Cap. 1 Pistonul aspecte generale [308503]

Cap. 1 Pistonul – aspecte generale

1.1 Necesitatea pistonului

Dezvoltarea motorului cu piston a [anonimizat] a motoarelor cu aburi, a automobilelor și avioanelor. [anonimizat], automobilelor și vapoarelor să obțină accelerații și viteze pe care nici un alt mod de propulsare nu reușea să le atingă până atunci.

Invenția primului piston îi aparține fizicianului francez Denis Papin care a publicat designul său pentru un motor cu aburi în anul 1690. Concepția de bază a [anonimizat],

[anonimizat].

Nicolaus Otto a fost inventatorul primului motor cu combustie internă în 1876, care ardea în mod eficient combustibilul direct într-o [anonimizat]-se de-a lungul generatoarei cilindrului. Deși fuseseră inventate și alte motoare cu combustie internă ([anonimizat]), acestea nu s-au bazat pe patru timpi separați. [anonimizat] a fost primul care l-a pus în practică.

În 1893 [anonimizat] o [anonimizat]. Motorul lui Rudolf Diesel s-a impus, mai bine de 100 [anonimizat]. [anonimizat], navale, pentru locomotive și autovehicule până la motoare pentru aviație. [anonimizat], [anonimizat] a acestora.

Funcțiile pistonului

Pistonul este un element de transmitere a forței de presiune a [anonimizat]-[anonimizat] a transforma această energie în lucru mecanic. Capul pistonului (figura 3) [anonimizat] (figura 4).

Etanșare și disipare a căldurii

Fiind o [anonimizat], de a uniformiza pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului și de a transmite cilindrului o parte din căldura preluată de piston de la gazele fierbinți. Segmenții care împiedică scăparea gazelor din cilindru în carterul motorului se numesc segmenți de compresie iar segmenții care distribuie uniform și elimină excesul de ulei de pe suprafața cilindrului se numesc segmenți de ungere.

[anonimizat] a ajuta la o formare cât mai bună a amestecului carburant din interiorul cilindrului. În principiu pistonul trebuie să reziste la schimbări de presiune și temperaturi foarte mari care se realizează în timpi foarte mici. [anonimizat] în interiorul capului pentru a permite circulația uleiului acesta din urma avand și rol de răcire.

Sarcini ale pistonului

Cele mai importante sarcini pe care pistonul trebuie să le îndeplineasca sunt:

Transmiterea forței de presiune a gazelor la arborele cotit

Rezistență sporită la condițiile de temperatură și presiune care se modifică într-un timp foarte scurt

Etanșarea camerei de ardere

Disiparea căldurii

Capul pistonului are rol de a ajuta la o bună formare a amestecului

Ghidarea elementelor de etanșare (segmenții)

Împreună cu segmenții asigură pelicula de ulei de pe peretele cilindrului în vederea reducerii frecărilor

O dată cu creșterea puterii specifice a motorului, cresc și cerințele pistonului pentru a rezista cu ușurintă celor patru cicluri pe perioada de viață a motorului.

1.2.4 Cerințe ale pistonului

Cele mai importante cerințe pe care un piston trebuie să le îndeplinească sunt urmatoarele

Rezistență structurală

Adaptabilitate la condițiile de funcționare

Frecare redusă

Uzură redusă

Greutate redusă

Consum redus de ulei

Valori scăzute ale emisiilor de noxe atât din punct de vedere al design-ului pistonului cât și a materialelor folosite pentru fabricarea lui

Aceste criterii trebuiesc luate în considerare pentru fiecare tip de motor cu ardere internă. Deci soluția optimă de variantă constructivă a pistonului poate fi diferită pentru marea majoritate a motoarelor cu ardere internă.

În tabelul 1.1 sunt prezentate condițiile de funcționare generale ale pistonului, rezultând varianta constructivă necesară și utilizarea unui material care să satisfacă cerințele pistonului.

Tabelul 1.1 Condiții de funcționare , cerințe, soluții constructive și materiale

Forța de presiune a gazelor

Presiunea maximă rezultată în urma arderii amestecului aer-carburant are o importanță critica pentru sarcinile mecanice ale pistonului. Astfel că pentru motoarele cu aspirație naturala a aerului, utilizate în autovehiculele de serie de putere mică și mijlocie, pistoanele nu trebuie să îndeplinească cerințe foarte mari de rezistență și disipare a căldurii rezultate. Există autovehicule de serie cât și de competiție care sunt echipate cu motoare aspirate natural, cu rapoarte mari de comprimare care dezvoltă puteri mari. În acest caz forța de presiune a gazelor este și ea mult mai mare în urma arderii amestecului aer-carburant ceea ce implică automat o rezistență sporită a pistonului dar și o cerință de disipare mult mai rapidă a căldurii. Utilizând rapoarte mari de comprimare, o disipare ineficienta a căldurii transmisă capului, poate duce la fenomenul de auto-aprindere a amestecului din cilindru.

Există și variantele constructive ale motoarelor cu ardere internă supraalimentate cu turbo-compresor sau compresor mecanic la care puterea dezvoltată este mult mai mare față de puterea dezvoltată de un motor obișnuit aspirat natural. Datorită faptului că presiunea admisă în cilindrul motorului este mult mai mare, numita presiune de supraalimentare, automat forța de presiune a gazelor rezultate în urma arderii amestecului cât și temperatura sunt mult mai mari. Din acest motiv este necesar ca pistoanele utilizate într-un astfel de motor, să utilizeze materiale, procese diferite de fabricare a acestora cât și variante constructive complexe.

Temperaturi

Temperatura pistonului și a cilindrului este un parametru foarte important pentru funcționarea în siguranță a motorului. Temperaturile gazelor rezultate în urma arderii amestecului, chiar daca există pe o perioada scurtă de timp în interiorul cilindrului pot atinge valori de până la 2.200 grade Celsius.

Nivelul de temperaturi și distribuția acesteia depinde într-o mare măsură de acești parametrii

Tipul de combustibil utilizat, benzină sau motorină

Principiul de funcționare, în patru sau doi timpi

Tipul de injecție, directă sau indirectă

Punctul de operație a motorului, viteza și cuplu

Răcirea motorului, aer sau apa

Varianta constructive a capului pistonului și a cilindrului, numărul supapelor de evacuare

Răcirea pistonului, pistoane prevăzute cu canale pentru pătrunderea uleiului

Proprietățiile de rezistență ale materialelor utilizate sunt dependente si de temperatură. Ele pot determina nivelul și distribuția temperaturilor în corpul pistonului. Încărcăturile termice mari determină o reducere drastică în rezistență la oboseală a materialelului pistonului. Temperaturile din primul canal de segment al pistonului pot determina apariția fenomenului de cocsificare a uleiului care poate duce la blocarea segmentului în canal. Astfel trebuie realizate pistoane cu o bună răcire sau disipiare a căldurii în zona primului canal pentru segment.

Tipuri de pistoane

În funcție de destinația autovehicului, motoarele cu care acestea sunt echipate pot varia din multe puncte de vedere ca varianta constructiva, materiale folosite, puterea dezvoltata etc. Din acest motiv, fiecare tip de motor are nevoie de varianta constructivă proprie a pistonului caracterizată prin construcție, formă, mărime și material.

