Journal of KONES 2007 NO 2
Transkrypt
Journal of KONES 2007 NO 2
Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 2 2007 OIL MICROCONTAINERS – LASER DRILLING METHOD AND APPLICATION TESTS Zdzisáaw Bogdanowicz, Jan Marczak, Wojciech Napadáek, Antoni Rycyk Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Military University of Technology, Institute Optoelectronics Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland tel.: +48 22 68394471; 6839345 e-mail: [email protected] Abstract Paper presents a method of laser drilling of oil microcontainers at the smooth surface of cylinder sleeve of piston combustion engine. During the process of normal exploitation, system of piston-rings-cylinder is lubricated by oil introduced together with fuel (two-stroke engine) or by oil mist spattered by connecting rod. The largest wear of sleeves placed directly in the engine framework or wet, unloaded sleeves takes place in the upper part of cylinder. So far, most common method of cylinder smooth surface finishing is honing, resulting in cross shaped honing scratches with diverse microgeometry, forming oil pockets which decrease friction. Utilization of laser beam show other possibilities. Method of laser honing is characterized by high regularity of honing grooves depth and spacing, which is not possible using traditional methods. Combined classical and laser honing has been utilized in the present investigations. Oil microcontainers were plotted by laser drilling of point pockets in the upper cylinder sleeve part of aircraft engine ASz-62IR. Source of radiation was Nd:YAG laser with pulse energy of 1 J and repetition rate of 10 Hz. As result of finish honing for compensate ruggedness performed during the laser tooling (the outflow), "Plateau" surfaces of the parameter of the surface roughness Rz = from 1 to 2 ȝm have been obtained. Keywords: combustion engine, cylinder liner, micro- oil containers, microgeometry, laser method MIKROZASOBNIKI OLEJOWE-METODA LASEROWEGO DRĄĩENIA ORAZ PRÓBY APLIKACJI Streszczenie W pracy przedstawiono metodĊ laserowego drąĪenia mikrozasobników olejowych na powierzchni gáadzi tulei cylindrowej táokowego silnika spalinowego. W procesie normalnej eksploatacji táok–pierĞcienie-cylinder są smarowane bądĨ smarem wprowadzonym do cylindra áącznie z paliwem (silniki dwusuwowe), bądĨ mgieáką oleju rozpryskiwanego przez korbowody. ZuĪycie tulei wykonanych bezpoĞrednio w kadáubie silnika oraz w tulejach mokrych nieobciąĪonych jest najwiĊksze w górnej czĊĞci cylindra. Dotychczas powszechnie stosowaną metodą przy obróbce wykaĔczającej gáadzi cylindrów jest honowanie w wyniku którego otrzymujemy krzyĪowy ukáad rys honowniczych o zróĪnicowanej mikrogeometrii stanowiące kieszenie olejowe zmniejszające tarcie. Nowe moĪliwoĞci wyáoniáy siĊ dziĊki wykorzystaniu promienia laserowego. Metoda laserowego honowania charakteryzuje siĊ duĪą regularnoĞcią rowków honowniczych, co do ich gáĊbokoĞci jak i odstĊpu niemoĪliwą do uzyskania tradycyjnymi metodami. W badaniach wáasnych zastosowano kombinacjĊ honowania klasycznego i laserowego. Laserowo nanoszono przez drąĪenie mikrozasobniki olejowe w postaci punktowych kieszeni w górnej czĊĞci tulei, tam gdzie zuĪycie jest najwiĊksze. MikrodrąĪenie zasobników olejowych wykonano na tulei