Способ изготовления поршневых колец

Способ изготовления поршневых колец

Использование: производство поршневых двигателей, компрессоров и поршневых насосов. Сущность изобретения: осуществляют предварительную обработку наружной, внутренней и торцовых поверхностей. Затем производят формообразующую копирную обработку этих поверхностей и вырезают замок, после чего осуществляют финишную операцию. Последняя выполняется путем поверхностно-пластического деформирования (ППД) до получения в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. ППД осуществляют , например, гидродробеструйной обработкой, которой могут обрабатывать одновременно несколько поршневых колец, сжатых в пакет при нулевом зазоре в замке. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в производстве поршневых двигателей, компрессоров и поршневых насосов.

Известны способы изготовления поршневых колец, включающие операции по- лучения заготовок индивидуальным литьем или отливкой маслот из чугунов различных марок, механической обработки, нанесения антифрикционных покрытий на наружные поверхности колец. Финишной обработкой колец является их притирка к специальным притирам, выполненным по размерам цилиндровой втулки.

За прототип принят способ изготовления поршневых колец, заключающийся в получении кольцевой заготовки, предварительной обработки ее наружной, внутренней и торцовых поверхностей, формообразующей копирной обработке и вырезке замка с заданным размером для кольца в свободном состоянии.

К недостаткам известного способа относятся низкая производительность операции притирки и невозможность получения высокого качества поршневых колец, что проявляется в следующем.

Прилегание нового поршневого кольца к цилиндровой втулке происходит не по всей поверхности, а по отдельным точкам. Характер эпюры напряжений в сечении кольца не способствует быстрому закрыванию серповидных микрощелей в процессе притирки кольца.

Упругость поршневого кольца по мере его работы в условиях эксплуатации постепенно уменьшается. Для обеспечения плотного прилегания кольца к цилиндровой втулке и уменьшения вероятности залегания кольца в канавке поршня кольцо должно иметь запас упругости, максимум которой приходится на начало работы, что неблагоприятно сказывается на процессе его приработки и долговечности изделий.

Напряжение растяжения на наружной поверхности поршневого кольца в процессе работы снижает его усталостную прочность и износостойкость.

Целью изобретения является повышение производительности за счет сокращения времени на финишную операцию притирки колец, а также повышение качества изделий и долговечности.

Это достигается тем, что перед финишной операцией притирки обработку наружной поверхности поршневых колец производят путем поверхностно-пластического деформирования до получения в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.

Поршневое кольцо является специфической деталью, реализующей одновременно функции пружины и элемента пары трения. Гидродробеструйная обработка наружной поверхности поршневого кольца струей, направленной радиально к его оси, создает тонкий наклепанный слой материала кольца, испытывающего напряжения сжатия. При наличии такого слоя кольцо сворачивается, что проявляется в уменьшении величины замка в свободном состоянии. Контактные давления кольца, вставленного в цилиндровую втулку, будут также меньше, что благоприятно сказывается на условиях трения пары кольцо-втулка в период приработки.

Характерной особенностью поршневого кольца, изготовленного по предлагаемому способу, является быстрая притираемость. Это происходит потому, что при изнашивании сжатого слоя в точке контакта кольца с втулкой напряжения в сечении кольца перераспределяются, кольцо в этой точке как бы распрямляется, происходит уменьшение давления выступающей точки кольца на втулку. Такое самопроизвольное регулирование давления кольца на стенки втулки приводит к быстрому закрытию микрощелей между кольцом и втулкой по всему периметру.

По мере изнашивания сжатого поверхностного слоя кольцо разворачивается и восстанавливает свою расчетную упругость, которая обеспечивает для приработанных поверхностей нормальные условия трения и герметизации поршня в цилиндре.

Гидродробеструйная обработка поршневого кольца, сжатого до нулевого зазора в замке, повышает эффективность способа. Обработка нескольких колец, сжатых в пакет, повышает производительность процесса.

На чертеже приведены результаты испытаний двух поршневых колец двигателя ЗИЛ-130 в виде зависимостей изменения силы упругости Q, прикладываемой к концам кольца при их смыкании, и размера замка А в свободном состоянии кольца от величины радиального износа кольца t.

