38974

Повышения работоспособности рабочей поверхности цилиндров автомобильных двигателей

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Восстанавливают дорогостоящие металлоемкие основные и базовые автомобильные детали: коленчатые и распределительные валы гильзы цилиндров блоки и головки блоков шатуны тормозные барабаны и пр. В данной работе рассмотрены вопросы восстановления рабочей поверхности цилиндров как монолитных так и съемных гильз цилиндров. Обусловлена технология восстановления рабочей поверхности монолитного блока цилиндров из алюминиевокремниевого сплава с учетом особенностей сплава.1 Монолитные блоки цилиндров В начале своей истории монолитные блоки...

Русский

2013-09-30

12.86 MB

51 чел.

56

ВВЕДЕНИЕ

Развитие автомобильного транспорта в Украине в настоящее время обеспечивается путем совершенствования организации использования автомобильного парка. При этом одной из эффективных составляющих является своевременный ремонт автотранспортных средств. Повышения срока службы отремонтированных агрегатов в значительной степени определяется износостойкостью рабочих поверхностей основных деталей  [1].

Повышение долговечности деталей автомобильного двигателя в значительной степени определяется применением современных технологий при изготовлении и ремонте, а также использованием упрочняющих технологий.

Постоянная необеспеченность ремонтного производства  запасными частями является серьезным фактором снижения технической готовности автомобильного парка. Расширение же производства новых запасных : частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Вместе с тем около 75% деталей, бракуемых при первом капитальном ремонте автомобилей, могут быть повторно использованы после восстановления.  Поэтому целесообразной альтернативой расширению производства запасных частей является вторичное использование изношенных деталей, восстанавливаемых в процессе ремонта автомобилей и его агрегатов.

Из ремонтной практики известно, что большинство бракуемых по предельному износу деталей теряют не более 1-2 % исходной массы. При этом прочность деталей практически сохраняется. С позиции материалоемкости воспроизводства  машин экономическая целесообразность ремонта обусловлена возможностью повторного использования   большинства  деталей как годных, так и предельно изношенных после восстановления. Это позволяет осуществлять ремонт в более короткие сроки с меньшими затратами металла  и других  материалов по сравнению с затратами при изготовлении новых машин.

Необходимость высокого   качества   отремонтированных   автомобилей   и   агрегатов предъявляет  повышенные требования к ресурсу восстановленных деталей. После капитального ремонта детали работают, как правило, в значительно худших условиях, чем в новых агрегатах, что связано с использованием деталей 3-х состояний: годных, восстановленных и новых.

Восстановление     автомобильных деталей должно стать одним из важнейших показателей хозяйственной деятельности специализированных ремонтных предприятий и кооперативов. Необходимо создать фактически новую отрасль производства – централизованное  восстановление деталей (ЦВД). По ряду наименований важнейших наиболее металлоемких и дорогостоящих деталей вторичное потребление восстановленных деталей значительно больше, чем потребление новых запасных частей. Так например, восстановленных блоков двигателей используется в 2,5 раза больше, чем получаемых новых, коленчатых валов в 1,9  раза,  картеров коробок передач- в 2,1 раза больше, чем новых. Себестоимость восстановления для большинства восстанавливаемых деталей не превышает 75 % стоимости новых, а расход материалов в 15 — 20 раз ниже, чем на их изготовление. Высокая экономическая эффективность предприятий, специализирующихся на   восстановлении   автомобильных деталей, обеспечивает им конкурентоспособность в условиях рыночного производства [2].

За рубежом также уделяют большое внимание вопросам технологии  восстановления  деталей. В высокоразвитых странах — США, Англии, Японии, ФРГ- ремонт осуществляется на предприятиях изготовителях автомобилей. Восстанавливают дорогостоящие,   металлоемкие, основные и базовые автомобильные детали: коленчатые и распределительные валы, гильзы цилиндров, блоки и головки блоков, шатуны, тормозные барабаны и пр. Например, в США восстановлением деталей занято около 800 фирм и компаний. К ним относятся как специализированные фирмы, так и фирмы, производящие комплектующие изделия для автомобилестроительных заводов, в общем объеме   продукции   которых   10 — 40 % приходится на выпуск восстановленных деталей. Ремонтным фондом служат детали со списанных автомобилей,   которые поставляют фирмы- производители или фирмы, специализирующиеся на переработке негодных автомобилей.

В данной работе рассмотрены вопросы восстановления рабочей поверхности цилиндров, как монолитных так и съемных гильз цилиндров.

Обусловлена технология восстановления рабочей поверхности монолитного блока цилиндров из алюминиево-кремниевого сплава с учетом особенностей сплава.

1 Назначение, конструктивные и технологические особенности

1.1 Монолитные блоки цилиндров

В начале своей истории монолитные блоки цилиндров были только чугунные, но при износе рабочей поверхности цилиндра приходилось менять весь блок, а это не выгодно с экономической точки зрения. Позже стали применять чугунные блоки с вставными чугунными гильзами, это сделало его ремонто-пригодным, но такая конструкция была очень тяжелая. Спустя некоторое время блоки цилиндров начали отливать из алюминия, а в качестве рабочей поверхности использовать чугунные гильзы.

Для получения определённых поверхностей или прочности монолитные блоки могут иметь, соответствующие заливаемые части в зоне отверстий цилиндров (вставки из серого чугуна), а также заливаемые части из серого или ковкого чугуна и усиления волокном в зоне отверстий под коренные подшипники.

Для изготовления монолитных блоков цилиндров используются различные виды литья: литьё в песчаные формы, литьё в кокиль, литьё под давлением.

В настоящее время блоки цилиндров изготавливаются из сплавов алюминия. Алюминий с многообразием его сплавов - типичный лёгкий конструкционный материал, представляющий собой для многих деталей альтернативу традиционным чугунам. При меньшей плотности соответствующие алюминиевые сплавы достигают хороших прочностных показателей, так что при применении отливок из алюминия получается близкая к нужной прочность при существенном снижении массы. Дальнейшие преимущества - высокое качество поверхности с разнообразными возможностями её обработки, коррозионная устойчивость и высокая достижимая точность размеров при превосходной обрабатываемости со снятием стружки. В конечном счёте хорошие возможности замкнутого цикла способствуют экономичности изготовления.

Для конструкторов двигателей было всегда особой проблемой, наряду с головками блока цилиндров и поршнями, также и блок цилиндров изготавливать из алюминия, как наиболее тяжёлую часть транспортного средства.

Здесь, при переходе от серого чугуна к алюминию, возможно снижение массы на 40-50 %. Наряду со снижением массы, благодаря в 3 раза более высокому коэффициенту теплопроводности алюминия по сравнению с серым чугуном, намного проще управлять количеством тепла. Двигатель нагревается быстрее и равномернее. Поэтому экономия по массе не ограничивается только массой двигателя. Благодаря лучшей теплопроводности и излучению тепла блока цилиндров количество воды для охлаждения может быть также уменьшено.

1.1.1 Алюминиевые литейные сплавы. Их марки, состав, свойства, применение. Модифицирование и термическая обработка силумина. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Аl-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов (табл. 1.1). В двойных сплавах Аl – Si эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния,  в легированных (АК9ч и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

Плотность большинства силуминов 2650 кг/м3, т.е. меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м3). Они хорошо свариваются.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и т.д.), а также термической обработки. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности. Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05 % при 200 °С до 1,65 % при эвтектической температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования.

Таблица 1.1 – Химический состав и механические свойства промышленных литейных сплавов алюминия

Марка сплава

Содержание элементов (остальное Al), %

Si

Mg

Cu

Mn

Прочие

АК12

10 – 12

АК9

8 – 10,5

0,15 – 0,3

0,2 – 0,5

АК7ч

6 – 8

0,2 – 0,4

АК8М

7,5 – 8,5

0,3 – 0,5

1 – 1,5

0,3 – 0,5

0,1 – 0,3 Ті

АМ4,5

4 – 5

АМ5

4,5 – 5,3

0,6 – 1

0,15 – 0,35 Ті

AMr10

9,5 – 11,5

0,05 – 0,15 Be

0,1 – 0,3 Zr

0,1 – 0,3 Ті

AISi17Cu4Mg

15 – 17

0,5 – 1

3 – 4

AISi9Cu3

8 – 9

2,5 – 3,5

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2 - 3 % от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Аl-Si в сторону больших содержаний кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АК12) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластичной фазы — твердого раствора. Все это приводит к увеличению пластичности и прочности.

Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5 - 6 % Si. Для легирования силуминов часто используют Mg, Сu, Mn, Ti; реже — Ni, Zr, Сr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515 – 535 °С, температура старения — в интервале 150 – 180 °С. Грубокристаллическая структура литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5 - 10 ч) и при старении (10-20 ч). Переходные металлы, например, Mn, Ti, Zr, способствуют получению пересыщенных твердых растворов при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вызывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной закалки.

Из легированных силуминов средней прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АК7ч), магния и марганца (АК9ч). Наибольшее упрочнение вызывает метастабильная β’-фаза (Mg2Si).

Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: блоков цилиндров, головок цилиндров. Высокопрочный сплав АК8М, разработанный в МВТУ им. Н.Э. Баумана, предназначен для литья под давлением. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозионной стойкостью Марганец и титан, а также большак скорость кристаллизации при литье пол давлением способствуют получению метастабильной структуры при отливке деталей. Это дает возможность упрочнять отливки путем искусственного старения без предварительной закалки. Упрочнение вызывают θ- и β-фазы (CuAl2 и Mg2Si). Наилучшим является старение при 175 °С в течение 8 ч, когда выделяются метастабильные θ’- и β'-фазы; при этой σв увеличивается на 30 - 40 МПа, НВ - на 18.

При изготовлении деталей другими методами литья сплав АК8М подвергают полной упрочняющей термической обработке — закалке от   515 ± 5 °С и старению при 175 °С.

Сплав АК8М применяют для литья под давлением нагруженных деталей, например блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных двигателей.

Сплавы системы AI-Сu (АМ4,5; AM5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах; они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Кал и деформируемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди. Эвтектика в данной системе (в отличие от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое количество твердой и хрупкой θ-фазы (CuAl2), вызывающей хрупкость эвтектических сплавов.

Литейные и механические свойства сплавов системы Аl-Сu улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АМ5). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закатку наряду с растворением θ-фазы из твердого раствора выпадают мелкодисперсные частицы фазы Al12Mn2Cu, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Например, после закалки сплав АМ5 имеет следующие механические свойства:

σв = 320 МПа; σ0,2 = 180 МПа; δ = 9%; 80 НВ. При последующем искусственном старении происходит дальнейшее упрочнение сплава, вызываемое уже θ-фазой, так предел текучести увеличивается почти на 40%, достигая 250 МПа. Сплавы системы Аl-Сu используют для деталей, работающих при температурах до 300 °С.

Сплавы системы Аl-Mg (АМг, АМг10) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы А1 - Си, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повышенной чувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Для того чтобы предотвратить окисление, плавку и разливку двойных сплавов алюминия с магнием АМг необходимо вести под защитными флюсами. Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, по и тормозит естественное старение, вызывающее снижение пластичности и вязкости сплавов. Наилучшие механические свойства сплавы системы Аl-Mg приобретают после закалки от 530 °С, когда весь магний находится в твердом растворе [4].

