СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕЛИЯ ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА
METHOD OF PISTON RINGS PRODUCTION

Изобретение относится к способу изготовления снабженного стыком поршневого кольца.
За счет возрастающей удельной мощности как двигателей внутреннего сгорания, так и дизельных двигателей в равной степени возрастает нагрузка на поршневые кольца в отношении износо- и температурной стойкости. Чтобы воспрепятствовать этому, изготавливаются хромированные или нитрированные со стороны рабочей поверхности поршневые кольца, которые уже обеспечивают высокую степень твердости. Кроме того, используются, также в отношении рассматриваемой удельной мощности, поршневые кольца, имеющие очень твердые системы слоев, полученные, например, способом PVD (физическое осаждение из газовой фазы) или HVOF (высокоскоростное газопламенное напыление). Эта степень твердости создает внутренние напряжения, которые могут влиять на кольцевую форму и распределение радиального давления.
Как при изготовлении, так и при использовании в двигателе поршневых колец эти высокие внутренние напряжения приводят к нежелательному изменению кольцевой формы и распределения радиального давления. Особенно вследствие существенно меньшего по сравнению с основным материалом поршневого кольца теплового расширения возникает так называемый биметаллический эффект, за счет которого при имеющихся рабочих температурах в стыковой зоне возникает повышенное давление. В свою очередь, это приводит к повышенному износу рабочей поверхности, в частности в этой зоне.
Возможной ответной мерой мог бы служить соответствующий расчет геометрии поршневого кольца (отрицательная овальность), которая в экстремальном случае могла бы снизить радиальное давление в стыковой зоне до образования световой щели. Однако по технологическим причинам этот способ, в частности в сочетании с изготовленными из профильной проволоки компрессионными поршневыми кольцами, нельзя реализовать. Прежде всего, при обработке рабочей поверхности путем круглой притирки решающим для результата обработки является достаточное радиальное давление в стыке.
Из-за становящихся все более узкими стыковых зазоров и допусков на них техническую эффективность по созданию отрицательной овальности, чтобы противодействовать высоким внутренним напряжениям, рентабельно реализовать нельзя, поскольку притирочную втулку уже через очень короткое время приходится заменять.
В документе DE 100631 раскрыт способ достижения у уплотнительных колец одинакового сечения равномерного со всех сторон прижима к уплотняющей поверхности, причем кольцо на внешней или внутренней поверхности в зависимости от того, должно ли оно пружинить внутрь или наружу, уплотняется путем ковки на молоте или прокатки, а именно в противоположном его концам месте сильнее всего, а оттуда к концам - с постепенным уменьшением.
Из документа DE 3612454 A1 известно поршневое кольцо для герметизации газов, причем оно к концам стыка сужается от внутреннего радиуса так, что при приподнятых концах стыка вследствие силы инерции в месте приподнятия не возникает или возникает лишь уменьшенный момент, а стык расширяется вверх так, что при прилегании к верхней стороне кольцо является очень газонеплотным в направлении жарового пояса поршня.
В документе US 2009/0026711 описано компрессионное поршневое кольцо. В зоне обоих концов стыка посредством инструмента осуществляется определенный съем материала. Поршневое кольцо может быть снабжено износостойким слоем.
В основе изобретения лежит задача создания рентабельного способа изготовления снабженного в зоне рабочей поверхности твердым покрытием поршневого кольца, которое отвечало бы постоянно возрастающей удельной мощности как бензиновых двигателей, так и дизельных двигателей.
Эта задача решена посредством способа изготовления снабженного стыком поршневого кольца за счет того, что кольцеобразное металлическое тело, по меньшей мере, в зоне его внешней периферийной поверхности покрывается, по меньшей мере, одним твердым слоем, причем вслед за этим покрытием внутренняя периферийная поверхность поршневого кольца, по меньшей мере, частично обрабатывается путем съема материала с уменьшением толщины стенки, начиная от стыка, соответственно на участке периферии 10-120°, в частности 90°, причем, по меньшей мере, внутренняя периферийная поверхность поршневого кольца покрывается нитрированным слоем, который вслед за покрытием внешней периферийной поверхности поршневого кольца подвергается съему материала.
