Выбор материала и термической обработки валов и осей обусловлен как их собственными критериями работоспособности, так и критериями работоспособности цапф с опорами, значение последних в случае опор скольжения может быть определяющим [1].
Основными материалами для валов и осей служат углеродистые и легированные стали (табл. 4) ввиду их прочности, высокого значения модуля упругости, способности к упрочнению и легкости получения требуемых цилиндрических заготовок путем прокатки.
Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и не подвергающихся термической обработке, преимущественно применяют стали марок Ст5 и Ст6. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали марок 45,40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали марок 40ХН, 40ХН2МА, ЗОХГТ, ЗОХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и низким отпуском (шлицевые валы).
Для быстроходных валов, вращающихся в подшипниках скольжения, необходима высокая твердость цапф. Валы в этом случае изготовляют из цементуемых сталей марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ или азотируемых сталей марок 40ХН2МА, 38Х2МЮА. Наибольшую износостойкость имеют хромированные валы. По опыту автомобилестроения хромирование шеек коленчатых валов увеличивает ресурс до перешлифовывания в 3...5 раз.
Для валов, размеры которых обусловлены критерием жесткости, прочные термически обработанные стали целесообразно применять только в случае необходимости обеспечения долговечности шлицев и других изнашиваемых поверхностей.
Для изготовления фасонных валов (коленчатых, с большими фланцами и отверстиями, других тяжелых валов) наряду со сталью применяют высокопрочные чугуны (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны. Меньшая прочность чугунных валов в значительной степени компенсируется более совершенными формами валов (особенно коленчатых), пониженной чувствительностью чугуна к концентрации напряжений, меньшей чувствительностью (вследствие меньшего модуля упругости) в многоопорных валах к неточному расположению опор и меньшей дополнительной динамической нагрузкой ввиду повышенной демпфирующей способности.
В качестве заготовок для стальных валов диаметром до 150 мм используют круглый прокат, для валов большего диаметра и фасонных валов – поковки.
Валы подвергают токарной обработке; посадочные поверхности шлифуют. Высоконапряженные валы шлифуют по всей поверхности.
Упрочнения.Большинство валов работает на изгиб и кручение. При таких видах нагружения напряжения в поперечном сечении увеличиваются в направлении к поверхности. На поверхности расположены основные источники концентрации напряжений, обусловленные изменением формы и шероховатостью поверхности, а также взаимодействием с сопряженными деталями.
Таблица 4