Pistoane cu dilatare termică controlată utilizate la motorul cu aprindere prin scânteie

Pistoanele cu dilatare termică controlată sunt acele pistoane care au în componență anumite inserții de benzi care controlează dilatarea termică în zona bosajelor. Această soluție este utilizată pentru a reduce dilatările termice în zona bosajelor. Mantaua pistonului trebuie sa aiba o lungime suficienta pentru a asigura un bun  ghidaj, presiune laterale reduse si a limita bascularea. Nu trebuie insa a fi marita in mod exagerat pentru a nu mari inutil inaltimea motorului. Pentru a micsora temperatura mantalei, cu scopul de a reduce jocul dintre aceasta  si cilindru, o solutie intalnita la pistoanele  MAS-urilor, este mantaua elastica. Ea se obtine de obicei prin executarea unor taieturi oblice incomplete prevazute la capat cu un orificiu care inlatura concentrarea tensiunilor, dar previne si rizarea locala a cilindrului. Taierea mantalei se face imediat dupa canalul pentru segmentul de ungere. Acest procedeu permite obtinerea asa numitei mantale elastice pentru care se pot realiza jocuri la montaj (la rece).

Fig. 5 Pistoane autotermice MAS (MAHLE)

O alta solutie o constituie pistonul autotermic utilizat la MAS intens solicitat (autobuze si autocamioane). O varianta constructiva consta in incorporarea in piston in dreptul umerilor mantalei a unor placute  de  invar (un otel cu un continut de  36% Ni si 64%  Fe avand coeficient de dilatare a = 0,63ž10 1/C adica aproximativ de 30 de ori mai mic decat al aluminiului). Astfel invarul impiedica pur si simplu dilatarea din cauza coeficientului redus. A doua varianta, mai des utilizata  astazi, consta in fixarea pe periferia materialuluii de piston, in dreptul bosajelor, a unor placute din otel de calitate care lucreaza impreuna cu aliajul  de Al  a-l pistonului ca o lama  bimetalica supusa incalzirii. Placuta de otel franeaza dilatarea Am, iar sistemul se curbeaza  in directia evacuarii pentru a satisface conditia de dilatare. Placutele de otel au in plus rolul de a mari rigiditatea mantalei si a umerilor acesteia.

Pistoane obținute prin forjare

În motoarele cu ardere internă de înaltă putere ca cele de competiție sau supraalimentate pistoanele obținute prin procedeul de turnare nu reușesc să facă față condițiilor de stres mecanic și temperatură mare. Pistoanele forjate se caracterizează prin rezistență sporită la solicitări termice și mecanice. Prin urmare pistoanele forjate sunt foarte potrivite pentru motoarele care funcționează la turații ridicate sau motoare supraalimentate. Ele reacționează mai tolerant la presiunile rezultate în urma arderii amestecului aer-carburant din cilindrul motorului. Un dezavantaj al acestor tipuri de pistoane este costul ridicat de producție în comparație cu pistoanele obținute prin turnare. În domeniul motorsport unde motoarele functionează la turații de peste 15.000 rotații pe minut și dezvoltă puteri de peste 200kw, sunt utilizate pistoane obținute prin forjare cu un design special.

Aceste pistoane trebuie să funcționeze în condiții extreme de temperatură și presiuni, să aibă o răcire foarte bună dar și o greutate redusă pentru a limita forța de inerție dezvoltată de ansamblul piston-biela în cursa efectuată de piston între punctul mort superior și punctul mort inferior.

Pistoane pentru motoarele cu aprindere prin comprimare

Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie, în cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare, arderea are în loc momentul injecției de motorină în aerul încins din camera de ardere. Aerul admis este comprimat de piston în camera de ardere până când acesta atinge temperatura suficentă de a aprinde motorina în momentul injecției acesteia în cilindrul motorului. Din acest motiv, motoarele cu aprindere prin comprimare funcționează cu rapoarte mari de comprimare. Astfel un procent de 20 – 30% al volumului camerei de ardere se află în capul pistonului.

Deoarece materialul din dreptul canalului primului segment își pierde mai ușor duritatea și suportă atacul agenților corosivi, o soluție eficientă de protejare a lui este cea a utilizării unei inserții de fontă, de forma unui inel.

Pentru a răcii cât mai eficient zona din jurul camerei de ardere, există diferite variante constructive de răcire adițională. Cea mai des întâlnită variantă constructivă este realizarea unui canal in jurul camerei de ardere prin care uleiului îi este permis să circule (figura 8).

Obținerea acestui canal suplimentar de răcire se face prin turnarea aliajului topit în jurul unor nuclee de sare care în final se dizolvă și se spală cu apă. Astfel aceste pistoane pot fi utilizate în construcția motoarele cu ardere internă cu aprindere prin comprimare care funcționează în condiții mai dure față de un motor cu aprindere prin comprimare obișnuit. Spre exemplu un motor cu aprindere prin comprimare supraalimentat dezvoltă automat în urma arderii amestecului presiuni

și temperaturi mai mari, fiind necesară o răcire suplimentară a capului pistonului.

O altă zonă tensionată este zona bosajelor pistonului unde se pot atinge temperaturi de pana la 250 grade Celsius, temepratură care poate afecta considerabil un aliaj de aluminiu. Pentru motoare cu aprindere prin comprimare care funcționează în condiții extreme de presiune și temperatură, nu este suficientă doar răcirea suplimentară a camerei de ardere. Din acest motiv s-au dezvoltat variante constructive cu întărire a zonei bosajelor prin inserția unor bucșe (figura 9) din material mai rezistent în comparație cu aliajul de aluminiu .

Fig. 9 Piston pentru M.A.C cu inserție inelară de fontă, canal suplimentar de răcire a camerei de ardere și inserții de bucși în zona bosajelor

Canalul suplimentar de răcire a camerei de ardere, are de asemenea și rolul de răcire suplimentară a inelului din fontă aflat în zona primului segment, pentru o răcire suplimentară.

Pistoane compozite utilizate la motoarele cu capacitate cilindrică mare

Pistoanele compozite permit încorporarea canalelor de răcire și combinația mai multor proprietăți de materiale diferite într-un singur piston. Performanțele motoarelor cu ardere internă în patru timpi care sunt echipate cu pistoane compozite ajung la 500 – 30.000 kW putere dezvoltată cu până la 20 de cilindrii într-un singur motor. Aceste motoare echipează autovehicule de mare tonaj, vechiule militare, vehicule destinate transporturilor și autovehicule destinate construcțiilor.

Cea mai utilizată variantă constructivă de piston compozit este cea în care capul pistonului și zona port-segmenți sunt fabricate dintr-un material, iar bosajele pentru bolț și fusta pistonului din alt material. Cele doua parți ale pistonului sunt împreunate prin intermediul unor șuruburi (figura 10).

Fig. 10 Tipuri de îmbinări ale pistoanelor compozite

Partea superioară a pistonului care include capul și zona port-segmenți este realizată din oțel forjat și poate prezenta și canale suplimentare pentru pătrunderea uleiului în vederea răcirii capului pistonului. Alegerea variantei de îmbinare a celor doua părți se face în funcție de geometria pistonului și tipul de răcire al acestuia. Partea inferioara a pistonului care include zona port-segmenți și fusta pistonului este în general fabricată din fontă nodulară datorită faptului că în această zonă temperaturile și forțele transmise nu sunt atât de mari în comparație cu capul pistonului care vine în contact direct cu forța de presiune a gazelor și temperatura rezultată în urma arderii amestecului. În figura 11 este prezentată o secțiune printr-un piston compozit.

Mahle a dezvoltat pistonul MonoXcomp (figura 12) destinat autovehiculelor comerciale de mare putere la care structura este foarte rigidă datorită formei sale constructive. Fiind un piston compozit se permite utilizarea pereților subțiti păstrându-se în același timp o rigiditate și rezistentă a pistonului la presiuni de până la 25 Mpa. Varianta constructivă a pistonului compozit permite de asemenea existența unor canale foarte largi de răcire. Pistonul MonoXcomp prezintă un canal secundar de răcire chiar în centrul pistonului sub zona capului în care temperaturile sunt foarte mari în urma exploziei amestecului aer-carburant.

