RU2809898C2 - Method of laser thermal hardening of working surface of internal combustion engine cylinder or air-cooled engine cylinder liner - Google Patents
Method of laser thermal hardening of working surface of internal combustion engine cylinder or air-cooled engine cylinder liner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809898C2 RU2809898C2 RU2021125548A RU2021125548A RU2809898C2 RU 2809898 C2 RU2809898 C2 RU 2809898C2 RU 2021125548 A RU2021125548 A RU 2021125548A RU 2021125548 A RU2021125548 A RU 2021125548A RU 2809898 C2 RU2809898 C2 RU 2809898C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liner
- internal combustion
- cylinder
- engine cylinder
- combustion engine
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 22
- 241000237509 Patinopecten sp. Species 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 235000020637 scallop Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 229910001060 Gray iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к цилиндропоршневой группе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано при термической обработке гильзы цилиндра из серого чугуна или цилиндра двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением.The invention relates to mechanical engineering, in particular to the cylinder-piston group of internal combustion engines (ICE), and can be used for heat treatment of a cylinder liner made of gray cast iron or a cylinder of an air-cooled internal combustion engine.
Цель изобретения - повышение долговечности гильзы цилиндра ДВС за счет создания на ее рабочей поверхности нужной шероховатости с плоскими вершинами и твердости, что уменьшает износ гильзы цилиндра.The purpose of the invention is to increase the durability of the internal combustion engine cylinder liner by creating the required roughness with flat tops and hardness on its working surface, which reduces wear of the cylinder liner.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому является способ изготовления гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2 084 673 C1, опубликовано 20.07.1997 г., МПК F02F 1/18, F16J 10/04).The closest in technical essence and achieved technical result to the claimed one is the method of manufacturing a cylinder liner for an internal combustion engine (patent RU 2 084 673 C1, published 07/20/1997, IPC F02F 1/18, F16J 10/04).
Однако известный способ не обеспечивает должной износостойкости при значительных затратах на его осуществление: нагрев для закалки определенных участков гильзы, нанесение специального поглощающего покрытия, высушивание его, охлаждение гильзы до температуры 20…30°, а затем удаление покрытия после лазерного воздействия. Кроме того, четко не определены расстояние между спиральными зонами нагрева и их расположение относительно продольной оси гильзы. Этот способ не позволяет повысить производительность труда ввиду длительности операций и перехода между ними.However, the known method does not provide adequate wear resistance at significant costs for its implementation: heating to harden certain areas of the liner, applying a special absorbent coating, drying it, cooling the liner to a temperature of 20...30°, and then removing the coating after laser exposure. In addition, the distance between the spiral heating zones and their location relative to the longitudinal axis of the sleeve are not clearly defined. This method does not allow increasing labor productivity due to the duration of operations and the transition between them.
Техническим результатом, на достижение которого направлен заявленный способ, является повышение износостойкости пары «гильза-поршневое кольцо» в зоне максимального нагружения боковой силой и максимального термонагружения, что вызывает трение, близкое к полусухому.The technical result that the claimed method is aimed at achieving is increasing the wear resistance of the “liner-piston ring” pair in the zone of maximum lateral force loading and maximum thermal loading, which causes friction close to semi-dry.
Для достижения указанного технического результата в известном способе изготовления гильзы цилиндра ДВС, состоящем в том, что проводят механическую и термическую заготовку гильзы, а далее термическую закалку путем нагрева пучком лазерного излучения внутренней поверхности на участке l, от 0,1≤l≤(0,4…0,6)⋅S (S - ход поршня) с отсчетом от верхней торцевой поверхности гильзы при двух относительных вращениях последней относительно лазерного пучка таким образом, чтобы зоны нагрева образовали сетку, линии которой располагались под углом ϕ≤(40…45°) к продольной оси гильзы, высота образованного гребешка в зоне нагрева h≤5 мкм, расстояние между линиями t≤2,5…3 мм.To achieve the specified technical result in the known method of manufacturing an internal combustion engine cylinder liner, which consists in carrying out mechanical and thermal preparation of the liner, and then thermal hardening by heating the inner surface with a beam of laser radiation in the area l , from 0.1≤ l ≤(0, 4…0.6)⋅ S ( S is the piston stroke) counted from the upper end surface of the liner with two relative rotations of the latter relative to the laser beam so that the heating zones form a grid, the lines of which are located at an angle ϕ≤(40…45° ) to the longitudinal axis of the sleeve, the height of the formed ridge in the heating zone h ≤5 μm, the distance between the lines t ≤2.5...3 mm.
