7. Изготовление поршней

Поршни двигателей внутреннего сгорания работают в условиях высоких напряжений от давления газа и тепловых напряжений (температура в некоторых точках днища доходит до 350-450° С).

Материал поршней должен обладать достаточной прочностью при повышенных температурах, хорошей теплопроводностью, высокой сопротивляемостью износу и коррозии, ростоустойчивостью и плотностью.

В двигателях мало- и среднеоборотных основным материалом служит чугун марок СЧ 24 и СЧ 28, легированный хромом и другими присадками. Иногда используют высокопрочный чугун. Для отъемных головок поршней больших размеров, применяют материалы, не обладающие антифрикционными свойствами, но более жаропрочные: стальные поковки и отливки 20ХМ, ЗОМ и др. В высоконапряженных двигателях встречаются головки поршней из нихрома.

Поршни для легких многооборотных двигателей, а в некоторых случаях и для более крупных двигателей изготовляют из алюминиевых сплавов, преимуществом которых являются малый удельный вес 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 холодной машине.

Для сравнительно больших поршней (D < 500 мм) применяют литые сплавы, например алюминиевомедный сплав АЛ1, содержащий для повышения жаропрочности никель (2%).

В многооборотных двигателях литые алюминиевые поршни вытеснены коваными, обладающими более высокой прочностью. Широкое применение имеет сплав АК4, а также АК2 с пределом прочности σ_в = 40 -

45 кГ/мм².

Заслуживают внимания алюминиевые сплавы со сравнительно низкими значениями коэффициента линейного расширения. Так, например, в специальном заэвтектическом силумине с содержанием кремния до 20% коэффициент линейного расширения снижается до 0^-6 (у сплава АК4-22 10^-6).

Для ускорения приработки и повышения износостойкости на рабочую поверхность поршней наносят разнообразные покрытия.

Применяют лужение, свинцевание, а из неметаллических покрытий -

оксидирование (анодирование) и фосфатирование. С целью защиты от воздействия высокой температуры на днище поршня иногда наносят теплоизоляционное керамическое покрытие, например двуокись циркония Крупные чугунные поршни отливают в земляные формы. Поршень формуют в двух опоках, в горизонтальном положении, а заливают в вертикальном. Плоскость разъема модели совпадает с осью поршня и осью отверстий для поршневого пальца. Высокая прибыль 1 обеспечивает получение плотной отливки (рис. 6.128, а). При заливке поршень обращен днищем книзу, благодаря чему в днище обеспечивается повышенная плотность материала.

Рис.6.128. Поршни:

а - литая заготовка; б - штампованная заготовка.

В серийном производстве чугунных и алюминиевых поршней широко применяют литье в металлические формы (в кокиль), что в несколько раз повышает производительность; кроме того, уменьшаются припуски и повышается точность размеров. Внутренняя полость поршня обычно расширяется у днища. Для извлечения из затвердевшей отливки металлического центрального стержня, его выполняют составным и удаляют по частям.

Поршни из сплавов АК2 и АК4 изготовляют штамповкой (рис. 6.128,б). При штамповке непосредственно из слитка часто появляются трещины и ухудшается структура. Поэтому поршни штампуют из катаной или прессованной заготовки.

При изготовлении чугунных поршней для механических испытаний, структурного и химического анализов от каждой заготовки отрезают пробное кольцо и изготовляют образцы. Для средних и мелких алюминиевых поршней одну заготовку (отливку или штамповку; от каждой плавки разрезают на части и подвергают механическим испытаниям, макроструктурному и химическому анализам.

Днище поршня у легких двигателей, а также полости охлаждаемых поршней подвергают гидравлическому испытанию давлением 0,6-1,0 МП.

К обработке тронковых поршней предъявляют следующие

требования.

Координация поверхностей

1. Ось отверстия под поршневой палец должна быть перпендикулярна образующей поршня во избежание перекоса поршня в цилиндре. Допускаемое отклонение 0,1-,15 мм на 1 м длины. При проверке по способу, приведенному на рис. 6.129(а), в поршень заводят контрольный валик, снабженный индикатором и упором 1, и наблюдают разницу в показаниях индикатора

Другой способ предусматривает косвенную проверку (рис. 6.129, б). Поршень устанавливают на контрольную плиту торцом; в отверстие для пальца вставляют контрольный валик. По показаниям индикатора проверяют параллельность оси отверстия плоскости торца. Этот метод предполагает наличие точной перпендикулярности между торцом и наружной поверхностью. Можно достичь такой перпендикулярности, если при обработке цилиндрической поверхности базой служит

Рис.6.129. Проверка координации поверхностей поршня.

