Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов
INTERNAL COMBUSTION ENGINES FROM ALUMINUM ALLOYS PISTONS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к машиностроению, к литейному производству, к литью под давлением, в частности к изготовлению исходных заготовок для последующей изотермической штамповки, термической и механической обработки поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Поршень является одной из самых нагруженных деталей двигателя. Подавляющее большинство поршней двигателей внутреннего сгорания изготавливают из алюминиевых сплавов. В зависимости от технических и экономических требований, предъявляемых к поршню, выбирается конструкция и, что не менее важно, способ его изготовления.
Известен способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [1], согласно которому формируют реозаготовку диаметром, равным 0,85-0,95 диаметра матрицы. Профиль торца реозаготовки соответствует профилю поршня и имеет осевое отверстие. Глубина отверстия меньше технологического припуска поршня. Формирование осуществляют путем температурной стабилизации в стакане со вставкой, закрывающей реозаготовку. После температурной стабилизации реозаготовку устанавливают в матрицу и производят реоштамповку поршня. Для установки реозаготовки в матрицу перекрывают торец стакана заслонкой, поворачивают посредством захвата стакан в осевой плоскости на 180°, центрируют по внутреннему диаметру матрицы и располагают заслонку на толкателе. Передвигают заслонку перпендикулярно оси стакана и размещают реозаготовку посредством вставки соосно толкателю. Затем путем опускания толкателя вставку с реозаготовкой располагают на дне матрицы, стакан с заслонкой удаляют из рабочей зоны.
Но недостаток в том, что промежуточная передача реозаготовки из стакана в узел подачи приводит к ее повреждению и отклонению от температурных параметров штамповки, что снижает механические и эксплуатационные качества готовых поршней.
Известен способ изготовления крупногабаритных поршней двигателей внутреннего сгорания [2], при котором литую заготовку для улучшения ее структуры протягивают свободной ковкой с коэффициентом вытяжки не менее 30% в размер, когда длина, по меньшей мере, в два раза превышает диаметр. Далее заготовку формируют в двойной усеченный конус с углом конусности не менее 10% и осаживают в формовочном штампе. После осадки обратным прессованием со степенью деформации не менее 40% формируют текстуру металла. В результате обеспечивается получение однородной мелкозернистой деформированной структуры металла с заданным направлением расположения волокон по всему объему полученного изделия.
Недостатком данного способа является наличие большого числа подготовительных операций, таких, как получение слитка, протяжка на молоте, осадка на конус, что ведет к повышению стоимости и снижению производительности технологического процесса.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ производства заготовок из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов [3], принятый за прототип, при котором алюминиевый расплав перегревают не менее чем на 150°С и отливают гранулы со скоростью охлаждения при кристаллизации от 500 до 10000 К/с с охлаждением в жидкой или газообразной среде. Минимальный размер фракции гранул - 0,4 мм, максимальный размер фракции гранул находится в пределах от 1,6 мм до 10 мм. Ступенчатую вакуумную дегазацию гранул осуществляют в герметичных технологических капсулах. Температура верхней ступени дегазации гранул не превышает 480°С, время выдержки на верхней ступени дегазации составляет не более 12 часов. Для эвакуации продуктов десорбции капсулу с гранулами после последней ступени дегазации выдерживают при температуре на 50-100°С ниже температуры верхней ступени дегазации, причем суммарное время выдержки составляет не менее 2 часов. Компактирование гранул проводят в капсулах в контейнере пресса, нагретом до температуры не менее 400°С, и обтачивают компактную заготовку.
Недостатком способа является длительный (25 часов) и трудоемкий цикл изготовления заготовки для последующей изотермической штамповки, термической и механической обработки поршня.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение процесса производства поршней двигателей внутреннего сгорания путем уменьшения заготовительных операций; повышение производительности процесса, а также снижение себестоимости конечной продукции при достижении требуемых физико-механических и дилатометрических свойств получаемых заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания.
