Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ПАЛЬЦА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Данильчик Игорь Константинович Ласковнев Александр Петрович Довгун Валентина Степановна Ковалевский Сергей Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления поршневого пальца, при котором заготовку из прутка из цементируемой стали нагревают и покрывают оболочкой в виде цементированного слоя, осуществляют горячую деформацию выдавливанием до образования поковки в виде втулки,осуществляют закалку поковки в режиме высокотемпературной термомеханической обработки с использованием остаточного тепла горячей деформации, после чего осуществляют финишную обработку путем шлифования и полирования, при этом толщинацементированного слоя заготовки связана с требуемой толщиной 1 цементированного слоя на изготавливаемом поршневом пальце и с припуском 2 на финишную обработку следующим соотношением(12),где- величина вытяжки при горячем выдавливании заготовки, составляющая от 1,2 до 1,7. 18238 1 2014.06.30 Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству поршневых пальцев для двигателей внутреннего сгорания из заготовок из цементируемых марок стали путем их горячей обработки давлением. В двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия от поршня коленчатому валу используют шатун, который соединяется с поршнем с помощью поршневого пальца. Известен способ изготовления поршневого пальца, заготовку-поковку для которого производят в виде толстостенного втулочно-трубного полуфабриката, полученного по схеме горячей прокатки-прошивки монолитного горячекатаного сортамента на косовалковом трехвалковом стане 1. Из полученной толстостенной втулки-заготовки поршневой палец изготавливают путем предварительной получистовой обработки резанием, цементации с закалкой и окончательной обработки шлифованием. Известный способ позволяет изготавливать поршневые пальцы с заданным квалитетом. Недостаток известного способа проявляется в многооперационности и, соответственно, высокой трудоемкости. В качестве прототипа принят способ изготовления поршневого пальца из цементируемых марок стали горячей обработкой давлением с последующей цементацией, закалкой и механической обработкой. Тело заготовки выполнено из монолитного сортамента в форме цилиндра, соразмерного изделию пальца 2. Из мерной заготовки поршневой палец изготавливают путем обратного выдавливания цилиндрического полуфабриката, внутреннюю перемычку цилиндрической полости которого удаляют пробивкой 3. Полученный полуфабрикат обрабатывают получистовым резанием, цементацией с закалкой и финишным шлифованием. Известный способ позволяет изготавливать поршневые пальцы с заданным квалитетом. Известный способ имеет ряд существенных недостатков. Имеет высокую энергоемкость, т.к. требует многократных нагревов заготовки перед ее формообразованием и в процессах цементации с закалкой. При цементации по известной технологии внутренняя поверхность предохраняется от науглероживания путем нанесения технологических обмазок или путем введения заглушек в отверстия пальца,которые после цементации требуется удалять. Вследствие влияния множества технологических факторов на цементированный слой заготовки наблюдается неоднородность структуры и снижение конструктивной прочности поршневого пальца. Указанная многооперационность при изготовлении поршневого пальца значительно увеличивает трудоемкость, вызывает повышенный расход материала, себестоимость и цену. В основу изобретения поставлена задача улучшения технологичности, снижения трудоемкости и расхода энергии при изготовлении из сортаментной заготовки поршневого пальца, а также повышения служебных свойств поршневого пальца путем улучшения структуры и достижения высокой твердости наружной поверхности поршневого пальца и заданной вязкости основы в условиях работы знакопеременных термодинамических нагрузок и сил трения за счет эффекта высокотемпературной термомеханической обработки. Поставленная задача достигается в способе изготовления поршневого пальца, при котором заготовку из прутка из цементируемой стали нагревают и покрывают оболочкой в виде цементированного слоя, осуществляют горячую деформацию выдавливанием до образования поковки в виде втулки, осуществляют закалку поковки в режиме высокотемпературной термомеханической обработки с использованием остаточного тепла горячей деформации, после чего осуществляют финишную обработку путем шлифования и полирования, при этом толщинацементированного слоя заготовки связана с требуемой толщиной 1 цементированного слоя на изготавливаемом поршневом пальце и с припуском 2 на финишную обработку следующим соотношением(12), где- величина вытяжки при горячем выдавливании заготовки, составляющая от 1,2 до 1,7. 