CN1296087A - 活塞环槽表面的强化方法及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞环槽的表面强化方法及工艺方法,对于活塞环槽表面进行强化涂层,其特征在于:采用机械摩擦和电火花合金化复合加工工艺,在铝合金活塞槽部获得不连续厚度的离散涂层。在涂覆涂层的同时进行表面塑性变形,以达到符合设计要求的表面光洁度。其目的是提高铝合金活塞槽部的耐磨性和保证均匀磨损。本发明得到的涂层在发动机使用温度下的硬度与铸铁压缩活塞环的硬度相当,涂层厚度不超过0.3mm。本方法适用于内燃发动机、活塞泵及活塞式压缩机的制造。

Description

活塞环槽表面的强化方法及工艺

本发明涉及一种活塞环槽表面的强化方法及生产工艺，适用于内燃发动机、活塞泵及活塞式压缩机制造业。本方法是采用机械磨擦和电火花合金化复合的工艺方法，在铝合金活塞槽部获得不连续厚度的离散涂层，从而提高活塞槽部耐磨性，延长了使用寿命。

活塞是内燃发动机最薄弱的环节，它是内燃发动机的一部分，是发动机的心脏，决定着发动机的寿命。活塞在高压、高温、高速及有限润滑的条件下工作，所以提高内燃发动机的性能首先受到活塞结构不完善的限制和寿命的限制，而活塞的寿命取决于上压缩活塞环槽的耐磨损性能。活塞槽快速磨损的原因是在使用温度下相配合的零件(活塞与活塞环)硬度不匹配。拖拉机用柴油机铝合金活塞槽区温度为290℃时硬度为HB32，用高强铸铁制造的压缩活塞环在该温下的硬度为HB140其差别几乎有四倍之多。同时压缩活塞环在内燃机的工作冲程中承受着压力，由于缸套活塞组件中零件之间的相互作用和槽-环之间的硬度差别，导致活塞槽下底面形成不均匀磨损。槽的不均匀磨损使环逐渐在轴平面截面中倾斜，配合面之间的不完全接触引起缸套-活塞组件零件局部接触载荷增加，造成环和气缸沿侧表面的磨损增加，这使活塞槽的磨损进一步加速。为了提高活塞槽的耐磨性，目前采用的方法有以下几种：1、在铸造活塞时，将含15～17％Ni的高强铸铁环形镶块浇入上活塞槽区。其缺陷在于：活塞质量的增大导致内燃机的动应力的增加，导致零件疲劳寿命降低，同时加剧了轴承的磨损；铸铁的导热系数大约只有铝合金制活塞的10分之一，导致活塞平均温度提高，提高了压缩活塞环上积碳和结焦；铸铁镶块工艺使得生产成本增加，也增加了废旧活塞回收中分离镶块和活塞难度。2、采用等离子弧区域重熔槽区，以添加Ni、Cr、Fe元素重熔区域深度可达10mm，在重熔区中形成这些元素在铝中的固溶体。其缺陷在于：增加了活塞的质量并提高了动载荷，由于重熔区的导热性降低，使得槽区冷却条件变差。该法能源消耗和材料消耗高；3、用高模陶瓷纤维增强铝合金亦可提高活塞槽区的耐热强度，但由于导热性能下降，使得散热条件变差，活塞环上结焦的威胁增加。后两种方法用于成批生产时需要制造专用设备，这样就增加了生产成本。活塞槽底部的采用强化涂层对于提高活塞的耐磨性虽然是一种有效的方法，但目前采用的强化涂层存在着致命缺陷，即在使用中易出现开裂和剥落。

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种活塞环槽表面的强化方法，在上活塞槽底部涂覆呈离散结构和离散厚度的强化涂层。这种强化涂层不会出现开裂和剥落，可有效防止活塞槽底部发生不均匀磨损，增加上活塞槽的耐磨性，从而减小了缸套-活塞组件零件的总磨损量，提高了总寿命。

