38978

Повышение износостойкости рабочей поверхности цилиндра после восстановления. Методы упрочнения рабочей поверхности

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Объект исследования – рабочая поверхность цилиндров автомобильного двигателя. Рассмотрены назначения конструктивно – технологические особенности и условия эксплуатации рабочей поверхности цилиндров автомобильных двигателей. Предложены новые технологии упрочнеия: Алюминиевые рабочие поверхности цилиндров финишное плазменное упрочнение анодномеханическое хонингование фторуглеродная обработка цилиндров АВТОМОБИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ РАБОЧИЙ ЦИЛИНДР ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА ИЗНАШИВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОКРЕМНИЕВЫЙ СПЛАВ РАСКРЫТИЕ...

Русский

2013-09-30

7.84 MB

75 чел.

РЕФЕРАТ

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

Объект исследования – рабочая поверхность цилиндров автомобильного двигателя.

Цель работы – повышение износостойкости рабочей поверхности цилиндра  после восстановления.

Метод исследования – экспериментально – 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

АВТОМОБИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, РАБОЧИЙ ЦИЛИНДР, ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА, ИЗНАШИВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ, АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫЙ СПЛАВ, РАСКРЫТИЕ КРЕМНИЯ, РАСТАЧИВАНИЕ,  ХОНИНГОВАНИЕ, ТВЕРДОСТЬ.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

  1.  ОСОБЕНОСТИ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ ЦИЛИНДРОВ
  2.  Монолитные блоки цилиндров
  3.  Гильзы цилиндров
  4.   Особенности алюминиевых блоков
  5.  Характеристика используемых материалов
  6.  УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ

2.1  Условия работы

2.2  Дефекты рабочей поверхности

  1.  СПОСОБЫ  ВОССТАНОВЛЕНИЯ  РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ  ЦИЛИНДРА

3.1  Способ ремонтных размеров

3.2  Постановка дополнительной ремонтной детали

3.3  Монолитные алюминиевые блоки

3.4  Съемные гильзы

  1.  МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРА

4.1 Чугунные гильзы

4.2 Алюминиевые блоки цилиндров

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФЕКТИВНОСТЬ

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

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 изнашивания [1] 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 дорогостоящей базовой деталью автомобильного двигателя.

Сопряжение цилиндр – поршень является подвижным сопряжением, подвергающихся наибольшему износу в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндри монолитного блока является дорогой деталью, поэтому разработка технологии ремонта гильз является важной задачей для улучшения качества ремонта двигателей.

Рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания занемает 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 – рабочая поверхность цилиндра и поршневое кольцо. Поверхность цилиндров постепенно изнашивается, что приводит к ухудшению показателей двигателя. При этом во всех случаях эксплуатации и при любом доминирующем виде изнашивания втулка изнашивается неравномерно по длине образующей цилиндра.[1]

Данная робота посвящена совершенствованию технологии восстановления рабочей поверхности цилиндра и повышению его износостойкости.

1 ОСОБЕНОСТИ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧИХ ЦИЛИНДРОВ

  1.  Монолитные блоки цилиндров

Рабочий цилиндр — основная часть поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Традиционно рабочий цилиндр являлся составной частью блока цилиндров. Выполнялся как цельнолитая деталь. Заготовку блока цилиндров получали литьем из серого чугуна в песчаные формы. В настоящее время на смену серому чугуну пришли литейные алюминиевые сплавы – силумины. Заготовку из алюминиевого сплава получают литьем под давлением.

Монолитные блоки из серого чугуна сохранились как правило у рядных двигателей (ВАЗ 2101, ВАЗ 2121, ЗМЗ 406) (рис.1.1). Интенсивное  изнашивание рабочей поверхности цилиндра требует периодического  восстановления при достижении предельного износа, что обусловило растачивание в ремонтный размер. При достижении назначенного  последнего ремонтного размера блок цилиндров подлежал замене.

В настоящее время монолитные 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.

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

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 выделению тепла блока цилиндров количество воды для охлаждения может быть также уменьшено. Основные характеристики блоков приведены в (табл. 1.1).

Рисунок 1.1  –Монолитный чугунный блок ВАЗ 2121.

