中国汽车工业协会汽车零部件再制造分会
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6300 型柴油机气缸套再制造技术研究

  • 发布时间:2014/4/23 15:47:41
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文    徐亮  权东

 

 摘要:针对6300型柴油机气缸套腐蚀磨损严重的情况,文章首先分析了6300型柴油机气缸套的失效机理,然后对气缸套再制造进行了系统的方案设计,并进行了摩擦磨损实验,通过实验得出了涂层的使用性能。

 

 关键词:6300型柴油机;气缸套;再制造技术

 

 一、引言

 

 再制造工程是正在发展的新兴研究领域,它是解决资源浪费、环境污染和废旧产品翻新改造等问题的最佳方法和途径之一。再制造工程运用先进表面技术、复合表面技术等高新技术,使废旧产品得以高质量的再生,创造新的价值,是产品全寿命周期管理的延伸和创新,也是符合国家可持续发展战略的系统工程。[1]气缸套是柴油机的易损件之一,6300型柴油机气缸套的再制造就是在发动机气缸套的维修中引入再制造理念,充分发挥先进表面技术的优势,通过制定再制造工艺规程及设计防腐耐磨涂层,将废旧气缸套产品恢复到如新产品甚至比新产品性能更高的一个过程,从而解决气缸套的维修问题,延长发动机寿命。6300型柴油机气缸套再制造不仅能够节约能源和自然资源,还能减少因材料重熔造成的空气污染。目前,我国在船舶发动机零部件上采用先进的表面强化技术对其进行再制造还处于探索阶段。如何将先进的表面工程技术引入到船舶发动机再制造领域,提升发动机零部件的服役性能,提高船舶发动机的使用寿命,是我们亟待解决的重要问题之一。

 

 (一)气缸套的工作状况和磨损失效分析

 

 柴油机作为船舶的动力源泉,对船舶的重要性不言而喻。柴油机的可靠直接关系到船舶的正常运营与使用。但柴油机的关键零部件工作环境恶劣,造成柴油机零部件过早失效报废,严重影响了发动机的正常使用寿命,主要体现为:在工作过程中,燃气直接作用在缸套上;由于燃气温度高并有一定的腐蚀性,造成缸套内侧磨成上大下小的漏斗状,缸套的磨损再加上活塞环的磨损,使两者之间不再具有气密性,造成活塞漏气、烧机油等症状,使柴油机出现启动困难、功率降低、燃油和机油的消耗量增大、使用寿命缩短以及排气冒黑烟等现象;各缸磨损不均匀时,还会导致发动机工作稳定性变差,容易产生振动危害等。实际应用表明,高温腐蚀磨损是气缸套磨损失效的主要原因。

 

 同时在工作过程中,缸壁表面的硬微凸体在摩擦作用下还会发生断裂,形成内源磨粒。内源磨粒在缸套和活塞环这对摩擦副高速运转中对缸壁造成划伤,俗称“拉毛”,同时产生大量摩擦热,使金属表面软化。在正压力作用下,摩擦副会发生大面积粘连,导致成片地撕下缸套内壁的金属,并粘附到活塞环表面,造成“拉缸”。此时,发动机耗油量突增,气缸密封不严,排气量上升,发动机声音沉闷,从而严重影响发动机性能和传递效率。“拉缸”是柴油机的主要故障之一,进一步发展会导致“咬死”。[2]这种事故一旦发生,气缸套和活塞环就要报废,这就使得“气缸套与活塞环”摩擦副成为影响发动机性能最致命的一个因素。

 

 (二)气缸套的维修现状

 

 柴油机到大修期后,缸套与活塞环摩擦副磨损严重,特别是缸套的上止点部位,由于剧烈磨损出现非常明显的深坑,必须进行镗缸才能将磨损深坑消除。这种修复方法带来的不利是:镗缸将氮化处理层切削掉,缸套的耐磨性下降,随后的磨损速率将迅速提高。正是由于这类局部关键零部件与发动机整体大修期的不同步,大大降低了发动机的使用寿命,而且这种修理方式浪费极大,发动机活塞磨损不严重,但由于缸套在镗缸后尺寸加大,使得发动机的活塞报废,造成极大浪费。[3]

 

 从上面分析可知,目前气缸套大修模式存在的两大主要弊端为:①气缸套采用常规大修技术修理,不能充分发挥其使用潜力,限制了气缸套的使用寿命;②旧发动机部件未能充分利用,浪费严重。因此,为延长发动机使用寿命,需解决发动机气缸套的维修问题。