Так как процесс лазерной обработки гильзы проводится при мощности лазерного излучения 0,75…1 кВт, скорости перемещения лазерной головки 9 мм/с и длится в течение 3…5 мин, то ввиду малого времени воздействия и незначительного количества подводимой теплоты существенно уменьшается деформация гильзы и изменение ее формы от тепловой нагрузки. Since the process of laser processing of a sleeve is carried out at a laser radiation power of 0.75...1 kW, a moving speed of the laser head of 9 mm/s and lasts for 3...5 minutes, due to the short exposure time and the small amount of heat input, the deformation of the sleeve is significantly reduced and change in its shape due to thermal load.
На фиг.1 изображена схема обработки лазерным лучом внутренней поверхности гильзы цилиндра ДВС.Figure 1 shows a diagram of laser beam processing of the inner surface of an internal combustion engine cylinder liner.
На фиг.2 изображена схема расположения зон нагрева при лазерной закалке при одном направлении относительного вращения гильзы и пучка лазерного излучения, а также при вращении во взаимнопротивоположных направлениях, толщина линий нагрева, расстояние между ними и расположение линий нагрева относительно продольной оси гильзы цилиндра.Figure 2 shows a diagram of the arrangement of heating zones during laser hardening with one direction of relative rotation of the liner and the laser beam, as well as with rotation in mutually opposite directions, the thickness of the heating lines, the distance between them and the location of the heating lines relative to the longitudinal axis of the cylinder liner.
На фиг.3 изображено сечение гильзы цилиндра дизеля ТМЗ-520Д ПО «Туламашзавод» с нанесенной сеткой после закалки.Figure 3 shows a cross-section of the cylinder liner of the TMZ-520D diesel engine produced by Tulamashzavod with an applied mesh after hardening.
На фиг.4 изображен участок рабочей поверхности гильзы цилиндра дизеля воздушного охлаждения ТМЗ-520Д ПО «Туламашзавод» с измеренной шероховатостью до и после лазерной закалки.Figure 4 shows a section of the working surface of the cylinder liner of an air-cooled diesel engine TMZ-520D of the Tulamashzavod Production Association with measured roughness before and after laser hardening.
На фиг.1 показан источник лазерного излучения 1, создающий пучок 2 лазерного излучения, направленный на внутреннюю поверхность гильзы 3 под углом 45…60° к образующей стенке гильзы цилиндров или цилиндра ДВС с воздушным охлаждением.Figure 1 shows a laser radiation source 1 that creates a beam 2 of laser radiation directed at the inner surface of the liner 3 at an angle of 45...60° to the forming wall of the cylinder liner or cylinder of an air-cooled internal combustion engine.
На фиг.2 показаны спиральные зоны нагрева гильзы 8 (или цилиндра ДВС с воздушным охлаждением) при вращении ее в направлении 4 и перемещении лазерной головки в направлении 5 (см. фиг. 1), а также зоны нагрева гильзы 9 при вращении ее в направлении 6 и перемещении лазерной головки в направлении 7 (см. фиг. 1). Толщина зон нагрева 8 и 9 составляет 2,5…3 мм, они взаимно перпендикулярны и располагаются под углом ϕ≤(40…45°) к продольной оси гильзы цилиндра.Figure 2 shows the spiral heating zones of the sleeve 8 (or an air-cooled internal combustion engine cylinder) when rotating it in direction 4 and moving the laser head in direction 5 (see Fig. 1), as well as the heating zones of the sleeve 9 when rotating it in the direction 6 and moving the laser head in direction 7 (see Fig. 1). The thickness of heating zones 8 and 9 is 2.5...3 mm, they are mutually perpendicular and located at an angle ϕ≤(40...45°) to the longitudinal axis of the cylinder liner.
