Технология литья поршней с повышенными механическими свойствами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.01:539.4.001.2

Г.Г. Крушенко, G.G. [email protected]

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия Institute Computational Modeling SB RAS, Krasnoyarsk, Russia

ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЬЯ ПОРШНЕЙ С ПОВЫШЕННЫМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

THE TECHNOLOGY OF FOUNDING PISTONS WITH THE INCREASED MECHANICAL PROPERTIES

Описана технология изготовления поршней, используемых в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, компрессоров и холодильных агрегатов, позволяющая выполнить в течение нескольких смен весь комплекс сопутствующих операций, начиная от изготовления оснастки и заканчивая механическими операциями

The technology of manufacturing pistons used in internal-combustion engines of vehicles, compressors and refrigerating units is described. It allows doing during several shifts the whole complex of attendant operations beginning with rigging manufacturing and finishing by mechanical operations

Ключевые слова: литые поршни, оснастка, технология, механические свойства

Key words: cast pistons, rigging, technology, mechanical properties

Наибольшее распространение в устройствах, использующих поршни (двигатели транспортных средств, компрессоры, холодильные агрегаты и др.) получил центральный кривошип-но-шатунный механизм, у которого ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала [1].

Поршни, работающие во всех типах указанных выше механизмов, подвергаются воздействию больших механических нагрузок, которые возникают под действием сил инерции и трения поверхности поршня о стенку цилиндра, а в двигателях внутреннего сгорания, дополнительно подвергаются воздействию термических нагрузок, связанных с непосредственным соприкосновением головки поршня с горячими газами [2]

В процессе эксплуатации механизмов и машин, в состав которых входят поршни, возможны поломки этой детали, и не всегда представляется возможным по разным причинам (дефицит, длительный срок поставки, комплектная продажа, прекращение выпуска данного изделия и др.) найти ей быструю замену.

Как выход из положения разработана, изготовлена и освоена оригинальная оснастка, а также технология, позволяющие в течение нескольких рабочих смен организовать изготовление поршней из алюминиевых сплавов любого типоразмера в единичном или малосерийном исполнении взамен вышедшего из строя с требуемыми механическими свойствами.

308

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

Разработанная оснастка и технология литья поршней были отработаны при изготовлении поршня с отношением Н/О = 0,78 (высота поршня Н = 60 мм, диаметр 0 = 76,5 мм) и толщиной донышка, равной 6,3 мм взамен вышедших из строя поршней. Их изучение показало, что наружная поверхность поршней оформляется в кокиле, а внутренняя - металлическим разъемным стержнем.

Для оформления наружной поверхности поршня был изготовлен неразъемный кокиль в виде стакана - так называемый вытряхной кокиль А для изготовления из химико-твердеющей смеси разового песчаного стержня, предназначенного для оформления внутренней поверхности поршня и литниково-питающей системы (ЛПС), применяли разъемный по вертикали стержневой ящик. Причем, его изготовляли из вышедшего из строя поршня путем его разрезки по вертикали на симметричные половинки (в каждой из них было по одной бобышке) с установкой между ними металлической фигурной компенсирующей пластинки, толщина которой соответствовала ширине разреза поршня. ЛПС располагалась в стержне таким образом, что ее элементы не соприкасались с кокилем, что усиливает ее питающие ха-

рактеристики.

С целью выбора режима термической обработки отливаемых поршней определяли химический состав и твердость вышедших из строя деталей. При этом было установлено, что твердость поршней в среднем составляла НВ = 100. Определение химического состава поршней показало, что они были отлиты из алюминиевого сплава системы Al-Si следующего состава: (9,46% Si; 0,64% Cu; 0,62% Mg; 0,28% Mn; 0,04% Ti; примесь Fe - 1,3%, остальное - Al. По этим показателям сплав, оказался близким к отечественному алюминиевому литейному сплаву АК9М2. Требуемые механические свойства в термически обработанном состоянии по обычно применяемому для отливок из этого сплава режиму (Т6) должны быть: ов > 195 МПа, относительное удлинение 5 > 1,5%, НВ > 95.

