Клапан ДВС
Большое разнообразие материалов из которых изготавливают клапаны двс может поставить перед сложным выбором. В этой статье пойдет речь о технологиях производства клапана в каких случаях использовать те или иные клапаны, их достоинства и недостатки, облегчение и проточка «тюльпана», а также поговорим о защищающих покрытиях и методах их нанесения. Эта информация предоставлена, чтобы помочь Вам сделать обоснованное решение при модернизации клапанного механизма.
1.Технологии производства клапанов.
При изготовлении выпускных клапанов особое внимание уделяется методам изготовления и материалам способным длительно выдерживать высокую температуру и при этом сохранять прочность. К впускным требования не столь жесткие так как они имеют дополнительное охлаждение свежей топливовоздушной смесью. Необходимым свойствам соответствуют многие сплавы при соблюдении определенных технологиях, но всегда приходится чем-то жертвовать к тому же вес детали получается большим. Проводится много исследований и выявление новых материалов не стоит на месте. Множество запатентованных технологий еще не нашли своего применения на практике.
Все то множество технологий и их недостатки я описывать подробно не буду, поверхностно пройдемся по основным. Как делается тарелка клапана:
Торцевая раскатка- раскалённый стержень клапана выступает из матрицы и вращающийся под углом к оси матрицы пауссон раскатывает по кругу стержень, который постепенно подается в матрицу до придания необходимой формы. Создается направленная микроструктура метала, параллельная профилю тарелки клапана, что увеличивает прочность.
1-торец заготовки. 2-матрица. 3-паусон. 4-готовая тарелка клапана. 5-стержень.
В следующем методе заготовку подают в матрицу и похожим образом раскатывают тарелку клапана, при этом еще выдавливается ножка в отверстие что тоже дает направленную микроструктуру, подобную волокнам древесины. Существует еще несколько методов имеющих сходство с описанным.
Клапан изготавливают из стали марок: 40Х9С2, 40XH, 40Х10С2М, 20ХН4ФА, 55Х20Г9АН4, 45Х14Н-14В2М, титановых сплавов ПТ-3В, ВТ3, ВТ-14, ВТ6, с намного низкой температурной стойкостью (только впускные клапаны) ВТ18У и ВТ25У и других сплавов. Клапаны из сплавов на основе интерметаллида TiAl имеют сравнимо низкую плотность металла, соответственно и меньший вес с большей твердостью и жаропрочностью даже в сравнении с привычными сплавами на основе титана. Но возникают трудности при изготовлении по привычным технологиям, позволяющим добавить прочность, из-за низкой пластичности. В таком случае изготавливают методом литья, но в этом случае, в структуре металла образуется пористость, которая удаляется только высокотемпературным газоизостатированием, очень дорогая процедура, составляющая себестоимость клапана.
Широко применяется комбинированная система, когда стержень выполняется из низколегированных сплавов с большей твердостью, а тарелка из жаропрочных. Готовые детали в последствии свариваются различными методами или напрессовываются, конструкция считается не очень надежной.
Другой вариант изготовления, стержень и торец клапана изготавливаются из одного сплава, в последствии деформационной и термо обработки создаются разные микроструктуры метала, в головке обеспечиваются высокая твердость и сопротивление ползучести в тарелке высокая термостойкость. Опять же технологии изготовления очень дорогостоящие. Не стану описывать остальные методы, имеющие по 3-4 переходных зоны по микроструктуре и технологию отжига, все они принципиально схожи с выше описанным.
Горячая штамповка в торец- раскалённый стержень просто вдавливается в матрицу в которой метал распределяется как попало с нарушением микроструктуры, самый простой и бюджетный способ, не имеющий необходимой прочности.
2. Виды клапанов
Широко распространены всего два вида тарельчатых клапанов «Тюльпан» и «Т-образный».
Стоит разобраться в недостатках и преимуществах чтобы сделать свой выбор. И так самый распространенный это тюльпан, имеет большой запас прочности обтекаемую форму, часто большой вес.
