Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

Факультет Механико-технологический

Кафедра Автоматизация технологических процессов

Выпускная квалификационная работа

на соискание академической степени бакалавра

по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

Тема: «Разработка и исследование автоматизированного устройства для лазерного термоупрочнения гильз цилиндров на базе двигателей с полым ротором»

Владимир 2015

Аннотация

Исходя из поставленной задачи, в выпускной квалифмкационной работе был проведен анализ конструкции и дефектов гильз цилиндров, выявлены методы по решению проблемы обработки внутренней поверхности гидьз.

В работе был рассмотрен роботизированный комплекс для лазерного термоупрочнения на базе волоконного лазера ЛС-3-К и шести осевого промышленного робота. Разработано устройство - манипулятор позволяющий проводить лазерное термоупрочнение сухих гильз цилиндров. Конструкция разработанного манипулятора подтверждена корректно проведенными конструкторскими расчетами.

Проведен патентно-информационный поиск.

В процессе работы проводились теоретические исследования методом анализа литературы и нормативных источников.

Zusаммеnfаssung

аuf dеn lетzтеn QuаlifiКатiоns Sтudеnт Каzаnтsеv Dеnis I.

zuм Тнема "Fоrsснung und ЕnтwiсКlung vоn аuтоматisiеrтеn Sysтемеn fьr diе Lаsеr тнеrмisснеn Ндrтung vоn Zylindеrlаufвuснsеn ваsiеrеnd аuf Мотоrеn мiт еinеr нонlеn Rотоr."

Веzоgеn аuf diе Аufgаве, iм Авgаs КvаlifмКатsiоnnоy Аrвеiт unтеrsuснтеn wir diе SтruКтur und Мдngеl vоn Zylindеrlаufвuснsеn, idеnтifiziеrтеn Метноdеn, uм dаs Рrовlем dеr Vеrаrвеiтung dеr innеrеn Овеrflдсне gidz аdrеssiеrеn.

Diе Аrвеiт wurdе аls еin Rовот-Sysтем fьr diе Lаsеr тнеrмо-ваsiеrтеn Fаsеrlаsеr LS-3-К und sеснs Аснsеn-Indusтriеrовотеr. Diе Indusтriееinriснтung - siе еrмцgliснеn diе Durснfьнrung Lаsеr тнеrмоsтrеngтнеning тrосКеnе Zylindеrlаufвuснsеn. Diе durсн dеn Маniрulатоr еnтwiсКеlт Dеsign веsтдтigт diе RiснтigКеiт dеr Dеsign-Веrеснnungеn.

Еin Ратеnтinfоrматiоnsgеwinnung.

In dем Vеrfанrеn dеr тнеоrетisснеn Fоrsснung durсн diе Аnаlysе dеr Liтеrатur und rеgulатоrisснеn Quеllеn.

Содержание

Введение

1. Постановка задачи исследования

2. Исследовательская часть

2.1 Исследование конструкции, дефектов и ремонт гильз цилиндров

2.1.1 Классификация гильз двигателей внутреннего сгорания

2.1.2 Конструкция гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания

2.1.3 Условия работы и основные дефекты гильз

2.1.4 Ремонт гильз двигателей внутреннего сгорания

2.2 Патентно-информационный поиск и анализ

2.2.1 Предлагаемый способ решения поставленной задачи

3. Технологическая часть

3.1 Методы упрочнения рабочих поверхностей гильз

3.2 Лазерная обработка

3.3 Параметры системы для реализации технологического процесса

3.3.1 Устройство и работа оборудования комплекса. Назначение

3.3.2 Структура системы управления роботизированного комплекса

3.3.3 Описание средств интерфейса управления

4. Расчетно-конструкторская часть

4.1 Расчёт поворотного привода

4.2 Структура системы управления лазерным комплексом и ее разработка

4.3 Разработка и описание кинематической функциональной схемы

4.4 Разработка циклограммы работы РЛТК

Заключение

Список используемых материалов и литературы

Библиографический список

Введение

О надежности и долговечности машины судят обычно по стабильности рабочих характеристик, заложенных в ней при изготовлении. Неисправности могут возникнуть в результате естественного износа деталей, сопряжений, не устранимого простой регулировкой.

Среди агрегатов тракторов и автомобилей наиболее быстро изнашиваемый и наименее надежный и долговечный агрегат -- двигатель. В двигателях наиболее быстро изнашиваются поршневые кольца, поршни, цилиндры, клапаны, коленчатый вал, шатунные и коренные подшипники коленчатого вала. Гильзы цилиндров должны быть прочными, жесткими, износостойкими.

Применение традиционных методов обработки поверхности не дает возможного результата по увеличению ресурса работы деталей. Ускорение научно-технического прогресса в машиностроении требует скорейшего внедрения новых методов упрочнения рабочих поверхностей инструмента, технологической оснастки, деталей и механизмов, работающих с большими нагрузками. Разработка принципиально новых технологий в народном хозяйстве прведет к полной автоматизации при увеличении производительности и максимального эффекта, как экономического, так и технического. Научно-исследовательские и учебные институты проводят различные исследования в области совершенствования организации ремонта и восстановления деталей.

По мере развития автоматизированных производств начинают осваивать применение метода лазерного термоупрочнения поверхностей деталей, используя концентрированные потоки энергии в виде лазерного излучения. Такая технология применяется как для упрочнения поверхностей деталей, так и для восстановления их изношенных поверхностей.

На современном этапе развития автоматизации машиностроения актуальны инженерно- технические разработки, направленные на повышение эффективности производственных процессов, обеспечение сбалансированного взаимодействия человека и природы.[1]

В основу приоритетов государственной политики заложен принцип развития промышленности и повышение ее конкурентоспособности и одобрено Правительством РФ в январе 2014 г. «…недопущение научного и технологического отставания России от признаваемого мирового уровня предполагает создание структурно сбалансированной промышленности, способной к эффективному саморазвитию…на основе разработки и применения передовых промышленных технологий».[16]

Основным подходом к разработке систем автоматизации является создание и эффективность использования автоматических линий, участков и цехов.

