CC BY
60
МАШИНОСТРОЕНИЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
УДК 621.431.3-2
Н. Ю. ДУДАРЕВА, С. А. СОКОЛОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ВЕРХНИХ ПОРШНЕВЫХ КАНАВОК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ МЕТОДОМ ИСКРОВОГО УПРОЧНЕНИЯ
Рассматривается пример конкретной реализации формирования упрочненного слоя на торцевой поверхности канавки поршня методом искрового упрочнения в воздушной среде, который позволяет формировать на поверхности деталей из алюминиевых сплавов высокотвердое износостойкое покрытие. Приведено описание методики и результатов эксперимента по исследованию влияния качества упрочненного поверхностного слоя на износостойкость поверхностей канавки поршня ДВС. Верхние поршневые канавки; метод искрового упрочнения; двигатель внутреннего сгорания
Наиболее нагруженной и напряженной деталью цилиндропоршневой группы современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является поршень. Поэтому для обеспечения безотказной и долговечной работы ДВС необходимо обеспечить, прежде всего, надежность и долговечность поршня. Надежность поршней зависит в основном от материалов, из которых они изготавливаются, и методов поверхностного упрочнения.
Широкое распространение в ДВС на сегодняшний день получили поршни из алюминиевых сплавов. Основными достоинствами таких поршней является их низкая масса, технологичность в обработке, высокие значения параметров теплопроводности и коррозионной стойкости [1]. Однако алюминиевые сплавы имеют низкую износостойкость.
Монометаллические поршни из алюминиевых сплавов чаще всего выходят из строя по причине износа двух верхних канавок [2]. Основываясь на требованиях, предъявляемых к поверхностному слою поршневых канавок, а также, учитывая условия работы поршня, для повышения износостойкости верхней поршневой канавки был предложен метод искрового упрочнения.
Метод упрочнения поверхностей деталей — искровое упрочнение — разработан на кафедре ДВС УГАТУ [3,4]. 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 ме-
ханических свойств. В результате искрового упрочнения на поверхности детали формируется модифицированный слой. По своему составу этот слой состоит из корунда — а-Л^Оз и обладает высокой микротвердостью. Благодаря технологии искрового упрочнения можно сформировать на поверхности детали модифицированный слой, прочно сцепленный с подложкой и характеризующийся высокими механическими, теплостойкими и износостойкими свойствами.
Целью данной работы является исследование возможности упрочнения верхних канавок поршней ДВС из алюминиевых сплавов методом искрового упрочнения.
Объектом исследования является поршень, предметом исследования — поверхность поршня, модифицированная методом искрового упрочнения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Упрочненный слой был сформирован на поверхности верхних поршневых канавок поршней двигателя внутреннего сгорания ЭМ-100. Поршни были изготовлены из алюминиевого сплава марки АК5М7 (по ГОСТ 1583-93), диаметр поршня — 42 мм.
Упрочнение канавок поршня было осуществлено методом искрового упрочнения при помощи трех установок, генерирующих искровой разряд между электродом и поверхностью заготовки. Поршень был зафиксирован в патроне и вращался с постоянной скоростью относительно неподвижных электро-
дов, которые располагались в поршневых канавках (рис. 1). Электрод размещался таким образом, чтобы обеспечивалась равномерная обработка обеих рабочих поверхностей канавки одновременно. Электрод представлял собой цилиндрический стержень (рис. 1) диаметром 1,5 мм и был выполнен из алюминиевого сплава А5Е (по ГОСТ 11069-74).
Технологические параметры искрового упрочнения канавок поршней:
• межэлектродный зазор — 0,25^0,35 мм; скорость вращения поршня относительно электрода — 1 об/мин;
рабочая среда — воздух; энергия искрового разряда мДж; частота импульсов Гц;
количество одновременно обрабатывающих электродов — 3.
Рис. 1. Схема расположения электрода: 1 — электрод; 2 — упрочненный слой; 3 — поршень
а б
Рис. 2. Поршень с образцом-свидетелем: образец-свидетель поршня с упрочненным слоем (а); поршень после выреза образца-свидетеля (б )
Особенности технологии искрового упрочнения таковы, что глубина, микротвердость и износостойкость упрочненного слоя (УС), во многом зависят от продолжительности обработки поверхности. Поэтому согласно вышеописанной методике были обработаны два поршня с различной продолжительностью обработки, чем и было обусловлено формирование упрочненных слоев с различными характеристиками: глубиной слоя, микротвердостью и, как следствие, износостойкостью.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для определения твердости и глубины упрочненного слоя из поршня вырезались образцы-свидетели (рис. 2, а). Вырезание образ-цов-свидетелей осуществлялось на установке с ЧПУ AGIETRON IMPACT, медным электродом коробчатого типа в среде электролита. Изображение поршня после вырезания образца-свидетеля приведено на рис. 2,6.