1.1.2 При применении обычных литейных алюминиевых материалов невозможно в достаточной степени реализовать размеры изнашивания, то подбирается подходящий метод для данного случая применения, оптимальный как по сроку службы рабочих поверхностей цилиндров, так и по изготовлению, а также экономически.

Развитие рабочих поверхностей у бензиновых двигателей продвинулись очень далеко и метод ALUSIL® широко применяется в изготовлении двигателей, а у дизельных двигателей эти новые методы не нашли применения. Поэтому заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна ещё регулярно применяются у дизельных двигателей. Развитие рабочих поверхностей идёт в настоящий момент в направлении покрытия данных поверхностей железом. Это производится либо способом термонапыления (плазменное покрытие), либо дуговым методом напыления проволоки, либо способом PVD.

1.1.3 При методе ALUSIL® весь блок цилиндров состоит из заэвтектического алюминиево-кремниевого сплава. Для такого заэвтектического сплава характерно повышенное содержание кремния; у наиболее часто применяемого ALUSIL®- сплава (AISi17Cu4Mg) содержание кремния - 17%. В противоположность заэвтектическому сплаву, эвтектический алюминиево-кремниевый сплав содержит только 12-13 % кремния. При такой доле кремния степень насыщения алюминия достигнута. Более высокая доля кремния приводит к тому, что при застывании расплава образуются первичные кристаллы кремния. Это означает, что та часть кремния, которая из-за насыщения алюминия кремнием не может войти в соединение с алюминием, выкристаллизовывается и откладывается среди (насыщенного) алюминиево-кремниевого сплава (эвтектика). Для облегчения выкристаллизования кремния в расплав добавляется небольшое количество фосфора. Кристаллы кремния растут вокруг гетерогенного алюминиево-фосфидного зародыша. Величина кристаллов кремния находится в пределах от 20 до 70 мкм. Данные первичные кристаллы кремния, соответствующим образом обработанные и раскрытые, без дополнительного армирования, образуют устойчивую к износу внутреннюю поверхность цилиндра для поршня и поршневых колец. Кристаллы кремния вырастают тем больше, чем дольше длится процесс застывания. Благодаря различной скорости охлаждения в блоке цилиндров в нижней части цилиндров образуются несколько большие кристаллы кремния, чем в верхней части, которая, в силу конструкционных особенностей, быстрее охлаждается.

На рисунке 1.1 представлены различия строения между доэвтектическим, эвтектическим и заэвтектическим алюминиево-кремниевыми сплавами.

1.1.4 Покрытые нитридом титана рабочие поверхности цилиндров. Сравнительно новый метод, не применяемый ещё в серийном производстве, представляет собой покрытие рабочих поверхностей цилиндров нитридом титана (TiN) или нитридом титана и алюминия (TiAIN). Для достижения нужной износостойкости хонингованные алюминиевые рабочие поверхности цилиндров покрываются PVD-методом ("Physical Vapour Deposition": физическое отделение газообразной фазы). Толщина покрытия относительно невелика, так что структура хонингования при покрытии остаётся. Сравнительно высокие затраты и недостаточная надёжность процесса стоят, однако, на пути широкого применения данного метода.

При применении PVD-метода испаряется в вакууме существующий в твёрдой форме материал-донор. Это происходит либо путём ионной бомбардировки, либо в форме электрической дуги. Схематически показано (рис. 1.2), как ионизированные ионы газа аргона выбивают из материала-донора мельчайшие частицы.

      

                               а)                                                   б)

       

                               в)                                                   г)

а – эвтектический

б – доэвтектический с зернистой структурой

в – доэвтектический с улучшенной структурой

г – заэвтектический

Рисунок 1.1 – Различия строения  алюминиево-кремниевого сплава

Испарённые или выбитые металлические частицы движутся по баллистическим орбитам через вакуумную камеру или откладываются на покрываемых поверхностях. Длительность процесса покрытия определяет требуемую толщину покрытия. Если подвести в PVD-камеру реагирующие газы, такие, как кислород, азот, или углеводороды, то могут быть отделены также оксиды, нитриды или карбиды.

Рисунок 1.2 – Покрытые нитридом титана

1.1.5 Покрытые никелем рабочие поверхности цилиндров. С целью достижения необходимой износостойкости рабочие поверхности цилиндров покрывались в прошлом в течение некоторого времени дисперсионным слоем никеля и карбида кремния: Ni-SiC, который наносился гальваническим способом на тонко обработанную рабочую поверхность цилиндра. В качестве названий марок стали известными оба понятия - Galnikal® и Nikasil®. Толщина никелевого слоя в среднем - от 10 до 50 мкм. В данный слой интегрированы для улучшения износостойкости твёрдые фазы из карбида кремния (7-10 объёмных %). Величина зерна интегрированного карбида кремния - 1-3 мкм. В качестве основного материала блока цилиндров применимы выгодные алюминиевые сплавы, такие, как Silumin® (напр., AISi9Cu3).

Из-за неравномерной толщины никелевого слоя, возникающего при гальваническом покрытии, рабочие поверхности цилиндров после нанесения никелевого покрытия должны быть выглажены обычным хонингованием и структурированы. По сравнению с гильзой из серого чугуна никелевый слой сравнительно гладок и не имеет графитовых жил, в которых может отлагаться смазочное масло. Заключительная операция хонингования особенно важна для создания каналов распределения масла и оптимизации объёма масла, остающегося на рабочей поверхности цилиндра.

Не в последнюю очередь также удаление образующихся никелевых шлаков негативно сказывается на стоимости производства. Покрытие никелем нашло применение, главным образом, в серийном производстве одноцилиндровых двигателей. Многоцилиндровые блоки, напротив, находят применение в серийном производстве только в единичных случаях. Были проблемы при изготовлении с пористостью чугуна на поверхности цилиндра, что имело следствием отделение слоя. Проблемы проявлялись в прошлом также при частой эксплуатации на коротких участках, во взаимосвязи с серосодержащим горючим. У двигателей, которые или вообще не достигали своей рабочей температуры, или достигали её редко, эксплуатация на коротких участках приводила к образованию конденсата, который, совместно с образующейся от сжигания серой, вёл к возникновению сернистой кислоты. Данные кислотосодержащие продукты сгорания вели к коррозии, к упомянутому отделению слоя и, в конечном счёте, к отказу от покрываемых никелем рабочих поверхностей цилиндров при серийном изготовлении двигателей для легковых автомобилей.

1.1.6 Слои плазменного напыления на железной основе. При плазменном покрытии в плазменной горелке возбуждается электрическая дуга. Подводимый плазменный газ (водород или аргон) ионизируется до состояния плазмы и покидает сопло горелки с высокой скоростью. Посредством газаносителя материал покрытия (напр., в составе 50 % легированной стали и 50% молибдена) в виде порошка наносится в плазменном луче с температурой 15000-20000 °С. Материал покрытия расплавляется и в жидком состоянии напыляется со скоростью от 80 до 100 м/с на покрываемую поверхность. В плазменный напрыскиваемый слой из железа при необходимости могут быть дополнительно интегрированы керамические материалы. Процесс происходит при атмосферном давлении (рис 1.3).

Полученная при плазменном покрытии толщина слоя составляет 0,18-0,22 мм. Покрытие обрабатывается окончательно хонингованием. Остающаяся после хонингования толщина слоя составляет приблизительно 0,11-0,13 мм.

В увеличении под микроскопом (рис.1.4 а) показан разрез рабочей поверхности цилиндра с плазменным покрытием, и рабочая поверхность готовой обработанной рабочей поверхности цилиндра (рис.1.4 б). Отчётливо распознаваемы углубления в рабочей поверхности, получающиеся из пористого плазменного слоя. В углублениях может задерживатся моторное масло, что снижает изнашивания.

1 – Водяное охлаждение

2 – Подвод горючего газа

3 – Выходное сопло

4 – Подвод порошка

5 – Плазменный луч

6 – Плазменное покрытие

Рисунок 1.3 – Схема плазменного напыления

Благодаря плазменному покрытию увеличивается срок службы двигателя, а благодаря меньшему потреблению горючего и масла уменьшаются вредные выбросы. Благодаря малой толщине слоя плазменного покрытия можно реализовать, по отношению к заливаемым гильзам цилиндров из серого чугуна, ещё меньшие расстояния между цилиндрами, что позитивно отражается на конструктивной длине двигателя.

                           а)                                                               б)

а – рабочая поверхность цилиндра с плазменным покрытием

б – готовая обработанная рабочая поверхность цилиндра

Рисунок 1.4 – Рабочая поверхность увеличена под микроскопом

1.1.7 Лазерное легирование рабочих поверхностей цилиндров. Лазерное легирование представляет собой дальнейший метод армирования кремнием рабочих поверхностей цилиндров. При лазерном легировании рабочая поверхность цилиндра изготовленного из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3) блока цилиндров с помощью вращающегося лазерного оптического устройства оплавляется и металлургически легируется параллельным подводом порошка (кремний и т.д.) (рис. 1.5). Тем самым получают тонкий слой с очень тонко отделённой твёрдой фазой (в основном кремнием) в зоне внутренней поверхности цилиндра. Отверстия цилиндров после лазерного легирования должны ещё хонинговаться, и частицы кремния должны быть раскрыты. Т. к. размеры частиц малы (в пределах нескольких мкм), раскрытие интегрированных кремниевых кристаллов целесообразно производится химическим травлением.

1.1.8 Заливаемые алюминиевые гильзы (ALUSIL®, Silitec®). Наряду с изготовлением монолитных блоков цилиндров из ALUSIL - материала возможно также изготовление блоков цилиндров с заливаемыми алюминиевыми гильзами с высоким содержанием кремния (ALUSIL®, Silitec®). Необходимое для армирования цилиндра обогащение кремнием существует при данном методе только в зоне рабочей поверхности цилиндра. Остальной блок цилиндров состоит из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3).

1 – Лазерный луч

2 – Струя порошка

3 – Вращающееся лазерное оптическое устройство

4 – Легированный слой

5 – Оплавляемая зона

Рисунок 1.5 – Схема лазерного легирования

Компактное набрызгивание заливаемых гильз. Здесь речь идёт об относительно новом методе для изготовления алюминиевых гильз с высоким содержанием кремния (Silitec). Требуемый материал гильз для заливки изготавливается так называемым методом компактного набрызгивания. Здесь в одной камере металлический расплав алюминия с помощью распыляющего газа (азот) мельчайше распыляется, и, таким образом, слой за слоем образует заготовку. Форма конуса распыления обуславливает позднейшую форму полуфабриката. Принципиально с помощью данного метода возможно изготовление труб, шайб, штанг или листов непосредственно в ходе одного рабочего процесса. По технике изготовления компактное набрызгивание находится между спеканием и классическим формообразующим литьём По сравнению с обычными литейными материалами создается возможность, похоже, как и при спекании, производить материалы необычного состава. Содержание кремния при данном методе может доходить до 25 %. Получают очень тонкую структуру с гомогенным распределением элементов и фаз и хорошими возможностями формоизменения.

Обработка цилиндров производится как и у прочих алюминиево-кремниевых рабочих поверхностях цилиндров. Кристаллы кремния очень тонко распределены в структуре и имеют величину 4 - 10 мкм (рис. 1.6). Из-за очень малых размеров частиц раскрытие кристаллов кремния при окончательной обработке рабочих поверхностей цилиндров предъявляет особые требования. У изготовленных данным методом блоков цилиндров используется в серийном производстве преимущественно раскрытие обработкой едким натром [12].