Кривые 1 и 2 характеризуют изменение Q и А соответственно по мере износа серийного кольца, изготовленного по известному способу. Кривые 3 и 4 характеризуют те же параметры для опытного кольца, изготовленного по новому способу.

В примере выполненное по серийной технологии первое кольцо имело параметры А 16,5 мм, Q 23 Н, второе кольцо А 16,2 мм, Q 22 Н. После гидродробеструйной обработки второго кольца в оправке, удерживающей его в сжатом состоянии, стеклянными шариками диаметром 1 мм при давлении в подающей магистрали установки 0,2 мПа в течение 26 с (два полных оборота кольца относительно сопла установки) параметры второго кольца изменились и составили А 13,5 мм, Q 19 Н.

Контрольное (первое) и опытное (второе) кольца подвергались изнашиванию абразивной шкуркой по наружной поверхности при вращении кольца, зажатого в оправку, на токарном станке. Износ периодически контролировался взвешиванием кольца и пересчитывался в линейный размер радиального износа. Результаты измерений приведены на чертеже.

Сопоставляя кривые 1 и 3, 2 и 4, видно, что для изготовленного по известному способу кольца по мере его износа размер замка остается постоянным, а упругость Q постепенно уменьшается. Кольцо, подвергнутое гидродробеструйной обработке, по мере износа на глубину наклепанного слоя распрямляется, что сопровождается увеличением размера замка и упругости. Максимальное значение Q 20,2 Н в опыте наблюдалось при износе на глубину t0,1 мм, после чего за счет уменьшения размера сечения кольца упругость снижалась. Размер замка достигал исходного значения А 16,2 мм при глубине износа t0,3 мм.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ, заключающийся в получении кольцевой заготовки, предварительной обработке ее наружной, внутренней и торцовых поверхностей, формообразующей копирной обработке, вырезке замка и финишной операции притирки колец, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет сокращения времени на финишную операцию притирки колец, а также качества изделий и долговечности, перед финишной операцией притирки обработку наружной поверхности поршневых колец производят путем поверхностно-пластического деформирования до получения в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностно-пластическое деформирование осуществляют гидродробеструйной обработкой.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что гидродробеструйную обработку производят одновременно для нескольких колец, сжатых в пакет при нулевом зазоре в замке.

Источник

Изготовление поршневых колеч — понятия, свойства, характеристики и сферы приминения

Вы здесь

Изготовление поршневых колеч — понятия, свойства, характеристики и сферы приминения

Эти напряжения иногда вызывают появление трещин в днище поршня. Поэтому поршни больших диаметров делают обычно составными; нередко их головка выполняется из литой стали. Головка поршня соединяется с юбкой шпильками. Такая конструкция дает ряд преимуществ: а) возможность применения для головки материала повышенного качества; б) возможность замены головки, не меняя всего поршня; в) получение более надежной и сравнительно свободной от литейных напряжений конструкции; г) возможность некоторой регулировки пространства сжатия с помощью прокладки между головкой и юбкой.

Свойства и изготовление поршневых колец

Поршневые кольца изготовляются из серого и легированного чугуна.
Технические условия на изготовление поршневых колец дизелей установлены ГОСТ 7133-54. Для повышения износостойкости как кольца, так и рабочей поверхности цилиндра не менее чем одно верхнее кольцо должно иметь покрытие пористым хромом. Хромирование колец заключается в нанесении гальваническим способом пористого хрома слоем 0,1—0,2 мм.
Пористый хром обладает способностью разносить масло по поверхности втулки.
Разносят масло и сами кольца. При движении поршня вниз поршневое кольцо прижимается к верхней торцовой поверхности канавки. Нижней кромкой кольцо соскабливает со стенки втулки масло, которое и попадает в образовавшийся зазор. При движении поршня вверх кольцо перемещается в канавке и прижимается к ее нижней торцовой поверхности; при этом масло вытесняется в зазор, образующийся между верхней поверхностью канавки и кольцом. При следующем ходе поршня вниз рассмотренное явление повторяется. Таким образом происходит перекачивание масла на поверхности втулки вверх. Это явление именуют насосным действием колец. Оно особенно заметно у четырехтактных двигателей при наличии разрежения в цилиндре в период всасывающего хода.