 

 (三)表面工程技术及其气缸套的再制造工艺

 

 1、表面工程技术

 

 表面工程是再制造工程的关键技术之一,是指经表面预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等,以获得所需要表面性能的系统工程。[4]该技术能完成失效零件的增材、裂纹修补等功能,实现失效零件的修复再利用,因此该技术正越来越多地应用于再制造工程中,特别是热喷涂技术,已成为绿色再制造工程的工艺技术基础。

 

 2、气缸套的再制造工艺

 

 (1)清洗。清洗是借助于清洗设备将作用于气缸套表面,除去气缸套表面的污垢,并使气缸套表面达到一定清洁度的过程。再制造气缸套中可应用机械清洗,或是利用毛刷、钢丝刷、砂布或油石等工具进行人工刷、刮、擦和磨等方法进行清洗,清除气缸套表面沉积较多的积碳、铁锈和水垢等,再用柴油或汽油清洗干净。还可以利用化学药品的溶解和化学作用,清洗除去零件表面上的油、油渍、污渍、水垢和氧化物。常用的化学清洗剂有碱性清洗剂、酸性清洗剂和合成清洗剂三种。

 

 (2)检测与分类。废旧气缸套清洗过后,其下一个重要的再制造步骤是检测评价清洗后零件的状况,确定零件的再制造性。所有的缸套都要经过检测才能留转到下一步工序,根据不同的检测结果,缸套可以被分为以下三类:①不必再制造加工就可直接利用的缸套;②经过再制造加工后可再使用的缸套;③不能直接利用也不能再制造加工的缸套。对缸套检测及分类这一步骤具有重要影响的是制造业的标准化工作。标准化可减少零件数量,减少零件在不同类别产品应用中的变体类型,这对废旧缸套的检测及分类有重要帮助。

 

 (3)再制造加工。①确定加工方案。再制造加工是保证废旧气缸套达到新品技术标准的核心环节,再制造加工过程与新气缸套生产的精加工过程完全一致,从而使再制造气缸套的公差与原公差完全相符。再制造加工过程中所用到的设备,大致与原品制造厂中所用的相似,如车床、镗床、加工中心等。而且由于再制造批量较小,手工作业人员数量较多,再制造工厂的自动化程度一般也比较低。[5]②预处理。由于气缸套是铸铁工件,必须进行360°以上高温烘烤以去除内表面的油,防止干扰破坏涂层加工。③预加工。气缸套内圆表面磨损超过极限后,必须经镗缸以消除圆度误差、圆柱度误差及磨台,划痕、擦伤等也可同时镗去。④强化修复。像气缸套这样的产品,一般对表面有较高的要求,就需要对其进行表面处理,如喷涂涂层、镀铬、氮化、表面激光处理等,这也是气缸套再制造加工过程中一道重要的工序。⑤加工工序。粗车外圆及端面→粗镗内孔→半精车外圆及两“腰带”→精镗内孔→精车外圆、扎槽、倒角→粗磨外圆→粗珩内孔→精磨外圆→半精珩内孔→平台网纹珩磨内孔。⑥技术要求。尺寸精度:外圆、内孔直径为IT6、IT7级。形状精度:圆度及纵切面轮廓度,均为0.012mm。位置精度:上下腰带外圆对内孔中心线径向跳动为0.08mm;支承肩下端面对内孔中心线的端面圆跳动为0.03mm。粗糙度Ra值:各表面为0.32-0.16μm。

 

 (4)再装配。通过上述各个步骤后将合格的气缸套运送到装配车间,即可进入产品装配,这需要制订科学的装配工艺以保证产品装配质量。装配过程中要按产品要求保证配合表面间的配合质量和接触质量,零件间的相对运动精度、密封性、清洁度和调整要求等。同装配新品时一样,要严格按照装配规定进行。如被装配的零件要干净,装配中用力要合适,要按装配程序进行装配,做好装配零件间隙的调整和零件间相互位置的校正,做好相应的密封和润滑等,以保证装配后的再制造气缸套得到最好的性能。

 

 (5)试验。装配后,需要对每一个生成的再制造气缸套进行功能检查或试验,以确定其质量性能。

 

 (四)球盘磨损实验

 

 1、实验设备

 