Рисунок 1.6 – Равномерное распределение кристаллов кремния

Монолитные блоки цилиндров современных автомобильных двигателей (рис. 1.7) имеют характерные параметры (табл. 1.2).

Рисунок 1.7 – Монолитный блок современного двигателя

Таблица 1.2 – Основные параметры монолитных блоков      

1.2  Гильзы цилиндров

Рабочая поверхность цилиндра  образует совместно с поршнем, кольцами и головкой цилиндра пространство переменного объема, в котором совершается рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания. Рабочая поверхность цилиндра должна быть тщательно обработана и она образовывает с  поршневыми кольцами пару скольжения. Параметр шероховатости обычно обеспечивается Ra=0,32 мкм. Рабочую поверхность создают как монолитную с чугунным блоком цилиндров (рядные двигатели) ВАЗ 2101 и т.д., так и в виде съемных гильз ЗИЛ-130, ЗМЗ-53 [3].

         Гильза цилиндра –  это сменная цилиндрическая деталь, устанавливаемая в блок-картере поршневых тепловых двигателей с водяным охлаждением. Гильзу цилиндра изготовляют из чугуна (табл. 1.3) и применяют в блоках из алюминиевых сплавов для уменьшения износа трущихся поверхностей и облегчения ремонта.  

Стенка рабочего цилиндра нагружаются силами давления газов, боковой нагрузкой от поршня и подвергается термическому воздействию (особенно в верхней части). Переменная по величине и направлению боковая нагрузка вызывает изгиб и вибрацию цилиндра и ослабляет его крепление к картеру. Рабочая поверхность цилиндра под действием возникающих при движении поршня сил трения подвергаются изнашиванию.

  Гильзы цилиндров должны быть прочными, жесткими, износостойкими, обеспечивать возможно меньшие потери на трение поршня о поверхность цилиндра. Внешняя и внутренняя поверхность гильз должна обладать антикоррозионной устойчивостью. Конструкция гильз должна также обеспечивать надежность уплотнений в местах стыков гильз с головкой и блоком цилиндров.

 Заготовки гильз цилиндров  получают методом центробежного литья, что обеспечивает прочностные  характеристики детали. Изготавливают из специальных серых чугунов следующего состава (см. табл. 1.3).

Таблица 1.3 – Химический состав чугунов, используемых для изготовления      гильз цилиндров

Марка чугуна

ГОСТ 1412-85 (двигатель)

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Ti

V

Mo

СЧ 24  

(ЗМЗ-53)

3,1 – 3,4

2,2 – 2,4

0,7 – 1,2

0,18 – 0,25

0,12

0,2  – 0,35

0,15 – 0,35

-

-

-

-

СЧ 18  

(ЗИЛ-130)

3,2 – 3,6

1,9 – 2,4

0,7 – 1,2

0,2  –  0,3

0,12

0,2  – 0,35

0,35

-

-

-

-

Специальный чугун

(ЯМЗ-236)

3,2 – 3,5

2,1 – 2,6

0,6 – 0,8

0,2

0,2

0,3 – 0,45

0,12

0,15 – 0,4

0,08

-

-

Специальный чугун

(КамАЗ -740)

3,1 – 3,4

1,9 – 2,5

0,6 – 0,9

0,2

0,2

0,25 – 0,5

0,15 – 0,4

0,25 – 0,4

-

-

-

Эти высокоуглеродистые сплавы с добавками хрома, никеля, молибдена, меди и других легирующих элементов обладают высокими антифрикционными свойствами, что во многом обусловлено наличием графита в их структуре. В процессе приработки поверхности зеркала цилиндра графит выходит в зону трения, препятствуя жесткому контакту сопряженных поверхностей. Существенно влияют на износостойкость чугуна структура металлической основы (матрицы), которая должна состоять в основном из перлита, а так же величина, распределение и количество графитовых включений.

Гильзы, производимые методом центробежного литья, наиболее полно подходят для удовлетворения требований по химическому составу и структуре материала. Метод центробежного литья обеспечивает получение 95 – 100 % перлита в структуре материала. Такие гильзы характеризуются плотной структурой материала, требуемым расположением зерен графита, что в дальнейшем предотвращает интенсивное изнашивание рабочей поверхности при эксплуатации. Последующая термическая обработка исключает изменения размеров гильзы в процессе работы в двигателе. Гильзы дизельных двигателей ЯМЗ-236 и КамАЗ-740 подвергаются обьемной закалке на твердость                 45 – 50 HRC. Для бензиновых двигателей ЗИЛ-130 и ЗМЗ-53 для повышения износостойкости верхней части рабочей поверхности  на длине 50 мм установлена нирезистовая вставка (сухая гильза) с толщиной стенки 2,5 мм. При общей твердости гильзы 156 – 197 НВ.

Гильзы цилиндров основных современных автомобильных двигателей (рис. 1.8) имеют характерные параметры (табл. 1.4).

Таблица 1.4 – Основные параметры гильз цилиндров

2 Условия эксплуатации и возникающие дефекты

2.1 Особенности эксплуатации

Детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) работают в условиях возвратно-поступательного движения, высокой тепловой и механической напряженности при воздействии абразивной и агрессивной сред, масляном голодании, способствующих разрыву защитных разделяющих масляных пленок и интенсивному изнашиванию [4].  

Характер износа рабочей поверхности гильзы цилиндра обусловлен повышенным износом в зоне верхнего положения первого компрессионного кольца из-за трения в условиях  недостаточности смазочного материала, высоких температур, давлений и т.д. Эта величина и определяет ремонтный интервал и значение назначаемого ремонтного размера, выполняемого при восстановлении работоспособности гильзы цилиндра, согласно действующим техническим условиям ремонт [5].

Рисунок 2.1 – Схема изнашивания рабочей поверхности цилиндра и    

                       режимы смазки

Компрессионное кольцо должно плотно прижиматься к внутренней поверхности цилиндра. Для этого кольцо изготовляют разрезным, и его диаметр в свободном состоянии несколько больше диаметра цилиндра, причем радиус кривизны поршневого кольца в свободном состоянии должен быть переменным. Когда кольцо сжато и вставлено в цилиндр, оно принимает цилиндрическую форму и оказывает давление на стенки, равное 0,05—0,30 МПа и более. Во время работы давление кольца на стенки увеличивается, так как проникающие через зазоры между кольцом и поршнем газы прижимают кольцо к стенкам цилиндра.

а – уплотняющее;  б – насосное

Рисунок 2.2 – Функции, выполняемые компрессионными кольцами

Пригорание получается вследствие недостаточного зазора между кольцом и канавкой поршня по высоте или избытка масла, проникающего в верхний пояс поршня через неплотности в результате неравномерного давления по окружности кольца.

Процесс попадания масла в цилиндры протекает следующем образом. В начале движения от ВМТ во время впуска кольца силой инерции и трения прижаты к верхней плоскости канавки; все свободное пространство между нижним кольцом и поршнем заполнено маслом (рис. 2.2, б), соскабливаемым кольцом со стенок цилиндра. При этом в зазоре давления повышено вследствие гидравлического подпора, вызванного движением поршня. При дальнейшем движении поршня к НМТ происходит изменения направление направления сил инерции, преодолевающей трения кольца о стенку цилиндра; кольцо прижимается к нижней плоскости канавки, вытесняя масло в ее верхнюю часть в область меньшего давления (рис 2.2, б). В таком положении кольцо остается в течение части хода поршня к ВМТ. При приближении к ВМТ кольцо переместившись в канавке, вновь прижимается к верхней полке и вытесняет масло из канавки (рис. 2.2, б). Таким образом масло попадает в камеру сгорания. Для устранения этого явления около нижнего уплотнительного кольца или около нижнего конца поршня обычно ставят одно или два (реже три и более) маслосъемных кольца.  

Возникновение и развитие заедания в теплонагруженных трущихся поверхностях в существенной степени определяются температурой на фрикционном контакте (рис. 2.3). Фактически заедание есть проявление одного из видов пленочного голодания, когда при так называемой критической температуре вследствие нагрева происходит разрушение тонких слоев смазочного материала и осуществляется контакт чистых несмазанных поверхностей. Экспериментально максимальную температуру на фрикционном контакте измерить крайне трудно, так как время взаимодействия пятен контакта и их размер весьма малы, а инерционность используемых измерительных средств (термопар) на порядок превышает время существования пятен контакта. Поэтому важнейшей практической задачей является создание расчетно-экспериментальных методов оценки температур на фрикционном контакте, выявляющей предрасположенность трущейся пары к заеданию и позволяющей найти пути повышения ее надежности и долговечности.

Заедания сопряжения гильза цилиндра – поршневое кольцо, основано на использовании в качестве критерия работоспособности максимальной температуры поверхности трения [6].

По общепринятой гипотезе суммирования температур:

                                 tmax = tц +∆tп +tвсп, ,                                                              (2.1)

где   tц – средняя температура поверхности элемента трущейся пары;                 

       ∆tп – превышение температуры поверхности над средней вследствие                 движения теплового источника (кольца) по гильзе цилиндра;

        tвсп – температура вспышки в контакте, возникающая из-за генерации тепла на фактической площади контакта.

               

1– хромированное  поршневое кольцо, Асном = 0,25;

2 – хромированное  поршневое кольцо, Асном = 0,4;

3 – хромированное  поршневое кольцо с медным покрытием Асном = 0,25

Рисунок 2.3 – изменение температур tц, tвсп, tmax на контакте трения гильза цилиндра – поршневое кольцо:

Изменения температур tц, tвсп, tmax по длине гильзы цилиндра при различных Асном приведены на рисунке 2.3. Как видно из рисунка, максимальные температуры поверхностей при граничной смазке хромированных поршневых колец достигают 215 оС.  Критическая температура для масла М10Г составляет 230-240 оС, т. е. на фактическом контакте возможно разрушения смазочного слоя и контактирование металлических поверхностей с последующим  их задиром. Для приработанных поверхностей с увеличенной контурной площадью контакта (Асном = 0,4) максимальная температура на фрикционном контакте снижается на 10 оС (5%), что приводит к уменьшению вероятности задира поверхностей.

Самой уязвимой частью ЦПГ, состояние которой влияет на процессы, происходящие в двигателе, является уплотнение между поршнем и цилиндром.

Даже небольшая часть (меньше 1%) высокотемпературных рабочих газов, прорвавшихся в поршневую канавку, способствует дожиганию копоти и сажи, которые снимаются со стенки цилиндра верхним поршневым кольцом. В результате образуется нагар. Далее высокотемпературные рабочие газы взаимодействуют с маслом, находящимся в поршневой канавке, окисляют его образуя новый нагар, а уже имеющейся нагар коксуется. Происходит постепенное заполнения гарантированных термодинамических зазоров и закоксовывание компрессионного кольца, которое теряет свою подвижность относительно поршня и цилиндра, пригорает к поршню, становится жестким, в результате чего на стенки цилиндра появляются задиры, которые приводят к заклиниванию поршня и поломке двигателя [7].

