PL242075B1

PL242075B1 - Hydraulic device for dynamic burnishing combustion engines piston pins

Info

Publication number: PL242075B1
Application number: PL427741A
Authority: PL
Inventors: Jarosław Mikuła; Daniel Adamecki; Stanisław Mikuła
Original assignee: Politechnika Śląska
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2023-01-16
Also published as: PL427741A1

Abstract

Hydrauliczne urządzenie do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych charakteryzuje się tym, że posiada bijaki (2) osadzone luźno w wirującym wieńcu (1) w otworach (17) wypełnionych cieczą chłodząco - smarującą (18) wtłaczaną poprzez dysze (6). Bijaki (2) usytuowane są w wieńcu (1) pod kątem α o wartości 2÷25° w stosunku do promienia wieńca (1). Bijaki (2) usytuowane są w wieńcu (1) pod kątem β o wartości 2÷20° w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca (1).The hydraulic device for dynamic burnishing of piston pins of combustion engines is characterized by the fact that it has beaters (2) loosely embedded in the rotating rim (1) in holes (17) filled with cooling and lubricating liquid (18) forced through nozzles (6). The hammers (2) are located in the rim (1) at an angle α of 2÷25° in relation to the radius of the rim (1). The hammers (2) are located in the rim (1) at an angle β of 2÷20° in relation to the plane of rotation of the rim (1).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest hydrauliczne urządzenie do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych.The subject of the invention is a hydraulic device for dynamic burnishing of piston pins of internal combustion engines.

Urządzenie przeznaczone jest do umacniania zgniotem powierzchniowym sworzni tłokowych silników spalinowych poprzez dynamiczne nagniatanie warstwy wierzchniej sworzni. Sworznie tłokowe silników spalinowych, zwłaszcza wysokoprężnych, narażone są na przenoszenie dużej liczby cykli obciążeń zmiennych w warunkach wysokich temperatur. Jednocześnie spełniają funkcję czopów łożysk ślizgowych układu tłok-korbowód przy niemożności spełnienia warunków pełnego smarowania hydrodynamicznego z uwagi na przemienny kierunek poślizgu przy niedużym zakresie kąta obrotu. Warunki pracy sworzni tłokowych silników spalinowych powodują występowanie stanu dużego wytężenia o charakterze zmęczeniowym i narażenie na zużycie ścierne. Jednocześnie dąży się poprzez downsizing do minimalizacji masy sworzni, a więc i ich średnicy w celu zmniejszenia oddziaływań o charakterze dynamicznym na cały układ napędowy silników spalinowych. W opisanej sytuacji wymagana jest szczególnie duża trwałość zmęczeniowa, wysoka odporność na zużycie ścierne i duża sztywność kontaktowa sworzni tłokowych. Wszystkie wymienione własności mogą być wydatnie poprawione w wyniku odpowiedniej obróbki zgniotem powierzchniowym o dużej intensywności.The device is designed for surface deformation strengthening of internal combustion engine piston pins by dynamic burnishing of the surface layer of the pins. Piston pins of internal combustion engines, especially diesel engines, are exposed to a large number of cycles of variable loads in high temperature conditions. At the same time, they act as journals of the sliding bearings of the piston-connecting rod system when it is impossible to meet the conditions of full hydrodynamic lubrication due to the alternating direction of slip at a small range of rotation angle. The operating conditions of piston pins in internal combustion engines result in the occurrence of a state of high effort of a fatigue nature and exposure to abrasive wear. At the same time, downsizing is aimed at minimizing the weight of the pins, and thus their diameter, in order to reduce the dynamic impact on the entire drive system of internal combustion engines. In the described situation, a particularly high fatigue life, high wear resistance and high contact stiffness of the piston pins are required. All these properties can be significantly improved by appropriate high-intensity surface work.