торец со стороны отверстия поршня.

Допускаемое отклонение при обоих методах должно быть пересчитано на длину l.

2. Ось отверстия под палец должна пересекать ось поршня. Смещение допускается в пределах 0,2 - 0,3 мм.

Схема проверки контрольным валиком 1, штихмасом и угольником 2

показана на рис. 6.129 (в) (в плане). Размеры их должны быть равны

размерам а.

3. Боковые плоскости канавок для колец должны быть перпен- дикулярны образующей поршня. Допускаемое отклонение 0,02 - 0,03 мм. Проверка может быть осуществлена на станке или установкой поршня торцом на плиту и наблюдением за показаниями индикатора в разных точках канавки.

4. Контур днища поршня, если оно имеет фасонное очертание, должен быть выдержан с точностью 0,2 - 0,5 мм; проверка производится шаблоном.

Точность размеров

Диаметр направляющей части поршня Dt (рис. 6.128) выполняют с допуском С. Чтобы получить в горячем двигателе масляный зазор между направляющей частью и цилиндром, размер Dх должен быть меньше номинального диаметра цилиндра D на величину б; б = (0,001-0,0013) D для чугунных поршней и б = (0,0018-0,0025) D для алюминиевых.

Верхняя часть поршня больше всего расширяется при нагреве, поэтому ее обрабатывают на конус или, что проще, делают меньшего диаметра.

Диаметр D2 в самой верхней части поршня назначают на 1-3 мм меньше диаметра D. При цилиндрической форме на диаметр D назначают допуск h7.

Отверстия в приливах (бобышках) под поршневой палец выполняют с допуском 2 класса точности (Н7), а для многооборотных двигателей - с допуском 1 класса. При плавающих пальцах для сопряжения с поршнем применяют систему вала. На гладкий поршневой палец назначают допуск h6, а на отверстие в бобышке алюминиевого поршня - допуск Н7 (в горячей машине посадка переходит в подвижную из-за более высокого коэффициента расширения у поршня).

Чтобы удешевить производство, на детали узла поршень - палец - головка шатуна назначают иногда 2 класс точности и в многооборотных двигателях. Но для уменьшения колебаний в величинах установленных зазоров применяют принцип сборки по группам. Детали сортируют на 3-4 группы с допусками внутри группы порядка 10-5 мкм.

На высоту канавок для поршневых колец h назначают допуск 0,02- 0,035 мм (в зависимости от размера), что соответствует примерно 3 классу точности.

Зазоры по высоте между кольцами и канавками для верхних двух колец назначают несколько большими. Для удобства замены все кольца

выполняют по высоте одинаковыми, верхние же канавки в поршне делают шире. Примерные (минимальные) значения зазоров между кольцами и поршнем по высоте: верхние канавки 0,15-0,2 мм, нижние, канавки 0,08- 0,12 мм. Размер k от оси отверстия под палец до торца днища для двигателей без прокладок, регулирующих степень сжатия, выполняют с допуском ±0,1 или ±0,05 мм.

На диаметр внутреннего пояска D3 у открытого торца назначают технологический допуск H8, иногда даже H7; на внутренний поясок у камеры охлаждения назначают допуск H9. Отклонения в толщине днища и разностенность поршня допускают до 0,5 мм.

Колебания в весе поршней легких многооборотных двигателей задают в определенных пределах, обычно 1%.

Шероховатость поверхностей

С высоким классом чистоты обрабатывают:

а) наружную цилиндрическую поверхность - 8 или 9; нанесение покрытий, например, лужение, позволяет снизить класс чистоты обработки до 7 и даже 6;

б) отверстия под палец 9; рабочая поверхность пальца 10-11; в) плоскости канавок для колец 7 или 8;

г) наружную поверхность днища 7-8 (для повышения стойкости против коррозии, эрозии и нагарообразования).