1.2   Гильзы цилиндров

Интенсивное изнашивание рабочей поверхности цилиндров в монолитном блоке обусловило введение в конструкцию съемных гильз (рис. 1.2, 1,3) цилиндров что существенно упростило восстановление рабочей поверхности, но с другой стороны усложнило конструкцию блока и уменьшило жесткость рабочего цилиндра. В настоящее время такая конструкция широко применяется во всех V-образных автомобильных двигателях [3]

Гильза цилиндра – это сменная цилиндрическая деталь, устанавливаемая в блоке поршневых тепловых двигателей с водяным охлаждением. Гильзу цилиндра изготовляют из серого чугуна (табл. 1.2), который является хорошим антифрикционным материалом и существенно обеспечивает снижение интенсивности изнашивания.  

Рисунок 1.2 – Чугунный блок со съемными гильзами

Гильзы цилиндров должны обеспечивать прочность и жесткость положения в блоке, и герметичность по рубашке охлаждения при сохранении износостойкости рабочей поверхности. Внешняя и внутренняя поверхность гильз должна обладать антикоррозионной устойчивостью. 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.

Заготовки гильз цилиндров  получают методом центробежного литья, что обеспечивает прочностные  характеристики детали. Конструкция гильз должна также обеспечивать надежность уплотнений в местах стыков гильз с головкой и блоком цилиндров.

Гильза цилиндров подвергается механической обработке с высокой точностью, рабочая поверхность имеет шероховатость Ra = 0,32 мкм, с твердостью у дизельных двигателей 45-50 HRC и у бензиновых двигателей 190-200 НВ. На рабочую поверхность цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению потерь на трение юбки поршня и уплотнительных колец.

Материалом для гильз в большинстве случаев служит серый чугун с аустенитной структурой (см.табл.1.2). Основные характеристики гильз цилиндров приведены в  (см.табл. 1.1)  [4,5,6,8 ]

1.3   Особенности алюминиевых блоков

В настоящее время изготавливают монолитные алюминиевые блоки как полностью алюминиевые, так и с сухими чугунными вставками.(рис.) [3]

Монолитные алюминиевые блоки (рис. 1.5)  применяются на двигателях: (Suzuki -M16A, Mercedes-Benz - SL 500, BMW-М52, М60, М62, Porsche - М96, Audi - W12).

Для изготовления алюминиевых блоков используются  алюминиевые литейные сплавы, различных марок, составов, свойств, с термической обработкой(табл. 1.2)..

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 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.

Рисунок 1.6 – Монолитный алюминиевый блок.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и т.д.), а также термической обработки. В 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 1.2 – Химический состав 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%; твердость–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 [2вниз].

1.4  Характеристика используемых материалов

1.4.1  Чугунные гильзы

В настоящее время широкое применение для гильз цилиндров двигателей автомобилей получил серый чугун. Он в достаточной степени соответствует требованиям к данной детали.

Соотношение основных и легирующих элементов для различных цилиндров приводятся в широком количественном интервале . Серый чугун, применяемый для гильз цилиндров, по химическому составу можно условно разделить на четыре основные группы (см.табл. 1.2 )Условность классификации заключается в том, что нельзя точно определить границы для каждой группы чугунов по содержанию элементов. Основное их отличие состоит в особенностях микроструктуры чугуна.

Гильзы из нелегированного чугуна не обеспечивают необходимой долговечности двигателей, особенно при их работе в тяжёлых условиях эксплуатации, когда усиливается процесс абразивного износа или увеличивается тепловое воздействие на поверхность трения . Для повышения их износостойкости в верхней в гильзы при отливке устанавливаются нирезистовые вставки, которые изготавливают из аустенитного чугуна, легированного большим количеством никеля (Ni). Хотя это и приводит к некоторому увеличению износостойкости деталей ЦПГ, однако существует ряд факторов, которые ограничивают их применение: этот материал может быть использован только для вставок в верхнюю часть цилиндров, он нетехнологичен при обработке, кроме того, использование чугунов с высоким содержанием Ni во многих случаях нецелесообразно и экономически. Поэтому в последнее время конструкторы и исследователи отказываются от практики применения нирезистовых вставок, предпочитая сплошной материал тела гильзы.[c]

Дополнительные лигирующие добавки повышают износостойкость и усиливают кристаллическую решетку посредством образования бейнита и тончайшего перлита (рис. 1.9). [10]

Перлит

Рисунок 1.9 – Микроструктура чугуна.