Materiale utilizate pentru fabricarea pistonului

Aliajul de aluminiu pentru pistoane reprezintă o combinare judicioasă a elementelor de aliere principale (Si, Cu, Mg, Ni) cu elementele de aliere secundare (Fe, Ti, Mu, Zu), în vederea obținerii unui material care să satisfacă condițiile impuse. Siliciul, cuprul și magneziul majorează rezistența la tracțiune a aliajului și reduc alungirea, iar nichelul mărește rezistența la temperatură. Fierul formează cu aluminiul cristale dure rezistente la uzură, iar titanul determină o cristalizare fină a aliajului. Manganul și zincul apar ca impurități.

După conținutul elementului de aliere de bază, aliajele de aluminiu pentru pistoane se împart în două grupe: aliaje pe bază de siliciu (Al-Si-Mg-Ni- silumin) și aliaje pe bază de cupru (Al-Cu-Ni-Mg- aliaje y). Dintre aliajele pe bază de siliciu, pentru pistoane se utilizează cele eutectice și hipereutectice. Principalele caracteristici ale aliajelor de aluminiu pentru pistoane sunt date în tabelul 1.2.

Aliajele pe bază de siliciu posedă coeficient de dilatare termică redus, care se micșorează pe măsura creșterii conținutului de siliciu. Aliajele hipereutectice corespund cel mai bine cerinței de a avea un coeficient de dilatare cât mai apropiat de cel al cilindrului. Datorită acestui fapt jocurile la rece pot fi mai mici, din care cauză uzurile, îndeosebi ale segmenților și ale canalelor, vor fi mai reduse. Majoritatea constructorilor utilizează aliaje eutectice datorită dilatării reduse a acestora și calităților bune în ceea ce privește frecarea. Totodată aliajele eutectice sunt mai puțin sensibile la formarea fisurilor.

Aliajele pe bază de cupru au coeficientul de dilatare cel mai mare, din care cauză pistoanele se prevăd cu jocuri mărite, ceea ce favorizează intensificarea uzurilor grupului piston-segmenți-cilindru. Datorită proprietăților mecanice ridicate, aliajele pe bază de cupru se utilizează pentru execuția pistoanelor pentru motoarele cu aprindre prin compresie.

Pistoanele din fontă se întâlnesc mai rar în construcția motoarelor de automobile. Ele au pereți mai subțiri și masa apropiată de cea a pistoanelor din aliaje de aluminiu. Se fabrică prin turnare în nisip. Cele din aliaje de aluminiu se obțin prin turnare în cochile sau prin matrițare. Constructorii de pistoane și-au intensificat cercetările în direcția găsirii unor noi materiale pentru pistoane, cu calități tehnico-economice superioare. Astfel, ei studiază în prezent posibilitățile de fabricare a pistoanelor din pulberi sinterizate.

Pentru sporirea durabilității pistoanelor, suprafața exterioară se acoperă cu straturi protectoare, care au calitatea de a mări aderența uleiului la metal și de a îmbunătăți calitățile antifricțiune. În acest sens pistonul se acoperă cu un strat de 5…30 [mm] de staniu, plumb, grafit, sau oxizi de aluminiu (eloxare).

Tabelul 1.2 Principalele caracteristici ale aliajelor de aluminiu pentru pistoane

Cap. 2 Calculul și proiectarea pistonului

2.1 Tehnici moderne de proiectare. CAD-CAM-CAE

2.1.1 Definirea CAD/CAM/CAE

Apariția, dezvoltarea și introducerea controlului numeric, marchează începutul procesului de automatizare și debutul unui proces de inovare în activitățile de proiectare și producție a bunurilor. Există fabrici aproape complet automatizate care sunt capabile să producă o însemnată varietate de produse. De la început, este necesar să se precizeze ce se înțelege prin ”întreprindere producătoare” sau fabricǎ, avându-se în vedere volumul producției. Specialiștii clasifică procesele de manufacturare în trei categorii principale: producția în flux continuu, producția de masă și producția de serie. În prima categorie sunt incluse produsele care „curg” într-un flux continuu ca în industria petrolului, cimentului, oțelului și a hârtiei. În a doua categorie intră produsele în unități discrete, realizate în număr foarte mare cu o productivitate maximă. În acest mod sunt fabricate bunuri ca automobile, televizoare, frigidere, aparate electronice etc. Producția de masǎ a realizat beneficii enorme de pe urma mecanizării și automatizării tehnologiilor de fabricare. În a treia categorie intră producția unui număr mare de tipuri de bunuri diferite care necesită tehnologii diferite. Datorită numărului mare de tipuri de produse și de comenzi pentru aceste produse, apar probleme complexe de planificare si proiectare tehnologică. De aceea, în acest tip de producție automatizarea se limitează la nivelul componentelor individuale ale atelierelor de lucru și este dificilă automatizarea completă a fabricilor. O sinteză a lucrărilor publicate în ultimii ani, arată că proiectarea și fabricarea asistate de calculator sunt două domenii care s-au dezvoltat simultan, fiind tratate într-o viziune comună pe baza legăturilor naturale care există între activitățile de proiectare și manufacturare. În literatura de specialitate, CAD/CAM este un acronim care înseamnă proiectare și fabricare cu ajutorul calculatorului. Această tehnologie inovatoare care utilizează calculatoarele digitale pentru realizarea unor funcții diverse de proiectare și fabricare are tendința de integrare totală a acestor activități care, în mod tradițional, au fost considerate ca fiind două funcții distincte și separate. În ansamblu, CAD/CAM dezvoltă tehnologia avansată a întreprinderii viitorului, asistată complet de calculator. Proiectarea asistată de calculator, poate fi definită ca o activitate de utilizare a unui sistem de calcul în proiectarea, modificarea, analiza si optimizarea proiectării. Sistemul de calcul este format din echipamente și tehnologia CAD, programe, care asigură funcțiile necesare în proiectare. Echipamentul destinat activităților de CAD este format dintr-un calculator, 8 unul sau mai multe terminale grafice, tastatura și alte periferice. Programele de CAD sunt aplicații destinate implementării graficii în cadrul unui sistem de calcul, la care se adaugă programele dedicate funcțiilor inginerești care pot realiza analiza fenomenelor electromagnetice din instalațiile electrotermice, testării de tensiuni și deformații ale unor elemente, analiza dinamicǎ a mecanismelor, calculul transferului de cǎldurǎ din instalații electrotermice, testarea circuitelor electrice și controlul numeric. Programele aplicative variază de la un utilizator la altul, în funcție de tipul liniilor de producție, de procesul de fabricație și de specificul pieței de desfacere. Fabricarea asistată de calculator (Computer-Aided ManufacturingCAM), se definește ca utilizarea unui sistem de calcul în activitatea de planificare, conducere și control al operațiilor unei firme, prin orice interfață directă sau indirectă dintre calculator și resursele de producție. Așa cum rezultă din definiție. Aplicațiile CAM se împart în două categorii principale:

monitorizare și control; acestea sunt aplicații în care calculatorul este conectat direct la procesul de fabricare în scopul monitorizării controlului acestuia;

susținerea fabricației; acestea sunt aplicații indirecte în care calculatorul este utilizat în sprijinirea operațiilor de producție, fără existența unei legături directe între calculator și procesul de fabricare.

