38975

Повышения износостойкости рабочей поверхности цилиндра после восстановления

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Повышение качества ремонта, увеличение объема восстанавливаемых деталей, снижение себестоимости их ремонта – основные задачи авторемонтного производства. Решить их можно за счет организации капитального ремонта машин на современной основе, совершенствованием существующих и разработкой новых технологических процессов восстановления деталей машин.

Русский

2013-09-30

4.16 MB

91 чел.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

  1.  ОСОБЕНОСТИ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ ЦИЛИНДРОВ
  2.  Основные параметры
  3.  Технология изготовления и материалы
  4.  Виды рабочих поверхностей цилиндров
  5.  ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

2.1  Условия работы

2.2  Дефекты рабочей поверхности

  1.  СПОСОБЫ  ВОССТАНОВЛЕНИЯ  РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ  ЦИЛИНДРА

 3.1  Монолитные чугунные блоки

3.2  Съемные гильзы цилиндров

3.3  Монолитные алюминиевые блоки

3.4 Способ ремонтных размеров

3.5 Способ постановки дополнительной ремонтной детали

  1.  МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРА

4. 1 Алюминиевые рабочие поверхности цилиндров

4. 2 Поверхностное пластическое деформирование (ППД)

4. 3 Объемная закалка гильз

4. 4 Финишное плазменное упрочнение

4.5  Анодно-механическое хонингование

4.6  Фторуглеродная обработка цилиндров

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

РЕФЕРАТ

000: 00 с., 00 рис., 00 табл., 00 источников.

Объект исследования – рабочая поверхность цилиндров автомобильного двигателя.

Цель работы – повышения износостойкости рабочей поверхности цилиндра  после восстановления.

Метод исследования – статистический.

Рассмотрены назначения, конструктивно – технологические особенности и условия эксплуатации рабочей поверхности цилиндров автомобильных двигателей.

Исследованы условия эксплуатации и возникающие дефекты.

Произведен анализ дефектов и способов восстановления. Определены: основные дефекты  и способы восстановления в номинальный и ремонтные размеры.

Предложены новые технологии упрочнеия: Алюминиевые рабочие поверхности цилиндров, финишное плазменное упрочнение, анодно-механическое хонингование, фторуглеродная обработка цилиндров

ВОССТАНОВЛЕНИЕ, ЦИЛИНДР, ДВИГАТЕЛЬ, ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА, ИЗНАШИВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИЯ, АЛЮМИНИЕВО-КРЕМЕИЕВЫЙ СПЛАВ, РАСТАЧИВАНИЕ,  РАСКРЫТИЕ КРЕМНИЯ, ХОНИНГОВАНИЕ, ТВЕРДОСТЬ.

ВВЕДЕНИЕ

Гильза занимает среди теплонапряженных деталей двигателя внутреннего сгорания особое место как по выполняемым функциям, так и по предъявляемым к ней требованиям. Ресурс двигателя, в первую очередь, определяется надежной и долговечной работой основной трущейся пары - гильзы цилиндра и поршневого кольца. Поверхность цилиндров постепенно изнашивается, что приводит к ухудшению показателей двигателя. При этом во всех случаях эксплуатации и при любом доминирующем виде износа втулка изнашивается неравномерно по длине образующей цилиндра.[1]

Повышение качества ремонта, увеличение объема восстанавливаемых деталей, снижение себестоимости их ремонта – основные задачи авторемонтного производства. Решить их можно за счет организации капитального ремонта машин на современной основе, совершенствованием существующих и разработкой новых технологических процессов восстановления деталей машин.

О надежности и долговечности машины судят обычно по стабильности рабочих характеристик, заложенных в ней при изготовлении. В условиях эксплуатации стабильность рабочих характеристик двигателя может нарушаться вследствие многих причин, вызывающих неисправности его механизмов и систем.

Ремонт автомобилей является объективной необходимостью, которая обусловлена техническими и экономическими причинами.

Во-первых, потребности народного хозяйства в автомобилях частично удовлетворяются путем эксплуатации отремонтированных автомобилей. Во-вторых, ремонт обеспечивает дальнейшее использование тех элементов автомобилей, которые не полностью изношены. В-третьих, ремонт способствует экономии материалов, идущих на изготовление новых автомобилей. При восстановлении деталей расход металла в 20 ... 30 раз ниже, чем при их изготовлении.

Неисправности могут возникнуть в результате нарушения регулировок, устранимых в процессе эксплуатации, или вследствие естественного износа деталей сопряжений, не устранимого простой регулировкой.

Долговечность, как правило, определяется естественным износом сопрягаемых деталей.

Поддержание коэффициента технической готовности на высоком уровне в значительной мере определяется степенью удовлетворения их потребностей в запасных частях.

Обеспечение потребностей предприятий по эксплуатации и ремонту техники в запасных частях осуществляется за счет изготовления и восстановления деталей. В этих условиях большое внимание должно уделяться экономному использованию материальных средств, развитию работ по восстановлению деталей. При этом в 5 – 8 раз сокращается объем технологических операций по сравнению с изготовлением новых одноименных изделий. Стоимость восстановления, как правило, на 30 – 50 % ниже затрат на производство новых аналогичных изделий. Ресурс восстановленной детали как правило 80 %. [2]

Блок цилиндров является базовой деталью автомобильного двигателя.

Сопряжение цилиндр – поршень является подвижным соединением, подвергающихся наибольшему износу в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндр или монолитный блок является дорогой деталью, поэтому разработка технологии ремонта гильз является важной задачей для улучшения качества ремонта двигателей.

Данная робота посвящена восстановлению рабочей поверхности цилиндра и повышению его износостойкости.

1 ОСОБЕНОСТИ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ ЦИЛИНДРОВ

  1.  Основные параметры

Рабочий цилиндр — одна из главных частей поршневого двигателя внутреннего сгорания. Представляет собой камеру сгорания.

Традиционные монолитные блоки из чугуна (ВАЗ 2101, ВАЗ 2121) которые не имеют  съемных гильз (рис.1.1), после изнашивания рабочей поверхности встал вопрос их ремонта, их стали растачивать под ремонтный размер, но после последнего ремонтного размера  приходилось менять весь блок, что было нецелесообразно. Тогда  стали делать съемные чугунные гильзы (рис. 1.2) , что намного увеличило ресурс блока, позже блок стали делать из алюминия, со съемными чугунными гильзами, данные блоки цилиндров изготавливаются большей частью литьём из более дешёвого алюминиевого сплава. (рис.1.8). [3] Сейчас изготавливают монолитные алюминиевые блоки (Блок и рабочая поверхность изготовлены из алюминия), они могут быть полностью алюминиевые либо с чугунными вставками (рис. 1.3 – 1.7) . [3]

Рисунок 1.1  –Монолитный чугунный блок ВАЗ 2121.

Рисунок 1.2 – Чугунный блок со съемными гильзами

Под монолитными блоками понимаются конструкции блоков цилиндров, которые не имеют ни мокрых гильз, ни привёрнутых основных плит в форме корпуса коренных подшипников - опорной плиты (Bedplate) (рис 1.3 ). Для получения определённых поверхностей или прочности монолитные блоки могут иметь, однако, соответствующие заливаемые части в зоне отверстий цилиндров (вставки из серого чугуна, LOKASILe-Preforms), а также заливаемые части из серого или ковкого чугуна и усиления волокном в зоне отверстий под коренные подшипники. Последние, однако, не отражают состояния техники.

Рисунок 1.3 – монолитный алюминиевый блок.

Блоки из двух частей (с опорной плитой)

У данной конструкции крышки коренных подшипников коленчатого вала размещены совместно в отдельной опорной плите (рис. 1.4 ). Опорная плита соединена резьбовыми соединениями с картером и усилена залитым в алюминий шаровидным графитом с целью уменьшения люфта в коренных подшипниках, соответственно, чтобы компенсировать большее удельное температурное расширение алюминия. Таким путём достигаются чрезвычайно жёсткие конструкции блоков цилиндров. Как и у монолитных блоков цилиндров, здесь в зоне отверстий цилиндров могут также быть предусмотрены заливаемые части.

Рисунок 1.4 – Монолитный алюминиевый блок с опорной плитой Audi V8.

Конструкция "Open-Deck" с отдельными, свободно стоящими цилиндрами

У данной конструкции рубашка охлаждения открыта к плоскости разъёма головки блока цилиндров, и цилиндры стоят свободно в блоке цилиндров     (рис  1.5 ). Перенос тепла от цилиндров к охлаждающему веществу, благодаря омыванию со всех сторон, равномерный и выгодный. Относительно большое расстояние между цилиндрами влияет, однако, у многоцилиндровых двигателей отрицательно на их конструктивную длину. Благодаря открытой кверху, относительно просто сконструированной полости для охлаждающего вещества, при изготовлении можно отказаться от применения песчаных стержней. Поэтому блоки цилиндров могут изготавливаться как методом литья под низким давлением, так и литьём под давлением.

Рисунок 1.5 – Монолитный алюминиевый блок "Open-Deck"

Конструкция "Open-Deck"с вместе отлитыми цилиндрами.

Логическим выводом для уменьшения конструктивной длины блоков цилиндров со свободно стоящими цилиндрами является уменьшение расстояния между цилиндрами. Из-за сдвигания цилиндров они должны быть, однако, исполнены в совместной отливке (рис. 1.6 ). Это положительно влияет не только на конструктивную длину двигателей, но при этом увеличивается и жёсткость в верхней части цилиндров. Таким путём, можно, напр., у шестицилиндрового рядного двигателя сэкономить 60-70 мм на конструктивной длине. Перемычка между цилиндрами может быть при этом уменьшена на 7-9 мм. Данные преимущества перевешивают тот недостаток, что при охлаждении рубашка охлаждения между цилиндрами получается меньше.

Рисунок 1.6 – Монолитный алюминиевый блок "Open-Deck" с вместе отлитыми цилиндрами.

Конструкция "Closed-Deck"

При данной концепции блока цилиндров, в противоположность конструкции "Open-Deck", верх цилиндров до отверстий для входа воды со стороны головки блока цилиндров закрыт (рис 1.7 ). Это влияет особенно положительно на уплотнение головки блока цилиндров. Преимущества данной конструкции имеются, в особенности, и тогда, если существующий блок цилиндров из серого чугуна должен быть переведён в алюминий. Из-за сравнимой конструкции (уплотняемая поверхность головки блока цилиндров) головка блока цилиндров и уплотнение головки блока цилиндров не должны претерпеть никаких изменений, соотв., только незначительные.

