WARUNKI TECHNICZNE WYKONANIA ORAZ ODBIORU TULEI I CYLINDRÓW SILNIKÓW SPALINOWYCH

Transkrypt

1 WARUNKI TECHNICZNE WYKONANIA ORAZ ODBIORU TULEI I CYLINDRÓW SILNIKÓW SPALINOWYCH Jacek MICHALSKI W artykule przedstawiono warunki techniczne dotyczące tulei cylindrowych i cylindrów monobloków silników spalinowych firmy: VOLVO, GÖETZE i BERLIET. Zawarto wymagania dotyczące: materiału, dokładności średnicy, odchyłek kształtu i położenia powierzchni gładzi cylindrowej i powierzchni osadczej tulei, wyglądu powierzchni oraz chropowatości powierzchni. Wygląd powierzchni charakteryzowano poprzez: kąt skrzyżowania rys gładzenia, ukształtowanie powierzchni płasko wierzchołkowej, skazy strefy podpowierzchniowej warstwy wierzchniej oraz stopień makrofalistości krawędzi powierzchni cylindra na poprzecznym zgładzie metalograficznym. Z kolei profil chropowatości i falistości powierzchni cylindrów miał wymaganą wysokość oraz wymiary geometryczne głębokich rys gładzenia: szerokości, głębokości i odstęp pomiędzy nimi. Podano także wymagane wartości udziału materiałowego Mr na głębokości 2 μm oraz wysokość falistości powierzchni i inne. 1. WPROWADZENIE Wzrastająca świadomość społeczeństwa dotycząca zagrożeń ekologicznych środowiska spowodowała, że jednym z najważniejszych zadań konstruktorów maszyn i urządzeń stało się zmniejszenie ich uciążliwego oddziaływania. Jednym z kierunków prowadzonych prac rozwojowych jest zmniejszenie oporów ruch w węzłach mechanizmów silników spalinowych i ograniczenie emisji szkodliwych składników spalin, jak również emisji CO 2 oraz hałasu. Dąży się do opracowania technologii zapewniających małe opory ruchu systemu tłokowo cylindrowego silnika o dużej jego trwałości i nieuszkadzalności oraz możliwie małym zużycia paliwa i oleju. Jedną z dróg jest optymalizacja struktury geometrycznej powierzchni gładzi cylindrów [5,12]. 2. ANALIZA LITERATURY Stwierdzone związki topografii powierzchni cylindra z właściwościami funkcjonalnymi silnika to: gładka powierzchnia cylindrów zapewnia małe zużycie materiału i krótki czas docierania, zaś chropowata powoduje małą skłonność do zatarcia [1,2]. Odmienne relacje stwierdzono w skojarzeniach modelowych, dla powierzchni polerowanych, i w układzie tuleja cylindrowa-pierścień tłokowy silnika okrętowego [11]. Powierzchnie o jednakowej wysokości chropowatości, mające skośny rozkład rzędnych profilu w porównaniu z rozkładem normalnym, mają mniejszą odporność na zatarcie oraz krótszy czas docierania [9]. Równocześnie w warunkach tarcia mieszanego powierzchnia płasko wierzchołkowa zapewnia mniejszą siłę tarcia [9,13]. Wynika to ze styku jedynie szczytów o małej wysokości. Powierzchnie płasko wierzchołkowe mają mniejsze zużycie promieniowe materiału aniżeli powierzchnie o rozkładzie normalnym, dla uzyskania tej samej nośności, w przypadku jednakowych ich wysokości [2]. Większe wartość odstępów nierówności powierzchni - określone długością funkcji autokorelacji, w kierunku ślizgania, zapewniają mniejsze zużycie w obecności smaru [7]. Zbyt małe lub duże nachylenie boków chropowatości powierzchni powoduje niebezpieczeństwo zatarcia, oraz istnienie jego optymalna wartość [5]. W warunkach smarowania hydrodynamicznego tarcie powierzchni o jednakowej wysokości chropowatości nie zależy od rozkładu rzędnych. Związek siły tarcia z ilorazem grubości filmu olejowego i zastępczej wysokości chropowatości, lub innymi parametrami chropowatości i falistości, opisuje tzw. wersja krzywej Stribecka. Pole powierzchni wgłębień chropowatości powierzchni wpływa na zwiększone zużycia oleju silnikowego [4,8,15]. Zużycie oleju 99

