RU2674543C1 - Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов - Google Patents

Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов Download PDF

Info

Publication number
RU2674543C1
RU2674543C1 RU2018106985A RU2018106985A RU2674543C1 RU 2674543 C1 RU2674543 C1 RU 2674543C1 RU 2018106985 A RU2018106985 A RU 2018106985A RU 2018106985 A RU2018106985 A RU 2018106985A RU 2674543 C1 RU2674543 C1 RU 2674543C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
pressure
internal combustion
pistons
combustion engines
Prior art date
Application number
RU2018106985A
Other languages
English (en)
Inventor
Максим Сергеевич Денисов
Владимир Фёдорович Коростелёв
Людмила Потаповна Хромова
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "СофтАвтоматик"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "СофтАвтоматик" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "СофтАвтоматик"
Priority to RU2018106985A priority Critical patent/RU2674543C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2674543C1 publication Critical patent/RU2674543C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21KMAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00Making machine elements
    • B21K1/18Making machine elements pistons or plungers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/02Pressure casting making use of mechanical pressure devices, e.g. cast-forging

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в машиностроении при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Расплав заэвтектического силумина АК-18 с температурой на 150-200 К выше температуры начала кристаллизации сплава заливают в форму, нагретую до температуры, которая на 150-200 К ниже температуры начала кристаллизации сплава. Залитый расплав в течение 3-5 с сжимают под давлением 200-250 МПа между движущимися навстречу друг другу охлаждаемыми изнутри плунжерами. При этом осуществляют опрессовку на 8-10%. В течение последующих 30-40 с давление поднимают до 350-400 МПа и доводят общую опрессовку до 12-13% в условиях однонаправленного вдоль оси заготовки теплоотвода до полного завершения процесса кристаллизации. Затем полученную мерную заготовку подвергают изотермической штамповке в штампе, а также термической и механической обработке. В результате обеспечивается получение однородной мелкозернистой структуры во всем объеме поршня. 3 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к машиностроению, к литейному производству, к литью под давлением, в частности к изготовлению исходных заготовок для последующей изотермической штамповки, термической и механической обработки поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Поршень является одной из самых нагруженных деталей двигателя. Подавляющее большинство поршней двигателей внутреннего сгорания изготавливают из алюминиевых сплавов. В зависимости от технических и экономических требований, предъявляемых к поршню, выбирается конструкция и, что не менее важно, способ его изготовления.
Известен способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [1], согласно которому формируют реозаготовку диаметром, равным 0,85-0,95 диаметра матрицы. Профиль торца реозаготовки соответствует профилю поршня и имеет осевое отверстие. Глубина отверстия меньше технологического припуска поршня. Формирование осуществляют путем температурной стабилизации в стакане со вставкой, закрывающей реозаготовку. После температурной стабилизации реозаготовку устанавливают в матрицу и производят реоштамповку поршня. Для установки реозаготовки в матрицу перекрывают торец стакана заслонкой, поворачивают посредством захвата стакан в осевой плоскости на 180°, центрируют по внутреннему диаметру матрицы и располагают заслонку на толкателе. Передвигают заслонку перпендикулярно оси стакана и размещают реозаготовку посредством вставки соосно толкателю. Затем путем опускания толкателя вставку с реозаготовкой располагают на дне матрицы, стакан с заслонкой удаляют из рабочей зоны.