Szczególne trudności obróbki zgniotem w przypadku sworzni tłokowych silników spalinowych wynikają z tego, że są one najczęściej wytwarzane z wysokowytrzymałych stali stopowych poddanych obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej warstwy wierzchniej przez nawęglanie, azotowanie i hartowanie w celu uzyskania dużej twardości. Wywołanie powierzchniowych odkształceń plastycznych w tej sytuacji wymaga zastosowania dużych nacisków stykowych w sposób, który nie doprowadzi do deformacji sworzni w postaci skrzywienia lub skażenia profilu ich przekroju poprzecznego. Warunki te zapewnia urządzenie nagniatające według wynalazku, gdyż umożliwia intensywne działanie elementów nagniatających w krótkim czasie w każdej strefie powierzchni sworzni z jednoczesnym chłodzeniem i smarowaniem strefy obróbki zgniotem powierzchniowym.The particular difficulties of work-forming in the case of piston pins of internal combustion engines result from the fact that they are most often made of high-strength alloy steels subjected to heat treatment and thermo-chemical surface treatment by carburizing, nitriding and hardening in order to obtain high hardness. Inducing surface plastic deformations in this situation requires the use of high contact pressures in a way that will not lead to deformation of the pins in the form of curvature or contamination of their cross-sectional profile. These conditions are ensured by the burnishing device according to the invention, as it enables intensive operation of the burnishing elements in a short time in each zone of the pin surface with simultaneous cooling and lubrication of the zone of surface deformation treatment.

Znane urządzenia do nagniatania elementów maszyn w tym i dynamicznego opisuje praca: Przybylski W. „Technologia obróbki nagniataniem”, WNT W-wa 1987. Urządzenia te nie umożliwiają dostatecznie dużej intensywności obróbki wymaganej dla takich elementów jak sworznie tłokowe silników spalinowych, zwłaszcza wysokoprężnych. Opis patentowy nr 139508 przedstawia „Urządzenie do nagniatania dynamicznego powierzchni zewnętrznych przedmiotów walcowych”, gdzie stalowe kulki miotane są strumieniem sprężonego powietrza. Jest to urządzenie o zbyt niskiej efektywności i ograniczonym zakresie zastosowań z uwagi na ograniczoną fizykalnie prędkość możliwą do uzyskania u wylotu dyszy ze sprężonym powietrzem. Opis patentowy nr 150864 „Urządzenie do umacniania metodą pneumokulowania przedmiotów metalowych” opisuje urządzenie, które posiada tę samą niedogodność co wspomniane uprzednio. Wszystkie znane urządzenia do obróbki zgniotem powierzchniowym ponadto nie umożliwiają jednoczesnego chłodzenia i smarowania stref umacnianych, co jest pożądane przy większych intensywnościach wywoływanych odkształceń plastycznych warstwy wierzchniej, gdy duża praca odkształcenia plastycznego zamienia się na ciepło i silnie rośnie lokalna temperatura. Wówczas występują niekorzystne zjawiska rekrystalizacji struktury odkształconego plastycznie materiału oraz relaksacja naprężeń własnych ściskających, które są główną przesłanką stosowania umocnienia zgniotem powierzchniowym elementów o wysokich wymaganiach co do własności zmęczeniowych. Brak smarowania jest przyczyną znacznego pogorszenia stanu powierzchni oraz sprzyja tworzeniu się produktów zużycia w postaci pyłu metalicznego grożącego wybuchem.Known devices for burnishing machine elements, including dynamic burnishing, are described in the work: Przybylski W. "Technology of burnishing", WNT W-wa 1987. These devices do not allow for sufficiently high treatment intensity required for such elements as piston pins of internal combustion engines, especially diesel engines. Patent description No. 139508 presents "A device for dynamic burnishing of external surfaces of cylindrical objects", where steel balls are thrown with a stream of compressed air. It is a device with too low efficiency and a limited range of applications due to the physically limited speed possible to be obtained at the outlet of the compressed air nozzle. Patent description No. 150864 "Apparatus for strengthening by pneumoblasting of metal objects" describes a device which has the same disadvantage as mentioned above. Moreover, all known devices for surface deformation do not allow for simultaneous cooling and lubrication of hardened zones, which is desirable at higher intensities of plastic deformation of the surface layer, when the large work of plastic deformation is converted into heat and the local temperature increases strongly. Then, unfavorable phenomena of recrystallization of the structure of the plastically deformed material and relaxation of compressive residual stresses occur, which are the main premise for the use of work hardening of elements with high requirements as to fatigue properties. The lack of lubrication causes a significant deterioration of the surface condition and favors the formation of wear products in the form of explosive metallic dust.