本发明的技术思想是：在活塞(1)环槽表面涂覆强化涂层，其特征在于：该强化涂层不是通常的连续涂层，该涂层(2)而是呈离散厚度的离散结构。离散涂层(2)的结构参数有h-涂层薄区厚度，H-涂层厚区厚度，d-涂层离散区直径，a-离散区之间的距离，调节相应的参数h，H，d，a即可调节离散结构。当h=0和a＞d时，可得到均匀厚度的离散涂层，当a=d时可得到通常的连续涂层。通过优化涂层的离散结构，可改善工作条件下的涂层应力-应变状态，避免了涂层开裂和剥落。此外离散涂层在磨损过程中，按磨料磨损机理磨损中形成小的离散磨损质点，这种形式的磨损可使零件具有最高的寿命。

为实现上述的活塞(1)环槽表面呈离散厚度的离散结构的强化涂层(2)，本发明提供了一种工艺方法，其特征在于：将机械摩擦法和电火花合金化法综合在一起，电火花合金化的阴极作为机械摩擦工艺的摩头。涂层厚度取决于机械摩擦规范，包括压力、移动速度、压头和机械摩擦涂覆加工过程的持续时间。参数H和d取决于电火花合金化脉冲规范，包括电压U，电流I和脉冲时间t。涂层离散区间距a用电火花脉冲间隔时间和电极一摩擦头移动速度或者被强化零件的移动速度来调节。

由于在使用条件下活塞槽的磨损是不均匀的。最大磨损处是槽的棱角处。为了保证槽底均匀磨损，强化涂层的离散结构从槽边至内表面沿活塞直径应按一定规律变化。根据磨损图从槽边至槽内通过减小H、h或者增加a值来调节涂层的离散结构。H的最大值选为等于或不小于槽的最大允许磨损值。

活塞槽区是通过压缩活塞环往气缸散热的，为了增加对活塞槽区的冷却，用铜合金作为涂层材料，铜合金能与铝形成固溶体，其硬度与铸铁压缩环的硬度具有相同数量级。当活塞槽区温度为295℃时，这种涂层的硬度为HB130，而铸铁环的硬度为HB140。如进一步提高涂层硬度反过来会增加压缩活塞环的磨损。

用涂覆材料作成的电火花合金化的电极一摩擦头，可作成杆状电极(4)。杆状电极固定在激励器上，用激励器振动来控制杆状电极在活塞槽被强化区表面做纵向和弦向运动。为了控制电火花合金化工艺，杆头电极可在弦向一边来回弯曲振动，一边沿垂直方向振动。控制参数为电极振幅和振动频率。

用涂覆材料作成的电火花合金化的电极-摩擦头，可作成圆盘状电极(5)，固定在多头车床的车轴上，可调节的参数为盘的直径和转动速度。杆状和盘状电极可调节的参数还有电极向被强化表面的压力。

为了沿活塞径向获得变厚度的离散涂层，可调节以下参数：杆状电极头部夹角沿被强化表面平面内的弯曲刚度，盘状电极被强化活塞直径与电极直径之比和盘的弯曲刚度。

为了提高强化工艺的生产率和节约涂层材料，仅强化活塞槽底部，因为该处磨损最大。

涂覆涂层的最后可以进行一道工序-表面塑性变形，使槽区辗平到给定尺寸和光洁度。表面塑性辗平工具是盘状电极的一部分。表面塑性变形工序可与电极一摩擦头的涂覆涂层工序同时进行。工具施加的载荷将一直增加到所需的涂层厚度为止，到这一步涂覆工艺全部结束。

附图说明：

图1：离散涂层示意图

图2：利用杆状电极强化活塞环槽时电极与工件相互位置关系示意图

图3：利用盘状电极强化活塞环槽时电极与工件相互位置关系示意图

1-活塞    2-涂层    3-涂覆涂层接触区    4-杆状电极    5-盘状电极

现结合实施例对本发明作进一步描述：

本实施例是对D-240型发动机活塞环槽的强化处理。在活塞环槽强化处理过程中，采用Φ2.5mm的铜合金棒做为杆状电极，涂覆过程中的电脉冲参数为脉冲电压U=100V，脉冲电压t=0.02秒，间隔时间0.1秒。杆状电极头部夹角60°，电极振幅0.5m，振动频率50HZ，获得的涂层结构参数为H=0.3mm，h=0.15mm，d=0.4mm，a=0.6mm，活塞经强化处理后，装机进行涂覆离散结构涂层。用该方法制作的D-240发动机活塞经100小时快速台架试车所得的结果表明：

