Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.923.5 Хонингование. Суперфиниш (сверхчистовая обработка)
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Продолжающееся совершенствование двигателей внутреннего сгорания самого различного назначения предполагает изыскание конструкторских и технологических методов повышения их эксплуатационных характеристик. К традиционным требованиям по надежности, долговечности и экономичности в последнее время на одно из первых мест выходит требование по экологичности, так как в большинстве крупных городов как бензиновые, так и дизельные двигатели являются основными источниками неблагополучного состояния окружающей среды. Интенсивное внедрение двигателей, не связанных с использованием топлив на основе нефти, будет происходить в тридцатые годы нынешнего столетия и, следовательно, еще как минимум десятилетие жителям городов придется иметь дело с проблемами загрязнения воздушной среды. В статье рассмотрены вопросы повышения надежности и долговечности поршневых колец двигателей внутреннего сгорания на основе совершенствования технологии их изготовления и методов контроля, основанных на комплексном учете и оценке упругих свойств данного класса, определяющего эффективность всей энергоустановки. На основе анализа существующих технологических процессов изготовления чугунных поршневых колец выявлены резервы более надежного обеспечения заданной эпюры радиальных давлений поршневого кольца на гильзу цилиндра. Данный положительный эффект удалось получить за счет применения современных лезвийных режущих инструментов на основе кубического нитрида бора и физического метода контроля упругого состояния поршневого кольца, основанного на определении энергетического состояния поверхностного слоя изделия. Подобные исследования основаны на использовании метода экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ), способного реагировать на изменение физико-механических параметров поверхностного слоя поршневых колец. Проведенные испытания на износостойкость подтвердили возможность внесения коррективов в технологию изготовления и повысить эксплуатационные характеристики поршневых колец.
эпюра, давление, экзоэлектронная эмиссия, маршрут, обработка, композиционные инструменты
Введение
Постоянно повышающиеся требования к мощностям, экологическим и экономическим показателям двигателей внутреннего сгорания (ДВС) предполагают особое внимание конструкторов и технологов к поршневым кольцам, которые, как подтверждают многочисленные данные [1,2,3], определяют надежность и долговечность всей энергоустановки.
По конструктивным особенностям эти детали представляют собой криволинейные плоские пружины, сдеформированные до небольшого зазора между концами и принимающие форму круга, наружный диаметр которого равен диаметру окружности цилиндра двигателя или компрессора.
Поршневые кольца свободно располагаются в канавке поршня, прилегая за счет собственных сил упругости к поверхности цилиндра, а одним из торцов к стенке канавки поршня. Эти детали должны выполнять следующие функции [4,5]:
1. Создавать необходимое уплотнение в динамике камеры поршня при обеспечении минимальных потерь на трение;
2. Отвод максимально возможного количества тепла от поршня к охлаждаемой рубашке блока цилиндров;
3. Регулирование объема смазки между трущимися поверхностями цилиндропоршневой группы и сброс излишек масла в картер двигателя.
Из перечисленных выше функций поршневых колец основной можно считать уплотнение камеры сгорания. В момент окончания такта сжатия рабочей смеси давление в карбюраторных двигателях достигает 3-4 МПа, а в дизельных 5-7 МПа. При вспышке эти параметры могут достигать до 12 МПа. При этом поршневые кольца подвергаются воздействию давления газов, сил собственной упругости, сил трения, а также сил инерции.
Установлено, что высокое давление газов действует лишь в небольшой промежуток времени, который, например, для четырехтактного двигателя, составляет 1/10 - 1/12 оборота коленчатого вала. Поэтому одним из важнейших моментов является выбор радиальных давлений кольца, создаваемых вследствие собственной упругости. Этой характеристикой определяется основное условие работы кольца – сохранение контакта с цилиндром на протяжении всего рабочего цикла двигателя. О качественной стороне этого контакта судят обычно визуально – по светопроницаемости между поршневым кольцом и контрольным кольцом - калибром с диаметром, соответствующим диаметру цилиндра двигателя.