После лазерной обработки в зонах нагрева формируются закалочные структуры мартенсита, троостита и остаточного аустенита, обеспечивающие высокую износостойкость на этих участках. Кроме того, эти закалочные структуры образуют гребешки и изменяют шероховатость рабочей поверхности гильзы цилиндра таким образом, что между линиями закалки 8 и 9 на поверхности появляются углубления 10 (см. фиг. 2), в которых сохраняется масло. Это улучшает условия работы поршневых колец и уменьшает износ внутренней поверхности гильзы цилиндра.After laser treatment, hardening structures of martensite, troostite and retained austenite are formed in the heating zones, providing high wear resistance in these areas. In addition, these hardening structures form ridges and change the roughness of the working surface of the cylinder liner in such a way that between the hardening lines 8 and 9, depressions 10 appear on the surface (see Fig. 2), in which oil is stored. This improves the operating conditions of the piston rings and reduces wear on the inner surface of the cylinder liner.
Все это сказывается на смазке тех площадок, по которым скользят кольца и поршень. Поверхностное натяжение пленки масла заставляет его втягиваться в слишком широкие углубления 10, и тогда кольца трутся о линии закалки 8 и 9 почти без смазки. Если же углубления узки, масло легко выдавливается из них, и возникает другая проблема - чрезмерные его потери на угар. Углубление должно быть около 5 мкм, а также угол ϕ, под которым они пересекаются с продольной осью гильзы, не должен быть больше 60°. Слишком острый угол (относительно вертикальной оси гильзы) означает, что у пересечений рисок появятся чрезмерно широкие углубления - и качество смазки рядом с ними ухудшается. Оптимальный угол - 40…45° (фиг. 2). Если же он слишком велик, опять-таки возрастают потери на угар (предельный случай - продольные углубления в цилиндре).All this affects the lubrication of those areas along which the rings and piston slide. The surface tension of the oil film forces it to be drawn into the too wide recesses 10, and then the rings rub against the hardening lines 8 and 9 almost without lubrication. If the recesses are narrow, the oil is easily squeezed out of them, and another problem arises - excessive losses due to waste. The recess should be about 5 microns, and the angle ϕ at which they intersect with the longitudinal axis of the sleeve should not be more than 60°. Too sharp an angle (relative to the vertical axis of the liner) means that excessively wide recesses will appear at the intersections of the marks - and the quality of the lubricant next to them will deteriorate. The optimal angle is 40…45° (Fig. 2). If it is too large, waste losses again increase (an extreme case is longitudinal recesses in the cylinder).
Для осуществления способа на внутреннюю поверхность полностью механически обработанной гильзы путем лазерного нагрева наносят сетку в соответствии с фиг. 2. Дополнительной обработки гильза после этого не требует и может быть установлена на двигатель.To implement the method, a mesh is applied to the inner surface of a fully machined sleeve by laser heating in accordance with FIG. 2. The liner does not require additional processing after this and can be installed on the engine.
Пример конкретного выполнения способа.An example of a specific implementation of the method.
Для осуществления способа лазерного упрочнения гильзы цилиндра или цилиндра двигателя воздушного охлаждения ТМЗ-520Д ПО «Туламашзавод» на внутренней рабочей поверхности гильзы проводят нагрев пучком лазерного излучения мощностью 0,55 и 0,75 кВт и скоростью перемещения лазерной головки 9 мм/с таким образом, что при вращении гильзы цилиндра во взаимноперпендикулярных направлениях зоны нагрева образовали сетку с размерами ячейки 2,5…3 мм. Линии нагрева образуют угол ϕ≤40…45° с продольной осью цилиндра.To implement the method of laser hardening of a cylinder liner or cylinder of an air-cooled engine TMZ-520D of the Tulamashzavod Production Association, heating is carried out on the inner working surface of the liner with a beam of laser radiation with a power of 0.55 and 0.75 kW and a moving speed of the laser head of 9 mm/s in such a way that that when the cylinder liner rotated in mutually perpendicular directions, the heating zones formed a grid with cell sizes of 2.5...3 mm. The heating lines form an angle ϕ≤40…45° with the longitudinal axis of the cylinder.
