Изготовление поршневых колец

Изготовление самодельных компрессионных поршневых колец.

Отсутствие запасных частей – больной вопрос для многих владельцев мотоциклов. И если для современной техники найти детали можно, то представьте, чего стоит найти комплектующие для мотоцикла, снятого с производства лет 20 или, тем более, 50 назад.

Понятно, что не реально изготовить в кустарных условиях поршневые кольца для импортного мотоцикла, развивающего высокие обороты и имеющего большую удельную мощность. Но для людей, занимающихся антикварной техникой или ставящих перед собой прозаическую задачу ремонта подержанного мотоцикла для эксплуатации в хозяйственных целях, самодельные поршневые кольца могут быть единственным выходом из положения. Но и в этом случае изготовление поршневых колец упрощенным способом целесообразно лишь в качестве крайнего варианта, когда не удается обеспечить двигатель заводскими кольцами.

Один из общеизвестных способов изготовления поршневых колец, подобных по качеству заводским, следующий: из маслоты чугуна (отрезок литой толстостенной чугунной трубы) улучшенного качества вытачивают на токарном станке заготовки кольца диаметром несколько большим, чем требуемый; затем по окружности из кольца вырезают небольшую часть; при сведении торцов заготовки кольцо пружинит, но приобретает овальную форму. Для получения правильной окружности заготовки несколько колец надевают на цилиндрическую оправку, сводят концы в замке, зажимают с торца гайкой и протачивают снаружи до размера, соответствующего диаметру цилиндра. После этой операции кольцо становится круглым, но с различной радиальной толщиной стенки. Кольца устанавливают в оправку – трубу, закрепляют и протачивают изнутри. Они приобретают заданный внутренний диаметр и равную радиальную толщину по всей окружности. Затем шлифуют боковые поверхности колец, доводя их высоту до соответствия канавкам поршня.

1. Оправка для обработки поршневых колец диаметром 78 мм по
внутренней поверхности: 1 – корпус оправки; 2 – накидная гайка.

Для изготовления небольшого количества поршневых колец описанный способ, требующий применения двух оправок, слишком трудоемок и дорог. Ниже рекомендуется простой способ, к которому приходится прибегать при изготовлении нескольких штук, хотя и уступающих по качеству кольцам заводского производства, но дающих, однако, возможность дальнейшей эксплуатации мотоцикла.
В качестве материала для колец подбирают болванку мелкозернистого серого чугуна.* Например, для изготовления колец диаметром 76 мм можно использовать в качестве заготовки трубу с наружным диаметром 80-85 мм и внутренним диаметром 55-60 мм. Трубу следует закрепить в патроне токарного станка и за один установ проточить по наружному и внутреннему диаметрам, обеспечивая шероховатость поверхности 0,63 мкм. Наружный диаметр делается на 0,3-0,5 мм больше диаметра цилиндра. Затем следует отрезать кольца с небольшим припуском на доводку по высоте. Высоту колец подгоняют к канавкам поршня шлифованием боковых поверхностей вручную на наждачной шкурке, расстеленной на толстом стекле и доводкой на чугунной плите с абразивной пастой.

Подогнанные кольца следует разрезать ножовочным полотном, специально сточенным с боков на наждачном круге до толщины 0,5-0,8 мм. При некотором навыке можно перекусить кольца кусачками или перерубить осторожно зубилом. Подогнать зазор в замке кольца по цилиндру, в случае необходимости, припиливая надфилем торцы кольца. Выпилить надфилем выемки в замке кольца, взаимодействующие со стопорным штифтом в канавке поршня (для двухтактных двигателей).

Таким образом получается кольцо правильной формы, равностороннее, с разрезом, но не обладающее необходимой упругостью. Для придания кольцу упругости в сжатом состоянии концы его разводят в стыке в стороны на расстояние, равное примерно пятикратной радиальной толщине кольца. (Для колец диаметром 76 мм разводка на 12-15 мм). С этой целью кольца надевают на трубу подходящего диаметра, причем в месте расположения стыков колец на трубе должна быть снята лыска примерно на 1/6 окружности для того, чтобы цилиндрическая форма кольца была меньше нарушена. Вместе с трубой кольца нагревают в муфельной печи до 800-850°С, выдерживают при этой температуре 20-25 минут и охлаждают в масле. Затем следует новый нагрев до 400°С и охлаждение на воздухе.

зготовленные кольца имеют правильную форму, однако по упругости и ресурсу уступают заводским. При сборке самодельные кольца следует надевать на поршень с повышенной осторожностью, при помощи тонких стальных пластинок, обеспечивающих минимальный развод колец в стыках.

*) В серьезной технической литературе для поршневых колец всех четырехтактных и спортивных двухтактных двигателей рекомендуется применять серый перлитовый чугун, следующего химического состава:
C = 3,75-3,9%; Mn = 0,5-0,75%;
Si = 2,4-2,6%; P = 0,35-0,5%;
Cr = 0,25-0,35%; Ti = 0,08-0,18%;
Cu = 0,25-0,5%; S – не более 0,05%; Fe – остальное.

Несмотря на это, по слухам, некоторые антикварщики успешно делают кольца из канализационных чугунных труб. Следует только иметь в виду, что ездят они с такими кольцами не очень много и не спеша.