Ввиду того, что размеры, конфигурация и толщина цилиндрической стенки и донышка поршней не позволяет выточить из них испытательные образцы, принятые для определения стандартных для алюминиевых литейных сплавов механических свойств, а также ввиду того, что, согласно стандартной технической документации, механические свойства поршневых сплавов оцениваются только показателями прочности, а именно - временным сопротивлением ов и твердостью (обычно по Бринеллю, НВ), на поршнях измеряли только твердость, а ав определяли расчетным путем по известной базовой методике [3], которая базируется на существовании корреляции между величинами твердости и временного сопротивления для любых сплавов, включая и литейные алюминиевые сплавы, в том числе, и для той системы, к которой относятся сплавы, из которых отлиты вышедшие из строя поршни, а именно Al-Si. Наличие такой корреляции подтвердилось [4] при работе со сплавом АЛ9 (новое название марки АК7ч по ГОСТ 1583-93), близким по составу к сплаву, из которого изготовлены вышедшие из строя поршни. Сущность этой работы заключается в том, что вначале из детали, размеры которой позволяли вырезать стандартные испытательные разрывные образцы, вырезали эти образцы и производили их испытание, затем по экспериментально измеренной и усредненной твердости детали ее среднюю величину делили на некоторый коэффициент К, величина которого определяется предварительно опытным путем в результате деления средней величины экспериментальной твердости на усредненные экспериментальные значения временного сопротивления. В данном случае коэффициент К находили путем деления величины твердости НВ сплава АК9М2 по ГОСТ 1583-93 (95), как указывалось выше - близкого по составу к сплаву поршня, на величину ов (195 МПа), в результате чего получали коэффициент К = 4,87. Далее путем деления экспериментально установленной и усредненной твердости вышедших из строя поршней (НВср эксп = 100) на величину коэффициента К (4,87) получали расчетную величину ов расч, равную 205 МПа. Таким образом, ориентиром требуемых прочностных показателей механических свойств намеченных к литью поршней, служат значения НВ, не менее 100 и ов, не менее 205 МПа.

309

Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014

По описанной выше технологии из вышедшего из строя поршня изготавливали стержневой ящик и все, требующиеся для его сборки, детали, после чего с его помощью из химико-твердеющей смеси изготовляли стержни. Рабочий сплав готовили в электрической печи сопротивления путем переплава вышедших из строя поршней с добавкой расчетного количества магния с учетом его потерь на угар. После проведения требуемых металлургических операций и достижения требуемой температуры сплав заливали в заранее собранную литейную форму - кокиль с установленным в нем песчаным стержнем. После затвердевания металла и удаления отливки из кокиля из поршней удаляли песчаные стержни и производили их термическую обработку по режиму Т6 (нагрев под закалку до 515±5оС, выдержка 6 ч, охлаждение в воде; последующее старение в течение 4 ч при 200±5оС, охлаждение на воздухе). Химический анализ одновременно отлитых стандартных образцов-свидетелей показал, что содержание элементов в сплаве (9,68% Si; 0,63% 0,56% Mg; 0,24% Mn; 0,05% ТС; 0,9% Fe, остальное - А1) мало отличалось от их количества в исходных поршнях.

При осмотре обработанных поверхностей было установлено полное отсутствие на них, газовой пористости, тогда как обработанные поверхности вышедших из строя поршней оказались пораженными пористостью, величина которой оценивается 2 баллами по шкале ВИАМ. Известно, что при поражении отливок из алюминиевых сплавов пористостью, снижаются механические свойства, а в случае работы под давлением снижается и герметич-

ность.

Взвешивание поршней (Рис.1) до и после удаления ЛПС показало, что ее масса составляет только 16,6% от массы отливки, тогда как, согласно прототипу, ее масса достигает 30...40% от массы отливки, то есть в 1,8...2,4 раза больше.

Весь цикл изготовления оснастки, песчаных стержней, исследования вышедших из строя поршней, их литья, термической и механической обработки, оценки их качества, согласно хронометрированию, укладывается в пять семичасовых рабочих смен, причем часть из работ можно выполнять параллельно, что сокращает длительность изготовления поршней практически до трех смен с момента получения заказа до сдачи готовых поршней.

а б

Рис. 1. Литая заготовка поршня (а), и поршень (б), полученный механической обработки литой заготовки

Библиографический список

1. Гоц, А. Н. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма поршневых двигателей / А. Н. Гоц ; Владимирский гос. ун-т. - Владимир : Изд-во ВлГУ, 2005. - 124 с.

2. Динамика поршня двигателя внутреннего сгорания / И. Н. Москаленко [и др.] // Вестник ЮУрГУ. Серия: Машиностроение. - 2013. - № 2. - С. 28-36.

3. Давиденков, Н. Н. Получение основных механических характеристик стали с помощью измерения твердости / Н. Н. Давиденков, С. Е. Беляев, М. П. Марковец // Заводская лаборатория.- 1945.- Т. 21; № 10. - С. 964-973.

4. Оценка качества отливок из сплава АЛ9 по твердости / Г. Г. Крушенко // Проблемы прочности. - 1990. - № 8. - С. 121-122.

310