Проектирование, испытания, производство

Технология проектирования поршней

С 2000 года в ОАО «АВТРАМАТ» начала создаваться и в настоящее время реализована система сквозного проектирования, суть которой в том, что технологический процесс изготовления изделия непосредственно связан с конструкцией и разработка последней проводится одновременно с разработкой технологии. Такой подход существенно сократил количество итераций при постановке на производство. Поскольку основным изделием завода является поршень, то и система построена вокруг разработки и производства поршня. Основной целью при проектировании является снижение потерь трения в цилиндропоршневой группе, что возможно за счет снижения инерционных масс и оптимизации контактных поверхностей. При этом недопустима потеря работоспособности и ресурса. Не менее важной целью является снижение издержек производства, что в свою очередь ставит ряд задач по оптимизации технологии. В связи с этим система проектирования разделена на следующие этапы:

- изучение прототипов;

- геометрическое 3-D моделирование;

- численное моделирование системы теплового и силового воздействия на основании граничных условий работы прототипов и моделей этого воздействия; 

- минимизация массы по критерию «не хуже чем прототип»;

- расчет внешнего профиля поршня;

- 3-D моделирование заготовки (отливки) и оснастки для ее получения;

- оптимизация технологии получения заготовки;

- 3-D моделирование критических операций получения изделия;

- оптимизация технологии базирования и обработки.

Принципиальная часть разработанной технологии проектирования поршня защищена патентами Украины (UA 66120) и Российской федерации (RU 2 256 897 C1).

Производство 

Процесс производства поршней включает в себя получение заготовки, термообработку, механообработку, нанесение покрытий.Существует два основных способа получения заготовок поршней: горячая штамповка и литье. Метод горячей штамповки обычно используется для производства поршней, к которым предъявляются особые требования по прочности. Эти поршни высоконагруженных бензиновых двигателей (авиация, автоспорт) и тронки составных поршней крупных дизельных двигателей. Материал штампованного поршня имеет плотную структуру, не имеющую пор. 

В ОАО "АВТРАМАТ" применяется литье в кокиль - гравитационное или под низким давлением. Тип кокильного литья определяется такими факторами как: программа выпуска, размеры поршня, используемый материал, требования к механическим свойствам изделия. Гравитационным методом производится большинство автомобильных и легких промышленных поршней. Он позволяет произвести большое число отливок в одной и той же литейной оснастке.  

Внутренняя поверхность поршня формируется стержнем, который может быть цельным (моноклин) или состоять из 3-7 частей (клиньев). Наружная поверхность поршня формируется матрицей, образованной несколькими частями (обычно двумя). Иногда используется стержень, формирующий днище с камерой сгорания. Собранные вместе компоненты образуют литьевую форму - кокиль. 

Гибкость формы позволяет вносить изменения в конструкцию отливаемой детали и внедрять в отливку другие детали, такие как нирезистовые вставки или разрушаемые стержни. Готовые поршни обладают хорошими механическими свойствами и постоянными размерами. 

Литье под низким давлением дает более прочный поршень, чем гравитационное литье. Этим методом изготавливаются поршни для высокофорсированных дизелей. При этом типе литья для упрочнения кромки камеры сгорания в отливку может быть внедрена вставка из металлокерамического волокна, что невозможно при горячей штамповке. Расплавленный металл заливается в форму и находится под давлением во время отвердения. 

Этот метод часто используется для производства небольших тонкостенных поршней, например, компрессоров, а также для других применений. Металл подается в форму с помощью вакуума или поддавливается столбом расплавленного металла, что обеспечивает хорошую проливаемость мелких конструктивных элементов.  

Литейные машины, кокили и оснастка проектируются и производятся непосредственно в ОАО "АВТРАМАТ", что позволяет в максимально короткий срок освоить выпуск нового изделия. Сложные формообразующие поверхности литейной оснастки обрабатываются на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). 

После литья и кристаллизации материал заготовки не обладает достаточной прочностью, твердостью и стабильностью при высоких температурах. Для улучшения структуры материала и придания необходимых механических свойств заготовку подвергают термообработке. В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, далее может иметь место один из двух вариантов: 

1. Поршням дают остыть до комнатной температуры, отрезают литники и выпоры (прибыли) и загружают в печь при температуре около 515°С на 4 часа. Затем поршни закаляют в кипящей воде, которая их быстро охлаждает и замораживает в алюминии магний и медь. Это называется термической обработкой на твердый раствор, т.к. конечным результатом является твердый раствор меди и магния в алюминии. 

2. После удаления из пресс-формы отливки немедленно обдуваются воздухом (воздушная закалка). Это достаточно быстро их охлаждает, чтобы исключить выделение осадка и связать (заморозить) медь и магний в твердом растворе.Этот процесс называется «Воздушная закалка после пресс-формы» и позволяет снизить энергозатраты и подготовительно-наладочное время, благодаря устранению обработки на твердый раствор. Таким методом сейчас производят 80% поршней. При обоих вариантах обработки поршни затем подвергаются процессу старения (примерно 4 часа при температуре около 220°С), в результате которого образуется контролируемая структура материала по всему поршню.После термообработки поршни подвергаются механической обработке для достижения заданных геометрических параметров и различных дополнительных свойств.