Praca seminaryjna z przedmiotu
„Ocena jakości elementów maszyn”
Temat pracy: PIERŚCIENIE TŁOKOWE
Pracę pisał: Soja Wiesław
Rok II DiRMiUO
Wstęp
Zagadnieniem jakie rozpatruje moja praca seminaryjna z przedmiotu „Ocena jakości elementów maszyn” są pierścienie tłokowe.
Celem mojej pracy jest:
przedstawienie fazy wytwarzania
opisanie możliwych odchyłek właściwych dla każdej fazy
scharakteryzowanie pełnego zakresu oceny jakości elementu i uzasadnić celowość ich zastosowania
Pracę tę oparłem na powyższych punktach.
Wybór pierścienia tłokowego
Pierścień tłokowy, który zdecydowałem się opisać, jest to pierścień tłokowy uszczelniający o stożkowej powierzchni, pracujący w silniku Sulzer typu RTA 58.
Pierścienie te pracują w bardzo trudnych warunkach. Na pierścienie te, szczególnie na górny pierścień uszczelniający, działa wysokie ciśnienie i temperatura gazów spalinowych, a pomiędzy cylindryczną powierzchnią pierścienia i tuleją cylindrową panują warunki tarcia półsuchego. Pierścienie te powinny odznaczać się niskim współczynnikiem tarcia, odpornością na ścieranie oraz znaczną wytrzymałością w wysokich temperaturach.
Materiał
Opisywany przeze mnie pierścień wykonany jest z żeliwa szarego. Jest to pierścień stosunkowo duży. Wykonanie takiego pierścienia polega na tym, że odlewa się tuleje, które następnie są cięte na pierścienie. Jest to przede wszystkim stosowane w produkcji pierścieni do silników o wysokich parametrach. Naddatki w tym przypadku są większe. Aby uzyskać drobnoziarnistą strukturę, trzeba w tym przypadku zastosować żeliwo podeutektyczne, modyfikowane (modyfikacja ma na celu eliminowanie plam cementytu).
Skład chemiczny takiego żeliwa jest następujący: 2,7 - 2,8% C, 2,2 - 2,2% Si, 0,4 - 0,6% Mn, 0,40 - 0,55% P, 0,08% S, 0,5% Cr i wskaźnik C/CE = 0,80 - 0,86.
Struktura wykazuje grafit w postaci gwiazdek (tak charakterystyczny dla żeliw podeutektycznych).
Odlewanie
Pierścień który zdecydowałem się opisać jest odlewany w postaci tulei. Jest to sposób rzadziej stosowany, polega na odlewaniu tulei na pierścienie tłokowe w mokrych formach piaskowych (masa formierska o wilgotności 4-6%), przy czym powierzchnię wewnętrzną wyznacza suchy rdzeń, przez który przechodzi wlew główny.
W celu usunięcia naprężeń odlewniczych, polepszenia struktury oraz zmniejszenia niebezpieczeństwa odkształcania się, półfabrykaty poddaje się obróbce cieplnej polegającej na nagrzaniu ich do 550°C, wygrzaniu w tej temperaturze w ciągu 30 minut, a następnie chłodzeniu wraz z piecem w czasie 1-2 godzin do 400°C.
Formy piaskowe
Do odlania opisywanego przeze mnie pierścienia użyto form jednorazowych, wykonanych z masy, która składa się głównie z ziarnistego szkieletu - osnowy oraz materiału wiążącego ziarna w szkielecie. Są to formy zwykłe - tradycyjne otrzymywane przez ręczne zagęszczanie masy na modelu. Masa formierska luźno nasypana do skrzynki formierskiej jest ciałem ziarnistym nie spójnym. Istota zagęszczania polega na zmniejszaniu zajmowanej przez nią objętości, przez co staje się ona ciałem porowatym spójnym .Zagęszczona masa w formie musi posiadać gęstość warunkującą jej odpowiednią wytrzymałość dla uzyskania wnęki bez wad oraz zapewniać jej odporność na określone działanie dynamiczne strumienia ciekłego stopu jak i jego parcia statycznego. Poza tym zagęszczona masa musi być dostatecznie przepuszczalna dla wydobywających się z formy gazów.
