Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работоспособности поршневых колец судовых среднеоборот ных двигателей внутреннего сгорания 10
1.1. Анализ исследований в области повышения работоспособности поршневых компрессионных колец судовых среднеоборотных двигате лей 10
1.2. Особенности изнашивания деталей цилиндропоршневой группы судовых среднеоборотных дизелей 12
1.3. Аналитический обзор работоспособности деталей цилиндропоршневой группы 15
1.4. Конструкторские средства и технологические методы повышения ресурса поршневых колец среднеоборотных дизелей 22
1.5. Лазерная термообработка высокопрочных чугунов поршневых колец 33
1.6. Постановка цели и задач исследования 39
2. Методики исследования работоспособности поршневых колец средне оборотных дизелей 41
2.1. Оборудование и методы ускоренных испытаний поршневых колец.. 41
2.2. Методики исследования механических свойств материалов поршневых колец
2.2.1. Приготовление микрошлифов 46
2.2.2. Определение микротвердости материалов поршневых колец... 48
2.3. Рентгеноструктурный анализ высокопрочных чугунов поршневых колец 54
2.4. Выводы по второй главе 59
3. Исследования лазерного термоупрочнения высокопрочных чугунов поршневых колец "0
3.1. Теоретические основы лазерной обработки высокопрочных чугунов 60
3.2. Структурообразование высокопрочного чугуна в зоне лазерного те-ромоупрочнения 63
3.3. Влияние химического состава на механические свойства высокопрочных чугунов поршневых колец в зоне лазерного воздействия 66
3.4. Исследования механических свойств высокопрочного чугуна в зоне лазерной обработки 76
3.5. Результаты ускоренных испытаний на износостойкость поршневых колец из высокопрочного чугуна 84
3.6. Взаимосвязи структур и свойств высокопрочных чугунов в зоне лазерного термоупрочнения 92
3.7. Выводы по третьей главе 97
4. Технология лазерного упрочнения высокопрочных чугунов поршневых колец в судоремонтном производстве 99
4.1. Технологические особенности лазерного термоупрочнения поршневых колец из высокопрочных чугунов в судоремонтном производстве 99
4.2. Лазерная обработка поршневых колец 105
4.3. Технологическая подготовка поршневых колец к лазерной закалке в судоремонтном производстве 107
4.4.Технико-экономическое обоснование технологии лазерной обработ ки поршневых из высокопрочных чугунов 109
4.5 Выводы по четвертой главе 112
Заключение 114
Список литературы
- Особенности изнашивания деталей цилиндропоршневой группы судовых среднеоборотных дизелей
- Методики исследования механических свойств материалов поршневых колец
- Влияние химического состава на механические свойства высокопрочных чугунов поршневых колец в зоне лазерного воздействия
- Технологическая подготовка поршневых колец к лазерной закалке в судоремонтном производстве
Особенности изнашивания деталей цилиндропоршневой группы судовых среднеоборотных дизелей
Трибосопряжения поршневых ДВС имеют выраженный, естественный, закономерный износ. Отклонения от естественного износа обусловлены: тяжелыми условиями работы без нарушения правил эксплуатации; нарушением технических условий - браком в изготовлении и эксплуатации; несовершенным проектированием вследствие недостаточной изученности проблемы и ошибочно определенными техническими условиями на изготовление и эксплуатацию [30,107]. Наибольшая загруженность и интенсивность естественного износа деталей ЦПГ приходится при прохождении поршнем верхней мертвой точки между тактами сжатия и расширения. Естественный износ цилиндра характеризуется: овальностью; конусообразностью; ступенчатостью; переменной интенсивностью изнашивания ступеней в процессе эксплуатации. Овальность объясняется действием нормальной силы N, определяющей «рабочие», изнашивающие поверхности цилиндра. Конусообразность - более тяжелыми условиями работы вблизи камеры сгорания. Ступенчатость - зависимостью износа от компрессионных колец - число ступеней равно числу колец, положение ступеней определяется положением колец в верхней мертвой точке. Переменная интенсивность износа ступеней объясняется тем, что в начале эксплуатации интенсивному износу подвергаются пары трения "цилиндр - верхнее кольцо", затем из-за перераспределения давления газов увеличивает интенсивность износа пар трения "цилиндр - нижние кольца" [58,60,101].