Фосфористые чугуны отличаются повышенным (0,3–1,0 %) содержанием фосфора (P) и имеют в структуре разорванную (при 0,3–0,6 % P) или замкнутую (при 0,6–1,0 % P) сетку фосфидной эвтектики. Содержание легирующих элементов в этих чугунах такое же, как и в аналогичных низкофосфористых чугунах.

1.4.2  Алюминиевые блоки. Альтернативный подход предполагает цельноалюминиевый блок, стенки цилиндров которого специально упрочняют. Например, на пионере этого направления — двигателе Chevrolet Vega 1971 года — блок отливался из сплава с содержанием до 17 % кремния (фирменное название Silumal), а специальная обработки стенок цилиндров обогащала их кристаллами кремния (химическим травлением — специально подобранного состава кислота вымывает алюминий с поверхности стенки, не трогая кремний), доводя до требуемой твёрдости (кремний намного твёрже чугуна). Впоследствии данная технология была доведена до совершенства европейскими производителями — Mercedes-Benz, BMW, Porsche, Audi, и в 80-х — 90-х годах была применена на их серийных моделях. Такой блок можно даже в ограниченных пределах растачивать, так как толщина упрочненного слоя алюминия составляет порядка нескольких микрон. Тем не менее, чувствительность цельноалюминиевых блоков к перегреву и качеству смазочных материалов никуда не делась — такие двигатели требуют высокой культуры обслуживания, а за их температурным режимом зорко следит управляющая электроника.

Сравнительно недавно немецкая фирма Kolbenschmidt разработала и технологию, при которой в обычный алюминиевый блок запрессовываются готовые алюминий-кремниевые гильзы с повышенным (до 27 %) содержанием кремния упрочненными стенками (технология Locasil), — это позволяет снизить стоимость. Альтернативной является технология Nicasil — никелевое покрытие на алюминиевых стенках цилиндров с напылением кристаллов карбида кремния, её цель  всё та же — повышение твёрдости.

2 УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ

2.1  Условия работы

Рабочая поверхность цилиндра работает в условиях переменных давлений и температур, а также подвергается воздействию агрессивной среды отработавших газов. 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 рабочую поверхность цилиндра действует 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 определяет установившееся температурное поле гильзы (Рис. 2.2).

Износ рабочей поверхности цилиндра характеризуется максимальной величиной в зоне ВМТ  из-за выгорания смазочного материала, высоких температур и давлений (рис 2.1). Эта величина и определяет ремонтный интервал и значение назначаемого ремонтного размера, выполняемого при восстановлении рабочей поверхности цилиндра, согласно действующим техническим условиям на капитальный ремонт [5все ТУ].

Во время работы давление кольца на стенки увеличивается, так как проникающие через зазоры между кольцом и поршнем газы прижимают кольцо к стенкам цилиндра (рис. 2.2).

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 (см.рис. 2.3 цветной). 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.

               

Длина образующей

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 участке контакте                 гильза цилиндра – поршневое кольцо.

Изменения температур tц, tвсп, tmax по длине гильзы цилиндра при различных Асном приведены на (рис. 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  Дефекты рабочей поверхности

Как правило, основной причиной, вызывающей необходимость ремонта, является изнашивание поверхностей в процессе трения – скольжения и разными режимами смазки. 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.

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

Предельный износ цилиндров автомобильных двигателей в пределах 0,2–03 мм. Дальнейшая эксплуатация становится нежелательной из-за ухудшения эксплуатационных характеристик.

При работе имеют место следующие виды изнашивания: [11]

– абразивное – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц.

–  гидроабразивное –абразивное изнашивание в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости.

–  усталостное – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя.

– коррозионно-механическое –  изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой.

– фреттинг-изнашивание – механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении.

Неравномерное интенсивное изнашивание рабочей поверхности в следствии выше рассмотренных видов изнашивания обусловливает нарушение цилиндрической формы, что ведет к снижению эффективных показателей работы двигателей.

Причины возникновения дефектов – самые различные. Неравномерный износ рабочей поверхности (см.рис. 2.1), 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.

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.

В результате износа гильза цилиндра приобретает форму конусообразности и овальности.

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.

