При изготовлении многоопорных коленчатых валов современ­ных мощных дизелей применяют слитки и поковки массой, пре­вышающей соответственно в 8—10 и в 4—5 раз массу окончательно обработанного вала. Для обработки коленчатого вала используют прессы усилием до 12 000 т, уникальное станочное оборудование и мощные подъемно-транспортные средства. При механической обработке кованого коленчатого вала перерезаются волокна поковки, что приводит к снижению прочности детали.

В связи с этим упрощение технологии производства крупных коленчатых валов является весьма актуальной проблемой. За по­следние годы была разработана технология изготовления крупных коленчатых валов методом контактной сварки оплавлением [67, 273].

ИЭС им. Е. О. Патона совместно с заводом «Русский дизель» были проведены опытные работы [67] по изготовлению крупных (диаметр шейки 200 мм) многоопорных коленчатых валов из штам­пованных элементов стали 34ХН1М методом контактной сварки непрерывным оплавлением.

Механические испытания образцов, вырезанных из разных зон шва сваренных одноколенных натурных элементов, показали, что соединения (после закалки с температуры 850° С и отпуска при 600° С) практически равнопрочны с основным металлом.

Сварной коленчатый вал (с шестью коленами) после термиче­ской и механической обработки был установлен на дизеле. В соот­ветствии с программой испытаний вал отработал 1550 ч [67]. Был изготовлен крупный многоопорный коленчатый вал из отдель­ных штампованных элементов путем сочленения их контактной стыковой сваркой непрерывным оплавлением. Установлено, что сварные коленчатые валы экономичнее, чем валы, изготовленные свободной ковкой на прессах.

В ЦНИИТМАШе [ 155 ] были проведены усталостные испытания натурных одноколенных секций крупных коленчатых валов (рис. 113). Каждую одноколенную секцию изготовляли из средне­легированной стали 34ХН1М: двух шеек с полушейками и двух специальных хвостовиков для крепления в захватах испытатель­ной машины. Указанные элементы изготовляли на заводе «Русский дизель» из отдельных поковок (кубической формы для шеек с полу­шейками и цилиндрической формы для хвостовиков) с учетом при­пусков на сварочные операции и окончательную механическую

Рис. 113. Натурная секция сварного коленчатого
вала из стали 34ХН1М для испытания на уста-
лость

обработку. Сварка натурных секций коленчатою вала была выполнена в ИЭС им. Патона на стыкосварочной машине К-190. После сварки валы подвергали закалке с температуры 850—870° С (3 ч) в' масло и отпуску при 630—660° С (5 ч).

Испытания на усталость натурных секций сварных коленчатых валов проводили на машиие типа УП-200 конструкции ЦІІИИТ - МАШа при симметричном изгибе на базе 107 млн. циклов.

Были испытаны два вала: первый при напряжениях

±5,0 кгс/мм2 (по расчету на сечение шатунной шейки) и ± 18,0 кгс/мм2 (по расчету на сечение наименьшего сопротивления, т. е. по щеке;); второй при напряжениях ±7,0 кгс/мм2 (по шейке) и ±22,0 кгс/мм2 (по щеке). Оба вала разрушились по шейке, по сечению наименьшего сопротивления (рис. 114). Разрушение нача­лось в галтелях коренной и шатунной шеек в местах, прилегающих к наименьшему сечению щеки (рис. 115). Первая трещина образо­валась в наиболее нагруженной галтели шатунной шейки.

Для коленчатых валов (в том числе и для сварных) имеется воз­можность дополнительного повышения усталостной прочности за счет применения поверхностного наклепа галтельного сопряже­ния. После упрочняющей чеканки вибрирующим роликом галтелей коренных и шатунных шеек секция коленчатого вала прошла базу испытаний 107 циклов при напряжениях ±5,С кгс/мм2 (пи шейке) и ± 10,6 кгс/мм2 (по щеке). Секция коленчатого вала с неупрочнен - ными галтелями, испытанная на этом же уровне напряжений, сло­малась после 1,1-106 циклов.