Т- образный предназначен в большей степени для тюнингованного мотора работящего преимущественно на высоких оборотах. Имеет минимальный радиус перехода от ножки к тарелке, небольшой вес в следствии чего уменьшается нагрузка на газораспределительный механизм продлевая срок службы, сдвигает порог зависания клапана что позволяет использовать стандартные клапанные пружины, не прибегая к усиленным, отбирающих свою долю мощности, меньший износ направляющих втулок, лучшая продувка. О надежности поговорим чуть ниже.
3. Облегчение клапана типа «Тюльпан»
Из экономических соображений многие стремятся самостоятельно облегчить клапаны, покупка новых Т- образных выливается в кругленькую сумму, обычно это клапаны на основе титана, имеющие небольшой вес минимальную металлоёмкость и лучшие характеристики прочности и жаростойкости, однако в виду трудоемкого производства таких деталей себестоимость очень высока.
Выше я уже говорил, что Тюльпан изначально имеет большой запас прочности и есть возможность его облегчить ценой надежности, неоправданного риска попасть на очередную капиталку. Мало кого этот факт останавливает и начинаются поиски тех кто уже опробовал и сделать именно также, соблюдая размеры оппонента. В сети по этой теме можно найти много положительного опыта, реже попадаются печальный исход доработки.
А теперь давайте разберемся почему это происходит. В начале я описывал технологии производства клапанов и материалов. Если вы читали внимательно, то уже поняли, что большое значение имеет технология производства и созданная микроструктура в металле пусть хоть в результате термообработки или метода штамповки. Во время облегчения клапана механически удалятся часть металла в поверхностных слоях которого была заключена основная прочность всей детали. Термонагруженность тарелки возрастает вследствие чего материал клапана не способен выдерживать нагрузку и поддается деформации. Некоторые производители наносят специальные покрытия расширяющие свойства, в конце темы опишу подробнее. Из этого можно сделать вывод, вероятность обрыва тарелки 50/50, ведь вам не известна технология и материалы и действовать вы будете по опыту других или на глазок. Добавим вероятность заводского брака и возможную детонацию, и получите такой результат.
Однако не всегда так случается и судя по опыту немногих, облегченные клапаны ходят по 100тыс и продолжают исправно работать. Если вы все же решились на облегчение, задумайтесь об охлаждении тарелки, в этом поможет замена седел клапанов на бронзовые. Именно через седла отводится большая часть температуры. Об этом я уже писал в теме Седло клапана. Не допускайте острых краев и тонких кромок на тарелке, эти места будут чрезвычайно перегреты повысится вероятность детонации и приведет к прогару и разрушению клапана. Совершенно нет необходимости в фасках, сделайте плавный переход и скруглите кромку тарелки. Не забудьте притереть клапан к седлу, желательно не алмазными пастами. Рассмотрите варианты облегчения остальных подвижных частей- пружинные тарелки, коромысла или толкатели.
Предпочтение стоит отдавать конечно заводским Т- образным клапанам, не оставляя без внимания бренд, их надежность не заставит вас сомневаться. Не думайте опробовать производство из Китая даже если это титан.
4. Защищающие покрытия, методы нанесения.
Распространение получили три метода нанесения покрытия на металлы плазменно-порошковая наплавка, лазерное легирование, наплавка токами высокой частоты. Нанесенное покрытие совершенно другого металла на выпускной клапан расширяет защитные свойства детали, возможность противостоять агрессивной среде. Это позволяет выполнять клапан из более подходящих материалов по термостойкости и прочности, не прибегая к поиску золотой середины. Таким получаем прочный и легкий клапан, не способный противостоять окислению и износу, но применение тонкого слоя специального покрытия решит эту проблему.