Осевой зазор между поршневым кольцом и его канавкой для верхнего кольца при .диаметре цилиндра от 160 до 300 мм должен быть 0,08—0,25 мм; для остальных колец 0,05—0,15 мм. При диаметре цилиндра выше 300 мм для верхнего кольца — 0,12—0,3 мм, для остальных колец 0,07—0,25 мм.
При повышенном зазоре между поршневыми кольцами и канавками насосное действие колец возрастает и масло перекачивается в камеру сгорания, чем увеличивается расход масла.
Для уменьшения поступления масла в камеру сгорания устанавливают одно или два маслосъемных кольца, соскабливающие масло со стенок цилиндра и отводящие его через отверстия в стенках поршня в картер двигателя. Схема действия маслосъемного кольца простейшей конструкции представлена на фиг. 89, б.

При движении поршня вверх давление масла, собирающегося в кольцевом пространстве скоса, сжимает кольцо и масло проходит через образовавшийся зазор между втулкой и кольцом вниз, а при движении поршня вниз масло через отверстия, просверленные по всей окружности поршня, удаляется внутрь поршня и стекает в картер.
При установке поршневых колец в канавки поршня замки колец располагают таким образом, чтобы у соседних колец они не приходились бы один против другого, а были смещены примерно на 120°. В двухтактных двигателях замки колец во избежание их поломки смещают от продувочных и выхлопных окон. С этой целью их закрепляют штифтами.

Материалом для изготовления поршней служит главным образом серый чугун (обычно марки СЧ 24-44). Для быстроходных двигателей поршни для уменьшения сил инерции изготовляют из алюминиевых сплавов, удельный вес которых примерно в 2,5 раза меньше удельного веса чугуна. Иногда для таких двигателей изготовляют чугунные поршни облегченной конструкции (с тонкими стенками и ребрами жесткости).

Для предотвращения заедания поршня вследствие его расширения при нагревании должен быть зазор между поршнем и рабочей поверхностью цилиндра. Величина зазора между юбкой чугунного поршня и поверхностью цилиндра в среднем 0.001D; между верхней частью головки поршня и поверхностью цилиндра (0,004— 0,008)0, где D—диаметр цилиндра. Больший зазор в верхней части поршня объединяется наличием здесь значительно больших тепловых напряжений. Эти напряжения иногда вызывают появление трещин в днище поршня. Поэтому поршни больших диаметров делают обычно составными; нередко их головка выполняется из литой стали. Головка поршня соединяется с юбкой шпильками. Такая конструкция дает ряд преимуществ: а) возможность применения для головки материала повышенного качества; б) возможность замены головки, не меняя всего поршня; в) получение более надежной и сравнительно свободной от литейных напряжений конструкции; г) возможность некоторой регулировки пространства сжатия с помощью прокладки между головкой и юбкой.

Поршневые кольца — техническая информация

Поршневые кольца являются основными деталями поршневой группы, уплотняющими цилиндр как от про­рыва газов из надпоршневой полости, так и от излишнего проникновения масла в камеру сгорания.

Уплотняющие кольца в общем случае представляют собой раз­резные пружинящие элементы 2 прямоугольного сечения, которые устанавливают в сделанные для них канавки на поршне. В свобод­ном состоянии, когда разрезанные концы поршневых колец расхо­дятся на величину S0, они имеют переменный радиус кривизны, среднюю величину которого делают больше радиуса уплотняемого ими цилиндра (рисунок а). Правильно изготовленные поршневые кольца относительно свободно одеваются на поршень, а будучи установлены в цилиндр, для которого они предназначены, должны принимать геометрически строгую круглую форму, плотно (без просветов) прилегать к стенкам цилиндра и оказывать на них ради­альное давление по всей своей окружности.

Радиальное давление поршневых колец различного назначения в среднем составляет 1—4 кГ/см2 (≈0,1—0,4 Мн/м2). В зависимости от метода изготовления кольца оказывают на стенки цилиндра или равномерное давление, или же давление их изменяется по опреде­ленной закономерности, как показано на рисунке б. Установлено, что неравномерная определенным образом скорректированная эпюра давлений 5 позволяет дольше сохранять необходимые упругие свойства и эффективность поршневых колец, чем при равномерном, характеризуемым эпюрой 6, начальном давлении их на стенки цилиндра.