Наиболее часто встречающейся причиной выхода из строя поршневых колец, обуславливающей повышение расхода топлива, масла и снижение к.п.д., является так называемый «провис», т.е. появление радиальных зазоров на концах кольца у замка. Для уменьшения вероятности появления таких зазоров поршневое кольцо должно обладать определенной приспособляемостью, т.е. способностью сохранения непрерывного контакта с поверхностью цилиндра в процессе эксплуатации. Это обеспечивается подбором конструкционных материалов, расчетом необходимых сил упругости, геометрии и, главное, выбором определенного закона (эпюры) распределения радиальных давлений по периметру. В практике двигателестроения существует несколько типов эпюр радиальных давлений кольца на стенку цилиндра в зависимости от вида двигателя и его технических характеристик.
Результаты и обсуждение
В большинстве быстроходных двигателей используют грушевидную эпюру (рис.1) с коррекцией давления у замка по отношению к среднему давлению в пределах 1,4-1,6 [6,7].
Рис. 1. Грушевидная эпюра радиальных давлений
поршневого кольца на гильзу цилиндра
Fig. 1. Pear-shaped diagram of radial pressures
of the piston ring on the cylinder liner
Заданная эпюра радиальных давлений обеспечивается соответствующим технологическим процессом обработки маслотных заготовок на специальных токарных копировальных полуавтоматах (табл. 1).
Таблица 1
Последовательность механической
обработки чугунных поршневых колец
Table 1
Machining sequence
of cast iron piston rings
|
№ п/п |
Содержание операции |
|
1 |
Черновая круглая обточка и расточка |
|
2 |
Разрезка маслот на заготовки |
|
3 |
Закалка и отпуск |
|
4 |
Черновое шлифование торцов |
|
5 |
Чистовое шлифование торцов |
|
6 |
Копирная обточка и расточка |
|
7 |
Вырезка замка |
|
8 |
Черновая калибровка замка |
|
9 |
Чистовая круглая обточка и расточка |
|
10 |
Чистовая калибровка замка |
|
11 |
Профилирование |
|
12 |
Притирка перед хромированием |
|
13 |
Притирка после хромирования |
В подавляющем большинстве случаев изготовление поршневых колец по типу производства носит крупносерийный или массовый характер. По этой причине практически невозможно обеспечить стабильные упругие свойства многотысячных партий поршневых колец вследствие колебаний химического состава и механических характеристик используемых марок чугунов, а также искажением заданной эпюры радиальных давлений в процессе механической обработки.
Особую проблему обеспечения стабильных свойств колец создает то обстоятельство, что сама заготовка изделия имеет очень малую собственную жесткость и многократное воздействие на нее силовых и температурных факторов в процессе обработки может существенно нарушить «запрограммированную» эпюру радиальных давлений [8,13,14].
Нарушать запроектированную эпюру радиальных давлений будут упругопластические свойства рабочих поверхностей изделий. Сформированные в процессе технологического воздействия остаточные напряжения первого ряда под влиянием очень высоких температур в период эксплуатации неизбежно будут быстро релаксировать. Что касается наклепа, характеризующего степень пластической деформации металла поверхностного слоя, то он будет оказывать влияние на эксплуатационную надежность колец достаточно длительный период времени.
Проверка предложенной гипотезы осуществлялась в реальных производственных условиях Клинцовского завода поршневых колец. Из очередной партии чугунных поршневых колец Æ150 мм были отобраны случайным образом 100 компрессионных колец, для которых по соответствующему стандарту построены эпюры радиальных давлений (рис. 2) и в тех же сечениях измерен уровень тока экзоэмиссионного характера, используемого в качестве комплексного параметра оценки физико-механического состояния поверхностного слоя и имеющего корреляционную связь с наклепом на ниже 0,8 [9,10,15].
Рис. 2. Влияние энергетического состояния
поверхностного слоя поршневых колец
на характер эпюры радиальных давлений:
; 
(после притирки перед хромированием)
Материал колец: модифицированный чугун
Fig. 2. Influence of the energy state
of piston ring surface layer on the character
of the radial pressure diagram: 
– J = 107.3; 
– J = 296.7
(after lapping before chrome plating).
Ring material: modified cast iron
Представленные изображения эпюр радиальных давлений свидетельствуют, что наиболее близкую к заданной имеют поршневые кольца с минимальной поверхностной энергией на цилиндрической рабочей поверхности изделия. Картина радиальных давлений партии колец с более значительными уровнями энергии являются искаженными и не соответствующими требованиям технических условий.