Но недостаток в том, что промежуточная передача реозаготовки из стакана в узел подачи приводит к ее повреждению и отклонению от температурных параметров штамповки, что снижает механические и эксплуатационные качества готовых поршней.
Известен способ изготовления крупногабаритных поршней двигателей внутреннего сгорания [2], при котором литую заготовку для улучшения ее структуры протягивают свободной ковкой с коэффициентом вытяжки не менее 30% в размер, когда длина, по меньшей мере, в два раза превышает диаметр. Далее заготовку формируют в двойной усеченный конус с углом конусности не менее 10% и осаживают в формовочном штампе. После осадки обратным прессованием со степенью деформации не менее 40% формируют текстуру металла. В результате обеспечивается получение однородной мелкозернистой деформированной структуры металла с заданным направлением расположения волокон по всему объему полученного изделия.
Недостатком данного способа является наличие большого числа подготовительных операций, таких, как получение слитка, протяжка на молоте, осадка на конус, что ведет к повышению стоимости и снижению производительности технологического процесса.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ производства заготовок из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов [3], принятый за прототип, при котором алюминиевый расплав перегревают не менее чем на 150°С и отливают гранулы со скоростью охлаждения при кристаллизации от 500 до 10000 К/с с охлаждением в жидкой или газообразной среде. Минимальный размер фракции гранул - 0,4 мм, максимальный размер фракции гранул находится в пределах от 1,6 мм до 10 мм. Ступенчатую вакуумную дегазацию гранул осуществляют в герметичных технологических капсулах. Температура верхней ступени дегазации гранул не превышает 480°С, время выдержки на верхней ступени дегазации составляет не более 12 часов. Для эвакуации продуктов десорбции капсулу с гранулами после последней ступени дегазации выдерживают при температуре на 50-100°С ниже температуры верхней ступени дегазации, причем суммарное время выдержки составляет не менее 2 часов. Компактирование гранул проводят в капсулах в контейнере пресса, нагретом до температуры не менее 400°С, и обтачивают компактную заготовку.
Недостатком способа является длительный (25 часов) и трудоемкий цикл изготовления заготовки для последующей изотермической штамповки, термической и механической обработки поршня.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение процесса производства поршней двигателей внутреннего сгорания путем уменьшения заготовительных операций; повышение производительности процесса, а также снижение себестоимости конечной продукции при достижении требуемых физико-механических и дилатометрических свойств получаемых заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания.
Техническим результатом является производство поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов с однородной, мелкозернистой структурой металла во всем объеме, с высокими механическими и дилатометрическими свойствами, отвечающими постоянно возрастающим требованиям, предъявляемым к поршням турбированных двигателей внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в способе производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов, включающем изготовление мерной заготовки ("таблетки"), изотермическую штамповку мерной заготовки, термическую и механическую обработки поршня, с целью сокращения затрат и обеспечения заданных структуры и свойств, мерную заготовку - "таблетку" изготавливают следующим образом:
расплав заэвтект ического силумина АК-18 с температурой на 150…200°К выше температуры начала его кристаллизации, заливают в форму, нагретую до температуры на 150…200°К ниже температуры начала кристаллизации сплава,
сжимают его под давлением 200…250 МПа между движущимися навстречу друг другу охлаждаемыми изнутри проточной водой плунжерами, осуществляя опрессовку металла на 8…10% в течение 3-5 с., далее в течение последующих 30…40 с давление поднимают до 350…400 МПа, доводя общую опрессовку металла до 12…13% в условиях однонаправленного вдоль оси заготовки теплоотвода до полного завершения процесса кристаллизации.
