Изготовление шатуна. Производство заготовки. Механическая обработка

Заготовка для шатуна может быть изготовлена различными способами в зависимости от особенностей применения:

а. Ковка. Исходным материалом для изготовления заготовки является стальной пруток круглого или прямоугольного сечения, который нагревается до температуры 1250–1300°C. Для предварительного перераспределения массы в сторону верхней и нижней головок используется процесс ковки на вальцах. В качестве альтернативы может применяться поперечно-клиновая прокатка, что улучшает геометрию заготовки.

Основной процесс формовки происходит в прессе или молоте. Избыточный материал вытекает в облой, который удаляется в последующей операции. Одновременно с удалением облоя пробиваются отверстия в верхней и, в случае крупных шатунов, нижней головках.

Для достижения требуемых структурных и прочностных характеристик шатун подвергается различным видам обработки, выбор которых зависит от используемой стали:
- Закалка с использованием тепла ковки (VS).
- Контролируемое охлаждение в потоке воздуха (BY).
- Традиционная закалка.

После этого заготовка очищается от окалины с помощью пескоструйной обработки, что создает сжимающие напряжения около 200 МПа в поверхностном слое. Дополнительные процедуры, такие как проверка на трещины, выполняются далее.

В большинстве случаев шатунная нога и головки отливаются как единое целое, а затем разделяются в процессе механической обработки. В зависимости от типа шатуна и возможностей оборудования производительность может быть повышена за счет тандемной ковки, то есть одновременного формования двух шатунов.

б. Литье. Исходной точкой для изготовления заготовки является модель из пластика или металла, состоящая из двух половин, которые вместе создают позитивное изображение шатуна. Несколько таких половинок крепятся на модельной плите и соединяются с моделью литниковой системы. В процессе, который может повторяться многократно, две модельные плиты отпечатываются в уплотненной формовочной смеси. Песчаные формы представляют собой негативное изображение соответствующей модельной плиты. Размещенные одна над другой, они образуют полость в форме изготавливаемого шатуна. Эта полость заполняется жидким чугуном, который плавится в вагранке или электрической печи с использованием стального лома в качестве исходного материала. Металл медленно затвердевает внутри формы.

c. Спекание. Процесс изготовления начинается с сервогидравлического прессования порошка в его конечном сплаве для создания порошковой заготовки. Затем выполняется взвешивание, чтобы убедиться, что заготовка находится в узких весовых допусках ±0,5%.

Процесс спекания, показанный на Рис. 7-34, происходит при температуре около 1120°C в электрически нагреваемой печи непрерывной загрузки. Детали остаются в печи около 15 минут.

Рис. 7-34. Шатун, изготовленный методом спекания и ковки

Последующая ковка лишь уменьшает высоту компонента, чтобы увеличить плотность до максимального теоретического предела. Затем с помощью шаровой обработки снимаются напряжения в поверхностном слое до желаемого уровня.

Поскольку процесс ковки в этом методе изготовления является дорогостоящим, в настоящее время ведутся разработки, направленные на его устранение за счет использования новых порошковых технологий.

Механическая обработка. Заготовки обрабатываются до окончательных размеров. В массовом производстве это выполняется на полностью автоматизированных линиях, интегрированных в процесс изготовления двигателей. Для небольших производственных партий доступны обрабатывающие центры с меньшей степенью автоматизации. После обработки готовая деталь взвешивается и классифицируется. Шатуны из определенной весовой категории затем устанавливаются в двигатель. Если заготовка уже была изготовлена с узкими весовыми допусками, этап классификации может быть исключен.

Для достижения заданного веса готового шатуна на заготовке могут быть предусмотрены выступы на верхней и/или нижней головках (Рис. 7-35). В процессе механической обработки эти выступы шлифуются до достижения заданного веса.

Рис. 7-35. Традиционный шатун; тело и крышка нижней головки ковались отдельно и крепились гайками и болтами

В более современных процессах изготовления параметры производства могут контролироваться с высокой точностью, что позволяет изготавливать заготовки в узких весовых допусках. Таким образом, шлифовка для удаления избыточного материала сегодня применяется редко.

Этапы обработки. Ниже описаны этапы обработки для шатунов, которые разделяются после изготовления (метод "раскола"):
- Шлифовка торцов верхней и нижней головок.
- Предварительная обработка отверстий верхней и нижней головок.

- Сверление и нарезание резьбы в отверстиях для болтов.
- Раскол.
- Крепление крышки к верхней половине нижней головки и, при необходимости, установка направляющей втулки.
- Окончательная шлифовка.
- Расточка отверстия верхней головки.
- Обработка отверстия нижней головки и, при необходимости, хонингование.

Метод "раскола" Термин "раскол" или "разделение методом разрушения" описывает процесс отделения шатунной ноги от крышки нижней головки путем разрушения в процессе обработки. Для этого процесса необходимы крупнозернистая структура материала и оборудование, способное приложить требуемую энергию разрушения с высокой скоростью. Если материал имеет отношение предела прочности при растяжении к пределу текучести (0,2% деформации) около 2:1, раскол может быть выполнен без значительной деформации детали. Заготовки, изготовленные любым из современных методов, могут быть разделены методом раскола. Различия в конструкции шатуна показаны на Рис. 7-36.

Рис. 7-36. Различия в конструкции шатуна, разделенного методом раскола (вверху) и распиленного (внизу)

Для подготовки к расколу на боковых поверхностях нижней головки выполняются надрезы с помощью лазера или протяжки, чтобы создать глубокий эффект надреза в плоскости разделения (см. Рис. 7-37). Нижняя головка позиционируется над двухчастным разрывным инструментом и фиксируется. Инструмент раздвигается с высокой скоростью, создавая напряжения в заготовке, которые инициируют разрушение в области надрезов. Эти разрушения распространяются радиально наружу. Если процесс выполняется оптимально, овальность после раскола не превышает 30 мкм.

Рис. 7-37. Разделение шатуна методом раскола

Преимущество метода раскола заключается в сокращении количества этапов обработки. Механическая обработка поверхностей разъема, которая раньше была стандартной, больше не требуется. Две половинки точно совмещаются после раскола, а неровная поверхность обеспечивает фиксацию от относительного смещения, что устраняет необходимость в дополнительных направляющих элементах. Дополнительным преимуществом является использование упрощенных шатунных болтов, которые не выполняют функции направляющих или боковой фиксации. Шатуны, разделенные методом раскола, являются экономичной альтернативой шатунам, разделенным традиционным способом.