Ошибки проектирования выражаются в неправильном определении температурных деформаций цилиндра, что приводит к задирам и отклонению от естественной формы износа. Нарушение технических условий изготовления отражается на свойствах материала, отклонениях размеров, качестве сборки. Пониженные триботехнические свойства материала цилиндра увеличивают интенсивность изнашивания, не влияя на форму износа.
Отклонения от округлой и цилиндрической формы "зеркала", по влиянию на износ аналогичны неправильно определенным температурным деформациям. Неправильная микрогеометрия (шероховатость) аналогична пониженным трибо-техническим свойствам материала. Завышенный диаметр зеркала уменьшает ресурс, не влияя на форму износа. Заниженный диаметр вызывает задиры зеркала цилиндра, поломку колец. Нарушение соосности деталей ЦПГ при сборке двигателя вызывают неестественную форму износа [109].
К эксплуатационным причинам преждевременного износа цилиндра относятся некачественные топливо смазочные материалы, плохая очистка воздуха, неправильный температурный режим работы двигателя. Интенсивность изнашивания деталей ЦПГ более зависима от загрязнений, попавших в цилиндр с топливом и воздухом, чем от загрязнений в смазочном материале [10,11,32,86]. Естественный износ поршня характеризуется: неравномерным износом юбки; нагаром и прогоранием поршня на поверхности, расположенной по оси поршневого пальца (параллельно оси двигателя); большим износом верхних канавок под кольца. Неравномерный износ юбки объясняется действием нормальной силы, также как и в цилиндре, определяющей положение изнашивающихся поверхностей. Нагар и прогорание поршня объясняется наихудшей герметичностью сопряжений цилиндр-кольцо-поршень по оси поршневого пальца. Для минимизации прорыва газов разработаны рекомендации запрещающие установку замков колец по поршневому пальцу. Больший износ верхних поршневых канавок под кольца объясняется близостью к камере сгорания и действием больших температур и давлений. Износ поверхности примыкающей к днищу поршня (рис. 1.1 а) является следствием неправильного определения температурных деформаций, брака в изготовлении, перегрева двигателя - брака в эксплуатации.
Характер износов деталей кривошипно-шатунного механизма Износ юбки с двумя обособленными поверхностями (рис. 1.1 б) наблюдается у поршней, работающих со "стуком". Форма износа на рис. 1.1 в, г свидетельствует, о большом "размахе" перекосов поршня в цилиндре. При такой форме износа, у двигателей наблюдается повышенный расход масла на угар. Износ в виде полосы внизу юбки (рис. 1.1 д), наблюдается у деталей ЦПГ, вырабатывающих ресурс [58,59, 60, 61].
Износ компрессионных поршневых колец характеризуется повышенным износом верхних колец, односторонним износом колец по высоте и, как правило, большим износом кольца относительно износа канавки [58]. Кольцо воспринимает давление газов направленное большую часть времени со стороны камеры сгорания (рис. 1.1 ё). Упругость кольца и давление газов определяют изнашивающиеся поверхности - поверхность, составляющая пару трения с цилиндром и пару трения с нижней стенкой поршневой канавки. В процессе эксплуатации на канавке образуется нагар, защищающий ее от изнашивания, но ухудшающий триботех-нические свойства и увеличивающий односторонний износ компрессионного кольца [58, 59,60].
Методики исследования механических свойств материалов поршневых колец
В диссертационном исследовании лазерной обработке подвергали ПК для судовых среднеоборотных дизелей. Были выбраны ПК производства ООО «Мет-маш», ОАО «ЯМЗ» и кольца изготавливаемые ОАО «РУМО».
Лазерную обработку ПК проводили на двух разных установках. Первая установка включает в себя твердотельный лазер ЛТН-103 мощностью до 500 Вт и станок с ЧПУ ТПК-125ВН, позволяющий изменять скорость лазерной обработки (V) от 1 до 12 мм/с. Вторая установка состоит из комплекса «Комета-2» (СОг -лазер непрерывного действия) мощность которого изменялась от 500 до 1700 Вт, скорость лазерного излучения может изменятся от 2 до 110 мм/с.