Выхлопные газы высокой температуры наносят большой вред клапану, возникает газовая коррозия парами воды, окисление кислородом, оксидом углерода, оксидом серы, которые образуются в результате горения. Механическое воздействие расклепывает рабочую фаску увеличивается ее размер, нарушается герметичность, что приводит к прорыву раскалённых газов в щель и большему прогару.
Далее расскажу о методах нанесения покрытия, ознакомимся с каждым из них подробнее.
Плазменно-порошковая наплавка-
наиболее универсальный метод, подается гранулированный металлический порошок вместе с газом в плазмотрон. Такой метод позволяет наносить качественное покрытие толщеной 0.5-5.0мм, растворимость металла детали в наплавленном слое всего 5%, возможное отклонение от номинала толщены- 0.5мм, минимальная окисляемость наплавляемого слоя за счет подаваемого в плазмотрон газа, минимальная зона термического влияния.
Лазерное легирование-
на деталь воздействует луч лазера разогревая поверхность чуть больше температуры плавления основы. Температура регулируется мощностью лазера и диаметром луча. В результате происходит активное перемешивание легирующего металла размещенного на поверхности основы с металлом детали на глубину примерно 1-2 мм. Такой метод позволяет наносить покрытия стеллита, вольфрамохромокобальтового сплава. Растворимость основного металла в покрытии 5-10%.
Наплавка токами высокой частоты-
На тарелку клапана устанавливается кольцо из наплавляемого металла, между клапаном и кольцом находится порошковый флюс или газовая среда (аргон, азот) под действие тока высокой частоты разогревается кольцо и подогревается тарелка клапана до температуры диффузии металлов, место нанесения покрытия охлаждается водой с другой стороны клапана, таким образом происходит намораживание наплавляемого слоя, при этом клапан вращается для обеспечения равномерности нагрева. Таким образом наносят самофлюсующиеся сплавы ЭП616, ЭП616А, ЭП616Б, ЭП616В значительно дешевле кобальтовых стеллитов и имеют достаточную твердость и стойкость к коррозии. Растворимость основного металла в слое покрытия 20-30%.
Тарелка титанового клапана с покрытием нитрид хрома (CrN)
Пример с покрытием из нитрида титана, обеспечивает высокую твердость.
Противостоит отложению нагара и окислению.
Источник
Материалы для изготовления клапанов механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания
К клапанам механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания предъявляются повышенные требования, поэтому для их изготовления применяется комбинирование различных материалов, а также использование специальных наплавок и покрытий. Особое внимание уделяют разработке клапанных сталей и сплавов, которые функционируют при температуре более 580 градусов Цельсия. К примеру, впускные клапаны дизельного двигателя КамАЗ изготавливаются из стали 40Х10СМ2 мартенистого класса. Работающие при более высокой температуре выпускные клапаны изготавливаются из стали ЭП-303М (5Х20Н4А19М) аустенитного класса. Рабочая фаска данных клапанов выполняется путём наплавки сплавом ВЗК типа «Стелит», который содержит до 60% кобальта.
С целью замены дефицитных добавок внедрены сплавы на никелевой основе, которые не содержат кобальта (ЭП-649, ЭП-616, ЭП-615). К недостаткам данных сплавов можно отнести снижение твёрдости при температуре 1300 градусов Цельсия, в сравнение со сплавом ВЗК.
Впускные клапаны дизельных двигателей (СМД-60, Д-240, Д-65Н, Д-144, А-41) изготавливаются из стали 40Х10СТМ, а выпускные клапаны двигателей (Д-144, СМД-60, А-41) – из стали ЭП-616, а двигателей (СМД-14, Д-240, Д-65Н) – из стали 40Х10СМ2.
Особые требования предъявляют к материалу изготовления выпускных клапанов карбюраторного двигателя, формированного по скоростному режиму, который подвержен максимальным термическим и механическим нагрузкам. Для клапанов данных двигателей применяется жаропрочная сталь ЭП970, которая не отличается от стали ЭП303.
