Технология производства поршневых колец
Поршневые кольца предотвращают утечку газов из камеры сгорания в картер через зазор между поршнем и гильзой, обеспечивают необходимое сжатие воздуха в цилиндре, отводят тепло от поршня, устраняют попадание масла в камеру сгорания. Они должны хорошо прилегать к стенкам цилиндра, сохранять упругие свойства при нагреве и обладать хорошими антифрикционными свойствами и износостойкостью.
Твердость колец обычно 190…230 НВ. Готовые кольца подбирают к цилиндрам с твердостью, на 10...20 НВ меньше твердости втулок. Если твердость колец несколько превышает твердость втулки, это нельзя считать недостатком. В отношении износа поршневые кольца находятся в худших условиях, чем втулки, так как работа трения, отнесенная к единице поверхности кольца, всегда больше, чем у втулки. Поэтому диаметральный износ кольца в несколько раз больше, чем у втулок цилиндра. Кроме этого, следует иметь в виду, что кольца из мягкого чугуна (с твердостью меньше 170 НВ), насыщаясь твердыми частицами (продуктами сгорания, износа и т. д.), вызывают усиленный износ цилиндров.
Исходя из условий работы поршневых колец, материалом для их изготовления служит обычно чугун марок СЧ21и СЧ24 с повышенным содержанием фосфора (до 0,5...0,9 %) и с присадками хрома или других легирующих элементов.
В быстроходных двигателях для колец, главным образом верхних, часто используют марганцовистую сталь 65Г или жаропрочную молибденовую 50М, что повышает прочность и упругость колец. Для придания стальным кольцам антифрикционных свойств и уменьшения износа их покрывают пористым хромом.
Для ускорения приработки и повышения износостойкости применяется разнообразное покрытие: лужение, свинцевание, фосфатирование, оксидирование и другое. Иногда в кольцах предусматриваются канавки для антифрикционного материала.
В качестве заготовок для чугунных поршневых колец применяются литые полые барабаны (маслоты) на несколько колец с отлитым на одном конце фланцем для удобства закрепления на станке, а также литая заготовка на одно кольцо.
Преимущества индивидуальной отливки заключаются в том, что в ней, благодаря небольшому сечению, получается однородная мелкозернистая структура с повышенными механическими свойствами, оставляются меньшие припуски, удешевляется механическая обработка и лучше используется естественная упругость наружных слоев материала. Этот метод применяется, главным образом, в массовом производстве для колец диаметром менее 180 мм, так как он связан с большими первоначальными затратами на устройство сложной формовки и отливки колец (в виде многорядных стопок).
Заготовки отливаются в земляные и металлические формы, применяется также центробежное литье (для маслот). В последнем случае на рабочей поверхности колец получается слой наиболее плотного мелкозернистого и однородного металла. В сечении заготовки могут иметь форму окружности (цилиндр) или овала; выбор формы определяется последующим методом механической обработки.
Заготовкой для стальных колец служит катаная калиброванная полоса.
Требования к механической обработке поршневых колец следующие:
1) должны быть обеспечены упругие свойства, которые соответствовали бы увеличению рабочего зазора в замке а до зазора а0 в свободном состоянии (рис. 5);
Рис. 5. Поршневые кольца
2) должна быть обеспечена цилиндричность кольца в сжатом состоянии. Радиальный зазор (просвет) между кольцом и калибром (соответствующим номинальному диаметру цилиндра) допускается не более чем в двух местах на дуге, не более 30 ° в одном месте и должны быть не более 0,02 мм для колец с наружным диаметром до 160 мм; 0,03 мм для колец с наружным диаметром от 160 до 320 мм; 0,05 мм для колец с наружным диаметром свыше 320 мм;
3) колебания радиальной толщины в одном кольце не должны превышать 0,1 мм при диаметре до 160 мм и 0,2 мм при диаметре свыше 160 мм;
4) коробление торцевой поверхности кольца не должно быть более 0,03 мм для диаметра до 320 мм и 0,05 мм для диаметра свыше 320 мм;
5) допуск параллельности торцевых поверхностей на диаметр кольца не должен быть больше допуска на его высоту;
6) наружная цилиндрическая и коническая поверхности верхнего компрессионного кольца диаметром до 250 мм для четырехтактного двигателя должны быть покрыты пористым хромом.