Приведенная объективная физическая картина позволяет сделать вывод о необходимости минимизации дрейфа упругопластических параметров поверхностного слоя колец. Отсутствие стабильности технологического обеспечения в производственных условиях заданной эпюры радиальных давлений может быть объяснено двумя объективными причинами:
1. неизбежность колебания припуска при копирных обработках;
2. износ режущего инструмента в период от начала его эксплуатации до его замены.
Очевидно, что первая причина носит случайный характер и будет иметь место при любом уровне технологии и станкоинструментального оснащения. Вторая же причина является систематически действующим фактором и может быть рассчитана и, следовательно, управляема.
Стабильность обеспечения эксплуатационных свойств поршневых колец технологическими методами может быть существенно повышена за счет применения резцов из синтетических сверхтвердых материалов. Результаты сравнительных экспериментов, подтверждающих правомерность предложенного подхода, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Условия обработки и характеристики поверхностного слоя поршневых колец
Table 2
Processing conditions and characteristics of the surface layer of piston rings
|
Марка инструмента |
Вид обработки |
Условия обработки характеристики поверхностного слоя поршневых колец |
|||||
|
t, мм |
S, мм/об |
V, м/мин |
r, мм |
hз, мм |
I, с-1 |
||
|
ВК6 |
Копирное обтачивание |
2,0 |
0,18 |
40 |
0,11 |
0,44 |
339 |
|
Чистовое обтачивание |
0,6 |
0,10 |
51 |
0,84 |
0,36 |
282 |
|
|
Композит 10 |
Копирное обтачивание |
2,0 |
0,18 |
40 |
0,09 |
0,12 |
168 |
|
Чистовое обтачивание |
0,6 |
0,10 |
80 |
0,81 |
0,08 |
123 |
|
Как показывает практика изготовления поршневых колец, большое значение на стабильность эпюры радиальных давлений и, соответственно, уровень компрессии в камере сгорания оказывает финишная стадия технологического процесса. Целью этой отделочной стадии обработки является обеспечение заданной шероховатости поверхности кольца перед хромированием и притирка изделия, а также удаление дендридов после хромирования и обеспечение регламентированной чертежом и ТУ шероховатости.
Операции притирки осуществляются как до хромирования, так и после. Станочным оборудованием служат серийные хонинговальные станки. Обработке подвергается пакет колец, набранный в специальном стакане, внутренний диаметр которого равен номинальному диаметру цилиндра двигателя. Частота вращения при притирке 15-20 об/мин, скорость возвратно-поступательного движения 5-8 м/мин.
Подобная организация финишной операции имеет существенный недостаток, связанный с различным давлением по окружности колец, что неизбежно приводит к неравномерности съема припуска и искажает эпюру, заложенную на копирных обработках. Эта проблема особенно остро проявляется при изготовлении колец с грушевидной эпюрой, у которой наибольший припуск снимается у замка, что неизбежно приводит к значительному снижению их эксплуатационных показателей. Попытки осуществить притирку пакетов колец в сжатом по торцам состоянии не позволяет кольцу приработаться к цилиндру под действием собственных сил упругости, что существенно увеличивает время приработки в начальном процессе эксплуатации.
Для исключения указанных недостатков была предложена специальная конструкция [11] для притирки поршневых колец. Принцип работы этого механизма заключается в обработке в гильзе-притире сжатого по торцам пакета колец при возвратно-поступательном и вращательном движении, и автоматического роспуска пакета в нижней и верхней точках положения штока. Подобная кинематика исключает повышенный объем припуска в районе замка за счет большего радиального давления по закону грушевидной эпюры.
В производственных условиях готовые поршневые кольца подвергаются 100 %-ному контролю «на просвет». Схема контрольного устройства по ГОСТ 621-87 представлена на рис. 3. На нем контролируется толщина просвета (в нашем случае максимально допустимая 0,02 мм) и дуга просвета в угловой мере. Причем, последний параметр определяется коэффициентом Кn (%), равным отношению суммарной дуге просвета к длине окружности поршневого кольца.