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. Большое значение для двигателей имеет еще то обстоятельство, что поступающая в цилиндры смесь смывает масло со стенок цилиндра в районе впускного клапана, 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.


3 СПОСОБЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРА

3.1  Способ ремонтных размеров   [14]

Способ восстановления включает два вида механической обработки растачивание и хонингование рабочей поверхности под ремонтный размер.

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.

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)

Таблица 3.1 – Ремонтные размеры рабочих цилиндров автомобильных двигателей.

Ремонтный размер

Внутренний диаметр цилиндра, мм

ЗИЛ-130

ЗМЗ-53

Audi 100-DR

Номинальный

 

1-й ремонтный

100.5

 92.5

81.25

2-й ремонтный

101.0

 93.0

81.50

3-й ремонтный

101.5

 93.5

82.00

В зависимости от твердости материала рабочего цилиндра обработка в ремонтный размер производится растачиванием (двигатели семейства ВАЗ, ЗИЛ–130, ЗМЗ–53, твердость до 200 НВ) или шлифованием (КамАЗ–740, ЯМЗ–236 твердость более 45 HRC) с последующим хонингованием до параметра шероховатости Ra=0.32 мкм.

3.1.1 Растачивание под ремонтные размеры         

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.

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).

а) 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].

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

Минимальная величина двухстороннего 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)

Вылет шарового конца оправки подсчитывают по формуле:

,                                                           (3.3)

где     D – диаметр гильзы, под который производится растачивание;

d – диаметр шпинделя (оправки).

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.

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

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 = 0,32 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. 3.2).

Рисунок 3.2 – Схема процесса хонингования и развертка сетки следов

                       обработки

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

9 – верхний диск

Рисунок 3.3 – Конструкция хонинговальной головки.

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].

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 Постановка 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.

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.

В связи с тем, что Камское объединение по производству большегрузных машин не выпускает поршни ремонтного размера, при ремонте двигателей изношенные гильзы цилиндров выбраковываются, что ведет к нерациональному расходу металла. На многих ремонтных предприятиях успешно применяется восстановление изношенных гильз цилиндров двигателей КамАЗ-740 пластинированием.

Основные операции технологического процесса восстановления гильз цилиндров пластинированием следующие:

– подготовка гильз цилиндров под облицовку пластинами; изготовление пластин;

– облицовка внутренней поверхности гильз цилиндров пластинами;

– обработка гильз цилиндров после облицовки.

Подготовка гильз цилиндров под облицовку пластинами заключается в их расточке под запрессовку свернутых пластин. Расточка гильз цилиндров производится эльборовым резцом на алмазно-расточном станке модели 278Л в специальном приспособлении, показанном на (рис. 3.3). Способ восстановления гильз цилиндров стал возможен только благодаря применению для расточки гильз резцов из эльбора, так как обработка внутренней поверхности высокопрочного чугуна гильзы обычными резцами с твердосплавными пластинами ВК-3 затруднена.

1 — стол станка; 2 — опорная плита приспособления; 3 — приспособление для центровки и закрепления гильзы цилиндров; 4 — нижний пояс зажима гильзы цилиндров; 5 — верхний пояс зажима гильзы цилиндров; 6 — резец; 7 — шпиндельная головка; 8 — шпиндель; 9 — ножка индикаторного приспособления совмещения оси гильзы цилиндров с осью шпинделя; 10 — индикатор приспособления; 11 — верхний посадочный поясок приспособления; 12 — гильза цилиндров; 13 — нижний посадочный поясок приспособления; 14 — стяжной винт пояса с рукояткой.

Рисунок 3.3 – Приспособление для центровки и закрепления гильзы цилиндров на столе расточного станка конструкции Е. А. Алешкина.

Режимы резания при обработке гильз эльборовыми резцами следующие:

скорость резания v — 70—90 мм/мин; подача s — 0,03 мм/об; глубина резания tp — 0,015—0,2 мм. При подаче 0,04 мм/об обеспечивается шероховатость поверхности Ra = 0,16—0,32 мкм.

Затраты времени на растачивание отверстий гильз цилиндров двигателя КамАЗ-740 следующие: основное технологическое время — 12,2 мин; вспомогательное время — 1,2 мин; организационно-техническое — 0,4 мин; время перерывов — 0,2 мин; штучное время — 15 мин.