По отношению к конструкции "Open-Deck" исполнение "Closed-Deck", естественно, труднее изготовить. Причиной является закрытая рубашка

охлаждения и из-за этого необходимый песчаный стержень рубашки охлаждения. Также выдерживание узких полей допусков толщины стенок цилиндров усложняется при применении песчаных стержней. Блоки цилиндров "Closed-Deck" могут изготавливаться как методом свободного литья в формы, так и методом литья под низким давлением.

По причине соместно отливаемых цилиндров и возникающей благодаря этому более высокой жёсткости в верхней части цилиндров данная конструкция имеет, по сравнению с конструкцией "Open-Deck", большие резервы нагрузки.

Рисунок 1.7 – Монолитный алюминиевый блок "Closed-Deck"

Алюминиевые блоки цилиндров с мокрыми гильзами

Данные блоки цилиндров изготавливаются большей частью литьём из более дешёвого алюминиевого сплава и оснащаются мокрыми гильзами цилиндров из серого чугуна. Предпосылкой применения данной концепции является овладение конструкцией "Open-Deck" со связанной с ней проблематикой уплотнения. При этом речь идёт о конструкции, которая больше не применяется при серийном изготовлении двигателей легковых автомобилей. Типичным представителем производства KS был V6- блок PRV (Peugeot/Renault/Volvo) двигателя (Рис. 1.8).

Такие блоки цилиндров применяются в настоящее время только в спортивном и гоночном двигателестроении, где проблема затрат отступает, скорее, на второй план. Там применяются, однако.

гильзы не из серого чугуна, а высокопрочные мокрые алюминиевые гильзы с рабочими поверхностями цилиндров, покрытыми никелем.

Рисунок 1.8 – Алюминиевый блок со съемными гильзами.

1.2 Технология изготовления и материалы

Блок отливают  из легированного серого чугуна (двигатели ЗИЛ-111, ЯмЗ-236, КамАЗ-740) или из алюминиевого сплава (двигатели ЗМЗ-53, ЗМЗ-24 , ЗМЗ-402.10, Alfa Romeo -TS и др.), монолитные алюминиевые блоки (двигатели Suzuki -M16A, Mercedes-Benz - SL 500, BMW-М52, М60, М62, Porsche - М96, Audi - W12).

После литья блок цилиндров подвергают искусственному старению, что уменьшает его коробление в процессе эксплуатации и обеспечивает сохранность правильной геометрической формы.

Внутренняя поверхность гильзы цилиндра является рабочей и называется зеркало цилиндра. Она подвергается специальной обработке с высокой точностью и имеет очень высокую чистоту, с твердостью 45-50 HRC. Иногда на рабочую поверхность цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра.

Материалом для гильз в большинстве случаев служит кислотоупорный высоколегированный чугун с аустенитной структурой. Основные характеристики рабочих цилиндров приведены в  (табл. 1.1)  [4,5,6,7,8 ]

Николаевским государственным гуманитарным университетом им. Петра Могилы предложен новый метод литья заготовок гильз цилиндров с повышенной износостойкостью.[9]

Суть метода заключается в процессе стабилизации мелкодисперсной металлической матрицы которая состоит в следующем: при достижении на внутренней поверхности отливки температуры 950...900 °С проводят искусственное воздушное охлаждение внутренней поверхности путем продувания отливки сжатым воздухом. При достижении отливкой температуры 800...750 °С в зону верхней мертвой точки совместно с воздухом подают хладагент, не допуская его попадания в нижнюю часть отливки.

Ускорение охлаждения всей внутренней поверхности отливки воздухом, начиная с 950...900 °С, позволяет избежать чрезмерного роста   графитовых   включений   и   получать наиболее оптимальный, с точки зрения износостойкости, пластинчатый графит среднего размера. Вторая ступень ускоренного охлаждения заготовки в интервале температур от 800...750 °С до 550...450 °С путем впрыска хладагента в зону ВМТ ведет к повышению дисперсности металлической матрицы в этом районе гильзы за счет быстрого прохождения температуры перлитного превращения. Именно этот ускоренный переход позволяет получить высокодисперсную сорбитообразную структуру металлической основы чугуна с дисперсностью перлита не выше Пд0,3. Дальнейшее охлаждение изделия происходит вне литейной формы и требует изотермической выдержки при 250...350 °С в течение 15...20 мин для стабилизации структуры металла и снятия остаточных напряжений в отливке. В результате такой термообработки в структуре чугуна на внутренней поверхности гильзы образуется равномерно распределенный пластинчатый графит средних размеров, а получаемая металлическая основа представляет собой высокодисперсную сорбитообразную структуру. Искусственное охлаждение начинают от температуры 950...900 °С с тем, чтобы как можно раньше "заглушить" процесс вторичной графитизации. Проведение охлаждения от более высоких температур приводит к отбеливанию чугуна с образованием в структуре труднообрабатываемого карбида железа.

Для равномерного износа гильз цилиндров дизелей при эксплуатации и уменьшения износа режущего инструмента при механической обработке искусственному охлаждению подвергают только зону внутренней поверхности заготовок,   прилегающую   к   ВМТ.   Гильзы цилиндров, отлитые по предлагаемой технологии, имеют твердость на рабочей поверхности в зоне ВМТ 270...340 НВ, в районе нижнего бурта - 200...230 НВ (рис. 1.9).

а – опытный отливок; б – серийный отливок.

Рисунок 1.9 – Значения твердостей и структуры.

Предложенный способ отличается от известных тем, что подача хладагента производится не для ускорения процессов кристаллизации и получения отбеленного чугуна, а для ускорения перлитного превращения в уже закристаллизовавшейся отливке, что препятствует образованию феррита при охлаждении в интервале эвтектоидного превращения.

1.3 Виды рабочих поверхностей цилиндров

1.3.1 Заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна. [3]

Данная концепция объединяет в значительной степени весовые преимущества материала алюминия и отсутствие проблем свойств скольжения рабочих поверхностей цилиндров из серого чугуна. Изготовление производится, чаще всего, выгодным методом литья под давлением (конструкция Open-Deck). При изготовлении методом литья под давлением получаются сравнительно малые зазоры между гильзой и окружающим литьём, а также, в целом, хорошие показатели теплопроводности. Для обеспечения глухой посадки гильзы из серого чугуна в блоке применяются различные методы. Простейшим методом является изготовление с канавками по наружному диаметру (рис. 1.10 а). Несмотря на применяемый метод литья под давлением, здесь могут быть, однако, проблемы с механическою связью и, тем самым, с глухой посадкой гильзы в блоке. Причиной этого являются оставшиеся между гильзой и алюминиевым блоком, хотя и очень маленькие, воздушные зазоры. Поэтому перешли к использованию так называемых гильз шероховатого литья (рис. 1.10 б). Благодаря сильно изборождённой внешней наружной поверхности при заливке происходит истинное защемление гильзы материалом блока.

а – с канавками по наружному диаметру; б – шероховатого литья.

Рисунок 1.10 – Заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна.

Дальнейшее улучшение - хотя и за счёт более высоких расходов - приносит альфинирование или плазменное покрытие гильз перед заливкой. При альфинировании гильзы покрываются вначале алюминием в ванне с чистым алюминием. Тем самым возникает особая внутренняя, металлургическая связь алюминия с гильзой из серого чугуна. При данном методе речь идёт об относительно высокозатратном методе подготовки литья. Поэтому перешли - когда это необходимо, - к тому, чтобы гильзы из серого чугуна вначале с наружной стороны сделать струйной обработкой шероховатыми, а затем покрыть напыляемым плазменным слоем из алюминия. В противоположность альфинированию, при плазменном покрытии всё же не возникает металлургической связи серого чугуна с алюминием.

Нанесённые таким способом на гильзы алюминиевые слои при заливке в блок цилиндров вновь немного оплавляются и лучше соединяются с материалом блока по сравнению с гильзами без алюминиевого покрытия. Проблемы связи, которые при известных условиях могли бы появиться, можно таким способом уменьшить или их избежать.

1.3.2 Съемные чугунные гильзы цилиндров[10]

Чугун с пластинчатым графитом сплавляют с фосфором. Дополнительные лигирующие добавки повышают износостойкость и усиливают кристаллическую решетку посредством образования бейнита и тончайшего перлита (рис. 1.11).

перлит

Рисунок 1.11 – Микроструктура чугуна.

1.3.3 Рабочие поверхность алюминиевых блоков цилиндров.[3]

Основной момент каждой концепции алюминиевых блоков цилиндров - точное определение профиля требований. Основной структурный элемент каждой концепции – рабочая поверхность цилиндра. Поскольку при применении обычных литейных алюминиевых материалов невозможно в достаточной степени реализовать свойства трения и износа, то подбирается подходящий метод для данного случая применения, оптимальный как по сроку службы рабочих поверхностей цилиндров, так и по изготовлению, а также экономически.

Большие различия имеются, как всегда, в концепциях рабочих поверхностей бензиновых и дизельных двигателей. В то время, как развитие алюминиевых рабочих поверхностей у бензиновых двигателей продвинулось очень далеко и метод ALUSIL® широко применяется в изготовлении двигателей, он до сих пор не смог пробить себе дорогу у дизельных двигателей. 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.

ALUSIL®-paбочие поверхности цилиндров

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 |jm. Данные первичные кристаллы кремния, соответствующим образом обработанные и раскрытые, без дополнительного армирования, образуют устойчивую к износу внутреннюю поверхность цилиндра для поршня и поршневых колец. (рис 1.12): речь идёт о съёмке прозрачной плёнкой1 - здесь показана с увеличением окончательно обработанная ALUSIL®–рабочая поверхность цилиндра (механическое шлифование для раскрытия). Отчётливо видны раскрытые кристаллы, выпукло лежащие в кристаллической решётке алюминия. 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 (рис 1.13) показана трёхмерная картина шероховатости окончательно обработанной  поверхности.

Рисунок 1.12 – Окончательно обработанная ALUSIL®–рабочая поверхность.

Рисунок 1.13 – Трёхмерная картина шероховатости окончательно обработанной  поверхности.

На (рис. 1.14) представлены различия строения между доэвтектическим, эвтектическим и заэвтектическим алюминиево-кремниевыми сплавами.