2 silnikowego nie zależy od charakteru rozkładu rzędnych profilu chropowatości powierzchni. Przedmuchy spalin są mniejsze dla mniejszych wartości głębokości wgłębień. Gładzenie umożliwia: zróżnicowane ukierunkowania powierzchni cylindra, akceptowalne skazy powierzchni, niską temperaturę procesu, naprężenia ujemne w warstwie wierzchniej, wysoką odporność na zużycie cierne oraz wytrzymałość zmęczeniową jak i korzystne warunki smarowania [14]. Kierunkowość struktury geometrycznej powierzchni wpływa na wytrzymałość zmęczeniową łożysk ślizgowych, docieranie par trących oraz zużycie tribologiczne w tarciu suchym i mieszanym [1,11]. Skrzyżowane ślady obróbki cylindrów zapewniają dobrą adhezję i rozprowadzenie oleju smarnego (wysoka energia powierzchniowa), zarówno w okresie docierania jak i w warunkach tarcia granicznego oraz podczas długiego okresu eksploatacji. W smarowaniu hydrodynamicznym ukierunkowanie równoległe topografii powierzchni cylindrów w porównaniu z prostopadłym, w stosunku do kierunku ruchu, powoduje mniejszy współczynnik tarcia, mniejszy gradient ciśnienia równocześnie jednak mniejszą zdolność przenoszenia obciążeń grupy tłokowo-cylindrowej silników. W łożysku ślizgowym optymalny kąt skrzyżowania rys obróbki, ze względu na rozkład ciśnienia, wynosi 60º. Stwierdzono mniejsze zużycie promieniowe stalowych i żeliwnych cylindrów oraz mniejsze zużycie masowe pierścieni tłokowych, po gładzeniu ściernym jednokierunkowym wzdłuż tworzącej cylindra, w porównaniu z gładzeniem elektrochemicznym, gładzeniem elektrochemiczno-ściernym, gładzeniem obwodowym i gładzeniem dwukierunkowym. Mniejszy kąt gładzenia wpływa na, zmniejszenie zużycia oleju silnikowego jednak równocześnie większe straty energii. Stwierdzono korzystny wpływ większej pojemności olejowej (pola powierzchni) wgłębień na osiągi silnika [13]. Rysy gładzenia jednakowo wyraźnie w dwóch kierunkach nie powodują tendencji do obrotu pierścieni oraz ich nadmiernego zużycia jak i zużycia kanalików tłoka. Natomiast zbyt szerokie i głębokie lub przeważające w jednym kierunku wywołują wzrost zużycia oleju silnikowego [7,8]. Zmniejszenie grubości filmu olejowego systemu tłokowo cylindrowego wpłynęło na zwiększenie roli topografii powierzchni tych elementów jak i roli jej pomiaru. Odkształceniu sprężystemu towarzyszy najczęściej zmęczenie powierzchniowe, zaś odkształceniu plastycznemu zużycie lub zatarcie. Firma MAHLE proponuje następujące metody wykończenia cylindrów gładzeniem: standardowe, plateau trzyetapowe, szczotkowe, korkowe, strumieniowe, laserowe, gładkie, polerujące, gładkie ślizgowe i plateau gładkie spiralne. Cylindry mogą być obrobione cieplne i cieplno chemiczne. Gładzenie często jest odmienne dla cylindrów z żeliwa, stali, stopów aluminium, ceramiki, kompozytów oraz dla warstw konwersyjnych Al 2 O 3 i warstw przyrostowych z PTFE, TiO 2, Cr, Fe, Ni, NiSi, TiN [16]. Zarysowuje się tendencja gładzenia płasko wierzchołkowego o, historycznie znanej, niskiej wysokości chropowatości powierzchni Ra=0,1-0,3 μm, zarówno o kącie gładzenia 45-60º jak i ~140º. Wykonywanie są także różne modyfikacje powierzchni gładzonego cylindra. Kształtowane są dodatkowe wgłębienia metodą chemiczną, elektrochemiczną, erozją laserową lub strumieniowo-ścierną, odkształceniem plastycznym i innymi technologiami [3]. Dotyczy to zwykle powierzchni cylindrów z obszaru zwrotu zewnętrznego pakietu pierścieni tłokowych. Wgłębienia mają najczęściej głębokość do 10 μm, zróżnicowany kształt i wielkość, obejmują 12-30% pola powierzchni. Występuje wówczas zmniejszenie strat tarcia nawet o 30%. Oprócz gromadzenia i usuwania zanieczyszczeń i produktów zużycia zamknięte wgłębienia zwiększają nośność filmu olejowego, z kolei otwarte wgłębienia, poprzez przecieki, mogą zmniejszyć kontakt powierzchni. Procedura oceny chropowatości powierzchni cylindra, oprócz ogólnej charakterystyki i dokładności przyrządów i ich powtarzalności oraz odtwarzalności wyników przez pracowników kontroli jakości, sprowadza się do wyznaczenia liczby płaszczyzn na wysokości cylindra, liczby przekrojów pomiaru, długości profilu (wielkości pola powierzchni), zakresu oceny wyglądu oraz estymacji parametrów falistości oraz chropowatości powierzchni. Istotnym są także rodzaje filtrów i graniczne długości ich fal. W masowej produkcji, istotne 100