Monitorizarea implică prezența unei interfețe directe între calculator și procesul de manufacturare, în scopul urmăririi operațiilor și echipamentelor și a colectării de date. În acest caz, calculatorul nu este utilizat direct în controlul operațiilor, activitate ce rămâne în sarcina operatorului uman care poate fi ghidat de informațiile furnizate de calculator. Controlul asistat de calculator merge un pas mai departe decât monitorizarea, realizând nu numai observarea procesului, ci și controlul acestuia, pe baza informațiilor obținute. Diferența dintre monitorizare și control este ilustrată în figura 7. În cadrul activității de monitorizare, fluxul de date dintre proces și calculator este unidirecțional. În cazul controlului are loc un schimb bidirecțional. În plus, calculatorul emite semnale de comandă către procesul de fabricare, conform algoritmului de control. Suplimentar față de aceste funcții, CAM include aplicații indirecte În care calculatorul are rol de suport pentru operațiile de fabricare. În acest gen de aplicații, calculatorul nu este conectat direct la procesul de producție, ci este utilizat „off-line” la îndeplinirea activităților de planificare, la generarea programelor, instrucțiunilor și informațiilor prin care resursele de producție ale firmei pot fi gestionate mai eficient. Legătura dintre și calculator și proces este reprezentată simbolic în figura 8.

Fig. 4 Utilizarea calculatorului în diverse activități de susținere a fabricației

2.1.2 Conținutul CAD/CAM/CAE

În practica inginerească tehnologia CAD/CAM, este utilizată în diferite moduri de către diverse grupuri de specialiști. O primă categorie se ocupă de realizarea desenelor și a documentației aferente. A doua categorie utilizează instrumentele vizuale pentru realizarea efectelor de umbrire și animație. A treia categorie execută activități de analiză pe modele geometrice, așa cum este analiza cu elemente finite. A patra categorie elaborează tehnologia de fabricație și programează mașinile cu comandă numerică. Evoluția tehnologica arată că începuturile CAM sunt mult mai clar delimitate decât cele ale CAD. Dezvoltarea CAD s-a produs odată cu evoluția graficii pe calculator și a instrumentelor de desenare și redactare asistate de calculator, cunoscute sub denumirea de CADD utilizează sistemul de calcul la realizarea reprezentărilor bidimensionale și tridimensionale ale obiectelor cu asocierea datelor dimensionale și a altor informații de fabricare. Proiectarea asistată de calculator depǎșește limitele CADD, introducând instrumentele de analizǎ alǎturi de reprezentarea grafică. De exemplu, poate fi proiectat un cuptor de încǎlzire cu rezistoare utilizând instrumentele CAD, care permit testarea în condiții specifice procesului. Modelarea și simularea fenomenelor electromagnetice și termice permit „vizualizarea” proceselor electrotehnice. Astfel, proiectarea poate fi îmbunătățită interactiv, pe baza acestor rezultate. Ca o consecință a cerințelor de proiectare, programele CAD încorporează, de obicei, rutine complexe pentru analiza inginerească. Mai mult, instrumentele CAD nu se limitează la fabricarea produselor. De exemplu, un plan de arhitectură al unei clădiri poate fi considerat un rezultat al CADD, dacă nu este inclusă și capacitatea de analiză. Dacă pachetul de proiectare include și instrumente de analiză a soluțiilor, conform recomandărilor din standarde sau dacă are în vedere caracteristicile factorului uman și altele, atunci funcțiile CAD sunt realizate. În mod evident, dezvoltarea calculatoarelor digitale, este cheia implementării CAD/CAM. De exemplu se cunoaște cǎ diverse grupuri de aplicații ale calculatorului în control, includ: controlul traficului auto; testarea produselor și controlul calității; controlul proceselor de turnare; echipamente de control numeric; cercetări de inginerie spațială; cercetări neurologice și biomedicale; controlul și monitorizarea centralelor nucleare; controlul și monitorizarea sistemelor energetice, monitorizarea transportului de marfă pe calea ferată; controlul fabricilor de beton; controlul cuptoarelor cu oxigen; operațiile de cracare în rafinăriile de petrol etc. Este evident că majoritatea acestor aplicații intră în categoria proceselor industriale. Orice formă de control necesită strângerea de informații de la procesul ce trebuie 11 supravegheat. Aceste date sunt analizate pentru a decide dacǎ sunt necesare acțiuni de corecție. Acolo unde există procese automatizate, este relativ ușor de introdus un calculator digital cu rol de a controla procesul și chiar de a lua decizii.

2.1.3 Ciclul de producție

O bună înțelegere a scopului CAD/CAM în activitatea unei fabrici necesită o examinare prealabilă a diverselor activități și funcții care trebuie îndeplinite în proiectarea și fabricarea unui produs. Acești factori trebuie înțeleși ca o colecție bogată de piese industriale și de consum și nu ca o piața monolitică. Vor exista diferențe în demararea unui ciclu de producție, în funcție de un grup particular de clienți. În unele cazuri funcțiile de proiectare sunt realizate de client, iar producția este asigurată de o altă firmă. Indiferent de producție începe cu un concept sau o idee a produsului. Acest concept este cultivat, rafinat, analizat, îmbunătățit și transpus într-un plan de producție printr-un proces de proiectare inginerească. Planul este documentat prin elaborarea unui set de desene inginerești care arată cum este produsul și asigura o serie de specificații care indică cum ar putea fi realizat. În figura 1.3. sunt prezentate activitățile de proiectare și fabricare a produsului, 9. Fișa tehnologică întocmită cuprinde operațiile și fazele necesare fabricării produsului. Uneori este necesară achiziționarea de noi echipamente. Planificarea producției asigură un plan care angajează compania să producă anumite cantități de produse la date stabilite.

Odată formulate aceste planificări, produsul este lansat în producție, urmând apoi controlul calității și livrarea către client. Influența tehnologiei CAD/CAM se manifestă în toate activitățile din cadrul ciclului de producție, așa cum rezultă din figura 1.4. Proiectarea asistată de calculator și documentarea automată sunt utilizate în etapa de concepție a produsului. Calculatoarele sunt utilizate la proiectarea tehnologiei, de fabricație, la planificarea producției în condiții optime și la asigurarea calității produselor.

Fig. 7 Ciclul de producție în conexiune cu tehnologica CAD/CAM

În procesul de fabricație, calculatoarele au funcții de monitorizare și de control al operațiilor tehnologice. În final, sistemele de calcul îndeplinesc funcții de inspecție și teste de performanța produsului și a componentelor acestuia. Așa cum se poate vedea în figura1.4, CAD/CAM se suprapune peste toate activitățile și funcțiile ciclului de producție. În activitățile de proiectare și manufacturare ale unei fabrici moderne, sistemele de calcul au devenit indispensabile. Strategia de dezvoltare tehnologică și cerințele competiției impun ca firmele producătoare și angajații acestora să înțeleagă importanța implementării tehnologiilor CAD/CAM.

2.1.4 Structura unui proces de proiectare și fabricare

De regulă, prima activitate este specificația. Aici sunt marcate sarcinile proiectantului și sunt trasate criteriile de performanță ale obiectului proiectat. Proiectantul va colecta diverse informații despre produse similare existente, despre posibile piețe de desfacere, despre posibilități de fabricare, cerințele legislative și prevederile standardelor. A doua etapă este generarea sau sinteza variantelor proiectului. Aceasta este activitatea centrală a procesului de proiectare, în care puterea creatoare și inventivitatea proiectantului este pusă în joc. Adesea, un nou proiect poate fi numai o modificare a unui produs existent. Aceasta este așanumita ”proiectare evolutivă”, în care sunt operate mici schimbări în fiecare nouă generație a aceluiași produs. În alte cazuri, un nou proiect este obținut prin permutarea sau recombinarea elementelor componente într-o configurație complet nouă. Într-o situație limită rezultatul trebuie să fie suficient pentru a putea constitui o invenție brevetată.