Основные элементы поршневых колец показаны на рисунке. Наружную их образующую поверхность 1, скользящую по зеркалу цилиндра, часто называют рабочей стороной кольца, но логичнее ее называть просто наружной стороной, поскольку она не является единственной рабочей поверхностью кольца. Соответственно, внут­реннюю образующую поверхность 3 кольца будем называть внут­ренней стороной. Торцовые или боковые поверхности 4 соприка­саются со стенками канавок поршня и тоже являются рабочими (трущимися) поверхностями кольца, оказывающими существенное влияние на его эффективность. Расстояние между боковыми поверх­ностями кольца называют высотой кольца h. Величину разности между радиусами наружной и внутренней образующими кольца называют радиальной толщиной t (рисунок в). Радиальная толщина кольца выбирается в зависимости от размера цилиндра и в среднем равна 1/20 его диаметра.

Уплотняющие поршневые кольца изготовляют так, чтобы в ци­линдре с диаметром Dц у них сохранялся определенный зазор между разрезанными концами. Разрезы или замки кольца делают прямыми (перпендикулярно к боковым поверхностям), косыми (под углом 45° к боковым поверхностям) и ступенчатыми (рисунок г). Замки с косыми и ступенчатыми разрезами имеют целью умень­шить прорыв газов через зазор в замке кольца. В быстроходных двигателях эффективность сложных замков небольшая, а произ­водство они удорожают, поэтому в автомобильных двигателях при­меняют замки с прямыми разрезами, величина которых AS в холод­ном состоянии изменяется в пределах 0,15—0,5 мм. Чем ближе к днищу поршня расположено кольцо, тем выше температура его нагрева, и оно изготовляется с большим зазором в замке. Величина зазора в стыке сжатого кольца в каждом конкретном случае строго регламентируется инструкцией завода-изготовителя. При недо­статочном зазоре в стыке кольцо утрачивает свободу перемещения.

Оно может повредить зеркало цилиндра и само выйти из строя вследствие задиров, заклинивания в канавке или поломки.

Уплотняющие кольца и канавки под них тщательно обрабаты­ваются. Кольцо, поставленное в канавку поршня, должно свободно без заедания перемещаться в нем при зазорах 0,04—0,08 мм между боковыми поверхностями кольца и стенками канавки. Глубина канавки под кольцо протачивается из условий получения зазора Δt между канавкой и внутренней стороной кольца, составляющего в среднем 0,5 мм.

Условия работы поршневых колец сложные: большая скорость скольжения по зеркалу; недостаток смазки в верхней зоне цилиндра; высокое тепловое напряжение, возникающее от соприкосновения с горячими газами, а также вследствие нагрева при трении о зерка­ло цилиндра и от тепла, поток которого идет через них от головки поршня к стенкам цилиндра. Известно, что на долю поршневых колец приходится 50—60% всех потерь на трение в двигателе, и примерно 80% тепла они отводят от головки поршня в условиях, когда теплоотвод затруднен сравнительно высокой температурой стенок цилиндра и наличием на них масляной пленки. В результате рабочая температура верхних поршневых колец, особенно в зоне замка, возрастает до 300—350°С. Поэтому к материалу поршневых колец предъявляются повышенные требования.

Материал, употребляемый для изготовления поршневых колец, должен обладать высокой прочностью и упругостью при повышен­ных температурах, а также высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения при рабочей температуре кольца.

Лучше всего этим условиям отвечает чугун. Для поршневых колец применяют перлитный высокосортный чугун с твердостью НВ 220—240 (единиц), но в последнее время широкое приме­нение находит и сталь. Стальные кольца имеют большую твердость, чем обычные гильзы цилиндров, которые часто отливаются из чугу­на с твердостью около НВ 200. Практика показала, что для увели­чения срока службы важнейшей трущейся пары в двигателе цилиндр — поршневое кольцо, твердость кольца всегда должна быть выше твердости стенок цилиндра.

