способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания, включающий установку предварительно алитированной нирезистовой вставки в нагретый штамп, фиксирование ее при сборке штампа, заливку жидкого металла, штамповку корпуса поршня верхним пуансоном в две стадии при пониженном и номинальном давлениях с выдержкой времени между стадиями, прошивку боковых отверстий в юбке поршня, доштамповку поршня нижним пуансоном, выдержку под механическим давлением до завершения процесса кристаллизации, отличающийся тем, что в дне матрицы путем отвода нижнего пуансона образуют подогреваемую полость с размерами, соответствующими разности объемов расплава и закристаллизовавшегося металла, при заливке расплава в штамп заполняют эту полость расплавом, доштамповку осуществляют перемещением твердожидкого расплава из полости в головку поршня, при этом в штампе создают посредством нагревателей температурное поле, обеспечивающее перемещение фронта кристаллизации от торца юбки вдоль оси корпуса к головке поршня.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что доштамповку поршня осуществляют пуансоном, диаметр которого равен разности диаметра головки поршня и удвоенной толщины стенки юбки в месте прошивки боковых отверстий.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в процессе доштамповки поршня нижним пуансоном в торце головки поршня образуют наметку под камеру сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении поршней из алюминиевых сплавов, включая высококремнистые, для двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания с нирезистовой вставкой под поршневое кольцо методом горячей объемной штамповки [1].

Способ заключается в том, что на цилиндрической заготовке корпуса поршня размещают износостойкую вставку, устанавливают в матрице штампа с натягом наружной поверхности вставки по внутренней поверхности матрицы и производят штамповку корпуса поршня, сопровождающуюся заштамповкой износостойкой вставки.

Недостатком известного способа является низкий коэффициент использования металла и низкая степень адгезии материалов корпуса поршня и износостойкой вставки.

Известен способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания, состоящего из металлического корпуса с боковыми отверстиями, керамической и нирезистовой вставками, расположенными в днище корпуса, включающий жидкую штамповку в штампе и соединение упомянутых частей поршня [2].

Способ заключается в том, что первоначально устанавливают в штамп керамическую вставку и фиксируют ее с помощью нирезистовой вставки, алитируемой непосредственно перед установкой в штамп, производят заливку жидкого металла и осуществляют штамповку в две стадии - при пониженном давлении для образования герметизирующего пояска и при номинальном, прошивку боковых отверстий и нижнюю подпрессовку, при этом в процессе штамповки, прошивки боковых отверстий и нижней подпрессовки осуществляют кристаллизацию под давлением.

Известный способ имеет следующие недостатки. Неравномерность давлений твердожидкого расплава на нирезистовую вставку в конечный момент кристаллизации приводит к невысокой прочности соединения вставки с металлическим корпусом. Наличие керамической вставки повышает себестоимость поршня, в то же время при подпрессовке выталкивателем затрудняет прохождение и распределение жидкой фазы расплава в порах дендритного каркаса. Это является причиной усадочных явлений в головке поршня: пористость и отклонения линейных размеров базовых поверхностей. Кроме того, коэффициент использования металла при производстве поршней, имеющих камеру сгорания, недостаточно высок.

Изобретение направлено на повышение качества поршня, а именно устранение пористости и других усадочных явлений в головке поршня, усиление адгезионных связей металла поршня с нирезистовой вставкой путем применения направленной кристаллизации и повышения давления на расплав внутри головки при доштамповке поршня, а также на увеличение коэффициента использования металла и уменьшение энергетических затрат на штамповку массивной кристаллизующейся головки поршня путем применения нижнего пуансона малого диаметра с формированием наметки под камеру сгорания.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором предварительно алитированную нирезистовую вставку устанавливают в нагретый штамп, фиксируют ее при сборке штампа, заливают жидкий металл, осуществляют штамповку корпуса поршня верхним пуансоном в две стадии при пониженном и номинальном давлениях с выдержкой времени между стадиями, производят прошивку боковых отверстий в юбке поршня, доштамповку поршня нижним пуансоном и выдержку под механическим давлением до завершения процесса кристаллизации, путем отвода нижнего пуансона в дне матрицы образуют подогреваемую полость, размеры которой соответствуют разности объемов расплава и закристаллизовавшегося металла. При заливке расплава в штамп заполняют эту полость расплавом и доштамповку осуществляют перемещением твердожидкого расплава из полости в головку поршня, при этом в штампе создают посредством нагревателей температурное поле, обеспечивающее перемещение фронта кристаллизации от торца юбки вдоль оси корпуса к головке поршня. Так как центр головки поршня является температурным центром кристаллизации, подвод к нему на конечной стадии затвердевания твердожидкого расплава под давлением обеспечивает заполнение внутри- и междендритных пор и повышение давления на контакте поршневого сплава с нирезистовой вставкой, что, в свою очередь, способствует образованию и развитию прочных адгезионных связей.

