Исследование износостойкости поршней упрочненных искровым методом Выполнил студент

Исследование износостойкости поршней, упрочненных искровым методом Выполнил: студент гр. ДВ-465 Фатхелисламов С. А. Научный руководитель: к. т. н. , доцент, Дударева Н. Ю. УФА - 2014

Актуальность проблемы: Обеспечение надежной и долговечной работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является первостепенной задачей двигателестроителей. Системообразующий узел ДВС - цилиндропоршневая группа (ЦПГ). Лишь обеспечив надежную и долговечную работу деталей этой группы, можно рассчитывать на высокие эффективные показатели двигателя в целом. Рис. 1 Сильный износ юбки поршня Рис. 2 Легкая потертость на юбке поршня (двигатель Honda CB 750)

Вследствие силы действующей на юбку поршня, боковые стороны юбки испытывают наибольший износ в процессе работы двигателя. Для повышения износостойкости на юбку наносят антифрикционные покрытия на основе графита и специальных смол, такие как Molykote D 10. Однако эти покрытия также подвержены износу. Рис. 3 Износ антифрикционного покрытия Molykote D 10

Цель: Повышение износостойкости юбки поршня методом искрового упрочнения. Задачи: 1. Упрочнение юбки поршня методом ИУ. 2. Разработка методики замера поршня и гильзы. 3. Проведение экспериментов. 4. Обработка результатов эксперимента

Способы упрочнения поверхности поршней: Головка поршня Канавка поршня Юбка поршня Олово (лужение) Нанесение покрытий Нанесение порошкового покрытия Олово (лужение) Никель (никелирование) Анодирование Обработка сжатой дугой Лазерное легирование Модификация поверхности Искровое упрочнение Двухдуговая наплавка Олово (лужение) Фосфат (фосфатирование) Графит-Mo. S 2 (графитизация) Molykote D 10 Molydag TA-402 Искровое упрочнение Микрорельеф (обработка резцом со специальным профилем) Искровое упрочнение МДО Изменения конструкции МДО Упрочняющая вставка МДО

Искровое упрочнение: Процесс обработки протекает в газовой среде, содержащей внедряемый элемент, посредством электрического искрового разряда, при этом обрабатываемая деталь является одним из электродов. В результате на поверхности образуется высокотвердый износостойкий слой насыщенный оксидом алюминия толщиной до 300 мкм и микротвердостью до 80 -90 ГПа. Рис. 4 Прохождение атомов кислорода по кристаллическим дефектам алюминиевой заготовки: 1 -атомы кислорода; 2 -атомы алюминия; 3 -кристаллические зерна алюминия; 4 ионы кислорода

Анализ методов упрочнения: Преимущественно все методы, применяемые для повышения износостойкости юбки поршня, являются покрытиями, которые не защищают поверхность в полной мере от износа, а выполняют функцию приработки. Методы модификации поверхностей для повышения износостойкости юбки поршней ДВС практически не используются. Я считаю, что применение метода ИУ должно положительно сказаться на повышении долговечности трущейся юбки поршня. Потому что методом ИУ можно формировать упрочненные слои достаточно большой толщины – до 300 мкм. Считаю, что невысокая теплопроводность модифицированных поверхностных слоев, получаемых методом ИУ, не может быть преградой для их использования на юбке поршней ДВС, так как основной поток тепла из камеры сгорания отводится от днища поршня к гильзе цилиндра через поршневые кольца

Авиамодельный двигатель ASP 80 Характеристики двигателя: Рабочий объем: 12, 8 см 3 Диаметр цилиндра: 26, 5 мм Ход поршня: 23, 2 мм Мощность: 1, 5 л. с. при 11000 об/мин Рабочий диапазон: 2000 -11000 об/мин Вес с глушителем: 630 г Тактность: 4 Количество цилиндров: 1 Тип охлаждения: Воздушное

Рис. 5. Испытательный стенд с двигателем, где 1 – рама, 2 – двигатель, 3 – управление дросселем, 4 – управление топливным жиклером, 5 – система зажигания, 6 – система отвода выхлопных газов, 7 – решетка винта.