Техническим результатом является производство поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов с однородной, мелкозернистой структурой металла во всем объеме, с высокими механическими и дилатометрическими свойствами, отвечающими постоянно возрастающим требованиям, предъявляемым к поршням турбированных двигателей внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в способе производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов, включающем изготовление мерной заготовки ("таблетки"), изотермическую штамповку мерной заготовки, термическую и механическую обработки поршня, с целью сокращения затрат и обеспечения заданных структуры и свойств, мерную заготовку - "таблетку" изготавливают следующим образом:
расплав заэвтект ического силумина АК-18 с температурой на 150…200°К выше температуры начала его кристаллизации, заливают в форму, нагретую до температуры на 150…200°К ниже температуры начала кристаллизации сплава,
сжимают его под давлением 200…250 МПа между движущимися навстречу друг другу охлаждаемыми изнутри проточной водой плунжерами, осуществляя опрессовку металла на 8…10% в течение 3-5 с., далее в течение последующих 30…40 с давление поднимают до 350…400 МПа, доводя общую опрессовку металла до 12…13% в условиях однонаправленного вдоль оси заготовки теплоотвода до полного завершения процесса кристаллизации.
Принципиальное отличие изобретения от известных аналогов и прототипа заключается в формировании структуры поршня с требуемыми свойствами, которые достигаются за счет опрессовки жидкого металла до начала кристаллизации на 8…10% под давлением 200…250 МПа, при этом атомы сближаются на расстояние, близкое к межатомному в кристаллической решетке, а при последующем продвижении твердой фазы со скоростью 0,8…1,2 мм/с выделяются не равновесные, а квазикристаллические фазы (в частности, нанодисперсный кремний), придающие поршню высокую прирабатываемость и износостойкость. Такая технология позволяет исключить целый ряд подготовительных операций, при этом качество получаемой заготовки остается на заданно высоком уровне.
В качестве параметра, характеризующего поведение жидкого металла, предлагается коэффициент относительной сжимаемости: отношение объема, запрессованного внутрь отливки металла, к первоначальному объему, т.е.
,
o
где ΔV - объем металла, запрессованного внутрь отливки в данный момент времени; V - объем полости формы, в которую залит металл.
Таким образом, коэффициент сжимаемости характеризует изменение объема металла при наложении давления. На графике видно (фиг. 3), что сжимаемость жидкого металла достигает 12,4%. В первые 8-10 с жидкий металл, не оказывая заметного сопротивления, сжимается на ~10%, а далее следует фаза медленного изменения объема в течение 20 с. Зависимость имеет характер, близкий к линейному. Соответственно, отмечены две фазы процесса:
1 - опрессовка жидкого металла;
2 - опрессовка кристаллизирующегося металла.
В первой фазе давление на жидкий металл невысокое, после точки перегиба оно нарастает до ~400МПа, и только при этом давлении возможна дальнейшая опрессовка. Время движения плунжеров составляет 33-45 с, пройденное расстояние 10 мм.
Обращает на себя внимание тот факт, что за первые 10 с (точка перегиба) коэффициент ε=10%, что значительно выше объемной усадки; за оставшееся время (за точкой перегиба) прирост составляет ε=2,3…2,4%.
Это объясняется следующим образом: за первые 10 с. происходит сравнительно легкое сближение атомов на расстояние, соизмеримое с амплитудой колебания атомов относительно исходного положения. Дальнейшее уменьшения объема металла связано с переходом атомов из жидкого состояния в твердое, сопровождаемое выделением скрытой теплоты кристаллизации, когда, преодолевая сопротивление атомов, можно запрессовать дополнительный объем на уплотнение металла, на формирование дополнительных межатомных связей. Накладываемое давление распространяется во все точки пространства заготовки поршня, обеспечивая эффективную подпитку кристаллизующегося металла по внутренним каналам между дендритами. В отливке заготовки поршня при этом гарантируется отсутствие литейных дефектов газоусадочного происхождения, а плотность металла, его структура и физико-механические свойства не уступают свойствам известных аналогов.
Изобретение поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг. 1 - Схема способа производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов;
Фиг. 2 - Схема конструкции устройства, для осуществления способа производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов;
Фиг. 3 - График изменения коэффициента сжимаемости по ходу протекания способа производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов, где р(τ) - величина накладываемого давления; ε(τ) - коэффициент сжимаемости; τ - время.