Fig. 8 Schema structurală a unui proces de proiectare și fabricare

A treia activitate este evaluarea sau analiza. Acum, variantele proiectului care au fost elaborate sunt testate și comparate pentru a se stabili dacă acestea respectă specificațiile. Testele vor fi probabil teoretice în primă instanță, făcute în imaginația proiectantului sau cu ajutorul calculelor. Mai târziu se pot efectua teste practice pe modele fizice sau pe prototipuri. Criteriile de performanță pe care trebuie să le îndeplinească diversele produse sunt variate. De exemplu, acestea pot fi teste de rezistență ale elementelor componente sau ale unor structuri. Arhitectul va analiza propagarea căldurii în camere și pereți, în cazul unei clădiri. Proiectantul electronist va testa logica și comportarea circuitului electronic. Inginerul 17 mecanic va simula cinematica unui mecanism și va estima starea de tensiuni și deformații. Proiectantul unui produs de larg consum va trebui să aprecieze aspectul vizual al acestuia și va face unele evaluări de ordin estetic. Mai mult, în toate cazurile este important să se facă o estimare a costurilor materialelor și fabricației. Conceptual, este util să se decupleze activitățile de sinteză și analiză, de generare și testare. În practică acestea nu sunt atât de distincte. În schema din figura 1.6 aceste activități sunt conectate printr-o buclă. Proiectantul elaborează câteva variante posibile pe care le supune analizei și ca rezultat respinge unele alternative, face modificări altora și le testează din nou. Mulți specialiști acceptă natura iterativă, ciclică a procesului de proiectare. În prima fază are loc generarea alternativelor și apoi testarea acestora funcție de o întreagă rețea de cerințe și restricții. Este posibil să nu fie suficient un singur ciclu generare-testare, ci se poate întâmpla să fie necesară o întreagă serie de astfel de iterații. Încercările de automatizare a procesului de proiectare întâmpină serioase dificultăți în exprimarea formală a întregii secvențe de generări și testări și în alocarea resurselor de calcul între acestea. Pornind de la structura fundamentală prezentată în figura 1.6, se poate stabili necesarul de personal pentru desfășurarea procesului de proiectare și fabricare și schimbul de informații între membrii echipelor de lucru (figura 1.6).

Fig. 9 Personalul implicat în procesul de proiectare și fabricare

Proiectantul va fi, cu siguranță, personajul central interesat de activitățile de sinteză și analiză. În multe industrii, proiectarea este sarcina unei echipe de proiectanți, cu diverse specializări, care trebuie să comunice între ei. Tema de proiectare vine din partea marketingului, în cazul unui produs de larg consum, sau din partea unui singur client, care poate fi o 18 organizație, în cazul unei construcții sau al unui proiect ingineresc specializat. Pe durata procesului de proiectare, proiectantul ca continua să se consulte cu beneficiarul, ținându-l la curent cu desfășurarea proiectului și solicitându-i informații suplimentare. Proiectantul va discuta cu persoanele responsabile cu managementul și planificarea producției, cu specialiștii în marketing și prețuri. În proiectarea și manufacturarea tradițională, proiectantul transmite informațiile despre produs, personalului însărcinat cu elaborarea desenelor și a documentației necesare atelierului și personalului executant, în cazul unui produs industrial, sau firmei constructoare, în cazul proiectului unei clădiri. Informațiile de proiectare pot fi transmise pe diferite căi. Multe din informațiile necesare, vor fi schimbate verbal și prin documente scrise. Descrierea formei geometrice și aspectul vizual al obiectului proiectat vor fi transmise sub forma desenului (în proiectarea tradițională) și sub forma unor modele fizice. Desenele pot fi de diferite tipuri, în funcție de scopul informațiilor cerute și de proprietățile particulare ale obiectului reprezentat.

2.1.5 Instrumente CAD/CAM/CAE

În fazele de testare și evaluare a proiectului, este posibil să apară necesitatea schimbării modelului geometric, înainte de finalizarea acestuia. Când proiectul final este obținut, începe desenarea și detalierea modelelor, urmată de documentarea și elaborarea desenelor finale. În tabelul 1.1 sunt prezentate instrumentele CAD corespunzătoare diverselor faze ale procesului de proiectare.

Cele mai importante instrumente de CAD sunt modelările geometrice și aplicațiile grafice. Alte ajutoare cum sunt culorile, rețelele, 19 funcțiile de modificare geometrică și facilitățile de grup ,permit structurarea modelelor geometrice. Operațiile de manipulare includ transformări asupra spațiului modelului astfel acesta să fie reprezentat în mod corespunzător. Vizualizarea este obținută cu ajutorul imaginilor umbrite și a procedurilor de animație care sunt utile în fazele de concepție, comunicare și în unele cazuri, detectarea interferențelor. Instrumentele de modelare și simulare sunt bine diversificate și strâns legate de pachetele de analiză disponibile. Sunt de asemenea, operaționale instrumentele CAD de optimizare.

Unele programe de modelare cu element finit permit optimizarea formei și a structurii, precum și a fenomenelor electromagnetice și termice. Chiar dacă instrumentele CAD de evaluare sunt greu de identificat, totuși acestea trebuie să includă dimensionarea corespunzătoare a modelului, după efectuarea analizei, pentru a răspunde unor cerințe ale practicii inginerești cum sunt schimbarea treptată a cotelor și evitarea concentrărilor de tensiune. Proiectanții dispun de instrumente care permit adăugarea și analiza toleranțelor, întocmirea listelor de materiale și investigarea efectului prelucrării asupra modelului utilizând programele NC.

Fig. 10 CATIA V5 – software CAD utilizat pentru modelare geometrică

Modelul geometric dezvoltat în timpul procesului CAD constituie baza activităților CAM. Diferitele activități CAM pot solicita diverse informații din baza de date CAD. Algoritmii de interfață sunt, utilizați pentru extragerea acestor informații.

Fig. 11 Ansys – software utilizat pentru analiză cu element finit a modelului CAD

Tehnicile CAPP (proiectarea tehnologiei de fabricare asistată de calculator, (ComputerAaided Process Planning) permit abordări variaționale, generative și hibride. Majoritatea programelor CAM lucrează cu diferite limbaje de programare, cum sunt APT, COMPACT II, SPLIT etc.

Programele de inspecție utilizează mașini de măsurare în coordonate care compară coordonatele pieselor reale cu cele ale piesei etalon din baza de date. Programele pentru roboți permit simularea, programarea „off-line”, procesarea imaginilor și aplicațiile de vizualizare. În paragrafele anterioare au fost prezentate tehnicile CAD/CAM ca activități ale procesului de proiectare și fabricare. Definirea instrumentelor CAD/CAM se bazează pe utilizarea practică și industrială a tehnologiei CAD/CAM și este suficient de largă pentru a cuprinde multe detalii pe care utilizatorii ar dori să le adauge, 1. Având în vedere componentele implicate, instrumentele CAD pot fi definite ca intersecție a trei domenii: modelarea numericǎ, grafica-computer și instrumentele de proiectare (figura 1.8). Așa cum se poate observa din această figură, conceptele abstracte ale modelării geometrice și ale graficii-computer trebuie aplicate inventiv spre a servi procesului de proiectare. Într-un mediu de proiectare, instrumentele CAD pot fi definite ca instrumente de proiectare(programe de analiză, proceduri euristice, algoritmi de proiectare etc.) care sunt susținute de echipamente de calcul și software, în toate etapele, pentru a îndeplini obiectivul procesului de proiectare eficient și competitiv (figura 1.9). Proiectanții solicită instrumente care permit soluții de proiectare rapide și valide, într-o manieră iterativă care să le ofere testarea mai multor alternative.