2 18238 1 2014.06.30 Технический результат изобретения проявляется в исключении цементации на внутренней поверхности поршневого пальца и в повышении механических свойств как поверхностного слоя, так и сердцевины тела поршневого пальца за счет эффекта высокотемпературной термомеханической обработки по сравнению с традиционной химико-термической обработкой. Для лучшего понимания изобретение поясняется фигурами, где фиг. 1 - общий вид заготовки для изготовления поршневого пальца горячей обработкой давлением из цементируемых марок стали, а фиг. 2, 3 - переходы изготовления поршневого пальца горячей обработкой давлением из цементируемых марок стали. В машиностроении для изготовления поршневого пальца применяют товарные заготовки, сортовые и фасонные профили общего назначения и трубный прокат 4. Поршневые пальцы относятся к полым деталям, для которых характерно концентрическое расположение цилиндрических поверхностей и большое отношение глубины отверстия к диаметру (свыше трех). В качестве материала пальцев используют цементируемые низкоуглеродистые легированные стали, например сталь 12 ХН 3 А, 12 ХН 2 и др. Цементация - разновидность химико-термической обработки металлов, а именно науглероживание поверхности стальных изделий для увеличения их твердости и стойкости против истирания. Она производится нагреванием изделий в среде твердого карбюризатора при 900-950 С или в газообразной среде в шахтных или в проходных электрических печах, содержащей , 2, 4 и другие газы. 5. Технологический процесс изготовления поршневого пальца согласно изобретению включает четыре стадии химико-термическую обработку по фиг. 1 заготовки 1, при которой предварительно тело заготовки 1 покрывают оболочкой в виде цементированного слоя 2 нагрев и получение полуфабриката обработкой давлением по фиг. 2, 3 закалку в режиме высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), финишную обработку (шлифование и полирование). При осуществлении способа горячекатаный прутковый сортамент из цементируемой легированной стали, например стали 12 ХН 3 А, разделяют на мерные полуфабрикаты с требуемым припуском на последующие операции. Заготовку по фиг. 1 из монолитного горячекатаного сортамента для изготовления поршневого палица горячей обработкой давлением из цементируемых марок стали применяют в виде цилиндрического тела, соразмерного пальцу, с объемным припуском на горячее выдавливание, механическую и термическую обработку. Тело 1 заготовки предварительно покрывают оболочкой 2 в виде цементированного слоя, толщину которого выбирают больше аналогичного слоя готового поршневого пальца на величину,превышающую припуск на механическую обработку Толщину цементированного слоя оболочки создают на заготовке таким образом, чтобы она была связана с толщиной цементированного слоя готового пальца и с припуском на механическую обработку следующим уравнением(12),где- толщина цементированного слоя заготовки 1 - толщина цементированного слоя на поршневом пальце 2 - припуск на механическую обработку- величина вытяжки при горячем выдавливании заготовки (1,2-1,7). Вариант способа изготовления поршневого пальца поясняется согласно изобретению на примере. Для изготовления из стали 12 ХН 3 А принят поршневой палец с размерами длина 92-0,15 наружный диаметр - 42-0,006 мм внутренний 180,2 мм. Толщина цементируемого слоя на готовом пальце равна 1,21,8 мм, твердость наружной поверхности 5964 твердость сердцевины 3236(фиг. 4). 18238 1 2014.06.30 Исходным материалом является калиброванный пруток, минусовое отклонение по диаметру в пределах 0,1 мм. Отрезка на штучные заготовки 1 производится на прессе или лентомеханической пиле. Для определения толщиныцементированного слоя 2 оболочки на заготовке 1 принимаем среднюю величину толщины 1(1,21,8)/21,5 мм цементированного слоя пальца, заданного чертежом детали. Припуск на механическую обработку принимаем 20,35 мм. При горячем выдавливании из заготовки указанного типоразмера поршневого пальца величина вытяжки составит 1,2. Толщинацементированного слоя 2 заготовки 1 связана с толщиной 1 цементированного слоя 2 на поршневом пальце и с припуском 2 на механическую и финишную обработку формулой(12). По принятым выше параметрам толщина цементированного слоя оболочки на заготовке составит(12)(1,50,35)1,22,2 мм. Указанную величину цементированного слоя оболочки на заготовке получали путем газовой цементации при 920950 С. После цементации осуществляли горячую деформацию с индукционного скоростного нагрева ТВЧ при 9501000 С до образования втулки-поковки по фиг. 2,3, путем обратного выдавливания. В процессе горячей обработки обратным выдавливанием поверхностно цементованной заготовки по фиг. 2 получили стакан 1 с донышком 2, которое удалили пробивкой. Полученный полуфабрикат поршневого пальца 3 (фиг. 3) в виде толстостенной втулки немедленно охладили в машинном масле, подвергли отпуску и получили