Дело в том, что сравнительно с цилиндрами кольца имеют очень маленькую поверхность трения и работают при большей темпера­туре нагрева, отрицательно влияющей на их твердость и износо­стойкость. Если допустить, что в процессе трения с рассматривае­мых контактирующих поверхностей снимается одинаковое по весу количество металла, то кольца раньше утратят свою геометриче­скую форму и работоспособность, чем зеркало цилиндра. Действи­тельно, поршневые кольца изнашиваются интенсивнее гильз и чаще других деталей кривошипно-шатунного механизма нуждаются в за­мене. Изнашиваются кольца крайне неравномерно. Больше всего радиальная толщина их уменьшается на участках, непосредствен­но примыкающих к замку. Этим, в частности, объясняется и выбор для них эпюры с характерной неравномерностью исходных упругих давлений кольца на стенки цилиндра.

Поршневые кольца не могут обладать универсальными свойст­вами: одновременно сдерживать прорыв газов и прокачку масла. Опыт показывает, что кольца, создающие преграду прорыву газов из надпоршневой полости, не оказывают должного эффективного препятствия прокачке масла в камеру сгорания. Вследствие этого на поршень устанавливают уплотнительные кольца двух видов: компрессионные и маслосъемные, или маслоотводные.

Технология изготовления поршневых колец

Рассмотри производство поршневых колец

В качестве материала для изготовления уплотнительных и маслосъемных поршневых колец применяют модифицированный серый легированный чу-гун марок СЧ24-44, СПЧФ24-44 и СПЧФ28-48. Для изготовления поршневых колец насосных цилиндров топливных и водяных насосов применяют текстолит марок А и Б, а также бронзы и латуни различных марок.
В условиях судоремонта уплотнительные и маслосъемные кольца можно изготовлять:
1) из маслот цилиндрической формы методом одной проточки с последующей термофиксацией (кольца диаметром менее 550 мм с косым или прямым замком);
2) из маслот цилиндрической формы методом двух проточек с последующей термофиксацией (кольца со ступенчатым замком, а также диаметром более 550 мм);
3) из индивидуальных заготовок эллипсоидной формы;
4) из маслот эллипсоидной формы (кольца диаметром свыше 350 мм);
5) из маслот цилиндрической формы методом двух проточек без последующей термофиксации.

Технология изготовления поршневых колей методом одной проточки с последующей термофиксацией:
— Обточить и расточить маслоту на глубину 2-3 мм для снятия литейной корки и отрезать контрольное кольцо;
— Подвергнуть маслоту вместе с контрольным кольцом искусственному старению, после чего проверить по кольцу твердость и структуру;
— Обточить маслоту с припуском и одновременно расточить окончательно в размер по чертежу;
— Нарезать поршневые кольца с припуском по высоте на шлифование;
— Шлифовать каждый торец кольца предварительно, с двух установок;
— Прорезать замок, ширина которого равна тепловому зазору с припуском на припиловку (зазор выбирают по чертежу, инструкции);
— Растянуть разрезанные кольца на величину, примерно равную пятикратной толщине кольца, насадить на оправку и сжать с торцов;
— Заложить оправку с кольцами в термическую печь, нагретую до 350-4500С, поднять температуру до 580-6200С и выдержать при этой температуре кольца 1,5-2ч с последующим охлаждением на спокойном воздухе;
-Снять кольца с оправки и обжать каждое кольцо два-три раза до соприкосновения стыков;
— Шлифовать торцы колец предварительно, с двух-трех установок каждый торец;
— Набрать кольца в барабан, насадить на оправку и сжать с торцов, после чего барабан убрать, а кольца, собранные на оправку, обточить по наружному диаметру в размер по чертежу;
— Снять кольца с оправки и, последовательно устанавливая каждое кольцо в специальное приспособление, обточить и расточить с двух сторон фаски 1х450.
— Проверить каждое кольцо по фальшцилиндру с пропиловкой замка до получения заданного теплового зазора.
— Шлифовать торцы кольца (с охлаждением) окончательно в размер.

технология изготовления поршневых колец производство поршневых колец изготовление поршневых колец

Источник