3 są także problemy statystycznej kontroli jakości jak i ewentualne sterowanie jakością [2,6,7,10,12,13,15]. Dużą pracochłonność stosowanych najczęściej profilowych metod pomiaru geometrii powierzchni można zmniejszyć poprzez zwiększenie kroku próbkowania stałego obszaru powierzchni czy stosowanie bardzo szybkich metod parametrycznych. 3. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA SPECYFIKACJI MATERIAŁOWEJ I GEOMETRYCZNEJ WYKONANIA ORAZ ODBIORU TULEI I CYLINDRÓW SILNIKÓW SPALINOWYCH W procesie odlewania, jak i poprzez późniejsze operacje technologiczne, następuje kształtowanie właściwości materiału w zakresie: składu chemicznego, wytrzymałości, twardości i struktury metalograficznej. Cylindry najczęściej wytwarza się z żeliwa szarego zawierającego: C=2,7-3,2%, Si=1,5-2,9%, Mn=0,50-1,00%, P=0,20-0,90%, max S=0,12% oraz Cr, Cu, Ni, Sn i Ti. Twardość żeliwa wynosi HB= MPa, a granica wytrzymałości na rozciąganie powinna być możliwie wysoka, co najmniej w zakresie MPa. W etapie drugim poprzez toczenie, wytaczanie i gładzenie powstaje ostateczną postać geometryczna cylindra. Gładzeniem usuwamy naddatek obróbkowy wynoszący średnicowo od 0,07 do 0,32 mm. Często gładzenie zawiera trzy fazy: zgrubną (wstępną) formującą wymiar i kształt cylindra (zwykle dzieloną na dwa zabiegi), wykończeniową (bazową) - kształtującą strukturę wierzchołków i wgłębień, ostateczną (końcową) - kształtująca powierzchnie nośną. Najtrudniejszym jest gładzenie wykończeniowe z uwagi na wymaganą równomierność rozłożenia odstępu głębokich rys gładzenia oraz powtarzalną ich głębokość, możliwie zbliżoną dla dwóch kierunków gładzenia. Zarazem wniesienia tej topografii powierzchni winny mieć możliwie małe promienie, z uwagi na przebieg samoostrzenia osełek gładzenia ostatecznego. Obecnie powszechnie uważa się, że właśnie struktura płasko wierzchołkowa godzi w sobie dwie sprzeczności: łączy dobre własności ślizgowe powierzchni gładkiej otworu cylindra, z możliwością gromadzenia odpowiedniej ilości oleju smarującego na gładzi. Gładzenie osełkami z warstwą ziaren ściernych, super twardych, oprócz dużej ich trwałości, umożliwia zachowane tolerancji średnicy 0,010 mm, odchyłki okrągłości do 0,005 mm, prostoliniowości do 0,010 mm oraz walcowości do 0,010 mm. Głowica laserowa jest używana z zasady po drugiej fazie gładzenia [3]. Wówczas w trzeciej fazie gładzenia następuje skrawanie powierzchni nośnej jak i nadtopionych warstw materiału w miejscu oddziaływania promieni lasera. W ciągu ostatnich lat obserwuje się ewolucję wymagań dotyczącą struktury geometrycznej powierzchni gładzi cylindra. Dotyczyło to odchyłek kształtu, falistości, chropowatości i skaz powierzchni. Cylindry z warstwą azotowaną czy powłoką niklu, chromu lub kompozytu miały powierzchnie o normalnym rozkładzie rzędnych i bardzo często o małej wysokość chropowatości. Były to powierzchnie niemal lustrzane (Ra=0,20 µm). Wzrost mocy silników i problemy z zatarciem cylindrów i pierścieni tłokowych, spowodował zmianę chropowatości na wyższą (Ra=0,8-1,2 µm). Obecnie niemal powszechnie stosowane są powierzchnie płasko wierzchołkowe (plateau) gładzi cylindra, jednak o bardzo zróżnicowanych cechach geometrycznych. Zwykle, bowiem niska chropowatość cylindra oznacza niskie zużycie oleju przez silnik, ale i zwiększoną podatność na zatarcie. Zwiększona chropowatość, wymuszona głównie wzrostem mocy silników zmniejsza możliwość zatarcia, powoduje jednak zwiększone opory ruchu, zużycie oleju i wzrost toksyczności spalin. Dlatego powierzchnie płasko wierzchołkowe są modyfikowane zarówno w procesie gładzenia jak i poprzez stosowanie dodatkowych zabiegów. Właściwości cylindrów zależą zarówno od cech geometrycznych powierzchni płasko wierzchołkowej jak i cech geometrycznych dodatkowych wgłębień, zwykle umiejscowionych w obszarze zwrotu zewnętrznego pakietu pierścieni tłokowych. Przykładowo struktura geometryczna powierzchni cylindra wykonana erozją laserową, znajdująca się w strefie zwrotu zewnętrznego pakietu pierścieni tłokowych, ma pojedyncze poziome rysy o długości ~3 mm, szerokości ~80 μm i głębokości μm. Odstępy pomiędzy rysami, zarówno po obwodzie jak i pomiędzy poziomami, są takie same i 101