cylindrowej silnika lotniczego ASz62IR. W badaniach wykorzystano laser Nd-YAG o energii w impulsie 1J i repetycji 10Hz. W wyniku honowania wykaĔczającego sáuĪącego do wyrównania powstaáych podczas obróbki laserowej nierównoĞci (wypáywek), powierzchnie "Plateau" o parametrze chropowatoĞci powierzchni Rz = od 1 do 2 ȝm zostaáy uzyskane. Sáowa kluczowe: combustion engine, tuleja cylindrowa, mikrozasobniki olejowe, mikrogeometria, metoda laserowa Z. Bogdanowicz, J. Marczak, W. Napadáek, A. Rycyk 1. WstĊp W czasie pracy silnika, podczas spalania benzynowej mieszanki palnej, temperatura w komorze spalania wynosi 2000 do 2500qC, ciĞnienie wytwarzanych gazów pod koniec procesu spalania siĊga 4 do 4,5 MPa. Temperatura denka táoka w jego górnej czĊĞci siĊga 300 do 450qC, w czĊĞci prowadzącej zaĞ dochodzi do 200qC. Temperatura Ğcianek cylindrów równieĪ osiąga znaczne wartoĞci. Na rysunku 1 przedstawiono rozkáad temperatury wzdáuĪ tworzącej tulei silnika gaĨnikowego (S47), mierzonej za pomocą termistorów wmontowanych do tulei na gáĊbokoĞü 1mm od powierzchni tarcia. NaleĪy przypuszczaü, Īe Ğrednia temperatura powierzchni tarcia moĪe osiągaü 150 do 250qC. Rys. 1. Rozkáad temperatury wzdáuĪ tworzącej tulei silnika gaĨnikowego [1] Fig. 1. Distribution of temperature along generating line of sleeve of carburettor engine [1] Warunki wspóápracy czĊĞci tego skojarzenia są ciĊĪkie równieĪ z powodu utrudnionego smarowania powierzchni trących. CzĊĞci te są smarowane bądĨ smarem wprowadzonym do cylindra áącznie z paliwem (silniki dwusuwowe), bądĨ mgieáką oleju rozpryskiwanego przez korbowody. WáasnoĞci smarowe oleju, a gáównie jego lepkoĞü, znacznie pogarszają siĊ w podwyĪszonych temperaturach, co pogarsza warunki wspóápracy czĊĞci skojarzenia. Rys. 2. Rozkáad zuĪycia gáadzi cylindrów wzdáuĪ tworzącej: 1 - zuĪycie w páaszczyĨnie waáu korbowego, 2 – zuĪycie w páaszczyĨnie 45q do osi waáu korbowego, 3 – zuĪycie w páaszczyĨnie prostopadáej do osi waáu [1] Fig. 2. Distribution of wear of cylinders bearing surface along generating line: 1- wear in the plane of crankshaft, 2 –wear in the 45q plane to axis of crankshaft, 3 – wear in the perpendicular plane to axis of crankshaft [1] 36 Oil Microcontainers – Laser Drilling Method and Application Tests W procesie normalnej eksploatacji gáadĨ cylindrów silnika spalinowego zuĪywa siĊ równomiernie tak wzdáuĪ tworzącej cylindra jak i po obwodzie [1]. RozróĪniamy zuĪycia „na stoĪek” oraz „na owal”. Mówiąc ĞciĞlej, ksztaát zuĪytego cylindra tylko w przybliĪeniu przypomina te figury. Klasyczny rozkáad zuĪycia wzdáuĪ tworzącej cylindra przedstawiono na rys.2. Tego rodzaju zuĪycie wystĊpuje w cylindrach wykonanych bezpoĞrednio w kadáubie silnika oraz w tulejach mokrych nie obciąĪonych (np. silniki W-46, S-359 i inne). Jak widaü na rysunku, w górnej czĊĞci cylindra zuĪycie jest znacznie wiĊksze niĪ w czĊĞci dolnej. W pionowym przekroju cylindra moĪna stwierdziü ksztaát zuĪycia zbliĪony do ĞciĊtego stoĪka, odwróconego podstawą do góry. Do przyczyn powodujących tego rodzaju zuĪycie gáadzi cylindra naleĪą: - dziaáanie wysokich temperatur gazów spalinowych, - dziaáanie ciĞnienia gazów spalinowych, - zmiana kierunku ruchu táoka, - dziaáanie korozyjne kwasów i gazów. Nieco odmienny charakter zuĪycia wykazują tuleje cylindrów niektórych