Верхние компрессионные кольца для двухтактных двигателей, а также четырехтактных диаметром свыше 250 мм должны иметь на этих поверхностях приработочное покрытие или приработочные вставки;
7) на поверхностях готовых колец не допускаются трещины, раковины, рыхлости, лыски, заусенцы и забоины;
8) шероховатость обработанных поверхностей колец должна быть не менее указанной на рис. 5, а.
Поршневые кольца изготовляют несколькими методами, которые различаются способом достижения упругих свойств, а также формой получаемой заготовки. Как известно, готовое кольцо в рабочем (сжатом) состоянии должно иметь форму окружности, в свободном же состоянии оно принимает овальную форму.
1-й способ: упругие свойства кольца достигаются за счет выреза части кольца — а0. Этот способ применяется при изготовлении колец со ступенчатым замком.
При этом возможны несколько вариантов изготовления:
1) заготовка цилиндрической формы; предварительное точение по цилиндру; разрезка на отдельные кольца; вырез части кольца; стягивание кольца; окончательная обработка для получения цилиндрической формы. Недостаток: кольцо при стягивании встык перед окончательной обработкой принимает овальную форму; поэтому приходится оставлять большой припуск на чистовую обработку, и неравномерность его съема при точении приводит к перераспределению напряжений в кольце и впоследствии вызывает его деформацию и нарушение сопрягаемости с поршнем и цилиндром. Способ отличается большой трудоемкостью;
2) заготовка цилиндрической формы; предварительное точение по овалу с помощью копира. Форма овала должна быть такой, чтобы кольцо после вырезания а0 и сжатия концов встык приобрело правильную цилиндрическую форму. При этом варианте улучшается качество колец. Недостаток: необходимость в сложных копирных устройствах и значительные отходы при предварительном точении;
3) заготовка овальной формы, может быть в виде барабана или индивидуальной отливки, соответствует форме кольца в свободном состоянии; литейные припуски на наружной и внутренней поверхностях 4...5 мм. Из каждого барабана вырезают 8...10 колец. Этот вариант характеризуется достаточно высоким качеством колец и малыми отходами металла.
Применяется следующий порядок операций при обработке заготовок колец крупного диаметра с вырезом части кольца (поршневое кольцо со ступенчатым замком закрытого типа);
операция 05 - предварительная обточка и расточка барабана по овалу на специальном копировальном карусельном станке. Вдоль образующей барабана в плоскости малой оси эллипса резцом наносится риска, обозначающая место будущего замка у колец;
операция 10 - термообработка для снятия напряжении (отпуск с нагревом до 450...500 °С и медленное охлаждение вместе с печью);
операция 15 - разрезка барабана на отдельные кольца с припуском на торцах под шлифование - выполняется на карусельном станке;
операция 20 - разметка ступенчатого замка с учетом участка в под вырезку (рис. 6, а);
операция 25 - ступенчатая обработка кольца (фрезеруется ступень на левой части; вырезается участок в; фрезеруется внутренняя стенка левой части по радиусу R, затем правой части; фрезеруется скос 1);
операция 30 - слесарная обработка замка (опиловка, стяжка замка, сверление отверстия и клепка соединение колец);
операция 35 - окончательная шлифовка торцевых плоскостей на плоскошлифовальном станке;
операция 40 - окончательная обточка и расточка (рис. 6, б). Кольца собирают пачкой, устанавливают на планшайбу 1 станка, центрируют хомутом 2, зажимают сверху диском 3 и протачивают, предварительно сняв хомут 2. Затем кольца зажимают боковыми планками 4и окончательно растачивают. Операция производится на карусельном станке.
Фаски на кольце снимают при установке в станок по одному кольцу;
операция 45 - окончательная припиловка замка; при этом заклепки, стягивающие кольца, удаляются;
операция 50 - контроль качества изготовления; осуществляется в соответствии с ГОСТ 7295-81.
2-й способ: упругие свойства кольца достигаются специальной термообработкой (термофиксация замка). Этот способ имеет широкое применение при производстве колец диаметром до 500 мм (иногда и больше) с косым или прямым замком. Процесс обеспечивает незначительные отходы материала, высокую производительность и достаточно хорошее качество изготовляемых колец.