4 wynoszą ~2 mm. Wówczas zwiększeniu dwukrotnemu, w porównaniu z pozostałą powierzchnią płasko wierzchołkową ślizgową, ulega głębokość wgłębień Rvk i pole powierzchni wgłębień A2. W otoczeniu rysy naciętej laserem zwiększa się dyspersja perlitu i wzrasta mikrotwardość, o około 60 HV. Laser służy także do oczyszczania powierzchni cylindra (ablacja) po procesie gładzenia osełkami ze spoiwem metalowym. Odsłaniają wówczas wyjścia grafitu, które również stanowią źródło dodatkowych zasobników oleju. Odchyłki kształtu cylindra ulegają jednak niewielkiemu zwiększeniu. Taka metoda gładzenia płasko wierzchołkowego ślizgowego, zapewnia w obszarze zwrotu zewnętrznego możliwość gromadzenia zgarnianego oleju jak i zanieczyszczeń. Zapewnia to poprawę smarowania i małe jego parowanie. 4. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW PRZEZ FIRMĘ VOLVO Firma Volvo w latach 70 wymagała, dla silników ciężarówek (pojemności silnika wysokoprężnego około 13 dm 3 ), zarówno wąskiej tolerancji średnicy, minimalnych odchyłek kształtu, dużej czystości powierzchni, braku skaz powierzchni oraz skaz strefy mikroskopowej warstwy wierzchniej, również wartości wysokość chropowatości powierzchni gładzonego cylindra Rz=5-10 μm oraz maksymalnej wysokość chropowatości powierzchni R max =13 μm (Rys. 1). Udział materiałowy powinien zawierać się w granicy 50-80%, na głębokości 2 μm, wyznaczonej od linii odniesienia będącej na wysokości profilu chropowatości powierzchni odpowiadającej udziałowi materiałowego Mr=5%. Krzywa udziału materiałowego profilu chropowatości powierzchni powinna mieć pojemność olejową (pole powierzchni wgłębień profilu chropowatości powierzchni) A2=0,025-0,070 mm 3 /cm 2, poniżej 70% poziomu udziału materiałowego. 0 Linia odniesienia 0 A2 = mm 3 /cm 2 Wysokość Rt, μm 2μm Rz=5-10 μm Rmax=13 μm Wysokość Rt, μm Mr=5% Mr=50-80% Mr =70% Udział materiałowy Mr, % Udział materiałowy Mr, % Rys. 1. Wymagane powierzchni gładzonego cylindra firmy VOLVO w latach 70, określone poprzez parametry profilu chropowatości powierzchni i parametry krzywej udziału materiałowego 5. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW PRZEZ FIRMĘ GÖETZE Wymagania dla powierzchni gładzonych cylindrów silników spalinowych firma GÖETZE AG opublikowała w normie D-5093 w roku 1988 [6]. Obecnie firma GÖETZE jest własnością producenta komponentów silników spalinowych MAHLE. Wymagania tej normy nie są obowiązujące w ocenie jakości powierzchni tulei i cylindrów produkowanych przez MAHLE. Norma ta zawierała dwie niezależne oceny: 1. Wyglądu powierzchni, przeprowadzanego mikroskopem świetlnym (światło przechodzące) z repliki negatywowej przeźroczystej tzw. odbitki fax film (obecnie można tego dokonać systemem wizyjnym CCD, z powierzchni materialnego cylindra) oraz oceny 102

5 Tabela 1. Wymagania firmy GÖETZE dotyczące wyglądu mikroskopowego powierzchni i strefy mikroskopowej warstwy wierzchniej cylindra kryteria i znaczenie A. Rozpatrywane kryteria oraz ich wskaźniki jakości oraz współczynniki ważności (wagi) 1. Kąt gładzenia (skrzyżowania rys gładzenia) 40 α 65º - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium - 0, Orientacja rys gładzenia cechy geometryczne rys głębokich gładzenia dla dwóch kierunków (zwłaszcza odstępu i szerokości) - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Ukształtowanie powierzchni płasko wierzchołkowej cechy geometryczne powierzchni nośnej (zwłaszcza odstępu i szerokości rys powierzchni o kształcie trapezu ograniczonej głębokimi rysami gładzenia) - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Skazy strefy podpowierzchniowej warstwy wierzchniej (zwłaszcza odkształcenie plastyczne stopień zamknięcia płatków grafitu) - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Stopień makrofalistości (prostoliniowość krawędzi oraz występowanie nieciągłości, szczerbatości) na poprzecznym zgładze metalograficznym - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0,05. Przyjęto: wskaźniki jakości rozpatrywanych