silników spalinowych (S-47 i inne), które w czasie pracy ulegają deformacji. Powodem deformacji są obciąĪenia mechaniczne jako skutek napiĊcia pochodzącego od Ğrub mocujących gáowicĊ i dziaáania ciĞnienia wytwarzanego wewnątrz cylindra oraz obciąĪenia cieplne w czasie pracy silnika. Czynniki te oddziaáywają nierównomiernie na tulejĊ tak po obwodzie jak i wzdáuĪ tworzącej, co powoduje nierównomierne jej odksztaácenie. Ksztaát zuĪycia tulei przypomina raczej baryákĊ niĪ stoĪek (rys.3.) Rys. 3. Rozkáad zuĪycia wzdáuĪ tworzącej tulei silnika S-47 po przebiegu 40 000km [1] Fig. 3. Distribution of wear along generating line of S-47 sleeve after 40 000 km mil age [1] Celem niniejszej pracy jest opracowanie laserowej metody nanoszenia (drąĪenia) mikrozasobników olejowych na powierzchni gáadzi tulei cylindrowej silnika spalinowego i stworzenie tym samym korzystniejszych warunków smarowania dla skojarzenia ciernego táok– pierĞcienie–cylinder. 2. Honowanie klasyczne i laserowe tulei cylindrowych Honowanie jest dotychczas powszechnie stosowaną metodą przy obróbce wykaĔczającej gáadzi cylindrów. Po dokáadnym wytaczaniu i szlifowaniu nastĊpuje zazwyczaj honowanie wstĊpne i wykaĔczające jako dwustopniowy proces lub honowanie metodą „Plateau“ jako proces trzystopniowy, preferowany ze wzglĊdu na tarcie, ale trudny jest do osiągniĊcia w praktyce. Przy konwencjonalnej metodzie honowania nieuniknione są nieregularnoĞci powierzchni obrabianej. 37 Oil Microcontainers – Laser Drilling Method and Application Tests Wyczerpane są teĪ moĪliwoĞci polepszenia jej uksztaátowania przez zaciĞniĊcie tolerancji wykonawczych. Od dáuĪszego czasu weryfikowano doĞwiadczalnie geometriĊ powierzchni pod kątem zmniejszenia tarcia [2]. Analizowano to poprzez zmianĊ gáĊbokoĞci rowków honowniczych i ich wzajemnej odlegáoĞci. Przykáad powierzchni po honowaniu klasycznym na „Plateau“ przedstawiono na rys.4. Uwidacznia siĊ kątowy ukáad rys honowniczych widziany przy róĪnych powiĊkszeniach. Rys. 4. Mikrogeometria powierzchni gáadzi cylindrowej po honowaniu klasycznym Fig. 4. Micro-geometry of surface of cylinder liner after classical honing process Uzyskano gáĊbokie rowki honownicze bĊdące kieszeniami olejowymi zmniejszającymi tarcie w skojarzeniu i powierzchniĊ noĞną o bardzo maáej chropowatoĞci tzw. plateau. WaĪną sprawą weryfikowaną przy produkcji tulei cylindrowych jest zawartoĞü oleju w gáĊbokich rysach honowniczych, którą wyznacza siĊ z objĊtoĞci rys na danym odcinku pomiarowym. Nowe moĪliwoĞci wyáoniáy siĊ dziĊki wykorzystaniu promienia laserowego. Jedną z pierwszych firm która opracowaáa laserową metodĊ honowania i zgáosiáa do powszechnego opatentowania byáa niemiecka firma GEHRING [3]. Metoda charakteryzuje siĊ kombinacją honowania klasycznego i laserowego. KoĔcowa obróbka tulei skáada siĊ z trzech operacji: honowania klasycznego wstĊpnego, obróbki laserowej i honowania wykaĔczającego. Przy honowaniu wstĊpnym uzyskuje siĊ formĊ geometryczną powierzchni w skali makro i bazĊ obróbkową dla honowania laserowego. Honowanie wykaĔczające sáuĪy do wyrównania powstaáych podczas obróbki laserowej nierównoĞci i do uzyskania powierzchni plateau od 1 do 2 Pm jako parametr chropowatoĞci powierzchni Rz. Budowa obrabiarki do honowania laserowego jest identyczna jak typowej honownicy. Wrzeciono wykonuje ruch posuwisto-zwrotny i obrotowy. Trzy podstawowe elementy budowy honownicy do laserowego honowania powierzchni to: - Ĩródáo promienia laserowego, - system prowadzenia promieni, - gáowica optyczna. 