Участок линии упрочнения на внутренней поверхности гильзы располагается на расстоянии 30 мм с отступом от верхнего торца 10 мм. Как показали динамические расчеты, при ходе поршня 40 мм от верхней мертвой точки боковая сила (от газовых сил и сил инерции) уменьшается, что снижает силу трения. The section of the hardening line on the inner surface of the liner is located at a distance of 30 mm with a distance of 10 mm from the upper end. As dynamic calculations have shown, with a piston stroke of 40 mm from top dead center, the lateral force (from gas forces and inertia forces) decreases, which reduces the friction force.
После измерения шероховатости сечения определили, что высота гребешка по линии нагрева h=0,5 мм, а твердость составляет 68 HRC.After measuring the cross-sectional roughness, it was determined that the height of the scallop along the heating line is h = 0.5 mm, and the hardness is 68 HRC.
Claims (1)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021125548A RU2021125548A (en) | 2023-02-28 |
| RU2809898C2 true RU2809898C2 (en) | 2023-12-19 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2084673C1 (en) * | 1994-11-01 | 1997-07-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазертерм" | Method of manufacturing sleeve for internal combustion engine |
| WO1999005327A1 (en) * | 1997-07-28 | 1999-02-04 | Imo Industries, Inc. | Laser hardening of screw forms |
| RU2345148C2 (en) * | 2006-07-13 | 2009-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева | Method of laser thermal procesing of materials |
| RU2425894C1 (en) * | 2010-03-03 | 2011-08-10 | Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) | Method of later thermal processing of complex surfaces of large-sized parts |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2084673C1 (en) * | 1994-11-01 | 1997-07-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазертерм" | Method of manufacturing sleeve for internal combustion engine |
| WO1999005327A1 (en) * | 1997-07-28 | 1999-02-04 | Imo Industries, Inc. | Laser hardening of screw forms |
| RU2345148C2 (en) * | 2006-07-13 | 2009-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева | Method of laser thermal procesing of materials |
| RU2425894C1 (en) * | 2010-03-03 | 2011-08-10 | Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) | Method of later thermal processing of complex surfaces of large-sized parts |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7104240B1 (en) | Internal combustion engine with localized lubrication control of combustion cylinders | |
| US10648056B2 (en) | Method and system for laser hardening of a surface of a workplace | |
| US4617070A (en) | Method of making wear-resistant cylinder, or cylinder liner surfaces | |
| US10294885B2 (en) | Cylinder liner for an internal combustion engine | |
| US20070101967A1 (en) | Engine and a method of making same | |
| JP7297917B2 (en) | cylinder liner and cylinder bore | |
| RU2809898C2 (en) | Method of laser thermal hardening of working surface of internal combustion engine cylinder or air-cooled engine cylinder liner | |
| KR20120071495A (en) | Cylinder for engine | |
| Butler-Smith et al. | The friction of surface textured cylinder liner segments modified by direct laser writing and direct laser interference patterning processes | |
| RU2718653C2 (en) | Piston ring with reduced friction | |
| Starostin et al. | Effect of laser hardening modes on the hardening zone geometric parameters and tribological properties of 40Cr steel | |
| JP6894879B2 (en) | Internal combustion engine cylinder and manufacturing method | |
| WO2021066067A1 (en) | Sliding structure for internal combustion engine | |
| KR20110071176A (en) | Fine groove structure of cylinder liner bore of engine | |
| US10077838B2 (en) | Piston ring configured to reduce friction | |
| JPS6354497B2 (en) | ||
| JPS60260769A (en) | Method of manufacturing cylinder liner | |
| US20170343038A1 (en) | Laser hardened crankshaft | |
| RU2226146C2 (en) | Method of finishing cylinder liner working surface | |
| US20190218634A1 (en) | Laser heat-treated shaft and method of making the same | |
| JP6166087B2 (en) | Valve lifter and manufacturing method thereof, and combination of valve lifter and counterpart material | |
| JPS58133454A (en) | Cylinder whose inner circumference is treated by hardening | |
| Nagato et al. | Seizure-resistance cast-iron surface textured by laser decomposition of graphite phase and hardened by laser quenching | |
| KR20240055074A (en) | cylinder | |
| RU2307948C2 (en) | Cylinder liner of internal combustion engine |