Введение

Шатуны являются звеньями шатунно-кривошипных механизмов, главным образом поршневых двигателей внутрен­него сгорания и компрессоров, где они служат для передачи силы от поршня и преобразования его возвратно-поступательного движения во вращательное движение коленчатого вала двига­теля; в компрессорах наоборот — вращательное движение вала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, осуществляющего сжатие воздуха для подачи его под давлением.

При работе шатуны подвержены действию значительных знакопеременных рабочих нагрузок и сил инерции. Для этого шатун должен обладать достаточной прочностью и жесткостью при наименьшей возможной массе.

Общность служебного назначения шатунов определяет их конструктивную общность: наличие большой (кривошипной) и малой (поршневой) головок, соединенных телом с ребрами по периферии. Однако конструктивное выполнение этих элементов у шатунов может быть различным. Большинство шатунов имеет разъемные кривошипные головки, причем у авто­тракторных двигателей (у которых установка шатунов в картер через цилиндр затруднена из-за значительных размеров криво­шипных головок) разъем выполняют под углом к плоскости сим­метрии шатуна для удобства его установки. Кривошипные го­ловки шатунов крупных компрессоров в ряде случаев конструи­руют не только разъемными, но и отъемными от стержней, обра­зующих тело шатунов.

В нашей работе мы хотим рассмотреть технологические особенности изготовления шатунов.

1. Служебное  назначение и конструктивные особенности шатунов

При составных коленчатых валах с использованием подшип­ников качения, как в мотоциклетных двигателях, возможно при­менение неразъемных кривошипных головок шатунов.

В кривошипные головки шатунов для снижения трения сколь­жения устанавливают вкладыши с антифрикционным покрытием.

Крышку 2 — отъемную часть кривошипной головки — ба­зируют по плоскости разъема тела шатуна / и закрепляют посред­ством призонных болтов 4 g гайками 5 или посредством уступов в месте стыка крышки 2 с телом 1 шатуна.

Поршневую головку шатунов выполняют преимущественно неразъемной, в нее запрессовывают бронзовую биметаллическую (сталь—бронза) или q капроновой сетчатой лентой втулку 3. У крупных шатунов в некоторых случаях применяют вставные вкладыши, которые закрепляют специальными клиньями. Для подгонки комплекта шатунов быстроходных машин по массе их снабжают бобышками, с которых при необходимости снимают металл (см. рис. 1.).

Рис. 1. Шатун.

Тело шатунов обычно имеет двутавровое се­чение и только у больших шатунов в ряде слу­чаев круглое сечение, причем внутри них может быть маслопроводное отверстие, соединяющее поверхности трения головок шатуна.

2. Технические условия на шатуны

Для обеспечения работы  шатунов в двигателе или компрессоре внутренняя по­верхность  вкладышей кривошипных головок должна прилегать к соответствующим шатунным шейкам коленчатого вала, а втулки или вкла­дыши поршневых головок — к пальцам поршней. Для этого необходимо, чтобы ось отверстия поршневой головки была параллельна оси от­верстия кривошипной головки и, кроме того, должны быть обеспечены определенная точность диаметральных размеров, формы и параметр шероховатости  поверхностей отверстий обеих головок.

Допустимое колебание массы каждой головки и тела шатуна автомобильных и тракторных дви­гателей в комплекте не должно превышать 2 ...5 г, а для всего комплекта шатунов 4 ... 10 г.

Прочность шатунов гарантируется правильным выбором ма­териала и выполнением требований к их макро- и микроструктуре.

Основные технические требования на шатуны регламентиро­ваны для различных машин ГОСТами. В соответствии с ними от­верстие под запрессовываемую втулку и отверстие в ней под поршневой палец двигателя должны быть изготовлены по посад­кам Н7—Н 8. Для повышения точности поршневого пальца авто­мобильные шатуны сортируют на группы по диаметру отверстия втулок с интервалом 2,5 мкм, а тракторные шатуны — согласно заводским ТУ. Отклонение от цилиндричности отверстия втулки в шатуне не должно превышать 2,5 мкм для бензиновых двигателей и 2/3 допуска на его диаметр для дизельных двигателей. Параметр шероховатости поверхности отверстия втулки Rz == 2 . . . 6,3.