 试验采用MMW-1立式万能摩擦磨损试验机。试验机有两个预留的接口,可与计算机接口相连,通过测试记录软件,记录每一时刻的摩擦力、转速、摩擦力矩、摩擦系数等,试验结果可存储、处理及输出打印,试验数据直接用Excel处理、输出,实验报告还可按用户要求格式输出。其主要性能参数如表1所示。

 

表1 立式万能摩擦磨损试验机MMW-1的技术参数

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 试验运行时,下面的盘试样在油盒中处于静止状态,上面的销试样或球试样的支承盘在电机的驱动下转动以带动销试样或球试样在盘试样上滑动。

 

 2、涂层制备

 

 根据现有的条件和材料的性能,分别以不同的喷涂工艺制备了三种涂层,如表2所示。

 

表2 涂层材料及制备工艺

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 3、球盘磨损

 

 在试验中选取的球为45号钢,表面淬火,直径12.7mm,盘试样为三种不同材料:3Cr13不锈钢丝涂层、Ni45镍基自熔性合金粉末涂层、NiCr-Cr3C2复合粉末涂层。

 

 实验参数分两种情况:分别为载荷100N、转速100r/min和载荷125N、转速150r/min。在试验磨合阶段10min内,分2次载荷和速度进行,再达到设计的载荷和速度值。试验中,第一次加40%的载荷和50%的转速,跑合5min;第二次载荷增加到60%,转速增加到70%,跑合5min;最后调到设计的载荷和速度值,每次试验时间为60min。实验分干摩擦和油润滑摩擦两种。

 

 4、实验结果

 

 (1)球盘磨损干摩擦磨损量比较图如图1所示,球盘磨损实验干摩擦实验结果如表3所示。

 

 (2)球盘磨损油润滑摩擦磨损量比较图如图2所示,球盘磨损实验油润滑摩擦数据如表4所示。

 

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图1 球盘磨损干摩擦磨损量比较图

 

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图2 球盘磨损油润滑摩擦磨损量比较图

 

 5、实验结果分析

 

 磨损量影响因素有硬度、韧性、碳粒大小、金相组织结构、涂层纤维结构、加工质量等。实验其他结论有:

 

 (1)Ni45涂层性能很差,但是观察涂层可以看出,在加工此涂层时,有一定的疏松,涂层不致密,从而造成了和其他涂层相差巨大的实验结果;

 

 (2)干摩擦中由于加载力增大,涂层磨损不断加剧,Ni45涂层在后期已不能经受力的磨损,涂层被破坏;

 

 (3)油润滑条件下运转比较平稳,涂层变化平稳;

 

 (4)NiCr-Cr3C2和3Cr13涂层的性能比较接近,而且3Cr13涂层优于NiCr-Cr3C2

 

 (5)综合研究表明:在实际运行工况下,3Cr13可望表现出优异的使用性能。

 

表3 球盘磨损干摩擦实验结果

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表4  球盘磨损油润滑摩擦实验结果

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 五、结束语

 

 本文采用电弧喷涂和亚音速火焰喷涂制备了三种涂层,分别是高速电弧喷涂3Cr13、亚音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2和Ni45,并进行了涂层磨损实验,进行了涂层性能分析,通过研究得出以下几个结论:

 

 (1)采用热喷涂技术对气缸套进行修复,涂层材料选择广泛,涂层质量高,很容易形成复合涂层,涂层较厚,可以恢复磨损尺寸,因此热喷涂技术无疑是进行修复行之有效的手段;

 

 (2)NiCr-Cr3C2和3Cr13涂层的性能比较接近,但3Cr13涂层略优于NiCr-Cr3C2

 

 (3)考虑到3Cr13电弧喷涂层成本低廉、性能优异的优势,电弧喷涂3Cr13可望在气缸套涂层的制备中得到广泛应用。

 

 

参考文献

[1]徐滨士,马世宁,刘世参,等.21世纪的再制造工程[J].中国机械工程,2000(1-2):36-38.

[2]于金伟.柴油发动机气缸套磨损的机理及其预防措施[J].农机化研究,2007(7):194-195.

[3]朱子新,徐滨士,朱绍华,等.再制造工程的现状与应用前景[J].机械工艺师,2005(5):44-45.

[4]曾寿金,江吉彬,高诚辉.表面工程技术在绿色再制造工程中的应用[J].福建工程学院学报,2007(1):25-28.

[5]张世荣.表面加工工艺对气缸套使用寿命的影响[J].天津工业大学学报,2002(4):78-80.