Устройство для финишной обработки зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания

Авторы патента:

B24B39 - Станки или устройства, в том числе вспомогательные, для обкатки с целью уплотнения поверхностного слоя (изменение физических свойств или структуры металла путем обкатки C21D 7/08, C22F 1/00)

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно, к технологии поверхностного упрочнения и восстановления рабочей поверхности гильз и блоков цилиндров и может найти применение при создании устройств для финишной обработки зеркала цилиндра двигателей внутреннего сгорания малолитражных автомобилей.

Решаемой задачей является создание сравнительно простого и эффективного устройства для поверхностного упрочнения рабочей поверхности гильз и блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания малолитражных автомобилей при финишной обработке методом пластического деформирования, в частности, за счет управления параметрами регулярного микрорельефа. Дополнительной к указанной является задача восстановления работоспособности поврежденной или изношенной рабочей поверхности гильз и блоков цилиндров в условиях мало оснащенных ремонтных мастерских аграрного сектора и центрах автомобильного сервиса по ремонту двигателей внутреннего сгорания.

Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для финишной обработки зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащем обрабатывающие элементы, размещенные в оправке, выполненной с возможностью вращения и возвратно поступательного перемещения внутри обрабатываемого цилиндра, согласно полезной модели, механизм возвратно-поступательного движения оправки содержит, по крайней мере, одну поводковую штангу, контактирующую через вращательную пару с фигурной шайбой, установленной на неподвижной части шпинделя по оси приводного вала, который посредством шлицевого соединения связан с оправкой, на периферийной части которой установлены обрабатывающие элементы в виде стальных шариков с возможностью их контакта с поверхностью обрабатываемого цилиндра.

Кроме того, механизм возвратно-поступательного движения оправки может содержать две поводковые штанги, контактирующие через вращательную пару с фигурной шайбой, максимумы и минимумы фигурной поверхности которой симметричны относительно оси приводного вала шпинделя, причем оправка может быть снабжена возвратной пружиной, расположенной между ее верхней торцевой частью и шлицевым участком приводного вала.

Кроме того, механизм возвратно-поступательного движения оправки может содержать одну поводковую штангу, контактирующую через вращательную пару с фигурной шайбой с произвольным расположением максимумов и минимумов фигурной поверхности, причем оправка может быть снабжена возвратной пружиной, расположенной между нижним торцом оправки и свободным концом приводного вала.

Кроме того шарики в оправке могут быть установлены, по крайней мере, в одной плоскости, перпендикулярной оси приводного вала шпинделя и снабжены средствами для регулировки силы их прижатия к поверхности обрабатываемого цилиндра.

Описание на 6 л., илл. на 2 л.

Известно устройство для финишной обработки наружной поверхности цилиндра, содержащее обрабатывающие элементы, размещенные в оправке, выполненной с возможностью возвратно поступательного перемещения вдоль оси обрабатываемого цилиндра, вращающегося в шпинделе шлифовального или токарного станка (см. Технология конструкционных материалов. Учебник для вузов. М., «Машиностроение», 1977, с.587).

В известном устройстве дополнительное возвратно-поступательное движение обрабатывающему элементу с относительно малой амплитудой сообщают посредством специального механизма. При этом на обрабатываемой поверхности можно получить ряд или сетку слабозаметных канавок, в которых может размещаться смазка. Вибрационное накатывание стальными закаленными шариками на поверхностях трения значительно повышает износостойкость деталей машин различного назначения.

Недостатком такого устройства является невозможность его применения для финишной обработки внутренней рабочей поверхности гильз и блоков цилиндров автотракторных двигателей и, в частности, блоков цилиндров малолитражных автомобилей.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для финишной обработки зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащее обрабатывающие элементы, размещенные в оправке, выполненной с возможностью вращения и возвратно поступательного перемещения внутри обрабатываемого цилиндра (см. Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей машин. Справочник. - М.: Машиностроение, 1989, с.336 - прототип).