Istota hydraulicznego urządzenia do dynamicznego nagniatania sworzni tłokowych silników spalinowych według wynalazku polega na tym, posiada bijaki osadzone luźno w wirującym wieńcu w otworach na które skierowane są dysze z cieczą chłodząco-smarującą znajdujące się w pierścieniu, przy czym bijaki usytuowane są w wieńcu pod kątem α o wartości 2^25° w stosunku do promienia wieńca a pod kątem β o wartości 2^20° w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca.The essence of the hydraulic device for dynamic burnishing of piston pins of combustion engines according to the invention consists in the fact that it has beaters loosely embedded in the rotating rim in the holes at which nozzles with cooling and lubricating liquid are directed in the ring, the beaters are located in the rim at the angle α with a value of 2^25° in relation to the rim radius and at an angle β of 2^20° in relation to the plane of rotation of the rim.

Urządzenie umożliwia wysoką efektywność umacniania, co służy wydatnej poprawie własności zmęczeniowych sworzni, jednocześnie tworząc gęstą sieć mikrokieszeni smarnych na powierzchni sworzni polepsza warunki ich smarowania w eksploatacji. Wzrost twardości i sztywności kontaktowej warstwy wierzchniej służy poprawie odporności na zużycie ścierne i zatarcie sworzni w trudnych warunkach eksploatacji sworzni w silnikach spalinowych. W wyniku obróbki urządzeniem według wynalazku ma miejsce szczególnie wysoka efektywność nagniatania, gdyż uzyskuje się dużą głębokość zalegania korzystnych naprężeń własnych ściskających, wydatnie polepszających własności zmęczeniowe sworzni tłokowych. W wyniku dużej gęstości elementarnych odcisków plastycznych na powierzchni sworzni tworzony jest korzystny układ mikrokieszeni smarnych tworząc korzystny mikrorelief powierzchni. Polepsza to efektywność smarowania sworzni tłokowych w eksploatacji. Jednocześnie rośnie sztywność kontaktowa warstwy wierzchniej i twardość powierzchni sworzni, co silnie zwiększa ich odporność na zużycie ścierne. Łącznie powoduje to znaczne polepszenie trwałości eksploatacyjnej obrabianych sworzni tłokowych. Najkorzystniejsze ukształtowanie mikroreliefu obrabianej powierzchni sworzni uzyskuje się, gdy przy kolejnym przejściu obróbki danego sworznia zastosowana zostanie zmiana kierunkowości mikrokieszeni smarnych na obrabianej powierzchni, co może być osiągnięte przykładowo przez zamianę miejscami końców obrabianego sworznia przy kolejnym przejściu obróbczym, tj. zamiana w układzie zabierak - kieł obrotowy lub łączną zamianę kierunku obrotów tarczy nagniatającej i obrabianego sworznia.The device enables high efficiency of hardening, which serves to significantly improve the fatigue properties of the pins, while creating a dense network of lubrication micro-pockets on the surface of the pins, which improves their lubrication conditions in operation. The increase in the hardness and stiffness of the contact surface layer is used to improve the resistance to abrasive wear and seizing of pins in difficult operating conditions of pins in internal combustion engines. As a result of treatment with the device according to the invention, a particularly high efficiency of burnishing takes place, because a large depth of beneficial compressive residual stresses is obtained, significantly improving the fatigue properties of the piston pins. As a result of the high density of elementary plastic imprints on the surface of the pins, a favorable arrangement of lubricating micro-pockets is created, creating a favorable micro-relief of the surface. This improves the lubrication efficiency of the piston pins in service. At the same time, the contact stiffness of the surface layer and the hardness of the surface of the pins increase, which strongly increases their resistance to abrasive wear. Together, this results in a significant improvement in the service life of the machined piston pins. The most favorable shaping of the micro-relief of the machined surface of the pins is obtained when, during the next machining pass of a given pin, a change in the directionality of the lubricating micropockets on the machined surface is applied, which can be achieved, for example, by swapping the ends of the machined pin at the next machining pass, i.e. changing the drive - claw system rotation or a combined reversal of the direction of rotation of the burnishing disc and the machined pin.