Принципиальное отличие изобретения от известных аналогов и прототипа заключается в формировании структуры поршня с требуемыми свойствами, которые достигаются за счет опрессовки жидкого металла до начала кристаллизации на 8…10% под давлением 200…250 МПа, при этом атомы сближаются на расстояние, близкое к межатомному в кристаллической решетке, а при последующем продвижении твердой фазы со скоростью 0,8…1,2 мм/с выделяются не равновесные, а квазикристаллические фазы (в частности, нанодисперсный кремний), придающие поршню высокую прирабатываемость и износостойкость. Такая технология позволяет исключить целый ряд подготовительных операций, при этом качество получаемой заготовки остается на заданно высоком уровне.
В качестве параметра, характеризующего поведение жидкого металла, предлагается коэффициент относительной сжимаемости: отношение объема, запрессованного внутрь отливки металла, к первоначальному объему, т.е.
Figure 00000001
,
где ΔV - объем металла, запрессованного внутрь отливки в данный момент времени; Vo - объем полости формы, в которую залит металл.
Таким образом, коэффициент сжимаемости характеризует изменение объема металла при наложении давления. На графике видно (фиг. 3), что сжимаемость жидкого металла достигает 12,4%. В первые 8-10 с жидкий металл, не оказывая заметного сопротивления, сжимается на ~10%, а далее следует фаза медленного изменения объема в течение 20 с. Зависимость имеет характер, близкий к линейному. Соответственно, отмечены две фазы процесса:
1 - опрессовка жидкого металла;
2 - опрессовка кристаллизирующегося металла.
В первой фазе давление на жидкий металл невысокое, после точки перегиба оно нарастает до ~400МПа, и только при этом давлении возможна дальнейшая опрессовка. Время движения плунжеров составляет 33-45 с, пройденное расстояние 10 мм.
Обращает на себя внимание тот факт, что за первые 10 с (точка перегиба) коэффициент ε=10%, что значительно выше объемной усадки; за оставшееся время (за точкой перегиба) прирост составляет ε=2,3…2,4%.
Это объясняется следующим образом: за первые 10 с. происходит сравнительно легкое сближение атомов на расстояние, соизмеримое с амплитудой колебания атомов относительно исходного положения. Дальнейшее уменьшения объема металла связано с переходом атомов из жидкого состояния в твердое, сопровождаемое выделением скрытой теплоты кристаллизации, когда, преодолевая сопротивление атомов, можно запрессовать дополнительный объем на уплотнение металла, на формирование дополнительных межатомных связей. Накладываемое давление распространяется во все точки пространства заготовки поршня, обеспечивая эффективную подпитку кристаллизующегося металла по внутренним каналам между дендритами. В отливке заготовки поршня при этом гарантируется отсутствие литейных дефектов газоусадочного происхождения, а плотность металла, его структура и физико-механические свойства не уступают свойствам известных аналогов.
Изобретение поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг. 1 - Схема способа производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов;
Фиг. 2 - Схема конструкции устройства, для осуществления способа производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов;
Фиг. 3 - График изменения коэффициента сжимаемости по ходу протекания способа производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов, где р(τ) - величина накладываемого давления; ε(τ) - коэффициент сжимаемости; τ - время.
На схеме (фиг. 2) обозначены следующие позиции:
1 - упор; 2 - кольцо; 3 - демпфер; 4 - направляющая; 5 - захват; 6 - муфта; 7 - корпус; 8 - гайка; 9 - матрица; 10(л) - плунжер (левый); 10(п) - плунжер правый; 11 - втулка; 12 - основание; 13 - чаша заливочная; 14 - фиксатор; 15 - упор; 16 - клин; 17 - хомут; 18 - плита.
Процесс изготовления поршня протекает в следующей последовательности:
- заливка мерной порции металла;