           

           а) эвтектический;         б) доэвтектический с зернистой структурой;

             

в) доэвтектический с улучшенной структурой;  г) заэвтектический.

Рисунок 1.14 – Различия строения между доэвтектическим, эвтектическим и заэвтектическим алюминиево-кремниевыми сплавами.

Из-за гомогенного распределения первичного кремния во всей отливке получаются в целом худшие свойства обрабатываемости со снятием стружки и меньшая стойкость инструментов, чем у стандартных алюминиевых сплавов. Меньшая скорость резания увеличивает к тому же время обработки, что негативно влияет на производственный такт выпуска.

Данная проблема при обработке может быть решена применением режущих инструментов (PKD), оснащённых алмазами. Только для изготовления отверстий в цельном материале и при нарезании резьбы не имеется инструментов, оснащённых алмазами.

Рабочие поверхности цилиндров LOKASIL®

При методе LOKASIL® стандартный сплав для литья под давлением (напр., AISi9Cu3) обогащается локально кремнием в зоне рабочих поверхностей цилиндров. Это достигается благодаря высокопористым цилиндрическим фасонным частицам из кремния, которые вкладываются в литейную форму и при методе литья прессованием  под высоким давлением заливаются в блок цилиндров. Находящийся под высоким давлением (900-1000 бар) алюминиевый сплав во время процесса литья продавливается (инфильтрируется) сквозь поры кремниевых фасонных частиц (Preform).

Необходимые для армирования рабочей поверхности цилиндра кристаллы кремния имеются, таким образом, только в зоне рабочих поверхностей цилиндров. Благодаря такому местному обогащению кремнием получают свойства рабочих поверхностей, эквивалентные ALUSIL®-MeTOfly. Благодаря меньшей доле кремния в алюминиевом сплаве получают блоки цилиндров, которые, в противоположность ALUSIL -методу, до рабочих поверхностей цилиндров очень хорошо обрабатываются резанием. На (рис. 1.15) показывается с 20-ти, соотв., 50-кратным увеличением под микроскопом разрез блока цилиндров, изготовленного LOKASIL®-Meтодом. Отчётливо видно обогащение кремнием в зоне рабочих поверхностей цилиндров (более тёмная зона).

Рисунок 1.15 – Разрез блока цилиндров, изготовленного LOKASIL®-Meтодом.

Кремний-Preforms (Рис 1.15 ) имеется в двух различных исполнениях. Различают между LOKASIL®-1 и LOKASIL®-2. Оба исполнения перед заливкой в блок цилиндров вначале ещё обжигаются в печи. При этом выгорает связка из органической смолы и активируется неорганическая связка, связывающая кристаллы кремния вплоть до заливки.

Готовая комбинация материалов содержит после заливки в блок цилиндров при LOKASIL®-1 примерно 5-7% волокна и 15 % кремния. При LOKASIL®-2 - это 25 % кремния и ровно 1% неорганической связки. Размеры частиц кремния при LOKASIL®-1 состаляют от 30 до 70 |JM, при LOKASIL -2 - от 30 до 120 |jm. На (Рис 1.16 а)  показана структура LOKASIL®-1, увеличенная под микроскопом. Отчётливо видны волокна, находящиеся между кристаллами кремния. На (Рис 1.16 б)  показана структура LOKASIL®-2.

       а                                                                б

Рисунок 1.16 –Заливаемые гильзы LOKASIL®-1 и LOKASIL®-2.

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).

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. Ради простоты и понятности в последующем тексте применяется понятие Silitec®. Здесь в одной камере металлический расплав алюминия с помощью распыляющего газа (азот) мельчайше распыляется, и, таким образом, слой за слоем образует заготовку (Рис 1.17). 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.

Таким способом полученный сырой материал в форме болта перерабатывается методом непрерывного выдавливания в трубы, которые затем, распиленные на куски, применяются как заливаемые детали для блока цилиндров . Для улучшения связи перед заливкой делают струйным способом наружную поверхность гильз шероховатой. Из-за опасности расплавления Silitec® гильз заливка производится более быстрым методом литья под давлением.

Обработка цилиндров производится как и у прочих алюминиево-кремниевых рабочих поверхностях цилиндров. Кристаллы кремния очень тонко распределены в структуре и имеют величину 4 - 10 µм (Рис 1.18). 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 поэтому в серийном производстве преимущественно раскрытие обработкой едким натром.

1– Литейный тигель; 2–Расплав; 3– Кольцевое сопло; 4– Камера набрызгивания; 5–Конус набрызгивания; 6– Заготовка; 7–Вращающаяся тарелка.

Рисунок 1.17 – Схема образования заготовки.

Рисунок 1.18 – Равномерное распределение кристаллов кремния.

Слои плазменного напыления на железной основе.

Данный метод применяется в серии уже несколько лет. 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 напрыскивается со скоростью от 80 до 100 м/с на покрываемую поверхность (Рис 1.19).

1- Водяное охлаждение; 2- Подвод горючего газа; 3- Выходное сопло; 4- Подвод порошка; 5- Плазменный луч; 6- Плазменное покрытие.

Рисунок 1.19 – Схема напыления на железной основе.

В плазменный напрыскиваемый слой из железа при необходимости могут быть дополнительно интегрированы керамические материалы. Процесс происходит при атмосферном давлении.

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.

На (рис 1.20) показан в увеличении под микроскопом разрез рабочей поверхности цилиндра с плазменным покрытием. На изображении 5 видна увеличенная рабочая поверхность готовой обработанной рабочей поверхности цилиндра. Отчётливо распознаваемы углубления в рабочей поверхности, получающиеся из пористого плазменного слоя. В углублениях может отлагаться моторное масло, что улучшает свойства трения и износа рабочей поверхности.

Рисунок 1.20 – разрез рабочей поверхности цилиндра с плазменным покрытием.

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.

2 ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

2.1  Условия работы

Гильза цилиндра работает в условиях переменных давлений в надпоршневой полости. Поршень при перемещении действует на гильзу с боковой силой и в конце каждого хода, перекладываясь с ударом о стенку гильзы, меняет направление своего движения, причём в мёртвых точках скорость его равна нулю, а потом нарастает до максимума, составляющего в автомобильных двигателях до 25 м/с при номинальной частоте вращения коленчатого вала и снова уменьшается до нуля в  мёртвой точке (рис.2.1). 

Рисунок 2.1 – Изменение скорости поршня.

По мере продвижения поршня к верхней мертвой точке возрастают давление сжатия в цилиндре и соответственно дополнительное давление  на кольцо. Высокая температура (700-800 оC) в конце сжатия ухудшает режим смазки колец вследствие уменьшения вязкости и возрастания испаряемости масла. Кроме того, во время работы  усилие шатуна в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, направлено не по оси цилиндра, а под углом к ней.

Вследствие этого на рабочей поверхности гильзы (блока) оказывается неравномерное давление в плоскостях вдоль оси вала и перпендикулярно к ней.

Стенки внутренней полости гильзы служат направляющими для поршня при его перемещениях между крайними положениями и соприкасаются с пламенем и горячими газами, достигающими температуры 1500-2500 оС. Что создает температурное поле гильзы(Рис. 2.2)

Указанные особенности работы являются причиной ускоренного износа верхней части цилиндра (рис. 2.3), при этом рабочая поверхность цилиндра приобретает по высоте форму неправильного конуса, а в поперечном сечении — форму овала.

2.2  Дефекты рабочей поверхности

Как правило, основной причиной, вызывающей необходимость ремонта, является износ поверхностей под воздействием трения. Одной из основных причин износа узлов трения большинства механизмов можно считать различие свойств материалов пары трения, прежде всего твердости. Обеспечить при изготовлении точное совпадение твердости поверхностей хотя бы двух деталей практически невозможно, поэтому обычно одну из деталей изготавливают заведомо менее износостойкой, обеспечив, по возможности, простоту ее замены.

Внутренняя поверхность гильзы цилиндров изнашивается неравномерно, как по диаметру, так и по образующей. Максимальный износ наблюдается в верхней части гильзы (рис. 2.1), в зоне, где верхнее кольцо меняет направление движения при прохождении ВМТ. В этом месте образуется кольцевая выработка, глубина которой обычно и лимитирует  срок службы гильзы цилиндра.

Дефектами, характерными для гильз и блоков цилиндров, является износ рабочей поверхности.

Предельный износ цилиндров автомобильных двигателей в пределах 0,3-04 мм. Дальнейшая эксплуатация становится затруднительной из-за ухудшения эксплуатационных характеристик.

Виды изнашивания: абразивное, гидроабразивное, усталостное, коррозионное и фреттинг- изнашивание [11]

Увеличение внутреннего диаметра и искажение правильности формы рабочей поверхности является следствием нормального износа гильз и блоков цилиндров, вызываемого истирающим действием поршневых колец.

Причины возникновения дефектов – самые различные. Неравномерный износ рабочей поверхности (рис. 2.4), внутреннее напряжение, остаточная деформация, коррозионные повреждения в результате электрохимических воздействий внешней среды, изменение физико-химических свойств материала возникающих в процессе нагрева рабочей поверхности детали до температур превышающих температуры термообработки детали и проявляющихся в снижении плотности и упругости материала детали.

Рисунок 2.4Неравномерный износ рабочей поверхности.

Отверстия цилиндра имеют признаки неравномерного износа в виде отдельных блестящих полированных мест (рис. 2.4) Поршень не имеет признаков износа или мест истирания. Двигатель теряет масло в точках стыка, особенно, однако, на радиальных уплотнительных кольцах для вала. [12]

Рабочая поверхность цилиндра имеет в верхней части металлические места с глянцевым блеском, на которых уже исчезла хонинговальная структура (рис.2.5).

Рисунок 2.5 – Блестящие места в верхней зоне цилиндра.

Такие виды износа появляются тогда, когда при эксплуатации на жаровом поясе поршня образовывается твердый масляный нагар в результате несгоревшего масла и остатков горения .Этот нагар имеет абразивный эффект и в работе приводит к повышенному износу в верхней части цилиндра от движения поршня вверх и вниз и перекладка. [12]

 

Так, основными причинами износа внутренней поверхности гильзы цилиндра является истирающее действие поршневых колец и газовая коррозия. При взрыве рабочей смеси происходит прорыв газов под кольцо, особенно под верхнее, в результате чего увеличивается удельное давление поршневых колец на стенки гильзы и ухудшаются условия смазки. Высокая температура взрыва рабочей смеси снижает вязкость масла и прочность масляной пленки. Обложенная поверхность гильзы подвергается действию газовой коррозии. В результате износа гильзы цилиндра приобретает подлинную форму неправильного конуса, а по диаметру овала.