Отверстия под вкладыши в кривошипных головках шатунов должны быть изготовлены по посадкам Н6—Н7. Допуски цилин­дричности отверстий — не более 4 ... 6 мкм для бензиновых двигателей и 2/3 допуска диаметра для дизельных шатунов, а Rz == 2 . . . 6,3 мкм.

Допуск соосности отверстия запрессованной втулки с отвер­стием в кривошипной головке не должен превышать 0,04 . . . 0,05 мм на длине 100 мм для бензиновых двигателей и 0,03 . . . 0,05 мм на той же длине для дизельных. Допуск параллельности этих осей 0,02 . . . 0,04 на длине 100 мм.

Отклонения межосевого расстояния у шатунов для отдельных типов ± (0,03 . . . 0,10) мм.

Допуск перпендикулярности торцов кривошипной головки к оси отверстия — не более 0,005 . . . 0,010 мм на длине 100 мм для автотракторных двигателей.

Допуск перпендикулярности площадок под гайки и головки призонных болтов к осям отверстий для них 0,07 . . . 0,010 мм на длине 100 мм.

Отверстия под призонные болты изготовляют по посадке Н9.[1]

3. Материалы и заготовки для шатунов

В качестве материалов для шатунов используют кон­струкционные среднеуглерод истые стали 40, 45 с НВ 210 . . . 255 и легированные стали 45Г2, 18ХНМА, 18Х2НЧВА, 40ХНМА, 18Х2Н4МА, 40ХН2МА с НВ 177 . . . 255, а также высокопрочные чугуны и титановые сплавы.

Заготовки шатунов автомобильных и тракторных двигателей в условиях массового производства получают в закрытых штам­пах на молотах и кривошипных прессах, причем в ряде случаев заготовку предварительно готовят на ковочных вальцах. Исполь­зуется и поперечно-вннтовой прокат.

Заготовки шатунов, как правило, получают цельными. Зна­чительно реже крышку штампуют отдельно от тела шатуна, в этом случае можно использовать оборудование меньшей мощно­сти. Однако увеличивается расход металла на заготовки.

Заготовки шатунов часто имеют отверстие в кривошипной головке с припуском на обработку, а отверстие в поршневой го­ловке получают путем механической обработки или прошивают в заготовках о припуском на обработку [261.

Штампованные заготовки шатунов и крышек автотракторных двигателей нередко калибруют и чеканят. Калибрование повы­шает точность формы и размеров заготовок по всему профилю и постоянство их масс. В результате повышается точность уста­новки заготовок и снижается припуск на их механическую обра­ботку, а это способствует сокращению трудоемкости обработки и облегчает получение требуемого качества деталей. Чеканка торцов заготовок этих деталей позволяет получить расстояние между торцами с отклонением ± (0,08 . . . 0,20) мм, следовательно, будет возможна большая точность установки заготовок, малые значения припусков, позволяющие производить сразу шлифова­ние. Механической обработке заготовок шатунов и крышек обычно предшествует термическая обработка для  получения  НВ 210—290.

Заготовки крупных шатунов получают штамповкой или ков­кой на молотах, реже штамповкой на прессах.[2]

4. Выбор баз и последовательность обработки поверхностей шатунов

При изготовлении шатунов обрабатывают торцы го­ловок, базируя заготовку по противолежащим торцам — уста­новочной базе и наружной поверхности, используемой в каче­стве направляющей и опорной баз. Обработанные торцы головок заготовки шатуна служат установочной технологической базой для последующих операций, поэтому торцы головок шатуна должны лежать в одной плоскости с допуском около 0,04 мм, что достигается шлифованием, а в ряде случаев — предварительным фрезерованием. Аналогично обрабатывают и крышки шатунов, если они изготовляются из отдельных заготовок.

Для создания комплекта технологических баз протягивают площадки на весовых бобышках заготовок шатунов и боковых поверхностях поршневой и кривошипной головок, а также опор­ные площадки под головки болтов и гаек.

После этого заготовки шатунов в зависимости от их кон­струкции обрабатывают по-разному. Предварительно обрабаты­вают отверстие в поршневой головке под втулку. Если шатун изготовляют из цельной заготовки, то в кривошипной головке заготовки предварительно обрабатывают овальное отверстие в виде двух пол у отверстий, межцентровое расстояние между ко­торыми превышает ширину фрезы, используемой для отрезания крышки от шатуна после клеймения.