Известное устройство предназначено для финишной обработки гильз цилиндров автотракторных двигателей. В качестве обрабатывающих элементов используются алмазные бруски, размещенные в оправке, установленной на шпинделе вертикально-хонинговального станка вдоль образующих указанных цилиндров с возможностью вращательного и возвратно-поступательного движения по схеме плавающий хон - жесткая деталь. При восстановлении гильз цилиндров двигателя ЗИЛ-130 после растачивания проводят двукратное плосковершинное алмазное хонингование. Материал гильзы - чугун СЧ-24 твердостью 170-241 ИВ, диаметр отверстия 101 мм, длина 185.5 мм. Предварительное хонингование проводят алмазными брусками АС6 125/100-М1-100, а окончательное - брусками АСМ 28/20-М1-100. На обработанной поверхности зеркала цилиндра создается сетка впадин (рисок) с шероховатостью площадок Ra=0,4-0,32 мкм.

Недостатками известного устройства являются высокая стоимость алмазных хонов, сравнительно сложная конструкция инструмента и наличие после хонингования на зеркале цилиндра нерегулярных впадин и рисок глубиной 8-10 мкм, которые после обработки могут быть заполнены частицами срезанного металла и абразивных зерен, снижающих ресурс двигателя.

Кроме того, шарики в оправке могут быть установлены, по крайней мере, в одной плоскости, перпендикулярной оси приводного вала шпинделя и снабжены средствами для регулировки силы их прижатия к поверхности обрабатываемого цилиндра.

Такое выполнение устройства позволяет решить поставленную задачу создания предельно простого в изготовлении устройства для эффективного поверхностного упрочнения, восстановления или финишной обработки гильз и блоков цилиндров, как в заводских условиях, так и на отраслевых станциях технического обслуживания. При этом решается проблема быстрого и качественного восстановления рабочей поверхности гильз и блоков цилиндров двигателей малолитражных автомобилей и автотракторной техники, поскольку, при прочих равных условиях, достаточно сложно обеспечить размещение известных рабочих инструментов в цилиндрах двигателей диаметром 80-100 MM.

Эффект упрочнения рабочей поверхности - зеркала цилиндра двигателя с помощью раскатки стальными шариками в данном устройстве увеличивается благодаря созданию регулярного микрорельефа, обладающего сложной сетчатой структурой. Управление геометрическими параметрами микрорельефа обеспечивается, во-первых, за счет применения копирующего механизма, включающего поводковую штангу, контактирующую через вращательную пару с фигурной шайбой, установленной на неподвижной части шпинделя по оси приводного вала, а также конфигурацией поверхности указанной шайбы. Во-вторых, устройство снабжено обрабатывающими элементами в виде нескольких стальных шариков, расположенных в оправке в одной и более плоскостях, причем указанные шарики могут быть снабжены средствами для регулировки силы их прижатия к обрабатываемой поверхности зеркала цилиндра двигателя. Изготовление, сборка и эксплуатация предложенного устройства вполне доступны для эффективного поверхностного упрочнения, восстановления или финишной обработки гильз и блоков цилиндров не

только в заводских условиях, но и на удаленных станциях технического обслуживания или ремонтных мастерских аграрного сектора.

На фиг.1 показан и продольный разрез устройства для финишной обработки зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания с двумя поводковыми штангами, а на фиг.2-е одной поводковой штангой.

Устройство (фиг.1) содержит обрабатывающие элементы в виде стальных шариков 1, размещенных на периферийной части оправки 2, выполненной с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения внутри обрабатываемого цилиндра 3. Основное вращательное движение оправки 2 обеспечивается за счет вращения приводного вала 4 шпинделя вертикального расточного или хонинговального станка (не показан), при этом для вала 4 имеется возможность возвратно-поступательного перемещения вверх и вниз вдоль оси обрабатываемых цилиндров с различной скоростью подачи. Для обеспечения дополнительного возвратно-поступательного движения оправки 2 в диапазоне нескольких миллиметров, обеспечивающего достижение поставленной задачи, оправка 2 содержит механизм, содержащий две поводковые штанги 5, контактирующие через вращательную пару в виде шариков 6 с фигурной шайбой 7, установленной на неподвижной части 8 шпинделя указанного станка по оси приводного вала 4. При этом максимумы и минимумы фигурной поверхности шайбы 7 выполнены симметрично относительно оси приводного вала 4 шпинделя.