Источник
Технология изготовления клапанов
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Января 2014 в 19:54, реферат
Описание работы
Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, имеют ограниченные размеры и работают в тяжелых условиях: большие динамические нагрузки и высокие скорости перемещения в направляющих втулках при ограниченной смазке, сложность теплоотвода и неравномерный нагрев отдельных участков продуктами сгорания, обладающими повышенной коррозийной агрессивностью. Поэтому принятые материалы и конструкция отдельных элементов клапана должны обеспечивать ему высокую прочность, износостойкость, стойкость против коробления корродирования.
Содержание работы
ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТАЛИ И ЕЁ НАЗНАЧЕНИЕ………………………………..…………………………. 3
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ…..……………………………. 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЗОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ …………………….….6
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ……………………….9
ПРИМЕНЯЕМЫЕ РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ………………………15
ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ………………. …………………..19
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА…………. 24
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………..29
Файлы: 1 файл
техмаш клапаны.doc
СОДЕРЖАНИЕ
ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТАЛИ И ЕЁ НАЗНАЧЕНИЕ………………………………..……………… …………. 3
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ…..……………………………. 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЗОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ …………………….….6
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ……………………….9
ПРИМЕНЯЕМЫЕ РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ………………………15
ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ………………. ………………….. 19
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА…………. 24
Общие характеристики детали и её назначение
Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, имеют ограниченные размеры и работают в тяжелых условиях: большие динамические нагрузки и высокие скорости перемещения в направляющих втулках при ограниченной смазке, сложность теплоотвода и неравномерный нагрев отдельных участков продуктами сгорания, обладающими повышенной коррозийной агрессивностью. Поэтому принятые материалы и конструкция отдельных элементов клапана должны обеспечивать ему высокую прочность, износостойкость, стойкость против коробления корродирования.
Клапаны используются в газораспределительном механизме двигателя и непосредственно осуществляют подачу в цилиндры воздуха (топливно-воздушной смеси) и выпуск отработавших газов. На современных двигателях клапаны располагаются в головке блока цилиндров, а место соприкосновения клапана с ней называется седлом. Различают впускные и выпускные клапаны. Для лучшего наполнения цилиндров диаметр тарелки впускного клапана, как правило, больше, чем выпускного.
Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень. Пружина закреплена на стержне с помощью тарелки пружины и сухарей. Клапанные пружины имеют определенную жесткость, обеспечивающую закрытие клапана при работе. Для предупреждения резонансных колебаний на клапанах может устанавливаться две пружины меньшей жесткости, имеющие противоположную навивку.
Большинство современных ДВС имеют по два впускных и два выпускных клапана на каждый цилиндр. Помимо данной схемы ГРМ используется: двухклапанная схема (один впускной, один выпускной), трехклапанная схема (два впускных, один выпускной), пятиклапанная схема (три впускных, два выпускных). Использование большего числа клапанов ограничивается размером камеры сгорания и сложностью привода.
Клапаны поршневых двигателей состоят из головки 2 и стержня 3 (рис. 1). Различают клапаны с плоской 2, выпуклой 7 и тюльпанообразной 8 головками. Головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску» снятую под углом 45 или 30°. Фаска с углом 30° применяется только для впускных клапанов, а угол 45° используется как для впускных, так и выпускных клапанов. Цилиндрический поясок позволяет сохранять основной размер клапана (dk) в случае перешлифовки уплотняющей фаски при ремонтах, увеличивает жесткость его головки и предохраняет ее кромки от разрушения. Клапаны, оставшиеся без цилиндрического пояска, легко обгорают и становятся непригодными для работы.
Рис. 1 — Клапаны, направляющие втулки и седла клапанов
Чтобы улучшить теплоотвод и увеличить жесткость клапана поверхность его головки со стороны стержня выполняют наклонной с углом подъема 10-30° и плавным переходом к стержню (см. рис. 1). Для впускных клапанов угол выбирают около 10-15°, у выпускных он ближе к 20—30°.