Технология производства поршневых колец

Поршневые кольца предотвращают утечку газов из камеры сгорания в картер через зазор между поршнем и гильзой, обеспечивают необходимое сжатие воздуха в цилиндре, отводят тепло от поршня, устраняют попадание масла в камеру сгорания. Они должны хорошо прилегать к стенкам цилиндра, сохранять упругие свойства при нагреве и обладать хорошими антифрикционными свойствами и износостойкостью.

Твердость колец обычно 190…230 НВ. Готовые кольца подбирают к цилиндрам с твердостью, на 10. 20 НВ меньше твердости втулок. Если твердость колец несколько превышает твердость втулки, это нельзя считать недостатком. В отношении износа поршневые кольца находятся в худших условиях, чем втулки, так как работа трения, отнесенная к единице поверхности кольца, всегда больше, чем у втулки. Поэтому диаметральный износ кольца в несколько раз больше, чем у втулок цилиндра. Кроме этого, следует иметь в виду, что кольца из мягкого чугуна (с твердостью меньше 170 НВ), насыщаясь твердыми частицами (продуктами сгорания, износа и т. д.), вызывают усиленный износ цилиндров.

Исходя из условий работы поршневых колец, материалом для их изготовления служит обычно чугун марок СЧ21и СЧ24 с повышенным содержанием фосфора (до 0,5. 0,9 %) и с присадками хрома или других легирующих элементов.

В быстроходных двигателях для колец, главным образом верхних, часто используют марганцовистую сталь 65Г или жаропрочную молибденовую 50М, что повышает прочность и упругость колец. Для придания стальным кольцам антифрикционных свойств и уменьшения износа их покрывают пористым хромом.

Для ускорения приработки и повышения износостойкости применяется разнообразное покрытие: лужение, свинцевание, фосфатирование, оксидирование и другое. Иногда в кольцах предусматриваются канавки для антифрикционного материала.

В качестве заготовок для чугунных поршневых колец применяются литые полые барабаны (маслоты) на несколько колец с отлитым на одном конце фланцем для удобства закрепления на станке, а также литая заготовка на одно кольцо.

Преимущества индивидуальной отливки заключаются в том, что в ней, благодаря небольшому сечению, получается однородная мелкозернистая структура с повышенными механическими свойствами, оставляются меньшие припуски, удешевляется механическая обработка и лучше используется естественная упругость наружных слоев материала. Этот метод применяется, главным образом, в массовом производстве для колец диаметром менее 180 мм, так как он связан с большими первоначальными затратами на устройство сложной формовки и отливки колец (в виде многорядных стопок).

Заготовки отливаются в земляные и металлические формы, применяется также центробежное литье (для маслот). В последнем случае на рабочей поверхности колец получается слой наиболее плотного мелкозернистого и однородного металла. В сечении заготовки могут иметь форму окружности (цилиндр) или овала; выбор формы определяется последующим методом механической обработки.

Заготовкой для стальных колец служит катаная калиброванная полоса.

Требования к механической обработке поршневых колец следующие:

1) должны быть обеспечены упругие свойства, которые соответствовали бы увеличению рабочего зазора в замке а до зазора а в свободном состоянии (рис. 5);

Рис. 5. Поршневые кольца

2) должна быть обеспечена цилиндричность кольца в сжатом состоянии. Радиальный зазор (просвет) между кольцом и калибром (соответствующим номинальному диаметру цилиндра) допускается не более чем в двух местах на дуге, не более 30 ° в одном месте и должны быть не более 0,02 мм для колец с наружным диаметром до 160 мм; 0,03 мм для колец с наружным диаметром от 160 до 320 мм; 0,05 мм для колец с наружным диаметром свыше 320 мм;

3) колебания радиальной толщины в одном кольце не должны превышать 0,1 мм при диаметре до 160 мм и 0,2 мм при диаметре свыше 160 мм;

4) коробление торцевой поверхности кольца не должно быть более 0,03 мм для диаметра до 320 мм и 0,05 мм для диаметра свыше 320 мм;

5) допуск параллельности торцевых поверхностей на диаметр кольца не должен быть больше допуска на его высоту;

6) наружная цилиндрическая и коническая поверхности верхнего компрессионного кольца диаметром до 250 мм для четырехтактного двигателя должны быть покрыты пористым хромом.

Верхние компрессионные кольца для двухтактных двигателей, а также четырехтактных диаметром свыше 250 мм должны иметь на этих поверхностях приработочное покрытие или приработочные вставки;

7) на поверхностях готовых колец не допускаются трещины, раковины, рыхлости, лыски, заусенцы и забоины;

8) шероховатость обработанных поверхностей колец должна быть не менее указанной на рис. 5, а.

Поршневые кольца изготовляют несколькими методами, которые различаются способом достижения упругих свойств, а также формой получаемой заготовки. Как известно, готовое кольцо в рабочем (сжатом) состоянии должно иметь форму окружности, в свободном же состоянии оно принимает овальную форму.

1-й способ: упругие свойства кольца достигаются за счет выреза части кольца — а. Этот способ применяется при изготовлении колец со ступенчатым замком.