Masa formierska przeznaczona do wykonywania danej formy składa się ciężarowo z 85-95 % z ziarnistej osnowy, 5-15 % z lepiszcza oraz w 2,5-4 % wody.
Topienie metalu i zalewanie form. Do topienia metalu stosuje się w tym wypadku piece łukowe o pojemności około 1 tony. Nie jest to sposób najlepszy, gdyż żeliwo z takich pieców jest silnie zagazowane wodorem, co sprzyja powstawaniu tzw. zabieleń odwrotnych, to jest zabieleń w środku przekroju pojedynczo odlanych pierścieni. Zabielenia te składają się z cementytu pierwotnego i ledeburytu. Zagazowanie wodorem jest skutkiem niekorzystnego działania łuku elektrycznego, powodującego rozkład wodoru drobinowego na atomowy, łatwo rozpuszczalny w metalu, co też ułatwia rozpuszczanie się wodoru, a nieustabilizowane parametry (czas topienia i temperatura przegrzania) wzmagają zagazowanie.
Hartowanie i odpuszczanie. Hartowanie i odpuszczanie żeliwa umożliwia uzyskanie większej twardości niż w przypadku wyżarzania normalizującego. W przypadku omawianego pierścienia temperatura powinna wynosić 850-900 °C. Chłodzić należy w oleju, gdyż szybsze chłodzenie powoduje powstawanie dużych naprężeń. W ten sposób uzyskuje się struktury martenzytycznotroostytyczne lub troostytyczne o twardości 400-500 HB. Następnie odpuszcza się od wymaganej twardości 240-270 HB.
Obróbka skrawaniem
Sprężystość pierścieni można uzyskać za pomocą obróbki cieplnej lub mechanicznej. W przypadku opisywanego pierścienia tokowego jest to obróbka cieplna. W tym przypadku rozgina się pierścień i wyżarza w temperaturze 620 °C.
Poniżej podany jest plan operacyjny obróbki omawianego pierścienia tłokowego metodą cieplną.
Numer operacji |
Nazwa operacji |
Stanowisko robocze |
Baza obróbkowa |
Przyrządy i uchwyty |
Klasa gładkości i dokładność |
1. |
Toczenie krawędzi czołowej kołnierza tulei. Wykonanie toczenia bazowego o średnicy 165 mm na długości 15 mm . |
Tokarka |
Ustawienie tulei do pierwszej operacji |
Uchwyt samo- centrujący |
∇5 |
2. |
Toczenie powierzchni zewnętrznej na wymiar 160,8-0,2 mm . Toczenie powierzchni wewnętrznej tulei na wymiar średnicy 146+0,2 mm . fazowanie krawędzi wewnętrznych na wymiar 0,75/45°. Odcięcie pierścienia od tulei na wymiar H = 5,5-0,2 mm . |
Tokarka |
Wykonane zatoczenie bazowe |
Uchwyt specjalny (rys. 1) |
∇5
∇3
∇3 |
3. |
Odprężenie cieplne w temperaturze 500 °C w ciągu 4 godzin. |
Piec do obróbki cieplnej |
__ |
__ |
__ |
Numer operacji |
Nazwa operacji |
Stanowisko robocze |
Baza obróbkowa |
Przyrządy i uchwyty |
Klasa gładkości i dokładność |
4. |
Szlifowanie wstępne płaszczyzn bocznych na wymiar 5,2-0,1 mm . |
Szlifierka do płaszczyzn |
__ |
Uchwyt elektromagnetyczny |
∇7 |
5. |
Przecięcie pierścienia pod kątem 60°, z pozostawieniem naddatku 0,1mm na dopiłowanie. |
Frezarka lub ręczna piłka |
__ |
Uchwyt specjalny |
__ |
6. |
Oczyszczanie z zadziorów, rozciągnięcie pierścienia o 15° i osadzenie w oprawce. |
Stanowisko ślusarskie |