Клапаны изготовляют из пруткового материала на горизонтально-ковочных машинах и тщательно обрабатывают. Уплотнительные фаски клапанов шлифуют и притирают к сёдлам, а стержни подвергают термообработке, шлифовке и полировке. В некоторых моделях ГАЗ, ЗИЛ и других двигателей стержни клапанов покрывают пористым хромом. Торцы стержней, соударяющиеся с коромыслами (регулировочными болтами в нижнеклапанных механизмах), на длине 3—5 мм закаливают до высокой твердости (двигатели ГАЗ, ЗИЛ и др.). Иногда их наплавляют твердыми сплавами или снабжают специальными легкосъемными стальными термообработанными наконечниками — колпачками, обладающими высокой износостойкостью (двигатель МЗМА-408).
На концах стержней клапанов в зависимости от принятого способа крепления клапанных пружин делают цилиндрические, конусные или фасонные проточки (см. рис. 1). Иногда в стержнях делают отверстия под чеку (ЗИЛ-5 и 120), а в дизеле В-2 стержни клапанов имеют осевое сверление с нарезкой и продольные шлицы с наружной стороны.
В автомобильных двигателях распространение получили клапаны (как впускные, так и выпускные) с плоской головкой и углом фаски 45°, причем с целью улучшения наполнения цилиндров головку впускного клапана делают больше головки выпускного. Отношение их диаметров в существующих конструкциях изменяется в пределах 1,1-1,3.
Для впускных клапанов применяют также тюльпанообразные головки (см. рис. 1, позиция 8). По сравнению с плоскими головками они имеют лучшую обтекаемость со стороны входа потока и несколько улучшают процесс вихреобразования в цилиндре. Объясняется это тем, что за клапаном возникает движение потока воздуха, повторяющее геометрическую форму впадины в его головке.
Головка впускных клапанов во время работы периодически омывается сравнительно холодным потоком, но все-таки нагревается до температуры 300—400°С. Однако для впускных клапанов, изготовляемых обычно из хромистых 40Х, хромоникелевых 40ХН и аналогичных им сталей, это не представляет опасности. Поэтому головки их выполняют иногда с углом фаски 30° (например, в двигателях ЗИЛ-130 и др.). Такая фаска хотя и снижает общую жесткость клапана, но обеспечивает большую величину площади его проходного отверстия при заданной высоте подъема.
Способ получения заготовки
Клапаны автомобильных двигателей согласно ГОСТ 1287 — 47 рекомендуется изготовлять из стали марок 40Х и 40XНМЛ ( ЗИЛ-НО) впускные и Х9С2 и Х13Н7С2 ( ЗИЛ-110) выпускные.
Для изготовления клапанов автомобильных двигателей также принят дифференцированный способ. Поковки изготавливаются методом выдавливания. Подготовительная операция, состоящая из перераспределения металла, выполняется на молоте в двухручьевом штампе, а на горизонтально-ковочной машине производится высадка тарелки клапана. В ряде случаев штампуется отдельно головка клапана с последующей приваркой к ней стержня. Масса поковок составляет от 0 130 до 0 25 кг. Все поковки подвергаются закалке после штамповки с ковочного нагрева. Типовым примером изготовления поковок выдавливанием за два перехода может служить штамповка клапана автомобильного двигателя.