С целью лучшего поглощения обрабатываемыми поверхностями энергии лазерного луча проводили их подготовку. На упрочняемые поверхности поршневых колец наносили различные покрытия на основе углерода и различных оксидов [52].
Исследования триботехнических характеристик материалов пары трения кольцо-втулка проводилось в несколько этапов.
Первый этап исследований был посвящен изучению антифрикционных свойств, а так же износостойкости упрочненных ПК с помощью машины трения 2070 СМТ-1. Использовалась классическая схема нагружения исследуемых образцов [28,63].
Верхние и нижние образцы иготавливались из разных материалов. Неподвижные образцы из материала поршневых колец (ВЧ 45-5), материал подвижных образцов СЧ25. При помощи термопары контролировали температуру в местах трения,применяя потенциометр ПСР-01. Смазочным материалом было моторное масло М10В2. Диски-образцы шлифовались до Ra=(0.63...0.80) мкм, образцы-колодки шлифовались до Ra=( 1,25... 1,60) мкм. При помощи профилографа-профилометра 201 осуществляли контроль качества механической обработки поверхностей исследуемых образцов. Обазцы для исследований проходили приработку в течении полутора часов со скоростью скольжения 1,31 м/с под нагрузкой 2,5 МПа. Испытания проводились со ступенчатой нагрузкой в интервале от 1 до 10 МПа, промежуточное увеличение происходило с интервалом в 0,5 МПа. Скорости скольжения пар трения составляли (0,78; 1,31; 2,61) м/с. С помощью тензометрического узла измеряли силу трения. Перед началом испытаний проводили тарировку тензодатчиков.
Износостойкость образцов определялась по величине снижение их массы. В течение 3 ч испытаний на образцы передавалось усилие равное 7,0 МПа, скорость сколжения образцов составляла 2,5 м/с. Взвешивание проводилось через каждый цикл испытаний. Измерения проводились на весах ВЛР-200.
Для подготовки образцов к испытаниям их пропитывали моторным маслом М10В2 продолжительностью около 2 ч, температура масла составляла150С. После чего образцы промывали при помощи бензина с растворителем, а затем их сушили в электрической печи 10 минут при температуре 120С. После чего проводили охлаждение образцов до комнатной температуры. Следующим этапом было взвешивание и исытание на износостойксть. После проведения испытаний оба образца взвешивали,предварительно промыв и высушив таким же образом.
Для второго этапа испытаний, приближенного к судовым условиям работы деталей ЦПГ, определяли износостойкость материалов поршневых колец, обработанных лазером. Для выполнения этой задачи был спроектирован и изготовлен стенд, представляющий собой машину трения возвратно-поступательного действия рис. 2.1 [52].
Возвратно-поступательное движение возможно при помощи кривошипно-шатунного механизма, вращение на который передается от электродвигателя мощностью 7 кВт. Исследование проводили при различных частотах вращения коленчатого вала, используя редуктор. Приработку проводили в течении 3 ч. Общая длительность испытаний составляла 100 ч с интервалом в 25 ч. На рабочиє поверхности подавалось масло М10В2 - штатной системой смазки. Контроль за температурой зоны трения исследуемых образцов, осуществлялась термопарами и составляла 90 С. Для имитации нагрузки на поршневые кольца со стороны камеры сгорания подавался воздух под давлением 8 МПа (рис 2.2).
На заключительном этапе испытаний проводили совершенствование методов экспериментального исследования работоспособности трибосопряжений ци-линдропоршневой группы повышением зависимости давления сжатия от износа и уменьшением влияния на внутрицилиндровое давление факторов, не относящихся к износу. Для выполнения этой цели и выявления зависимости давления сжатия от смазывания, частоты вращения коленчатого вала, нагара в камере сгорания так же использовалась экспериментальная установка (рис. 2.2).
Выключение смазочной системы при производстве измерений компрессии обеспечивается отключением насоса и снятием поддона двигателя. В этом случае, излишки смазочного материала в трибосопряжениях ЦПГ отсутствуют и измеренные данные давления сжатия более корректно отражают реальный износ и потерю герметичности.
Для проведения металлографических исследований использовали микроскопы МИМ-8, NEOPHOT-32 и растровый электронный микроскоп РЭМ-200 [65].