Рис. 3. Принципиальная схема контроля радиального зазора поршневого кольца по ГОСТ 621-87: 1 – источник освещения, 2 – эталонная щель, 3 – непрозрачный экран, 4 – контролируемое кольцо, 5 – контрольный калибр
Fig. 3. Schematic diagram to control the radial gap of the piston ring according to GOST 621-87: 1 - lighting source, 2 - reference slit, 3 - opaque screen, 4 - controlled ring, 5 - control gauge
|
Рис. 4. Сравнительная оценка вариантов изготовления компрессионных
а – маслосъемных; б - поршневых колец по величине радиального зазора
Fig. 4. Comparative evaluation of manufacturing compression a - oil-control; b -
piston rings by the size of the radial gap
Новый ТП характеризуется использованием лезвийного инструмента из СТМ - композит 10 и специальную оправку дли притирки, описанную выше и защищенную авторским свидетельством [11].
Данные проведенного эксперимента подтверждают значительное увеличение так называемых «беспросветных» колец обоих видов, что связано, в основном, с уменьшением количества колец с Кn до 10% и перехода их в категорию «беспросветных». Этот факт имеет существенное технико-экономическое значение, т.к. Кn=5% для многих типов колец является предельно допустимым.
Подобное качественное изменение показателей процессов объясняется двумя основными причинами:
а - минимизацией деформационных изменений в поверхностном слое колец и, следовательно, максимальным приближением реальной эпюры радиальных давлений к заданной;
б - обеспечение равномерного съема припуска на финишной стадии ТП за счет применения предложенного устройства, что опять же способствует минимальному искажению теоретической эпюры и лучшей прирабатываемости кольца к инструменту-гильзе.
Для сравнения износостойкости серийных и исследуемых поршневых колей были приведены стендовые испытания на безмоторной установке с автоматической регулировкой температуры в цилиндре 40-200ос. Привод коленчатого вала осуществлялся синхронным электродвигателем мощностью 10 кВт при n = 1460 об/мин через автомобильную пятиступенчатую коробку перемены передач.
В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что главной причиной выхода из строя поршневого кольца является его радиальный износ ΔU, который с определенными допущениями может быть определен с помощью выражения:
, (1)
где S1 - начальное значение раствора замка; S2 - конечное значение. Величины S1 и S2 определялись с помощью инструментального микроскопа УИМ21 в кольце-калибре Æ150Н5.
На этих же образцах в семи точках рабочей цилиндрической поверхности, равномерно расположенной по окружности, определялась величина радиального износа.
Триботехнические испытания проводились в режиме граничного трения с использованием масла МТ-16П в количестве одна капля на 500 м пути. Длительность испытаний – 50 часов. Объектом исследования служили компрессионные кольца, параметры шероховатости которых после обработки по обоим маршрутам ТП были следующие: Ra = 0,48-0,54 мкм; Sm = 0,056-0,062 мм; tm = 51-55%. В качестве контртела использовалась хонингованная чугунная гильза с Ra = 0,32 мкм. Каждая серия экспериментов повторялась 5 раз, и все экспериментальные точки являются усредненными из 5 значений.
На рис. 5 представлены кривые износа поршневых колец в зависимости от времени работы безмоторной установки, из которых видно, что для двух температурных режимов износ колец, изготовленных по предложенной схеме, меньше, чем у серийных колец. Причем, с увеличением температуры теплоносителя с 80°С до 140°С эта разница в износе в среднем возрастает с 13 % до 17 %. Уменьшение износа колец, обработанных с применением сверхтвердых материалов и специальной оснастки, при притирке обеспечило большее приближение к теоретической эпюре радиальных давлений и, следовательно, большую площадь контакта кольца с гильзой цилиндра. Увеличение температуры испытаний способствует увеличению износа при более интенсивном коксовании масла, частицы которого играют роль свободного абразива.
Рис. 5. Зависимости износа компрессионных
нехромированных колец от времени работы
Fig. 5. The dependence of the wear of compression
non-chrome rings on the operating time
Радиальный износ по периметру кольца, измеренный в семи сечениях после полного цикла трибоиспытаний, показывает его значительную дисперсию (рис. 6). Наибольший износ установлен на свободных концах колец у замка, т.е. участках, обеспечивающих наибольшее радиальное давление.
На вырезанных образцах из этих же колец определялся уровень ЭЭЭ, который имел наибольшее значение на участках, имевших повышенный износ. Что касается экзотока по периметру колец, то какой-либо четкой функциональной закономерности не установлено и разница в их значениях соизмерима с погрешностями метода ЭЭЭ.