Urządzenie zostało przedstawione na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny przez hydrauliczną tarczę nagniatającą, fig. 2 przykładowe rozmieszczenie elementów nagniatających - bijaków, fig. 3 szczegół osadzenia bijaków w tarczy, fig. 4 to przekrój w płaszczyźnie wirowania tarczy a fig. 5 widok osłony tarczy nagniatającej z odbiorem i filtracją cieczy chłodząco-smarującej.The device is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a longitudinal section through the hydraulic burnishing disc, Fig. 2 shows an example of the arrangement of burnishing elements - beaters, Fig. 3 shows the detail of the beaters' seating in the disc, Fig. 4 is a cross-section in the plane of disc rotation, and Fig. 5 view of the burnishing disc cover with the collection and filtration of the cooling and lubricating liquid.

Wynalazek przedstawiony jest w przykładzie realizacji.The invention is illustrated by an example of implementation.

W zewnętrznej części wirującego wieńca 1 umieszczony jest szereg bijaków 2 w taki sposób, że każdy z nich ma możliwość swobodnego przemieszczania się wzdłuż oraz obrotu wokół swoich osi. Części robocze 3 bijaków 2 wystają poza zewnętrzny zarys wieńca 1 a całe bijaki opierają się o gniazda 4 korzystnie stożkowe. Od strony wewnętrznej ruch bijaków ograniczony jest pierścieniem 5, w którym wykonane są otwory - dysze 6. Do wnętrza komory urządzenia utworzonej przez tarczę 7 i pokrywę czołową 8 tłoczona pod ciśnieniem jest ciecz chłodząco-smarująca, korzystnie emulsja olejowo - wodna stosowana w procesach obróbki skrawaniem metali. Ciecz dostarczona jest przez drążony wał 9.In the outer part of the rotating rim 1, a series of hammers 2 are placed in such a way that each of them is able to move freely along and rotate around its axes. The working parts 3 of the beaters 2 protrude beyond the outer outline of the rim 1 and the entire beaters rest against the sockets 4, preferably conical. From the inside, the movement of the beaters is limited by a ring 5, in which holes - nozzles 6 are made. A cooling and lubricating liquid, preferably an oil-water emulsion used in machining processes, is pumped under pressure into the chamber of the device, formed by the disc 7 and the front cover 8 metals. The liquid is supplied by the hollow shaft 9.