Проводили микроструктурный анализ фаз высокопрочного чугуна фотометодом с использованием установки УРС-60, а также с помощью (ЯГР) анализа 45 тора. С помощью «Дрон-2» определяли фазовый анализ методом рентгеновской дифрактометрии [92]. В режимах постоянного ускорения регистрировали спектры на спектрометре, записывая их на анализатор LP - 4840 [90].
При обнаружении рентгеновских лучей с энергией 6,3 кэВ и вторичных у-квантов с энергией 14,4 кэВ измеряли ЯГР-спектры.
Характер распределения химических элементов (Сг, Мп, С и др.) в зоне лазерной обработки высокопрочного чугуна ПК изучали на микрорентгеноспек-тральном анализаторе MS-46 (Cameca) с антиконтаминационным устройством для исследования этих элементов. С целью получения достоверных результатов измерений спектров воспользовались мессбауэровским источником у-квантов Со57 в матрице меди с рабочей активностью 30 мКи. Для выделения углерода брали за эталон сплав П-2(3,4 % С; 0,33 % Мо; 0,65 % Си; 0,6 % N; 1.01 % Мл; 0,62 % Сг; 0,088 % S; 0,46 % Р; 3,09 % Si; 0,13 %А1) и чистый графит.
Для замера твердости по упрочненным слоям пользовались методом Вик-керса. С целью точного определения механических характеристик, микротвердости, микроструктуры поршневых колец из ВЧ были использованы устройства «Durimet» и ПМТ-3.
По методиками [70,89] определялась износостойкость ПК после лазерного термоупрочнения. Исследуя царапины от алмазной пирамиды, полученных при усилии Ш определяли интенсивность изнашивания участков зоны лазерного термоупрочнения [96]. При этом исследуемые образцы устанавливались на столике профилографа-профилометра 201. Оправка с алмазной пирамидой двигалась к поверхности образцов под определенными углами: 0, 30, 45, 90. Скорость перемещения пирамидки составляла 10 мм/мин для каждого угла наклона.
Влияние химического состава на механические свойства высокопрочных чугунов поршневых колец в зоне лазерного воздействия
Для отбеленных чугунов с содержанием хрома до 0,4 % характерно соотношение его концентрации в феррите относительно его концентрации в карбидах с в пропорции 5:1. При постоянной доле «С» отношение содержания «Сг» в «Fe3C» к средней его концентрации в высокопрочном чугуне падает при росте концентрации «Сг». Однако, происходит снижение износостойкости если наличие хрома выше 0,4 %, т.к это вызывает повышенную хрупкость, вызванное процессом растворением «Сг» в цементите.
Во многих литейных предприятиях для получения высокопрочного чугуна используют Ті, V, Ni, Mg, Се. Титан выпадает в растворе в форме карбида «ТіС», в процессе кристаллизации сплавов на основе «Fe3C», имеющих титан, который в цементите не растворяется. Отбел чугуна происходит за счет обеднения углеродом жидкой фазы по причине выпадения «ТіС» при необходимых условиях охлаждения и требуемом объеме самого «Ті». Увеличение наличия углерода происходит когда в составе ВЧ содержится около 0,13 % Ті, при этом эвтектоидная точка S сдвигается в правую сторону, снижая долю перлита. Главной особенностью титана при лазерной обработке чугуна является то, что он способен переохлаждать расплавленный чугун. Это подтверждает способность «ТІС» растворяться в расплаве чугуна, а так же выделятся в процессе кристаллизации.
При достижении содержания «Ті» к 0,2 % С механические свойства высокопрочного чугуна значительно возрастают. Это можно объяснить снижением количества цементита в эвтектике, уменьшением микротвёрдости цементита, а также тем, что образуется эвтектоид, имеющий большую твёрдость и полей. Комплекс данных моментов снижает выкрашивание цементитного эвтектоида во время износа, снижает наличие «лишнего» цементита и дает более вязкий чугун.
Ванадий стабилизирует цементит и чем выше его концентрация в чугуне тем сильнее идет стабилизация. По данным различных исследователей, «V» не растворим в «Fe3C», но способен образовывать шаровидные карбиды (VC, VC3) [34, 70].