__ |
Uchwyt specjalny (rys. 2) |
__ |
7. |
Wyżarzanie w temperaturze 620 °C w ciągu 24 godzin oraz chłodzenie na wolnym powietrzu. |
Piec do obróbki cieplnej |
__ |
Uchwyt jak w operacji nr 6 |
__ |
8. |
Szlifowanie powierzchni bocznych na wymiar ostateczny -0,01 5-0,02mm |
Szlifierka do płaszczyzn |
__ |
Uchwyt elektroma-gnetyczny |
∇11 |
9. |
Toczenie powierzchni ślizgowej pierścienia na wymiar nominalny o średnicy 60-0,4mm . |
Tokarka |
__ |
Oprawka specjalna (rys. 3) |
∇7 |
10. |
Toczenie powierzchni wewnętrznej pierścieni na wymiar średnicy 146,7+0,2mm . |
Tokarka |
__ |
Oprawka specjalna (rys. 4) |
__ |
11. |
Dopiłowanie zamka na wymiar 0,4+0,2mm. |
Ślusarnia |
__ |
Przyrząd do piłowania zamków (rys. 5) |
∇5 |
12. |
Kontrola wymiarów, sprężystości i przylegania. |
DKT |
__ |
Przyrząd specjalny (rys. 6) |
__ |
Jak już wspomniałem wyżej, wyjściowym fabrykatem do wyrobu wybranego przeze mnie pierścienia jest tuleja żeliwna. w celu ułatwienia mocowania jej w uchwycie należy wytoczyć na jej końcu kołnierz, jak pokazano na rys. 1, na którym pokazana jest też konstrukcja samego uchwytu. tarczę 1 osadza się na wrzecionie. Ma ona wytoczenie, które stanowi bazę obróbkową. Tuleję mocuje się czterema zaciskami 2, za pomocą śrub 3 i nakrętek 4.
Do operacji obrabiania cieplnego stosuje się przyrząd pokazany na rys. 2. Pierścienie rozpiera się rozpórką i umieszcza w piecu do wyżarzania.
Aby po utrwaleniu rozgięcia uzyskać w cylindrze silnika, a więc w pozycji jego pracy, kształt ściśle kołowy używa się odpowiedniej oprawki, pokazanej na rys. 3. Przyrząd składa się z tulei 1, trzpienia 2, płytki dociskającej 3 oraz podkładki 4 i nakrętki 5. Pierścienie spręża się w tulei imitującej cylinder silnika, zaciska je, aby zachowały to położenie, wyciska z tulei, a następnie toczy. Przy dostatecznie dużym docisku, wciśnięty pierścień zachowuje kształt, jaki przyjął w tulei.
Wewnętrzne powierzchnie tulei wytacza się w oprawce, której konstrukcję pokazałem na rys. 4. Pierścienie są osadzone w tulei 1 i dociśnięte trzema ryglami. Tuleja jest dociskana w kadłubie 2 mechanicznie. Podkładka rozstawna 4 umożliwia jednoczesne skrawanie dwoma nożami: toczenie wstępne i bardzo gładkie wykańczające.
Do operacji wykańczającej opiłowywana zamków należy używać prostego przyrządu pokazanego na rys. 5. Składa się on z płytki mającej nacięcia na pierścienie o różnych wysokościach oraz kanał ustawiony pod kątem 60° w stosunku do kierunku nacięć, który stanowi prowadzenie dla pilnika. Płytkę mocuje się w imadle. Sposób pracy można łatwo odczytać z rysunku. Warsztat naprawczy powinien mieć cały komplet takich płytek dostosowanych do wymiarów wykonywanych pierścieni.
Operację toczenia tulei (rys. 6) zewnątrz i wewnątrz należy wykonywać jednocześnie. W oprawce uchwytu osadzone są dwa noże. W ten sposób w skutek znoszenia się odpowiednich składowych sił skrawania unika się odkształcenia cienkościennej tulei.
