Способ изготовления поршня с упрочняющим нирезистовым кольцом методом твёрдожидкого формования

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при производстве поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) из алюминиевых сплавов с упрочняющими вставками методами твердожидкого формования. Способ включает изготовление тиксозаготовки, доведение ее до твердожидкого состояния, установку в формообразующую полость штампового инструмента и последующую штамповку изделия с образованием корпуса и юбки поршня. Изготовление тиксозаготовки осуществляют в емкости в виде тонкостенного металлического стакана с формирующими его дно металлическим кольцом и керамической вставкой в нижней части, и с размещенным на выступах металлического кольца по его внутренней поверхности алитированным нирезистовым кольцом, в которую заливают перемешанный алюминиевый расплав, закрывают после заполнения ее верхний торец керамической вставкой и создают условия для формирования однородной глобулярной микроструктуры материала тиксозаготовки, после чего тиксозаготовку охлаждают и удаляют из емкости для последующей штамповки изделия. Изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики изделия в целом и упрочнить зоны канавки под первое компрессионное поршневое кольцо. 2 з.п. ф-лы. 5 ил.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при производстве поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) из алюминиевых сплавов с упрочняющими вставками методами твердожидкого формования.

Аналогом заявляемого способа является известный способ изготовления алюминиевых поршней ДВС с применением вставок из более твердых материалов, в которых выполняют канавки для поршневых колец, методом литья с кристаллизации под давлением (см. Липчин Т.Н. Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением. // Пермь: Из-во ТГУ. Перм. отд-ние, 1991, с. 117). Данный способ включает установку упрочняющих вставок в штамп, заливку в штамп алюминиевого расплава, формование и кристаллизацию под давлением.

Недостаток известного способа состоит в том, что не обеспечивается достаточная прочность поршня в целом в связи с возможными дефектами структуры.

Прототипом заявляемого способа является способ изготовления поршней ДВС методами твердожидкого формования, peo- и тиксоформования (Н.V. AtkinsonandP. J. Ward Thixoforming of Hypereutectic Al/Si Automotive Pistons. 2008. URL www.scientific.net/SSP.141-143.201). При этом предварительно полученную заготовку нагревают до твердожидкого состояния и устанавливают в формообразующую полость штампового инструмента, после чего за один рабочий ход инструмента выполняют формование изделия. Данный способ позволяет повысить эксплуатационные характеристики поршня в сравнении с технологией литья под давлением и значительно снизить количество возможных дефектов в изделии, характерных для литейных процессов, вплоть до их полного отсутствия.

Недостаток прототипа заключается в том, что недостаточно упрочненной остается зона канавки под первое компрессионное поршневое кольцо, к которой предъявляются повышенные требования прочности и износостойкости. Применение в этой зоне упрочняющего кольца сопряжено со сложностями ввиду низкой интенсивности адгезивного процесса между материалами упрочняющего кольца и твердожидким металлом заготовки, попадания оксидной пленки на границу раздела материалов упрочняющего кольца и заготовки, высокой вероятности разрушения упрочняющего кольца в процессе заполнения полости штампа твердожидким металлом, сложности точного позиционирования упрочняющего кольца и твердожидкой заготовки в штамповом пространстве.

Техническим результатом заявляемого способа изготовления поршней ДВС с нирезистовой вставкой является повышение эксплуатационных характеристик изделия в целом и упрочнение зоны канавки под первое компрессионное поршневое кольцо.

Технический результат заявляемого способа достигается тем, с глобулярной структурой получают заливкой глобулизированного расплавленного металла с использованием известных способов перемешивания (на графических изображениях не показано), например, электромагнитного или магнитогидродинамического, в емкость, выполненную в виде тонкостенного стакана с размещенным на выступах по его внутренней поверхности нирезистовым кольцом, обеспечивая таким образом условия для формирования необходимой адгезивной связи между материалами упрочняющей вставки и поршня, отсутствие оксидных включений на границе раздела материалов и формирование глобулярной структуры в заготовке. При этом точная установка упрочняющего кольца в заданной области тиксозаготовки и сходство геометрии нижнего торца тиксозаготовки с соответствующей областью заготовки поршня обеспечивает снижение нагрузки на упрочняющее кольцо вовремя формования, не допуская его разрушения в процессе формования.