Instrumentele CAD pot varia de la cele geometrice, precum manipularea entităților grafice și verificarea interfețelor, până la aplicații specializate de analiză și optimizare. Între aceste limite sunt incluse analiza toleranțelor, calculul proprietăților masice, modelarea și analiza cu elemente finite. Aceste definiții nu trebuie să reprezinte o restricție a utilizării CAD-lui în proiectarea inginerească.

Fig. 13 Definirea instrumentelor CAD în cadrul unui mediu de proiectare

Scopul principal al acestor interpretări este acela de a extinde utilizarea CAD/CAM, de a dezvolta aplicații locale și de a influența evoluția viitoare a noilor generații de sisteme CAD/CAM. În mod analog, instrumentele CAM pot fi definite ca intersecție a trei domenii: instrumentele CAD, conceptele de rețea și uneltele de manufacturare (figura 1.10). Această abordare întărește legătura dintre domeniile CAD și CAM, precum și centralizarea bazei de date. Principale elemente necesare implementării CAM într-un mediu de fabricare sunt arătate în figura 1.11. Succesul implementării CAM într-un sistem de fabricație este determinat de doi factori principali. În primul rând, legătura dintre CAD și CAM trebuie să fie biunivocă. Baza de date CAD trebuie să reflecte 22 cerințele de manufacturare. Proiectanții trebuie să gândească în termenii cerințelor CAM, în faza finală a proiectului. În al doilea rând, reușita introducerii CAM este determinată de echipamente de calcul și de programul de rețea utilizat.

Fig. 14 Definirea instrumentelor CAM pe baza componentelor implicate

Fig. 15 Definirea instrumentelor CAM în cadrul mediului de manufacturare

Fabrica viitorului și nivelul acesteia de automatizare sunt direct influențate de robustețea conceptelor de rețea. Cele mai serioase probleme care se pun la implementarea CAM sunt legate de sincronizarea în timp a roboților, de celulele de fabricare, de sistemele de observare și manipulare a materialelor. Extrapolând filozofia acestor definiții formale, instrumentele CAD/CAM pot fi reprezentate ca intersecție a cinci domenii: proiectare, fabricare, modelare geometrică, grafică pe calculator și concepte de rețea.

Fig. 16 SOLIDCAM – software utilizat pentru simularea procesului de fabricare

2.2 Principii de proiectare ale pistoanelor motorului

2.2.1 Dimensiunile principale ale pistonului

Din punct de vedere constructiv, ansamblul piston, are urmtătoarele elemente funcționale (fig. 4.5). Pistonul, segmenții, bolțul, biela, cilindrul și arborele cotit formează mecanismul motor (fig. 4.6).

Fig. 4.5 Părțile componente ale pistonului:

– camera de ardere (1);

– capul (2);

– bosajele pentru bolț (3); Fig. 4.6 Elementele dimensionate

– fusta (4); ale mecanismului motor

– inserțiile din oțel sau fontă (5);

– bolțul (6);

– siguranțele bolțului (7);

– segmenții (8).

2.2.2 Capul pistonului

Partea pistonului, care vine în contact cu gazele fierbinți sub presiune, în timpul funcționării motorului, este capul acestuia. Profilul lui depinde de tipul motorului, de dispunerea supapelor și de arhitectura camerei de ardere.

a)

Fig 4.7 Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin comprimare:

a) -injecție indirectă;

b,c,d) -injecție directă – formarea în volum a amestecului;

Pistoanele motoarelor cu aprindere prin compresie, cu injecție indirectă, au în cap o degajare (fig.4.7,a) al cărui volum reprezintă 20…30% din cel al camerei de ardere.

La motoarele cu injecție directă capul este prevăzut cu o degajare, ce poate avea diferite forme (fig.4.7,b,c,d), în funcție de particularitățile procedeului de formare a amestecului.

La motoarele cu aprindere prin compresie, puternic solicitate termic, în capul pistonului se prevede o inserție de fontă cenușie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului (fig.4.7,a,b,c,d).

2.2.3 Zona port-segmenți

Durabilitatea, siguranța în funcționare și economicitatea unui motor sunt influențate de performanțele ansamblului piston-segmenți.

Necesitatea de reducere a volumului constructiv al motorului și creșterea puterii, prin majorarea turației, au impus pistoanele mai scurte și mai ușoare. Acestea sunt capabile să asigure:

jocuri mici între piston și cilindru;

diminuarea cantității de gaze scăpate în carter;

ungerea satisfăcătoare a suprafețelor în mișcare relativă și un consum redus de ulei;

rezistențe ridicate la solicitările mecanice și termice.

La reducerea înălțimii constructive a pistonului, trebuie avut în vedere faptul că temperatura în zona canalului segmentului nu poate depăși 480 [K], când se folosesc uleiuri normale, și 510 [K] când se utilizează uleiuri înalt aditivate.

Lungimea zonei port-segmenți este determinată de numărul segmenților necesari pentru a asigura o bună etanșare a camerei de ardere și un consum redus de ulei. Opinia specialiștilor este aceea că exigențele funcționale pot fi asigurate de trei segmenți (doi de compresie și unul de ungere).

Pentru a împiedica orientarea fluxului de căldură, de la capul pistonului către primul segment, canalul segmentului de foc se plasează sub nivelul fundului pistonului. În același scop, se racordează larg, la interior, regiunea port-segment cu fundul pistonului.

Deoarece materialul din dreptul canalului primului segment își pierde mai ușor duritatea și suportă atacul agenților corosivi, o soluție eficientă de protejare a lui este cea a utilizării unei inserții de fontă, de forma unui inel, sau a unui disc inelar din oțel.

Evaluarea temperaturii inserției port-segment din fontă austenitică, și a regiunii imediat învecinate din piston, arată că aceasta, în zona canalului segmentului, este cu aproximativ 10 [K] mai redusă ca cea a materialului de bază.

Suprafața frontală a inelului port-segment este retrasă față de cea a pistonului, pentru a evita contactul acestuia cu peretele cilindrului și din condiții tehnice de prelucrare. Pentru diminuarea scăpării de gaze muchia inferioară a canalului trebuie executată ascuțit.

O altă soluție pentru reducerea gazelor scăpate este aceea a micșorării jocului funcțional în zona segmenților. Astfel, prin diminuarea jocului de la 0,35 [mm] la 0,30 [mm] cantitatea de gaze scăpate poate fi redusă cu aproximativ 30%.

2.2.4 Bosajele pentru bolț

Datorită înălțimii mici de compresie și cavității camerei de ardere pistoanele motoarelor de autovehicule au spațiul interior redus. Astfel, distanța dintre bolț și fundul pistonului, denumită și lungime de dilatare, este prea mică pentru a permite execuția unui bosaj elastic, care să se sprijine prin nervuri, deoarece razele de racordare devin prea mici, iar concentratorii de tensiuni mari.

De aceea, pistoanele motoarelor pentru autovehicule se execută cu bosaje cu sprijin masiv. Sprijinul masiv asigură o rigiditate înaltă și evită deformarea sub acționarea forțelor de presiune a gazelor.

Pentru diminuarea deformațiilor pistonului, se caută soluții care să permită realizarea unei distanțe cât mai mici între bosaje. La bolț se poate obține o îmbunătățire prin mărirea diametrului său exterior. Majorarea diametrului bolțului nu este întotdeauna posibilă. În acest caz, realizarea unei biele cu piciorul teșit și a unui bosaj trapezoidal, reprezintă o soluție interesantă și de efect. Prin această construcție se măresc suprafețele portante ale lagărelor și se reduce încovoierea bolțului.

2.2.5 Fusta pistonului

Fusta pistonului are rolul de a transmite eforturile rezultante din mecanismul bielă-manivelă, către punctele cilindrului.