Prawidłowa praca pierścienia jest w dużej mierze zależna od jakości obróbki. Bardzo ważną operacją jest wykonanie dwóch równoległych płaszczyzn pierścienia. Te operacje wykonuje się na szlifierce wyposażonej w uchwyt elektromagnetyczny. Szlifowanie zgrubne wykonuje się na szlifierkach o pionowym wrzecionie, natomiast szlifowanie wykańczające na szlifierkach o wrzecionie poziomym. Należy pozostawiać na szlifowanie zgrubne naddatki około 0,1 - 0,2 mm, na gładkie 0,05 - 0,1 mm i na wykańczające 0,05 - 0,01 mm.
Stół i uchwyt elektromagnetyczny trzeba starannie oczyszczać z pyłu pochodzącego ze ściernic, gdyż osiada on na powierzchni stołu i utrudnia wykonanie równoległych płaszczyzn.
Pierścienie wykonane w uchwytach elektromagnetycznych trzeba koniecznie odmagnesować.
Do opisywanego pierścienia żeliwnego o twardości około 220 HB zaleca się stosowanie ściernic o ziarnistości 36-45 do szlifowania zgrubnego.
Przecinanie zamków
Rozcinanie pierścieni (przecinanie zamków) odbywa się na frezarce. Przecięcia proste wykonuje się w pakiecie w przyrządzie. Pierścień omawiany toczy się na średnicę większą niż nominalna. Po wykonaniu zamka i ściśnięciu pierścień taki nie jest idealnie okrągły, ale przechodzimy nad tym niewielkim odchyleniem do porządku, godząc się na nieco większe naciski na końcach pierścienia.
Po wykonaniu zamka następuje napinanie pierścienia.
Napinanie pierścienia
Napinanie pierścienia można przeprowadzić dwoma metodami: obróbki cieplnej i plastycznej. Omawiany pierścień poddajemy obróbce plastycznej, która polega na młotkowaniu od wewnątrz równomiernie na obwodzie tak długo, aż pierścień rozewrze się na odpowiedni wymiar. Służą do tego celu specjalne maszyny.
Szlifowanie wykańczające
Płaszczyzny czołowe szlifuje się na takich samych przyrządach jakie służyły do szlifowania zgrubnego ściernicami o ziarnistości 45-54 i twardości L. Uzyskuje się dokładności 0,02 - 0,04 mm i szorstkości 2 - 3 μm. Ogólnie dopuszcza się szorstkość 3 - 4 μm. Tolerancja wysokości pierścieni zawierać się musi w odchyłkach f-7.
Nakładanie powłok
Powłoki miękkie. Na opisywany przeze mnie pierścień nakłada się warstewkę fosforanów manganu o grubości 2,5 - 10μm. Powłoka ta jest nakładana w celu skrócenia czasu docierania i polepszenia w tym czasie własności ślizgowych pierścienia. Warstewka fosforanów manganu, jest to warstwa o kolorze szarym, miękka, samosmarna i doskonale utrzymuje smar, a w miarę ścierania się służy jako bardzo łagodny środek polerujący.
Kolejność zabiegów wytwarzania takiej warstwy jest następująca:
odtłuszczanie w roztworze alkalicznym (o składzie wodorotlenku sodowego) 80 - 100 g/l, przez około 10 min;
płukanie w wodzie p temperaturze około 80 °C;
trawienie w 10 - 20% roztworze kwasu siarkowego z dodatkiem inhibitora (1 g/l tiomocznika);
fosforanowanie w roztworze zawierającym kwas fosforowy i jednozasadowy fosforan manganowy w temperaturze 92 - 98 °C przez około 15 min w wannie kwasoodpornej;
płukanie w wodzie bieżącej.