Автоматизированные производства получили применение при массовом и крупносерийном изготовлении изделий, так как их конструкция является устойчивой и в течение длительного времени не претерпевает существенных изменений. Они также начинают применяться в серийном производстве, при котором реализуется гибкая технология и используется перестраиваемое и переналаживаемое оборудование.

Наличие в комплексе поворотного стола облегчает работу обслуживающего персонала. Теперь она заключается лишь в установке заготовки на стол.

Следуя вышесказанному, технология обработки материалов сфокусированным излучением лазера, применяя автоматизацию в оптимальных режимах позволит решить модернизацию технологической базы машиностроительной, станкоинструментальной промышленности.

Применяя такую технологию, произойдет увеличение производственных мощностей за счёт повышения производственной эффективности, обеспечение роста производительности труда, а также повышения качества обработки материалов.

Лазерная технология, несомненно, относится к новым технологиям. Общая цель - выпуск на рынок товаров лучшего качества, с более низкой себестоимостью и в более разнообразном ассортименте готовой продукции в сочетании с разветвленной сетью заказчика и поставщиков сырья.

Существенный рост объема промышленного производства, по данным Росстата, был в январе 2015 г. и вырос на 0,9% по сравнению с 2014 г. Более чем 36% спроса на промышленное применение роботов приходится на автомобильную промышленность. Рост внедрения промышленных роботов в мировую экономику ежегодно прирастает на 5%, а в России к 2016 г. он может вырасти на 60%.

Таким образом, делаем вывод, что лазерным технологиям нет альтернативы в индустриально развитом обществе, так как они экологически чисты, возможны осуществления процессов, недоступных или труднодоступных большинству других технологий, возможна полная автоматизация и высокая фондоотдача от их применения.

гильза роботизированный лазерный тepмoупpoчнeние

1. Постановка задачи исследования

В настоящее время лазерная технология является одним из приоритетных направлений работы для исследователей всего мира.

Сейчас никого не удивишь наличием лазерных установок и комплексов в самых различных отраслях, на предприятиях как крупных так и на малоизвестных.

Отечественная лазерная наука и индустрия создали широкий спектр лазерной техники различного назначения, с различными длинами волн излучения, различных уровней мощности. Лазерное оборудование достаточно дорогое, но при правильном выборе области внедрения, грамотной организации работы и благодаря уникальным технологическим возможностям лазерного луча, это оборудование вполне окупается.

Лазерная технология применяется в тех случаях, когда невозможно применение других технологий (например, при обработке хрупких и очень твердых материалов) или когда лазерная обработка позволяет получить результаты, не достижимые при других видах обработки (например, при нанесении синтетического алмазного покрытия на поверхность детали без использования вакуумного оборудования). Рациональнее использовать лазерное оборудование с ЧПУ в мелкосерийном производстве, так как более дорогое и производительное оборудование не окупается.[18]

Лазер открывает возможность развития технологических процессов обработки в ряде областей производства, во многом благодаря тому, что лазерное излучение обеспечивает громадную концентрацию энергии на относительно малых участках обработки. Именно этим обусловлено повышенный интерес к лазерной технике на тех предприятиях, где в больших объемах используются сварка материалов, их резка, маркировка, гравировка, термоупрочнение и т.д.

Таким образом, использование лазерных технологий является актуальной задачей, что позволит повысить производительность и качество обработки.

С внедрением автоматизированного технологического комплекса снижаются многие виды затрат, например, освобождаются около половины производственных площадей, что ведет к удешевлению использования единицы площади и сокращению количества работников.

Одной из актуальных проблем в машиностроении является качество и регламентированная стойкость готовых изделий. Поэтому, научно-технический прогресс постоянно ищет новые технологические приемы упрочнения с целью существенного улучшения основных технологических свойств конструкционных и инструментальных материалов.

К таким технологическим приёмам относится упрочнение поверхностного слоя детали за счёт изменения его химического состояния или структуры, и инновационный и эффективный метод лазерного термоупрочнения поверхностного слоя материала. Этот метод создает широкие реальные технические и технологические возможности эффективного повышения износостойкости и срока службы деталей.

По мере ужесточения конкурентной борьбы на внутреннем и внешнем рынках важным фактором в повышении конкурентоспособности организации становится внедрение механизмов, обеспечивающих формообразующие траектории движения обрабатываемой детали, их базирование, фиксацию, загрузку, разгрузку и организацию в реальном времени и пространстве процесса металлообработки. Время вспомогательных движений достигает 30% оперативного времени, а это приводит к повышению производительности автоматизированного технологического оборудования. Отсюда, повышение эффективности металлообработки связано с совершенствованием действующих и созданием новых целевых механизмов повышенного быстродействия и точности, обеспечивающих требуемые производительность и качество обработки с меньшими затратами времени и средств.

Из выше сказанного следует, что целью исследования является повышение производительности процесса автоматизированного лазерного термоупрочнения, сокращение вспомогательного времени, связанного с организацией непрерывного процесса металлообработки деталей сложной формы или с труднодоступными зонами.

Задачи исследований:

1. Провести патентно-информационный поиск и анализ

2. Проанализировать исследования процесса лазерного термоупрочнения поверхностей гильз двигателей внутреннего сгорания.

3. Изучить состав и принцип работы роботизированного комплекса.

4. Разработать манипулятор на базе синхронного двигателя с полым ротором для увеличения производительности.

В данном проекте представлен роботизированный комплекс, включающий волоконный лазер, промышленный шестиосевой робот Fаnuс 710iС/50, головку для лазерного термоупрочнения, системы управления Fаnuс и пульта управления FАNUС, чиллера компрессора, усилителя давления, видеокамеры, а также манипулятор на базе синхронного двигателя с полым ротором.

2. Исследовательская часть

2.1 Исследование конструкции, дефектов и ремонта гильз цилиндров

2.1.1 Классификация гильз двигателей внутреннего сгорания

Создание максимально легкого и мощного двигателя - первоочередная задача для инженеров всех автомобильных компаний, которою они с тем или иным успехом пытаются решить уже более ста лет.

