Технология производства поршней

Поршни двигателей внутреннего сгорания, особенно бы­строходных, работают в тяжелых условиях с точки зрения механической и тепловой нагрузки. Горячие газы ускоряют процесс коррозии днища поршня, температура которого до­стигает в отдельных местах 400…500 °С. Стенки поршня трутся о поверхность цилиндра при значительных давлениях от боковых сил шатуна и линейных скоростях движения. Бобышки поршня испытывают знакопеременную нагрузку.

Исходя из этого, к материалу поршней предъявляются следующие требования:

1) хорошая теплопроводность;

2) высокая механическая прочность;

3) достаточная жаропрочность;

4) плотность материала

5) хорошее сопротивление износу и коррозии;

6) невысокий коэффициент трения;

7) коэффициент линейного расширения поршня должен быть близок к коэффициенту линейного расширения мате­риала цилиндра.

В двигателях мало- и среднеоборотных основным мате­риалом служит чугун марок СЧ24 и СЧ28 легированный хромом и другими присадками. Иногда используют высокопрочный чугун. Для отъемных головок поршней боль­ших размеров применяют материалы, не обладающие анти­фрикционными свойствами, но более жаропрочные: поковки и отливки из легированных сталей 20ХМ, ЗОМ и других, высокопрочного чугуна ВЧ50.

Поршни для легких многооборотных двигателей, а в не­которых случаях и для более крупных двигателей изготавли­вают из алюминиевых сплавов. преимуществам которых яв­ляется малая плотность сплавов и высокая теплопроводность. Недостатком алюминиевых сплавов, не считая меньшей со­противляемости износу, следует считать высокий коэффи­циент линейного расширения, требующий больших зазоров между цилиндром и поршнем в холодном состоянии.

В быстроходных двигателях литые сплавы вытесняются кованными, обладающими более высокой прочностью: АК4, АК4-1, а также АК2 с пределом прочности s_в = 400…450 МПа.

В качестве заготовок для поршней применяют отливки и штамповки.

В серийном производстве чугунных и алюминиевых поршней широко применяется литье в металлические формы (в кокиль).

Поршни из сплавов АК2 и АК4 изготавливаются штам­повкой. При штамповке непосредственно из слитка часто появляются трещины и ухудшается структура; поэтому поршни штампуют из катаных или прессованных заготовок.

На объем и сложность технологического процесса изготовления детали большое влияние оказывают требования к механической обработке. Для большинства ответственных деталей эти требования, как правило, приводятся в государ­ственных или отраслевых стандартах.

Требования к механической обработке заготовок поршней следующие:

1) ось отверстия под поршневой палец должна быть пер­пендикулярна к образующей поршня (во избежание перекоси поршня в цилиндре). Допуск перпендикулярности 0,1...0,15 мм на 1 м длины контрольного валика;

2) ось отверстия под палец должна лежать и папой плоскости с осью поршня. Допуск пересечения осей 0.2...0,3 мм для чугунных поршней и 0,1...0,2 мм для алюминиевых;

3) боковые плоскости канавок для колец должны быть перпендикулярны к образующей поршня. Допуск перпендикулярности 0,02...0,03 мм;

4) контур днища поршня должен быть выдержан с точностью 0,2...0,5 мм.

5) должна быть обеспечена герметичность полости охлаждения;

6) обработка по размерам (рис. 1) ведется с точностью, указанной в табл. 1;

7) отклонение массы поршня от указанной в чертеже не должно превышать 0,8...1,2 % для алюминиевых и 1...2 % для чугунных поршней;

8) шероховатость обработанных поверхностей обычно аналогична приведенной на рис. 1.

