Công nghệ chế tạo piston động cơ đốt trong

1.  NHỮNG YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA PISTON Piston là một chi tiết máy trong động cơ đốt trong, có tác dụng quyết định đến công suất và hiệu suất của động. Vì phải làm việc trong những điều kiện khó khăn: áp suất lớn, nhiệt độ cao, tốc độ dịch chuyển cao nên piston phải có hình dạng, kích thước chính xác, kết cấu gọn, nhẹ, cân bằng. Piston thường được làm theo dạng hình trụ tròn xoay hoặc hơi côn. Piston được chia làm 2 phần: đầu và thân piston. 1.1- Đầu piston

Chiếm khoảng 1/3 chiều cao piston gồm đỉnh và thân có rãnh séc măng. Phần đầu piston là phần chính chịu áp lực và nhiệt khi piston làm việc. – Đỉnh piston có dạng phẳng hoặc định hình tạo thành một phần buồng đốt của động cơ. Một số đỉnh piston động cơ điêzen có đỉnh dạng đặc biệt, độ chính xác về hình dạng đỉnh không yêu cầu quá cao. Yêu cầu kỹ thuật chung của đỉnh khi gia công đạt độ bóng 5 ~6 (Rz = 20) phải đảm bảo chiều dày đỉnh, tuyệt đối không bị rỗ khi đúc. – Vùng rãnh séc măng: có từ 3 đến 6 rãnh để lắp sec măng. Các rãnh sec măng hơi thường được chế tạo cùng một kích thước danh nghĩa nhưng phạm vi sai lệch không giống nhau, rãnh trên thường lớn hơn rãnh dưới 0,02 ¸ 0,03mm. Các rãnh này được dùng để lắp các sec măng hơi cùng chiều dày (cho dễ chế tạo và đỡ lẫn khi lắp ráp). Các vành đai ngăn cách giữa các rãnh sec-măng có kích thước đường kính theo hình bậc thang lớn dần về phía dưới D2 = D1 +(0,2 ~0,3). + Mặt trụ ngoài và cạnh của rãnh sec măng phải đạt độ bóng 6 ~7 (Ra = 2,5 ~1,25). Chiều rộng rãnh sai lệch cho phép không quá +0,025mm. + Đường kính ngoài của đầu piston cho phép sai số không quá 0,1mm. Độ chính xác và độ bóng của đường kính bên trong rãnh không yêu cầu cao 5; dung sai kích thước 0,2~ 0,25mm). + Phải đảm bảo độ vuông góc giữa rãnh sec măng và đường kính tâm piston, sai số không quá 0,05/100. + Độ đồng tâm giữa phần đầu và thân piston sai số không quá 0,1mm. + Khoảng cách từ đỉnh piston đến rãnh sec măng không sai quá ±0,3mm, riêng đối với rãnh đầu không quá ± 0,15mm. + Chiều dày các vành đai ngăn cách giữa các sec măng sai lệch không quá ± 0,2mm. 1.2- Thân piston

a) Thân piston làm nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động nên yêu cầu về độ bóng và độ chính xác khá cao: + Độ nhám bề mặt yêu cầu 7 – 8 (Ra = 1,25 ~ 0,63). + Đường kính thân đạt cấp chính xác 2 (TCVN) (cấp 7 ISO). (Đối với các piston có đường kính D: 80 ~ 150mm chỉ cho phép sai lệch 0,02 ~ 0,03mm). Để đảm bảo piston không bị bó kẹt khi dẫn nở nhiệt, piston nhôm được chế tạo thân có hình côn (nhỏ dần về phía đỉnh) với độ côn trung bình 0,1/100. Tiết diện ngang thân được gia công hình ôvan (đường kính nhỏ nằm về phía đường tâm lỗ chốt) với độ ôvan trung bình 0,15 ~ 0,3mm. Piston gang có thể làm tròn xoay. + Độ dày của vách piston không được chênh lệch quá 0,5mm trên cùng một tiết diện. Đối với các piston của động cơ cao tốc, để giảm trọng lượng người ta thường thiết kế piston có vát 2 bên thân (xem hình 2.1). Với loại thân vát này sẽ giảm được ma sát giữa thân và thành xylanh đồng thời tránh được va đập giữa thân piston và má trục khuỷu nhất là với loại động cơ có hành trình piston ngắn. Thân piston gồm 2 loại: thân cứng và mềm. Piston thân cứng là loại thân không xẻ rãnh phòng nở hoặc rãnh phòng nở không xẻ dài hết chiều dài thân. Loại này thường là piston gang hoặc piston nhôm của động cơ điêzen có chiều dày thân đánh kể. Tiết diện ngang của thân chỉ làm ôvan ở khoảng có lỗ chốt và côn theo chiều dài thân. Piston thân mềm thường gặp ở động cơ xăng chiều dày thân mỏng. Dọc theo thân có rãnh phòng nở phay hết chiều dài thân. Loại thân mềm có độ cứng vững kém. b) Lỗ chốt piston Độ chính xác về kích thước, hình dạng và vị trí của lỗ chốt có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sử dụng piston. Sau đây là một số yêu cầu về độ chính xác của lỗ chốt. + Đường kính lỗ chốt cho phép sai số chế tạo không quá 0,01 ~ 0,015mm. + Độ côn và độ ôvan của lỗ không quá 0,005mm. + Độ không đồng tâm giữa hai lỗ không quá 0,005mm. + Độ nhám bề mặt lỗ không thấp hơn 8 (Ra = 0,63). Đối với piston đỉnh phẳng, sai số khoảng cách từ tâm lỗ chốt đến đỉnh không vượt quá 0,1mm. Đối với piston có đỉnh định hình cho phép sai số không quá 0,2mm. + Độ không vuông góc giữa tâm lỗ chốt và tâm piston không quá 0,02~0,04/100mm. + Độ lệch tâm giữa tâm lỗ chốt và tâm piston theo mặt phẳng ngang không vượt quá 0,1mm. + Đảm bảo độ dày đều giữa lỗ và bệ lỗ chốt (chênh lệch không quá 0,5mm). + Chiều rộng rãnh hãm chốt không sai lệch quá 0,1mm. Piston sau khi chế tạo xong được phân nhóm lắp ráp giữa piston – xylanh và chốt piston – piston. Thường phân nhóm lắp ráp từ 4 đến 5 nhóm. Ngoài ra còn qui định dung sai về trọng lượng của từng loại piston. Sai lệch về trọng lượng của các piston được lắp trên cùng một động cơ không vượt quá giá trị 5~ 10gr. 2- VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ PHÔI PISTON