На периферии оправки 2 с помощью втулок 9, 10 в двух плоскостях установлены шарики 1, которые через фторопластовые шайбы 11 поджаты к отверстию втулки 9 с помощью пружины 12, усилие которой на шарик 1 может регулироваться винтом 13. Отстоящие от оси оправки 2 части шариков 1 выходят за пределы втулок 9 и находятся в контакте с обрабатываемой поверхностью цилиндра 3. Диаметр указанных шариков 1 в предложенном устройстве выбран равным 9,5 и 10 мм, но может находиться в диапазоне от 4 до 15 мм и более, в зависимости от диаметра цилиндра 3, расчетных значений давления на зеркало цилиндра 3, требуемой глубины микрорельефа и др. Оправка 2 снабжена осевой втулкой 14, верхний торец которой упирается в нижние концы поводковых штанг 5 для изменения положения втулки 2 в соответствии с положением максимумов и минимумов на шайбе 7. Вдоль оси втулки 14 размещена шлицевая часть 15 вала 4. Втулка 15 и оправка 2 с шариками 1 может перемещаться вверх и вниз вдоль указанной шлицевой части. Для обеспечения периодического возврата оправки 2 из нижнего положения в верхнее на оси втулки 14 установлена возвратная пружина 16, расположенная между верхней торцевой частью оправки 2 и шлицевым участком 15 приводного вала 4. Вдоль оси втулки 14 и пружины 16 расположен центральный стержень 17. Поводковые штанги 5 фиксируются относительно вала 4 с помощью кронштейнов 18.

Устройство (фиг.2) выполнено с одной поводковой штангой 5, при этом конфигурация фигурной поверхности шайбы 7 может иметь произвольную, наперед заданную форму, которая обеспечивает различный рисунок микрорельефа на обрабатываемой поверхности цилиндра 3. Кроме того, шарики 1 в оправке 2 такого устройства находятся в двух плоскостях для создания парных линий рисунка микрорельефа. Количество шариков 1 в одной плоскости втулок 2 устройств по фиг.1 и 2 равно двум, но может находиться, в зависимости от различных факторов в диапазоне от 2 до 8. Верхнее значение обычно ограничено условиями размещения элементов оправок 2 и диаметром шариков 1. Возвратная пружина 19 в устройстве фиг.2 размешена между нижним торцом оправки 2 и свободным концом приводного вала 4.

Предложенное устройство (фиг.1) функционирует следующим образом. Предварительно обрабатывающие элементы в виде стальных шариков 1, закрепляют в оправке 2 с помощью втулок 9, 10. Шарики 1 через фторопластовые шайбы 11 поджимают к отверстию втулки 9 с помощью пружины 12 с помощью регулировочного винта 13, основываясь на предварительных испытаниях устройства при финишной обработке зеркала цилиндра конкретного двигателя внутреннего сгорания.

Затем проводят сборку устройства в части установки механизма для дополнительного возвратно-поступательного движения оправки 2. На оправку 2 устанавливают втулку 14, пружину 16, а на валу 4 шпинделя вертикально-хонинговального станка укрепляют кронштейны 18 для фиксации поводковых штанг 5 с предварительно установленными на их верхнем конце шариками 6. Одновременно на неподвижной части 8 шпинделя указанного станка по оси приводного вала 4 устанавливают фигурную шайбу 7, максимумы и минимумы фигурной поверхности которой выполнены симметрично относительно оси приводного вала 4.