Степень износа при трении колец о гильзу цилиндра в значительной мере зависит от режима смазки. Образование гидродинамического слоя смазки между гильзой и кольцом наиболее вероятно в средней части хода поршня, где скорости перемещения относительно велики. Многочисленные наблюдения при ремонте показывают, что непрерывной масляной пленки на поверхности гильзы нет. При замедлении движения поршня в верхней и нижней мертвых точках режим смазки можно охарактеризовать как граничное трение, поэтому эти зоны максимально подвержены износу.

Самые мелкие примеси в масле или абразивная пыль, попадающая в камеру сгорания вместе с воздухом, имеют размеры превышающие граничные масляные слои. Следовательно, поверхности трения колец и гильз разделены этими частицами. Отсюда можно сделать выводы, что износостойкость наиболее изнашиваемой пары трения определяется в значительной степени свойствами этих частиц, микротвердость которых может значительно превышать твердость металла. Кроме того, давления в камере сгорания приводят к значительным удельным нагрузкам поршневых колец на зеркало цилиндра. Давление в закольцевом пространстве может доходить до 75-85% от давления газов в цилиндре. Кроме влияния давления на износ очень важно обеспечить оптимальное охлаждение высокотемпературных зон, так как основные тепловые потоки проходят через головку поршня, кольца и верхнюю часть гильзы цилиндра. Превышение допустимых температур может привести к выгоранию масляной пленки в зоне трения и в дальнейшем привести дорогостоящему ремонту после заклинивания поршня. Большое значение для двигателей имеет еще то обстоятельство, что поступающая в цилиндры смесь смывает масло со стенок цилиндра, вследствие чего усиливаются процессы “схватывания” и при движении поршня происходит “вырыв” металла. Поэтому на поверхности изношенной гильзы типичны углубления в верхней и нижней мертвых точках. Свой вклад вносит и коррозионный износ, причиной которого является образование в поршневом пространстве различных агрессивных соединений.

Составляющие износа рабочей поверхности приведены в табл. (2.1)   [13]

3 СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРА

Основные способы восстановления рабочей поверхности это обработка под ремонтный размер и способ дополнительной ремонтной детали.

3.1  Восстановление способом ремонтных размеров   [14]

Способ восстановления включает в себя растачивание и хонингование рабочей поверхности под ремонтный размер.

В зависимости от величины износа гильзы ремонтируют растачиванием или шлифованием с последующим хонингованием.

3.1.1 Растачивание под ремонтные размеры                                             

Особенностью растачивания гильз при их восстановлении является неравномерность припуска, обусловленная характером износа.

Минимальная величина двухстороннего припуска припуска   

                                              2Zmin=(Dp-2Zхон)-(Dн+И),                               (3.1)

где   Dp – ремонтный размер, мм;

Zхон – припуск на хонингование;

Dн - размер в начале эксплуатации, номинальный, мм;

И – максимальный износ рабочей поверхности, мм.

а максимальная величина двухстороннего припуска равняется ремонтному интервалу

                                              2Zmax=(Dp-2Zхон)-Dн.                                      (3.2)

Гильзы на станке центрируют при помощи оправки, вставленной в шпиндель станка (рис. 3.1). Шаровой конец оправки должен входить в цилиндр на глубину 3 – 4 мм. 

Вылет шарового конца оправки подсчитывают по формуле:

                                           ,                                                           (3.3)

где   D – диаметр гильзы, под который производится растачивание;

d – диаметр шпинделя (оправки).

Рисунок 3.1 - Центрирование гильзы (а) и установка резца (б) при растачивании гильзы цилиндра.

При установке резца для растачивания необходимо учесть припуск на хонингование в пределах 0,06–0,08 мм на диаметр. Внутренняя рабочая поверхность расточенной гильзы может иметь овальность не более 0,04 мм, конусообразность не более 0,05 мм, шероховатость поверхности должна быть Ra= 2,5 мкм.

Настройка режущего инструмента производится с учетом диаметра шпинделя d (см. рис.3.1 б)

                                              А=                                                            (3.4)

где      D1 – диаметр гильзы.

Таблица 3.1 – Ремонтные размеры основных цилиндров автомобильных двигателей.

Ремонтный размер

Внутренний диаметр гильзы, мм

ЗИЛ-130

ЗМЗ-53

Audi 100-DR

номинальный

 

1-й ремонтный

100.5

 92.5

81.26

2-й ремонтный

101.0

 93.0

81.51

3-й ремонтный

101.5

 93.5

82.01

После установки резца на размер растачивания и подвода к обрабатываемой поверхности на расстояние 2-3 мм (величина врезания – Lвр) включают станок, предварительно настроенный на соответствующую частоту вращения шпинделя(согласно выбранной скорости)

n=, мин-1,                                                 (3.5)

где    v – скорость резания, 60-80 м/мин.

3.1.2  Хонингование

Для повышения качества рабочей поверхности, гильзу хонингуют до Ra=0,32 мкм. Геометрия отверстия должна отвечать техническим требованиям.

Хонингование гильз производят на хонинговальном станке ЗБ833 головками ПТ-1085А с шлифовальными брусками К36–5 СМ1-С1К и КЗЗ-М20 СМ1-С1К.

В качестве охлаждающей жидкости рекомендуется применять керосин. Иногда к нему добавляют 10–20 % веретенного масла.

Также для хонингования цилиндров применяют бруски из синтетических алмазов, обеспечивающие значительное повышение производительности процесса, точности обработки, уменьшение шероховатости поверхности. Стойкость брусков из синтетических алмазов в десятки раз выше стойкости обычных брусков. Для предварительного хонингования могут быть использованы бруски АС12М1, а для окончательного АСМ40М1.

Для хонингования гильзы применяют пружинящую хону (рис. 3.2), которая отличается от обычной хоны тем, что каждый брусок прижимается к поверхности гильзы отдельной пружиной. Такая хона не исправляет геометрической формы гильзы, а лишь повышает класс чистоты ее поверхности.

1 – нижний диск; 2 – пружина; 3 – стержень; 4 – державка; 5 – абразивные бруски; 6 – тяга; 7 – пружинящая коронка; 8 – натяжная гайка; 9 – верхний диск

Рисунок 3.2 – Конструкция хонинговальной головки.

Ход хонинговальной головки

H=L+2lпер-lбр ,                                                          (3.6)

где     L – длина обрабатываемой поверхности, мм;

          lбр – длина абразивного бруска, мм;

  lпер – величина пробега брусков, мм; рекомендуется 1/3 lбр.

Окружная скорость вращения определяется отношением ск-ти вращения к ск-ти возвратно-поступательного движения

                                                 ω= ,                                                          (3.7)

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

Значение окружной скорости для чугуна рекомендуется выбирать в пределах 60-75 м/мин, для стали – 40-50 м/мин.Основное время на переход – То, необходимое для удаления назначенного припуска  Z

                                          То=, мин ,                                                   (3.8)

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

При предварительном хонинговании расточенной гильзы до ремонтного размера оставляют припуск на окончательное хонингование в пределах 0,01–0,03 мм на диаметр. После предварительного хонингования на внутренней поверхности гильзы не должно быть следов износа, неровностей. Овальность не должна превышать 0,04 мм, а конусность – 0,05 мм (при температуре гильзы, равной температуре окружающего воздуха). Шероховатость поверхности должна быть не выше Ra=1,25 мкм.

После окончательного хонингования диаметр внутренней поверхности гильзы должен находиться в пределах допуска на ремонтный размер, а овальность и конусообразность не должны превышать 0,03 мм. Шероховатость поверхности должна быть Ra=0,32 мкм.

Данный способ широко применяют при ремонте цилиндро-поршневой группы двигателей, однако при износе внутренней поверхности гильз больше последнего ремонтного размера деталь бракуют.

3.2 Способ постановки дополнительной ремонтной детали

Данный способ восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров внутреннего сгорания позволяет увеличить процент повторно используемых гильз, так как появляется возможность ремонтировать гильзы после использования всех ремонтных размеров.

Способ осуществляется следующим образом. Измеряют зону износов  внутренней рабочей поверхности гильзы , на наружной поверхности которой от верхней кромки делают проточку  на длину, на 5… 10 мм превышающую зону износов внутренней рабочей поверхности гильзы. Глубина проточки не должна превышать 0,5 толщины стенки гильзы. Вычитают ремонтную стальную втулку, конфигурация которой соответствует удаляемому участку гильзы. Внутренний диаметр втулки  и наружный диаметр проточенной части гильзы  подбирают с учетом допуска на прессовую посадку.

Диаметр (Др), до которого гильзу растачивают, определяют по формуле

                                         Др=Д + 2(к-П),                                                   (3.9)

где          Д - номинальный диаметр цилиндра;

        к - толщина пластины;

        П - радиальный припуск на хонингование.

Длину пластины (Z) определяют по формуле

                                    Z=П(Др-к + а)+Т (П=3,14),                                     (3.10)

где          а - радиальное перемещение металла пластины при свертывании ее в цилиндр, 0,15-0,5 мм;

       Т - допуск на длину пластины, до 0,15 мм.

Пластины нужной длины отрезают от стальной ленты на специальном приспособлении, и свертывают их в цилиндр с помощью пресс-матриц и запрессовывают в гильзу поочередно.

Таблица 3.3 - Геометрические размеры пластин для восстановления гильз цилиндров КамАЗ-740, мм

Толщина пластин

Технологический диаметр цилиндра

Длина пластин (заготовки)

Припуск на шлифование

Длина пластин для восстановления

 0,5

120,93

379,3

 ± 0,01

 378,75

 0,55

 121,09

 379,3

 ± 0,01

 379,01

 0,57

 121,11

 379,3

 ± 0,01

 379,05

 0,6

 121,17

 379,3

 ± 0,01

 375,0

Данный способ прост в изготовлении, не требует приобретения дополнительного оборудования, но имеет ряд недостатков: ухудшается охлаждение гильзы за счет ухудшения теплоотвода, так как нарушена однородность материала; для различных гильз необходимо изготавливать различные втулки, что удорожает производство и усложняет технологический процесс.