kryteriów: 1 - najgorszy, 5 - akceptowalny, 10 - najlepszy. B. Ostateczna ocena powierzchni gładzonego cylindra polega na obliczeniu sumy pięciu iloczynów: oceny kryterium za pomocą wartości wskaźnika jakości oraz wartości współczynnika ważności kryterium, dla wszystkich pięciu ocen. Suma współczynników znaczenia (wag, ważności) tych ocen wynosi 1. wyglądu mikroskopowego poprzecznego zgładu metalograficznego cylindra (światło odbite), 2. Profilu chropowatości i falistości powierzchni wzdłuż tworzącej. Ocena powierzchni gładzonego cylindra na podstawie - wyglądu powierzchni oraz ocena wyglądu poprzecznego zgładu metalograficznego zawierała pięć kryteriów (tabela 1): 1. Kąt gładzenia - skrzyżowania rys gładzenia, 2. Orientacja rys gładzenia (geometria rozłożenia rys głębokich gładzenia), 3. Ukształtowanie powierzchni plateau (geometria rozłożenie rys gładzenia w obszarze pomiędzy rysami głębokimi w trapezowych obszarach powierzchni), 4. Skazy strefy podpowierzchniowej warstwy wierzchniej (głębokość odkształcenia plastycznego - stopień zamknięcia płatków grafitu, (ang. smeared metal, niem. Blechmantel), 5. Stopień makrofalistości krawędzi zgładu metalograficznego gładzonego cylindra - odchylenie od prostoliniowości krawędzi zgładu metalograficznego oraz jej nieciągłości, szczerbatości i wykruszenia. Rozpatrywane kryteria (wskaźniki jakości) mają oceny w skali od 1 do 10 oraz każde z nich znaczenie (wagę, współczynnik ważności). Tylko kąt gładzenia ma wartość liczbową, wymaganą 40 α 65º. Norma zawiera diagram schodkowy przypisujący dla kątów gładzenia nieobjętych podanym zakresem wartość 1. Kąty gładzenia z podanego zakresu maja wartości od 1 do 10. Kąt 45º ma najwyższą wartość kryterialną wskaźnika jakość równą 10. Ocenioną wartość wskaźnika jakości - w skali od 1 do 10, należy pomnożyć przez wartość wagi. Wynik jest częścią oceny jakości. Dla kąta gładzenia znaczenie (waga) wynosi 0,20. Wynik oceny jakości ma, więc wartość od 0,20 do 2. Pozostałe cztery kryteria nie mają wartości liczbowej, 103

6 Tabela 2. Wymagania firmy GÖETZE dotyczące profilu chropowatości i falistości powierzchni - kryteria i znaczenie 40 μm <= a <= 100 μm 45% <= t p 2 μm <= 85% W t <= 5 μm 5.5 μm <= c <= 13.5 μm 175 μm <= d <= 325 μm A. Rozpatrywane kryteria oraz ich wskaźniki jakości oraz współczynniki ważności (wagi) 1. Szerokość rys gładzenia, wartość wymagana 40 μm a 100 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Głębokość rys gładzenia (głębokość międzyszczytowa - od wierzchołka do dna wgłębienia), wartość wymagana 5,5 μm c 13,5 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Odstęp pomiędzy głębokimi rysami, wartość wymagana 175 μm d 325 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Nośność powierzchni (udział materiałowy Mr na głębokości 2 μm od najwyższego wzniesienia), wartość wymagana 45% Mr 85% - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0, Wysokość falistości powierzchni, wartość wymagana Wt 5 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0,15. Przyjęto: wskaźniki jakości rozpatrywanych kryteriów: 1 - najgorszy, 5 - akceptowalny, 10 - najlepszy. B. Ostateczna ocena powierzchni gładzonego cylindra polega na obliczeniu sumy pięciu iloczynów: oceny kryterium za pomocą wartości wskaźnika jakości oraz wartości współczynnika ważności kryterium, dla wszystkich pięciu ocen. Suma współczynników znaczenia (wag, ważności) tych ocen wynosi 1. oceniane są też wskaźnikiem jakości w skali od 1 do 10 oraz mają odpowiednie wartości wag (tabela 1). Ocenę przeprowadza się na podstawie subiektywnego porównania obrazu mikroskopowego z wzorcami zawartymi w normie. Podstawą do oceny jakości powierzchni gładzonego cylindra, na podstawie oceny wyglądu powierzchni dokonanego mikroskopem z odbitki mikroskopowej przeźroczystej fax film oraz na podstawie wyglądu mikroskopowego poprzecznego zgładu metalograficznego jest, suma iloczynów wskaźników jakości i współczynników ważności dla wszystkich pięciu wytypowanych kryteriów. Niedokładność takiej oceny