В качестве примера рассмотрим типовой технологический процесс обработки чугунного поршня для средне­оборотного двигателя в условиях серийного производ­ства. Такой выбор поршня и типа производства обусловлен тем, что в дизелестроении мелкосерийное производство явля­ется наиболее распространенным, а при обработке поршня такого размера и материала применяются наиболее харак­терные способы и приемы. При этом необходимо учесть следующее:

1) основными обрабатываемыми поверхностями поршней являются поверхности тел вращения; их обработка произ­водится, главным образом, на токарных и расточных стан­ках;

2) поршни являются тонкостенными деталями и поэтому легко деформируются, что затрудняет обеспечение высокой точности обработки. Для ее повышения пользуются вспомо­гательными, точно обработанными базирующими поверхно­стями, установка на которые позволяет зажимать поршень без значительных деформаций. Чаще всего за такие базы принимают точно обработанный поясок юбки поршня и ее торец.

Рис. 1. Поршни:

а) чугунный литой; б) алюминиевый штампованный

Таблица 1

Точность обработки поршня

Размер	Поле допуска	Примечание
D1	h 6	D1 = D – (0,0010…0,0013) D – для чугунных поршней; D1 = D – (0,0018…0,0025) D – для алюминиевых поршней, где D – диаметр цилиндра
D2	h 9	При цилиндрической форме верхней части поршня
D3	H 9… H 7
D4	H 11	На соответствующем размере буртика крышки с11
d	H 7	Для тихоходных двигателей
d	H 6	Для быстроходных двигателей
h	3-й класс	0,020…0,035 мм в зависимости от размера
k	± 0,1…0,05 мм	Для двигателей без регулирующих e0 прокладок

При изготовления поршня применяется следующий технологический процесс:

операция 05- проверка отливки; разметка под токарную об­работку. Для обеспечения равномерной толщины стенок и днища поршня за базовые берутся внутренние необрабаты­ваемые поверхности. Первоначальную разметку выполняют с укладкой поршня сначала на призмы (в двух положениях, через 90 °), а затем с установкой его на днище. Наносятся продольные и поперечные центровые линии и риски, опреде­ляющие припуски по торцам. На зачищенной технологической центровой бобышке на головке поршня намечается центро­вое отверстие;

операция 10- обдирка наружной поверхности и днища (желательно как можно раньше выявить пригодность материала ответственных наружных поверхностей - отсутствие рако­вин, трещин и т. п.).

Поршень устанавливают прибылью в кулачки планшайбы с выверкой по рискам на верхнем торце и поддерживают задним центром (рис. 2, а). Такое крепление позволяет вести обработку на производительных режимах без опасения деформировать поршень. Начерно прорезают канавки для колец (это дает возможность удостовериться в хорошем ка­честве отливки), а также отрезают прибыль и пробное кольцо для проведения испытаний (механических испытаний, струк­турного и химического анализа; для средних и мелких алю­миниевых поршней одну заготовку от каждой плавки разре­зают на части и подвергают механическим испытаниям, макроструктурному и химическому анализу).

На чистовую обточку оставляется припуск 2...2,5 мм на сторону;

операция 15- черновая расточка внутренних поясков, подрезка нижнего торца и фланца полости охлаждения - производится на токарном или расточном станке. Поршень устанавлива­ется головкой в четырехкулачковый патрон, а юбкой - в лю­нет 1. За базу принимается вчерне обработанная наружная поверхность (рис. 2, б);

операция 20- черновая расточка и подрезка отверстия для пальца - выполняется на карусельном или расточном станке;

операция 25- термообработка для снятия напряжений. На­грев до температуры приблизительно 500 °С в течение 4 ч, выдержка 6 ч, остывание вместе с печью в течение 10 ч до t = 150 °С (для алюминиевых поршней остывание не с печью, а на воздухе - нормализация);

Рис. 2. Черновая обработка поршня:

а) обточка; б) расточка.

операция 30- чистовая расточка внутренних поясков и под­резка нижнего торца и фланца полости охлаждения — выпол­няется аналогично 3-й операции. Эти поверхности исполь­зуются в дальнейшем как установочная база для последую­щих операций;

операция 35- чистовая обточка (с припуском на диаметр 0,5...0,35 мм под шлифование), проточка канавок для колец, проточка камеры сгорания (профиля верхнего днища). Операция выполняется на обычных или многорезцовых то­карных станках. Подготовленная в 6-й операции установоч­ная база (внутренний поясок и нижний торец) очень удобна для выполнения всей наружной обработки при одной уста­новке.