Рис. 6. Характер износа рабочей поверхности
поршневых колец по периметру.
Цифрами указаны усредненные значения экзоэмиссии
Fig. 6. The working surface wear of the piston rings along the perimeter.
Figures indicate the average values of exoelectronic emission
Заключение
В результате проведенных исследований изменена существующая технология изготовления поршневых колец с применением на операциях копирного и чистового обтачивания вместо резцов из вольфрамокобальтовых сплавов на обработку резцами из композитов, что позволило повысить производительность на этих операциях в среднем на 35% и стабилизировать упругие характеристики изделия и, соответственно, заданную эпюру радиальных давлений. Стандартный контроль колец по ГОСТ 621-87 зафиксировал значительный рост выхода годной продукции и обосновал дальнейшую отработку технологических процессов проводить с помощью неразрушающих методов контроля параметров поверхностного слоя. В нашей работе в качестве такого метода использована экзоэлектронная эмиссия.
1. Стечкин Б.С. Теория тепловых двигателей: монография. М.: Физматгиз, 2001. 428 с. ISBN 5-9221-0101-3.
2. Козловский В.Н. Исследование эксплуатационной надежности легковых автомобилей. Автотранспорт: эксплуатация, обслуживание, ремонт. 2012. №10. С. 20-23.
3. Saad P., Kamo L., Mekari M., Bryzik W., Wong V., Dmytrychenko N., Mnatsakanov R. Modeling and measurement of tribological parameters between piston rings-liner in turbocharged diesel engine. Proceedings of STLE/ASME International Joint Tribology Conference. 2006. P. 551-552. https://doi.org/10.1115/IJTC2006-12308.
4. Шабанов А.Ю., Зайцев А.Б., Метелев А.А., Пустовалов Ю.П. Моделирование параметров трения и износа цилиндропоршневой группы двигателя в реальном эксплуатационном цикле. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского ГПУ. 2015. №1 (214). С. 22-28. DOI 10.5862 / JEST.214.3.
5. Wollmann D., Pintaude G. Tribological performance of high-strength cast iron in lubricated contact containing carbon black. Wear. 2021. Vol. 476 (203743). 2021. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203743
6. Nagar P., Miers S. Friction between piston and cylinder of an IC engine: A review. SAE Technical Papers. 2011. https://doi.org/10.4271/2011-01-1405.
7. Тотай А.В., Акулич П.П., Поплавский А.М. Оптимизация маршрута обработки поршневых колец дизельных двигателей по критерию беспросветности. Повышение экономичности ДВС: сб.науч.тр. М.: ЦНИИТЭИ тракторсельмаш, 1986. Вып.1. С. 23-24.
8. Тотай А.В., Тихомиров В.П., Савин Л.А. Технологическое обеспечение износостойкости чугунных поршневых колец. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. №2-2 (293). С. 73-80.
9. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин: монография. М.: Машиностроение, 1988. 240 с. ISBN5-217-00060-0.
10. Тотай А.В. Оценка износостойкости поршневых колец по физическим критериям. Износ в машинах и методы защиты от него: сб.науч.тр. М.: ИМАШ, 1985. С. 129-131.
11. Патент №1256932.15.05. СССР. Устройство для притирки поршневых колец, 1986. Поплавский А.М., Тотай А.В., Акулич П.П.
12. Schreer K., Roth I., Schneider S., Ehnis H. (2014) Analysis of aluminum and steel pistons-comparison of friction, piston temperature, and combustion. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2014. Vol. 136. https://doi.org/10.1115/ICEF2013-19114.
13. Кортов В.С., Слесарев А.И., Рогов В.В. Экзоэмиссионный контроль поверхности после обработки: монография. Киев: Наукова думка, 1986. 176 с.
14. Тотай А.В., Акулич П.П., Поплавский А.М. Применение экзоэлектронной эмиссии при оценке свойств поверхностного слоя деталей машин. Экзоэмиссия и ее применение: сб.науч.тр. М.: МГУ, 1982. С.93-94.
15. Суслов А.Г., Безъязычный В.Ф., Памфилов Ю.В. и др. Инженерия поверхности деталей: монография. М.: Машиностроение, 2008. 242 с. ISBN 978-5-217-03427-7.