В некоторых конструкциях поршней тронковых дизелей приливы с отверстиями для поршневого пальца отсутствуют. Палец размещают в особой проставке, присоединяемой к внутреннему торцу днища. Плоскость этого торца должна быть обработана строго перпендикулярно к оси поршня.

При составном поршне то же требование предъявляют к плоскостям соединения головки и направляющей части поршня, а у поршня крейцкопфного дизеля - к плоскости соединения с фланцем штока.

В табл. 6.14 приведен план обработки чугунного поршня с примерными размерами: диаметр 400-500 мм, длина 700-000 мм. Первоначальную разметку выполняют с укладкой поршня вначале на призмы (в двух положениях, через 90°), а затем с установкой его на днище. Исходя из расположения внутренних стенок и дна, наносят продольные и поперечные риски. Намечают центровое отверстие.

Таблица 6.14 Маршрут обработки поршня в мелкосерийном производстве

Материал - чугун СЧ 24. Ззаготовка - отливка

N оп.	Содержание операции	Оборудование	Базы	Оснастка
1	Фрезеровать торец центровой бобышки как чисто	Горизонтально- расточной	Наружные черновые поверхности	Призмы установочные
2	Проверить отливку; разметить под обработку	Плита контрольная	Внутренние необрабатывае мые поверхности	Призмы контрольные
3	Зацентровать	Радиально- сверлильный	Риски разметочные	Тиски машинные
4	Обточить начерно; прорезать канавки под кольца уплотнительные; отрезать прибыль и пробное кольцо	Токарно- винторезный	Риски разметочные; центровое отверстие	Патрон четырехкулачко- вый; центр передний; шаблон на канавки
5	Расточить внутренние пояски начерно; подрезать торец; подрезать внутренний фланец	Токарно- винторезный	Наружная поверхность	Патрон четырехкулачко- вый; люнет
6	Расточить отверстие под поршневой палец начерно	Токарно- карусельный	Наружная поверхность; литое отверстие под палец	Призмы установочные; палец центрирующий конусный
7	Термообработка. Нагрев до 500о со свидетелем в течение 4час; выдержка 6час; охлаждение с печью 10час до150о; проверка твердости свидетеля (НВ190-230)	Печь. Термический цех.

Продолжение таблицы 6.14

8	Расточить внутренние пояски начисто; подрезать торец; подрезать внутр. фланец	Токарно- винторезный	Наружная поверхность	Патрон четырехкулачко- вый; люнет
9	Обточить наружную раб. поверхность начисто; проточить канавки; проточить камеры сгорания	Токарно- винторезный	Внутренний поясок и торец	Центрирующий диск; тяга и палец; поперечный копир
10	Расточить отверстие под поршневой палец начисто с припуском под алмазную расточку; подрезать торцы	Токарно- карусельный	Наружная поверхность; отверстие под палец	Призмы установочные; палец центрирующий конусный
11	Сверлить отверстия на фланце внутри поршня	Радиально- сверлильный	Верхний торец	Кондуктор
12	Испытать гидравлически полость охлаждения под давлением	Стенд испытательный Р=0,6МПа
13	Сверлить отверстия в канавках для маслосъемных колец	Радиально- сверлильный	Наружная поверхность	Кондуктор
14	Шлифовать рабочую поверхность	Круглошлифоваль ный	Внутренний поясок и центр	Центрирующий диск; поводок
15	Обрезать центровую бобышку	Токарно- винторезный	Внутренний поясок и торец	Центрирующий диск; тяга и палец
16	Алмазная расточка отверстия под палец	Алмазнорасточной	Верхний торец и предвари- тельно расточенное отверстие	Приспособление

Обработку поршней начинают обычно с черновой обточки наружной поверхности и днища, так как желательно как можно раньше выявить отсутствие раковин, трещин и других дефектов материала.

Поршень крепят кулачками за прибыль и поддерживают задним центром (рис.6.130,а).

Рис. 6.130. Черновая обточка и расточка поршня большого размера.

Прорезают начерно канавки для колец. На этой же операции отрезают прибыль и пробное кольцо для проведения испытаний. На чистовую обточку оставляют припуск 2-2,5 мм на сторону. Для черновой расточки внутренних поясков и подрезки нижнего торца поршень устанав- ливают в четырехкулачковый патрон (рис. 6.130,б) и поддерживают люнетом. Затем на карусельном или расточном станке начерно растачивают отверстие в бобышках под палец и подрезают плоскости бобышек внутри поршня.