Растворимость «V» в высокопрочном чугуне составляет 0,5 %. Значит для обезуглероживания жидкой фазы необходимо легировать этим элементом ВЧ, что свяжет часть углерода в карбиды. Однако, образование карбидов затруднено тем, что зарождаются твёрдые растворы (VC, VC3) в «Fe3C», которые по сравнению с обычным «Fe3C» имеют большую прочность и устойчивость. Ванадий более растворим в аустените и цементите по сравнению с титаном, но по аналогии с ним приводит к рассредоточению углерода по зоне оплавления.
Сравнивая износостойкость и твердость высокопрочных чугунов легированных хромом или ванадием приходим к выводу, что ванадий позволяет достичь более высокую твердость [26, 43]. «Ni» в соединении с «С» дает метастабильный карбид «Ni3C». Для получения стабильного состояния аустенита и увеличения областей y-Fe проводят легирование высокопрочного чугуна с помощью никеля. Доказано, что на твёрдость чугуна одинаково действует никель и марганец. В структуре чугуна наблюдаются большие поля эвтектоида троститного типа с вторичным цементитом уже при концентрации никеля до 1 %, а также харак 73 терно дендритное строение и тонкая эвтектика чугуна с зонами «лишнего» цементита. Повышения износостойкости чугуна с содержанием никеля 1 % не наблюдается.
Молибден оказывает существенное действие на увеличение износостойкости высокопрочных чугунов. Молибден создает твёрдые растворы не только с железом, но и другими химическими соединениями. Молибден приводит к росту числа эвтектоидов троститного типа с вторичным цементитом. Концентрация молибдена 1,5 % в высокопрочном чугуне приводит к серьезному росту его износостойкости после лазерного упрочнения [54].
Сера самая отрицательная примесь, способная вступать с железом в химические соединения образуя FeS и FeS2. В процессе лазерного упрочнения ВЧ из-за серы он становится густотекучим, возрастает его усадка. В свою очередь она ускоряет отбел чугуна, но при этом имеет отрицательное действие на его физико-механические свойства, увеличивает склонность к трещинообразованию и увеличивает напряженность.
Дендритное строение эвтектоида свойственно раствору содержащему серу в количестве до 0,12 %, причем он имеет крупно-игольчатое строение вторичного цементита. При этом элементы марганца различных форм расположены в свободном цементите, при этом есть эвтектика узкого строения. Главное условие состоит в том, что высокопрочные чугуны не должны содержать серу в концентрации более 0,1 %.
Изучение действия фосфора на свойства ВЧ проводилось до уровня 0,15 %. Температура плавления металла быстро снижается с повышением концентрации фосфора, которая соответствует диаграмме состояния «Fe - Р» . Эвтектика рождается из кристаллов а - раствора и РезР, обладающая большой твёрдостью [26].
На износостойкость чугунов существенно влияет модель распределения фосфидной эвтектики. Износостойкость ВЧ возрастает если фосфидная эвтектика имеет вид сетки. Впрочем некоторые включения эвтектики негативно действуют на износостойкость т.к. легко выкрашиваются. Поэтому содержание фосфора в высокопрочных чугунах, подвергаемых лазерной обработке, должно быть минимально.
Комплексное рассмотрение всех этих элементов будет наиболее верным, учитывая то, что они непосредственно влияют друг на друга.
Исследованиям подвергалось и влияние комплексных присадок на структуру и свойства отбеленного чугуна. Рассматривая систему «Si - Мп - Сг» варьировалось количество «Мл» в интервале от 0,7 до 1,4 %, при постоянном количестве «Si» от 0,9 до 1,1 % и Сг от 0,2 до 0,4 %.
Если концентрация марганца около 0,7 % дендритное строение определяется не на всех зонах шлифа, а отсутствует вторичный цементит. При этом имеются такие составляющие как трооститообразный эвтектоид и свободный БезС. Увеличение эвтектики характерно концентрации «Мп» до 1,4 %, при этом получается дендритное строение. Повышение концентрации «Мп» повышает износостойкость, а также микротвердость поверхностей деталей.
Изучая систему «С - Si - Мп -Сг - Ті» «С» варьировалась от (2,9...3,5) %, сосредоточение остальных элементов оставалось на постоянном уровне (рис. 3.4). Свободный цементит с большим числом полей и сорбитообразный эвтектоид различимы при концентрации углерода до 3 %.
Карбиды титана располагаются внутри полей цементита и эвтектики, вторичный цементит отсутствует.