Для изготовления пластин применяется холоднокатаная лента из углеродистой стали марок 65Г ГОСТ 1050-88 тoлщинoй 0,5 – 0,8 мм. Геометрические размеры пластин в зависимости от технологического диаметра цилиндров после их расточки представлены в (табл. 3.3).

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

Толщина пластин

Технологический диаметр цилиндра

Длина пластин (заготовки)

Припуск на хонингование

Длина пластин для восстановления

0,5

120,93

379,3

0,08–0,10

378,75

0,55

121,09

379,3

0,08–0,10

379,01

0,57

121,11

379,3

0,08–0,10

379,05

0,6

121,17

379,3

0,08–0,10

375,0

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 хонингование, подрезка торцов и заходной фаски.

После гильзу хонингуют, после чего производится контроль размеров цилиндров.

3.3 Монолитные 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 (хонингование и раскрытие) более выгодны и не выламываются легко из стенки цилиндра. Очень маленькие размеры частиц кремния (30–120мкм) 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.

3.4.2 Установка сухих чугунных 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.

3.4.3 Растачивание блоков цилиндров

При растачивании 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. 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

3.4.4 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

Ф

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 Съемные гильзы

Съемные гильзы цилиндров можно ремонтировать как растачиванием в ремонтный размер,  постановкой ДРД так и другими способами.

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 поверхность 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 – Термопластическое деформирование.

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 20 0С 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.


4  МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРА

4.1 Чугунные гильзы

4.1.1 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.

4.1.2 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 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. 4.3) с подачей в зону обработки МПС. Во время обработки на внутренней поверхности гильзы одновременно формируются необходимый микрорельеф и слой медного антифрикционного покрытия.

Конструкция раскаточной головки (рис. 4.3) 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.

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.

Рисунок 4.3 – Конструкция раскаточной головки с использованием пневматического привода радиальной подачи

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. [11ааа].

4.1.3 Анодно-механическое хонингование[18]

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 (табл. 4.2).

Таблица 4.1 – Значения показателей шероховатости поверхностей.

Наимено-
вание показателя

Ед.измер.

Вид обработки

Расточка

Абразивное

хонинго-вание

Плоско-вершинное хонинго-вание

АМХ

Ra

мкм

6,96…7,68

0,18…0,32

0,30…0,57

2,52…2,81

Rz

мкм

38,15..67,31

1,98…3,14

2,81…5,04

15,76…30,29

Vo

мм3/см2

0,012…0,027

0,001…0,004

0,016…0,024

0,042…0,105

4.1.4 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

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.

4.1.5 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 – Установка для ФПУ

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.

Особенно эффективно использование данной технологии для упрочнения внутренней поверхности гильзы цилиндра после расточки под ремонтный размер.

Преимущества перед известными аналогами

Повышена износостойкость гильз цилиндров на 25-37 %, снижены вредные выбросы на 15-20 %, твердость до 52 ГПа

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

4.2 Алюминиевые блоки 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.

Твёрдость связки у алмазных брусков с металлической связкой сильно влияет на поведение при износе и, тем самым, на эффект самозатачивания брусков.

Рисунок 4.2 – Процесс хонингования алюминия.

Это означает, что такие инструменты должны время от времени проверяться, соответственно, 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.

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.

4.2.1 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. 4.4 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. 4.4 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 4.4 – 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.

4.2.2  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 4.5): 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 4.6) показана трёхмерная картина шероховатости окончательно обработанной  поверхности.

Рисунок 4.5 – Окончательно обработанная ALUSIL®–рабочая поверхность.

На (рис. 4.7) представлены различия строения между доэвтектическим, эвтектическим и заэвтектическим алюминиево-кремниевыми сплавами.

Рисунок 4.6 – Трёхмерная картина шероховатости окончательно обработанной  поверхности.

           

           а) эвтектический;         б) доэвтектический с зернистой структурой;

             

в) доэвтектический с улучшенной структурой;  г) заэвтектический.

Рисунок 4.7 – 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.

4.2.3  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. 4.8) показывается с 20-ти, соответственно, 50-кратным увеличением под микроскопом разрез блока цилиндров, изготовленного LOKASIL® - Meтодом. Отчётливо видно обогащение кремнием в зоне рабочих поверхностей цилиндров (более тёмная зона).

Рисунок 4.8 – Разрез блока цилиндров, изготовленного LOKASIL®-Meтодом.