2.2 Изменение геометрии отверстий монолитных блоков

Предпосылкой наилучшего возможного уплотнения поршневых колец является безукоризненная геометрия отверстия. Некруглости и перекосы отверстий цилиндров от неравномерного износа в процессе эксплуатации приводят к увеличенному проникновению масла в цилиндр, повышенному прорыву газов, проблемам с температурой и мощностью  и способствуют повышению интенсивности изнашивания, что приведет к задиру.

2.2.1 Причины нарушение геометрии цилиндра. Некруглости и перекосы отверстий цилиндров могут быть от следующих причин:

• Температурные перекосы конструктивного характера, получающиеся от различного теплового расширения при работе двигателя.

• Температурные перекосы, получающиеся при работе от плохого теплоотвода из-за ошибок в циркуляции охлаждающего средства или у двигателей с воздушным охлаждением из-за загрязнённых, замасленных рёбер охлаждения и/или от вентиляционных проблем. Появляющийся в цилиндре местный перегрев рабочих поверхностей цилиндров приводит к увеличенному тепловому растяжению в данной зоне и, тем самым, к искажениям формы

• Температурные перекосы, получающиеся от плохой смазки и охлаждения во время обработки цилиндра.

• Некруглости от слишком высоких давлений обработки или от применения неправильных инструментов при хонинговании.

• Перекосы напряжения цилиндров из-за погрешностей формы и затяжки болтов, не соответствующей предписаниям.

Некруглости в геометрии отверстий делятся на порядковые уровни. У совершенного отверстия цилиндра, не имеющего некруглости или погрешностей формы в осевом направлении, говорят об отверстии первого порядка (рис. 2.4 а). Овальные отверстия, из-за погрешностей обработки или плохого теплоотвода, называют некруглостями второго порядка (рис. 2.4 б). Треугольные некруглости 3-го порядка (рис. 2.4 в) складываются, чаще всего, из наложения перекосов 2-го и 4-го порядков. Причиной некруглостей 4-го порядка (рис. 2.4 г), квадратных отклонений формы, являются, как правило, перекосы, вызванные затяжкой болтов головки блока цилиндров.

Размер некруглости может находиться между 0 и несколькими сотыми долями миллиметра. Из-за малых монтажных зазоров для поршней и малых зазоров при работе поршней у отдельных двигателей перекосы, больше одной сотой доли миллиметра (0, 01 мм), могут уже стать слишком большими. Поршневые кольца, в конце концов, в состоянии надёжно уплотнить малые некруглости второго порядка, слегка овальные отверстия цилиндров и слегка трапецеидальные формы в осевом направлении.

Особенно у новых конструкций поршней, когда поршневые кольца имеют высоту 1 мм и меньше, проблема уплотнения при некруглых отверстиях цилиндров обостряется ещё больше. Конструктивное уменьшение высоты поршневых колец служит уменьшению внутренних потерь в двигателе на трение и, тем самым, уменьшению расхода топлива. Благодаря уменьшению прилегающих поверхностей таких колец на стенке цилиндра должно быть также уменьшено напряжение на поршневых кольцах. При правильной геометрии отверстия такое конструктивное уменьшение напряжения на поршневых кольцах не влечёт за собой никаких негативных последствий. Кольца уплотняют очень хорошо, вызывают только небольшие потери на трение и имеют большой срок службы. При некруглых и перекошенных цилиндрах уменьшенное напряжение на поршневых кольцах приводит, однако, к тому, что кольца либо очень медленно прирабатываются к стенке цилиндра, либо совсем не прирабатываются, и, тем самым, не могут выполнять предназначенной для них функции уплотнения.

                                         

             а)                                                                  б)

                                

            в)                                                                   г)

а – некруглость 1-го порядка

б – некруглость 2-го порядка

в – некруглость 3-го порядка

г – некруглость 4-го порядка

Рисунок 2.4 – Некруглости в геометрии отверстий

У современных двигателей приработка деталей производится заранее, уже в процессе обработки. Это означает, что рабочие поверхности отверстий цилиндров и поршневых колец изготавливаются так, что только что изготовленные двигатели работают в оптимальных условиях эксплуатации с самого начала. Качество поверхности при изготовлении оптимизируется настолько, что уже при первом запуске двигателя не возникает больше никакого приработочного износа, и детали смогут работать дольше.

Это на сегодня особенно важно, поскольку из-за строгого законодательства по выхлопным газам транспортные средства и в новом состоянии должны соблюдать соответствующие значения по выхлопным газам.

Механическое раскрытие кристаллов кремния в рамках окончательной обработки ALUSIL®- и LOKASIL – рабочих поверхностей цилиндров служит - наряду с удалением окружающего алюминия и установлением выгодных условий трения - также тому, чтобы создать для поршневых колец оптимальные условия скольжения. Относительно острые кромки кристаллов кремния, возникающие при хонинговании, при механическом раскрытии скругляются, что отвечает более быстрой приработки.

Наоборот, очень твёрдые, уже при обработке оптимизированные в их форме кристаллы кремния означают, что внутренняя поверхность цилиндра с самого запуска в течение очень длительного периода времени не изменится. Это значит, что некруглости и прочие отклонения формы внутренней поверхности цилиндра не выглаживаются (не могут выглаживаться) поршневыми кольцами. Это идёт вразрез с прежними подходами в двигателестроении, когда цилиндр, а также поршневые кольца, должны были взаимно приработаться путём износа. Сегодня качество рабочих поверхностей цилиндров в производстве двигателей практически достигает оптимума, поршневые кольца работают, несмотря на меньшие касательные напряжения, намного лучше и дольше, чем это было раньше [12].

2.3 Основные дефекты

Рассмотренные условия эксплуатации и характер изнашивания рабочей поверхности цилиндра обусловливают появление дефектов установленных техническими условиями на капитальный ремонт (табл. 2.1, 2.2). Характер  износа рабочей поверхности рассмотренный во втором разделе обусловливает максимальную величину износа в зоне остановки первого компресеонного кольца (ВМТ), фрикционный контакт которого осуществляется  без смазочного материала (выгорание при высоких температурах рабочего процесса). По мере движения поршня к НМТ создается режим граничной смазки переходящей в гидродинамический.

Основные дефекты гильз, подлежащие устранению при восстановлении:     - износ рабочей поверхнсти, - износ и изменение формы верхнего и нижнего установочных поясков.  Наличие сколов и трещин любого размера и расположения, а также коробление, глубокие задиры и потеря натяга вставки гильзы – являются браковочными признаками.

  1.  способы восстановления

3.1 Основные технологии восстановления

Для восстановления рабочей поверхности цилиндра в основном используют способ ремонтных размеров (для бензиновых двигателей), а для восстановления гильз цилиндров  дизелей в номинальной размер применяюются способ дополнительной ремонтной детали (ДРД) путем запрессовки «сухих» гильз (пластинирование) и способ термопластической  деформации [5].

3.1.1 Способ ремонтных размеров

Способ ремонтных размеров предусматривает восстановление формы и качества поверхности с обеспечением необходимого параметра шероховатости  без сохранения ее номинальных размеров. Это наиболее приемлемый  способ, единственным недостатком которого является нарушения полной взаимозаменяемости. Восстановленная этим способом деталь,  должна быть сопряжена с новой деталью соответствующего ремонтного размера   (табл. 3.1).

Применение способа ремонтных размеров требует предварительного  централизованного производства и поставки новых деталей ремонтных размеров. При восстановлении рабочей поверхности цилиндров способом ремонтных размеров такой деталью является поршень.

Гильзы цилиндров дизельных двигателей не имеют ремонтных размеров, но в 80-е годы из-за нехватки новых гильз на двигателе ЯМЗ-236 был введен единственный ремонтный размер (табл. 3.1).

Способ сопровождается растачиванием рабочей поверхности до размера, обеспечивающего припуск на последующее хонингование, не менее 0,06  мм.

3.1.1.1 Значения стандартных ремонтных размеров, установленных для бензиновых двигателей, определятся величиной ремонтного интервала 0,5 мм. Это обусловливает максимальную величину одностороннего припуска на растачивание и хонингование Zmax = 0,25, что позволяет вести растачивание за один рабочий ход при максимальной глубине резания t = 0,22 мм.

Таблица 3.1 – Ремонтные размеры гильз цилиндров

Наименование размера

Диаметр гильз, мм

ЗМЗ-53

ЗИЛ-130

ЯМЗ-236

Номинальный

     92,0+0,06

    100,0+0,06

    130,0+0,04

1-й ремонтный

92,5

100,5

130,5

2-й ремонтный

93,0

101,0

3-й ремонтный

93,5

101,5

Режим растачивания должен обеспечивать параметр шероховатости          Ra = 2,5 – 5,0 мкм, что достигается при скорости резания V = 60 – 80 м/мм и подаче S = 0,05 – 0,10 мм/об резцом с пластинкой из твердого сплава ВК-3М.

Растачивание производится на вертикальном алмазно-расточном станке модели 2А78, обеспечивающем требуемую точность растачиваемого отверстия. Гильза цилиндра устанавливается в специальном приспособлении с базированием по верхнему и нижнему посадочным пояскам.

После центрирования по оси шпинделя станка гильза цилиндра закрепляется в приспособлении. Центрирование осуществляется с помощью шариковой оправки (рис. 3.1 а) и индикаторного приспособления (рис.3.1 б).

Рисунок 3.1 – Схема центрирования гильзы цилиндра в приспособлении

Настройка режущего инструмента производится с учетом диаметра шпинделя Дш (рис 3.2).

                                             А = ,                                                          (3.1)

После установки резца на размер растачивания и подвода к обрабатываемой поверхности на расстояние 2 – 3 мм включают станок, предварительно настроенный соответствующую частоту вращения шпинделя.

Рисунок 3.2 – Схема настройки режущего инструмента

                                                n =  ,                                                              (3.2)

скорректированную по паспорту станка (при выбранной подаче).

Качество поверхности расточенного отверстия контролируется сравнениям с образцом шероховатости [5].

3.2.1.2  Хонингование является завершающей операцией обработки рабочей поверхности гильзы цилиндра как при изготовлении, так и при восстановлении способом ремонтных размеров.

Основное назначение хонингования – уменьшить параметр шероховатости поверхности после растачивания до значения Ra = 0,63–0,32 мкм при сохранении микротвердости и структуры поверхностного слоя.

Высокое качество рабочей поверхности гильзы цилиндра, полученное при хонинговании, обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства, существенно уменьшая износ в период приработки двигателя, что способствует повышению долговечности деталей цилиндро-поршневой группы.

Хонингованием обрабатывают детали как из чугуна, так и из стали, что позволяет использовать этот вид обработки при восстановлении рабочей поверхности гильзы способом дополнительной ремонтной детали (гильзованием стальной лентой из стали 65Г ГОСТ 1050-88).

Параметр шероховатости после хонингования достигается путем снятия припуска, оставляемого после растачивания, в два приема: предварительное и окончательное хонингование. Припуск для предварительного хонингования составляет 0,05 мм, для окончательного – 0,02 мм.

Для хонингования чугуна применяются бруски шлифовальные по        ГОСТ 2456-82, для предварительного – БП 13×15×150 63С М40 С2 – 33  7БА, для окончательного – БП 13×15×150 63С М28 С2 – 33 7БА, различие которых в зернистости. Для окончательного хонингования зернистость меньше.