На схеме (фиг. 2) обозначены следующие позиции:
1 - упор; 2 - кольцо; 3 - демпфер; 4 - направляющая; 5 - захват; 6 - муфта; 7 - корпус; 8 - гайка; 9 - матрица; 10(л) - плунжер (левый); 10(п) - плунжер правый; 11 - втулка; 12 - основание; 13 - чаша заливочная; 14 - фиксатор; 15 - упор; 16 - клин; 17 - хомут; 18 - плита.
Процесс изготовления поршня протекает в следующей последовательности:
- заливка мерной порции металла;
- включение правого прессующего плунжера, движение до перекрытия заливочного отверстия в течение 0,2…0,3 с;
- включение левого прессующего плунжера;
- повышение давления, развиваемое прессующими плунжерами, до уровня 400 МПа;
- выдержка под давлением в течение времени 30-40 с, для завершения кристаллизации и охлаждение до 400°С.
- раскрытие формы при движении плиты влево с извлечением отливки из правой части полости формы;
- отвод прессующих плунжеров в исходное положение.
Далее литая заготовка проходит следующие технологические операции:
- изотермическая штамповка
- термическая обработка
- механическая обработка
Пример реализации способа (Фиг. 2):
Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов осуществляли на специализированном устройстве для литья с кристаллизацией под давлением, представляющим собой автоматизированный комплекс на базе гидравлического пресса, состоящего из двух соосных, встречно расположенных гидроцилиндров, рассчитанных на перемещение пресс-плунжеров для непосредственного наложения давления на кристаллизующийся металл.
кр
Перед началом цикла правый прессующий плунжер (10(п)) установлен справа от вертикального отверстия заливочной чаши. На рабочие поверхности деталей, контактирующих с жидким металлом, после прогрева до температуры 250±10°С с помощью пульверизатора наносят слой графитсодержащей краски, после чего матрицу (9), разогретую до температуры t - 400°С, устанавливают в корпус 7. Движением плиты корпус (7) приводят в контакт с матрицей (9). Расплавленный металл заданного химического состава (АК18), перегретый выше температуры начала кристаллизации на 150…200 К, мерной дозой с погрешностью ±2% через заливочную чашу (13) заливают в полость втулки (11). Запускается циркуляция проточной воды в прессующих плунжерах (10(п) и 10(л)) При движении правого плунжера (10(п)) заливочное отверстие перекрывается, а в полость матрицы (9) запрессовывается объем металла, обеспечивающий подъем уровня металла до верхней точки, после чего, свое движение начинает левый плунжер (10(л)). Движение плунжеров навстречу другу обеспечивает компенсацию объемной усадки металла, путем наложения высокого давления на металл до начала кристаллизации. Залитый металл в течение 3…5 с сжимают под давлением 200…250 МПа между движущимися навстречу друг другу охлаждаемыми изнутри проточной водой с нарастающей скоростью, обеспечивающей постоянный градиент температурного поля на форме кристаллизации, плунжерами, осуществляя опрессовку металла на 8…10%. В течение последующих 30…40 с давление поднимают до 350…400 МПа, доводя общую опрессовку металла до 12…13% в условиях однонаправленного вдоль оси формы теплоотвода, и далее до полного завершения процесса кристаллизации.
Таким образом, способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов включает получение заготовки путем смыкания подвижной полуформы с неподвижной полуформой, заливку жидкого металла через заливочное отверстие, опрессовку жидкого металла водоохлаждаемыми плунжерами, движущимися навстречу друг другу. Далее следует изотермическая штамповка полученной заготовки, термическая и механическая обработка. В результате обеспечивается стойкость к тепловым и ударным нагрузкам, увеличивается твердость, повышается производительность.
Заявляемое изобретение позволяет повысить производительность изготовления поршней ДВС за счет уменьшения подготовительных операций, повышается качество поршней ДВС за счет формирования плотной, равномерной, мелкозернистой структуры во всем объеме заготовки. В результате заявляемого способа улучшаются условия труда, повышается безопасность работы. Кроме того, повышается производительность за счет непрерывности, механизации и автоматизации процессов сборки формы, опрессовки металла, извлечения отливки.
Реализация заявленного способа решает все поставленные авторами задачи.
Источники информации:
1. RU, 2411103, B21K 1/18, публ. 10.02.2011;
2. RU, 2239511, B21K 1/18, публ. 10.11.2004;
3. RU, 2467830, B22F 3/14, публ. 27.11.2012 - прототип