Для изготовления поковок клапанов применяют операции прямого выдавливания. Сначала выполняют предварительное прямое выдавливание стержня из заготовки, диаметр которой несколько меньше диаметра тарельчатой части клапана. Объем металла в части заготовки, оставшейся недеформированной, примерно соответствует объему будущей тарельчатой части, которую оформляют на следующей. Здесь одновременно придают окончательную форму клапана закрытой осадкой и удлиняют его стержень вливанием. Штамповкой плашмя получают поковки с вытянутой и (или) изогнутой осью. Процесс всегда осуществляется с облом. По содержанию формообразующих переходов он отличается от штамповки осе симметричных деталей. Здесь важную роль играют предварительные ручьи штампа, называемые податными. Форма их полостей представляет собой приближенные, сглаженные очертания будущей поковки, что позволяет так перераспределить металл вдоль продольной оси, чтобы исключить брак из-за недостаточно качественного заполнения. Для деталей с изогнутой осью обязательна гибка, выполняемая в специальном ручье. В ряде случаев штамповку в податных ручьях заменяют, вальцовкой на ковочных вальцах или станах поперечно-клиновой прокатки, установленных на участке штамповки.
Определение базовых поверхностей
База в машиностроении — совокупность поверхностей, линий или точек,относительно которых определяют положение поверхности, линии или точки обрабатываемой заготовки. Различают конструкторские базы, относительно которых ориентируются другие детали в изделии; технологические базы (основные и вспомогательные), используемые для определения положения заготовки или изделия в процессе изготовления или ремонта; измерительные базы, которые служат для определения относительного положения заготовки или изделия и средств измерения.
Правильное назначение баз и рациональный выбор базирующих поверхностей в значительной степени определяют точность выполнения заданных размеров, конструкцию оборудования и приспособлений, производительность и экономичность процесса изготовления.
Чтобы произвести выбор баз, необходимо внимательно изучить рабочий чертёж детали и заготовки с точки зрения точности получаемых размеров. Выбирая базы, нужно руководствоваться правилами: шести точек, неизменности баз и совмещения баз. Погрешность базирования должна быть равной нулю. Выбор установочных баз в значительной степени предопределяет последовательность технологических операций, поэтому, решая вопрос о базах, нужно решить вопрос об общем плане технологического процесса.
В соответствии с положением теории базирования о шести степенях свободы и шести удерживающих связях, необходимых для ориентации твердого тела в пространстве, технологи в своей работе руководствуются известным правилом шести точек, из которого следует, что для полной ориентации детали в приспособлении или механизме необходимо и достаточно шесть удерживающих жестких двусторонних связей. Поэтому при конструировании приспособлений или механизмов необходимо обеспечить, кроме шести опорных точек, плотное и непрерывное соприкосновение соответствующих поверхностей деталей с опорными точками при помощи прижимов, которые и образуют двусторонние удерживающие связи.
Для повышения точности и надежности ориентации деталей при выборе базы в качестве установочной следует принимать поверхность с наибольшими размерами, позволяющими расположить три условные опорные точки достаточно далеко друг от друга. В качестве направляющей базы с той же целью принимают самую длинную поверхность, а опорной базой деталей может служить поверхность любых, даже самых малых размеров, при условии достаточно хорошего ее состояния и постоянства формы.
Для повышения точности деталей и собранных узлов необходимо применять принцип совмещения баз — совмещать технологическую, измерительную и конструкторскую базы.
Целесообразно соблюдать принцип постоянства базы. При перемене баз в ходе технологического процесса точность обработки снижается из—за погрешности взаимного расположения новых и применявшихся ранее технологических баз.
При высоких требованиях точности обработки необходимо выбирать такую схему базирования, которая обеспечивает наименьшую погрешность установки.
Для установки заготовок на первой операции технологического процесса используют чёрные необработанные поверхности, применяемые в качестве технологических баз. Эти поверхности используют однократно, при первой установке, так как повторная установка на необработанной поверхности может привести к значительным погрешностям во взаимном расположении обработанных при этих установках поверхностей.
Применим вышеуказанные правила к проектируемой детали. В качестве конструкторской и измерительной базы назначаем торец диаметром 42 миллиметра. Технологической базой при проведении операций точения назначаю центровые отверстия, при проведении операции шлифования — торец, при сверлении, а также отрезании центров — поверхности 011 и 042 миллиметров.
Схематично технологические базы при выполнении различных операций изображены в таблице.
Источник