- включение правого прессующего плунжера, движение до перекрытия заливочного отверстия в течение 0,2…0,3 с;
- включение левого прессующего плунжера;
- повышение давления, развиваемое прессующими плунжерами, до уровня 400 МПа;
- выдержка под давлением в течение времени 30-40 с, для завершения кристаллизации и охлаждение до 400°С.
- раскрытие формы при движении плиты влево с извлечением отливки из правой части полости формы;
- отвод прессующих плунжеров в исходное положение.
Далее литая заготовка проходит следующие технологические операции:
- изотермическая штамповка
- термическая обработка
- механическая обработка
Пример реализации способа (Фиг. 2):
Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов осуществляли на специализированном устройстве для литья с кристаллизацией под давлением, представляющим собой автоматизированный комплекс на базе гидравлического пресса, состоящего из двух соосных, встречно расположенных гидроцилиндров, рассчитанных на перемещение пресс-плунжеров для непосредственного наложения давления на кристаллизующийся металл.
Перед началом цикла правый прессующий плунжер (10(п)) установлен справа от вертикального отверстия заливочной чаши. На рабочие поверхности деталей, контактирующих с жидким металлом, после прогрева до температуры 250±10°С с помощью пульверизатора наносят слой графитсодержащей краски, после чего матрицу (9), разогретую до температуры tкр - 400°С, устанавливают в корпус 7. Движением плиты корпус (7) приводят в контакт с матрицей (9). Расплавленный металл заданного химического состава (АК18), перегретый выше температуры начала кристаллизации на 150…200 К, мерной дозой с погрешностью ±2% через заливочную чашу (13) заливают в полость втулки (11). Запускается циркуляция проточной воды в прессующих плунжерах (10(п) и 10(л)) При движении правого плунжера (10(п)) заливочное отверстие перекрывается, а в полость матрицы (9) запрессовывается объем металла, обеспечивающий подъем уровня металла до верхней точки, после чего, свое движение начинает левый плунжер (10(л)). Движение плунжеров навстречу другу обеспечивает компенсацию объемной усадки металла, путем наложения высокого давления на металл до начала кристаллизации. Залитый металл в течение 3…5 с сжимают под давлением 200…250 МПа между движущимися навстречу друг другу охлаждаемыми изнутри проточной водой с нарастающей скоростью, обеспечивающей постоянный градиент температурного поля на форме кристаллизации, плунжерами, осуществляя опрессовку металла на 8…10%. В течение последующих 30…40 с давление поднимают до 350…400 МПа, доводя общую опрессовку металла до 12…13% в условиях однонаправленного вдоль оси формы теплоотвода, и далее до полного завершения процесса кристаллизации.
Таким образом, способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов включает получение заготовки путем смыкания подвижной полуформы с неподвижной полуформой, заливку жидкого металла через заливочное отверстие, опрессовку жидкого металла водоохлаждаемыми плунжерами, движущимися навстречу друг другу. Далее следует изотермическая штамповка полученной заготовки, термическая и механическая обработка. В результате обеспечивается стойкость к тепловым и ударным нагрузкам, увеличивается твердость, повышается производительность.
Заявляемое изобретение позволяет повысить производительность изготовления поршней ДВС за счет уменьшения подготовительных операций, повышается качество поршней ДВС за счет формирования плотной, равномерной, мелкозернистой структуры во всем объеме заготовки. В результате заявляемого способа улучшаются условия труда, повышается безопасность работы. Кроме того, повышается производительность за счет непрерывности, механизации и автоматизации процессов сборки формы, опрессовки металла, извлечения отливки.
Реализация заявленного способа решает все поставленные авторами задачи.
Источники информации:
1. RU, 2411103, B21K 1/18, публ. 10.02.2011;
2. RU, 2239511, B21K 1/18, публ. 10.11.2004;
3. RU, 2467830, B22F 3/14, публ. 27.11.2012 - прототип