Гильза цилиндров -- это важная часть блока цилиндров, она представляет собой металлическую вставку, устанавливаемая в блоке поршневых тепловых двигателей с водяным охлаждением. Гильзой она названа неспроста, ведь в переводе с немецкого «гильза» обозначает -- оболочка, каковой она и является, т.к. в гильзе расположен поршень. Кстати сказать, объем этой гильзы цилиндра считается рабочим объемом двигателя (рис.2.1.).

Рис.2.1. Чугунный блок со съемными гильзами

Гильза позволяет сделать мощный двигатель легким, не снижая его мощности.

К гильзам цилиндров предъявляются следующие требования: достаточная прочность стенок при действии на них сил газов, хорошая износостойкость зеркала цилиндра при длительной работе двигателя, высокие антифрикционные и антикоррозионные свойства. Гильзы цилиндров могут являться как самостоятельной конструкционной единицей двигателя («мокрые» и гильзы двигателей воздушного охлаждения), так и являться элементом ремонтной технологии, предусмотренной заводом изготовителем (например: «сухие» гильзы для двигателей, где цилиндры выполнены заодно с блок-картером). В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получили чугунные гильзы. [3]

В зависимости от конструкции двигателя гильзы делятся на три основные группы:

1. «Мокрые» гильзы цилиндров.

2. «Сухие» гильзы цилиндров.

3. Гильзы для двигателей с воздушным охлаждением.

«Мокрые» гильзы

«Мокрыми» называются гильзы, наружная поверхность которых омывается охлаждающей жидкостью, циркулирующей в системе каналов, пронизывающих толщу блока цилиндров.

Эта система называемой «водяной рубашкой» и служит для равномерного отвода тепла от блока цилиндров. В районе установки гильз охлаждающая жидкость "выходит на поверхность", чтобы напрямую омывать стенки гильзы. Поэтому такой тип гильз и называется мокрым. Блок цилиндров с «мокрыми» гильзами обеспечивает лучший отвод тепла, поэтому «мокрые» гильзы получили очень широкое распространение (рис. 2.2.). Для предотвращения прорыва газов в охлаждающую жидкость и просачивания её в цилиндр и картер двигателя гильзы комплектуются уплотнительными прокладками между буртом гильзы и плоскостью блока.

Рис. 2.2. Общий вид мокрой гильзы «Сухие» гильзы

«Сухие» гильзы запрессованы в тело цилиндра и не имеют прямого контакта с охлаждающей жидкостью. Гильзы могут фиксироваться при установке верхним буртом, нижним буртом или вообще могут устанавливаться без упора (рис. 2.3). Конструкцией некоторых двигателей предусмотрена заливка при изготовлении в блок-картер гильз изготовленных из износостойкого материала, создавая тем самым оптимальные условия для работы цилиндропоршневой группы. Например, некоторые производители предпочитают делать алюминиевые блоки с не сменными гильзами методом литья. В этом случае гильзы укрепляются в форме для отливки, которая позже заполняется расплавленным алюминием. Созданные таким образом блоки цилиндров по жесткости от обычных чугунных не отличаются. Такой алюминиевый блок цилиндров применяется для уменьшения веса силового агрегата и залитые в него «сухие» гильзы позволяют увеличить ресурс и повысить ремонтопригодность).

Рис.2.3. Сухие гильзы блока цилиндров.

«Сухие» гильзы хуже отводят тепло, но их пррименение позволяет придать блоку цилиндров монолитную жёсткость.[3]

Гильзы цилиндров для двигателей с воздушным охлаждением.

Для двигателей воздушного охлаждения гильзы цилиндров выполнены с ребрами охлаждения.

Необходимость создания охлаждающих воздушных потоков не позволяют применять блок-картерный тип отливки. В этих двигателях применяют отдельно отлитые цилиндры с воздушными ребрами, расположенными чаще всего перпендикулярно оси цилиндра. Эти гильзы цилиндра крепятся к верхней части картера короткими шпильками через опорный фланец (несущие цилиндры) или при помощи анкерных (несущих) шпилек, проходящих сквозь всю головку цилиндров. Головка устанавливается на эти шпильки и затягивается в обычном порядке, прижимая тем самым цилиндры к картеру и обеспечивая герметизацию (рис. 2.4). Двигатели с воздушным охлаждением стали «донором», давшим миру автомобильные гильзованные двигатели.

Рис. 2.4. Вид гильз с охлаждением

Гильзы цилиндров двигателей воздушного охлаждения изготавливают как из одного (монометаллические), так и из двух (биметаллические) металлов. Монометаллические цилиндры делают из чугуна, реже из стали или легких сплавов. Из биметаллических цилиндров получили распространение чугунные или стальные цилиндры с залитыми (или навитыми) алюминиевыми ребрами.[6]

Гильзы цилиндров изготавливаются из серого чугуна, например СЧ 30, СЧ 35, который является хорошим антифрикционным материалом, с добавочными элементами: никель, медь, титан в небольшом процентном соотношении для улучшения качества поверхности металла. Это существенно обеспечивает снижение интенсивности изнашивания.[15]

2.1.2 Конструкция гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания

Блок цилиндров или блок-картер является основой двигателя. На нем и внутри него расположены основные механизмы и детали систем двигателя. У большинства современных двигателей жидкостного охлаждения цилиндр, где перемещается поршень, выполняется в виде мокрой, либо в виде сухой гильзы. Конструкция гильз должна обеспечивать надежность уплотнений в местах стыков гильз с головкой и блоком цилиндров. Гильза занимает среди теплонапряженных деталей двигателя особое место, как по выполняемым функциям, так и по предъявляемым к ней требованиям.

Гильзы цилиндров представляют собой тонкостенные пустотелые цилиндры с тщательно отполированной рабочей поверхностью.