38 Oil Microcontainers – Laser Drilling Method and Application Tests Honowanie laserowe Rys. 5. KrzyĪowy ukáad rys laserowego honowania na szerokoĞci pakietu pierĞcieni táokowych w górnym punkcie zwrotnym (lewa strona rysunku), gáowica optyczna z wrzecionem gáównym w bloku cylindrowym silnika w pozycji pracy (prawa strona rysunku) [3] Fig. 5. Cross arrangement of laser honing scratches on the width of packet of piston rings in the top dead centre (the left side of figure), optical head with main spindle in the cylinder block of engine in work position (the right side of figure) [3] Rysunek 5 pokazuje gáowicĊ optyczną na wrzecionie gáównym honownicy w bloku cylindrów. W gáowicy optycznej promieĔ laserowy jest ogniskowany na Ğciance otworu cylindra. Páynne dopasowanie obróbki laserowej zapewnione jest przez numeryczne sterowanie NC. W wyniku obróbki laserowej moĪna uzyskaü krzyĪowy ukáad rowków przedstawiony na rys. 6a. a) b) Rys.6. KrzyĪowy ukáad rys laserowego honowania: a-widok na powierzchni gáadzi cylindrowej, b- w przekroju poprzecznym [3] Fig.6. Cross arrangement of laser honing scratches: a- view on the cylinder bearing surface, b- in the cross-section [3] 39 Z. Bogdanowicz, J. Marczak, W. Napadáek, A. Rycyk WyraĨnie uwidaczniają siĊ kanaáki (wypalone laserowo rowki) sáuĪące do transportu czynnika smarującego. Na transport oleju smarowego wywiera wpáyw kąt pochylenia rowków, który w przypadku klasycznego honowania wynosi 55 do 600. Przy laserowym honowaniu wartoĞci tego kąta są mniejsze, co widaü na zdjĊciu i wynoszą 300. GeometriĊ rys honowniczych w przekroju poprzecznym przedstawiono na rys.6b. Charakteryzuje siĊ ona duĪą regularnoĞcią rowków honowniczych, co do ich gáĊbokoĞci jak i odstĊpu niemoĪliwą do uzyskania tradycyjnymi metodami. Zamiast nanosiü laserowo ciągáe rowki haonwnicze wprowadza siĊ obecnie nanoszenie na powierzchni gáadzi cylindrowej kieszenie przedstawione na kolejnym rysunku 7. Rys. 7. Ukáad kieszeni laserowego honowania [3] Fig. 7. Arrangement of laser honing pockets [3] Metoda ta obniĪa koszty obróbki laserowej, a przynosi równieĪ zadawalające rezultaty. Kieszenie w laserowym honowaniu nanosi siĊ w górnej czĊĞci tulei, w górnym punkcie zwrotnym na szerokoĞci pakietu pierĞcieni táokowych. Wymiary nanoszonych kieszeni mogą ksztaátowaü siĊ dla przykáadu nastĊpujaco: odstĊp rowków-600Pm, szerokoĞü rowków-30Pm, gáĊbokoĞü rowków5Pm, kat pochylenia 300. Honowanie wykaĔczające klasyczne wykonuje siĊ na caáej powierzchni gáadzi z chropowatoĞcią Ra=0,1Pm. ZuĪycie oleju [g/h] 1 2 3 Czas pracy silnika [h] Rys. 8. ZuĪycie oleju smarowego w silniku spalinowym przy róĪnych rodzajach honowania gáadzi tulei cylindrowej 1- tradycyjne, 2- kieszenie nanoszone laserowo, 3- krzyĪowy ukáad rys honowniczych laserowo obrobionych [2] Fig. 8. Wear of lubricating oil in combustion engine at different kinds of honing of sliding surface of cylinder liner 1- traditional, 2- laser drilled pockets, 3 – cross arrangement of laser worked honing scratches [2] Jak stwierdzono w badaniach doĞwiadczalnych przeprowadzonych