При этом возможны несколько вариантов изготовления:

1) заготовка цилиндрической формы; предварительное точение по цилиндру; разрезка на отдельные кольца; вырез части кольца; стягивание кольца; окончательная обработка для получения цилиндрической формы. Недостаток: кольцо при стягивании встык перед окончательной обработкой принимает овальную форму; поэтому приходится оставлять большой припуск на чистовую обработку, и неравномерность его съема при точении приводит к перераспределению напряжений в кольце и впоследствии вызывает его деформацию и нарушение сопрягаемости с поршнем и цилиндром. Способ отличается большой трудоемкостью;

2) заготовка цилиндрической формы; предварительное точение по овалу с помощью копира. Форма овала должна быть такой, чтобы кольцо после вырезания а и сжатия концов встык приобрело правильную цилиндрическую форму. При этом варианте улучшается качество колец. Недостаток: необходимость в сложных копирных устройствах и значительные отходы при предварительном точении;

3) заготовка овальной формы, может быть в виде барабана или индивидуальной отливки, соответствует форме кольца в свободном состоянии; литейные припуски на наружной и внутренней поверхностях 4. 5 мм. Из каждого барабана вырезают 8. 10 колец. Этот вариант характеризуется достаточно высоким качеством колец и малыми отходами металла.

Применяется следующий порядок операций при обработке заготовок колец крупного диаметра с вырезом части кольца (поршневое кольцо со ступенчатым замком закрытого типа);

операция 05 – предварительная обточка и расточка барабана по овалу на специальном копировальном карусельном станке. Вдоль образующей барабана в плоскости малой оси эллипса резцом наносится риска, обозначающая место будущего замка у колец;

операция 10 – термообработка для снятия напряжении (отпуск с нагревом до 450. 500 °С и медленное охлаждение вместе с печью);

операция 15 – разрезка барабана на отдельные кольца с припуском на торцах под шлифование – выполняется на карусельном станке;

операция 20 – разметка ступенчатого замка с учетом участка в под вырезку (рис. 6, а);

операция 25 – ступенчатая обработка кольца (фрезеруется ступень на левой части; вырезается участок в; фрезеруется внутренняя стенка левой части по радиусу R, затем правой части; фрезеруется скос 1);

операция 30 – слесарная обработка замка (опиловка, стяжка замка, сверление отверстия и клепка соединение колец);

операция 35 – окончательная шлифовка торцевых плоскостей на плоскошлифовальном станке;

операция 40 – окончательная обточка и расточка (рис. 6, б). Кольца собирают пачкой, устанавливают на планшайбу 1 станка, центрируют хомутом 2, зажимают сверху диском 3 и протачивают, предварительно сняв хомут 2. Затем кольца зажимают боковыми планками 4и окончательно растачивают. Операция производится на карусельном станке.

Фаски на кольце снимают при установке в станок по одному кольцу;

операция 45 – окончательная припиловка замка; при этом заклепки, стягивающие кольца, удаляются;

операция 50 – контроль качества изготовления; осуществляется в соответствии с ГОСТ 7295-81.

2-й способ: упругие свойства кольца достигаются специальной термообработкой (термофиксация замка). Этот способ имеет широкое применение при производстве колец диаметром до 500 мм (иногда и больше) с косым или прямым замком. Процесс обеспечивает незначительные отходы материала, высокую производительность и достаточно хорошее качество изготовляемых колец.

Рис. 6. Обработка поршневого кольца с вырезом его части:

а) кольцо со ступенчатым замком закрытого типа;

б) обточка и расточка кольца

Заготовка – цилиндрический барабан (маслота) с фланцем или лапками со стороны прибыли (для удобства закрепления на станке).

Порядок операций обработки колец по 2-му способу при мелкосерийном производстве:

Читать еще: Сильно греется двигатель

операция 05- подготовка установочной базы (рис. 7, а): подрезка торца 1со стороны фланца и проточка пояска 2с допуском 0,2 мм. Операция производится на токарном или карусельном станке;

Рис. 7. Обработка поршневых колец с термофиксацией замка

операция 10 – черновая расточка и обточка на токарном или карусельном станке (рис. 7, б). Маслота закрепляется фланцем в планшайбе и центрируется диском 1 по пояску 2. Обработка ведется одновременно двумя резцами обточным 3и расточным 4. Здесь же производится отрезка пробного кольца для испытания на твердость;

операция 15 – термообработка для снятия напряжений (нагрев до 450°С, выдержка 4 ч, медленное охлаждение вместе с печью). Испытание на твердость, проверка микроструктуры на пробном кольце;

операция 20 – предчистовая обточка на размер D + 0,6 мм с допуском 0,1 мм. Чистовая расточка; отрезка колец на размер ; установка по 2-й операции; отрезка колец с помощью державки со ступенчатым расположением резцов (рис. 7, б);

операция 25 – предварительное шлифование торцов на размер на плоскошлифовальном станке с магнитным столом;

операция 30 – прорезка замка на горизонтально-фрезерном станке. (Кольцо помещается в приспособлении, установленном на столе станке. Фреза узкая, толщиной 0,5. 0,8 мм, равной зазору замка а. В случае применения более толстой фрезы увеличение зазора в замке компенсируется увеличением припуска по наружному диаметру);