Сухие гильзы толщиной 2-4 мм запрессовывают или устанавливают с зазором 0,01-0,04 мм. Сухие запрессованные гильзы, устанавливаются по всей длине цилиндра или только в верхней его части, могут не иметь опорных кольцевых буртиков. Иногда сухие гильзы вставляют по всей длине цилиндра свободно, с небольшим зазором. Для повышения герметичности газового стыка на фланце втулки выполняют кольцевой буртик шириной 2-5 мм. При работе двигателя вследствие неодинаковости температур гильзы и стенок блока цилиндров зазор исчезает.

Мокрую гильзу в гнездо блок-картера устанавливают так, чтобы можно было предотвратить утечку жидкости из водяной рубашки в гильзу и поддон картера, а также для обеспечения возможности изменения длины при нагревании и охлаждении.

Мокрая гильза в верхней части имеет обработанный буртик, которым она входит в кольцевую выточку блока. На наружной цилиндрической поверхности гильзы расположены верхний и нижний посадочные пояса, которыми она плотно входит в центрирующие отверстия блок-картера, при этом диаметр нижнего пояса несколько меньше диаметра верхнего. Опорные плоскости гильзы могут быть расположены в верхней, части блока в кольцевом приливе, находящемся от торцовой плоскости на расстоянии 1/3--1/2 диаметра цилиндра, их жесткость при затяжке шпилек должна обеспечивать меньшее нарушение геометрической формы гильзы, а также в приливе, расположенном в нижней части блока. При более низком расположении опорной плоскости гильзы по отношению к головке цилиндров улучшаются условия охлаждения верхней части гильзы и понижается температура поршневых колец.

Толщина стенок мокрых гильз составляет 6--8 мм. Для уменьшения износа гильзы в ее верхнюю часть запрессовывают короткую вставку из специального антикоррозионного чугуна. (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Устройство «мокрой» гильзы цилиндров: 1 - рабочая поверхность гильзы; 2 и 3 - верхний и нижний шлифованные пояски; 4 - канавки для резиновых уплотняющих колец; 5 - кольцевой поясок верхнего торца гильзы.

В зависимости от способа установки в блоке цилиндров можно выделить гильзы, опирающиеся буртом на верхнюю плиту блока, и подвесные, когда гильза, соединенная с крышкой цилиндра относительно тонкими шпильками, образует с последней узел, закрепляемый в корпусе основными силовыми шпильками.

Первый вид гильз применяется в двигателях всех типов. В автомобильных и тракторных дизелях применяют мокрые гильзы, отливаемые из чугуна, с верхним опорным фланцем (рис. 2.5,а). Опорная площадь фланца, ограниченная диаметрами D₁ и D₂,составляет 8-15% площади поршня. При этом давление от сил затяжки шпилек, крепящих головку цилиндра к блоку, на кольцевой поверхности (D_т - D₂) не должно превышать 380-420 МПа для чугунных и 140-180 МПа для алюминиевых блоков.

а) б) в)

Рис. 2.6. Способы опирания гильзы цилиндра в блоке: а - верхним опорным поясом; б, в- нижним опорным поясом

С увеличением разности D₂ - D₁ повышается напряжение изгиба в верхнем поясе. Высота н фланца составляет 7-10% диаметра цилиндра D.[4]

Рабочую поверхность гильзы цилиндра, по которой перемещается поршень с кольцами, называют зеркалом цилиндра. Точная обработка рабочей поверхности должна обеспечивать легкость движения поршня и плотное прилегание его к цилиндру.

Рабочая поверхность имеет шероховатость Rа = 0,32 мкм, овальность и конусность должна быть не не менее 0,02 миллиметров. На рабочую поверхность цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению потерь на трение юбки поршня и уплотнительных колец.

Эту поверхность подвергают закалке с нагревом токами высокой частоты для повышения износостойкости и долговечности и тщательно обрабатывают для уменьшения трения при движении в цилиндре поршня с кольцами. Интенсивность кавитации, приводит к разрушению цилиндров и снижают при помощи ряда мероприятий: уменьшают зазоры между поршнем и втулкой; используют замкнутую систему охлаждения; увеличивают проходные сечения охлаждающей полости, повышают жесткость гильзы и закрепляют ее более прочно.

Распространенная продольно-диагональная схема (рис. 2.6, а) обтекания имеет ряд недостатков, выражающихся в снижении интенсивности теплоотдачи в верхней наиболее нагретой части гильзы, большой неравномерности температурного поля гильзы и опасности возникновения объемного кипения в застойных зонах.

На рис. 2.6, б представлена исследованная в НАТИ схема с верхним подводом охлаждающей жидкости и поперечным обтеканием.

а) б)

Рис. 2.7. Схемы охлаждения гильз блока цилиндров: а - продольно-диагональная; б - с поперечным обтеканием

Основное отличие этой схемы заключается в наличии кольцевой щели с радиальной шириной (0,03-0,04)D, которая является верхней частью полости охлаждения. Данная схема обеспечивает допустимый уровень температур во втулке (150-160 °С), а также более равномерное распределение температур по длине и периметру гильзы.

Блок картер с сухими гильзами имеет повышенную жесткость по сравнению с блоком, с установленными «мокрыми» гильзами.

Таким образом, конструктивный выбор гильзы цилиндров зависит от способа установки в блок-картере. На данный момент производители гильз выпускают так называемые, заготовки гильз, то есть гильзы имеющие запас по длине и внешнему диаметру и после обработки запрессовываются с натягом в блок цилиндров. В этих гильзах внутренняя поверхность не обрабатывается. Они растачиваются только после установки гильзы в блок цилиндров.

2.1.3 Условия работы и основные дефекты гильз

Рабочая поверхность цилиндра работает в условиях переменных давлений и температур, а также подвергается воздействию агрессивной среды отработавших газов.

