Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

аспирант Марьин Д.М., к.т.н., доцент Хохлов А.Л., соискатель Хохлов А.А.

Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П. А. Столыпина, Россия

УПРОЧНЕНИЕ КАНАВОК ПОД ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Поршень двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является одной из самых напряженных деталей, ресурс работы которого определяет ресурс работы всего двигателя. Различные зоны поршня изнашиваются крайне неравномерно. У поршня существуют слабые места, предельный износ которых вынуждает выбраковывать весь поршень, хотя по остальным геометрическим размерам он оказывается еще вполне работоспособным. В зависимости от конструктивных особенностей конкретного поршня и типа двигателя, на котором он используется, канавки под компрессионные и маслосъемное поршневые кольца, днище поршня подвергаются наибольшему износу [1].

Износ канавок под поршневые кольца ухудшает уплотнение рабочего объема цилиндра, снижает индикаторные параметры двигателя, усиливает прорыв газов в картер, ухудшает условия смазки и вызывает необходимость замены поршня.

Для повышения износостойкости и надежности канавок под поршневые кольца поршня ДВС, применяют специальные упрочняющие покрытия или износостойкие конструктивные элементы.

Воздействие поршневых колец на канавку обусловлено как сочетанием знакопеременного движения поршня и давления газов, так и вибрацией колец. Обычно вибрация колец является причиной разрушения верхней торцевой поверхности канавки. Нижние поверхности канавок в большей степени изнашиваются от действия давления газов на такте расширения. Также следует учитывать, что взаимодействие поршневых колец и канавок происходит при повышенной температуре (200…250 ^оС) с присутствием в зоне контакта твердых продуктов коксования и абразивных частиц, попадающих извне [2].

Технология электронно-лучевого упрочнения поршневых сплавов является универсальным инструментом, позволяющим во многих случаях успешно решить проблему износу канавок под поршневые кольца. Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую в зоне обработки. Поскольку диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, возможны все виды термического воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавление и испарение с очень высокими скоростями [3]. Упрочнение проводится в двух вариантах: без легирования и с дополнительным легированием расплавленного металла специальной присадочной проволокой. Применительно к кольцевым канавкам поршня процесс заключается в локальном расплавлении кольцевого участка заготовки поршня в месте будущей кольцевой канавки. Геометрические размеры упрочненной зоны (глубина и ширина проплавления) выбираются исходя из требуемых геометрических размеров будущей кольцевой канавки, которая полностью располагается в упрочненном металле. После выполнения операции упрочнения в наплавленном металле протачивается кольцевая канавка заданных геометрических размеров. При этом, после протачивания остается слой упрочненного металла между стенкой канавки и основным металлом поршня толщиной 1,5…2,5 мм.

Предложен метод искрового упрочнения для повышения износостойкости верхних поршневых канавок. Суть этого метода заключается в том, что под действием искрового разряда в тонком поверхностном слое детали происходят значительные изменения, которые касаются химического состава поверхности, ее структуры, рельефа и механических свойств. В результате искрового упрочнения на поверхности детали формируется модифицированный слой [4].

Рассмотренные методы имеют ряд недостатков, таких как необходимость финишной обработки и низкая технологичность.

В настоящее время наиболее эффективный и производительный способ образования поверхностного оксидированного слоя является метод микродугового оксидирования (МДО). Сущность метода заключается в том, что при пропускании тока большой плотности через границу раздела металл-электролит создаются условия, когда напряженность на границе раздела становится выше ее диэлектрической прочности и на поверхности электрода возникают микроплазменные разряды с высокими локальными температурами и давлениями. Результатом действия микроплазменных разрядов является формирование слоя, состоящего из окисленных форм элементов металла основы и составляющих электролита. В зависимости от режима МДО и состава электролита можно получать керамические покрытия, без изменения конструктивных размеров обрабатываемых деталей, с уникальными характеристиками и широчайшим спектром применения.

Микродуговое оксидирование канавок под поршневые кольца проводилось в электролитической ванне из нержавеющей стали, стенки и дно которого являются катодом, при следующих режимах: плотность тока 25…30 А/дм²; соотношение катодной и анодной токовых составляющих – 1,5; продолжительность обработки – 60 мин.; температура электролита 20^оС (рис 1) [5,6,7].

Рисунок 1 – Поршень с оксидированным днищем и канавками под поршневые кольца

МДО является универсальным и перспективным методом упрочнения канавок под поршневые кольца поршней ДВС. Формирование оксидированного слоя состоящего из корунда, позволит не только увеличить износостойкость поршней двигателей, но и повысить надежность и работоспособность ДВС.

Литература:

1. Кровяков, К.С. Области применения технологии электронно–лучевого упрочнения поршневых сплавов/ К.С. Кровяков, Е.А. Иванайский, М.В. Зыков, А.В. Маурер // Ползуновский альманах. 2003. №4.

2. Сторожев В.П. Причины и закономерности постепенных отказов, основных триботехнических объектов энергетической системы судна и повышения их ресурса. / В.П. Сторожев – Одесса, 2001. – 341 с.

3. Шиллер З., Гайзиг У., Панцер З. Электронно-лучевая технология. — М.: Энергия, 1980. — 528 с.

4. Дударева, Н. Ю. Упрочнение верхних поршневых канавок двигателей внутреннего сгорания методом искрового упрочнения/ Н. Ю. Дударева, С. А. Соколов // Вестник УГАТУ. 2010. Т. 14, № 3(38). С. 111–115.

5. Марьин, Д.М. Результаты исследований микротвердости и пористости поршня с оксидированным днищем» /Д.М. Марьин, А.С. Егоров, А.А. Гузяев //Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Материалы Всероссийской науч. конф. Молодых ученых – Пенза. ПГСХА. 2012. – с. 156-158.

6. Степанов, В. А. Микродуговое оксидирование поверхности деталей из алюминиевых сплавов. /В. А. Степанов, А.Л. Хохлов, К.У. Сафаров //Материалы II-й Открытой Всероссийской научно – практической конференции молодых ученых. Ч. 2.:Молодежь и наука XXI века - Ульяновск: УГСХА, 2007 – с. 45 -48.

7. Патент на изобретение 2439211 Россия, МПК F02F 3/12. Способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана, и их сплавов/ И.А. Казанцев, А.О. Кривенков, С.Н. Чугунов, А.Л. Хохлов, В.А. Степанов, К.У. Сафаров. – № 2010140537/02; Заяв.04.10.2010; Опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.