операция 35- термофиксация замка (нагрев до 600 °С, выдержка 2 ч с охлаждением на воздухе). Кольца надеваются на оправку (рис. 7, в); расстояние между концами колец фиксируется сухарем 1, размер которого около 1,2 а. Затем кольца сжимаются по торцам и фиксируются клином 2, после чего направляются в печь. После термофиксации кольца приобретают овальную форму и при сжатии до круглой формы обладают необходимой упругостью (на упругость, твердость и остаточную деформацию кольца проверяют по ГОСТ 7295-81);

операция 40 – окончательное шлифование торцов в размер Н на плоскошлифовальном станке с магнитным столом (с последующим размагничиванием колец);

операция 45 – чистовая обточка на размер D с допуском h9на токарном станке, расточка внутреннего диаметра. Обрабатываются три-четыре кольца вместе (рис. 7, г). Кольца устанавливаются в накидную шайбу 1, закрепляются диском 2 и тягой 3с помощью пневматического устройства 4.После закрепления шайбу 1 отводят влево. Фаски снимают у каждого кольца отдельно;

операция 50 – калибровка замка в размер а на горизонтально-фрезерном станке. Кольцо устанавливается в калибровочную выточку приспособления, равную диаметру цилиндра. Иногда калибровка осуществляется слесарями вручную с проверкой щупом в кольцевом калибре;

операция 55 – зачистка кромок, фасок и т. д.

Метод термофиксации применяется и при изготовлении стальных колец. Заготовку – катаную полосу – навивают спиралью на цилиндр, разрезают на отдельные кольца. Надевают на оправку с распоркой, сжимают с торцов дисками и подвергают термофиксации. Дальнейшая обработка аналогична рассмотренной.

3-й способ: упругие свойства кольца достигаются путем накатки (насечки) внутренней поверхности. Заготовка – цилиндрический барабан или индивидуальные отливки. Замок прорезают с шириной рабочего зазора а. Затем следует накатка на токарном или карусельном станке каленым рифленым роликом. Благодаря эксцентричному расположению детали накатка захватывает только дугу, приблизительно равную 2/3 длины окружности и расположенную против замка.

Недостатки: значительные напряжения и пластические деформации, величина которых не регулируется. При работе вследствие рекристаллизации материала кольцо может потерять свои упругие свойства.

Преимущества: экономия металла (малые припуски) и простота механической обработки. Рекомендуется для ненапряженных двигателей.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Костромской завод автокомпонентов

Компоненты для моторов выпускают такие известные фирмы, как Kolbenschmidt, Federal Mogul, Mahle, Nural,Glyco, АЕ. Между тем и в России есть производители, которые предлагают сопоставимую по качеству продукцию, но за меньшую цену. Один из них – Костромской завод автокомпонентов, или как он назывался со дня своего рождения, завод «Мотордеталь»

Гильзы

Специалисты компании «Мотордеталь», используя свои наработки, а также опыт и технологии своего нынешнего главного партнера немецкого концерна Kolbenschmidt, организовали выпуск широкой гаммы гильз цилиндров: «сухих» и «мокрых», а также ремонтных – для негильзованных блоков цилиндров. Диапазон диаметров: от 76 мм для моторов легковых автомобилей до 230 мм – для тепловозных, а также до 600 мм – для судовых двигателей. Высококачественные «мокрые» гильзы изготавливают практически для всех дизелей грузовиков-иномарок, имеющих поршни диаметром от 90 до 150 мм: MAN, Volvo, Renault Trucks, Mercedes-Benz, DAF, Scania и др. Как говорят, гильзы цилиндров поставляются и на конвейер моторных заводов, и на вторичный рынок – в запчасти. Тем самым компания «Мотордеталь» конкурирует с Federal Mogul и Mahle. Кроме того, освоили выпуск ремонтных гильз для восстановления негильзованных блоков цилиндров. А таких моторов в России эксплуатируется немало. В первую очередь, в 2015 году наладили производство гильзы на ОМ611 для Mercedes-Benz Sprinter с поршнем диаметром 88,0 мм, на различные дизели Cummins: под диаметры поршней на 94,0 – то есть Cummins ISF2.8 для «ГАЗелей», 102,0 мм – для Cummins серии «В» и IVECO Tector, а также на 107,0 мм – для «камазовских» ISBe. Но это только начало.
Казалось бы, гильзы и поршни в Костроме выпускают уже почти 40 лет, и весь процесс выверен до малейших нюансов, но сравнительно недавно завод «Мотордеталь» освоил выпуск гильз из сплавов с улучшенными прочностными, антикоррозионными и прочими физико-химическими свойствами. Чугун гильз легируют молибденом – в результате гильзы получаются долговечнее и прочнее, чем оригинальные, у того же ЗМЗ, ЗИЛа или ММЗ. Тем самым устранили такую часто встречающуюся при ремонте двигателя проблему, как поломка центрирующего бурта в верхней части гильзы у двигателей ММЗ-240/ММЗ-245/ММЗ-260, а также у ЗИЛ-130/ЗИЛ-375. Еще один пример того, что в Костроме выпускают качественную продукцию – то, что здесь наладили производство деталей ЦПГ для новых моторов ЯМЗ-530 и гильзы для ЯМЗ-650.
Особый разговор о ценах. Как говорят на заводе, при аналогичном качестве костромская гильза для двигателей-иномарок дешевле на 20-30% по отношению к продукции Federal Mogul и Mahle, а по отношению к «брендированным» запчастям ее приобретать еще выгоднее. Некоторые поршни оказываются дешевле вообще в несколько раз.
Сейчас на заводе ведутся строительные работы под монтаж новых итальянских линий, и в первую очередь – для литья и обработки гильз. Все будет на новом месте и на новом уровне.