Рис. 6. Обработка поршневого кольца с вырезом его части:
а) кольцо со ступенчатым замком закрытого типа;
б) обточка и расточка кольца
Заготовка - цилиндрический барабан (маслота) с фланцем или лапками со стороны прибыли (для удобства закрепления на станке).
Порядок операций обработки колец по 2-му способу при мелкосерийном производстве:
операция 05- подготовка установочной базы (рис. 7, а): подрезка торца 1со стороны фланца и проточка пояска 2с допуском 0,2 мм. Операция производится на токарном или карусельном станке;
Рис. 7. Обработка поршневых колец с термофиксацией замка
операция 10 - черновая расточка и обточка на токарном или карусельном станке (рис. 7, б). Маслота закрепляется фланцем в планшайбе и центрируется диском 1 по пояску 2. Обработка ведется одновременно двумя резцами обточным 3и расточным 4. Здесь же производится отрезка пробного кольца для испытания на твердость;
операция 15 - термообработка для снятия напряжений (нагрев до 450°С, выдержка 4 ч, медленное охлаждение вместе с печью). Испытание на твердость, проверка микроструктуры на пробном кольце;
операция 20 - предчистовая обточка на размер D + 0,6 мм с допуском 0,1 мм. Чистовая расточка; отрезка колец на размер 
; установка по 2-й операции; отрезка колец с помощью державки со ступенчатым расположением резцов (рис. 7, б);
операция 25 - предварительное шлифование торцов на размер 
на плоскошлифовальном станке с магнитным столом;
операция 30 - прорезка замка на горизонтально-фрезерном станке. (Кольцо помещается в приспособлении, установленном на столе станке. Фреза узкая, толщиной 0,5...0,8 мм, равной зазору замка а. В случае применения более толстой фрезы увеличение зазора в замке компенсируется увеличением припуска по наружному диаметру);
операция 35- термофиксация замка (нагрев до 600 °С, выдержка 2 ч с охлаждением на воздухе). Кольца надеваются на оправку (рис. 7, в); расстояние между концами колец фиксируется сухарем 1, размер которого около 1,2 а0. Затем кольца сжимаются по торцам и фиксируются клином 2, после чего направляются в печь. После термофиксации кольца приобретают овальную форму и при сжатии до круглой формы обладают необходимой упругостью (на упругость, твердость и остаточную деформацию кольца проверяют по ГОСТ 7295-81);
операция 40 - окончательное шлифование торцов в размер Н на плоскошлифовальном станке с магнитным столом (с последующим размагничиванием колец);
операция 45 - чистовая обточка на размер D с допуском h9на токарном станке, расточка внутреннего диаметра. Обрабатываются три-четыре кольца вместе (рис. 7, г). Кольца устанавливаются в накидную шайбу 1, закрепляются диском 2 и тягой 3с помощью пневматического устройства 4.После закрепления шайбу 1 отводят влево. Фаски снимают у каждого кольца отдельно;
операция 50 - калибровка замка в размер а на горизонтально-фрезерном станке. Кольцо устанавливается в калибровочную выточку приспособления, равную диаметру цилиндра. Иногда калибровка осуществляется слесарями вручную с проверкой щупом в кольцевом калибре;
операция 55 - зачистка кромок, фасок и т. д.
Метод термофиксации применяется и при изготовлении стальных колец. Заготовку - катаную полосу - навивают спиралью на цилиндр, разрезают на отдельные кольца. Надевают на оправку с распоркой, сжимают с торцов дисками и подвергают термофиксации. Дальнейшая обработка аналогична рассмотренной.
3-й способ: упругие свойства кольца достигаются путем накатки (насечки) внутренней поверхности. Заготовка - цилиндрический барабан или индивидуальные отливки. Замок прорезают с шириной рабочего зазора а. Затем следует накатка на токарном или карусельном станке каленым рифленым роликом. Благодаря эксцентричному расположению детали накатка захватывает только дугу, приблизительно равную 2/3 длины окружности и расположенную против замка.
Недостатки: значительные напряжения и пластические деформации, величина которых не регулируется. При работе вследствие рекристаллизации материала кольцо может потерять свои упругие свойства.
Преимущества: экономия металла (малые припуски) и простота механической обработки. Рекомендуется для ненапряженных двигателей.