Методика проведения испытаний Программа испытаний выглядит следующим образом: 1. Измерение набора параметров, указанных выше. Контроль размеров поршня и гильзы цилиндра в 5 и 6 точках соответственно. 2. Испытания состоят из 10 часов наработки двигателя при 50% открытии ДЗ. Так как двигатель не приспособлен для длительной работы, испытания проходят следующим образом: двигатель работает в течение 10 минут, после этого двигатель остывает в течение 10 минут. Износ ГЦ и поршня измеряется в соответствии со схемой, показанной на рис. 7. 11

Оценка износа А – 24 мм; 1 – 3 мм от верхней кромки; В – 27 мм; 2 – 8 мм от нижней кромки; С – 36, 6 мм. 3 – 3 мм от нижней кромки. Рис. 7. Схематическое изображение точек замера геометрии поршня и гильзы.

Результаты испытаний Таблица испытаний Дата Погодные условия Количество запусков Количество топлива, гр. Суммарное время, мин. 09. 06. 2014 Ясно + 18°С 8 210+70+20=510 70 10. 062014 Ясно + 24°С 9 300+285=585 84 11. 06. 2014 Пасмурно, + 18°С 6 190+285=475 60 17. 06. 2014 Пасмурно, + 21°С 3 100+90=190 28 18. 06. 2014 Ясно + 20°С 13 300+152+285=737 128 19. 06. 2014 Пасмурно, + 12°С 14 274+285+70+234=863 140 20. 06. 2014 Ясно + 18°С 9 285+235=520 90

Рис. 8. Поршень до испытаний Рис. 9. Поршень после 10 обкатки

Рис. 10. Гильзадо испытаний Рис. 11. Гильза после 10 обкатки

Время наработки, часов 1 2 3 4 5 6 1 0 27, 03 26, 935 26, 925 27, 07 26, 92 2 10 27, 03 26, 92 27, 055 26, 914 № замера Размеры ГЦ по точкам, мм Время наработки, часов Размеры поршня по точкам, мм 1 2 3 4 5 1 0 26, 404 26, 408 26, 409 26, 406 26, 412 2 10 26, 16 26, 22 26, 23 26, 17 26, 24

Деталь Линейный износ, мм 1 2 3 4 5 6 Гильза цилиндра 0 0, 005 0, 015 0, 006 Поршень 0, 244 0, 188 0, 179 0, 236 0, 172 - Путь трения составил 211, 584 км. Интенсивность изнашивания поршня с ИУ покрытием за 10 часов испытаний составила I = 77, 155 *10 -12. Интенсивность изнашивания гильзы цилиндра составила I = 21, 552*10 -12. Полученные данные можно сравнить с ранее проведенными результатами: интенсивности изнашивания штатного поршня за 10 часов работы, составила 176, 858· 10 -12. При этом интенсивность изнашивания гильзы при работе с поршнем за 10 часов испытаний составляет 18, 55· 10 -12 . Гильза двигателя выполнена из стали 40 Х.

Заключение В данной работе были получены следующие результаты и выводы: 1. Проанализировав различную литературу и методы, используемые для упрочнения юбки поршня, был сделан вывод, что искровое упрочнение может повысить износостойкость поршня ДВС и удовлетворяет всем дополнительным требованиям, предъявляемым к поверхности юбки поршня. 2. Испытания поршня на двигателе показали, что интенсивность изнашивания упрочненного пояска юбки поршня, меньше чем в остальных поясках поршня. Что свидетельствует об эффективности применения метода. Кроме этого интенсивность изнашивания поршня с ИУ в 2, 29 раза меньше, чем у штатного поршня. Однако интенсивность изнашивания гильзы увеличилась в 1. 16 раза. 3. Применение искрового упрочнения для формирования на поверхности юбки упрочненного слоя, является перспективным направлением повышения надежности поршня. Однако для гильзы цилиндра в этом случае необходимо использовать либо методы поверхностного упрочнения, либо специальные износостойкие сплавы,