Микротвердость и глубина упрочненного слоя измерялась на образце-свидетеле при помощи микротвердомера ПМТ-3М с нагрузкой Р = 200 г. Результаты исследований приведены в табл. 1.
Т аблица1
№ поршня Микротвердость нт,ГПа Глубина УС h, мкм
1 (без упроч.) 0,95 0,0
2 10,78 8,7
3 17,50 15,7
Поршень № 3 имел наиболее высокие значения микротвердости и глубины УС, что должно обусловить его наибольшую износостойкость. Поэтому для исследования на износ был выбран поршень № 1 (без упрочненного слоя) и поршень № 3 (с упрочненным слоем).
Для проведения предварительных исследований на износостойкость был создан стенд. За основу стенда взят двигатель ЭМ-100, который имеет схему с противоположно движущимися поршнями, что позволяет одновременно испытывать два поршня.
Привод стенда осуществлялся от электродвигателя АИР80А2У3. Через ременную передачу крутящий момент подавался на один из выходных валов двигателя ЭМ-100, и составлял 2600 мин-1. Испытание проходило в течение двух часов в режиме холодной обкатки.
Об износе канавки судили по разности ее начальной и конечной высоты. Замер высоты канавки осуществлялся по 5 точкам, начиная от технологической метки на днище поршня по часовой стрелке через 72°. Измерения проводились при помощи микроскопа микротвердомера ПМТ-3М. В табл. 2 приведены результаты измерений износа по длине поршневой канавки.
Таблица 2
№ Нач. высота канавки h,:,, мм Ср. знач. Высота канавки после Ср. знач. Ср. велич. износа
поршня /іиср, мм испытаний hk, мм hkСр, мм Ah, мм
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1 1,66 1,64 1,8 1,78 1,76 1,74 1,86 1,84 1,86 1,84 1,89 1,86 0,12
3 1,86 1,7 1,7 1,76 1,7 1,76 1,89 1,77 1,79 1,75 1,7 1,78 0,02
ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Методом искрового упрочнения на торцевых сторонах поршневой канавки при помощи трех-электродной установки можно сформировать модифицированный слой, микротвердость которого в 18,5 раз выше, чем микротвердость необработанного образца и составляет 17,5 ГПа.
Испытания поршневой канавки в режиме холодной обкатки двигателя показали, что износ канавки поршня, обработанного методом искрового упрочнения, уменьшился в 6 раз по сравнению с необработанным поршнем.
Полученные результаты подтверждают возможность применения метода искрового упрочнения для повышения износостойкости поршневых канавок ДВС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вырубов, Д. Н. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей : учеб. для студ. втузов / Д. Н. Вырубов, С. И. Ефимов, Н. А. Иващенко [и др.]; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. М. : Машиностроение, 1984. 384 с.
2. Крагельский, И. В. Трение, изнашивание и смазка : справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / под ред.
И. В. Крагельского и В. В. Алисина. М. : Машиностроение, 1979.358 с.
3. Рудой, Б. П. Пат. 2176682. Способ упрочнения поверхностей деталей / Б. П. Рудой, Н. Ю. Дударева, Р. А. Гуняков.
4. Rudoi, B. P. Strengthened oxiding of a superficial layer of details from aluminium alloys for air engines / B. P. Rudoi, N. J. Dudareva // Symp. on Actual Problems of Aircraft Engines Construction. Ufa: USATU, 1999. P. 35.
ОБ АВТОРАХ
Дударева Наталья Юрьевна, доц. каф. ДВС, зам. декана ФАД. Дипл. инж.-мех. по технол. машиностр. (УГАТУ, 1994). Канд. техн. наук по тепл. двигателям (там же, 1999). Иссл. в обл. износостойких покрытий для деталей ДВС.
Соколов Сергей Александрович, магистрант той же каф. Готовит дис. в обл. износостойких покрытий для деталей ДВС.