Большое распространение это метод получил при ремонт монолитных алюминиевых блоков. Поскольку для многих двигателей поршни ремонтных размеров не поставляются, их восстанавливают способом ДРД. [15]

На специализированном расточном станке отверстия цилиндров растачивались под установку ДРД. При этом в качестве технологической базы используют  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.

В расточенные отверстия ДРД устанавливаются с натягом 0,07-0,08 мм таким образом, чтобы выборки на гильзах под противовесы коленчатого вала совпали с соответствующими выборками блока цилиндров.

После установки ДРД производится их растачивание в номинальный размер (с учетом припуска на хонингование 0,06-0,08 мм), подрезка торцов и заходной фаски.

Хонингование выполняется в три приема: черновое хонингование, чистовое хонингование (в обоих случаях керамическими брусками) и крацевание щетками, состоящими из нейлоновых волокон, армированных карбидами кремния.

После чего производится Контроль размеров цилиндров.

3.3 Монолитные чугунные блоки

Данный раздел описывает, каким образом сухие гильзы из серого чугуна могут быть встроены в блоки цилиндров из серого чугуна, соответственно, каким образом они могут быть заменены.

У блоков цилиндров из серого чугуна применяются, в основном, два вида сухих гильз. При первом исполнении речь идёт о так называемых Slip-fit-гильзах, при втором – Press-fit-гильзах. Иначе, чем у алюминиевых блоков цилиндров, изготовитель двигателей предусмотрел с самого начала возможность ремонта путём замены гильзы. Оба вида гильз имеются как запасные части у изготовителя двигателей, а также на свободном рынке запасных частей.

Уже само название даёт понятие о виде и способе монтажа данных гильз. Конструкция одинакова у обоих видов гильз. Оба исполнения имеют наружный диаметр гильзы, изготовленный в размер, а также часто буртик в зоне плоскости разъёма блока цилиндров. Единственное отличие - кроме размеров - состоит в том, что у

Press-fit -гильз рабочие поверхности цилиндров должны после запрессовки окончательно обрабатываться (хонинговаться), в то время как Slip-fit -гильзы уже окончательно обработаны и хонингованы.

Преимущества обоих типов конструкций состоят в том, что блок цилиндров можно путём установки новых гильз ремонтировать вновь и вновь. При Slip-fit -гильзах это может быть произведено даже любым механиком в мастерской, без привлечения станков.

3.3.1 Slip-fit -гильзы

Данные гильзы имеют по сравнению с основным отверстием незначительно меньший диаметр. Благодаря имеющемуся монтажному зазору величиной от =0,01 до 0,03 мм данные гильзы можно монтировать и демонтировать от руки без большого усилия. При данной конструкции буртик гильзы абсолютно необходим, для того чтобы в ходе работы двигателя удерживать гильзу в предусмотренном положении внутри блока цилиндров. При монтаже и затяжке болтов головки блока цилиндров буртик гильзы при прижиме уплотнения головки блока цилиндров зажимается в блоке цилиндров и фиксируется в осевом направлении. Недостатком Slip-fit -гильз является малый зазор между гильзой цилиндра и основным отверстием гильзы и, тем самым, несколько худшая теплопроводность между гильзой и блоком цилиндров.

3.3.2 Press-fit -гильзы

Press-fit -гильзы имеют по сравнению с основным отверстием под гильзу несколько больший наружный диаметр. Из-за перекрытия размеров в » 0,03 - 0,08 мм (в зависимости от диаметра гильзы) они должны с помощью пресса запрессовываться в блок цилиндров. Из-за прикладываемого усилия запрессовки и напряжения запрессовки в блоке цилиндров гильзы при монтаже могут слегка деформироваться, соотв., стать некруглыми. Для учёта этого гильзы в состоянии поставки вначале имеют ещё на 1 мм меньший внутренний диаметр и должны быть после запрессовки обработаны заключительным растачиванием и хонингованием в окончательный размер. Поскольку данный тип гильз получает в блоке цилиндров прессовую посадку, то буртик гильзы для её фиксации в блоке цилиндров у некоторых конструкций блоков не является необходимым, соответственно , не предусмотрен.

Для Press-fit -гильз с буртиком, однако, рекомендуется этот буртик оставлять. Особенно в критических эксплуатационных ситуациях, если дело доходит до заклинивания поршня в цилиндре, поверхностного запрессовывания по наружному диаметру гильзы часто недостаёт для поддержания её в определённой позиции. С помощью фрикционного замыкания поршня при заклинивании гильза затягивается вниз и буквально перемалывается щеками кривошипа коленчатого вала.

3.4 Монолитных алюминиевые блоки[3]

Ремонт цилиндров  двигателей с алюминиево-кремниевыми рабочими поверхностями цилиндров (ALUSIL®, LOKALSIL®, Silitec® и т.д.) может производиться аналогично обработке серого чугуна. Это означает, что блок цилиндров можно ремонтировать с помощью растачивания и хонингования в следующий ремонтный размер вновь в работоспособное состояние; затраты времени и материалов при этом разумны.

3.4.1 Повреждённые алюминиево-кремниевые рабочие поверхности цилиндров.

Для повреждённых рабочих поверхностей цилиндров, изготовленных с помощью методов ALUSIL®, LOKALSIL®, Silitec® или сравнимых с ними (лазерное легирование), в программе поставки KS имеются заготовки гильз из ALUSIL ® – сплава (ALSI17Cu4Mg). Состав материала, из которого изготовлены ALUSIL ® – заготовки, идентичен составу первоначального материала, из которого изготовлены блоки цилиндров по методу ALUSIL ®.

Размер частиц отделённых первичных кристаллов кремния, отличающаяся от размеров частиц при LOKALSIL® и Silitec®, играет при ремонте или для свойств скольжения, скорее, второстепенную роль.

Размер частиц кремния при вышеназванных методах по технологическим причинам различен. В целом считается, что большие кристаллы кремния при окончательной обработке (хонинование и раскрытие)более выгодны и не выламываются легко из стенки цилиндра. Очень маленькие размеры частиц кремния у гильз Silitec® образуются из-за технологического метода изготовления (компактное набрызгивание) и последующего необходимого формообразования (бесконечное прессование). При больших размерах частиц ухудшились бы свойства формообразования, так что желаемая величина частиц кремния - компромисс между свойствами формообразования и окончательной обрабатываемостью. Применение ALUSIL ®–гильз в блоке цилиндров, изготовленном по методу Silitec®, представляет собой технически безукоризненное решение.

3.4.2 Установка гильз

Гильзы из серого чугуна имеют по сравнению с алюминием блока цилиндров меньшее удельное температурное расширение. При эксплуатации гильзы из серого чугуна растянутся примерно только вполовину меньше, чем окружающий алюминиевый блок цилиндров. По этой причине натяг (прессовая посадка) в алюминиевом блоке цилиндров должен быть больше, чем в блоке цилиндров из серого чугуна. Из-за большего натяга и меньшей прочности алюминиевого блока цилиндров гильзы из серого чугуна нельзя запрессовывать. Требуемое давление запрессовки при определённых условиях разрушило бы блок цилиндров.

Алюминиевые гильзы, хотя и имеют одинаковый коэффициент температурного расширения с алюминиевым блоком цилиндров, однако из-за их меньшей прочности могут быть при запрессовке деформированы или разрушены. Алюминиевые гильзы, к тому же, из-за необходимой поверхностной запрессовки сразу же заклинило бы в основном отверстии. Необходимое давление запрессовки резко увеличилось бы, и гильза, а также блок цилиндров, были бы разрушены.

Формообразование посадки гильзы в алюминиевых блоках цилиндров.

При осуществлении посадки гильзы в алюминиевом блоке цилиндров имеются две различные возможности формообразования. Они представлены на нижеследующих изображениях. Буртик гильзы, удерживающий гильзу механически, в алюминиевых цилиндрах не обязателен, соотв., возможен не при любой конструкции. Благодаря большому перекрытию размеров между гильзой и основным отверстием гильзы сидят прочно в основном отверстии и без буртика. Основное преимущество буртика гильзы - точно определяемый упор гильзы при процессе горячей запрессовки. Поскольку данный процесс должен происходить быстро, не остаётся времени на выверку гильзы в основном отверстии. Гильза должна быть введена одним приёмом. Точно определяемый упор в форме буртика или глухого отверстия здесь необходим. Основное отверстие для гильзы цилиндра с буртиком представлено на (рис. 3.4 а ).

Из-за становящихся всё меньше и меньше расстояний между цилиндрами и очень узких перемычек между двумя соседними цилиндрами конструктивно остаётся мало места для введения гильзы. Буртик гильзы в зоне уплотняемой поверхности обостряет дополнительно проблематику установки. Исполнение с буртиком рекомендуется поэтому, в основном, для блоков цилиндров с неотливаемыми совместно трубами цилиндров, соотв., для блоков, перемычки которых достаточно широки для реализации буртика.

То, что можно обойтись и без буртика, показано на (рис. 3.4 б ).

Для того, чтобы придать гильзе точно определённое положение в блоке цилиндров при горячей посадке, а также при эксплуатации, основное отверстие не достигает конца рабочей поверхности. Образующийся уступ (кромка на рабочей поверхности ) служит здесь упором, который берёт на себя функцию отсутствующего буртика гильзы. Побочный эффект данного исполнения-экономия времени, поскольку отпадает изготовление буртика, соотв., посадки буртика. По причине возникающих проблем из-за того, что расстояния между цилиндрами становятся меньше, здесь может идти речь об исполнении, которое будет всё шире применяться в будущем.

Горячая запрессовка гильз с применением сухого льда.

С помощью сухого льда гильзы могут охлаждаться примерно до 80° Соотносительно простая возможность приготовления сухого льда - применение наполненной в сифонные баллоны СО2 (углекислоты). К физическому принципу: при выходе газа образуется, вследствие внезапного расширения, сухой лёд. Сухой лёд может собираться в изолированном резервуаре. Данный изолированный резервуар должен удовлетворять нужным требованиям в части изоляции и прочности. Целесообразно применение кожаного мешка. Для охлаждения гильзы кладут в соответствующий футляр (достаточно бумажной коробки) и обкладывают сухим льдом.

Горячая запрессовка гильз с применением жидкого азота.