После термообработки окончательно растачивают внутренний поясок и подрезают прилегающий к нему нижний торец поршня. Эти поверхности используются как установочная база для ряда последующих операций.

Чистовую обточку наружной поверхности, канавок и днища ведут на токарно-винторезных или токарно-многорезцовых станках (рис. 6.131). Упомянутая установочная база очень удобна для выполнения всей наружной обработки с одной установки.

Рис. 6.131. Чистовая обточка поршня

Поршень ориентируют на центрирующем диске 9 через отверстие в бобышках пальцем 3 и тягой 2 и закрепляют с помощью пневматического цилиндра 1. Фасонное днище обтачивают посредством поперечного копира 5, закрепляемого на станине станка. Верхний суппорт 8 отключен от самохода и роликом 6 связан с копиром; при включении самохода поперечного суппорта 7 верхний суппорт 8 описывает кривую в соответствии с профилем копира.

Длинные поршни для устойчивости и устранения вибраций поддерживают еще и задним центром. Для согласования с установочной базой (нижним торцом поршня и внутренним пояском) в начале операции исправляют центровое отверстие в бобышке 4.

Наиболее технологична плоская форма днища. Если днище имеет сферическую выпуклую или вогнутую форму, проточка может быть выполнена без копира по простой схеме (рис. 6.132). Верхние салазки суппорта 1 освобождают от продольного самохода и связывают тягой 2 с неподвижной передней (или задней) бабкой. Тяга 2 имеет ось вращения 00. Длина тяги равна радиусу сферы днища, поэтому при включении поперечного самохода суппорта верхние салазки, а вместе с ними и резец 3 перемещаются по дуге требуемого радиуса.

Чистовую проточку канавок для колец выполняют набором калибрующих резцов с малой поперечной подачей (~0,05 мм/об), обеспечивая, таким образом, высокую точность и чистоту поверхности.

Для чистовой расточки отверстия под палец и окончательной подрезки приливов используют карусельный станок.

Рис.6.132. Обточка сферического днища

Окончательную обработку наружной поверхности производят на круглошлифовальном станке (рис. 6.133). В поршнях современных дизелей избегают размещать отверстия для рымов в днищах, чтобы не создавать

концентрации напряжений. Вместо болта упором для поводка 1 служит магнитный патрон 2, приставленный к днищу.

В этой же операции зачищают торцом абразивного круга кольцевую плоскость на верхнем торце поршня: исправляют установочную базу для расточки отверстия под палец.

Отверстие под палец отделывают тонким точением. Установочной базой служит шлифованная кольцевая плоскость на верхнем торце поршня (рис. 6.134). Правильное положение поршня по отношению к шпинделю станка достигается конусным установочным пальцем, выдвигаемым из угольника 2. Соблюдение размера k обеспечивается точной установкой шпинделя по высоте. Иногда для отверстия под палец применяют тонкое шлифование, используя планетарно-шлифовальный станок.

Рис.6.133. Шлифование рабочей поверхности

Рис.6.134. Тонкое (алмазное) растачивание

Обработка поршней небольших размеров из алюминиевых сплавов для крупносерийного производства характеризуется большим количеством приспособлений и отсутствием разметки.

Начинают обработку с черновой обточки и подрезки днища. Поршень устанавливают на разжимную оправку, которая центрирует его по внутренним черным поверхностям (рис. 6.135). Продольное положение поршня 1, а следовательно, и толщина его днища, определяется упором 2 на торце оправки. Поршень доводят до упора. При включении пневматического устройства шток 4 передвигается влево. Штырь 5 перемещает два кулачка 3 по наклонным плоскостям, и деталь закрепляется. Кулачки имеют снаружи насечку.

Черновую расточку пояска (с технологическим допуском H12) и подрезку торца производят с установкой детали в самоцентрирующий патрон. Зажим детали днищем в патрон с установленным в нем разрезным кольцом не представляет опасности в смысле появления деформаций.

Рис. 6.135. Черновая обточка и подрезка торца

Отверстие под поршневой палец в штампованных поршнях приходится первоначально высверливать. При установке в кондуктор (рис. 6.136) в качестве базирующих поверхностей используют: внутренний поясок, торец и поверхности бобышек.