Поршень ориентируется на центрирующем диске 1через отверстие в бобышках пальцем 2и тягой 3и закрепляется с помощью пневматического цилиндра 4(рис. 3).

Рис. 3. Чистовая обточка поршня

Фасонное днище поршня обтачивают посредством по­перечного копира 5, закрепляемого на станине станка.

Верхний суппорт 6отключается от самохода и роликом 7 связывается с копиром; при включении самохода попереч­ного суппорта 8верхний суппорт 6описывает кривую в со­ответствии с профилем копира.

Для данных поршней с целью устранения вибраций и усиления устойчивости головку поршня упирают в задний центр с помощью технологической бобышки 9.

Чистовую проточку канавок для колец выполняют набо­ром калибрующих резцов с малой поперечной подачей (около 0,05 мм/об), обеспечивая этим высокую степень точности и шероховатости поверхности;

операция 40- расточка (с припуском 0,4…0,5 мм) отвер­стия для пальца и чистовая подрезка торцов бобышек - производится на карусельном или расточном станке;

операция 45 - сверление отверстии на фланце полости охлаж­дения для крепления крышки производится на радиально сверлильном станке с помощью кондуктора. Поршень уста­навливается головкой в приспособление;

операция 50 - гидравлическое испытание полости охлажде­ния давлением приблизительно 0,6 МПа. Поршни для бы­строходных двигателей также подвергаются гидравлическому испытанию, но при этом испытываются только днища порш­ней. Отверстия в бобышках в этом случае заглушаются;

операция 55 - сверление наклонных отверстий в канав­ках под маслосъемные кольца производится на радиально-сверлильном станке с помощью кондуктора. Поршень уста­навливается под наклоном на специальном угольнике так, чтобы оси отверстий были перпендикулярными к столу станка. Часто угольники снабжаются целительным приспо­соблением;

операция 60 - шлифование наружной поверхности поршня - производится на круглошлифовальном станке (рис. 4, а). Поршень устанавливается в центры, причем в нижнем торце устанавливается специальный центровой диск 1. Если центровая бобышка на верхнем (днище поршня не срезана, то передний центр упирается в нее, а для при­вода от поводка 2на днище устанавливается специальный магнитный упор 3.

В этой же операции зачищают торцом абразивного круга кольцевую плоскость на верхнем торце поршня (она служит установочной базой для расточки отверстия под палец);

операция 65 - срезка центровой бобышки на верхнем днище поршня (если она не была срезана раньше) —выпол­няется на токарном станке;

операция 70 - тонкая расточка отверстия под палец – выполняется на тонкорасточном или планетарно-шлифовальном станке. Установочной базой служит шлифованная коль­цевая плоскость на верхнем торце поршня. Правильное по­ложение поршня по отношению к шпинделю станка дости­гается конусным установочным пальцем 1, вводимым в от­верстие под палец со стороны бобышки, противоположной обрабатываемой (рис. 4, б).

Соблюдение размера к обеспечивается точной установкой шпинделя по высоте.

Рис. 4. Завершающая обработка поршня:

а) шлифование наружной поверхности; б) тонкая расточка

отверстий в бобышках

Контроль обработки поршней. Поршень — одна из наиболее ответственных деталей двигателя, поэтому он подвергается тщательному контролю как в процессе обработки, так и после нее.

Окончательный контроль состоит из следующих операций:

1) наружный осмотр с целью проверки шероховатости обработки (по образцу) и выявление дефектов материала и обработки;

2) проверка геометрических размеров отдельных поверх­ностей с помощью универсального и специального измери­тельного инструмента;

3) проверка расположения наиболее ответственных поверхностей (например, отверстия в бобышках, образующей поршня и т. н.);

4) проверка массы поршня.

Обработка поршней небольшого размера из алюминие­вого сплава при серийном производстве проводится по аналогичной технологической схеме, однако характеризуется применением большого количества приспособлений и полным отсутствием разметки.