została zmniejszona poprzez opracowaną automatyczną komputerowa ocenę obrazu mikroskopowego przez firmę GÖETZE. Druga ocena powierzchni gładzonego cylindra dotyczy profilu chropowatości i falistości powierzchni (tabela 2). Wszystkie kryteria jakości ocenienia się wskaźnikami jakości na podstawie wartości liczbowych zmierzonych wielkości. Dla każdego kryterium jest diagram schodkowy, umożliwiający przypisanie odpowiedniej wartości liczbowej pomiaru, oceny w skali od 1 do 10. Każde z pięciu kryterium oceny należy pomnożymy przez odpowiednie wagi (współczynniki ważności). Suma tych pięciu ilorazów jest ostateczną oceną jakości gładzonego cylindra dotyczącą profilu chropowatości i falistości powierzchni. 6. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW PRZEZ FIRMĘ BERLIET Firma BERLIET, normą , wprowadziła wymagania powierzchni gładzonych cylindrów silników spalinowych o zapłonie samoczynnym [16]. Stwierdziła w latach 90, iż nowe przepisy o zmniejszeniu zanieczyszczenia środowiska zmuszają do zmniejszenia 104

7 a) b) Wysokość Rt, μm 0 0<=CR<=1.7μm Mr=20% 0.4<=CF<=3μm Mr=70% 1.8<=CL<=7μm 2.5 μm <= R średnie <=6.5 μm 1 <= R plateau <= 3 μm 10 μm <=l<= 65 μm 125 μm <=L<= 600 μm 6 μm <= H <16 μm Udział materiałowy Mr, % OR = μm Rys. 2. Wymagane powierzchni gładzonego cylindra firmy BERLIET dla: a) udziału materiałowego od 0% od 20% to CR o wartości 0 CR 1,7 μm, dla udziału materiałowego od 20% do 70% to CF o wartości 0,4 CF 3 μm oraz dla udziału materiałowego od 70% do 100% to CL o wartości 1,8 CL 7 μm, b) średniej głębokości chropowatości powierzchni to R średnie o wartości 2,5 μm R średnie 6,5 μm, głębokości chropowatości plateau to R plateau o wartości 1 μm R plateau 3 μm, głębokości rys gładzenia to H o wartości 6 μm H 16 μm, szerokości plateau to L o wartości 125 μm L 600 μm, szerokość rowków to l o wartości 10 μm l 65 μm oraz odstęp rys gładzenia to OR o wartości 175 μm OR 325 μm zużycia oleju poprzez większą równomierność gładzenia jak również przez zmniejszenie objętości zapasu oleju. Zużycie oleju w silniku powoduje dodatkowy wzrost emisji cząstek stałych w spalinach rzędu 30%. Producenci dążą do uzyskania zużycia oleju w silniku na poziomie poniżej 0,07 dm 3 /1000 km, lub jednostkowego zużycia oleju wynoszącego poniżej 0,4 g/kw h (Euro 5 ogranicza emisję zapylenia PM do poziomu 0,005 g/km, samochody M1, N1). Udoskonalenia systemu tłokowo cylindrowego wynikają z faktu, iż może on być odpowiedzialny za straty oleju w 97%. Firma BERLIET podała wymagania, co do krzywej udziału materiałowego i wymagania geometryczne profilu chropowatości powierzchni (rys. 2). Wartość wysokości chropowatości ocenionej parametrem CR (0 μm CR 1,7 μm) uzasadniono okresem docierania silnika. Wartość wysokości chropowatości, ocenionej parametrem CF (0,4 μm CF 3 μm), jest związana z okresem trwałości (normalnej eksploatacji) oraz oceniona parametrem CL (1,8 μm CL 7 μm) z poprawą smarowania. 7. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW FIRMY VOLVO SFORMUŁOWANE DO BADAŃ W ROKU 2006 Wymagania gładzonych cylindrów silników spalinowych firmy VOLVO (Diesla z doładowaniem) o pojemności skokowej około 13 dm 3, spełniające normy ekologiczne EURO 5, skoncentrowane są z małej wysokości chropowatości powierzchni ocenianych krzywą udziału materiałowego oraz ocenie wyglądu powierzchni gładzonej i ocenie wyglądu strefy mikroskopowej warstwy wierzchniej. Zastosowano opis krzywej udziału materiałowego zgodny z parametrami zawartymi w normie EN ISO : Sposób filtrowania profilu pierwotnego należy przeprowadzać według procedury określonej w normie EN ISO :1997. Podstawowym parametrem była bardzo mała głębokość rdzenia chropowatości powierzchni, Rk 0,8 μm (rys. 3). Wymaganym była również, głębokość wzniesień chropowatości powierzchni, nie przekraczających Rpk 0,3 μm oraz ograniczona została głębokość wgłębień powierzchni plateau, Rvk 1,5 μm. Kąt gładzenia (skrzyżowania rys głębokich) miał wartość α=55-60º. Znane są także właściwości silników firmy VOLVO o kącie gładzenia α=140º. Przykładowo silnik o pojemności skokowej 13 dm 3, z taką powierzchnią tulei cylindrowej, o głębokości rdzenia chropowatości Rk=0,25 μm, miał zużycie oleju silnikowego 0,064 g/kwh i przedmuchy spalin o wydatku 1,9 dm 3 /s. Identycznej konstrukcji silnik, lecz o kącie gładzenia α=60º i głębokości rdzenia 105