Кольца

Самый первый пример успешного сотрудничества компании «Мотордеталь» с зарубежными производителями компонентов для двигателей – технологическое партнерство с германской компанией Goetze. Еще в начале 2000-х производство «Мотордетали» было сертифицировано немецким TUV по стандарту ISO 9001. Поршневые кольца для цилиндро-поршневой группы в Костроме как раз изготавливают с конца 90-х годов по технологии и на оборудовании Goetze. Большая часть костромских колец – чугунные. Некоторые кольца, в частности, на современные двигатели ВАЗ-11194 и ВАЗ-21126 – стальные. Диапазон диаметров колец «Мотордетали»: от «жигулевских» 76 мм до 150 мм для больших дизелей транспортного и промышленного назначения. Чугунные кольца отливаются не трубой, а каждая заготовка представляет собой отдельную отливку. Для колец разных моторов существует свой состав чугуна, не говоря уже о том, что он разный, допустим, для верхнего и второго компрессионного или для маслосъемных колец.
В производстве поршневых колец, освоенных на заводе «Мотордеталь», тоже используются самые современные разработки мирового уровня. Все кольца обязательно фосфатируют. Кроме привычного нанесения слоя хрома на верхнее компрессионное и маслосъемное кольца или использования в 2-3 раза более эффективной хромокерамики, увеличивающей износостойкость и долговечность по сравнению с обычным хромом, теперь используется еще более долговечное покрытие – ncMDCr («нанохром»). Этот состав разработан инженерами компании «Мотордеталь», в его основе хром с содержанием наночастиц углерода. Покрытие выдерживает большие температурные нагрузки, имеет высокую микротвердость, но не изнашивает поверхность цилиндра, так как благодаря «нанохрому» в паре «кольцо–стенка цилиндра» снижается трение.
Повторимся: компании, специализирующиеся на выпуске цилиндро-поршневой группы, поставляют свою продукцию как для конвейерной сборки на моторные заводы, так и в запчасти. Автопроизводители, сами изготавливающие ЦПГ, крайне редки. Если комплект «поршень–гильза–кольца» сделан на одном заводе, то разница между «оригинальной» и «неоригинальной» поршневой – только в цене. Часто нет смысла гоняться за дорогими «оригинальными» поршнями, когда можно купить точно такие же в упаковке настоящего производителя этой поршневой группы. А долгая жизнь двигателя обеспечивается комплексом технологических решений, которыми владеют только профессионалы.

Информация

В2011 году было подписано эксклюзивное для России лицензионное соглашение с мировым лидером в области двигателестроения – немецким концерном Kolbenschmidt. Таким образом, «Мотордеталь» получила самые современные технологии, используемые для двигателей Mercedes-Benz, BMW, Volvo, MAN, Ford, Volkswagen.
Компания «Мотордеталь» начинала свою деятельность в середине 70-х годов с изготовления поршневой группы для различных двигателей ЗМЗ, позже – для моторов КАМАЗ. А сегодня выпускает комплектующие для любых двигателей – отечественных и зарубежных, бензиновых и дизельных. Около трех лет назад в Ярославле свернули свое производство поршневой группы на V-образные дизели, взамен нескольким разным исполнениям ЦПГ разработали унифицированную поршневую и полностью перешли на использование комплекта «поршень–гильза–кольца» из Костромы. На Минском моторном заводе, имеющем свое производство ЦПГ, для наиболее ответственных дизелей давно применяют костромские поршневые кольца. В основе успеха костромской поршневой группы – свои и зарубежные технологии, современное импортное оборудование. За последние семь лет предприятие было полностью переоснащено.
Компания «Мотордеталь» сегодня удерживает около 40% российского рынка, ежегодные объемы производства составляют более 22 миллионов единиц готовой продукции, которая поставляется в 40 стран мира. Одним из главных факторов уверенного роста продаж является эффективная маркетинговая стратегия компании. Сейчас работа с клиентами стала еще более гибкой и информативной – работает «горячая линия», и покупатель, позвонив по телефону, получает квалифицированную консультацию технического специалиста. Есть даже интернет-магазин запчастей для двигателей, а для механиков СТО и продавцов запчастей организованы технические семинары.