Calitatea de ghidare a pistonului, prin intermediul fustei, este un element determinant pentru următorii factori: fiabilitate; consum de ulei; reducerea zgomotului;

Ghidarea pistonului cu ajutorul fustei, este funcție de: jocul dintre piston și cilindru și temperatura de funcționare; profilul fustei; materialul pistonului; poziția axelor; forma cilindrului.

Forța normală este transmisă cilindrului numai de o parte a suprafeței mantalei pistonului (b=90…1000). De aceea, pentru reducerea masei pistonului se degajă zona corespunzătoare unghiului complementar după direcția axei bolțului.

Lungimea mantalei trebuie să fie suficientă pentru a asigura un bun ghidaj, presiuni laterale reduse (0,4…0,6 [Mpa]) și limita de basculare. Pe de altă parte, ea nu trebuie să fie exagerat de mare, pentru a nu mări, în mod inutil, înălțimea motorului.

Datorită dilatării termice, a acțiunii forțelor de presiune a gazelor și normală, pistonul se deformează eliptic în acțiune transversală (axa mare după direcția bolțului). Pentru a compensa această deformare, pistonul se execută sub formă eliptică, în acțiune transversală, cu axa mare a elipsei normală pe cea a alezajului pentru bolț.

Cerința de a realiza jocuri mici (0,08…0,10 [mm]), la montaj, între piston și cilindru poate fi satisfăcută prin introducerea în regiunea bosajelor pistonului a unor plăcuțe de invar (oțel aliat cu mult nichel) sau oțel de calitate. Inserția de invar sau oțel și aliajul de aluminiu lucrează ca o lamă bimetalică, astfel încât, prin încălzire, sistemul se curbează foarte puțin în sensul evazării. Pistoanele astfel obținute se numesc autotermice.

2.3 Calculul termic al motorului

Pentru acest studiu, se alege spre proiectare un motor cu aprindere prin comprimare având o putere nominală Pn=78[kW] și o turație nn=4000[rot/min].

Calculul termic al unui motor, cunoscut și sub denumirea de "calculul ciclului de lucru al motorului", se efectueaza în scopul determinării anticipate a parametrilor proceselor ciclului motor, a indicilor energetici și de economicitate, a presiunii gazelor în cilindrii motorului. Aceste date ale calculului permit stabilirea dimensiunilor fundamentale ale motorului, trasarea diagramei indicate și efectuarea calculelor de rezistență a principalelor piese ale motorului.

Această metodă se poate aplica atât în stadiul de proiectare, cât și în cel de perfecționare a prototipului. Datele inițiale necesare pentru calculul ciclului de lucru al unui motor în stare de proiect se estimează după rezultatele cercetărilor efectuate pe motoare analoage. Coincidența rezultatelor calculului cu a celor obținute prin încercarea motorului depinde de alegera corectă a parametrilor inițiali, estimare dificilă îndeosebi când se realizează motoarele de construcție originală.

În cele ce urmează se prezintă calculul termic al motorului ales spre a fi studiat, principalele caracteristici fiind prezentate în tabelul 2.1:

Tabelul 2.1: Principalele caracteristici ale motorului cu aprindere prin comprimare

2.3.1 Alegerea parametrilor inițiali

Se adoptă parametrii iniațiali conform tabelului 2.2

Tabelul 2.2: Alegerea parametrilor inițiali

2.3.2 Parametrii procesului de schimbare a gazelor

Se adoptă parametrii proceselor de schimbare a gazelor conform tab.2.3

Tabelul 2.3: Alegerea parametrilor procesului de schimbare a gazelor

În continuare se calculează:

Coeficientul gazelor reziduale:

Temperatura la sfârșitul admisiei:

Coeficientul de umplere: (2.3)

(2.3)

2.3.3 Parametrii procesului de comprimare

Se adoptă Coeficientul politropic de comprimare:

Presiunea la sfârșitul comprimării:

(2.4)

Temperatura la sfârșitul comprimării:

(2.5)

2.3.4 Parametrii procesului de ardere

Se adoptă următoarea compoziție a motorinei, conform tabelului 2.4

Tabelul 2.4: Principalii componenți ai motorinei

Se adoptă Coeficientul de utilizare a căldurii: kcal/kg

Coeficientul de creștere a presiunii:

Aerul minim necesar arderii a 1kg de combustibil:

(2.6)

Cantitatea de aer reală necesară arderii:

(2.7)

Cantitatea de încărcătură proaspătă, raportată la 1kg de combustibil:

(2.8)

Coeficientul teoretic de variație molară a încărcăturii proaspete:

(2.9)

Coeficientul real de variație molară a încărcăturii proaspete:

(2.10)

Căldura specifică molară a amestecului inițial:

(2.11)

Căldura specifică molară medie a gazelor de ardere:

(2.12)

Căldura specifică degajată de arderea incompletă:

(2.13)

Temperatura la sfârșitul arderii Tz se calculează din următoarea ecuație:

(2.14)

(2.15)

Presiunea la sfârșitul arderii:

(2.16)

Ținând cont de rotunjirea diagramei avem:

(2.17)

Gradul de destindere prealabila:

(2.18)

Gradul de destindere va fi:

(2.19)

2.3.5 Parametrii procesului de destindere

Se adoptă Coeficientul politropic al destinderii:

Presiunea la sfârșitul destinderii:

(2.20)

Temperatura la sfârșitul destinderii:

(2.21)

2.3.6 Parametrii principali ai motorului

Se adopta Coeficientul de rotunjire a diagramei:

Randamentul mecanic:

Presiunea medie a ciclului teoretic: (2.22)

Randamentul indicat al motorului:

(2.23)

Presiunea medie efectivă:

(2.24)

Randamentul efectiv al motorului:

(2.25)

Consumul specific efectiv de combustibil:

(2.26)

2.3.7 Dimensiuni fundamentale ale motorului

Raportul cursă-alezaj:

(2.27)

Capacitatea cilindrică necesară:

(2.28)

Alezajul:

(2.29)

Cursa:

(2.30)

Viteza medie a pistonului:

(2.31)

Cilindreea totală a motorului:

(2.32)

Puterea litrică a motorului:

(2.33)

2.3.8 Trasarea diagramei indicate a motorului

Diagrama indicată are o importanță deosebită in procesul de proiectare a unui motor, ea reprezentând de fapt lucrul mecanic util produs de motor în timpul funcționării și fiind determinată de evoluția presiunii din cilindrul motorului pe durata celor patru timpi ai motorului (admisie-comprimare-destindere-evacuare) în funcție de volumul dizlocat de piston în timpul mișcării între cele două puncte moarte (p.m.s.-p.m.i.).

Prin urmare, se vor calcula:

Volumul la sfârșitul cursei de admisie:

(2.34)

Volumul la sfârșitul compresiei:

(2.35)

Cursa pistonului corespunzătoare unghiului de avans la aprindere:

(2.36)

Cursa pistonului corespunzătoare unghiului de avans la deschiderea evacuării:

(2.37)

Unghiul de avans la aprindere:

Unghiul de avans la evacuare:

Raportul raza manivelei si lungimea bielei:

În sistemul de coordonate p-V se vor plasa punctele a,c,z,b astfel:

-se plasează izocorele: si

-pentru trasarea prin puncte a politropelor de comprimare și de destindere se utilizeaza ecuațiile

politropa ac reprezintă procesul de comprimare și se trasează conform formulei:

(2.38)

politropa zb reprezintă procesul de destindere și se trasează pornind de la relația:

(2.39)

2.4 Calculul pistonului

Calculul de rezistență al pistonului se face după stabilirea principalelor sale dimensiuni pe baza datelor statistice ale motoarelor existente și care s-au comportat bine în exploatare. Dimensiunile principale se adoptă pe baza datelor statistice (tabelul 4.2).