Самой уязвимой частью цилиндро-поршневой группы является уплотнение между поршнем и цилиндром. Даже небольшая часть (меньше 1%) высокотемпературных рабочих газов, прорвавшихся в поршневую канавку, способствует дожиганию копоти и сажи, которые снимаются со стенки цилиндра верхним поршневым кольцом. В результате образуется нагар. Происходит постепенное заполнения термодинамических зазоров и компрессионного кольца, которое теряет свою подвижность относительно поршня и цилиндра, пригорает к поршню, становится жестким, в результате чего на стенки цилиндра появляются задиры, которые приводят к заклиниванию поршня и поломке двигателя.[6] Основной причиной, вызывающей необходимость ремонта, является изнашивание поверхностей в процессе трения - скольжения и разными режимами смазки.

Основными дефектами гильз цилиндров являются: износ внутренней поверхности, продольные трещины, скол буртиков, кавитация, неравномерный износ, выработка хонинговальной структуры, трещины из-за гидравлического удара. Основными причинами появления данных дефектов является воздействие абразивных частиц, газовая коррозия, трение поршневых колец. Рассмотрим каждый дефект подробнее:

Продольные трещины гильз.

Трещины гильз такого рода часто вызваны ударными нагрузками. Такой дефект вызывает бурление охлаждающей жидкости или снижение ее уровня (рис.2.8).

Возможные причины повреждения:

* гидравлические удары, [4]

* посторонние тела под контактными или уплотнительными поверхностями,

* дефектные опоры буртиков

Рис. 2.8. Продольные трещины гильз

Скол буртика гильзы цилиндра.

У гильзы блока цилиндров оторван полностью верхний буртик (рис. 2.9). Такие повреждения вызваны изгибающими моментами, появляющимися при некачественной сборке.

В большинстве случаев буртик гильзы откалывается уже при затяжке головки блока цилиндров.

Возможные причины повреждения:

* Использовались «не заводские» прокладки (уплотнения других изготовителей имеют отчасти другую форму и другой диаметр).

* Не соблюдались предписанные изготовителем двигателя моменты затяжки.

* Не были обеспечены допуски геометрической формы опоры буртика.

Рис. 2.9. Скол буртика гильзы цилиндра

Кавитации на гильзах цилиндра.

Кавитация появляется в основном в плоскости качания поршня (на нагруженной или на ненагруженной стороне) и вызвана вибрациями стенки цилиндра. Высокочастотные вибрации возникают в момент детонационного горения и качением поршня в нижней и верхней мертвой точке. Со временем вследствие этого образовываются каверны (рис. 2.10). Для предотвращения кавитационного разрушения в гильзах двигателей протачивают специальную канавку, в которую вставляют антикавитационное кольцо прямоугольного сечения 3 (рис. 2.10.1).

Возможные причины повреждения:

* Не был соблюден зазор между поршнем и гильзой (повторная установка уже работавших поршней, изношенные гильзы).



Рис. 2.10. Кавитации на гильзах цилиндра

Рис. 2.10.1. Схема цилиндра с антикавитационным кольцом

* Некачественная или неточная посадка гильзы.

* Отсутствуют присадки в масле для защиты от замерзания и защитой от коррозии.

* Недостаточное или избыточное давление в системе охлаждения.

* Слишком низкая рабочая температура двигателя.[8]

Неравномерный износ гильзы.

Неравномерный зеркальный внешний вид поверхности скольжения на рабочих поверхностях гильзы всегда является признаком перекоса цилиндра (рис. 2.11).



Рис. 2.11. Неравномерный износ гильзы

Слишком мокрые или сухие гильзы цилиндров могут иметь перекос уже непосредственно после сборки. Поршневые кольца не совсем герметизируют перекос цилиндра ни относитееьно масла, ни относительно газов сжигания. Масло проходит мимо поршневых колец, попадает в камеру сгорания и сжигается. В результате газов сжигания повышается давление в блок-картере. Это избыточное давление приводит к потере масла в различных местах стыка двигателя, всасывается двигателем и сжигается или выбрасывается.

Возможные причины появления:

* Неравномерная или неправильная затяжка болтов головки блока цилиндров.

* Срыв резьбы болтов головки блока цилиндров.

* Неподходящие или неправильные прокладки головки блока цилиндров.

* Дефектная опора буртика в картере, неправильный выступ буртика.

Блестящие места в верхней зоне гильзы.

На рабочей поверхности гильзы в верхней части имеются места с глянцевым блеском, а сам поршень не имеет значительных следов износа. У двигателя наблюдается повышенный расход масла (рис. 2.12). Такие виды износа появляются тогда, когда при эксплуатации на жаростойком поясе поршня образовывается твердый масляный нагар в результате несгоревшего масла и остатков горения.

Рис. 2.12. Блестящие места в верхней зоне гильзы, нагар на поршне

Возможные причины появления:

* Попадание чрезмерно большого количества моторного масла в камеру сгорания из-за дефектов

маслосъемных колпачков стержней клапанов и т. д.

* Избыточное давление в блок-картере из-за большого количества газов, проникших в картер из камеры сгорания.

* Недостаточная конечная обработка гильзы и в результате этого повышенный выход масла.

* Использование моторных масел низкого качества.

Трещина гильзы из-за гидравлического удара.

На внутренней поверхности гильзы в верхней части имеется трещина и задиры на рабочей поверхности (рис. 2.13). На поршне также имеются задиры. В цилиндр в процессе работы попадала жидкость. Высокое давление жидкости разорвало гильзу и образовало углубление в днище поршня.[8] Возможные причины появления:

* Непреднамеренное всасывание воды при переезде через лужи.



Рис. 2.13. Трещина гильзы из-за гидравлического удара и повреждения поршня

* Заполнение цилиндра водой при неработающем двигателе из-за не герметичности уплотнения головки блока цилиндров.

* Заполнение цилиндра топливом при неработающем двигателе из-за не герметичности форсунок.

2.1.4 Ремонт гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания

Ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием гильз цилиндров. Применение гильз снимает ограничение с количества капремонтов, способных выдержать блок. Теоретически это можно делать неограниченное количество раз, но кузов автомобиля не вечен. Для обычного блока без гильз допускается 3-4 предусмотренных изготовителем калибров ремонтных поршней. Это ограничивает количество возможных ремонтов. Когда выполнен последний ремонт и цилиндр не подлежит расточке, то применяют гильзы, запрессовка которых поднимает ресурс блока на несколько ремонтов.