заготовку поршневого пальца, готовую к дальнейшей обработке. В результате закалки поверхностный слой поковки получает вследствие повышенного содержания углерода микроструктуру мелкоигольчатого мартенсита и высокую твердость в пределах 5964 , а сердцевина приобретает микроструктуру сорбита и сорбитообразного перлита с твердостью 3236 , что соответствует техническим требованиям к поршневым пальцам по ГОСТ 619-70 и ГОСТ 76-66. Закаленные поковки подвергают отпуску при температуре 180-200 С для снятия напряжений, после чего направляют на операции финишной обработки, включая бесцентровое шлифование наружного диаметра со снятием припуска 0,35 мм. В итоге толщина цементированного слоя на готовом поршневом пальце оказывается в пределах технических требований (1,28 мм). Черновое и чистовое шлифование наружной поверхности пальца производят до достигаемого параметра шероховатости 0,40,63 мкм. Окончательной операцией изготовления поршневого пальца является суперфинишная обработка наружной поверхности на бесцентрово-суперфинишном станке. Приемка поршневых пальцев состоит в контроле длины, некруглости, конусности наружного диаметра в двух взаимно перпендикулярных сечениях. При закалке в режиме высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) в металле как в цементованной поверхности, так и в низкоуглеродистой сердцевине, формируется мелкозернистая структура, что повышает пластичность и вязкость материала и,следовательно, увеличивает прочность изделия в целом по сравнению с известным уровнем техники. Преимущества новой технологии, включающей цементацию заготовки, горячее выдавливание с закалкой (ВТМО) по изобретению по сравнению с традиционной объемной закалкой после обычной химико-термической обработки (ХТО) проявляются в следующем. ВТМО обеспечивает дробление зерна аустенита как в поверхностном слое, так и в сердцевине поршневого пальца. При закалке непосредственно с температуры деформации не успевает произойти процесс рекристаллизации с увеличением размера зерна, что обес 4 18238 1 2014.06.30 печивает сохранение деформированной мелкокристаллической структуры в поверхностном слое - мартенситной, а в сердцевине - перлитно-сорбитной. Предлагаемый способ изготовления поршневых пальцев основан на том, что при обратном выдавливании цилиндрических поковок из цилиндрических заготовок с небольшими степенями деформации (для поршневых пальцев вытяжка составляет 1,21,7) происходит удлинение заготовки с равномерным утонением ее концентричных слоев металла. Поэтому поверхностная оболочка заготовки, состоящая из цементованного металла,также утоняется при выдавливании. Величину этого утонения можно рассчитать, зная степень деформации, величину цементации на готовом пальце, оговоренную техническими требованиями, и припуска на обработку наружной поверхности пальца. В формуле изобретения приведена формула расчета цементованного слоя на исходной заготовке. Применение цементации заготовки перед формообразованием взамен цементации готового пальца позволяет использовать для закалки режим ВТМО и обеспечивает ряд технико-экономических преимуществ-экономия энергии за счет устранения операции промежуточной термообработки(нормализации или отжига) после горячего формообразования поковки-ликвидация необходимости предохранять внутреннюю поверхность пальца от цементации, т.к. она в результате горячего выдавливания получается чистой-снижение трудоемкости технологии за счет сокращения числа операций-повышение механических свойств металла поршневых пальцев вследствие эффекта ВТМО (это повышение может составлять до 40 ). Промышленное использование способа изготовления поршневого пальца запланировано в Беларуси и за границей. Источники информации 1. Трубный прокат стальной бесшовный горячекатаный холоднотянутый и холоднокатаный (ГОСТ 8732-78. ГОСТ 8734-75) - служит для изготовления цилиндров, втулок,гильз, пустотелых валов. 2.2122588, МПК 21 1/56, 1998. 3. 2356680, МПК 161/16,21 1/18,21 В 1/248, 2009. 4. Ковка и штамповка, справочник в 4-х томах. Т. 3. Холодная объемная штамповка. Сортовые профили общего назначения - круглые и квадратные, для изготовления гладких и ступенчатых валов, стаканов, втулок по ГОСТ 2590-71. - М. Машиностроение, 1987. С. 9, 11, 15, 103, 143, 181. 5. Алкацев М.И. Процессы цементации в цветной металлургии. - М., 1981. - С. 15-27. 6. Гуляев А.П. Металловедение Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. - М. Металлургия, 1986. - С. 239-294, рис. 261. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6

МПК / Метки

МПК: B21K 1/18, F16J 1/16

Метки: пальца, поршневого, изготовления, способ

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/6-18238-sposob-izgotovleniya-porshnevogo-palca.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ изготовления поршневого пальца</a>

Похожие патенты