Рис.6.136. Сверление отверстия под палец

Вильчатый стержень 7 под действием пружины скользит по шпоноч- ному пазу 2 и, соприкоснувшись с бобышками, придает поршню правильное угловое положение. Таким образом, обеспечивается равностенность бобышек поршня.

Чтобы устранить увод сверла и избежать неравномерности припусков на последующую расточку, бобышки сверлят последовательно с двух сторон. Поршень крепят к поворотному диску планкой 4 и болтами 5, расположенными снаружи. Для сверления отверстия во второй бобышке

ослабляют гайку 3, отводят фиксатор 1 и поворачивают диск 6 с закрепленным на нем поршнем на 180°.

Предварительную проточку днища и прорезку канавок производят с той же установочной базы, т. е. с внутреннего пояска и торца. Поршень закрепляют обычным способом - через отверстие для пальца.

После черновой обработки поршень подвергают закалке и искусственному старению.

После черновой обработки поршень подвергают закалке и искусственному старению.

Чистовой цикл операций после термообработки начинают с расточки внутреннего пояска (с допуском Н7) и подрезки прилегающего торца; создается постоянная установочная база почти для всех дальнейших операций.

Получистовую обточку боковой поверхности, канавок и днища выполняют на многорезцовых токарных станках с закреплением поршня, как показано на рис. 6.137. Для точения канавок, как и при черновой прорезке, используют набор резцов.

Рис.6.137. Получистовая обточка

Предварительную расточку отверстия под палец и подрезку бобышек изнутри производят на расточных станках, а также на токарных с установкой детали на угольник. Чистовая обточка с окончательной проточкой днища аналогична получистовой обточке (отличие - в режимах резания).

После чистовой обточки поршня и фрезерования карманов на днище испытывают гидравлически непроницаемость днища давлением 1МПа; отверстие под палец заглушается. После сверления по кондуктору маслоотводящих каналов окончательно отделывают боковую поверхность

методом тонкой обточки. Обеспечивая высокую точность и чистоту, тонкая обточка для отделки алюминиевых поршней более производительна, чем шлифование. Кроме того, боковая поверхность поршней часто имеет конусно-овальную форму и сложна для обработки шлифованием. Точение такой поверхности ведут по копиру на быстроходном токарном станке. Копир надевают на шпиндель. Ролик, связанный с суппортом, прижимается к копиру пружинами, а также радиальной составляющей Ру усилия резания, действующего на резец.

Припуск на отделку (порядка 0,2-0,3 мм на сторону) снимают в два прохода. Последний проход выполняют алмазным резцом, дающим чистую поверхность, без надиров и следов течения металла. Подачи равны 0,02-0,04 мм/об при скоростях резания 500-600 м/мин. Поршень закрепляют тягой и пальцем. Угловое положение поршня относительно копира определяется положением пальца. Настраивая резец на окончательный размер, учитывают температуру помещения и при необходимости вносят соответствующую поправку.

Окончательную отделку отверстия под палец ведут на тонкорасточных станках, обычно горизонтальных, одно-, двух- и многошпиндельных. Установочной базой служат нижний торец и внутренний поясок. Алмазные резцы обеспечивают 1-й класс точности и 9 класс чистоты (Н6; Ra0,32).

Для подгонки поршней по весу металл чаще всего снимают с внутренних поверхностей на фрезерных станках. Специальное электромагнитное устройство автоматически выключает станок после снятия заданного количества металла, падающего на чашку весов.

Огневые полости поршней, в том числе стальных и чугунных, часто имеют сложную конфигурацию. Ручное полирование этих поверхностей и скругление кромок в местах сопряжения сферических, конических и других поверхностей малопроизводительно. Эффективно использование электрохимической размерной обработки. Инструмент-катод (обычно, из латуни) имеет конфигурацию, зеркально отображающую поверхность огневой полости поршня (анода). В местах наименьшего зазора между электродами плотность тока наибольшая и металл с анода растворяется интенсивнее. В результате форма обрабатываемой поверхности, постепенно меняясь, копирует форму инструмента.

Чтобы избежать пассивирования анода образующимися продуктами растворения, их удаляют, непрерывно прокачивая через зону обработки электролит под давлением ~ 0,5 МПа.