Ремонтируются гильзы либо по времени износа, либо преждевременно, из-за большого пробега и износа. Наибольший износ гильз блоков наблюдается на расстоянии 20-25 мм от верхней кромки в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в в.м.т. Интенсивнее гильзы изнашиваются в плоскости качания шатуна.

Основные причины износа гильз цилиндров:

? газовая коррозия;

? воздействие трением поршневых колец;

? взрыв рабочей смеси;

? плохое качество смазки;

? высокая рабочая температура.

Процесс ремонта гильзы цилиндров.

Менять одну или две гильзы нельзя, замена производится сразу и всех гильз. Величину износа, овальность, конусообразность определяют с помощью индикаторного нутромера. Допустимый без ремонта зазор между гильзой и юбкой поршня-- 0,4 мм, при допускаемой конусообразности и овальности для гильз двигателей- 0,09 мм. При овальности 0,1 мм симметричные гильзы рекомендуется повернуть на 90° по отношению к прежнему положению.

Ремонтный размер гильз цилиндров большинства дизелей увеличен на 0,7 мм. Все цилиндры или гильзы одного блока обрабатывают под один ремонтный размер. Процесс замены полностью зависит от того, какие гильзы (мокрые) или (сухие) установлены. Ремонт двигателей с «мокрыми» гильзами, простой - в блок устанавливается новые пары гильза-поршень, не требующие доработки.

Для капремонта даже можно не снимать двигатель, и он может быть выполнен даже в полевых условиях. При смене сухих гильз, без специального оборудования не обойтись. При необходимости ремонта гильзы растачиваются и хонингуются, как обычные цилиндры.[12]

Промывают гильзы в проточной воде, затем сушат в сушильном шкафу (т = 20⁰ С, = 10 мин). После проведения ремонта необходимо правильно произвести установку гильзы в блок цилиндра. При охлаждении диаметр гильзы уменьшается примерно на 0,15 миллиметров, нагревая основное отверстие оно увеличивается примерно на 0,10 миллиметров, и при установке гильзы получается монтажный зазор величиной от 0,15 до 0,20 миллиметров. Гильзы должны быть установлены быстро и за один ход. При установке в блок цилиндров гильза должна провалиться в основное отверстие под собственным весом, при этом она может несколько отскочить.

Поэтому гильзу следует сразу дожать с помощью куска дерева, чтобы она не осталась в положении отскока. Как только выравниваются температура гильзы и отверстия она сразу сядет жёстко. Если гильза сядет жёстко в неправильном положении, то процесс прошёл неверно и должен быть повторён. [4] После установки гильзы и выверки блока цилиндров он подвергается торцеванию шлифовке. Слой удаляемого материала должен быть 0,1 мм для обеспечения полной плоскости разъёма блока цилиндров.

2.2 Патентно-информационный поиск и анализ

Справка о результатах патентных исследований по теме курсовой работы.

Цель патентных исследований - установление уровня техники.

1. Задание на проведение патентного поиска.

Предмет поиска: способы обработки поверхностей, оптико-фокусные устройства перемещения и манипуляторы лазерного луча.

Страны поиска Россия, Германия, Великобритания, ФРГ, Франция, Япония.

Глубина поиска с 1979 года по 2011 год.

1.Научный руководитель Шлегель Александр Николаевич.

2.Результаты проведения патентного поиска.

Таблица 2.1

Страна	Индекс МКИ	Перечень просматриваемых материалов	Выявленные аналоги
1. РФ	F02F1/20	Бюллетень изобретений 2011г	Рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания № 2422659
2. РФ	С21D1/09	Бюллетень изобретений 1986	Способ термической обработки металлических изделий № 1479526
3. РФ	F02F1/18	Бюллетень изобретений 1997	Способ изготовления гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания №2084673
4. РФ	С21D1/09	Бюллетень изобретений 1997	Способ лазерной обработки внутренних поверхностей отверстий № 1611946

Рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания №2422659

Изобретение относится к машиностроению, точнее к двигателестроению. Рабочий цилиндр включает гильзу и поршень с поршневыми кольцами, взаимодействующими с внутренней поверхностью гильзы. Изобретение предусматривает снабжение внутренней поверхности гильзы направляющими выступами, образованными модифицированным материалом поверхностного слоя с увеличенным удельным объемом на участках поверхности, размещаемыми в виде многозаходной спирали, и капиллярной структурой, располагаемой между спиралями направляющих выступов. Изобретение предусматривает также выполнение эффективного гидравлического радиуса капилляров в структуре в пределах (1,3-3,5) от высоты направляющих выступов. Такое выполнение снизит трение и износ.

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к двигателестроению, и может быть использовано для повышения ресурсных характеристик двигателя путем одновременной оптимизации таких рабочих характеристик, как кпд, трение, теплонапряженность и износ. Известен рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащий гильзу и поршень с поршневыми кольцами (см., например, В.И.Анохин. Отечественные автомобили. - М.: Машиностроение, 1964, стр.31).

Его недостатками являются значительные потери на трение пары поршневое кольцо - гильза и увеличенный износ гильзы, особенно при запуске двигателя («холодный» пуск), что обусловливает снижение коэффициента полезного действия двигателя и его моторесурса. Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение всех основных рабочих характеристик цилиндра, а именно повышение коэффициента полезного действия, снижение трения и износа, а также уменьшение его теплонапряженности и, следовательно, повышение моторесурса двигателя.