Rysunek warsztatowy pierścienia
Rysunek warsztatowy pierścienia opisywanego przeze mnie jest pokazany na rys. 1
UWAGA: Sprężystość pierścienia, naprężonego taśmą tak, aby szczelina w zamku wynosiła 0,3 +/- 0,2mm, powinna być x = 2,05 +/- 0,2kG. Pierścień powinien pod własnym ciężarem przejść przez szczelinę sprawdzianu o wymiarze 2,54 +/- 0,01mm. Pierścień wprowadzony w otwór sprawdzianu o wymiarze φ 100 H8 nie powinien wykazywać prześwitu na obwodzie. Powierzchnię "P" po obróbce mechanicznej V7a + V7b fosfatyzować. Grubość warstwy fosfatyzowanej 0,005 - 0,008. Na powierzchniach czołowych pierścienia dopuszcalna jest warstwa fosfatyzowana max 0,005mm. Po fosfatyzowaniu wygrzewać pierścień w kąpieli olejowej o temperaturze 300 - 350 °C w ciągu 1 godziny. Wszystkie wymiary na rysunku dotyczą pierścienia wykonanego na gotowo łącznie z powłoką fosfatyzowaną. Odchyłka twardości mierzonej w 6 miejscach nie powinna przekraczać 3 jedn. Przed obróbką odlew poddać starzeniu w temperaturze około 450° w ciągu 1 godziny.
Kontrola jakości wykonania pierścienia
Pierścienie tłokowe należą do odpowiedzialnych części silnika, a ponadto są to stosunkowo szybko zużywające się części i podlegają okresowej wymianie. Kontrola ich wykonania musi być zatem szczególnie staranna.
Sprawdzać należy:
wymiary,
kształt (kołowość oraz równoległość i płaskość powierzchni czołowych),
sprężystość i inne własności mechaniczne.
Sprawdzanie grubości i wysokości przeprowadza się zwykle sprawdzianami szczękowymi lub specjalnymi przyrządami.
Kołowość sprawdza się przez umieszczenie badanego pierścienia w sprawdzianie pierścieniowym i obserwowaniu światła przenikającego przez szczelinę między zewnętrzną powierzchnią badanego pierścienia a wewnętrzną powierzchnią sprawdzianu.
Równoległość i płaskość powierzchni czołowych sprawdza się w prostym przyrządzie, składającym się z dwóch polerowanych, równoległych do siebie płyt, których wzajemna odległość jest o 0,02 - 0,05mm większa od największej dopuszczalnej wysokości sprawdzanych pierścieni. Badany pierścień włożony z góry między płyty, powinien przesunąć się w dół pod własnym ciężarem.
Kontrola sprężystości polega na określeniu nacisków jakie wywiera pierścień na ścianki cylindra. Naciski te byłyby trudne do zmierzenia i dlatego mierzymy zwykle siłę Q1 lub Q2, potrzebną do ściśnięcia pierścienia opierając się na zależnościach:
Q1 = p*h*D/0,76 [kG] Q2 = p*h*D/2 [kG]
gdzie:
h - wysokość pierścienia [mm]
D - średnica pierścienia [mm], równa średnicy cylindra
Nacisk jednostkowy pierścieni powinien wynosić p = 0,4 - 1,0 MPa.. Przyrząd do pomiaru siły Q1 pokazano na rys. A. Do mierzenia siły statycznej Q2 posługujemy się przyrządem pokazanym na rys. B. Sprawdzany pierścień jest wkładany do pętli z cienkiej taśmy stalowej połączonej jednym końcem z dynamometrem, a drugim z dźwignią. Naciskając dźwignię powoduje się ściskanie pierścienia do wielkości jaką będzie miał w cylindrze i odczytuje się na dynamometrze wartość siły Q2. Podczas tego sprawdzania można w przybliżeniu ocenić równomierność nacisku pierścienia na tuleję. Jeśli ściśnięty stalowa taśmą pierścień przyjmuje kształt owalny, a różnica pomiarów jego średnic w kierunku przechodzącym przez zamek i kierunku do niego prostopadłym jest większa od 1 milimetra dla omawianego pierścienia, to pierścień nie jest odpowiedni do montażu.