przez firmĊ GEHRING w porównaniu ze standardową tuleją cylindrową obniĪone zostaáy przy laserowym honowaniu 40 Oil Microcontainers – Laser Drilling Method and Application Tests gáadzi cylindra silnika wysokoprĊĪnego emisje sumaryczne cząstek o 20 do 25% i zuĪycie oleju silnikowego o 25 do 30% (rys.8). Korzystne zmiany dotyczą równieĪ zuĪycia pierĞcieni táokowych i gáadzi cylindra, zuĪycie to zmniejszyáo siĊ o 50%. Badania silników gaĨnikowych z honowanymi laserowo tulejami wykazywaáy analogiczne korzyĞci: obniĪenie zuĪycia oleju od 30 do 60% i zmniejszenie emisji wĊglowodorów o 10 do 20% [3]. Mimo tych korzystnych rezultatów technologia ta jak dotąd nie jest powszechnie wykorzystywana, a to za sprawą wysokich kosztów stanowisk do laserowego honowania cylindrów. 3. Nanoszenie laserowe mikrozasobników olejowych na tulei cylindrowej silnika lotniczego ASz-62IR Aktualnie tuleja cylindrowa silnika ASz-62IR podlega honowaniu klasycznemu w wyniku którego uzyskuje siĊ krzyĪowy ukáad rys o nastĊpującej chropowatoĞci powierzchni gáadzi cylindrowej: - struktura chropowatoĞci páaskowyĪynna, - chropowatoĞü na czĊĞci stoĪkowej Ra= 0,7 do 1,5 Pm, - chropowatoĞü na czĊĞci cylindrycznej Ra= 0,6 do 1,4 Pm, - dąĪyü do uzyskania chropowatoĞci od Ra = 0,8 Pm, Honowanie przeprowadza siĊ po zmontowaniu tulei cylindrowej z gáowicą silnika. Powierzchnia gáadzi cylindrowej przed honowaniem jest azotowana na gáĊbokoĞü 0,5 do 0,7 mm i szlifowana do Ra = 0,63Pm. Z uwagi na posiadane moĪliwoĞci techniczne wykorzystywanego w badaniach wáasnych lasera Nd-YAG znajdującego siĊ w Instytucie Optoelektroniki WAT moĪliwe byáo wykonanie mikrozasobników olejowych w postaci punktowych kieszeni [4,5]. Laserowe drąĪenie mikrozasobników olejowych na gáadzi cylindrowej obejmuje strefĊ kontaktu pierĞcieni przy zwrocie zewnĊtrznym táoka (górny martwy punkt), tam gdzie zuĪycie tulei jest najwiĊksze. Zaczyna siĊ w odlegáoĞci 5 mm od górnej krawĊdzi tulei i koĔczy w odlegáoĞci 90 mm od górnej krawĊdzi tulei. a) b) Rys. 9. Ogólny widok stanowiska do laserowego nanoszenia mikrozasobników-(a), oraz laserowa obróbka tulei cylindrowej-(b) Fig. 9. General view of stand to laser drilling of micro-containers- (a), as well as laser machining of cylinder liner (b) Obróbka tulei skáada siĊ z trzech operacji: honowania klasycznego wstĊpnego, obróbki laserowej i honowania wykaĔczającego. Przy honowaniu wstĊpnym uzyskuje siĊ formĊ geometryczną powierzchni w skali makro i bazĊ obróbkową dla obróbki laserowej. Honowanie wykaĔczające sáuĪy do wyrównania powstaáych podczas obróbki laserowej nierównoĞci i do 41 Z. Bogdanowicz, J. Marczak, W. Napadáek, A. Rycyk uzyskania powierzchni „Plateau” od 1 do 2 Pm jako parametr chropowatoĞci powierzchni Rz (Ra=0,1 Pm). Honowanie to naleĪy przeprowadziü po zmontowaniu tulei cylindrowej z gáowicą silnika lotniczego. Po obróbce laserowej na powierzchni gáadzi cylindrowej powstają kieszenie o nastĊpujących wymiarach: - Ğrednica na powierzchni 100 - 120 Pm, gáĊbokoĞü 30 - 50 Pm, odstĊp 450 Pm. Stanowisko do wykonywania kieszeni olejowych oraz przebieg procesu nanoszenia przedstawiono na rys. 9. Widok powierzchni gáadzi cylindrowej po zakoĔczeniu procesu nanoszenia kieszeni olejowych przedstawia zdjecie na rysunku 10 i 11 przy roĪnych powiĊkszeniach. Na