В процессе обработки хонинговальная головка совершает вращательное и возвратно-поступательное движения, в результате которых на обработанной поверхности абразивными зернами образуются царапины, направлены под углом к образующей (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – Схема процесса хонингования и развертка сетки следов  

                       обработки

  

Режим хонингования устанавливается выбором скорости возвратно-поступательного движения головки, которая определяется ходом хонинговальной головки и числом двойных ходов. Ход хонинговальной головки

                                             H = L + 2lпер – lбр ,                                            (3.3)

где   L – длина обрабатываемой поверхности, мм;

lбр – длина абразивного бруска, мм;

lпер – величина перебега брусков, мм (рекомендуется принимать равной

1/3 lбр, увеличение ведет к бочкообразности, а уменьшение – к седлообраз-

ности поверхности).

Скорость возвратно-поступательного движения (Vвп) зависит от величины хода. При значениях хода в приделах 100 – 150 мм рекомендуется величина    Vвп = 12 – 16 м/мин.

Число двойных ходов головки за минуту

                                          nдв.х =  ,                                               (3.4)

Окружная скорость вращения определяется отношением к скорости возвратно-поступательного движения, рекомендуемым для чугуна

                                          ω =  ,                                                                (3.5)

для предварительного хонингования ω = 3 – 6; для окончательного хонингования ω = 4 – 10.

Значение окружной скорости для чугуна рекомендуется выбирать в приделах 60…75 м/мин, для стали 40…50 м/мин. Основное время на переход – То, необходимое для удаления назначаемого припуска z.

                                      То =  ,                                                           (3.6)

где   t – величина поперечной (радиальной) подачи брусков на один двойной

ход головки, мм.

Выполнение операции производятся на хонинговальном станке 3Б833 [5].

3.1.2 Способ дополнительной ремонтной детали  

Этот способ позволяет восстановить изношенную поверхность в номинальный размер.

При вoсстaнoвлении гильз пoстaнoвкoй ДРД испoльзуются втулки формуемые из листовой стали 65Г ГОСТ 1050-88 тoлщинoй 0,5 – 0,8 мм Заготовкой являются  плaстины  рaзмером, oбуслoвленным диaметрoм рaстoченнoй гильзы с учетoм припускa пoд шлифoвaние тoрцoв. Глубинa рaстaчивaния под установку втулки ДРД oпределяется кoнструктивными пaрaметрaми гильзы. Пoсле oбрaбoтки тoрцoв плaстину пoмещaют между oбжимными гoлoвкaми и, включив пневмoцилиндр, oбжимaют и свертывaют плaстину вo втулку. С пoмoщью штoкa прессa и кaлибрoвaннoгo пуaнсoнa  зaпрессoвывaют втулку в гильзу цилиндра. В кaждую гильзу пoследoвaтельнo с двух сторон зaпрессoвывaют две плaстины oпределеннoй ширины. Стыкoвые зaзoры плaстин дoлжны быть рaзведены в прoтивoпoлoжные стoрoны (нa 180°). Блaгoдaря упругим свoйствaм и небoльшoй тoлщине плaстины плoтнo прилегaют к пoверхнoсти oтверстия. Плaстины друг к другу дoлжны быть прижaты пo тoрцу усилием в 10... 12 рaз бoльше, чем усилие зaпрессoвки их в цилиндр. Гильзы с зaпрессoвaнными плaстинaми пoдвергaются чернoвoму и чистoвoму хoнингoвaнию.

3.2  Технология упрочнения и восстановления гильз цилиндров термопластическим деформированием

При ииспользовании пластического деформирования в ремонтном производстве восстановления первоначальных размеров детали осуществляется за счет перераспределения материала самого изделия. В этом случае материал перемещают с нерабочих участков к изношенным поверхностям под направленным действиям внешних или внутренних сил. Этот метод прост и экономичен.

Среди способов восстановления деталей особое место занимает термопластическое деформирование (ТПД), когда, нагревая и охлаждая восстанавливаемую деталь без приложения к ней дополнительных внешних сил от пресса, а, используя лишь внутренние механизмы деформирования металла, достигают сохранение ее объема и перераспределения металла на рабочие изношенные поверхности с одновременным их упрочнением (рис.3.4 и табл.3.2). Прежде всего это детали типа «полый цилиндр».

Таблица 3.2 –  Режимы восстановления гильз цилиндров

Гильзы цилиндров

легированные

Закаленные

Параметры

без предварительного подогрева

с предварительн. нагревом

Температура нагрева,   С

840…860

840…860

800… 820

Скорость нагрева,  град./с

70…80

70… 80

50…60

Расход воды для

матрицы,л/м

60…70

60…70

70  ..80

Расход воды для

спрейера, л/м

-

20

20 …25

Скорость относительного пе-ремещения гильзы и индуктора,мм/с

1,7…2,0

1,7….2,0

3,0…3,5

2,0… 2.5(р.х.)

Частота вращения, мин-1

26

26

26

Данный способ целесообразно применять для незакаливаемых гильз цилиндров, изготовляемых из специального легированного чугуна, например, двигателей КамАЗ-740 и др. Перед ТПД незакаливаемых гильз их объемно прогревают до 500 оС для повышения пластичности металла.

При внутреннем диаметре гильзы цилиндра 100 – 130 мм остаточное перемещения внутренней цилиндрической поверхности составляет 0,7 – 1,3 мм, что является достаточным при износе зеркала гильзы 0,3 мм, короблении после ТПД 0,1 мм и припуске на механическую обработку 0,3 мм.

ТПД осуществляют при перемещении гильзы относительно индуктора со скоростью 2,0 – 2,5 мм/с при непрерывном охлаждении водяным душем. Для снятия высоких термических напряжений после ТПД выполняли объемный нагрев гильзы до 350 – 400 оС   с последующим охлаждением на воздухе (средний отпуск).

    

             а)                                       б)                                      в)

а, б – индуктор и спрейер расположены  снаружи и внутри гильзы соответственно; в – индуктор расположен снаружи, а спрейер – внутри гильзы: 1 – гильза цилиндра; 2 – индуктор; 3 – спрейер; 4 – центрирующая оправка

Рисунок 3.4 – Схемы восстановления внутренней цилиндрической поверхности гильз цилиндров ТПД:

Нагрев проводят на установке ТВЧ петлевым индуктором. Затем охлаждают водой кольцевым спрейером. Мощность генератора установки ТВЧ 100 кВт. Частота вращения гильзы 30 – 50 мин-1. Скорость перемещения гильзы относительно индуктора при отпуске 3 мм/с. Удельный расход воды для охлаждения нагретой поверхности гильзы 20 – 40 л/м2.

Если после одного цикла ТПД остаточная деформация внутренней цилиндрической поверхности гильзы ∆d=0,7 – 1,3 мм, то после двух циклов ∆d=1,1 – 1,9 мм.

После ТПД происходит уменьшения как внутреннего, так и наружного диаметров гильзы. Для восстановления наружных посадочных поясков гильзы необходимо нарастить их на величину слоя толщиной 1,5 – 2,0 мм.

Это можно выполнить способом электродуговой металлизации на стандартных режимах как стальной, так и алюминиевой проволокой.

После получения припусков на механическую обработку внутренней и наружной поверхности гильзы цилиндра осуществляют растачивание на вертикально-расточных станках и хонингование на хонинговальном станке. Затем проводят механическую обработку наружных поверхностей гильзы на токарно-венторезном станке.

Гильзы, подвергнутые двум циклам ТПД, растачивают на вертикально-расточных станках 2733П. Базирование осуществляют по наружной поверхности посадочных поясков, а зажим – по торцовым. Режимы растачивания: частота вращения резца – 435 мин-1, подача – 0,05 мм/об.

Гильзы после одного цикла ТПД подвергают хонингованию на хонинговальном станке до номинального диаметра. Режимы хонингования: частота вращения – 100 мин-1, количество двойных ходов – 40.

Таким образом , установлено, что при обработке гильз цилиндров на хонинговальном станке с гидравлическим приводом разжима брусков с помощью специальной хонинговальной головки достаточно припуска            0,35 – 0,4 мм на диаметр [10].

3.3  Упрочнение поверхностно-пластическим деформированием гильз цилиндров с одновременным нанесением антифрикционного покрытия

В ремонтном производстве для повышения износостойкости восстановленных гильз цилиндров двигателей расточкой под ремонтный размер применяют поверхностно-пластическое деформирование (ППД) в металлоплакирующей среде (МПС). Введение после хонингования дополнительной операции в технологический процесс изготовления гильз цилиндров — обкатывание гильзы роликами в присутствии МПС с получением на упрочненном поверхностном слое чугуна медного антифрикционного покрытия толщиной до 2 мкм позволит не только повысить износостойкость, но и улучшить прирабатываемость гильз цилиндров.

Мягкое медное покрытие па поверхности гильзы способствует увеличению площади фактического контакта сопрягаемых деталей более чем в 10 раз, что значительно уменьшает контактные нагрузки.

Последовательность технологического процесса следующая. Гильзу цилиндра, прошедшую чистовое хонингование, подвергают очистке, затем устанавливают в приспособление и подвергают обкатыванию специальной шестироликовой раскаточной головкой (рис. 3.5, 3.6) с подачей в зону обработки МПС. Во время обработки на внутренней поверхности гильзы одновременно формируются необходимый микрорельеф и слой медного антифрикционного покрытия.

Рисунок 3.5 – Внешний вид раскаточной головки с использованием пневматического привода радиальной подачи

Конструкция раскаточной головки (рис. 3.6) состоит из корпуса 9, в котором установлен шток 8, траверсы 7, удерживаемые от вертикального перемещения с помощью штифта 6, рамки 5 роликов 3 установлены на осях 4.   жестко  фиксированных   набором втулок и пружинными шайбами 2. Пружинные кольца 1 удерживают траверсы в корпусе.

Разжим роликов происходит механически или пневматически через шток механизма режима хонинговального станка. Конец штока, имеющий вид конуса, сопрягается с наклонными упорами траверс. Это позволяет траверсам осуществлять не только радиальные, но и колебательные движения относительно штока. Именно колебательные движения траверсы 8 обеспечивают самоцентровку роликов 3. Схождение роликов обеспечивают стягивающие пружинные кольца  1.

Введение МПС в зону контакта рабочего инструмента с деталью создает    

благоприятные условия для протекания химических процессов, приводящих к осаждению на детали приработочных, противозадирных покрытий. Физико-механические и антифрикционные свойства этих покрытий во многом определяются входящими в их состав инградиентами. В качестве МПС могут применяться глицериновые среды на основе солей меди.

Рисунок 3.6 – Конструкция раскаточной головки с использованием пневматического привода радиальной подачи

Формирование микрорельефа и получение тонкой пленки меди на внутренней поверхности гильзы происходят после многократных возвратно-поступательных движений раскаточной головки вдоль образующей цилиндрической поверхности гильзы при обильной подаче в зону деформирования МПС.

Стендовые испытания гильз цилиндров двигателей ЗИЛ-130 проводились на обкаточном стенде конструкции ГОСНИТИ  показали, что у гильз, обработанных ППД с нанесением антифрикционного покрытия, по сравнению с гильзами, изготовленными по заводской технологии, время приработки сократилась более чем   в два  раза [11].