Мнения

Николай Шамаль
директор по развитию ОАО «Автодизель», Ярославль

В разные годы ярославским моторным заводом, при наличии собственного производства цилиндро-поршневой группы, проводились закупки части компонентов моторов у сторонних отечественных производителей, но не всегда они оказывались успешными. К примеру, для безнаддувных V-образных дизелей закупали поршневые кольца ставропольского завода «СТАПРИ», который делает их по лицензии германской фирмы Goetze или стальные кольца «СТАКОЛ» из города Петушки, выпускаемые по японской лицензии. По разным причинам эти кольца, что называется, не пошли. Комплекты поршневой группы моторного завода из Набережных Челнов оказывались дорогими и проигрывали тендер. Продукция костромской «Мотордетали» нас устраивала в большей степени – и по цене, и по качеству. Хотя на протяжении нашего сотрудничества тоже были периоды, когда у нас возникали претензии к заводу.
Менялись ярославские моторы – менялись и технологии производства их компонентов. Ведь поэтапный переход с Евро-0 на Евро-4 и дальше на Евро-5 – это не только изменения в топливной аппаратуре и отладке рабочего цикла, но и серьезные изменения в конструкции блока, головки, всей ЦПГ. Сейчас нет претензий к качеству продукции «Мотордетали». Для ЯМЗ эта компания – важнейший стратегический партнер, производство унифицированной поршневой группы для семейства ярославских V-образных моторов передано в Кострому. Это мировая практика – отдавать производство части деталей двигателя специализированным компаниям. Моторостроители так работают с Federal Mogul, а также с Mahle и Kolbenschmidt. Нас жизнь тоже заставляет сотрудничать не только с «Мотордеталью», но для подстраховки – и с другими производителями.
В последнее время, в результате модернизации производства, у «Мотордетали» выросло качество изготовления поршня. Там установлено дорогостоящее импортное оборудование, литейные линии, обрабатывающие центры. Результат очень хороший. Серьезные изменения к лучшему наблюдаются в производстве поршневых колец – на заводе используют ранее приобретенную технологию Goetze. Но останавливаться на этом нельзя, в частности, необходимо вводить более современные методы и средства пооперационного контроля.
К вопросу о покрытиях поршней и колец. Новый, блестящий поршень с нанесенным графитным составом очень эффектно выглядит, но при несоблюдении технологии покрытие слезает «чулком». В свое время на ЯМЗ применялось довольно эффективное покрытие – так называемое оловянирование, сопоставимое по антифрикционным свойствам. Однако все современные импортные поршни – с графитным слоем на юбке, возможно, из-за доступности компонентов материала и технологий, цене и экологической безопасности. Повторюсь: по нашему опыту, современные костромские поршни – хорошие, с качественным графитным покрытием.
У верхнего компрессионного и у маслосъемного кольца обязательно должно быть дополнительное покрытие. На атмосферных моторах ЯМЗ использовался пористый хром, но сейчас это анахронизм. Для наддувных моторов предпочтительнее нанесение на рабочую кромку колец твердого мелкодисперсного легированного хрома: у него более высокая коррозионная стойкость и стойкость к температурам. Однако здесь необходим подбор особого состава чугуна для гильзы. Самое современное покрытие для колец – хромокерамика, которая имеет более лучшие характеристики. Предлагаемое компанией «Мотордеталь» покрытие «нанохром» можно рассматривать как альтернативу именно хромокерамическим составам. На ЯМЗ пока только ведутся испытания этого покрытия – посмотрим, насколько хорошо оно работает.
Одно из важнейших направлений для Ярославского моторного завода – локализация деталей двигателей семейства ЯМЗ-530 и ЯМЗ-650. Для моторов ЯМЗ-534/ЯМЗ-536 поршень разрабатывала именно фирма Kolbenschmidt – партнер «Мотордетали». Налаживая в Костроме выпуск ЦПГ к ЯМЗ-530, Kolbenschmidt провела полный аудит оборудования, производства и технологий «Мотордетали». Мы сейчас проводим второй цикл испытаний костромской поршневой группы – стендовый цикл, затем последуют дальнейшие испытания. А пока на сборочный конвейер для ЯМЗ-530 идут комплекты, изготовленные на заводе Federal Mogul в Набережных Челнах. У них тоже получается локализованное производство. Видимо, эти две компании и будут производителями ЦПГ для новых ярославских моторов, что особенно актуально при растущих объемах производства этих двигателей.

Читать еще: Как правильно зарядить автомобильный аккумулятор необслуживаемого типа

Конструкция и форма поршневых колец

Материалы для изготовления поршневых колец

Материалы для изготовления поршневых колец выбираются по наличию у них антифрикционных свойств и по условиям, при которых должны работать поршневые кольца. Хорошая эластичность и коррозионная стойкость важны точнотакже, как и высокая сопротивляемость по отношению к повреждениям при экстремальных условиях эксплуатации. Серый чугун является на сегодняшний день ещё основным материалом, из которого изготавливаются поршневые кольца. С трибологической точки зрения серый чугун, с содержащимся в его структуре прослойками графита, обладает отличными антифрикционными свойствами (сухое смазывание графитом).

Они важны особенно тогда, когда смазывание больше не обеспечивается моторным маслом или маслянистая плёнка уже разрушена. Кроме того, графитовые жилки в структуре кольца являются своеобразным масляным резервуаром и при неблагоприятных условиях эксплуатации мешают разрушению маслянистой плёнки.

В качестве разновидностей серого чугуна используются следующие материалы:

• Чугун с пластинчатой структурой графита (чугун с пластинчатым графитом), обогащённый и необогащённый.

• Чугун с глобулярной структурой графита (чугун с шаровидным графитом), обогащённый и необогащённый.

Процесс литья поршневых колец

В качестве стальных материалов используются хромистая сталь с мартенситной микроструктурой и пружинная сталь. Для повышения износостойкости поверхности колец подвергаются закалке. Это происходит, как правило, с помощью нитрирования*.