Bijaki 2 wskutek działania siły odśrodkowej i ciśnienia cieczy 18 samoczynnie zajmują skrajne zewnętrzne położenie wyjściowe zamykając wypływ cieczy z wieńca 1. Po uderzeniu w umacnianą powierzchnię obrabianego sworznia 10 bijaki 2 kolejno odrzucane są siłą odrzutu w głąb wieńca 1. Pierścień 5 pełni funkcję odbojnika, zaś porcja cieczy 18 pod bijakami 2 pełni funkcję amortyzatora hydraulicznego. Wskutek chwilowego znacznego wzrostu ciśnienia pod bijakami 2 i siły odśrodkowej część cieczy 18 wypływa na zewnątrz chłodząc i smarując części robocze bijaków 2 oraz obrabianą powierzchnię. W procesie nagniatania wykorzystywany jest swoisty odwrócony efekt uderzenia hydraulicznego, dzięki czemu znacznie wzrasta intensywność nagniatania. Część cieczy przy zbyt wysokim impulsie ciśnieniowym ma możliwość cofania się do wnętrza urządzenia. Przez odpowiedni dobór średnicy otworów - dysz 6, luzu między bijakami 2 a otworami 17, w których są osadzone oraz grubości pierścienia 5, masy bijaków 2 i prędkości obrotowej można w dużym zakresie regulować wielkość siły nagniatania bijaków 2. Po wyjściu ze strefy uderzenia bijaków 2 w powierzchnię obrabianą wskutek siły odśrodkowej i ciśnienia cieczy przedostającej się przez otwory - dysze 6 do przestrzeni pod bijakami 2, bijaki 2 wracają do pozycji wyjściowej zamykając automatycznie wypływ cieczy z wieńca 1. Bijaki 2 swoimi częściami roboczymi 3 wystają poza zewnętrzny profil wieńca 1 oraz jednocześnie oparte są na poduszkach hydraulicznych cieczy chłodząco-smarującej dostarczonej do przestrzeni pod bijakami 2 poprzez otwory - dysze 6 wykonane w pierścieniu 5.As a result of the centrifugal force and the pressure of the liquid 18, the hammers 2 automatically occupy the extreme outer position, closing the outflow of liquid from the rim 1. After hitting the reinforced surface of the machined pin 10, the hammers 2 are successively thrown by the recoil force into the rim 1. The ring 5 serves as a stopper, while a portion of liquid 18 under the rams 2 acts as a hydraulic shock absorber. As a result of a temporary significant increase in pressure under the hammers 2 and the centrifugal force, part of the liquid 18 flows out, cooling and lubricating the working parts of the hammers 2 and the treated surface. In the burnishing process, a specific reverse effect of the water hammer is used, thanks to which the burnishing intensity increases significantly. Part of the liquid, if the pressure impulse is too high, has the possibility of going back inside the device. By appropriate selection of the diameter of the holes - nozzles 6, the clearance between the hammers 2 and the holes 17 in which they are embedded and the thickness of the ring 5, the weight of the hammers 2 and the rotational speed, the size of the burnishing force of the hammers 2 can be regulated to a large extent. into the machined surface as a result of the centrifugal force and the pressure of the liquid flowing through the holes - nozzles 6 to the space under the beaters 2, the beaters 2 return to the starting position, automatically closing the outflow of liquid from the rim 1. The rams 2 with their working parts 3 protrude beyond the external profile of the rim 1 and at the same time are based on hydraulic cushions of cooling and lubricating liquid supplied to the space under the flails 2 through holes - nozzles 6 made in the ring 5.

Wirująca część urządzenia zamknięta jest w stałej obudowie 11 z uchylną częścią 11a. Obudowa 11 ma na celu zebranie cieczy, która wypływa w trakcie obróbki. Ciecz chłodząco-smarująca 18 po odfiltrowaniu z produktów zużycia w filtrze 12 i po ewentualnym schłodzeniu wraca do układu zasilającego, tworząc obieg zamknięty.The rotating part of the device is enclosed in a fixed housing 11 with a hinged part 11a. The casing 11 is intended to collect the liquid that flows out during the treatment. The cooling and lubricating liquid 18, after being filtered out of the wear products in the filter 12 and, if necessary, cooled down, returns to the supply system, creating a closed circuit.

Korzystnym jest usytuowanie bijaków 2 pod kątem α = (2^20°) (fig. 3) w stosunku do promienia wieńca 1, co zmniejsza obciążenie poprzeczne bijaków 2 ułatwiając ich wzdłużne przemieszczanie się. Bijaki 2 mogą być dodatkowo usytuowane pod kątem β = (2^25°) (fig. 4) w stosunku do płaszczyzny wirowania wieńca 1, dzięki czemu po uderzeniu każdy z bijaków 2 obraca się o pewien kąt wokół swojej osi, co sprzyja równomiernemu zużywaniu się końcówek roboczych bijaków 2 oraz polepsza warunki chłodzenia i smarowania bijaków 2. Dodatkowo ułatwia to technologię wykonywania przez wiercenie i ewentualne rozwiercanie otworów w wieńcu 1 dla osadzenia bijaków 2. Bijaki 2 należy wykonać ze stali o dużej twardości lub korzystniej z węglików spiekanych.It is advantageous to place the beaters 2 at the angle α = (2^20°) (fig. 3) in relation to the radius of the rim 1, which reduces the lateral load on the beaters 2, facilitating their longitudinal movement. The hammers 2 can be additionally located at the angle β = (2^25°) (fig. 4) in relation to the plane of rotation of the rim 1, thanks to which after the impact each of the hammers 2 rotates by a certain angle around its axis, which promotes even wear the working ends of the hammers 2 and improves the conditions of cooling and lubrication of the hammers 2. Additionally, it facilitates the technology of drilling and possibly reaming the holes in the rim 1 for mounting the hammers 2. The hammers 2 should be made of high-hardness steel or, preferably, of sintered carbides.