Claims (1)

  1. Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов, включающий получение мерной заготовки, ее изотермическую штамповку в штампе, содержащем пуансон, соответствующий задней полости поршня, термическую и механическую обработку, отличающийся тем, что мерную заготовку получают путем заливки расплава заэвтектического силумина АК-18 с температурой, которая на 150-200 К выше температуры начала его кристаллизации, в форму, нагретую до температуры на 150-200 К ниже температуры начала кристаллизации сплава, сжимают его под давлением 200-250 МПа между движущимися навстречу друг другу охлаждаемыми изнутри проточной водой плунжерами с обеспечением опрессовки на 8-10% в течение 3-5 с, затем в течение последующих 30-40 с давление поднимают до 350-400 МПа, при этом доводят общую опрессовку заготовки до 12-13% в условиях однонаправленного вдоль ее оси теплоотвода до полного завершения процесса кристаллизации.
RU2018106985A 2018-02-22 2018-02-22 Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов RU2674543C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106985A RU2674543C1 (ru) 2018-02-22 2018-02-22 Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106985A RU2674543C1 (ru) 2018-02-22 2018-02-22 Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2674543C1 true RU2674543C1 (ru) 2018-12-11

Family

ID=64753312

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018106985A RU2674543C1 (ru) 2018-02-22 2018-02-22 Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2674543C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2828524C1 (ru) * 2024-01-30 2024-10-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Способ производства поршней для двигателей внутреннего сгорания с нирезистовым кольцом

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2026769C1 (ru) * 1992-01-29 1995-01-20 Вершинин Петр Иванович Способ литья поршней для двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
US6205836B1 (en) * 1998-07-09 2001-03-27 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Method for manufacturing piston by forging and forging die
RU2176943C2 (ru) * 1999-03-12 2001-12-20 Институт проблем сверхпластичности металлов РАН Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания
RU2411103C1 (ru) * 2009-06-29 2011-02-10 Открытое акционерное общество Акционерная холдинговая компания "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова" (ОАО АХК "ВНИИМЕТМАШ") Способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
RU2467830C1 (ru) * 2011-09-05 2012-11-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Способ производства заготовок из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2026769C1 (ru) * 1992-01-29 1995-01-20 Вершинин Петр Иванович Способ литья поршней для двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
US6205836B1 (en) * 1998-07-09 2001-03-27 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Method for manufacturing piston by forging and forging die
RU2176943C2 (ru) * 1999-03-12 2001-12-20 Институт проблем сверхпластичности металлов РАН Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания
RU2411103C1 (ru) * 2009-06-29 2011-02-10 Открытое акционерное общество Акционерная холдинговая компания "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова" (ОАО АХК "ВНИИМЕТМАШ") Способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
RU2467830C1 (ru) * 2011-09-05 2012-11-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Способ производства заготовок из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2828524C1 (ru) * 2024-01-30 2024-10-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Способ производства поршней для двигателей внутреннего сгорания с нирезистовым кольцом

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103990775B (zh) 金属挤压铸锻成形方法及其制品
JP6284048B2 (ja) 半凝固溶湯鋳鍛造法
CN101934336B (zh) 轻合金半固态流变精密铸锻成形的方法和装置
US20030141033A1 (en) Semi-solid molding method
US4466266A (en) Forging apparatus
JP5936648B2 (ja) 半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形装置
CN102284664A (zh) 变型腔轴对称件半固态成形模具及成形方法
RU2674543C1 (ru) Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов
JP6416038B2 (ja) 半凝固金属材料のプレス成形方法及びプレス成形装置
CN110315018B (zh) 高效率消除坯料内部孔洞型缺陷的超高温软芯锻造方法
TW527239B (en) Mg alloy precision pressure-forming method and its forming apparatus, and Mg alloy formed product produced by this method
US6901991B2 (en) Semi-solid molding apparatus and method
CN109420750A (zh) 一种汽车铝合金前副车架金属型低压铸造模具
RU2563398C2 (ru) Устройство для изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания.
HU176261B (en) Method and apparatus for pressing metals being in liquid or semi-liquid condition
Iwata et al. Change in molten metal pressure and its effect on defects of aluminum alloy die castings
CN115041636B (zh) 镁合金轮毂的挤压铸造成型模具
CN107350452B (zh) 适用于非均匀壁厚复杂铸件的多点定向挤压铸造方法
RU2779724C1 (ru) Способ производства заготовок поршней ДВС из высокопрочных алюминиевых сплавов с нирезистовой вставкой для последующей изотермической штамповки
CN109136703A (zh) 一种zk60镁合金及其制备方法
RU2773555C2 (ru) Способ производства поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов с нирезистовой вставкой
CN109622835A (zh) 一种轴套类零件的铸锻复合形成装置
RU2692150C1 (ru) Способ изготовления поршневой заготовки из заэвтектического силумина
RU2443496C1 (ru) Способ получения изделий с полостями тиксоштамповкой и закрытый штамп для его осуществления
CN115415504A (zh) 一种高强韧铝合金的铸造设备及工艺方法