8 chropowatości Rk=0,28 μm, miał nieco mniejsze zużycie oleju silnikowego 0,057 g/kwh i przedmuchy spalin również o wydatku 1,9 dm 3 /s. Przedstawione w publikacji wyniki gładzenia dotyczą tulei cylindrowych o średnicy 131 mm i wysokość 261 mm (rys. 3, 4 i 5). Gładzenie przeprowadzono osełkami z warstwą diamentów kruchych firmy NAGEL. Stosowano następujące osełki do gładzenia - wstępnego 3x5x75/3 D151/112/x44/50, bazowego 2x5x75/3 D54/812/x44/25 i ostatecznego 4x5x75/3 D7/818/x31/50. Stosowano obrabiarkę GEHRING SZS150.M o głowicy z sześcioma osełkami o długości 150 mm. Płynem obróbkowym była emulsja syntetyczna HON 15. a) b) Rpk 0 A1 ΔMr=40% Rk A2 Wysokość Rt, μm Rpk < 0.3 μm Rk < 0.8 μm Rvk < 1.5 μm 55 o <= α<= 60 o Mr1 Mr2 Rvk Udział materiałowy Mr, % Rys. 3. Wymagane powierzchni gładzonego cylindra firmy VOLVO: a) wymagane wysokości chropowatości powierzchni na podstawie krzywej udziału materiałowego Rpk 0,3 μm, Rk 0,8 μm oraz Rvk 1,5 μm o kacie gładzenia α =55-60º, b) profil chropowatości powierzchni zgodny z wymaganiami gładzenia ślizgowego o wartości parametrów chropowatości powierzchni: Rpk=0,059 μm, Rk=0,203 μm, Rvk=1,133 μm (nie wymagane - dla informacji: Ra=0,29 μm, Rt=4,29 μm, Rz DIN =3,31 μm, A2=0,165 μm) Rys. 4. Charakterystyka powierzchni cylindra obrobionego gładzeniem płasko wierzchołkowym ślizgowym, określona za pomocą: a) widma mocy, b) udziału materiałowego, c) widmowej mocy skumulowanej, d) funkcji autokorelacji, e) funkcji struktury, f) widma amplitudowego 106

9 a) b) c) Rys. 5. Charakterystyka powierzchni cylindra obrobionego gładzeniem płasko wierzchołkowym ślizgowym, określona za pomocą: a) kątowych wykresów powierzchni - widmowej mocy PWGM, korelacji wzajemnej PFKW i funkcji autokorelacji PFAC, b) róży anizotropowości, c) mapy konturowej - Sa=0,36 μm, Str=0,0282, izotropowość 2,82% Nastawy programu sterującego gładzarki zapewniały: prędkość obwodowa głowicy m/min, prędkość osiową m/min, ciśnienie układu hydraulicznego 1-6 MPa oraz czas obróbki s. Naddatek obróbkowy wynosił 0,24 mm, średnicowo. Przedstawiono widmową gęstość mocy, widmo amplitudowe, krzywą Abbotta, widmową moc skumulowaną, funkcję autokorelacji i funkcję struktury (dla informacji podano wartości:. Ra, Rt, Rz DIN i A2). Parametry krzywej Abbotta w układzie laplasonormalnym wynosiły: Rpq=0,068 μm, Rvq=1,101 μm, Rmq=74%. Ocenę topografii powierzchni tulei cylindrowej zamieszono na rysunku 5. Ocena jest odmienna, za pomocą róży anizotropii oraz wykresów kątowych. 8. WNIOSKI Specyfikacje techniczne wykonania oraz odbioru tulei cylindrowych i cylindrów monobloków silników spalinowych dotyczą zwłaszcza: 1. Składu chemicznego - najczęściej żeliwa szarego, jego granicy wytrzymałości na rozciąganie, twardości oraz odporności na zużycie i korozję, wg szczegółowych specyfikacji. Mikrostruktura winna być na osnowie perlitycznej z grafitem w postaci płytek średniej wielkości, równomiernie rozłożonych. Nie dopuszcza się zwykle w strukturze ferrytu, wolnego cementytu oraz potrójnej eutektyki fosforowej. Wymagania dotyczą także - zdolności zwilżania olejem (energii powierzchniowej), rodzaju pokrycia, modyfikacji obróbką cieplną i cieplno chemiczną. 2. Tolerancji powierzchni walcowej gładzi cylindra i powierzchni osadczej tulei cylindrowych aktualnie nie przekraczających wartości 0,01 mm. Z kolei odchyłki: okrągłości, walcowości, współosiowość, bicia i prostoliniowość tych powierzchni nie powinny być również większe od 0,01 mm. 3. Wyglądu powierzchni cylindra, w tym ograniczenia zanieczyszczeń i ziaren z narzędzi ściernych. Rysy gładzenia powinny być możliwie wąskie, w obu kierunkach gładzenia jednakowo wyraźne oraz równomiernie rozłożone. Nie powinno być odkształceń plastycznych - przemieszczenia warstwy wierzchniej pod wpływem siły skrawania. 