* Нитрирование обозначается на языке специалистов также, как азотирование (подача азота) и представляет собой метод для закалки стали. Нитрирование проводится, как правило, при температуре от 500 до 520 °С. Время обработки – от 1 до 100 ч. На поверхности детали благодаря прямой диффузии азота образуется очень твёрдый поверхностный слой межсоединений из нитрида железа. В зависимости от времени обработки он может достигать толщины в 10-30 мкм. Распротранёнными методами являются нитрирование в соляной ванне (например, коленчатых валов), газовое азотирование (поршневых колец) и нитрирование плазмой

Материалы для покрытия рабочей поверхности

На рабочие пояски или рабочие поверхности поршневых колец для улучшения трибологических* свойств можно наносить покрытие. При этом, прежде всего, на первом плане стоит повышение износостойкости и обеспечение смазывания и уплотнения в экстремальных условиях эксплуатации. Материал для покрытия должен гармонировать как с материалами, из которых изготовлены поршневое кольцо и стенка цилиндра, так и со смазкой. Использование покрытия рабочей поверхности у поршневых колец нашло широкое распространение. Часто кольца двигателей серийного производства имеют покрытие из хрома, молибдена и феррооксида.

Но используются также и кольца с CKS (слоями хрома – керамики) или с покрытием, нанесённым методом физического отделения из парообразной фазы (PVD = Physical Vapour Deposition). Нитрид титана (TiN) и азотистый хром (CrN) используются при более мелких сериях производства (прежде всего, у гоночных двигателей).

* Трибология (греч.: учение о трении) включает в себя исследования и технологию действующих изменений поверхностей, движущихся относительно друг друга. Эта наука занимается описанием трения, износа и смазывания.

Молибденирование

Во избежание следов пригара рабочая поверхность компрессионных колец (только не маслосъёмных колец) может быть наполнена молибденом или по всей поверхности им покрываться. Это может происходить как в процессе газопламенного, так и в процессе плазменного напыления. Молибден гарантирует из-за его высокой точки плавления (2620 °С) более высокую термостойкость. Кроме того, благодаря этому методу нанесения покрытия, можно получить пористую структуру материала. В возникающих из-за этого микропустотах на рабочей поверхности колец (рис. 2) может собираться моторное масло, которое гарантирует, что даже при экстремальных условиях эксплуатации ещё имеется достаточно смазки для рабочей поверхности кольца.

Свойства:

• Хорошие антифрикционные свойства.

• Более мягкий чем хром.

• Менее износостойкий чем хромовые кольца (более восприимчив к загрязнениям).

• Более восприимчив к вибрации поршневых колец (вследствие этого выбросы молибдена при экстремальных нагрузках, таких, как, напр., детонационное сгорание и др. сбои процесса сгорания).

Хромирование

Хромовое покрытие может наноситься как гальваническим методом, так и методом плазменного напыления. У маслосъёмных поршневых колец применяется гальваническое нанесение покрытия.

Свойства:

• Большой срок службы (износостойкость).

• Меньший износ цилиндров (примерно 50% по сравнению с кольцами без покрытия).

• Хорошая сопротивляемость по отношению к следам пригара.

• Антифрикционные свойства хуже чем при молибденировании.

• По причинехорошей износостойкости необходимо больше времени для приработки, чем у неармированных, маслосъёмных со стальными пластинками или U-образных пружинных маслосъёмных поршневых колец.

Виды покрытия рабочей поверхности кольца

Рис. 4 – Полностью с покрытием

Рис. 5 – Со вставкой с нанёсенным покрытием в рабочей поверхности кольца

Рис. 6 – Снеподной наружной оболочкой с одной стороны

Отслаивание покрытия

Время от времени происходит отслаивание напылённого молибденом и феррооксидом покрытия рабочей поверхности. Причиной этому являются в основном ошибки при монтаже поршневых колец (слишком сильное растягивание при надевании на поршень и натягивание колец, как показано на рисунке 1). При неправильном надевании колец на поршень покрытие разламывается только на спинке кольца (рис. 2). Если нанёсеное покрытие на стыковых концах отслаивается (рис. 3), то это указывает на вибрацию поршневого кольца из-за сбоя процесса сгорания (напр., детонационное сгорание).

Рис. 1

Рис. 2

Обработка рабочей поверхности (обтачивание, притирка, шлифование)

Рабочие поверхности поршневых колец из чугуна, как правило, подвергаются только тонкой обточке. Из-за небольшого времени приработки неармированных колец отказываются от обработки рабочей поверхности шлифованием или притиркой. Рабочие поверхности с нанесённым покрытием или подверженные закалке либо только шлифуются, либо притираются. Причина этого состоит в том, что благодаря хорошей износостойкости это длилось бы очень долго до тех пор, пока кольца приняли бы круглую форму и стали бы хорошо уплотнять. Результатом были бы потеря мощности и высокий расход масла.

Рис. 4

Выпуклая форма рабочей поверхности

Следующая причина для использования процесса шлифования или притирки это форма рабочей поверхности. Поршневые кольца прямоугольного сечения из-за движения вверх и вниз, а также из-за движения кольца в кольцевой канавке (скручивание кольца) принимают по прошествии некоторого времени на рабочей поверхности выпуклую форму (рис. 5 и 6). Это положительно отражается на образовании маслянистой плёнки и сроке службы колец.