3.4 Растачивание цилиндров монолитного блока

При ремонте блоков цилиндров применяются многолезвийные инструменты (рис. 3.7). Для ремонта двигателей могут применяться обычные однолезвийные инструменты. Предпосылкой этого является применение правильного режущего материала.

Чтобы степень разрушения кристаллов кремния в стенке цилиндра поддерживать как можно меньшей, тонкое расстачивание отверстий цилиндров следует производить PKD-режущими инструментами. PKD это сокращение от Polykristalline Diamanten (поликристаллические алмазы). Речь идёт при этом об искусственных алмазах, которые в процессе спекания в тонко распределённом виде интегрированы в металлическую основу.

У PKD-резьбовых вставок алмазный слой нанесён на подкладку из твёрдого сплава (см.рис. 3.8). Износостойкость поликристаллических алмазов до 500 раз выше, чем у твёрдого сплава. Твёрдость PKD-слоя почти соответствует твёрдости монокристаллического алмаза. Он имеет превосходную механическую износостойкость, высокую вязкость, а также высокую теплопроводность. При применении PKD-инструментов обеспечивается то, что интегрированные в металлическую основу кристаллы кремния будут точно и чисто обработаны и не будут вырваны. Поддержание постоянного качества поверхности в пределах одного отверстия возможно, только при применении алмазных инструментов.

Режущие инструменты из твёрдого сплава при растачивании цилиндров применять нельзя. Режущие инструменты из твёрдого сплава при резании очень твёрдых кристаллов кремния изнашиваются в течение короткого времени. При этом давление резания и масштабы разрушения кристаллов в кремниевой основе сильно бы возросли. Из-за более высокого давления резания повреждаются не только лежащие на наружной поверхности кристаллы, но и ломаются кристаллы, находящиеся под наружной поверхностью (ущерб в глубине). При последующем хонинговании эти поломанные кристаллы подрезаются. Хотя при хонинговании они непосредственно не выламываются, это только вопрос времени, пока они не будут расшатаны поршневыми кольцами, не выломаются при работе двигателя и не станут причиной абразивного износа поршня и рабочей поверхности цилиндра.

                    

Рисунок 3.7 – Многолезвийный инструмент

3.4.1 Параметры обработки при растачивании

В ходе неразрушающей обработки кристаллов кремния растачивания отверстий цилиндров должно быть завершено в 2 технологические операции со снятием слоев материала по 0,1 мм (табл. 3.3).

Потребное снятие слоя материала при растачивании - от 0,03 до 0,05 мм, т.е., при последней операции растачивания желаемый диаметр должен получиться от 0,06 до 0,10 меньше, чем окончательный размер цилиндра. Образующийся при растачивании в верхней мёртвой точке заусенец удаляется снятием фаски. Из-за становящихся всё время уже поршневых колец фаска должна быть в любом случае меньше 0,5 мм, чтобы поршневые кольца не отскакивали на фаске при установке поршня в цилиндр.

 

Таблица 3.3 – Параметры обработки при растачивании алюминиевых цилиндров

Рекомендуемая скорость резания (PKD-режущие средства)

400 м/мин

Число оборотов при обработке относительно диаметра цилиндра

мин-1

80 мм

1600

85 мм

1480

90 мм

1420

95 мм

1340

100 мм

1270

Снимаемый слой материала предпоследней обработки

0,1 мм

Снимаемый слой материала последней обработки

0,1 мм

Подача инструмента на оборот (врезающийся инструмент)

0,1 мм

Желаемая шероховатость поверхности (Rz)

3,5-4,5 мкм

Требуемый снимаемый слой материала при хонинговании

0,03-0,05мм

Передний угол режущей кромки инструмента

 10°

Задний угол режущей кромки инструмента

 10°

Радиус закругления лезвия режущей кромки инструмента

0,8-1,0мм

3.5 Особенности  хонингования серого чугуна и алюминиевого сплава 

В отличие от хонингования серого чугуна, шероховатость внутренней поверхности цилиндра у алюминиево-кремниевых рабочих поверхностей не зависит от величины зерна применяемых абразивных брусков и достижимой тем самым глубины обработки структуры хонингования (перекрёстная сетка шлифовочных штрихов). Профиль шероховатости определяется намного более размером зерна имеющихся при ALUSIL® первичных кристаллов кремния и глубины их раскрытия.

Различия между хонингованной поверхностью цилиндра из серого чугуна и поверхностью ALUSIL® представлены ниже. На рисунке 3.8 показана рельефная хонингованная поверхность из серого чугуна и соответствующий рисунок шероховатости, в то время как на рисунке 3.9 показана поверхность ALUSIL® c рисунком шероховатости.

Характерная для рабочих поверхностей цилиндра структура поверхности (перекрёстная сетка шлифовочных штрихов) - это углубления (долины) для задержания масла, и возвышенности (плато), образованные при хонинговании на различных рабочих операциях. Плато, представляющие собой рабочие поверхности для поршневых колец, образуются при последней рабочей операции, хонинговании возвышенностей, обрезкой вершин профиля. Поэтому давление прижима брусков, угол хонингования, величина зерна и скорость хонингования являются при хонинговании серого чугуна важными параметрами для достижения правильной топографии поверхностей.

Рисунок 3.8 – Рельефная хонингованная поверхность из серого чугуна и рисунок шероховатости

Рисунок 3.9 –  Поверхность ALUSIL® c рисунком шероховатости

Для получения результатов при хонинговании ALUSIL® следует тщательно следить за тем, чтобы кристаллы кремния резались чисто и не вырывались из внутренней поверхности. Это достигается только применением подходящих хонинговальных брусков и правильных параметров обработки.

При последующем раскрытии кристаллов кремния важным является, главным образом, глубина раскрытия. При механическом раскрытии зёрна кремния несколько округляются, что положительно влияет на скольжение поршневых колец. При раскрытии травлением возникающие при резании острые края кристаллов кремния не округляются, что при приработке ведёт к несколько большему износу поршневых колец.

У ALUSIL®-рабочих поверхностей цилиндров форма и величина интегрированных в алюминии кристаллов кремния образуют возвышения, по которым скользят поршни и поршневые кольца. Расстояние кристаллов кремния друг от друга определяет ширину и форму углублений профиля, в то время как глубина раскрытия соответствует глубине углублений профиля.

3.5.1 Требования к хонинговальному инструменту и обрабатывающим брускам

3.5.1.1 При обработке алюминия хонингование, а также процесс раскрытия должны производиться с помощью так называемых многобрусковых хонинговальных инструментов. Для достижения точной геометрии отверстий требуется от 5 до 8 расположенных по периметру обрабатывающих брусков (рис. 3.10). Установка режущих брусков достигается у многобрусковых хонинговальных головок посредством центральной конической раздвижки с гидравлическим или электромеханическим приводом (рис. 3.11). Наиболее подходящими являются станки, у которых установка хонинговальных брусков происходит гидравлически, и таким образом возможно очень точное регулирование давления и установки.

3.5.1.2 По причине особых требований при хонинговании алюминиевых рабочих поверхностей цилиндров применимы только абразивные бруски с алмазами на пластмассовой связке. Твёрдость алмазов обеспечивает точное резание интегрированных в алюминий кремниевых твёрдых фаз. Пластмассовая связка алмазных режущих брусков препятствует возникновению знакомых проблем, возникающих при хонинговании алюминия керамическими режущими брусками

Бруски являются и при мягком материале, как алюминий, самозатачивающимися, т. е., связка алмазов достаточно прочна для удержания алмазов в процессе хонингования, в то же время достаточно мягка, чтобы затупившиеся алмазные зёрна смогли бы вывалиться. Выдерживание параметров обработки препятствует разрушению, а также выламыванию интегрированных кристаллов кремния, и поверхность оптимально подготавливается к последующей операции раскрытия. KS-алмазные абразивные бруски (рис. 3.12) разрабатывались и согласовывались специально для обработки ALUSIL®, LOKASIL® и сравнимых алюминиево-кремниевых материалов.

В качестве смазочно-охлаждающего средства при KS-хонинговании, а также механическом раскрытии алюминия может применяться обычное хонинговальное масло. Его вязкость должна быть в пределах от низкой до средней. Высоковязкие (вязкотекучие) хонинговальные масла, а также водо-масляные эмульсии, не должны применяться в сочетании с обрабатывающими брусками.

Рисунок 3.10 – Многобрусковый хонинговальный инструмент

      

1 – Карданный шарнир

2 – Хонинговальный инструмент

3 – Кольцевая пружина

4 – Хонинговальный брусок

5 – Хонинговальная головка

6 – Установочный конус

Рисунок 3.11 – Многобрусковая хонинговальная головка с центральной конической раздвижкой с гидравлическим или электромеханическим приводом

3.5.1.3  В противоположность хонингованию серого чугуна, хонингование алюминия производится при более высоких оборотах и меньшей подачей. Тем самым получаются более пологие углы. Они оказались выгодными, по возможности, маленькими для поддержания размеров разрушения кремния. Также и прилегающее к хонинговальным брускам давление резания намного ниже, чем при хонинговании серого чугуна. Снимаемый алюминий очень мягок, его можно хорошо резать алмазными хонинговальными брусками. Благодаря меньшей твёрдости алюминиево-кремниевого сплава давление на стенку цилиндра не должно быть слишком высоким. Стенка цилиндра поддалась бы под высоким давлением, и геометрия отверстия бы ухудшилась.

Рисунок 3.12 – KS-алмазные абразивные бруски

По этой причине ширина хонинговальных брусков, предлагаемых KS, составляет примерно только половину от стандартных хонинговальных брусков на керамической основе. При одинаковом удельном давлении нажатия брусков при вдвое меньшей ширине хонинговальных брусков усилие нажатия, которым бруски прижимаются к рабочей поверхности цилиндра, может быть уменьшено вдвое (рис. 3.13). Деформаций стенки цилиндра от слишком высоких усилий нажатия брусков можно эффективно избегать и при этом их уменьшать.

Операция хонингования KS-алмазными хонинговальными брусками должна длиться, как минимум, по 90 секунд на цилиндр. Меньшее время обработки указывает на слишком высокое давление нажатия брусков вкупе с более высоким их износом.

Рисунок 3.13 – Ширина и усилие прижатия брусков

Для предотвращения засаливания брусков и улучшения смазывания следует процесс хонингования прерывать на короткое время каждые 30 секунд обработки (табл. 3.4). Контакт бруска со стенкой цилиндра должен быть прерван. Обработка должна быть продолжена только тогда, если режущие поверхности вновь хорошо снабжены хонинговальным маслом и промыты. Для равномерного износа брусков в серийном производстве при обработке каждого нового отверстия цилиндра направление вращения хонинговального инструмента меняется на противоположное.

3.6 Раскрытие кристаллов кремния

Под раскрытием понимается осаживание окружающей кристаллы кремния алюминиевой основы. Данная операция необходима, т. к. алюминий в качестве пары скольжения для поршневых колец слишком мягок и поэтому недостаточно износостоек. Поэтому кристаллы кремния в последней технологической операции от окружающего алюминия до определённой глубины освобождаются (раскрываются). Тем самым поршни и поршневые кольца скользят по армированной кристаллами кремния, очень твёрдой и, благодаря этому, очень износоустойчивой рабочей поверхности. Глубина раскрытия (R) составляет, в зависимости от требований к двигателю и применяемого метода раскрытия, от 0,3 до 0,7 мкм. Ниже минимальной глубины R = 0,3 мкм раскрытия, однако, не должно быть.