При отдельных заготовках полуотверстия под вкладыши в ша­туне и крышке протягивают отдельно у каждой детали, так же как и плоскости стыков. Выполняется операция по обработке стыков и у цельной заготовки шатуна с крышкой, причем заго­товку предварительно протягивают или сразу шлифуют.

Далее осуществляют сверление, рассверливание, зенкерование и снятие фасок в отверстиях под болты в коренных головках за­готовок шатунов и крышек, а также фрезеруют пазы под замки вкладышей. Цекуют опорные площадки под болты и гайки в за­готовках шатунов и крышек. Соединяют их по плоскостям стыка, окончательно совместно обрабатывают отверстия под болты и продувают их. Устанавливают болты и затягивают гайки. Пред­варительно зенкеруют или растачивают отверстие шатунной го­ловки. Окончательно шлифуют торцы головок и размагничивают собранный шатун. Зенкеруют, растачивают и снимают фаски в от­верстии шатунной головки, сверлят маслопроводное отверстие. Производят чистовое растачивание отверстия в поршневой го­ловке, промывку, продувку, контроль и запрессовку втулки, уплотняют ее проглаживанием.

Затем выполняют сверление и зенкерование отверстий для смазывания в поршневой головке. Подгоняют массу шатуна. Выполняют тонкое растачивание отверстий в обеих головках, хонингование отверстия в шатунной головке, клеймение, про­мывку, контроль и демагнитизацию.[3]

5. Технологический процесс изготовления шатунов

Обычно первой операцией при изготовлении шатунов является шлифовальная либо фрезерная операция по обработке торцов головок. При обработке кривошипной и поршневой го­ловок шатуна точность δ_г∆ расстояния Г∆ и точность δ_е∆  по­воротов _е∆  между торцами равны сумме допусков замыкающих (исходных) звеньев В∆ и В^’∆, Y∆ ^и Y∆ размерных цепей В и В', у и у' (риc. 2.  а, б}. Составляющие звенья этих цепей принадлежат, станку Be, Yc B'c и ус, приспособлению Вп, Уп, B'n, Yп, инстру­менту Вн, Yн, Bн, Yн, и другим звеньям системы станок — при­способление — инструмент — заготовка, используемым на данной i-й или j-й операции. Помимо геометрической неточности состав­ляющих звеньев при расчетах необходимо учитывать также изме­нения положения закрепляемых заготовок и других звеньев системы станок—приспособление—инструмент — заготовка, вы­званные их деформациями и неточностью динамической настройки этой технологической системы. Для шлифования торцов головок заготовок шатунов, если они лежат в одной плоскости, в условиях массового производства можно использовать специальные станки карусельного типа для глубинного шлифования, обеспечивающие загрузку и выгрузку заготовок в процессе обработки (см. рис. 2, б). Припуск на торцах кривошипных головок последовательно снимается тремя шлифовальными кругами: первым — 0,25 мм, вторым — 0,1 мм, третьим — 0,05 мм; припуск на поршневой головке снимается двумя кругами: первым — 0,25 мм и вторым — 0,1 мм. Для пред­отвращения прижогов скорость кругов не должна превышать 24 м/с, а скорость стола — 4 м/мин. Круги — из электрокорунда нормального на бакелитовой связке. Для черновых рабочих ходов применяют крупнозернистые (50) мягкие круги (СМ1), чтобы они могли самозатачиваться, для чистовых рабочих ходов, когда меньше нагрузки и тепловыделение, используют мелко­зернистые (25) и более твердые (С1) износостойкие круги, обеспе­чивающие требуемую точность размеров и Rz == 1,25 . . . 0,32 мкм поверхностей шатунов. На станке выполняют активный кон­троль размеров изготовляемых деталей и автоматическую под-наладку по результатам измерений. Охлаждение и смазывание СОЖ производятся водной эмульсией НГЛ-205 с добавлением триэтаноламина.

При протягивании базовых площадок на весовых бобышках поршневых головок необходимо обеспечить расстояние А∆ с допуском δ_а∆, который определяет требования к качеству заго­товки А^δ_заз, точности станка о приспособлением А^δ _с-п^Ас-п, инструменту А^δ_иаз и точности их настройки (рис. 2, в}.

Рис. 2. Технологические средства достижения требуемой точности при изготовлении шатуна на первых операциях