Численно возрастание эвтектики происходит при повышении численности углерода. В этом случае эвтектика располагается в форме включений очень грубой структуры. Когда процент содержания углерода будет равен 3,32 % тогда возможно получение структур с максимальной износостойкостью.
Технологическая подготовка поршневых колец к лазерной закалке в судоремонтном производстве
Лазерное упрочнение высокопрочного чугуна ПК проводилось с оплавлением поверхности деталей, как с покрытием так и без него. Мощность луча находилась в пределах от 1 до 5 кВт, при скоростях лазерной обработки равной 1,5 и 0,5 м/мин.
Сравнивая поглощательную способность покрытий первой и второй категории с эталонной, наблюдалось некоторое снижение у первой и повышение у второй относительно фосфата марганца. Исследованиями установлено, что при мощности луча лазера в 1 кВт и применении покрытия на основе желтой гуаши глубина ЗЛВ увеличилась в 1,8 раза по сравнению с вариантом обработки без нанесения покрытия. В тех же условиях испытывались покрытия на основе белой гуаши и фосфата марганца. В результате глубина ЗЛВ увеличилась в 1,65 раз. При использование сажи и эффект минимален [75].
Наибольшие эффект дали покрытия на основе оксидов металла: гуашь желтая и опытная. По своим свойствам покрытие на основе Мп3(Р04)з на данных режимах обработки лазером находится рядом с пастой и черной гуашью.
Исходя и этого, покрытия на основе гуаши применялись в последующих диссертационных исследованиях лазерного упрочнения ПК из ВЧ.
Исследованные покрытия обрабатываемых деталей лазерным лучем могут применяться достаточно широко, но все же для того чтобы найти оптимальные поглощающие покрытия нужно продолжать исследования в этой области. Это отдельная самостоятельная тема лазерных технологий. Количество поглощенной энергии обрабатываемым материалом должно быть на много выше чем при использовании исследуемых покрытий. Исходя из этого, при использовании лазерного термоупрочнения для различных групп деталей обязательно создавать технологическую оснастку, выбирать рисунок и режимы обработки. Естественно, внедрение лазерных технологий в серийное производство должно происходить после экономических расчетов, которые должны подтверждать перспективность использования этих технологий.
Наибольший экономический эффект даст аргументированное внедрение лазерных технологий. По этому с каждым годом идет рост количества различных лазерных комплексов и установок, как в нашей стране так и за рубежом. В настоящее время ведутся работы, посвященные созданию новейших установок и поиску сфер использования энергии лазерного луча.
В процессе разработки лазерного упрочнения поршневых колец из ВЧ решалось несколько задач. Для выполнения этих задач в комплексе с внедрением в производство было принято решение рассматривать все в несколько ступеней.
Первая ступень самая трудоемкая и длительная. Она заключалась в теоретическом обосновании применения лазерных технологий для обработки ПК и выполнением целого ряда исследований.
Вторая ступень заключалась в практическом применении исследовательских результатов лазерного упрочнения деталей в условиях лаборатории. Кроме того разрабатывалась опытная технология лазерной обработки для получения реальных закаленных образцов.
Следующая ступень заключалась в проведении стендовых испытаний, приближенных к реальным условиям эксплуатации ПК после лазерного термоупрочнения.
На последней ступени разрабатывалась производственная технология для внедрения лазерной линии в действующие производство судостроительных и судоремонтных предприятий.
Этот комплекс позволяет пользоваться всеми возможностями станка с ЧПУ. А именно придавать заданную скорость вращения шпинделя, приводить в движение суппорт в большом интервале подач в двух координатах по программируемому режиму, осуществлять пуск и остановку шпинделя.
Траектория луча лазера параллельна оси шпинделя, за счет жёсткого закрепления лазерного излучателя на кронштейне передней бабки станка. Расстояние излучателя от генератора лазера минимально, а сам генератор расположен на станке.
Фокусирующая система включает призму , необходимую для поворота луча лазера на угол от +45 до -45 от оси излучения к поршневому кольцу и линзе. Фокусирующая линза помещена в резцедержатель и у нее есть возможность двигаться одновременно с суппортом. Причем она может перемещаться вдоль обрабатываемой детали и поперек призмы, вдоль направления лазерного луча. Это необходимо для фокусировки луча лазера на рабочей поверхности поршневого кольца. В случае когда размеры ПК превышают предельные параметры обрабатываемых деталей станком, тогда используем специальное приспособление.
