СПОСОБ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА Российский патент 2004 года по МПК B24B1/00 B24B39/00 

Изобретение относится к технологии машиностроительного производства, а именно к способам обработки рабочей поверхности (зеркала) гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС), изготовленных преимущественно из легированного чугуна.

В совершенствовании способов финишной обработки зеркала гильз цилиндров ДВС, улучшающих прирабатываемость и повышающих долговечность и кпд, существует три направления, для которых характерно стремление к уменьшению коэффициента трения скольжения f за счет топографии, продлевающей маслоудерживающую способность; состава антифрикционного покрытия, основным компонентом которого в большинстве случаев является медь; деформационного упрочнения, повышающего сопротивляемость пластическому деформированию и схватыванию.

Первое направление представляют известные абразивные способы (хонингование, шлифование), в результате которых изменяют угол наклона перекрещивающихся рисок на зеркале [1], или получают локальные риски, не пересекающие друг друга [2], или образуют канавки лазером, а затем хонингуют [3].

Абразивными способами получают несущую поверхность и маслоемкие впадины в виде рисок (царапин), не лучшим образом влияющих на усталостную прочность поверхностного слоя. Царапины способствуют разрушению поверхности при эксплуатации, являясь концентраторами напряжений.

Абразивными способами принципиально невозможно создать на зеркале гильзы защитный активный тонкий слой вторичных структур - "третье тело", который обычно возникает лишь в процессе приработки поверхностей в условиях трения скольжения при рабочих температуре (70...350°С) и давлении (6...16 МПа) [4].

Абразивными способами невозможно создать на зеркале гильзы участки с разными механическими свойствами материала поверхностного слоя для обеспечения более равномерного изнашивания в зависимости от режима работы пары трения гильза - кольцо. Известно, что наиболее деформировано и изношено зеркало гильзы на участках около мертвых точек, т.е. там, где минимальны скорости перемещения двух поршневых колец и коэффициент трения скольжения f изменяется от 0,02 до 0,2 [4]. Это позволяет сделать вывод о том, что поверхность, имеющая по высоте гильзы различные механические свойства, должна обеспечить более равномерный ее износ.

К первому направлению относятся и известные способы виброобкатывания после хонингования, позволяющие наносить синусоидальные канавки в виде полностью или частично регулярных микрорельефов [5].

Виброобкатыванием получают различную маслоемкость по высоте зеркала гильзы и канавки с большими радиусами закругления у основания, но при этом остается нетронутой несущая дефектная поверхность между канавками и образуется наплыв по краям канавок, для устранения чего требуется дополнительная механическая обработка [6].

Кроме того, виброобкатывание не позволяет существенно упрочнить поверхностный слой, о чем свидетельствует склонность к появлению задиров [7](с.10 и 11).

Ко второму направлению относятся известные способы латунирования, нанесения плазменных антифрикционных покрытий и ФАБО-финишной антифрикционной безабразивной обработки [8].

Способы данного направления основаны на использовании дорогостоящей меди, необходимость применения которой для гильз цилиндров, изготовленных из легированного чугуна, представляется экономически нецелесообразной, так как в период приработки цилиндропоршневой группы под действием пластической деформации в условиях реверсивного трения скольжения и повышенных температур и давлений активизируются явления диффузии и массопереноса (идет процесс самоорганизации), в результате которых поверхность самопроизвольно насыщается в необходимых пропорциях не только медью, но и другими легирующими элементами [4], что приводит к появлению на поверхности "третьего тела".

Третье направление представляют известные способы деформационного упрочнения, осуществляемые с предварительным натягом жесткими шариковыми (роликовыми) накатниками [7] или без натяга (способы динамического поверхностного пластического деформирования - пневмовибродинамической обработки [9]).

Для раскатывания жесткими накатниками [7] характерны ограниченная возможность управления маслоемкостью упрочняемой поверхности; весьма значительные радиальные силы, приводящие к короблению гильзы цилиндра и недопустимому отклонению от круглости диаметрального размера зеркала гильзы и линейности образующей вследствие наведения значительных остаточных напряжений [7] (с.108).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ финишной обработки рабочей поверхности гильзы цилиндра, при котором после получения размера и макрогеометрии абразивной или лезвийной обработкой производят пневмовибродинамическую обработку с последующим нанесением маслоудерживающего микрорельефа [9] (с.141).

Данным способом также получают зеркало гильзы, которое неравномерно изнашивается в рабочей зоне. Одной из причин этого является одинаковое упрочнение разных участков рабочей зоны, работающих в разных режимах трения. Так, около мертвых точек - режим граничного трения (почти сухого), а между ними - режим полужидкостного трения.

Задачей изобретения является повышение качества рабочей поверхности гильзы цилиндра за счет уменьшения неравномерности ее изнашивания.