После заливки емкости расплавленным металлом заготовку охлаждают до комнатной температуры и удаляют из стакана для последующего нагрева до твердожидкого состояния и штамповки, либо заготовку охлаждают в стакане до твердожидкого состояния, после чего сразу передают на штамповку.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - стакан для получения тиксозаготовок с нирезистовым кольцом, заполненный алюминиевым расплавом;

фиг. 2 - тиксозаготовка с упрочняющей вставкой

фиг. 3 - размещение тиксозаготовки в штампе;

фиг. 4 - окончание формования заготовки поршня;

фиг. 5 - удаление заготовки поршня из штампа

Емкость 1 для получения тиксозаготовок с нирезистовым кольцом состоит из тонкостенной металлической трубы 7, с установленными в ее нижней части металлическим кольцом 3 и керамической вставкой 4, формирующими дно стакана. При этом геометрия дна стакана приближена к геометрии дна матрицы штампа, что позволяет получить тиксозаготовку с нижней торцевой поверхностью приблизительно повторяющей геометрию дна заготовки поршня. На выступы 8 кольца 3 устанавливают упрочняющую вставку 2, после чего заполняют емкость 1 алюминиевым расплавом 6 с использованием известных способов перемешивания и глобулизации структуры, например, электромагнитное или магнитогидродинамическое перемешивание. После заполнения емкости 1 ее верхний торец закрывают керамической вставкой 5. Применение тонкостенной металлической трубы 7 и керамических вставок 4, 5 создают условия затрудненного теплоотвода по торцам тиксозаготовки и обеспечивают оптимальные условия для формирования однородной глобулярной микроструктуры материала тиксозаготовки. После кристаллизации алюминиевого расплава емкость 1 опускают в воду для охлаждения. Полученная тикозаготовка 9 имеет нижнюю торцевую поверхность 10, приблизительно повторяющую геометрию дна заготовки поршня. При этом выступающая часть упрочняющего кольца 2 служит опорной поверхностью 11 при установке тиксозаготовки 9 в штамп. Таким образом обеспечиваются условия минимального течения металла тиксозаготовки 9 в области установки упрочняющего кольца в процессе формования заготовки поршня.

На втором этапе предлагаемого способа изготовления поршней ДВС с упрочняющей вставкой полученную тикозаготовку 9 нагревают в печи до температуры тиксоформования, после чего устанавливают в предварительно нагретый штамп 12, таким образом, чтобы поверхность 11 тиксозаготовки 9 опиралась на поверхность выступов 13 матрицы 14. После установки тиксозаготовки 9 в штамп 12 выполняют формования рабочим ходом пуансона 15. Кристаллизацию полученной заготовки поршня 16 выполняют под давлением посредством приложения усилия со стороны пуансона 15 и выталкивателя 17. После полной кристаллизации заготовку поршня 16 с упрочняющей вставкой 2 извлекают из штампа 12 ходом выталкивателя 17.

При нагреве тиксозаготовки в инертной среде, например, в аргоне, снижается интенсивность образования окислов на поверхности заготовки и, как следствие, снижается вероятность попадания окислов с поверхности в тело заготовки поршня во время формования, что положительным образом сказывается на качестве получаемого изделия.

1. Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания из алюминиевых сплавов тиксоформованием, включающий изготовление тиксозаготовки, доведение ее до твердожидкого состояния, установку в формообразующую полость штампового инструмента и последующую штамповку изделия с образованием корпуса и юбки поршня, отличающийся тем, что изготовление тиксозаготовки осуществляют в емкости в виде тонкостенного металлического стакана с формирующими его дно металлическим кольцом и керамической вставкой в нижней части, и с размещенным на выступах металлического кольца по его внутренней поверхности алитированным нирезистовым кольцом, в которую заливают перемешанный алюминиевый расплав, закрывают после заполнения ее верхний торец керамической вставкой и создают условия для формирования однородной глобулярной микроструктуры материала тиксозаготовки, после чего тиксозаготовку охлаждают и удаляют из емкости для последующей штамповки изделия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученную тиксозаготовку охлаждают в емкости до твердожидкого состояния, после чего сразу передают на штамповку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют электромагнитное или магнитно-гидродинамическое перемешивание.