CN106086700B - 一种用于斯特林发动机的气缸套及其加工工艺 - Google Patents

一种用于斯特林发动机的气缸套及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于斯特林发动机的气缸套，使得气缸体的性能大幅度提高，按质量百分比计，该气缸套组成成分为：C≤0.03%、Ni：4.5‑6.5%、Mo：3.0‑3.5%、Cr：22‑23%、P≤0.03%、S≤0.02%、Mn≤2.00%、Si≤1.00%、N：0.14‑0.20%、余量为Fe,同时还提供了气缸套的加工工艺，工艺简单，设备投入少，降低了制造成本，缩短了加工周期。

Description

一种用于斯特林发动机的气缸套及其加工工艺
技术领域
本发明涉及斯特林发动机技术领域，具体为一种用于斯特林发动机的气缸套及其加工工艺。
背景技术
斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机，在斯特林发动机封闭的气缸内充有一定容积的工质，气缸内活塞的上部为热腔，气缸内活塞的下部为冷腔，热腔主要起着膨胀左右，冷腔主要起着压缩作用，带动活塞运动做功。
气缸套与缸盖和活塞共同构成气缸的工作空间，是活塞往复运动的导程，其外有冷却水冷却，是斯特林发动机中工作环境最为恶劣的零件之一，承受着机械破坏和腐蚀破坏。
现有的气缸套一般采用含磷或含硼的耐磨合金铸铁或无缝冷拔钢管作为材料来生产加工，其加工工艺复杂并存在诸多不足：
一、工序繁多，需动用多种机械设备，如车床、镗床、内圆磨、外圆磨及珩磨机，因此生产周期长、制造成本高；
二、铸铁类或结构钢等材料的耐腐蚀性能差，与冷却介质表层极易腐蚀疲劳开裂，故使用寿命短；
三、为提高耐磨性能，缸套内表面一般进行镀铬 (松孔镀铬、贮油网点镀铬等),氮化或磷化等处理后通过磨削手段来降低表面粗糙度。这些镀层或氮化层很薄，特别是氮化层只有0.02～0.15mm，磨削加工后耐磨层容易被部分去除。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于斯特林发动机的气缸套，使得气缸体的性能大幅度提高，同时还提供了气缸套的加工工艺，工艺简单，设备投入少，降低了制造成本，缩短了加工周期。
本发明的技术方案是这样的：一种用于斯特林发动机的气缸套，其特征在于：按质量百分比计，该气缸套组成成分为：C≤0.03%、Ni：4.5-6.5%、Mo：3.0-3.5%、Cr：22-23%、P≤0.03%、S≤0.02%、Mn≤2.00%、Si≤1.00%、N：0.14-0.20%、余量为Fe。
一种用于斯特林发动机的气缸套的加工工艺，其特征在于：
步骤1、按上述的用于斯特林发动机的气缸套的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1040℃±10℃，保温45±5min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为480±20℃，保温4h，氮化层厚度为0.02～0.14mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度80-120mm/min,进给量0.1-0.25mm/r,使表面粗糙度达到Ra值≤0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度80-120mm/min,进给量0.1-0.25mm/r,背吃刀量0.1-0.15mm,得到气缸套。
进一步的，在步骤3完成后进行步骤4的加工前，还存在步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车。
进一步的，在步骤a完成后进行步骤4的加工前，还存在步骤b、在真空装置中对对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为550℃～600℃，保温4h，冷却方式为炉冷。
进一步的，对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验。
进一步的，对步骤9加工后的气缸套进行粗糙度检验。
本发明的用于斯特林发动机的气缸套的疲劳寿命提高2倍以上，显微硬度提高20%以上、耐磨性提高50%以上、耐腐蚀性提高40%以上，提高了气缸套的机械性能，改善了易发生的穴蚀、腐蚀、疲劳开裂等问题，延长了气缸套的使用寿命，采用本发明的斯特林发动机的气缸套的加工工艺对气缸体进行加工，减少了工艺装备的投入，降低了制造成本，缩短了加工周期，节能环保，运用豪克能对金属表面进行无切削量的加工，使气缸套的精度大幅度提高，Ra值≤小于等于0.1。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
具体实施例一：一种用于斯特林发动机的气缸套，按质量百分比计，该气缸套组成成分为： C：0.03%、Ni：4.5%、Mo：3.0%、Cr：22%、P：0.03%、S：0.02%、Mn：2.00%、Si：1.00%、N：0.14%、余量为Fe。
上述的用于斯特林发动机的气缸套的生产工艺，包括如下步骤：
步骤1、按上述的用于斯特林发动机的气缸套的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车；