Указанный результат достигается тем, что в известном рабочем цилиндре, содержащем гильзу и поршень с поршневыми кольцами, внутренняя поверхность гильзы снабжена направляющими выступами термоупрочненными лазером.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображен фрагмент продольного разреза рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Рабочий цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания содержит гильзу 2, поршень 3 и поршневые кольца 4. Внутренняя поверхность 5 гильзы 2 снабжена направляющими выступами 6, образованными структурно модифицированным материалом поверхностного слоя на участках поверхности, размещаемыми в виде многозаходной спирали. Направляющие выступы 6 могут быть сформированы, например, с помощью лазерной обработки поверхности 5. Под действием лазерного нагрева и последующего быстрого охлаждения в поверхностном слое материала гильзы 2 глубиной 0,3-1 мм образуется структура мартенсита и ледебурита, отличающаяся помимо высокой твердости большим удельным объемом по сравнению с необработанным материалом, что и обусловливает выступание обработанного участка над исходным профилем поверхности.

Термоупрочнение применяется для повышения износостойкости гильзы рабочего цилиндра. В предлагаемом техническом решении известный признак используется по иному техническому назначению: с целью получения структуры материала с большим удельным объемом и образования капиллярной структуры.



Рис. 2.14

Способ термической обработки металлических изделий № 1479526

Изобретение относится к области термической обработки стали концентрированным источником энергии и может быть использовано в электротехнической и машиностроительной промышленности при изготовлении гильз двигателя.

Цель изобретения - повышение качества изделий путем локализации дугового разряда в зоне лазерного воздействия и увеличения глубины упрочненного слоя.

Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу термообработки металлических изделий, при котором на изделие наносят поглощающее покрытие и осуществляют лазерно-дуговое воздействие с образованием ионизированных паров вещества в зоне обработки.

Формула изобретения

Способ термической обработки металлических изделий, включающий нанесение поглощающего покрытия с заданной электропроводностью, лазерное воздействие и дуговой разряд с образованием ионизированных паров вещества покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения качества путем локализации дугового разряда в зоне лазерного воздействия и увеличения глубины упрочненного слоя, покрытие наносят с электропроводностью р_тв, покрытия в твердом состоянии вне зоны лазерно-дугового воздействия р_пл.

Способ изготовления гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания № 2084673

Изобретение относится к области технологических процессов изготовления деталей машин, в частности гильз цилиндров ДВС.

Сущность изобретения: после предварительной механической обработки гильзы производят ее термическую обработку. Последнюю выполняют путем ее нагрева для закалки. Для этого перед нагревом гильзы на участок 13 ее внутренней поверхности длиной l₁, соответствующей зоне контакта гильзы с поршнем, и на участке 14 ее наружной поверхности длиной l₂, соответствующей зоне контакта гильзы с рубашкой охлаждения, наносят поглощающее покрытие, которое затем высушивают, и охлаждают гильзу до температуры 20-30 ^оС. После этого нагревают участок 13 гильзы, для чего от источника 1 направляют пучок 2 лазерного излучения на зеркало 3, находящееся в положении 1 и отражающее этот пучок параллельно образующей гильзы 4 на зеркало 5, расположенное внутри гильзы и предназначенное для поворота пучка лазерного излучения и направления его на участок 13 перпендикулярно ему. При этом гильзу или пучок одновременно перемещают продольно и вращают для получения необходимых зон нагрева. После проведения термической обработки внутренней поверхности гильзы зеркала 3 и 5 перемещают из положения 1 в положение 2 и производят нагрев участка 14 наружной поверхности гильзы пучков лазерного излучения, перемещая и/или вращая гильзу или пучок аналогично тому, как это было указано для обработки с внутренней и наружной поверхности. После термической обработки с внутренней и наружной поверхностей гильзы удаляют поглощающее покрытие и производят окончательную механическую обработку.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображена гильза рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания.



Рис. 2.15

Способ лазерной обработки внутренних поверхностей отверстий № 1611946

Изобретение относится к лазерной обработке и может быть использовано при термической обработке внутренних поверхностей малого диаметра в изделиях из инструментальных сталей, работающих на износ.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей за счет обработки отверстий малого диаметра. Использование способа обеспечивает возможность обработки внутренней поверхности отверстий малого диаметра и обработки глухих отверстий.

Упрочнение глухих отверстий в стали У10, прошедшей стандартную термообработку диаметром 2 мм на глубину 2 мм, проводят расходящимся лазерным пучком, падающим соосно обрабатываемому отверстию с помощью оптических элементов, расположенных вне отверстия.

Это позволяет получить на обрабатываемой поверхности упрочненную зону в виде кольца, ширина которого зависит от параметров линзы, диаметра обрабатываемого отверстия и мощности лазерного источника. Поэтому упрочняющей обработке могут подвергаться внутренние поверхности отверстий малых диаметров, в которые невозможно поместить оптический элемент, а также глухие отверстия.

Рис. 2.16

Вследствие поступательного перемещения линзы вдоль оси распространения пучка лазерных лучей производится увеличение ширины упрочненной поверхности. На чертеже изображена схема фокусировки лазерного пучка в пространстве при упрочнении. Пучок лазерных лучей 1 фокусируется короткофокусной линзой 2 на внутреннюю поверхность 3 отверстия. Линза 1 с фокусным расстоянием f устанавливается на высоте Н от плоскости обрабатываемого отверстия. Пучок лазерных лучей 1 поглощается внутренней поверхностью 3, в результате происходит образование закаленной зоны шириной z. Проводят лазерную обработку внутренней поверхности отверстий диаметром 2 мм на глубину 2 мм. Отверстия просверлены в вырубном штампе, изготовленном из стали У10, прошедшей стандартную термообработку. Лазерную обработку осуществляют на технологической установке с максимальной энергией в импульсе 60 Дж и длительностью импульса 5 мс.

2.2.1 Предлагаемый способ решения поставленной задачи

Патентно-информационный поиск и анализ показали, что существует большое число способов и устройств для лазерного поверхностного термоупрочнения в различных отраслях промышленности.

Предлагается разработать автоматический комплекс, который сможет в автоматическом режиме осуществлять лазерное термоупрочнение сухих гильз цилиндров. Это значительно поможет сократить вспомогательное время, тем самым увеличить производительность и снизить себестоимость.