Таблица 3.4 – Параметры обработки при хонинговании алюминия

Рекомендуемое число оборотов при хонинговании

250-350 мин-1

Минимальное число оборотов при хонинговании

200 мин-1

Максимальное число оборотов при хонинговании

400 мин-1

Скорость подачи хонинговальной головки относительно числа оборотов

мин-1

n/мин

400

16

350

14

300

12

Угол хонингования (произведение числа оборотов и скорости подачи)

15-20°

Потребная величина снятия материала, относительно диаметра цилиндра

0,060,1 мм

Рекомендуемое давление нажатия брусков

30 Н/см2

Максимальное давление нажатия брусков

40 Н/см2

Общее время обработки отверстия цилиндра (приблизительное значение)

> = 90 c

Перебег хонинговальным бруском верхней и нижней мёртвых точек, относительно длины бруска

30%

Желаемая степень разрушения кристаллов кремния

5-10%

Максимально допустимая степень разрушения кристаллов кремния

макс. 30%

Допускаемая некруглость отверстия цилиндра (технологический допуск)

0,006

3.6.1 Раскрытие травлением. При раскрытии травлением окружающий алюминий вытравляется 10-20% - едким натром при 60 °С. Длительность процесса травления определяет при этом глубину раскрытия. При раскрытии травлением кристаллы кремния могут быть раскрыты очень щадяще и глубоко. В отличие от механического раскрытия и раскрытия притиркой, кромки кристаллов кремния не округляются. Кромки остаются такими же острыми, какими они получились после хонингования (рис. 3.14). Острые кромки вызывают при приработке двигателя незначительно больший износ поршневых колец.

Рисунок 3.14 – Кромки кристаллов кремния

Для блоков цилиндров, изготовленных по Silitec®- методу ради очень малых кристаллов кремния (2-4 мкм) в настоящее время всё ещё применяется более щадящее раскрытие травлением. Механическое раскрытие не смогло до сих пор, из-за недостаточной технологической надёжности, при данном методе пробить себе дорогу.

На рисунке 3.15 показана поверхность раскрытого травлением отверстия цилиндров алюминиевого блока цилиндров, изготовленного по LOKASIL -методу, в 150- и 300-кратном увеличении.

3.6.2 Раскрытие притирочной пастой. Данный метод применяется исключительно для среднего и капитального ремонта алюминиевых блоков цилиндров. При данном виде раскрытия окружающий слой алюминия удаляется абразивной пастой с частицами кремния. Притирка осуществляется, однако, не с помощью оправки или притирочной гильзы, но войлочные бруски служат носителями притирочной пасты (рис. 3.16).

             

Рисунок 3.15 – Поверхность раскрытого травлением отверстия

Рисунок 3.16 – Войлочные бруски

Свободные режущие зёрна принимают на себя процесс раскрытия. Процесс раскрытия по исполнению очень прост и возможен с минимальной трудоёмкостью. Последующая очистка блока цилиндров от притирочной пасты,  более трудоёмка, чем при механическом раскрытии. По этой причине травление притиркой не применяется в серийном производстве. По величине зёрен кремния в пасте и плотности упаковки кристаллов кремния на внутренней поверхности цилиндра паста должна быть подобрана в соответствии с целью применения. Для достижения определённой глубины раскрытия абразивные зёрна притирочной пасты должны быть меньше промежутков между кристаллами кремния внутренней поверхности цилиндра. Притирочная паста пригодна как для обработки Silitec®- рабочих поверхностей цилиндров, так и для рабочих поверхностей цилиндров, произведённых по ALUSIL® и LOKASIL® - методам. Хотя метод раскрытия притиркой применим при всех   3-х вышеназванных методах, для ALUSIL - и LOKASIL®- рабочих поверхностей цилиндров рекомендуется всё же, в первую очередь, механический метод раскрытия.

При раскрытии притиркой можно работать с выгодными по затратам инструментами. Могут применяться стандартные хонинговальные головки с установкой с помощью зубчатых реек и войлочные бруски. Для получения по всем отверстиям цилиндров равномерных результатов на каждую следующую обрабатываемую рабочую поверхность цилиндра постоянно следует наносить ещё неиспользованную притирочную пасту. Поскольку абразивные зёрна должны прокатываться по поверхности, давление нажатия должно быть малым. Благодаря малому давлению зёрна должны иметь возможность попасть между войлочным бруском и стенкой цилиндра, осуществляя тем самым процесс раскрытия. При слишком высоком давлении нажатия притирочная паста будет, скорее всего, отжата и удалена от стенки цилиндра.

Ведущие бруски, необходимые при хонинговании стали и чугуна для достижения совершенной геометрии отверстия, при раскрытии притиркой применяться не должны. Качество поверхности может ухудшиться, и кристаллы кремния могут быть разрушены. Изменение геометрии отверстия при раскрытии притиркой и без того невозможно.

Притирочная паста, которая после обработки блока цилиндров не будет удалена без остатка, может привести к износу двигателя. Маленькие острые зёрна кремния в пасте действуют как песок и вызывают значительный абразивный износ. Для обеспечения того, чтобы при очистке блока цилиндров все свободные частицы были удалены с внутренней поверхности цилиндров, рекомендуется отверстия после собственно операции мойки дополнительно протереть пропитанной бензином тряпкой из микроволокна или ей подобной.

Таблица 3.5 – Параметры обработки при раскрытии притиркой

Рекомендуемое число оборотов при раскрытии

от 180 до 230 1/мин

Рекомендуемая длительность раскрытия

около 60 с.

Перебег бруска, отнесённый к его длине

макс. 15 %

Возможное изменение диаметра цилиндра от раскрытия притиркой

» 1 мкм

Максимальное рекомендуемое давление нажатия бруска

20 Н/см2

Рекомендуемая глубина раскрытия (Rpk)

от 0,4 до 0,7 мкм

Минимальная глубина раскрытия (Rpk)

0,3 мкм

3.6.3 Механическое раскрытие. При механическом раскрытии алюминий удаляется с помощью специально разработанных KS высокопористых брусков для раскрытия. Пористый металл со связкой из искусственной смолы содержит абразивные зёрна из благородного корунда. Бруски для раскрытия, благодаря пористой структуре и эластичности связки, очень мягки и гибки. Благодаря гибкости бруски обладают свойством гнуться под выступающими из стенки цилиндра кристаллами кремния, в то время как алюминий между данными кристаллами снимается. При механическом раскрытии острые края кристаллов кремния дополнительно округляются (рис. 3.17 а, б), что влияет на уменьшение износа поршневых колец.

Данный, запатентованный KS Aluminium Technologie AG, метод раскрытия пробил себе дорогу в серийном производстве в качестве стандартного метода раскрытия для ALUSIL®- и LOKASIL рабочих поверхностей цилиндров. Наряду с меньшим временем такта выпуска, механическое раскрытие позволяет применение нормального хонинговального масла и, тем самым, бесступенчато присоединяется к предыдущим технологическим операциям При помощи данного метода возможно достижение средних глубин раскрытия. Чем глубже должно быть произведено раскрытие, тем выше должно быть давление прижатия брусков для раскрытия. Более высокое давление прижатия уменьшает стойкость брусков для раскрытия.

 

                         а)                                                    б)

Рисунок 3.17 – Округлые края кремния

Таблица 3.6 – Параметры обработки при механическом раскрытии

Рекомендуемое число оборотов при раскрытии

ок. 200 1/мин

Скорость подачи

ок. 8 м/мин

Перебег бруска, относительно его длины

макс. 15 %

Угол раскрытия (угол хонингования)

15-20°

Изменение диаметра цилиндра от механического раскрытия

» 1-3 мкм

Рекомендуемое давление нажатия бруска

30 Н/см2

Рекомендуемая глубина раскрытия (R )

>= 0,4 мкм

Минимальная глубина раскрытия (Rpk)

0,3 мкм

Рекомендуемая длительность раскрытия

2 х 30 с ***

Смазочно-охлаждающие средства (не применять никакой водо-масляной эмульсии)

хонинговальное масло

*** для достижения всестороннего раскрытия кристаллов кремния при механическом раскрытии направление вращения инструментов должно изменяться каждые 30 секунд на противоположное.

Качество обработки окончательно обработанной алюминиево-кремниевой

поверхности зависит, в значительной мере, от 2-х важных факторов: достигнутой глубины раскрытия кристаллов кремния и масштаба разрушения кристаллов.

Глубина раскрытия обеспечивает удержание достаточного количества масла для смазывания поршневых колец и поршня, что обеспечивает гидродинамический режим смазки.

Разрушение кристаллов при сплошном армировании рабочей поверхности должно удерживаться как можно меньшим (табл. 3.7, рис 3.18). В качестве граничного значения признано здесь 30 %. При значении 30 % и выше можно исходить из того, что при хонинговании отверстий цилиндров работали не с требуемой тщательностью, или же с неверными параметрами обработки, или не с теми инструментами.

Таблица 3.7 – Степень разрушения

Степень разрушения

Балл

Оценка

0-5%

очень хорошие значения, совершенная обработка

5-10%

хорошие значения

10-20%

удовлетворительные значения

20-30%

достаточные значения

30%

недостаточное качество обработки

> = 30%

неудовлетворительное качество обработки

          

                               а)                                                            б)

                              в)                                                                  г)

                                 д)                                                          е)

а – 1% степень разрушения; б – 5% степень разрушения; в – 10% степень разрушения; г – 20% степень разрушения; д – 30% степень разрушения;             е – 40% степень разрушения

Рисунок 3.18 – Степени разрушения ALUSIL-рабочих поверхностей

                         цилиндров.

Глубину раскрытия можно точно измерять только прибором для измерения шероховатости с соответствующим программным обеспечением для оценки. Однако также съёмки с прозрачной плёнкой или микроскоп для наблюдения в отражённом свете дают ответ по качеству обработки и глубине раскрытия.

Степень разрушения кристаллов кремния невозможно определить описанием методом ощупывания острым щупом. Это возможно установить только с помощью микроскопа для наблюдения в отражённом свете, с увеличением от 100 до 150. В серийном производстве масштабы разрушения на рабочих поверхностях не могут быть всякий раз из-за трудоёмкости количественно учтены. Ради простоты поверхности сравниваются с картинами рабочих поверхностей известной степени разрушения.

Выломанные или разрушенные зёрна кремния видны как чёрные углубления. На рисунке 3.18 представлены сравнения для степени разрушения по ALUSIL-рабочим поверхностям цилиндров [14].

4 Технология восстановления рабочей поверхности монолитного блока цилиндров ИЗ алюминиево-кремниевого сплава

Блоки цилиндров силовых агрегатов современных легковых автомобилей, микроавтобусов все чаще изготавливают из алюминиевых сплавов. По способу

формирования рабочей поверхности цилиндров применяют различные технологи изготовления блоков цилиндров. Одна из них предусматривает на стадии изготовления литейной заготовки блока цилиндров заливку вставок из легированного чугуна с последующей обработкой их в номинальный размер. Как правило, производителями предусматривается обработка изношенных цилиндров в ремонтные размеры.

У блок цилиндров при формировании литейной заготовки устанавливаются цилиндровые вставки из сплава алюминия с повышенным содержанием (20–27%) кремния. Такая конструкция блока цилиндров также предполагает обработку изношенных цилиндров в ремонтные размеры. Отверстия цилиндров блоков цилиндров обрабатываются непосредственно в самом материале блока. При этом за счет направленной кристаллизации алюминиевого сплава формируется прилегающий к поверхности цилиндра слой металла с повышенным содержанием кремния. Отверстия цилиндров таких блоков также могут обрабатываться в предусмотренные изготовителем ремонтные размеры. Распространенной является конструкция блока цилиндров, при которой на поверхность цилиндра наносится электролитическое твердое износостойкое никелькремниевое покрытие. Для блоков цилиндров такой конструкции ремонтные размеры не предусмотрены. Наиболее характерным дефектом поступающих в ремонт блоков цилиндров последних трех конструкций является задир поверхности одного или нескольких цилиндров (рис. 4.1). В тех случаях, когда повреждения цилиндров не могут быть устранены обработкой в ремонтный размер, блоки цилиндров восстанавливают гильзованием, как правило, гильзами из алюминиево-кремниевого сплава (рис. 4.2). Технология гильзования блоков цилиндров, изготовленных из сплавов алюминия, в целом достаточно хорошо освещена в литературе и широко практикуется ведущими предприятиями, специализирующимися на ремонте деталей ДВС. При налички квалифицированных кадров и современного технологического оборудования успешно ремонтируются блоки цилиндров рядных и V-образных двигателей. Значительно реже в ремонт поступают блоки цилиндров двигателей более сложной конструкции. Одним из таких является 12 цилиндровый двигатель автомобиля Аudi A8 (рис.4.3).

Рисунок 4.1 – Задиры поверхности цилиндров

Рисунок 4.2 – Ремонтные гильзы

Рисунок 4.3 – Внешний вид блока цилиндров двигателя V 12 фирмы AUDI

На первом этапе для определения размеров и конфигурации ремонтных гильз и их изготовления проводится детальный обмер блока цилиндров. Затем на специализированном расточном станке отверстия цилиндров растачивались под установку ремонтных гильз (рис. 4.4). При этом в качестве технологической базы использовались отверстия коренных опор блока, благодаря чему обеспечивалось строгое соблюдение перпендикулярности оси отверстий цилиндров относительно оси коленчатого вала. Сохранение исходного положения осей отверстий цилиндров в поперечной плоскости достигалось за счет центрирования шпинделя станка по неизношенным участкам поверхностей цилиндров на двух-трех уровнях по высоте.

Рисунок 4.4 – Обработка блока цилиндров под ремонтные гильзы

В расточенные отверстия гильзы устанавливались с натягом 0,07–0,08 мм таким образом, чтобы выборки на гильзах под противовесы коленчатого вала совпали с соответствующими выборками блока цилиндров (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Блок цилиндров с установленными гильзами

После установки гильз производилось их растачивание в номинальный размер (с учетом припуска на хонингование 0,06–0,08 мм), подрезка торцов и заходной фаски (рис 4.6).

                                а)                                                        б)

Рисунок 4.6 – Растачивание отверстий цилиндров (а), подрезка торцов           

                              гильз (б)

Финишная операция — хонингование выполнялось на хонинговальном станке по хорошо зарекомендовавшей себя технологии обработки чугунных блоков цилиндров. Хонингование выполнялось в три приема: черновое хонингование, чистовое хонингование (в обоих случаях керамическими брусками) и крацевание щетками, состоящими из нейлоновых волокон, армированных карбидами кремния (рис 4.7).

  

                           а)                                                             б)

Рисунок 4.7 – Черновое хонингование (а) и чистовое хонингование (б)

После хонингования производится контрольный замер цилиндров (рис. 4.8) и двигатель отправляется на сборку [13].

Рисунок 4.8 – Контроль размеров цилиндров

ВЫВОДЫ

  1.  Основным направлением капитального ремонта агрегатов автомобиля в настоящее время является централизованное восстановление основных и базовых деталей в условиях фирменного ремонта. Восстановление деталей должно осуществляться с использованием совершенных технологий, обеспечивающих ресурс после восстановления не менее 80 % новых.
  2.  Рабочая поверхность  цилиндров двигателя работает в условиях высокой тепловой и механической напряженности при воздействии абразивной и агрессивной сред, масляном голодании, способствующих разрыву защитных разделяющих пленок и изнашиваются в основном вследствие абразивного изнашивания.
  3.  Для восстановления рабочей поверхности цилиндра в основном используют способ ремонтных размеров (для бензиновых двигателей), а для восстановления гильз цилиндров  дизелей в номинальной размер применяюются способ дополнительной ремонтной детали (ДРД) путем запрессовки «сухих» гильз (пластинирование) и способ термопластической  деформации.
  4.   При использовании пластического деформирования в ремонтном производстве восстановления первоначальных размеров детали осуществляется за счет перераспределения материала самого изделия. В этом случае материал перемещают из нерабочий зоны к изношенной поверхности под направленным действиям внешних или внутренних сил. Этот метод прост и экономичен.
  5.  В ремонтном производстве для повышения износостойкости восстановленных гильз цилиндров двигателей расточкой под ремонтный размер применяют поверхностно-пластическое деформирование в металлоплакирующей среде (МПС). Введение после хонингования дополнительной операции в технологический процесс изготовления гильз цилиндров — обкатывание гильзы роликами в присутствии МПС с получением на упрочненном поверхностном слое чугуна латунного антифрикционного покрытия толщиной до 2 мкм, что позволяет улучшить прирабатываемость рабочей поверхности и повысить износостойкость.
  6.  В настоящее время блоки цилиндров изготавливаются из сплавов алюминия. Алюминий с многообразием его сплавов - типичный лёгкий конструкционный материал, представляющий собой для многих деталей альтернативу традиционным чугунам.
  7.  Для сохранения кристаллов кремния, растачивания отверстий цилиндров  должно быть завершено в 2 технологические операции со снятием слоев материала по 0,1 мм. При хонинговании ALUSIL® следует тщательно следить за тем, чтобы кристаллы кремния резались чисто и не вырывались из внутренней поверхности.
  8.  По причине особых требований при хонинговании алюминиевых рабочих поверхностей цилиндров применимы только абразивные бруски с алмазами на пластмассовой связке. Операция хонингования KS-алмазными хонинговальными брусками должна длиться, как минимум, по 90 секунд на каждое отверстие цилиндра. Меньшее время обработки указывает на слишком высокое давление нажатия брусков вкупе с более высоким их износом.
  9.  Под раскрытием понимается осаживание окружающей кристаллы кремния алюминиевой основы. Данная операция необходима, т. к. алюминий в качестве пары скольжения для поршневых колец слишком мягок и поэтому недостаточно износостоек.

 

Перечень ссылок

  1.   Канарчук В.Е. Техническое обслуживание, ремонт и хранение автотранспортных средств. В 3-х книгах. Кн. 3. Ремонт автотранспортных средств./ Канарчук В.Е., Чигринец А.Д. – Киев: Выща школа, 1992.  – 496 с.
  2.  Капитальный ремонт автомобилей: Справочник./ Под ред. Р.В. Есенберлина.  – М.: Машиностроение, 1989. – 296 с.
  3.  Шадричев В.А. Основы технологии автостроения и ремонт автомобилей. – Л.: Машиностроение, 1976. – 560 с.
  4.  Справочник технолога авторемонтного производства. / Под ред. Г.А. Малышева. – М.: Транспорт, 1977. – 432 с.
  5.  Подригало М.А., Бесклетный М.Е., Савченков Б.В. Лабораторный практикум по освоению курса технологии ремонта автомобилей и дорожно-строительных машин. – Харьков: ХНАДУ, 2003. – 106 с.
  6.  Заренбин В.Г. Тепловой расчет на заедание  в сопряжении гильза цилиндра – поршневое кольцо.// Двигателестроение. – 1990. –  № 7. – С. 13 – 16.
  7.  Гуреев В.М., Дружинин А.М., Гельманов Р.Р. Нагарообразования и ресурс ДВС.// Вестник машиностроения. – 2009. –  № 1. – С. 29 – 31.
  8.  Двигатели ЗИЛ-130 и ЗИЛ-375. Руководство по капитальному ремонту РК 238 УССР 53000-192-90. Ч. 1, 2. – Минавтотранспорт УССР ТПО Авторемонт, 1990. – 142 с.
  9.  Двигатель ЗМЗ-53. Руководство по капитальному ремонту РК 200-РСФСР-2/1-2056-86. Ч. 1, 2. – М., 1987. – 75 с.
  10.   Хромов В.Н. Технология упрочнения и восстановления деталей машин термопластическим деформированием.// Технология машиностроения.    – 2001. – № 6. – С. 39 – 41.
  11.   Соколенко И.Н., Хромов В.Н. Упрочнение поверхностно-пластическим деформирование гильз цилиндров с одновременным нанесением антифрикционного покрытия.// Двигателестроение. – 1990. – № 9.                       – С. 39 – 26.
  12.   Ремонт алюминиевых блоков цилиндров.// MSI MOTOR SERVICE INTERNATIONAL. – 2008. – 100 с.
  13.  Автотранспорт: эксплуатация, обслуживание, ремонт. [Электронный ресурс] / – Режим доступу : http://www.avtotransp.panor.ru
  14.  Новейшие методы обработки отверстий цилиндров в алюминии Alusil и Lokasil. [Электронный ресурс] / – Режим доступу : http://www.ms-motor-service.com


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62510. Вернись в сказку 24.37 KB
  Задачи: В игровой форме повторить тему Сказки. Какие бывают сказки по содержанию волшебные бытовые про животных 2. Кто создает сказки 9. Сколько букв в слове сказка На каждую из букв подберите название литературной сказки.
62511. Основні географічні закономірності. Зміна часу 63.73 KB
  Аналіз карти часових поясів з метою виявлення основних географічних закономірностей. Обладнання: карта часових поясів зошит для практичних робіт з друкованими основами. Як ви вважаєте яким є призначення карти часових поясів...
62512. Основні географічні закономірності. Будова земної кори і форми рельєфу 31.78 KB
  Мета: закріпити знання про літосферні плити сейсмічні пояси платформи області складчастості й форми рельєфу; розвивати вміння комплексного використання карти атласу для виявлення закономірностей у розміщенні стійких і рухливих ділянок земної кори та форм рельєфу що їм відповідають...
62514. Основні географічні закономірності. Кліматичні пояси та області 30.07 KB
  Потрібно сказати про розташування поясу та його меж особливості клімату пори року якщо вони добре проявляються в цьому тепловому поясі. Кліматичний пояс Кліматичні показники Екваторіальний Високі температури повітря протягом року...
62516. Использование функций для принятия решения 23.33 KB
  При этом объем продаж случайное число от 3000 грн до 50000 грн зарплата в зависимости от выручки: если объем продаж больше 10000 грн реализатор получает зарплату 4 от выручки иначе 3. Колонку оклад заполните случайными числами...
62518. Урок - путешествие по теме Great Britain 20.5 KB
  Today we are going to make an enjoyable trip to a wonderful country, situated on an island. We`ll speak about its position and history, rivers and mountains, it`s beautiful capital. Listen to the lines from the poem of the famous writer and poet R. Kipling about this country.