Гильзу цилиндра кладут в жидкий азот (Рис. 3.3), она приобретает при этом температуру от -180° до -200° С.

Рисунок 3. 3 – Охлаждение жидким азотом.

Подогрев блока цилиндров

Идеальной для подогрева блока цилиндров является печь подогрева соответствующего размера. Блок цилиндров помещается з печь, нагретую до 120-140" С, и остается там примерно на 20-30 минут. Подогрев блока цилиндров может производиться также в горячей масляной ванне. Основные отверстия должны быть перед горячей запрессовкой очищены от прилипшего масла. Ни в коей случае нельзя подогревать блок цилиндров открытым пламенем Неравномерный подогрев блока цилиндров может вызвать остаточное коробление материалов и сделать блок цилиндров непригодным.

Для обеспечения надёжной установки необходима разность температур между блоком цилиндров и гильзой сколо 200° С.

Для обеспечения надёжной установки необходима разность температур между блоком цилиндров и гильзой около 200° С.

Перед установкой алюминиевых гильз с применением жидкого азота подогрев блока цилиндров не обязателен. Если всё же имеется такая возможность, в общем, рекомендуется подогрев блока цилиндров до 100-120° С.

Установка гильзы цилиндра

Установка гильзы цилиндра (Рис. 3.4) вообще проста. Благодаря охлаждению гильзы цилиндра её диаметр уменьшается примерно на 0,15 мм, в то время как благодаря подогреву блока цилиндров основное отверстие увеличивается примерно на 0,10 мм, - так что при установке гильзы получается - за вычетом желаемого перекрытия в ~0,1 мм - монтажный зазор величиной от =0,15 до 0,20 мм. Гильзы всё же должны быть установлены относительно быстро и за один ход. При установке в блок цилиндров гильза должна буквально упасть в основное отверстие. При этом она может при установке в блок цилиндров несколько отскочить. По этой причине гильзу следует моментально дожать с помощью куска дерева или пластмассы, чтобы она не осталась в положении отскока. Гильза сразу же сядет жёстко, как только выравняются температуры гильзы и отверстия. Если гильза сядет жёстко в неправильном положении, то процесс горячей запрессовки прошёл неверно и должен быть повторён. До-жатие - также с помощью пресса - невозможно. Аварийная гильза должна быть тогда высверлена на сверлильном станке и удалена. Тогда вновь растачивают гильзу до остаточной толщины стенки 0,3-0,5 мм и удаляют тонкую остаточную часть с помощью отвёртки. 

Рисунок 3.4 – Запресовка гильзы в блок.

После установки гильзы (гильз) и выверки блока цилиндров он подвергается торцеванию (Рис. 3.5). Слой удаляемого материала должен быть 0,1 мм для обеспечения полной плоскости разъёма блока цилиндров.

Рисунок 3.5 – Торцевание блока цилиндров.

3.5 Съемные гильзы

Съемные гильзы цилиндров можно ремонтировать как растачиванием в ремонтный размер ,  постановкой ДРД.

3.5.1 Восстановление термопластическим деформированием

Способ заключается в нагреве наружней поверхности гильзы в индукторе в течение нескольких секунд до температуры 700…7500С и последующем быстром охлаждении в масле. При этом рабочая часть гильзы сокращается на величину до 0,1 мм, что позволяет дальнейшей механической обработкой восстановить требуемый размер.

Градиент температур создают в стенке детали непрерывно-последовательно вдоль оси детали.

При создании градиента температур деталь нагревают, например, током высокой частоты, а охлаждают струями воды.

Нагрев и охлаждение детали ведут в процессе перемещения детали, относительно источников со скоростью не более 3–4 мм/с, при этом температуру нагрева устанавливают не более 870–920 °С (рис. 3.6).

а – при расположении источников нагрева и охлаждения внутри детали;  б – при расположении источника нагрева снаружи детали, а источника охлаждения внутри ее;  в - при расположении источников нагрева и охлаждения снаружи детали; 1 – восстанавливаемая деталь; 2 – источник нагрева; 3 – источник охлаждения(вода).

Рисунок 3.6 – Схема обработки детали ТВЧ:

Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности преимущественно стальных и чугунных деталей типа гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания осуществляется путем создания градиента температур посредством воздействия на деталь 1 источника 2 нагрева и источника 3 охлаждения (рис. 3.6), при этом градиент температур создают в стенке детали непрерывно – последовательно вдоль оси детали, нагрев осуществляют, например, током высокой частоты (ТВЧ), а охлаждают, например, струями воды.

При нагреве и охлаждении деталь перемещают относительно источников на грева ТВЧ и охлаждения со скоростью не более 3 – 4 мм/с, а температуру нагрева устанавливают при этом не более 870–920° С.

В результате создания температурного градиента возникают резко изменяющиеся (как от точки к точке тела, так и в каждой точке во времени) тепловые (термические) напряжения. При этом в нагретых участках возникают окружные напряжения сжатия, а в холодных – напряжения-растяжения. Нагретые участки металла стремятся расшириться, но этому препятствуют более холодные участки цилиндра, поэтому нагретые участки оказываются сжатыми, и, в свою очередь, действуют на холодную часть цилиндра как симметрично приложенная сила растяжения. Поскольку предел прочности металла с повышением температуры падает, то будет происходить деформация в сторону сжатия, т.е. вовнутрь цилиндра.

Результаты исследования показывают, что при создании в полой детали осевого температурного градиента ней появляется пластическая деформация (уменьшение внутреннего диаметра).

Пластическая деформация наблюдается как у детали, изготовленной из чугуна, так и из стали.

Величина деформации зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются максимальная температура нагрева и форма температурного поля в детали, физико-механические свойства материала детали, скорость перемещения источников нагрева и охлаждения относительно детали, геометрические размеры детали, интенсивность охлаждения.

Процесс осуществляется следующим образом. Чугунная деталь – гильза двигателя устанавливается на стол устройства. Затем со скоростью 1,5 мм/с относительно индуктора гильза перемещается с непрерывно-последовательным нагревом внутренней поверхности до 870 °С и охлаждением струями воды с температурой 200С и расходом 15 л/мин. При этом величина радиальной деформации Е составляет в среднем 0,7 мм. Затрата подготовительного, основного и заключительного времени на восстановление одной гильзы составляет 2 мин.

3.5.2 Гальваномеханический способ восстановления

Проведенные исследования показали, что применение гальваномеханического способа при восстановлении деталей машин наиболее полно удовлетворяет требованиям ремонтного производства. Отличительной его особенностью является то, что в процессе электролиза покрываемая поверхность подвергается механическому активированию (царапанию) абразивными или алмазными инструментами в виде лент или брусков, которые перемещаются в межэлектродном пространстве. [18]

Механическое активирование способствует снижению перенапряжения разряда оседаемого металла за счет уменьшения концентрационных ограничений, интенсивного удаления с поверхности катода адсорбировавшихся гидридов, гидроокисей и газообразного водорода. Все это позволяет в десятки раз увеличивать рабочие плотности тока при нанесении хрома, никеля, кобальта, меди и существенно повышать скорость их осаждения.

Данный способ представляет собой разновидность электрохимического хонингования, где в качестве СОЖ используется электролит для нанесения соответствующего металла, и сводится к предварительному хонингованию, электроосаждению металла с одновременным хонингованием при незначительном давлении брусков и к окончательному хонингованию для получения необходимой геометрии обрабатываемой поверхности. Таким образом, весь технологический процесс осуществляется с одной установки на одном и том же оборудовании.

Постоянное хонингование обрабатываемой поверхности во время электроосаждения, высокая скорость циркуляции электролита при малом межэлектродном зазоре обеспечивают высокую скорость осаждения металла, которая в 20 – 50 раз выше, чем при стационарных условиях нанесения покрытий.

Технологический процесс сводится к обезжириванию, промывке в воде, гальваномеханическому процессу нанесения покрытий (декапирование 15…85 с, нанесение покрытия с выходом на режим в течение 8…10 мин, с плавным увеличением Dк и Ра до оптимального), последующей промывке детали в проточной воде, их нейтрализации и ополаскиванию.

Существуют установки для нанесения покрытий гальваномеханическим способом. Но появляется необходимость в их приобретении, что повышает затраты на восстановления гильзы. Предлагаемое приспособление предназначено для закрепления гильз на хонинговальном станке 3Б833 для восстановления гильз гальваномеханическим способом. Так как этот станок широко распространен, то нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование (рис. 3.4) [19].

Трубопроводы соединяются через кран-распределитель (3), который связан через нагнетательный трубопровод (4) с корпусом приспособления. К режущему инструменту (электрод-инструмент) (13) прикреплены электроды (14), которые подсоединены к источнику питания через токосъемное устройство (12). На гильзу (электрод-деталь) также подается напряжение через призмы.

  1.  Так, лучшее качество покрытий достигается при гальваномеханическом хромировании при использовании абразивных (24AM40IIC2KII, 64СМ4СПСМ210Б), минералокерамических ВОК-60 и алмазных брусков (ACM 40/28-PI4E – 100%), а при железнении данным способом – соответственно абразивных (63С40ПСТ1Б, 64СМ40ПСМ2К10) и алмазных (КАБХ ACBI25/I00 BС-2, АББХ АСО 80/63 PI8T 100%) [16].

Варьируя катодной плотностью тока Dk и величиной давления инструмента Ра можно управлять формированием структуры покрытий и величин пористости.

Выявлено, что увеличение Dk, Pa и снижение tэл способствуют увеличению маслоемкости и смачивающейся способности покрытий хрома и железа, которая выше у аналогичных покрытий, полученных другими способами.

Наиболее существенное влияние на производительность гальваномеханического способа нанесения покрытий оказывают температура электролита, катодная плотность тока и тип применяемого инструмента. Замечено, что при гальваномеханическом хромировании производительность увеличивается в 20…50 раз, а при железнении по сравнению со стационарными условиями электролиза – в 5…10 раз.

4  МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРА

4.1 Алюминиевые рабочие поверхности цилиндров[3]

Обработка алюминиевых блоков цилиндров отличается от обработки блоков цилиндров из серого чугуна. Нижеприведённые способы обработки по надёжности процесса, а также достижимым результатам тесно опираются на применяемую в серийном производстве обработку алюминиевых цилиндров.