4. Wysokość chropowatości limitowana jest wymaganiami zanieczyszczenia środowiska, strat energii ruchu, trwałością i nieuszkadzalnością silnika. 9. LITERATURA [1] Buhaug O., Almas T.: Characterisation of diesel engine cylinder liner deposits by surface measurements. TriboTest, 2004, vol. 10, no. 3, s [2] Campbell J.C.: Cylinder bore surface roughness in internal combustion engines. Its appreciation and control. Wear 1973, vol. 19, s [3] Duffet G., Sallamand P., Vannes A.B.: Improvement in friction by cw Nd:YAG laser surface treatment on cast iron cylinder bore. Applied Surface Science 2002, vol. 205, no. 1 4, s

10 [4] Froelund K., Real-time steady-state oil consumption measurement on commercial SIengine. Transactions. Journal of Fuels and Lubricants 1999, vol. 108, SAE 3461, s [5] Galligan J., Torrance A.A., Liraut G.: A scuffing test for piston ring/bore combinations: Pt. II. Formulated motor lubrication. Wear 1999, vol. 236, no. 1-2, s [6] Goetze Honing Guide. Rating Criteria For The Honing of Cylinder Running Surfaces. GOETZE AG HAPTVERWALTUNG D-5093 BURSCHEID. Part 1: Fax Film and Transverse Section. Part 2: Roughness Trace. GOETZE AG Technik Metall - December [7] Hessling D.M.: A study of typical bore finishes and their effect on engine performance. Symposium 18 ASLE Annual Meeting, New York 1983, s [8] Hill S.H., Kantola T.C., Brown J.R., Hamelnik J.C.: En experimental study of the effect of cylinder bore finish on engine oil consumption. Transactions, Journal of Engines 1995, vol. 104, SAE , s [9] Jeng Y.-R.: Impact of plateaued surfaces on tribological performance. Tribology Transactions 1996, vol. 39, no. 2, s [10] Kościelny E., Michałski J., Pawlus P.: Badanie przyspieszone zużycia warstwy wierzchniej złożenia: tłok-pierścień-cylinder silnika spalinowego w warunkach sztucznie zwiększonego zapylenia. Mat. Konf.: Wpływ technologii na stan warstwy wierzchniej. Gorzów Wielkopolski 1990, s [11] Nosal S., Grześkowiak J., Kotkowski K., Mrowicka-Wołyńska, Heppel K.: Wpływ wybranych czynników na przebieg docierania węzła modelującego skojarzenie tuleja cylindrowa-pierścień tłokowy silnika okrętowego. IX Kongres Eksploatacji Urządzeń Technicznych, Krynica, 2001, s [12] Ohlsson R., Rosen B. G, Pulkkinen T., Jonasson M.: Practical consideration when measuring 3D surface roughness. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 1994, vol , s [13] Santochi M., Vignale M., Giusti F.: A study on the functional properties of the honed surface. CIRP Annals 1982, vol. 31/1, s [14] Szabó O., Barylski A., Tribology of honing, Tribologia 1997, nr 1, s [15] Tomaniuk E., Linear honing quality main characteristics. Transactions, Journal of Engines 1992, vol. 101, SAE [16] Warunki techniczne odbioru oraz wykonania tulei i cylindrów silników spalinowych firm: Berliet-Renault, Cummins, DAF, Dorman, Ferry-Capitain, Fiat, Gëotze, KG Krauss Mafei, Leyland, Moteurs Boudouin, Motoren Werke Manheim, OBR Samochodów Osobowych, Perkins, Rolls Royce, Stal Refrigeration, Valmet, Volvo-AB, Volvo-BM, Volvo-Penta, ZM PZL-Wola, Wellworthy, WSK-PZL Kalisz. TECHNICAL REQUIREMENTS FOR CYLINDER LINERS MANUFACTURING The paper presents the technical requirements, which should be satisfied by cylinder liners of heavy duty Diesel engines according to VOLVO, GÖETZE and BERLIET specifications. The requirements apply to the material characteristics, dimensional accuracy and form deviations of the liner surface and mountings, the surface appearance and roughness. The surface appearance is characterized by the following parameters: honing angle, orientation of grooves, plateau formation, groove appearance - crossover points, macro waviness in transverse section. The roughness and waviness profile characteristics include the groove width, peak to valley height, and distance between grooves. The surface percentage material ratio Mr at 2 μm section depth and macro waviness is also described and others. 108