zdjĊciach widoczne są wypáywki stopionego materiaáu o wysokoĞci okoáo 10 Pm, które naleĪy usunąü honowaniem wykaĔczajacym. Mikrozasobniki olejowe Rys.10. Widok powierzchni gáadzi cylindrowej po laserowym naniesieniu mikrozasobników olejowych Fig.10. A view of cylinder bearing surface after drilling of micro-containers Wypáywki stopionego metalu Rys.11. Mikrozasobniki olejowe widziane przy wiĊkszym powiĊkszeniu Fig.11. Oil micro- containers visible at bigger enlargement ChropowatoĞü powierzchni gáadzi cylindrowej po wykonaniu mikrozasobników olejowych przedstawiono na rys.12. Na wykresie uwidaczniają siĊ wykonane kieszenie olejowe o gáĊbokoĞci okoáo 38 Pm, przy zachowaniu ogólnej chropowatoĞci wedáug parametru Ra=1,47Pm oraz wspomniane wczeĞniej wypáywki. Laserowe mikrozasobniki olejowe wykonano na trzynastu tulejach cylindrowych, z czego dziewiĊü zamontowano do silnika lotniczego ASz-62IR i poddano realizowanym obecnie badaniom doĞwiadczalnym na stanowisku hamownianym w WSK Kalisz. 42 Oil Microcontainers – Laser Drilling Method and Application Tests Wypáywki Mikrozasobniki Rys. 12. ChropowatoĞü powierzchni gáadzi cylindrowej po naniesieniu laserowym mikrozasobników olejowych Fig.12. Surface roughness of cylinder sliding surface after drilling oil micro containers 5. Podsumowanie i wnioski koĔcowe Laserowe honowanie jest nowoczesną technologią ksztaátowania geometrii powierzchni gáadzi cylindrowej. Ukáad rys laserowego honowania moĪe byü krzyĪowy zapewniający wysoką jednorodnoĞü w zakresie odstĊpu miĊdzy rysami i gáĊbokoĞcią przy kącie pochylenia wynoszącym 300. Dla zmniejszenia kosztów wykonania jak równieĪ czasu prowadzonego zabiegu moĪna równieĪ nanosiü na powierzchni gáadzi cylindrowej spiralne lub poziome kieszenie olejowe. W badaniach wáasnych zastosowano ze wzglĊdów posiadanej moĪliwoĞci aparaturowej punktowe kieszenie olejowe naniesione w górnej czĊĞci tulei w obszarze okreĞlonym przez ukáad pierĞcieni, przy poáoĪeniu táoka w górnym martwym punkcie. Dla tulei cylindrowej silnika ASz62IR strefa laserowego nanoszenia mikrozasobników olejowych zaczyna siĊ 5 mm od górnej krawĊdzi tulei, a koĔczy siĊ w odlegáoĞci 90 mm. KoĔcowa obróbka tulei skáada siĊ z trzech operacji: honowania klasycznego wstĊpnego, obróbki laserowej i honowania wykaĔczającego. Przy honowaniu wstĊpnym uzyskuje siĊ formĊ geometryczną powierzchni w skali makro i bazĊ obróbkową dla obróbki laserowej. Honowanie wykaĔczające sáuĪy do wyrównania powstaáych podczas obróbki laserowej nierównoĞci (wypáywek) i do uzyskania powierzchni „Plateau” o parametrze chropowatoĞci powierzchni Rz = od 1 do 2 Pm. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] Niewczas, A., TrwaáoĞü zespoáu táok-pierĞcienie táokowe-cylinder silnika spalinowego, WNT, Warszawa, 1998. Klink, U., Sprawozdanie z badaĔ silnika AVL w Graz, Austria nr TC 0150, 12, 1993. Klink, U., Laserowe honowanie gáadzi cylindrów, Sympozjum naukowo-techniczne. Technika laserowa w inĪynierii powierzchni materiaáów. WAT Warszawa, 1997. KusiĔski, J., Lasery i ich zastosowanie w inĪynierii materiaáowej, Wydawnictwo Naukowe „Akapit”, Kraków, 2000. Napadáek, W., Przetakiewicz, W., Wpáyw obróbki laserowej na wáaĞciwoĞci wybranych elementów silnika spalinowego, InĪynieria Materiaáowa nr 5(130)/2002, s. 547 – 553, 2002. 43