Urządzenie może być mocowane bezpośrednio na wale silnika elektrycznego przez pierścienie rozporowe 16 lub inne połączenie przenoszące moment obrotowy. Mocowanie urządzenia na wale wyjściowym przekładni mechanicznej pozwala dodatkowo na regulację prędkości obrotowej urządzenia.The device can be mounted directly on the electric motor shaft through expansion rings 16 or other torque-transmitting connection. Mounting the device on the output shaft of the mechanical transmission also allows you to adjust the rotational speed of the device.

PL 242075 BIPL 242075 B.I

Do obróbki przy użyciu urządzenia według wynalazku wykorzystana może być typowa tokarka, która nadaje ruch obrotowy obrabianego sworznia współbieżnie lub przeciwbieżnie poprzez zabierak 13 z wysokocierną wykładziną 14. Drugi koniec sworznia podparty może być przez kieł obrotowy 15. Całe urządzenie mocowane może być do imaka tokarki, co umożliwia regulowany dosuw urządzenia do obrabianego sworznia i mechaniczny przesuw wzdłuż jego osi. Optymalne parametry nagniatania takie jak prędkość i kierunek wirowania urządzenia i obrabianego elementu, posuw wzdłużny, dosuw bijaków do obracanej powierzchni, ciśnienie i rodzaj cieczy chłodząco-smarującej, krotność przejść obróbczych dobierane są indywidualnie dla każdego przypadku obróbki w wyniku prób, z uwagi na występującą dużą różnorodność materiałów, rozmiarów i stosowanych uprzednich zabiegów technologicznych przy wytwarzaniu sworzni tłokowych silników spalinowych o bardzo zróżnicowanym przeznaczeniu i różnych warunkach ich użytkowania.For machining using the device according to the invention, a typical lathe can be used, which imparts rotational movement of the machined pin in parallel or counter-rotating through a driver 13 with a high-friction lining 14. The other end of the pin can be supported by a center point 15. The entire device can be attached to the lathe holder, which enables adjustable infeed of the device to the processed pin and mechanical movement along its axis. Optimum burnishing parameters, such as the speed and direction of rotation of the device and the workpiece, longitudinal feed, feed of the beaters to the surface being rotated, pressure and type of cooling and lubricating liquid, the number of machining passes are selected individually for each case of machining as a result of trials, due to the high variety of materials, sizes and previous technological treatments used in the production of piston pins of internal combustion engines for very different purposes and different conditions of use.

Urządzenie według wynalazku może być wykorzystane przy produkcji nowych sworzni jak też w procesie regeneracji sworzni po określonym czasie eksploatacji. Może być wykorzystane również do obróbki umacniającej innych elementów maszyn o analogicznej budowie. Urządzenie cechuje się bardzo dużą efektywnością umocnienia przy niewielkim zużyciu energii.The device according to the invention can be used in the production of new pins as well as in the process of regeneration of pins after a certain period of operation. It can also be used for reinforcing machining of other machine elements of a similar construction. The device is characterized by a very high efficiency of strengthening with low energy consumption.

Claims

Patent Disclaimer

1. A hydraulic device for dynamic burnishing of piston pins of internal combustion engines, having a cooling and lubricating system, characterized in that it has beaters (2) loosely embedded in a rotating rim (1) in holes (17) at which nozzles (6) with liquid are directed cooling and lubricating oil (18) located in the ring (5), the beaters (2) are located in the rim (1) at an angle a of 2=25° in relation to the radius of the rim (1) and at an angle β of 2 =20° to the plane of rotation of the rim (1).