На (Рис. 4.1) схематически представлены отдельные технологические операции обработки. Для обработки алюминиево-кремниевых поверхностей следует подчеркнуть, что каждая из описанных технологических операций важна для конечного результата. Ошибку, совершённую уже при сверлении (напр., применение не того или тупого инструмента, а также невыдерживание параметров обработки), не удастся при последующих операциях скорректировать. То же самое относится к следующей за сверлением операцией хонингования. Только выдерживание названных параметров обработки обеспечивает, что кристаллы кремния, представляющие собой твёрдое и износоустойчивое армирование рабочей поверхности цилиндра, будут точно обработаны и не вырваны.

В серийном производстве собственно хонингование подразделяется на две операции обработки: предварительное и чистовое хонингование (Рис. 4.2).

Предварительное хонингование производится в серийном производстве алмазными хонинговальными брусками с металлической связкой и может отпасть при среднем и капитальном ремонте алюминиевых блоков цилиндров. Предварительное хонингование производится в серийном производстве для уменьшения времени обработки и увеличения стойкости инструмента. Предприятию по ремонту двигателей данная операция не даёт преимуществ. Причиной являются большой расход инструмента и требующаяся большая трудоёмкость обработки.

Рисунок 4.2 – Процесс хонингования алюминия.

Твёрдость связки у алмазных брусков с металлической связкой сильно влияет на поведение при износе и, тем самым, на эффект самозатачивания брусков. Это означает, что такие инструменты должны время от времени проверяться, соотв., затачиваться для поддержания производительности резания. Если упустить необходимую заточку затупившихся хонинговальных брусков, всё равно останется ещё хорошая производительность резания. Потерю кристаллов кремния на рабочей поверхности цилиндра, которая будет следствием этого, последующими операциями хонингования уже нельзя будет компенсировать. По этой причине мы рекомендуем при чистовом хонинговании применение алмазных хонинговальных брусков со связкой из искусственной смолы. Производительность снятия материала и процесс самозатачивания брусков хороши, результаты обработки оптимальны и несколько большие затраты времени при обработке незначительны.

Быстрое охлаждение участков заготовки блока в зоне цилиндров приводит к направленной кристаллизации кремния y зеркала цилиндров. Далее, после механической обработки (при хонинговании алюминиевых цилиндров абразивные бруски должны одновременно срезать мягкий алюминиевый сплав и твердые зерна кремния рис.4.3 а) поверхность цилиндров дополнительно обрабатывают химическим травлением . В результате этой операции кислота, взаимодействуя преимущественно с алюминием, «вымывает» его слой толщиной несколько микрометров, оставляя на поверхности лишь кристаллы кремния. После полирования кремниевой пастой поверхность алюминиевого цилиндра приобретает пористость между зернами кремния образуются микрообъемы, заполняемые маслом (рис.4.3 б).

                             а                                                    б

а - поршневое кольцо; b, d - зерна кремния; с - алюминиевый сплав; е – масло

Рисунок 4.3 – Образование износостойкой рабочей поверхности при обработке.

Поршень, и поршневые кольца будут «работать» не по алюминию, а по твердому кремнию - износостойкость и долговечность этих пар трения гарантирована, причем она заметно выше, чем у обычных чугунных цилиндров. При этом поршневые кольца, все без исключения, должны иметь твердое хромовое покрытие, поскольку именно этот металл обеспечивает наивысшую износостойкость в паре с кремнием.

4.2 Поверхностное пластическое деформирование (ППД) [13]

Эффективный способ повышения износостойкости трущихся поверхностей детали в условиях граничной смазки, основанный на использовании пластических свойств материала. В результате такой обработки удаляются риски и микротрещины от предыдущей обработки, увеличиваются твёрдость, износо- и коррозионостойкость поверхности и её усталостная прочность. В настоящее время существует значительное количество способов ППД. Об эффективности способов ППД по сравнению с наиболее распространёнными видами чистовой обработки гильз цилиндров можно судить по данным.

Результаты экспериментов показали, что износ поверхностей у образцов после упрочняющей обработки в период приработки меньше в 1,1-1,8 раза, а темп изнашивания в период естественного изнашивания меньше в 2 раза.

Поверхностный слой, раскатанный при оптимальных режимах, имеет повышенную (на 18-27 %)  микротвёрдость. Наибольшее её повышение наблюдается у перлитных чугунов, графитовые включения которых имеют меньшую длину, более обособлены и завихрены. Толщина слоя с повышенной микротвёрдостью колеблется в пределах 0,05-0,5 мм: чем больше диаметр деформирующего элемента, тем толще слой с повышенной микротвёрдостью. Кроме того, при раскатывании происходит некоторое измельчение графитовых включений, зёрна перлита после деформации имеют другую ориентировку по сравнению с исходной. Форма зёрен становится сплюснутой в направлении радиальных сил деформации. Вместе с тем, в подавляющем большинстве случаев, как утверждают авторы работ можно подобрать оптимальные параметры деформирующего элемента, обеспечивающие сохранение или даже улучшение исходной макрогеометрии Несомненным положительным моментом следует считать то, что ППД является окончательной операцией и возможно как в промышленном, так и в ремонтном производстве.

В работах приводятся примеры исследований упрочнения гильз цилиндров ППД с одновременным нанесением антифрикционного покрытия. Этот метод превосходит по эффективности фосфатирование, направленное хонингование и алмазное вибровыглаживание , а полученные результаты  после пробега укомплектованных двигателей 5-25 тыс.км показали, что обработка гильз этим методом в сравнении с алмазным хонингованием позволяет: повысить ресурс работы деталей ЦПГ в 1,9-2,6 раза; ускорить приработку в паре гильза – кольцо до 2 раз; сократить расход топлива двигателей ЗМЗ-53, ЗМЗ-24 на 0,4-0,5л/100 км; уменьшить коэффициент трения до 30%; повысить в 1,8-5,0 раз износостойкость рабочей поверхности гильзы; подвергать обработке только её верхнюю наиболее изнашиваемую часть.

Существенным недостатком этого метода является малая толщина антифрикционного слоя (до 5 мкм), что в условиях ведущего абразивного изнашивания будет недостаточно и, как следствие, может вызвать другие виды износа, уменьшая ресурс гильзы.

4.3 Объемная закалка гильз [13]

Объемная закалка с отпуском применяется для дизельных двигателей, (ЯМЗ – 236, КамАЗ–740). Их твёрдость после закалки достигает 38-48 НRС в зависимости от различных факторов. Объемная закалка вызывает увеличение твердости не только поверхности , но и его сердцевины. Удельный износ таких гильз составляет в зависимости от условий эксплуатации автомобиля 0,5-2,0 мкм/1000 км.

Однако при объемной закалке рабочей поверхности гильз существует большая вероятность геометрической деформации, образования трещин на закаливаемой поверхности, получения неоднородной твёрдости как по окружности, так и по высоте, неоднородности структуры (наличие обособленных микроучастков структурно-свободного феррита в структуре закалённого слоя и т.п.), что является причиной повышенного износа гильз цилиндров. Для предотвращения этих нежелательных дефектов исследователи подбирают оптимальные режимы закалки (время нагрева под закалку, наличие подогрева перед закалкой, интенсивность наружного и (или) внутреннего охлаждения и т.д.) для каждого определённого химического состава чугуна.

4.4 Финишное плазменное упрочнение  [20,21]              

                                   

Сущность финишного плазменного упрочнения состоит в нанесении износостойкого алмазоподобного нанопокрытия при атмосферном давлении. Покрытие является продуктом плазмохимических реакций паров реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 – Финишное плазменное упрочнение гильзы цилиндра.

Эффект от финишного плазменного упрочнения достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.

Оборудование для ФПУ включает в себя источник тока, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, плазмотрон с плазмохимическим генератором. Дополнительно данное оборудование может комплектоваться манипулятором, блоком автономного охлаждения, мобильной вытяжной системой и прибором контроля нанесения покрытия.

Технологический процесс финишного плазменного упрочнения проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Скорость перемещения - 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием - 10-15 мм, диаметр пятна упрочнения - 12-15 мм, толщина покрытия - 0,5-3 мкм. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100 – 150 °С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является специальный жидкий двухкомпонентный препарат СЕТОЛ (кремнийорганический полимер). Его расход не превышает 0,5 г/ч.

Преимущества перед известными аналогами

Повышена износостойкость гильз цилиндров на 25-37 %, снижены вредные выбросы на 15-20 %.

Контроль качества финишного плазменного упрочнения осуществляется по наличию и сравнению цветовой гаммы покрытия на обработанной поверхности и эталона.

4.5 Анодно-механическое хонингование[18]

Как известно, при анодно-механической обработке съем металла происходит за счет электроэрозионных и электрохимических явлений. В любом режиме в межэлектродном промежутке протекают соответствующие электрохимические процессы, поскольку рабочей жидкостью является электролит.

Электрические разряды, возникающие между электродами и обусловливающие электроэрозию, можно рассматривать как отдельные источники тепла быстродвижущиеся по поверхности электрода-заготовки. При этом тепло распространяется вглубь металла по законам теплопроводности. Глубина проникновения тепла будет зависеть от мощности электрического разряда, скорости движения электродов, свойств окружающей среды и т.д. Вокруг быстродвижущейся точки образуются температурные зоны сферической формы. В той зоне, где нагрев достигает температуры плавления и выше, металл плавится частично испаряется и, удаляясь потоком рабочей жидкости и электрод-инструментом, образует лунки. В последующих нижележащих зонах происходит изменение структуры. В зоне, где температура достигает температуры закалки и выше появляется так называемый «белый» слой, который характеризуется низкой травимостью, высокой твердостью и износостойкостью. Используя эти свойства «белого» слоя, можно повысить ресурс гильз цилиндров.

Образовавшиеся на обработанной поверхности эрозионные лунки удерживают частички смазочного материала, тем самым, повышая маслоемкость и, как следствие, износостойкость поверхности. [19]

Числовые значения показателей шероховатости полученных с помощью профилометра Mitutoyo SJ-201P приведены в таблице 4.1.

Анализ данных таблицы 4.1 показывает,  что двукратное АМХ позволяет получить плосковершинную поверхность с наибольшей маслоемкостью Vo порядка 0,042…0,105 мм3/см2, что в 2…4 раз выше чем после  плосковершинного хонингования при практически одинаковой опорной длине профиля поверхности.

Износ зеркала гильзы обработанной АМХ получается меньше на 22…25% износа зеркала после абразивного хонингования.