步骤b、在真空装置中对对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为550℃～600℃，保温4h，冷却方式为炉冷；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1040℃，保温45min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为480℃，保温4h，氮化层厚度为0.02mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度80mm/min,进给量0.1mm/r,使表面粗糙度达到Ra值为0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度80mm/min,进给量0.1mm/r,背吃刀量0.1mm,得到气缸套。
对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验和粗糙度检验。
本实施例的用于斯特林发动机的气缸套的疲劳寿命提高2倍，显微硬度提高20%、耐磨性提高50%、耐腐蚀性提高40% 。
具体实施例二：一种用于斯特林发动机的气缸套，按质量百分比计，该气缸套组成成分为：C：0.02%、Ni：5%、Mo：3.1%、Cr：23%、P：0.02%、S：0.01%、Mn：1.9%、Si：0.9%、N：0.15%、余量为Fe。
上述的用于斯特林发动机的气缸套的生产工艺，包括如下步骤：
步骤1、按上述的用于斯特林发动机的气缸套的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车；
步骤b、在真空装置中对对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为560℃，保温4h，冷却方式为炉冷；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1030℃，保温40min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为460℃，保温4h，氮化层厚度为0.05mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度90mm/min,进给量0.15mm/r,使表面粗糙度达到Ra值为0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度90mm/min,进给量0.15mm/r,背吃刀量0.12mm,得到气缸套。
对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验以及粗糙度检验。
本实施例的用于斯特林发动机的气缸套的疲劳寿命提高2.5倍，显微硬度提高25%、耐磨性提高60%、耐腐蚀性提高45% 。
具体实施例三：一种用于斯特林发动机的气缸套，按质量百分比计，该气缸套组成成分为：C：0.025%、Ni：5.5%、Mo：3.3%、Cr：23%、P：0.02%、S：0.02%、Mn：1.8%、Si：0.8%、N：0.16%、余量为Fe。
上述的用于斯特林发动机的气缸套的生产工艺，包括如下步骤：
步骤1、按上述的用于斯特林发动机的气缸套的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车；
步骤b、在真空装置中对对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为570℃，保温4h，冷却方式为炉冷；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1050℃，保温50min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为470℃，保温4h，氮化层厚度为0.07mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度100mm/min,进给量0.2mm/r,使表面粗糙度达到Ra值：0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度100mm/min,进给量0.2mm/r,背吃刀量0.13mm,得到气缸套。
对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验以及粗糙度检验。
本实施例的用于斯特林发动机的气缸套的疲劳寿命提高2.3倍，显微硬度提高25%、耐磨性提高60%、耐腐蚀性提高45% 。
具体实施例四：一种用于斯特林发动机的气缸套，按质量百分比计，该气缸套组成成分为：C：0.01%、Ni：6%、Mo：3.4%、Cr：22.5%、P：0.01%、S：0.02%、Mn：1.5%、Si：0.8%、N：0.17%、余量为Fe。
上述的用于斯特林发动机的气缸套的生产工艺，包括如下步骤：
步骤1、按上述的用于斯特林发动机的气缸套的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车；