-上活塞槽底部与压缩活塞环之间的间隙减少10％

-压缩活塞环的磨损减少19％

-气缸平均直径磨损减少31％

-润滑油消耗减少30～40％

-油压增加20～30％

-燃料消耗减少10～20％

-发动机功率增加5～10％

本发明相比现有技术的优点在于：1、采用离散结构涂层强化处理上活塞环槽，使活塞环槽在使用温度下的硬度达到了与其相配合的压缩活塞环的硬度值相同的水平。不仅增加了上活塞环槽的耐磨性，而且防止了不均匀磨损的发生。保证了压缩活塞环端面与槽底及侧面与气缸完全接触，使接触面上的接触载荷呈均匀分布，减小了气缸套-活塞组件零件的总磨损，提高缸套-活塞组件的总寿命，并改善了内燃机的性能；2、采用价格较低的铜合金做为涂覆材料，改善了活塞通过压缩活塞环向气缸散热的条件，使活塞环上不易发生积碳和结焦。3、具有离散结构的强化涂层优化的涂层应力-应变状态，提供了涂层强度及涂层与基体的结合力，防止了使用中涂层的开裂和剥落。4、涂层结构易于控制。5、采用机械摩擦法和电火花合金化法相结合的新工艺，在不需要特殊复杂设备的情况下，不仅具有良好的工艺性和高生产率，还减少了生产中的能源和材料消耗。6、强化表面具有良好的光洁度。7、铜合金涂层使用过程即被磨损耗尽，被废弃后的活塞可用常规方法回收利用。

Claims (9)

1、一种活塞环槽表面的强化方法，在活塞环槽表面进行强化涂层，其特征在于：该强化涂层不是通常的连续涂层，而是呈离散厚度的离散结构，涂层的离散结构可用参数表征：h-涂层薄区厚度，H-涂层厚区厚度，d-涂层离散区直径，a-离散区之间的距离。

2、一种实现权利要求1所述的活塞环槽表面的强化涂层的工艺方法，其特征在于：将机械摩擦法和电火花合金化法综合在一起，电火花合金化的阴极作为机械摩擦工艺的摩擦头，将涂料涂覆在活塞环槽表面。

3、如权利要求2所述的强化涂层的工艺，其特征在于：涂层应在直径方向按磨损图改变离散性，从槽边至内表面沿活塞直径应按一定规律变化，根据磨损图从槽边至槽内通过减小H、h或者增加a值来调节涂层离散性，H的最大值选为等于或不小于槽的最大允许磨损值。

4、如权利要求2或3所述的强化涂层的工艺，其特征在于：涂层离散结构通过调节相应参数h，H，d，a实现，涂层厚度取决于机械摩擦规范，包括压力、移动速度、压头和机械摩擦涂覆加工过程的持续时间；参数H和d取决于电火花合金化脉冲规范，包括电压U，电流I和脉冲时间t；涂层离散区间距a用电火花脉冲间隔时间和电极-摩擦头移动速度或者被强化零件的移动速度来调节。

5、如权利要求2所述的强化涂层的工艺，其特征在于：可采用铜合金作涂层材料。

6、如权利要求2所述的强化涂层的工艺，其特征在于：电极-磨擦头作成杆状电极(4)，固定在激励器上，它在强化表面沿纵向和弦向弯曲移动，并垂直强化表面振动。

7、如权利要求2所述的强化涂层的工艺，其特征在于：电极-磨擦头制成能转动的盘状电极(5)，其直径与被强化活塞的直径对应，固定在多头车床的车轴上。

8、如权利要求6或7所述的强化涂层的工艺方法，其特征在于：调节以下参数获得沿活塞径向变厚度的离散涂层，杆状电极(4)头部夹角沿被强化表面平面内的弯曲刚度，盘状电极(5)被强化活塞直径与电极直径之比和盘的弯曲刚度。

9、如权利要求2所述的强化涂层的工艺方法，其特征在于：为了保证在槽部获得给定尺寸和表面光洁度，最终工序是表面塑性变化，即表面辗平，该工序与涂层工序同时进行。

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