После указанных операций устанавливают блок цилиндров двигателя на рабочий стол вертикально-хонинговального станка в положение для обработки одного из цилиндров в соответствии с заданными геометрическими параметрами цилиндра 3 и оправки 2. Осуществляют расчет вертикальной возвратно-поступательной подачи шпинделя станка и необходимое количество оборотов вала 4. Запускают двигатель станка и в автоматическом режиме осуществляют финишную обработку зеркала цилиндра. Подготовку и обработку поверхности цилиндра для устройства по фиг.2 осуществляют аналогично.

Переналадку устройства на задание разных значений диаметров обрабатываемых цилиндров в небольших пределах можно осуществлять путем установки дополнительных шайб, под втулки 9. В случае перехода на обработку других типов цилиндров целесообразно иметь подготовленные комплекты устройств, стоимость изготовления которых сравнительно мала.

Восстановление внутренних поверхностей цилиндрических деталей, в том числе и значительной номенклатуры цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, как ресурсоопределяющих деталей, связано с известными трудностями. Наибольший интерес из этой номенклатуры представляют собой цилиндры блоков малолитражных двигателей, рабочие поверхности которых более сложны для восстановления. Основным недостатком известных способов восстановления цилиндров блоков хонингованием служит снижение послеремонтного ресурса двигателя. Это связано с микроскопическими погрешностями при финишной обработке рабочей поверхности цилиндра посредством использования абразивных и алмазных брусков.

Особенности конструкций цилиндров блоков двигателей, имеющих малую толщину стенок (в пределах 5÷7 мм) и диаметры отверстий цилиндров блоков, колеблющиеся в пределах от 72 мм (автомобиль «Таврия») до 100 мм (семейство двигателей Горьковского, Ульяновского заводов и зарубежных фирм) не позволяют применять известные способы восстановления, как, например, для гильз блоков двигателей. Это связано с необратимыми изменениями в структуре металлоосновы рабочей поверхности и ее возможной деформацией в процессе восстановления цилиндров и т.д.

Исследования, проведенные в МГАУ им. В.П.Горячкина, дополняет и развивают возможности метода поверхностно упрочняющей технологии обработки тонкостенных поверхностей, к которым относятся и стенки цилиндров блоков малолитражных двигателей внутреннего сгорания автомобилей Российского и иностранного производства.. Экспериментально было показано, что образование рабочей поверхности цилиндра требуемого качества с использованием предложенного устройства происходит при диаметре деформирующего элемента равном 8-10 мм и оптимальном рабочем давлении в пределах 50-150 Н. При создании предложенного устройства были разработаны необходимые оснастка и приспособления для качественного восстановления работоспособности цилиндропоршневой группы указанных двигателей.

1. Устройство для финишной обработки зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащее обрабатывающие элементы, размещенные в оправке, выполненной с возможностью вращения и возвратно поступательного перемещения внутри обрабатываемого цилиндра, отличающееся тем, что механизм возвратно-поступательного движения оправки содержит, по крайней мере, одну поводковую штангу, контактирующую через вращательную пару с фигурной шайбой, установленной на неподвижной части шпинделя по оси приводного вала, который посредством шлицевого соединения связан с оправкой, на периферийной части которой установлены обрабатывающие элементы в виде стальных шариков с возможностью их контакта с поверхностью обрабатываемого цилиндра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм возвратно-поступательного движения оправки содержит две поводковые штанги, контактирующие через вращательную пару с фигурной шайбой, максимумы и минимумы фигурной поверхности которой симметричны относительно оси приводного вала шпинделя, причем оправка снабжена возвратной пружиной, расположенной между ее верхней торцевой частью и шлицевым участком приводного вала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм возвратно-поступательного движения оправки содержит одну поводковую штангу, контактирующую через вращательную пару с фигурной шайбой с произвольным расположением максимумов и минимумов фигурной поверхности, причем оправка снабжена возвратной пружиной, расположенной между нижним торцом оправки и свободным концом приводного вала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шарики в оправке установлены, по крайней мере, в одной плоскости, перпендикулярной оси приводного вала шпинделя и снабжены средствами для регулировки силы их прижатия к поверхности обрабатываемого цилиндра.