Do pomiaru nacisków jednostkowych na obwodzie pierścienia można zastosować przyrząd oparty na zasadzie pomiaru tensometrycznego (rys. 2). elementami mierzącymi naciski są tu beleczki podparte w dwóch punktach i zginane przez rozprężający się pierścień. Pierścień naciska poprzez kołki oporowe na wspomniane beleczki, których ugięcie mierzone jest naklejonymi na nich tensometrami. Beleczki pomiarowe podparte są w dolnej części przyrządu śrubami oporowymi, a w górnej części kołkami podpierającymi. Kołki podpierające umieszczone są przesuwnie i można je unieruchomić w dowolnym położeniu przez dociśnięcie pierścienia zaciskowego.
Prowadząc badania ścieralności można posługiwać się pomiarem wagowym starego materiału. W silniku byłoby to trudne i wtedy często stosuje się napromieniowanie izotopami, w celu określenia ilości materiału startego, znajdującego się w oleju.
Montaż pierścieni
Przy montażu nowych pierścieni należy pamiętać o właściwym wkładaniu ich do rowków, używając odpowiednich szczypiec. Trzeba również zwracać uwagę na położenie pierścieni, zwłaszcza opisywanego przeze mnie o stożkowej powierzchni roboczej - odpowiednią stroną do góry. Omawiany pierścień jest oznaczony przez producenta przez umieszczenie napisu „TOP” na powierzchni roboczej pierścienia, która powinna być skierowana do góry.
Przy montażu nowych pierścieni należy pamiętać również o tym, aby sprawdzić ich luzy, które powinny mieć wartości montażowe (nominalne).
W razie potrzeby zapewnienia właściwego luzu w zamku można opiłować powierzchnie czołowe ich końców.
Kontrola montażu i jakości funkcjonowania
Producenci silników zalecają dodatkowe sprawdzanie pierścieni. W silniku Sulzer typu RTA 58 zaleca się dodatkowe pomiary grubości promieniowej i wysokości pierścienia wykonywane w określonych miejscach jego obwodu.
Oględziny zewnętrzne - umożliwiają uzyskanie wstępnej oceny stanu pierścieni. Pierścienie przylegające do gładzi błyszczą na swoich powierzchniach zewnętrznych stykających się z gładzią cylindrową. Miejsca przepuszczania gazów są ciemne i matowe. Jasne i błyszczące plamy na tej powierzchni pierścienia wskazują na początek zacierania się. Dalsza praca w takim stanie prowadzi do zupełnego zatarcia pierścienia, czego oznaką są głębokie bruzdy i wyrwy w materiale.
Jakość przylegania sprawdza się przez umieszczenie pierścienia w najmniej zużytej części tulei cylindrowej i przez pomiar prześwitów pomiędzy pierścieniem a gładzią cylindra. Przy próbie można zamiast cylindra używać specjalny sprawdzian otworowy o średnicy znamionowej cylindra D, wykonany w klasie dokładności H7 z tolerancją okrągłości 0,005mm. Umieszenie w dolnej części tulei (sprawdzianu) źródła światła (żarówki) i zakrycie wewnętrznego otworu pierścienia np. tekturowym krążkiem ułatwia dokonanie sprawdzenia. Zwykle dopuszcza się prześwit najwyżej w dwóch miejscach odległych co najmniej o 1/12 obwodu (30º) od każdego z końców pierścienia. Szerokość prześwitu nie powinna być większa od 1/8 obwodu (45º).
Przy pomiarach prześwitu należy pamiętać, że korygowane końce pierścieni w stanie zimnym nie przylegają do tulei
Luzy w zamkach pierścieni mierzy się suwmiarką. Pierścień przed pomiarem wkłada się do sprawdzianu lub do najmniej zużytej części tulei, dbając o to, by zajmował położenie w płaszczyźnie prostopadłej do osi tulei (sprawdzianu). Luz pierścienia w rowku (luz osiowy), mierzy się szczelinomierzem na obwodzie pierścienia włożonego w odpowiadający mu rowek.
3