2.1- Vật liệu chế tạo Do phải làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao, chịu ma sát lớn do đó vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau: – Trọng lượng riêng nhỏ – Độ bền cao – Hệ số ma sát nhỏ – Chịu mài mòn và chịu ăn mòn cao – Hệ số dãn nở nhiệt thấp – Dễ gia công (đúc, cắt gọt) – Dễ tìm. Các vật liệu phù hợp với yêu cầu trên là gang, thép, hợp kim nhôm. Để chống giãn nở nhiệt, người ta chế tạo loại piston có lót một vành đai làm bằng hợp kim Inva (là hợp kim của sắt và niken) ở phần có rãnh xécmăng trên cùng hoặc phần lỗ chốt. 1- Gang Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu để chế tạo piston. – Gang xám có độ bền cơ học cao, độ bền nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, tính công nghệ đúc và cắt gọt tương đối tốt, rẻ tiền. – Tuy nhiên gang xám có một số nhược điểm: Trọng lượng riêng lớn, ở nhiệt độ cao (725oC) dễ bị nứt nẻ. Do nhược điểm trên nên ít sử dụng gang xám để chế tạo piston của các động cơ cao tốc và tải trọng lớn. – Gang dẻo Peclit có tổ chức Peclit như gang xám nhưng có độ bền cao hơn vì grafit ở dạng tập trung. Gang dẻo được dùng trong các động cơ 2 kỳ có tải trọng lớn. – Gang cầu có độ bền cao, chịu nhiệt cao, chịu mài mòn cao. 2- Thép Thép có tỷ trọng lớn nhưng có độ bền cao nên có thể chế tạo các piston thành mỏng. Tuy nhiên vật liệu thép ít dùng vì giá thành cao. 3- Hợp kim nhôm  Hợp kim nhôm đúc được sử dụng nhiều trong chế tạo piston. Piston nhôm có các ưu điểm: – Trọng lượng riêng nhỏ. – Truyền nhiệt tốt. – Hệ số ma sát nhỏ. – Dễ gia công cắt gọt. Tuy vậy piston nhôm có nhược điểm: hệ số giãn nở nhiệt lớn, khả năng chịu mài mòn kém hơn gang. Hợp kim nhôm thường dùng là Al-Cu và Al-Si. Vật liệu được dùng phổ biến là loại Aậ-10B có các thành phần chính sau: Mg: 0,2~0,5% ; Cu 4 ~8%; Si: 4 ~6%; còn lại Al. Hiện nay nhiều nơi sử dụng hợp kim nhôm đúc có hệ số giãn nở nhiệt thấp, trọng lượng riêng nhỏ và có khả năng chịu nhiệt và chịu mài mòn tốt hơn Aậ-10B. Thành phần hợp kim này như sau: Si: 11 ~13% ; Ni: 0,8 ~1,3%; Mg: 0,8 ~1,3% ; Ti: 0,05 ~0,2%; Mn: 0,3 ~0,6% ; Zn: £ 0,5%; Fe: £ 0,8% ; Sn: £ 0,02%; Pb: £ 0,7% ; Al : % còn lại; Cu: 1,5 ~ 3%. 2.2- Phương pháp tạo phôi piston

Hiện nay trên thế giới sử dụng nhiều phương pháp chế tạo phôi piston: đúc trong khuôn kim loại, đúc trong khuôn cát, đúc áp lực, đúc chân không, dập. Tuỳ thuộc vào vật liệu chế tạo và dạng sản xuất mà người ta chọn phương pháp chế tạo phôi hợp lý. Phổ biến nhất là đúc trong khuôn cát và đúc trong khuôn kim loại. Các phương pháp khác ít sử dụng tuy nó có một số ưu điểm: năng suất cao, chất lượng tốt nhưng trang thiết bị phức tạp, khuôn đúc phức tạp nên giá thành cao, không kinh tế. Một số piston nhôm có hình dạng bên trong đơn giản, trong sản xuất hàng loạt người ta còn áp dụng phương pháp dập. Đó là hình thức ép kim loại lỏng vào khuôn kim loại ở nhiệt độ 400 ¸ 800oC. Piston sau khi đúc xong trước khi gia công cơ khí phải nhiệt luyện để khử ứng suất bên trong và giảm độ cứng của lớp kim loại bề mặt nhằm mục đích tăng khả năng dễ gia công cắt gọt. Độ cứng sau nhiệt luyện khoảng HB: 100 ~ 140.