Рис. 5

Рис. 1 – Симметричная выпуклость

Рис. 2 -Асимметричная выпуклость

Уже при производстве колец с нанесённым покрытием им придают несколько выпуклую форму. Вследствие этого они не должны получать определённую форму при приработке, а уже с самого начала имеют желаемую форму и уже предварительно приработанную рабочую поверхность. Благодаря этому нет не только повышеного износа от приработки, но и вместе с ним связанного расхода масла. Из-за точечного контакта рабочей поверхности кольца появляется более высокое специфическое давление прижима на стенку цилиндра и, вместе с этим, более хорошая герметизация от газа и масла. Также уменьшается опасность кромочного контакта, исходящая от ещё острых кромок кольца. У кольца из хрома есть и без того всегда перелом кромки для того, чтобы предотвратить продавливание масляной плёнки при приработке. Очень твёрдый хромовый слой при не очень удачной конструкции мог бы привести к значительному износу и к повреждению более мягкой стенки цилиндра.

Симметричные, выпуклые рабочие поверхности кольца (рис. 1), независимо от того, являются ли они результатом приработки или уже производства, обладают очень хорошими антифрикционными свойствами и создают определенную толщину маслянистой плёнки. При симметричной выпуклости толщина маслянистой плёнки при движении поршня вниз и вверх везде одинаковая. Силы, действующие на кольцо и позволяющие ему всплывать на масляной плёнке, в обоих направлениях равны.

Если выпуклость – уже результат производства кольца, то для лучшего контроля расхода масла существует возможность создать асимметричную выпуклость. Высшая точка выпуклости находится тогда не в середине рабочей поверхности, а немного ниже (рис. 2).

При движении кольца вверх оно хорошо скользит по масляной плёнке в направлении верхней мёртвой точки, так как образование масляного клина, благодаря большей действующей площади над вершиной выпуклости кольца больше, чем под ней (рис. 3). Скорее всего, кольцо выдавливается масляной плёнкой, а не наоборот. Это означает, что толщина маслянистой плёнки при движении вверх сильно не уменьшается. При движении кольца вниз (рис. 4), из-за меньшей действующей площади под вершиной его выпуклости оно не может так сильно планировать на масляной плёнке. Большее количество масла снимается и транспортируется обратно в кривошипную камеру. Вследствие этого, асимметрично выпуклые кольца служат также и для контроля расхода масла, особенно при неблагоприятных условиях эксплуатаци и в дизельных двигателях. Это случается, например, после более длительных фаз холостого хода, следующих за периодами полной нагрузки, при которой часто происходит выброс масла в выпускную систему и появляется голубой дым при повторном газовании.

Рис. 3

Обработка поверхности

В зависимости от конструкции поверхности поршневых колец могут быть либо без покрытия, либо фосфатированными, либо покрытыми медью. Это влияет лишь на антикоррозионные свойства колец. Кольца без покрытия, хоть они прекрасно и блестят пока новые, они, однако, совсем незащищены от появления ржавчины. Фосфатированные кольца имеют матово-чёрную поверхность и защищены слоем фосфата от появления ржавчины.

Покрытые медью кольца также хорошо защищены от ржавчины и имеют лёгкую защиту от образования следов пригара, образующегося во время приработки. Медь обладает определённым эффектом сухой смазки и, вследствие этого, минимально выраженными антифрикционными свойствами при приработке.

На работу колец обработка поверхности, тем не менее, не влияет. Таким образом, качество поршневого кольца не зависит от его цвета.

Конструкция и форма поршневых колец

Материалы для изготовления поршневых колец

В качестве разновидностей серого чугуна используются следующие материалы:

• Чугун с пластинчатой структурой графита (чугун с пластинчатым графитом), обогащённый и необогащённый.

• Чугун с глобулярной структурой графита (чугун с шаровидным графитом), обогащённый и необогащённый.

Процесс литья поршневых колец

Материалы для покрытия рабочей поверхности

Молибденирование

Свойства:

• Хорошие антифрикционные свойства.

• Более мягкий чем хром.

• Менее износостойкий чем хромовые кольца (более восприимчив к загрязнениям).

Хромирование

Свойства:

• Большой срок службы (износостойкость).

• Меньший износ цилиндров (примерно 50% по сравнению с кольцами без покрытия).

• Хорошая сопротивляемость по отношению к следам пригара.

• Антифрикционные свойства хуже чем при молибденировании.

Виды покрытия рабочей поверхности кольца

Рис. 4 – Полностью с покрытием

Рис. 5 – Со вставкой с нанёсенным покрытием в рабочей поверхности кольца

Рис. 6 – Снеподной наружной оболочкой с одной стороны

Отслаивание покрытия

Рис. 1

Рис. 2

Обработка рабочей поверхности (обтачивание, притирка, шлифование)

Рис. 4

Выпуклая форма рабочей поверхности

Рис. 5

Рис. 1 – Симметричная выпуклость

Рис. 2 -Асимметричная выпуклость

Рис. 3

Обработка поверхности

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.