СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ КАНАВОК ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR STRENGTHENING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTON GROOVES

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к технологии упрочнения канавок поршня методом искрового упрочнения, и может быть использовано для упрочнения канавок алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания.
2
Известен способ упрочнения канавок поршней, изготовленных из силуминов, заключающийся в том, что в месте будущей кольцевой канавки заготовки поршня изготавливают конусный паз, располагают в нем порошковый присадочный материал, на который воздействуют давлением с пропусканием сварочного тока через электрод. В результате происходит наплавление порошкового материала на торцевые поверхности канавки, вследствие чего происходит их упрочнение. Затем в наплавленном металле протачивают канавку для обеспечения необходимых геометрических размеров поршневой канавки [Авторское свидетельство СССР №585006, М. Кл. В23К 11/06, 1978].
Известен способ упрочнения зон кольцевых канавок поршней сжатой дугой, при котором заготовку поршня двигателя внутреннего сгорания предварительно подогревают, расплавляют зону канавки сжатой дугой и в жидкую ванну расплавленного металла вводят легирующий металл в виде порошка, причем порошок подают в зону активного катодного пятна сжатой дуги. В результате на поверхности поршня образуется упрочненный слой, который снижает износ и разбивку поршневой канавки [Патент РФ №2060124, С1, 6 В23К 9/04, 1996].
Недостатками вышеописанных способов упрочнения поршневых канавок являются сложность химического состава легирующего компонента и соответственно его высокая стоимость. К тому же технология упрочнения связана с расплавлением материала, что обычно характеризуется низкой адгезией наплавляемого материала к подложке.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ упрочнения зон кольцевых канавок двигателя внутреннего сгорания методом электронно-лучевой наплавки в вакууме, при котором на упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом в вакууме материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный материал поршня присадочного материала. В качестве присадочного материала используют медь в количестве 1,5-2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, или нихром в количестве 3,5-4,0% от указанного объема. Поршень при этом выполняется из заэвтектического силумина [Патент №2148750, С1, 7 F16J 1/02, В23К 15/00, В23Р 6/02, 2000].
Недостатками способа, выбранного в качестве прототипа, являются узкая область применения этого способа - обработке подвергаются только поршни, изготовленные из заэвтектического силумина. Кроме того, для реализации этого способа упрочнения необходима вакуумная камера, что безусловно существенно повышает стоимость процесса обработки. К тому же после нанесения упрочненного слоя возникает необходимость в дальнейшей механической обработке поверхности поршневой канавки, что приводит к повышенной трудоемкости осуществления этого способа.
Задача изобретения: повышение моторесурса и эксплуатационной надежности поршней, изготовленных из алюминиевых сплавов, а также снижение трудоемкости осуществления способа.
Поставленная задача достигается тем, что в способе упрочнения канавок поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором осуществляют локальное воздействие на зону упрочняемой канавки поршня искровым разрядом, в газовой среде в отличие от прототипа искровой разряд формируют при атмосферном давлении с частотой импульсов 7 Гц а энергией искрового разряда 0,1 мДж.
Толщина упрочненного слоя, формируемого методом искрового упрочнения, может составлять несколько сот микрометров (до 300 мкм), имеет высокую адгезию к подложке и характеризуется высокой твердостью - до 24 ГПа [Патент №2176682, С23С 8/12, C25D 11/02, 2001].
Пример конкретной реализации способа
Упрочнение канавок проводят на поршне двигателя внутреннего сгорания ЭМ-100, диаметр которого составляет 42 мм. В качестве материала поршня используют алюминий марки АК5М7 по ГОСТ 1583-93.
Предлагаемый способ упрочнения канавок поршня двигателя внутреннего сгорания реализуется с использованием установки искрового упрочнения, создающей на электродах искровой разряд с заданными параметрами. Поршень зафиксирован в патроне и вращается с постоянной скоростью относительно неподвижных электродов, которые располагаются в поршневых канавках.
Технологические параметры:
- межэлектродный зазор - 0,25-0,35 мм;
- скорость вращения поршня относительно электрода - 1 об/мин;
- рабочая среда - воздух;
- энергия искрового разряда - 0,1 мДж;
- частота импульсов - 7 Гц;
- количество одновременно обрабатывающих электродов - 3;
- материал электрода - АПВ 1,8.
Результаты сравнительных исследований и испытаний на износ для однотипных поршней сведены соответственно в табл.1, табл.2.
Как видно из табл.1, после 100 часов обработки канавки поршня методом искрового упрочнения можно сформировать слой, твердость которого в 18,5 раз выше, чем твердость необработанного образца.
Как видно из табл.2, износ канавки поршня, обработанного методом искрового упрочнения, уменьшился в 6 раз по сравнению с необработанным образцом.
Предложенный способ легирования зоны канавки алюминиевого поршня имеет по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
- высокая твердость (износостойкость);
- высокая адгезия к подложке;
- высокая технологичность способа.
Таблица 1
№ поршня
Время обработки, τ, ч
Н<sub>µ</sub>, ГПа
Глубина УС, мкм
1
0
0,9
0
2
50
10,7
8,7
3
100
17,5
15,7
Таблица 2
№ поршня/время обработки
Начальная средняя высота канавки, мм
Конечная средняя высота канавки, мм
Разность между начальной и конечной высотой, мм
1/0 ч
1,74
1,86
0,12
2/100 ч
1,76
1,78
0,02