Управление движением фронта кристаллизации производится нагревательными элементами, которыми задается такое температурное поле в штампе, что процесс движения фронта кристаллизации основной массы расплава идет от торца юбки вдоль оси корпуса к головке поршня к центру завершения кристаллизации, при этом отклонения размеров базовых поверхностей в радиальном направлении, вызываемые усадочными явлениями, минимальны.

При прошивке боковых отверстий вытесняемый прошивнями металл уплотняет стенки корпуса поршня и создает дополнительное давление в тепловом центре массивной кристаллизующейся головки поршня.

Доштамповку поршня осуществляют пуансоном, диаметр которого равен разности диаметра головки поршня и удвоенной толщины стенки юбки в месте прошивки боковых отверстий. Доштамповка головки пуансоном малого диаметра, во-первых, требует меньшего усилия при том же давлении, во-вторых, совершаемая прессом работа не затрачивается на деформирование и разрушение закристаллизовавшейся боковой стенки головки. Следовательно, исключается риск защемления прошивней в корпусе поршня при одностороннем воздействии давления от нижнего пуансона. Кроме того, к нирезистовой вставке на стадии доштамповки давление прикладывается через твердожидкую фазу преимущественно в радиальном направлении, против действия сил усадки. Это снижает возможность деформации нирезистовой вставки по сравнению с односторонним механическим воздействием и повышает прочность соединения вставки с корпусом. Таким образом, указанное значение диаметра нижнего пуансона позволит более эффективно использовать затрачиваемую на штамповку энергию, воздействуя на кристаллизующийся металл механически, а на закристаллизовавшийся - через жидкую фазу расплава.

При изготовлении поршней, имеющих в корпусе камеру сгорания, в процессе доштамповки нижним пуансоном в торце головки поршня образуют наметку под камеру сгорания. Это приводит к увеличению коэффициента использования металла, а также к более плотной структуре металла вокруг камеры сгорания, что, в конечном счете, повышает эксплуатационные характеристики поршня.

Изобретение поясняется графическими материалами, где

на фиг. 1 изображено устройство для штамповки поршня с установленной нирезистовой вставкой;

на фиг. 2 - устройство для штамповки с собранной матрицей и залитым расплавом;

на фиг.3 - то же, в момент штамповки;

на фиг.4 - то же, в момент прошивки боковых отверстий;

на фиг. 5 - то же, в момент доштамповки;

на фиг. 6 - в момент доштамповки с образованием камеры сгорания.

Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания, представляющего собой металлический корпус с боковыми отверстиями в юбке и нирезистовой вставкой, расположенной в боковой поверхности головки, осуществляют следующим образом.

Предварительно алитированную нирезистовую вставку 1 (см. фиг. 1) устанавливают в нагретый штамп и фиксируют в нем сборкой его составляющих 2 и 3. Производят заливку жидкого металла 7 мерным ковшом 8 (см. фиг. 2) и штамповку корпуса поршня в две стадии верхним пуансоном 5 при пониженном и номинальном давлениях (см. фиг. 3) с выдержкой времени между стадиями для образования герметичной закристаллизовавшейся по всей поверхности корпуса поршня корки, препятствующей выплеску расплава через щели в штампе. Затем производят прошивку боковых отверстий в юбке поршня прошивнями 4 (см. фиг. 4) и доштамповку поршня нижним пуансоном 6 с воздействием твердожидкого расплава на центр завершения кристаллизации 10 (см. фиг. 4, 5). Далее осуществляют выдержку под механическим давлением до завершения процесса кристаллизации.

В процессе заливки избыток расплава, необходимый для компенсации уменьшения объема металла при его кристаллизации, занимает подогреваемую полость в дне матрицы, образованную отведенным нижним пуансоном 6, и находится там до стадии доштамповки поршня. Размеры полости соответствуют разности объемов расплава и закристаллизовавшегося металла.

В течение всего процесса изготовления корпуса поршня с момента заливки расплава до извлечения поковки осуществляют управление движением фронта кристаллизации основной массы расплава от торца юбки вдоль оси поршня к головке. Для этого встроенными нагревательными элементами 9 и внешними (не показаны) задается соответствующее температурное поле в штампе.

Для поршней, имеющих камеру сгорания, на этапе доштамповки нижним пуансоном осуществляют внедрение его в торец головки с образованием наметки под камеру сгорания (см фиг.6). При этом прилежащая к пуансону область металла поршня уплотняется, что повышает долговечность изделия.

Источники информации

1. Патент СССР 1473898, 1987 г.

2. Патент РФ 2093301, 1997 г.