4.6 Фторуглеродная обработка цилиндров

Для повышения износостойкости гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания при использовании в качестве моторного топлива нефтяных и альтернативных топлив, в том числе растительного масла, предлагаем наносить на поверхность гильз цилиндров покрытие, которое в отличие от прототипа выполнено из 3 10% эмульсии фторуглерода с последующей термообработкой при 150 - 250oC в течение 0,5 1,5 ч.

Для подтверждения предлагаемого способа повышения износостойкости гильз цилиндров были проведены испытания дизеля 248,5/11 при работе на рапсовом масле.

Дизельный двигатель был выбран потому, что работает в более жестких условиях, чем карбюраторный (Браславский М. И. и др. Судовая теплоэнергетика. Справочник. М. Транспорт, 1983, с. 312).

В качестве топлива выбрано рапсовое масло потому, что, во-первых, переход на альтернативные топлива приводит к увеличению износа двигателя (Терентьев Г. А. и др. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М. Химия, 1989, с. 272; Фукс И. Г. и др. Химия и технология топлив и масел. 1992, N 4, с. 34 39 и N 6 с. 34 40), а, во-вторых, потому что в Европе наибольшее распространение из альтернативных топлив растительного происхождения получило именно рапсовое масло (Ihrig H. Ibid. 1990, Bd. 35, N 8, S. 1 19).

Гильзу цилиндра покрывают с помощью пульверизатора 10%-ой эмульсией фторуглерода, затем помещают в сушильный шкаф, где подвергают термической обработке при 150oC в течение 1,5 ч. Другие условия осуществления способа включают те же операции, но выполняются при других параметрах режима и приведены в таблице, примеры 3 и 4.

Во всех опытах двигатель работал 50 ч на установившемся режиме после 30 ч откатки. При этом использовалось масло М1OB2. Износ втулок определяли методом вырезанных лунок, применяя прибор УПОИ-6 [22].

Результаты испытаний приведены в таблице 4.2.

Данные, представленные в таблице, показывают, что предложенная обработка позволяет снизить скорость изнашивания поршневых втулок в 1,66 2,29 раза, а поршневых колец в 1,39 2,0 раза.

Нижний температурный предел выбран из экономических соображений. Снижение обработки ниже 150 oC приведет к резкому увеличению времени обработки, что вызовет увеличение расхода электроэнергии и снижение производительности труда.

Верхний температурный предел определяется свойствами материала гильзы цилиндра при повышении температуры обработки гильзы цилиндра может произойти ее разупрочнение.

Нижний временной интервал определяется минимальным сроком обработки, необходимым для завершения процесса модификации поверхности гильзы цилиндра, верхний экономическими соображениями.

В настоящее время процесс проходит эксплуатационную проверку на Ленинградском дизельном заводе на среднеоборотных и высокооборотных дизелях.

Способ повышения износостойкости гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве моторного топлива нефтяное и альтернативное топливо, преимущественно растительное масло, заключающийся в том, что на поверхность гильзы наносят покрытие, отличающийся тем, что в качестве покрытия используют 3 10%-ную эмульсию фторуглерода, а после нанесения покрытия поверхность гильзы подвергают термообработке в течение 0,5 1,5 ч при 150 250oС.

Таблица 4.3 – Способы обработки и параметр шероховатости

Вид обработки

Параметр шероховатости Ra, мкм

Толщина упрочнения, мм

Твердость

ППД

роликами   

0,32-0,08

0,10-0,15

60-65 HRC

шариками

0,32-0,08

0,10-0,15

60-65 HRC

Закалка ТВЧ

0,3-0,4

2,0-2,5

45-50 HRC

ФПУ

0,1-0,32

0,5-3 мкм

52 ГПа

ВЫВОДЫ

1. Основной дефект рабочей поверхности цилиндра это износ рабочей поверхности, который является следствием естественного износа, который складывается из абразивного, гидроабразивного, усталостного, коррозионного и фреттинг- изнашивания .

2. Неравномерность изнашивания  рабочей поверхности, а также внутренних напряжений и остаточных деформаций ухудшают работоспособность цилиндра двигателя.

3. Основные способы восстановления рабочей поверхности это обработка под ремонтный размер и восстановление способом дополнительной ремонтной детали.

4. Для повышения износостойкости рабочей поверхности применяют: поверхностно пластическое упрочнение и финишное плазменное упрочнение, анодно-механическое хонингование, фторуглеродную обработку, ППД, покрытие кремнием. Для гильз цилиндров дизельных двигателей используют объемную закалку.

5. Стоимость восстановления рабочих цилиндров на 30-50 % ниже стоимости производства новых при сохранении износостойкости. При восстановлении гильз цилиндров расход металла в 20 ... 30 раз ниже, чем при их изготовлении.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Андреев В.І., Клименко Л.П. Шляхи зменшення витрат масла на вигар у тракторних двигунах // Наукові праці: Науково-методичний журнал. - Вип. 8. Екологія. - Миколаїв: Вид-во МДГУ ім. П. Могили, 2002.

2. ГОСТ 22581-77 – Автомобили и их составные части выпускаемые из капитального ремонта (Общие технические требования).- Москва: Госстандарт. – 32 с.

3. MSI Motor Servise International GmbH ( Ремонт алюминиевых блоков цилиндров), Kolbenschmidt Pierburg AG, 2006 .  100 с.

4. Технические условия на капитальный ремонт автомобиля ЗИЛ-130.- Москва: Транспорт, 1966 .- 519 с.

5. Техническое обслуживание и ремонт – Автомобили КамАЗ.    Москва: Транспорт, 1988 . -250 с.

6. Технические условия на капитальный ремонт двигателя ЯМЗ-236. 1966. Москва: Транспорт - 255 с

7. http://www.automn.ru

8. http://www.automnl.com

9. Научные работы, том 73 с.51-56

10. Сервис Авто №6/7 , 2006

11. ДСТУ 2823-94 - Зносостійкість виробів тертя, зношування та змащення. Терміни та визначення.-Київ: Держстандарт.- 31 с.

12.  http://astralog.narod.ru/defekty-porhnei/cilindry-i-gilzy.html

13. htth://www.autoslesar.net

14. Лабораторный практикум по освоению курса – «Технология ремонта автомобилей и дорожно-строительных машин»  - Харьков: ХНАДУ, 2000.- 107 с.

15. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. издание – М.: Издательство «За рулем», 1999 . - 441 с.

16. Черемпей В.А., Петров Ю.Н., Корнейчук Н.И. Особенности гальваномеханического хромирования. – М.: МДНТП, 2001.

17. А. Хасуи, О. Моригаки. Наплавка и напыление. Пер. с яп. В.Н. Попова, под ред. В.С. Степина, Н.Г. Шестеркина. – М.: Машиностроение, 1985.

18. Патент №2242337 RU C2 МПК7 В 23Н 5/06. Способ анодно-механи-ческого хонингования Р.Р. Шайхутдинов, Фасхутдинов X.С, Андреев Р.А., Фасхутдинов М.Х. – №2002124508/02; заявл. 13.09.2002; опубл. 20.12.2004, Бюл. № 35.

19. Шайхутдинов, Р.Р. Анодно-механическая обработка гильз цилиндров ДВС [Текст] / Р.Р. Шайхутдинов, X.С. Фасхутдинов // Сб. науч. трудов IV междунар. науч.-практич. конференции «Автомобиль и техносфера» (ICATS, 14-16 июня 2005). – Казань, 2005 г. – С.265-266.

20. http://www.plasmacentre.ru/works/28.php

21. http://nanoplazma.ru/tehnologii/fpu

22. Сомов В. А. Бенуа Г. Ф. Шепельский Ю. Л. Эффективное использование моторных масел на речном флоте. М. Транспорт, 1985, с. 231.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12550. МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОШАБЛОНОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 1.31 MB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N4 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОШАБЛОНОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО СОДЕРЖАНИЕ Цель работы3 Теоретические сведения3 Контрольные вопросы18 Литература21 Лабораторное задание22 Порядок выполнения ла...
12551. ЗАКОНЫ И МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ 237 KB
  А.Э. Лойко К.И. Корякин Законы и методы термодинамики тестовые задания к лабораторному практикуму ЕкатеринбургУГТУ – УПИ2008 Авторы:А.Э. Лойко К.И. Корякин ЗАКОНЫ И МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИКИ: тестовые задания к лабораторному практикуму / А.Э. Лойко...
12552. Измерение показателя адиабаты акустическим методом 469 KB
  Лабораторная работа №5т Измерение показателя адиабаты акустическим методом Введение Скорость звука может быть выражена через коэффициент адиабатной сжимаемости среды. Сжимаемость вычисляется через уравнение состояния. Следовательно опыты по измерению ско...
12553. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: Разработка прикладного решения средствами 1С: Предприятие 8.2 5.19 MB
  Карпухина Н.Н. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: Разработка прикладного решения средствами 1С: Предприятие 8.2 Учебное пособие Специальность 080801 Прикладная информатика в экономике Карпухина Н.Н. Экономические информационные системы: Разработ...
12554. ЗВУКОВАЯ ДИАФРАГМА 222 KB
  ОТЧЕТ по лабораторной работе № 3м звуковая диафрагма ВВЕДЕНИЕ Целью настоящей работы является ознакомление с основными законами истечения газа из резервуара через сужающиеся насадки в частности через звуковую диафрагму применяемую на практике для стабилизации...
12555. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕНЗОМЕТРОВ 202.5 KB
  ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕНЗОМЕТРОВ отчет по лабораторной работе № 4т ВВЕДЕНИЕ Явление магнитострикции заключается в изменении формы и размеров ферромагнетика при изменении его намагничен...
12556. Давление насыщенного пара, жидкости и твердого тела 804 KB
  ОТЧЁТ по лабораторной работе № 2т: Давление насыщенного пара жидкости и твердого тела Введение Известно что жидкость находящаяся в открытом сосуде испаряется и тем быстрее чем выше ее температура чем больше свободная поверхность чем эффективнее удаляется ...
12558. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И СКОРОСТИ ГАЗОВ 373 KB
  ОТЧЕТ по лабораторной работе №5М ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И СКОРОСТИ ГАЗОВ ВВЕДЕНИЕ Возможности теоретического решения задач аэродинамики ограничены поэтому эксперимент часто является единственным источником сведений о взаимодействия потока газа с различными тел