Результаты усталостных испытаний натурных секций крупных сварных валов позволили сделать вывод, что метод контактной сварки непрерывным оплавлением можно применять для изготовле­ния многоопорных коленчатых валов мощных дизелей [155]. Зона сварного шва, расположенная посередине шатунных и корен­ных шеек, не является опасной с точки зрения сопротивления усталости. Испытания натурного вала дизеля, состоящего из восьми подобных секций и изготовленного по указанной выше тех­нологии, были проведены на специальном стенде завода «Русский дизель». Результаты испытаний подтвердили возможность изго­товления крупных коленчатых валов дизелей методом контактной сварки и равнопрочность указанных сварных валов цельнокова­ным валам.

В работе [279] рассмотрены вопросы экономически выгодного применения электрошлаковой сварки при производстве больших корабельных коленчатых валов из мелкозернистой низколегиро-

ванной стали 13123-1 (по стандарту ЧССР) на Витковицком метал­лургическом заводе им. К - Готвальда в ЧССР. Состав стали (%): 0,21 С; 1,17 Мп; 0,24 Si; 0,14 Сг; 0,14 Ni; 0,02 Мо; 0,16 V. Предел прочности стали св = 57,5 кгс/мм2.

Показана пригодность применения указанной технологии с точки зрения обеспечения необходимых механических свойств

і

(от, о„, 6, ф, HV и ударной вязкости) сварного соединения коленча­тых валов. Оптимальные свойства были получены при применении после электрошлаковой сварки нормализации и отпуска. Исследо­вания показали, что для указанных размеров односекционного коленчатого вала проще и экономичнее размещать сварной шов на щеке (рис. 116), чем по шатунной шейке.

Пухнер [268] испытал на выносливость несколько колен вала автомобиля «Татра» Т-111 из литой стали Stq 60.-81 (аЕ = 70-т- -н80 кгс/мм2), сваренных вручную посередине шатунной шейки диаметром 75 мм. Разделка под шов — рюмочной формы. Сварку выполняли электродами ВН-70 в восемь слоев с предварительным подогревом до 325° С. Затем поверхность шейки шлифовали. Проч­ность при переменном кручении на базе 107 циклов сварных колен практически такая же (т0 = ±8,5 кгс/мм2), как у монолитных ва­лов (т0 = ±8,5ч-10 кгс/мм2). Сварные швы остались неповрежден­ными. Один излом произошел по щеке, три излома — по галтель - ному сопряжению.

Грегор [218] исследовал при симметричном кручении на пуль­саторе Шенка сварные коленчатые валы с двумя шатунными шей­ками. Заготовки вала, состоящие из четырех щек и пяти шеек диа-

13 И. В. Кудрявцев

метром 50 мм, соединяли контактной сваркой сопротивлением по торцовой поверхности заготовок шеек. После сварки шейки обтачивали до диаметра 45 мм. Использовали углеродистые стали с пределом прочности ов — = 50 кгс/мм2 (для шеек) и оп — 37 кгс/мм2 (для щек). Предел выносливости сварного коленчатого вала составил ±7,5 кгс/мм2 на базе 107 циклов. Кованые валы (с шейками диаметром 50 мм) имели предел выносливости ±9—10 кгс/мм2. Указанная разница в значениях прочности объясняется различием механических свойств материалов в сопоставляемых конструкциях коленчатых валов. Сталь в кованых валах имела более высокий предел проч­ности ав = 72±77 кгс/мм2, чем в сварных валах.

Во всех коленчатых валах, как в кованых, так и сварных, раз­рушение происходило от масляного отверстия диаметром 5 мм в шейке.

Представляет интерес проведенное Пухнером [2691 сопостав­ление результатов испытания (табл. 52) на переменное кручение цилиндрических стержней, вваренных во фланец угловыми швами (рис. 117), и образцов с конструктивными концентраторами напря­жений (шпоночная канавка и поперечное отверстие).

После сварки заготовок из стали 15231 выполняли термическую обработку по режиму: закалка с температуры 890° С в воду и от­пуск при 550° С (аЕ = 97,4 кгс/мм2). Опыты показали, что для вы­сокопрочной стали 15231 предел выносливости образцов с угловым швом (с радиусом галтели в зоне шва R = 10 мм) находится на уровне предела выносливости образцов с поперечным отверстием или шпоночной канавкой. Для стали 11600 (сгв = 60 кгс/мм2) прочность образцов оказалась несколько ниже, чем для образцов со шпоночным пазом или поперечным отверстием.