步骤b、在真空装置中对对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为580℃，保温4h，冷却方式为炉冷；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1045℃，保温48min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为490℃，保温4h，氮化层厚度为0.10mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度110mm/min,进给量0.22mm/r,使表面粗糙度达到Ra值≤0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度110mm/min,进给量0.22mm/r,背吃刀量0.14mm,得到气缸套。
对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验以及粗糙度检验。
本实施例的用于斯特林发动机的气缸套的疲劳寿命提高2.3倍，显微硬度提高23%、耐磨性提高55%、耐腐蚀性提高42% 。
具体实施例五：一种用于斯特林发动机的气缸套，按质量百分比计，该气缸套组成成分为：C：0.03%、Ni：5.5%、Mo：3.2%、Cr：22.3%、P：0.02%、S：0.02%、Mn：1.5%、Si：0.6%、N：0.15%、余量为Fe。
上述的用于斯特林发动机的气缸套的生产工艺，包括如下步骤：
步骤1、按上述的用于斯特林发动机的气缸套的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车；
步骤b、在真空装置中对对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为590℃，保温4h，冷却方式为炉冷；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1035℃，保温42min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为490℃，保温4h，氮化层厚度为0.12mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度85mm/min,进给量0.12mm/r,使表面粗糙度达到Ra值：0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度85mm/min,进给量0.12mm/r,背吃刀量0.15mm,得到气缸套。
对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验以及粗糙度检验。
本实施例的用于斯特林发动机的气缸套的疲劳寿命提高2.2倍，显微硬度提高22%、耐磨性提高54%、耐腐蚀性提高43% 。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种用于斯特林发动机的气缸套的加工工艺，其特征在于：
步骤1、按C≤0.03%、Ni：4.5-6.5%、Mo：3.0-3.5%、Cr：22-23%、P≤0.03%、S≤0.02%、Mn≤2.00%、Si≤1.00%、N：0.14-0.20%、余量为Fe的成分质量百分比进行配料；
步骤2、将步骤1中配料铸造生产出来钢管原材料；
步骤3、将步骤2中的钢管原材料通过锯床切割成气缸套毛坯；
步骤4、通过数控车床对步骤3中得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行粗车，各留余量1mm；
步骤5、将步骤4得到的气缸套毛坯在真空装置中去应力退火，退火温度为1040℃±10℃，保温45±5min，冷却方式为油冷；
步骤6、通过高精度数控车床对步骤5得到的气缸套毛坯的内孔进行精车；
步骤7、将步骤6得到的气缸套毛坯在真空等离子渗氮炉中进行等离子氮化，温度为480±20℃，保温4h，氮化层厚度为0.02～0.14mm；
步骤8、通过数控车床和豪克能刀具对步骤7得到的气缸套毛坯的内孔表面进行能量加工，切削速度80-120mm/min，进给量0.1-0.25mm/r，使表面粗糙度达到Ra值≤0.1；
步骤9、对步骤8得到的气缸套毛坯的外圆进行精车，且对步骤8得到的气缸套毛坯的表面进行能量加工，切削速度80-120mm/min，进给量0.1-0.25mm/r，背吃刀量0.1-0.15mm，得到气缸套。
2.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的气缸套的加工工艺，其特征在于：在步骤3完成后进行步骤4的加工前，还存在步骤a、通过数控车床对步骤3得到的气缸套毛坯的外圆、内孔进行半精车。
3.根据权利要求2所述的一种用于斯特林发动机的气缸套的加工工艺，其特征在于：在步骤a完成后进行步骤4的加工前，还存在步骤b、在真空装置中对步骤a得到的气缸套毛坯进行时效处理，将气缸套立式摆放，温度为550℃～600℃，保温4h，冷却方式为炉冷。
4.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的气缸套的加工工艺，其特征在于：对步骤9加工后的气缸套进行三坐标检验。
5.根据权利要求1所述的一种用于斯特林发动机的气缸套的加工工艺，其特征在于：对步骤9加工后的气缸套进行粗糙度检验。
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