Данное устройство состоит из волоконного лазера ЛС-3-К IРG Рнотоniсs, чиллера IРG Рнотоniсs, промышленного робота Fаnuс 710iС/50, системы управления Fаnuс 710iС/50 R-30iА, оптической головки FLW-D50, компрессора Атlаs Сорсо, пульта управления FАNUС iРеndаnт Тоuсн, видеокамеры, усилителя давления VВА43А-F04, а также манипулятора для поворота зеркала на базе двигателя с полым ротором, который будет спроектирован в ходе работы.

3. Технологическая часть

3.1 Методы упрочения рабочей поверхности гильз

На данный момент упрочняют изношенные поверхности самыми разными способами. Одним из главных средств улучшения качества стальных деталей - повышения их прочности, твёрдости и износостойкости - является поверхностное упрочнение. Это упрочнение поверхностного слоя детали за счет изменения его химического состояния или структуры. Упрочнение поверхности может быть достигнуто: химико-термической, плазменной, лазерной обработкой и др.

Метод химико-термической обработки заключается в насыщении поверхности углеродом, азотом, хромом, бромом и др. элементами. При введении в поверхностный слой хрома, кремния, алюминия и др. элементов можно придать изделию устойчивость против коррозии, жаростойкость, кислотоупорность.

В промышленности распространены такие виды химико-термической обработки:

- цементация - насыщение углеродом;

- азотирование - насыщение азотом;

- цианирование - одновременное насыщение углеродом и азотом;

- диффузионная металлизация - насыщение различными элементами (кроме углерода и азота), например, хромом, бромом, алюминием и другими.

Азотированием достигается повышение твердости (40НRС), износо- и коррозионостойкость рабочей поверхности гильз за счет образования в ней карбонитридной фазы, которая имеет достаточную пластичность и становится рабочим элементом упрочненного слооя. Но, упрочненный азотированием слой плохо прирабатывается, выкрашивается в процессе эксплуатации, шероховатость поверхности ухудшается до R_а=0,63…2,5 мкм. Поэтому упрочнение азотированием не рекомендуется для двигателей, работающих в запыленных карьерах. Каждый из этих способов имеет свои особенности, преимущества и недостатки:

? малая глубина внедрения в основной материал (0,3-0,35 мм);

? поверхностный слой не может длительное время противостоять высоким нагрузкам.

Другим способом упрочения - является борированиа, это насыщение поверхностного слоя металлических изделий бором. Применяют с целью повышения поверхностной твердости изделий, их износостойкости, реже - коррозионной стойкости и теплостойкости. Борированию подвергают поверхности изделий из железа, сплавов на его основе, а также тугоплавких металлов, используя явление диффузии. Различают борирование твердое, жидкое, газовое. Борирование вызывает появление в поверхностных слоях изделий остаточных снимающих напряжений до 50 - 100 кгс/мм² , повышает их износостойкость в 5 - 10 раз.

Углеродистых и низколегированных сталей. Коррозионная усталостная прочность изделий из углеродистых сталей увеличивается вдвое и более. Недостаток - повышенная хрупкость боридов; её снижают, вводя в реакционную смесь небольшое количество меди, алюминия и других металлов.

Следующим способом повышения износостойкости трущихся поверхностей детали в условиях граничного трения, основанный на использовании пластических свойств материала - является поверхностное пластическое деформирование (ППД). В результате обработки удаляются риски и микротрещины от предыдущей обработки, увеличиваются твердость, износо- коррозионостойкость поверхности, её усталостная прочность. Надо отметить, что ППД это окончательная операция и возможна как в промышленном, так и в ремонтном производстве. Роль в достижении качества поверхности играет величина силы воздействия на обрабатываемую поверхность, число ходов инструмента, подбор деформирующего элемента.

Широко применяется метод упрочнения гильз цилиндров ППД с одновременным нанесением антифрикционного покрытия. Т.к. позволяет: повысить ресурс работы деталей ЦПГ в 1,9-2,6 раза; ускорить приработку в паре гильза - кольцо до 2 раз; сократить расход топлива; уменьшить коэффициент трения до 30%; повысить в 1,8-5,0 раз износостойкость рабочей поверхности гильзы; подвергать обработке только её верхнюю наиболее изнашиваемую часть. Недостаток метода - малая толщина антифрикционного слоя (до 5 мкм), что в условиях абразивного изнашивания недостаточно и вызывает другие виды износа.[19]

Также применяется метод финишного плазменного упрочнения. Сущность метода состоит в нанесении износостойкого алмазоподобного нанопокрытия при атмосферном даавлении.

Покрытие является продуктом плазмохимических реакций паров реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Установка для ФПУ

Эффект достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов.

Технологический процесс финишного плазменного упрочнения проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Скорость перемещения - 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием - 10-15 мм, толщина покрытия - 0,5-3 мкм. Температура нагрева деталей не превышает 100 - 150 °С. Параметры шероховатости поверхности не изменяются.

Данная технология применяется для упрочнения внутренней поверхности гильзы цилиндра после расточки под ремонтный размер.

Преимущества перед известными аналогами:

? повышена износостойкость гильз цилиндров на 25-37 %,

? снижены вредные выбросы на 15-20 % [19]

Обоснование указанных методов упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров двигателя говорит о том, что для их обработки необходимо выбирать оптимальные методы упрочнения, которые позволяют придать требуемое качество.

3.2 Лазерная обработка

Лазерный луч позволяет упрочнять любые минимальные локальные участки деталей, тонкостенные ажурные нежесткие детали, широчайшую номенклатуру материалов.

В данном случае речь пойдет о более новой и молодой технологии лазерной обработки поверхностей деталей. Лазерная технология обеспечивает повышение производительности труда, точности и качества обработки, представляет практически безотходную технологию, удовлетворяющую требованиям по защите окружающей среды. Большинство процессов основывается на тепловом воздействии лазерного излучения на непрозрачные среды. Воздействие луча лазера можно условно разделить на несколько характерных стадий: