После этого деталь можно оставить остывать на воздухе.
Сталь «4340» считается хорошо прокаливаемой. При термообработке высокая прочность поверхностного слоя обеспечивается на большую глубину, даже для довольно крупных деталей.
Характеристики стали «4340»
- Предел текучести – 1150 МПа.
- Относительное удлинение – 17,1%.
- Углерод (C) – не более 0,43%
- Хром (Cr) – 0,70–0,90%
- Железо (Fe) – не менее 96%
- Марганец (Mn) – 0,70%
- Молибден (Mo) – 0,20–0,30%
- Никель (Ni) – 1,83%
- Фосфор (P) – менее 0,035%
- Кремний (Si) – 0,23%
- Сера (S) – менее 0,04%
Что говорят производители.
Например, фирма Crower Cams & Equipment Co., Inc. использует сталь «4340» или «EN30B» (её тоже часто используют для заготовок). Поковки изготавливают с помощью молота, все производственные операции делают в США. Детали подвергаются термообработке для получения твердости сердцевины около 36 HRC. После механической обработки и финишного шлифования шейки валов азотируются, для получения требуемой твердости поверхности, на глубину около 0,05–0,08 мм. Керри Новак из Crower отметил, что они не упрочняют поверхность на большую глубину, чтобы не создавать потенциальные очаги концентрации напряжений.
Компания SCAT Crankshafts вместо традиционного кузнечного молота использует прессование. По словам Тома Либа, прессование выполняется в три этапа. Причем сначала формируются передняя и задняя части коленвала: 1-я коренная шейка и носок, а также – последняя коренная шейка и хвостовик. Причем, при формовке прочих коренных шеек, давление пресса создает своего рода «клин» из металла заготовки, который формирует соответствующий противовес. Том отметил, что эта новая технология реализована с использованием новейшего немецкого прессового оборудования. Как и при ковке молотом, избыток материала вытесняется из штампа, и затем обрезается. После отпуска и механической обработки деталь подвергают азотированию для упрочнения поверхности шеек.
«Закалка металла – это как выпечка торта» – отметил Том Либ. – «Сталь включает в себя и другие элементы, такие как ванадий, марганец, никель и т. д. Процесс термообработки учитывает свойства различных легирующих элементов и то, как они взаимодействуют. Хромомолибденовые стали мы нагреваем примерно до 1430° C, с последующим погружением в нагретый гликоль. Процесс закалки контролируется так, чтобы все элементы «держались за руки» и получалась требуемая зернистая структура. Мы применяем непродолжительное азотирование, чтобы создать чрезвычайно твердую поверхность на глубину около 0,05–0,1 мм. Можно, конечно, и увеличить толщину твердого слоя, но это может привести к растрескиванию. Если вам потребуется шлифовать шейки в ремонтный размер, то придется повторно азотировать их после обработки».
Джо Сквайрс, представляющий другого производителя – Bryant Racing, говорит: «90% того, что мы делаем, – штампованные коленвалы. Но мы также предлагаем несколько видов кованых валов. В основном мы закупаем кованые заготовки у Ford и GM (те же поковки, которые ранее использовались в NASCAR). Мы их термически обрабатываем, шлифуем шейки и азотируем их на глубину до 0,127 мм. Наши коленвалы сделаны из стали Timken «4340». Затем их нагревают, подвергают криогенной стабилизации, для снятия напряжений и проводят ионно-плазменное азотирование».
Мэтт Сэдлер из компании Lunati отметил, что они также используют сталь «4340» и азотируют поверхность шеек на глубину 0,254–0,305 мм.
Фирма Callies тоже использует для своих поковок сталь марки «4340», но с фирменным процессом термообработки – Perma-Tough, который «изменяет микроструктуру стали» и обеспечивает большую глубину закалки поверхности шеек. Они утверждают, что «даже после шлифовки шеек на 0,76 мм наши валы можно использовать без всяких сомнений».
Джон Партридж из Bullet Racing Cams рассказал нам, что они термически упрочняют свои валы после ковки до 32–34 HRC. После окончательной механической обработки их азотируют, доводя твердость поверхности шеек до 62–65 HRC, на глубину около 0,31–0,51 мм. А заготовки получают как с американских, так и зарубежных заводов.
К-1 Technologies, подразделение компании Carrillo, предлагает как кованые, так и «точеные» коленвалы, изготовленные из стали «4340» и азотированные, для повышения ресурса подшипников.
Причем, все без исключения производители коленчатых валов, с которыми мы общались, куют валы без «скручивания».
Ковать или резать?
Некоторые ваши собеседники могут считать, что кованый вал однозначно лучше, а другие – как раз наоборот. Мы не будем обсуждать этот вопрос здесь. Однако, одним из неоспоримых преимуществ «вырезания» коленвала из цельной заготовки является относительная простота процесса и его универсальность. Написав соответствующую программу для станка с ЧПУ, вы можете получить коленвал любой конфигурации, без ограничений, накладываемых формой матрицы для штамповки. Это также исключает затраты и время на изготовление ковочного штампа. Другими словами, механическая обработка заготовки, в отличие от ковки, позволяет создать коленчатый вал любой конструкции гораздо быстрее и проще. Но в любом случае исходная заготовка была откована либо в виде цилиндрической болванки (см. фото 11), либо в форме, близкой к заданной чертежом.
Со «скручиванием» или без.
Коленчатые валы для шести- или восьмицилиндровых двигателей имеют шатунные шейки, расположенные в разных плоскостях. Ковать подобные валы можно либо со «скручиванием» или без него. Поскольку ковка требует использования матрицы, очевидно, что эта матрица должна состоять, как минимум, из двух половин. Для коленвала, который изготавливают со «скручиванием», используется довольно простая форма, где оси всех шеек расположены в одной плоскости. Это облегчает извлечение готовой поковки из матрицы. Но сразу после этого, пока поковка еще горячая, и поэтому пластичная, её в буквальном смысле скручивают – для получения правильного взаимного расположения шатунных шеек. Однако при этом структура поковки нарушается, что создает потенциально слабые места – с концентраторами напряжений. Чтобы отковать коленвал без необходимости его «скручивать» нужна более сложная матрица – из нескольких частей – чтобы сделать ее разъемной. Это одна из причин того, что ковка без «скручивания» дороже, чем с ним. Тем не менее, все производители коленвалов, с которыми мы общались, куют валы без скручивания.
Упрочнение поверхности.
Усталостная прочность шеек коленчатого вала может быть увеличена за счет индукционного упрочнения, азотирования или прокатки роликом, т. е. – пластической деформацией.
Индукционное упрочнение заключается в нагреве детали под воздействием сильного переменного магнитного поля (ТВЧ), до необходимой температуры, с последующей закалкой. Подобное упрочнение не затрагивает сердцевину шейки. Индукционная закалка не очень часто используется изготовителями коленвалов из-за того, что результат не очень хорошо контролируется. Глубина закалки может быть нестабильной и, в результате, могут появиться очаги повышенной твердости, что ведет к хрупкости и формированию концентраторов напряжений.
Если коленвал нагреть до красного каления, то это может существенно уменьшить прочность сердцевины. Кроме того, поскольку у разных элементов коленчатого вала различается и толщина материала, то, если кривошип не охлаждать управляемым образом, то будут созданы зоны повышенных напряжений. В общем, индукционное упрочнение – не очень хорошая идея. Это может привести к растрескиванию поверхности, нежелательному изгибу и неравномерному износу вкладышей подшипников.
Азотирование – это упрочнение поверхности за счет насыщения ее азотом. Оно выполняется после механической обработки, снятия напряжений, закалки и отпуска. Деталь нагревают в специальной камере, через который пропускают нагретый аммиак и газообразный азот. Азот реагирует с углеродом на поверхности стали, с образованием нитридов. Это приводит к значительному повышению твердости поверхности, которая становится более устойчивой к износу и, одновременно, увеличивает усталостную прочность детали. Азотированию подвергается весь коленвал, а не только шейки и хвостовики. Время, в течение которого деталь азотируют, определяет глубину упрочняемого слоя – чем дольше вал находится в камере, тем глубже становится твердый слой. Каждый производитель коленвалов имеет свой взгляд на оптимальную глубину упрочнения поверхности. Толщина подобного слоя должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить требуемую стойкость к износу и необходимую поверхностную прочность, но не настолько большой, чтобы сделать вал хрупким. В разговорах со многими производителями коленвалов выяснилось, что толщина упрочнённого слоя колеблется от 0,05 мм до 0,5 мм. (Впрочем, Callies утверждает, что возможно шлифование шеек вала на величину до 0,76 мм без потери твердости).
Компания SCAT считает, что типичная продолжительность цикла азотирования составляет 24 часа, и даже более (см фото 12). Особо заметим: процесс азотирования подбирается для каждой конкретной марки легированной стали. Если сталь не соответствует спецификации, вал при азотировании может изгибаться, ломаться или трескаться. Звучит неприятно, но это полезное явление, так как помогает контролировать качество исходного материала.
Что же касается ремонта коленвала, то, если шейки надо шлифовать в ремонтный размер, скажем – на 0,5 мм, то вы потеряете первоначальную твердость поверхности. Некоторые специалисты по ремонту двигателей, или их клиенты, полагают, что такой вал нельзя больше использовать из-за недостаточной твердости шлифованной поверхности. На самом деле это вполне решаемая проблема. После шлифования азотирование можно выполнить повторно.
Обкатка роликом, или накатка, представляет собой радиально-симметричный процесс деформации поверхности металла, используемый для контроля шероховатости поверхности шеек, увеличения твердости и снятия остаточных напряжений.
Можно сказать, что при высоком давлении профилированным роликом поверхность шеек «выглаживается», вместо того чтобы удалять металл шлифованием. Коленвал устанавливают на специальном станке для обкатки, зажав с обоих концов и с опорой в середине. Специальный инструмент располагается у каждой шейки. Когда вал начинает вращаться инструмент, под давлением 1780–5340 Мпа, прижимается к поверхности шеек. Этот процесс снимает остаточные напряжения и увеличивает твердость поверхности – прирост прочности может достигать 300% (см. фото 13–15)
Облегчение коленчатых валов.
Слово «легче», само по себе, обычно подразумевает «лучше». Однако нам нужно четко понимать один важный факт: готовый коленвал всегда требуется балансировать, чтобы уравновесить вращающиеся и движущиеся возвратно-поступательно массы. Если мы слишком сильно облегчим противовесы, нам придется снова добавлять некоторую массу. Сделать это можно, используя особые штифты из вольфрамового сплава, которые вставляют в отверстия, высверленные в противовесах. Плотность подобного материала примерно вдвое выше плотности стали. Данная процедура значительно обесценивает эффект от снижения массы. Поэтому облегчение любого коленвала должно происходить с учетом требований надлежащей балансировки.
Имеется несколько способов удаления излишков массы с коленчатого вала, но у каждого из них свои особенности. Например, сверление отверстий по оси коренных шеек служит двум целям: прежде всего – снижает вес коленвала (и двигателя), а во-вторых, улучшает циркуляцию картерных газов. Например, если в поддоне есть маслоотражатель, то это может изолировать пространство под каждым цилиндром в картере. Подобные сверления уравнивают давление в разных секциях картера, пропуская газы для улучшения циркуляции. Так, Том Либ из компании SCAT рассказал нам, что при разработке двигателя GMC серии LS1 давление в разных секциях картера настолько сильно различалось, что неконтролируемые утечки масла и газов из-под прокладок и крышек появлялись во многих местах. В результате SCAT смог решить проблему, сделав отверстия по оси коренных шеек.
Шатунные шейки также могут быть высверлены, что уменьшает общую массу коленвала, а еще способствует снижению массы противовесов, особенно при использовании облегченных шатунов и поршней. Но подобные отверстия в шатунных шейках должны выполняться с учетом необходимости создания масляных каналов – для подачи масла к шатунным подшипникам. Но подобная процедура очень облегчает балансировку коленвала. «Высверленные» шатунные шейки позволяют удалить 1,4–1,8 кг с коленвала для «small block» Chevrolet, или 1,8–2,7 кг – для мотора «big block», причем без заметного снижения прочности.
«Подрезка», то есть снятие металла с противовесов в определенных местах и их последующее профилирование – со скруглением или заострением также являются эффективными способами уменьшения веса, но, опять же, с учетом полной картины балансировки. По словам Тома Либа, когда коленвал изначально делают на станке с ЧПУ, то специалисты SCAT задают профиль противовесов сразу, то есть – программно. Когда же коленвал куют, то «избыток» материала на противовесах получается как побочный продукт процесса ковки. Поэтому покупатель может просто скруглить края противовесов, например на токарном станке, и сэкономить на этом 340–450 грамм. А если заострить кромки как лезвие ножа, то можно скинуть 1,8–2,3 кг. Но опять же, количество снятого металла должно определяться исходя из массы уравновешиваемых частей.
«Многие парни тратят очень большие деньги на легкий коленвал, – отмечает Либ, – и затем вынуждены устанавливать передний шкив-демпфер диаметром 200 мм и массой 5,45 кг, что, в итоге, просто «обесценивает» установку очень легкого коленвала. Но в физике есть понятие момента инерции - здесь его можно рассчитать упрощенно, умножив массу на квадрат радиуса.
Так, для 200-мм демпфера, который весит 5,45 кг, радиус равен 100 мм. Этот радиус в квадрате (100x100) равен 10 тысячам. Когда вы умножаете 10000 на 5,45 получается 54500. Просто заменив его на демпфер диаметром 150 мм, который весит около 3,63 кг, вы уменьшите это значение до 20419, то есть – в 2,67 раза».
Главное достоинство использования более легких шатунов и поршней (помимо лучшей приемистости мотора) заключается в том, что вы снижаете нагрузки, передаваемые на коленчатый вал. В двигателе с предельной частотой вращения 6500 об/мин поршень может создавать усилие, равное почти 5,5 тоннам, когда шатун останавливает его в верхней мертвой точке. При уменьшении массы поршня и шатуна это усилие снижается, что уменьшает нагрузку на коленвал.
Так что любой способ снижения нагрузки на коленвал приводит к заметному увеличению его надежности и долговечности.
Автор: Майк Мавриджан
Источник: Журнал "AERA"