Предпочтительные варианты выполнения способа раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы.
Особое преимущество в том, что обработка внутренней периферийной поверхности, в частности в стыковой зоне, осуществляется после завершения процесса круглой доводки. При этом обработка может осуществляться, начиная от концов стыка, в обоих периферийных направлениях максимум до 120°, в частности 90°.
Изобретение относится исключительно к поршневым кольцам, в частности компрессионным поршневым кольцам, которые снабжены предельно твердыми покрытиями рабочей поверхности (например, способами PVD, HVOF), создающими описанные выше проблемы.
За счет съема материала, в частности в близкой к стыку периферийной зоне, уменьшается радиальный инерционный момент. Его уменьшение, в частности в близких к стыку зонах, приводит к целенаправленному уменьшению радиального давления.
В то же время при рабочей температуре поршневого кольца дополнительно уменьшается возникающее за счет биметаллического эффекта изменение формы, поскольку доля сильнее растущего материала становится меньше.
Особое преимущество в том, что у нитрированных на внутренней периферийной поверхности поршневых колец этот эффект дополнительно усиливается, поскольку нитрированный слой имеет сжимающие внутренние напряжения. При устранении таких напряжений путем частичного съема нитрированного слоя также уменьшается радиально давление на рабочей поверхности.
За счет возможности уменьшения радиального давления на стык по окончании процесса обработки поршневое кольцо может быть рассчитано на процесс изготовления с более высоким давлением на стык (например, кругообразное или положительно-овальное). Это оказывает положительное влияние, в частности, на процесс притирки, решающий для трибологических свойств рабочей поверхности.
Кроме того, помимо уже упомянутого уменьшения износа рабочей поверхности на стыке достигается также уменьшение износа партнера трения, например гильзы цилиндра, за счет лучших трибологических свойств покрытия рабочей поверхности поршневого кольца.
Также лучший результат притирки поршневых колец может достигаться с небольшим касательным усилием.
Изобретение поясняется с помощью чертежа, на котором изображено поршневое кольцо 1, в частности компрессионное поршневое кольцо, которое имеет рабочую 2 и внутреннюю периферийную 3 поверхности, а также верхнюю сторону 4. Кроме того, поршневое кольцо 1 имеет стык 5. В этом примере поршневое кольцо 1 должно быть снабжено нанесенным в зоне рабочей поверхности 2 PVD-слоем 2'. Как уже сказано, такие твердые слои рабочей поверхности влияют на внутреннее напряжение поршневого кольца 1. Это происходит, в частности, потому, что между его (более мягким) основным материалом и (более твердым) PVD-слоем происходят тепловые расширения иного рода, которые, в частности негативно, сказываются на стыковой зоне 5. Это значит, что стыковая зона 5 пружинит радиально наружу и потому в ней возникает повышенное усилие прижима к партнеру трения, например гильзе цилиндра. Чтобы воспрепятствовать этому отрицательному эффекту, согласно изобретению, предложено вслед за покрытием поверхности поршневого кольца 1, в частности покрытием рабочей поверхности 2 PVD-слоем 2' и вслед за процессом доводки, подвергнуть проблематичные участки поршневого кольца 1, а именно близкие к стыку участки 5', 5”, обработке таким образом, что, начиная от кромок 6, 7 стыка 5, по периферийному углу α примерно 20° осуществляется съем материала. При этом в зоне соответствующих кромок 6, 7 съем материала максимальный, а в направлении схода 6', 7' - минимальный. В зависимости от выполнения и назначения кольца угол α может составлять до 90°.
Эта мера позволяет предотвратить так называемый биметаллический эффект из-за разных пар материалов, вызванный покрытием более мягкого тела кольца более твердым материалом.
В некоторых случаях необходимо нитрировать поршневые кольца, причем за счет процесса нитрирования уже создается твердый поверхностный слой. Если на этот нитрированный слой затем осаждается еще PVD- или HVOF-слой, то для уменьшения возникающего тогда высокого собственного напряжения необходимо, по меньшей мере, частично уменьшить также нитрированный слой на внутренней периферии поршневого кольца путем съема материала или, по меньшей мере, частично полностью удалить.