Конструкция приспособления состоит из двух роликов, играющих роль опоры и имеющих профильные канавки. Ширина канавок равны ширине обрабатываемых колец, причем канавки находятся в контакте с внешней стороной кольца. Внутренняя сторона кольца подпружинена с помощью профильного прижимного ролика. Ведущим является ролик установленный в центрах станка и имеющий прорезиненную поверхность.
Перед началом обработки поршневые кольца стягивают в месте разреза при помощи специального замка. Это приспособление может быть использовано в качестве основы для создания необходимой оснастки процесса лазерного упрочнения в условиях судоремонтных предприятий. Данная возможность обусловлена технологичностью приспособления, обеспечивающую быструю смену и требуемую точность позиционирования. Кроме того комплекс на базе ЛТН-103 дает возможность использовать энергию лазерного луча для обработки и упрочнения поверхностей маслосъёмных колец.
В процессе испытаний поршневых колец из высокопрочного чугуна, приближенных к реальным условиям их работы было установлено, что износостойкость и долговечность обработанных колец выше чем у хромированных.
Используя результаты испытаний поршневых колец на стенде возвратно-поступательного действия и машине трения установлено, что кольца упрочненные лазером по износостойкости превосходят хромированные и сульфоцианиро-ванные при одинаковой наработке. Поршневые кольца обработанные лазером по износостойкости превосходят ПК ОАО «ЯМЗ» и ООО «Метмаш» в 1,3 и 1,5 раза соответственно.
В процессе изготовления ПК перед началом лазерной обработки выполняется их термофиксация, придающая поршневым кольцам из ВЧ упругие свойства. В виду того, что термофиксация длится в течении 3 часов с рабочей температурой от 580 до 600С она должна быть проведена до лазерной закалки детали. Рабочая поверхность, обрабатываемая лазером должна иметь уровень шероховатости не более Ra =1,25 мкм, что достигается шлифованием.
Первый шаг подготовки к лазерному упрочнению состоит в проведении подготовительных операций. К ним относятся: удаление жировых отложений, нанесение покрытия для увеличения поглощательной способности поверхности, обрабатываемой лазерным лучем. После чего проводят визуальный осмотр. Удаление жировых отложений осуществляется уайт-спиритом после чего необходимо просушить поверхность. Далее проводится технический контроль. Наличие раковин, трещин и аналогичных изъянов не допустимо. Осмотр проводят при помощи лупы ГОСТ 25706-83.
После чего наносится поглощающее покрытие - гуашь желтая ТУ 2331-001-02954519-94. Нанесение покрытия осуществляется краскораспылителем или кистью толщиной (20...30) мкм. Затем проводят сушку на воздухе или обдувают сухим теплым воздухом в течении 15 минут. Контроль толщины нанесенного покрытия осуществлялся толщиномером ЕТ-111. Не допустимо наличие пористости, подтеков, отслоений и иных дефектов на покрытии.
После подготовительного шага проводится лазерная обработка поверхности детали. Лазерная обработка ПК проводится таким образом, что система фокусировки луча лазерного комплекса направлена на нижнюю и наружную торцевую поверхности.
При использовании технологических комплексов ЛТН-103 и «Комета-2» для лазерного упрочнения поверхностей ПК рекомендуется наносить лазерные дорожки по предложенной схеме рис. 4.2 [51]. Необходимо отметить, что для каждой плавки чугуна требуется корректировать технологические режимы лазерного упрочнения ПК с учетом хим. состава, структуры и физико-механических свойств. Все эти данные получают в ЦЗЛ предприятия. После лазерной обработки поверхности ПК охлаждаются на открытом воздухе. Далее проводят удаление светопоглощающих покрытий и осуществляют контроль поверхностей с лазерной обработкой. Какие либо дефекты на упрочненных поверхностях не допускаются.
На последнем шаге процесса упрочнения рабочих поверхностей ПК проводится заключительная механическая обработка поверхностей. Поршневые кольца, в соответствии с действующим технологическим процессом на изготовление, подвергаются притирке.