Кремний-Preforms (Рис 4.8 ) 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 4.9 а)  показана структура LOKASIL®-1, увеличенная под микроскопом. Отчётливо видны волокна, находящиеся между кристаллами кремния. На (Рис 4.9 б)  показана структура LOKASIL®-2.

       а                                                                б

Рисунок 4.16 –Заливаемые гильзы LOKASIL®-1 и LOKASIL®-2.

4.2.4  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).

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. 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 4.10). 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.

4.2.5  Слои плазменного напыления на железной основе.

Данный метод применяется в серии уже несколько лет. При плазменном покрытии в плазменной горелке возбуждается электрическая дуга.

Рисунок 4.10 – Равномерное распределение кристаллов кремния.

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 4.11).

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 4.12) 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.

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

Рисунок 4.11 – Схема напыления на железной основе.

В углублениях может отлагаться моторное масло, что улучшает свойства трения и износа рабочей поверхности.

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 4.12 – Разрез рабочей поверхности цилиндра с плазменным покрытием.

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

8. http://www.automnl.com

10. Сервис Авто №6/7 , 2006

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

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.

  1.  Соколенко И.Н., Хромов В.Н. Упрочнение поверхностно-пластическим деформирование гильз цилиндров с одновременным нанесением антифрикционного покрытия.// Двигателестроение. – 1990. – № 9.  – С. 39 – 26.
  2.  Справочник технолога авторемонтного производства. / Под ред. Г.А. Малышева. – М.: Транспорт, 1977. – 432 с.
  3.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5321. Автоматическое регулирование микроклимата в зданиях и сооружениях на базе нечеткой логики 317 KB
  Автоматическое регулирование микроклимата в зданиях и сооружениях на базе нечеткой логики В статье описывается алгоритм управления системой регулирования воздуха в помещениях зданий и сооружений, построенной на базе контроллера с нечёткой логикой. С...
5322. Предмет и задачи курса Экономика предприятия 222.5 KB
  Предмет и задачи курса Экономика предприятия Объектом изучения являются негосударственные производственныеные предприятия. Экономика негосударственных предприятий является наукой. Экономика государственных предприятий определена регламентированными ...
5323. Оптимизация стратегии деятельности предприятия 968 KB
  Оптимизация использования ресурсов Теория спроса и предложения Спрос на товары и услуги, закон спроса Основные проблемы рыночной организации производства: что производить, как производить, для кого производить – решаются через механиз...
5324. Управление финансами дорожно-строительной организации 280.5 KB
  Определение сметной себестоимости и цены строительно-монтажных работ дорожно-строительной организации. Программа строительно-монтажных работ ДСО на рассматриваемые полгода предусматривает ввод в действие двух объектов. Первый объект —...
5325. Моделирование инвестиционной программы предприятия 132.5 KB
  Моделирование инвестиционной программы предприятия Цель работы– определение оптимальной производственной программы предприятия. Тема курса - организация инвестиционной и финансовой деятельности предприятия. Содержание работы До...
5326. Разработка плана производства карамели леденцовой на примере леденца Барбарис 309.5 KB
  Кондитерская промышленность наряду с другими отраслями пищевой индустрии призвана удовлетворять потребностям населения в продуктах питания. Приятный вкус, тонкий аромат, привлекательный внешний вид, высокую калорийность и усвояемость кондит...
5327. Глобализация как современный этап развития мирового хозяйства 245.5 KB
  Интернационализация мировой экономики, текучесть капиталов, углубление раскола между бедными и богатыми регионами Земли, утверждение доллара в положении общемировой валюты, массовое распространение новых средств коммуникации, все более акт...
5328. Экономическая деятельность С.Ю. Витте 75 KB
  Сергей Юльевич Витте (1849 -1915 гг.), безусловно, может быть причислен к крупным государственным деятелям в отечественной истории. Будучи в конце XIX - начале XX вв. министром финансов, а затем председателем кабинета министров, он успел ...
5329. Сущность и уроки реализации НЭП в СССР 90.5 KB
  Возможно, годы НЭПа для многих советских людей были лучшими годами эпохи правления большевиков. Подъем экономики после разрушительной гражданской войны, несомненно, стал возможным благодаря восстановлению, хотя и не полного, рыночных отноше...