Указанная задача решается способом финишной обработки рабочей поверхности гильзы цилиндра, включающем абразивную или лезвийную обработку с обеспечением размера и макрогеометрии рабочей поверхности гильзы цилиндра и пневмовибродинамическую обработку с последующим нанесением маслоудерживающего микрорельефа, при котором согласно изобретению осуществляют дополнительное пластическое деформирование участков рабочей поверхности гильзы цилиндра около мертвых точек для повышения степени их упрочнения.

Пневмовибродинамическая обработка (ПВДО) начинает процесс формирования защитного активного тонкого слоя вторичных структур на зеркале гильзы цилиндра, изготовленной из легированного чугуна. На идентичность физических процессов, происходящих при ПВДО и при приработке цилиндропоршневой группы, указывает тот факт, что при ПВДО рабочие элементы (шары) совершают тонкое поверхностное деформирование путем импульсного воздействия при скорости относительного перемещения 10...15 м/с, сопровождающееся мгновенными высокими температурами и давлением в точках контакта шаров с обрабатываемой поверхностью. Именно в таких условиях активизируются явления диффузии и массопереноса легирующих элементов на поверхность гильзы, что позволяет утверждать о начале процесса формирования "третьего тела" еще до приработки.

Использование данного способа обработки позволит повысить долговечность двигателей, т. к. уменьшится износ зеркала гильзы цилиндра на участках около мертвых точек, что приведет к повышению равномерности общего износа рабочей зоны гильзы цилиндра и, в конечном счете, увеличению продолжительности цикла установившегося изнашивания цилиндропоршневой группы.

Пример. Финишная обработка зеркала гильзы, изготовленной из легированного чугуна. Номинальный диаметр обрабатываемой поверхности отверстия 110 мм. Предварительная обработка: хонингование до получения размера отверстия и его макрогеометрии согласно чертежу с обеспечением параметра шероховатости поверхности после получистового хонингования Ra=2,5...1,25 мкм.

После осуществления ПВДО параметр шероховатости составил Ra=0,6...0,4 мкм.

Режимы процесса ПВДО:

Давление сжатого воздуха при входе в инструмент - 0,2...0,3 МПа; подача инструмента - 95 мм/мин.

Затем на зеркало гильзы нанесли лунки инструментом по [9] (С.136).

Давление сжатого воздуха при входе в инструмент 0,25...0,35 МПа; подача инструмента - 47 мм/мин.

Окончательно на участках около верхней и нижней мертвых точек по направлению к середине гильзы было проведено повторное упрочняющее пластическое деформирование.

Давление сжатого воздуха при входе в инструмент - 0,4...0,45 МПа; подача инструмента 23 мм/мин.

Источники информации:

1. Заявка Германии 19607774, опубл. 04.09.97.

2. Международная заявка Японии 4-59107, опубл. 21.09.92.

3. Laserhonen fur Zylinderlaufbahnen / Klink Ulrich // MTZ: Motortechn. Z. -1997, 58, № 9, с.554-556.

4. Асташкевич Б.М. Износостойкость и роль активных защитных слоев на поверхностях деталей цилиндропоршневой группы транспортных дизелей. Вестник машиностроения. - 2000. №1, с.13-20.

5. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. - Л.: Машиностроение, 1972, с.119.

6. А. с. СССР №1521569, опубл. 15.11.89.

7. Николаев В.В. Технологическое обеспечение износостойкости деталей раскатыванием и обкатыванием (на примере пары цилиндр - поршневое кольцо). Дис.на соиск.уч.степ. к.т.н: 05.02.08.; 0486.0 008686. - Владимир, 1986, 227 с.

8. Пат. РФ №2041787, опубл. 20.08.95.

9. Минаков А.П., Бунос А.А. Технологические основы пневмовибродинамической обработки нежестких деталей. /Под ред. П.И.Ящерицына. - Минск: Навука i тэхшка, 1995, 304 с.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для упрочняющей обработки рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Осуществляют абразивную или лезвийную обработку с обеспечением размера и макрогеометрии рабочей поверхности гильзы цилиндра, затем пневмовибродинамическую обработку с последующим нанесением маслоудерживающего микрорельефа. После чего производят дополнительное пластическое деформирование участков рабочей поверхности гильзы цилиндра около мертвых точек для повышения степени их упрочнения. Такие действия улучшают качество рабочей поверхности за счет уменьшения неравномерности ее изнашивания.

Способ финишной обработки рабочей поверхности гильзы цилиндра, включающий абразивную или лезвийную обработку с обеспечением размера и макрогеометрии рабочей поверхности гильзы цилиндра и пневмовибродинамическую обработку с последующим нанесением маслоудерживающего микрорельефа, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное пластическое деформирование участков рабочей поверхности гильзы цилиндра около мертвых точек для повышения степени их упрочнения.