Tabelul 4.2

Conform tabelului 4.2 se aleg urmatoarele dimensiuni ale pistonului:

(4.7)

Fig. 4.8 Elemente de calcul ale pistonului

2.4.1 Verificarea capului pistonului

Capul pistonului se verifică la rezistență ca o placă circulară încastrată pe contur și încărcată cu o sarcină uniform distribuită. Solicitarea capului pistonului e dată de formula:

(4.8)

– tensiunea admisibilă la forfecare.

2.4.2 Determinarea diametrului pistonului la montaj

Diametrul pistonului la montaj se determina in asa fel incit sa asigure jocul la cald necesar functionarii normale.

pentru aliaje din aluminiu:

pentru fonta:

pentru racirea cu apă:

T=370 [K] – temperatura cilindrului;

T=200 [K] – temperatura pistonului;

T=288 [K] – temperatura mediului ambiant.

jocul pistonului la partea superioară:

jocul pistonului la partea inferioară: (4.9)

(4.10)

2.4.3 Calculul zonei port-segmenți

Valorile eforturilor unitare se calculează astfel:

(4.11)

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(4.15)

în care: – presiunea medie efectivă;

– distanța de la fundul pistonului la gen. alezajului bolțului;

– distanța dintre planul ce delimitează ZPS si gen. bolțului.

2.4.4 Calculul mantalei pistonului

Presiunea specifică pe mantaua pistonului este:

(4.16)

în care: – aria suprafeței pistonului;

– reacțiunea normală pe cilindru.

La motoarele de autoturisme

Grosimea peretelui mantalei, respectiv diametrele interioare se determină astfel:

(4.17)

(4.18)

în care: – distanța de la partea inferioară a pistonului la axa bolțului;

– distanța de la partea inferioară a pistonului în planul în care se calculează grosimea mantalei.

2.4.5 Verificarea secțiunii slăbite

Pistonul se verifică la compresiune în secțiunea x-x, deoarece forma constructivă, cu găuri în dreptul segmentului de ungere, duce la slăbirea acestei secțiuni.

(4.19)

în care: – diametrul pistonului în zona segmentului de ungere;

– suprafața pistonului în zona seg. de ungere.

Efortul unitar admisibil la compresie este:

Fig. 4.9 Grosimea peretelui mantalei

2.4.6 Calculul jocurilor segmenților în canal

Grosimea segmentului

(4.20)

în care: – efortul unitar admisibil;

– constanta;

Distanța dintre segment și umărul pistonului

pentru segmentul de foc:

(4.21)

pentru segmentul de compresie:

(4.22)

pentru segmentul de ungere:

(4.23)

Cap. 3 Metode de fabricare și prelucrare a pistonului

Principiul turnării gravitaționale. Turnarea în cochile

Turnarea gravitațională în forme permanente este cunoscând practica atelierelor de turnare sub denumirea „turnare în cochile”. Pentru a se asigura reutilizarea formelor la mai multe turnări succesive acestea se execută din aliaje metalice sub forma unor matrițe sau cochile. Din punct de vedere al principiului turnării aliajului în formă acest procedeu este asemănător cu procedeul convențional, clasic, de turnare în forme crude. Aliajul lichid este turnat din oala de turnare în formă, în pâlnia rețelei de turnare, și umple amprenta piesei curgând prin rețeaua de turnare sub greutatea proprie. După solidificare, piesa este extrasă din formă, iar forma se reutilizează pentru turnarea altor piese.

Turnarea gravitațională în forme metalice este unul din procedeele de turnare neconvenționale cele mai răspândite în practica atelierelor de turnare. Utilizarea pe scară largă se explică prin faptul că nu necesită instalații speciale, ca urmare se poate aplica în orice atelier, nu necesită personal cu calificare specială deoarece principiul turnării este asemănător cu al turnării în forme clasice, execuția formelor de turnare este accesibilă fiind posibilă în orice atelier de prelucrare a metalelor prin așchiere.

3.1.1 Aplicabilitate

Condiția esențială pentru aplicarea acestui procedeu o reprezintă asigurarea unei durabilități corespunzătoare a matrițelor (cochilelor). În acest scop temperatura de turnare a aliajului din care se toarnă piesele trebuie să fie mai mică decât temperatura de topire a formei. Din această cauză turnarea în forme metalice se aplică în special pentru turnarea pieselor din aliaje neferoase cu pereți relativ groși. Formele se realizează din aliaje feroase (fontă sau oțel) sau chiar din aliaje neferoase având refractaritate corespunzătoare. În practică cel mai des se toarnă piese din aliaje pe bază de aluminiu și pe bază de cupru. Se pot turna piese propriu zise cu geometrie relativ simplă (cu număr redus de miezuri) (capace, pârghii, bucșe, roți, suporți, blocuri, pistoane etc.) sau semifabricate (bare, tuburi, plăci etc.).

3.1.2 Particularitățile construcției formelor

Formele de turnare permanente se execută în general din aliaje metalice având refractaritate (temperatură de turnare) suficient de mare pentru a rezista turnărilor repetate în funcție de natura (temperatura de turnare) a aliajului din care se toarnă piesa. Formele metalice pentru turnare gravitațională cuprind în general aceleași elemente tehnologice ca și formele clasice, crude, din amestec de formare pe bază de nisip și anume:

amprenta piesei;

rețea de turnare;

maselote;

suprafață de separație;

miezuri;

elemente de centrare;

elemente de strângere (închidere, asigurare);

elemente de aerisire;

extractoare.

Proiectarea construcției formelor metalice (cochilelor) necesită rezolvarea următoarelor probleme:

dimensionarea grosimii pereților formei astfel încât să se asigure solidificarea optimă a piesei și durabilitatea maximă aformei,

evacuarea aerului și a gazelor din formă;

montarea și extragerea miezurilor metalice;

închiderea și deschiderea rapidă a semiformelor;

extragerea piesei din formă.

Construcția formelor metalice prezintă particularități din punct de vedere al suprafeței de separație, al grosimii pereților, al construcției miezurilor, al evacuării aerului și a gazelor, al construcției rețelei de turnare, al construcției maselotelor, și al sistemelor de centrare și închidere.

Planul de separație (suprafața de separație) a formelor metalice este totdeauna verticală. Această particularitate este impusă de necesitatea ca suprafața de separație să secționeze rețeaua de turnare și respectiv maselotele, astfel ca după solidificare acestea să poată fi extrase din formă odată cu piesa, întrucât forma nu se dezmembrează prin dezbatere ca în cazul formelor pierdute.

Grosimea pereților formelor metalice pentru turnare gravitațională este mult mai mică decât în cazul formelor pierdute, clasice, din amestec de formare. Formele metalice nu se realizează cu pereți masivi din necesitatea ca acestea să asigure un transfer de căldură corespunzător spre mediul ambiant. Pereții formelor metalice sunt relativ subțiri, fiind eventual rigidizați prin nervuri, astfel ca piesa să se solidifice cu o viteză optimă. Această construcție determină în același timp o greutate redusă a matrițelor, manevrarea mai ușoară a acestora și în plus reducerea consumului de metal pentru execuția lor. Grosimea redusă a pereților permite de asemenea preîncălzirea rapidă cochilelor la demararea turnării, pentru a atinge temperatura de regim de lucru normal în vederea umplerii și solidificării fără defecte a pieselor turnate.

Construcția miezurilor, montarea și extragerea acestora din formă este diferită. În cazul formelor metalice miezurile sunt executate de obicei de asemenea din aliaje metalice. Este posibil să se utilizeze și miezuri pierdute (de unică folosință) din amestecuri de miez, dar aceasta are efect negativ în ceea ce privește rugozitatea suprafețelor piesei turnate, precizia dimensională a acesteia, degajarea de gaze și posibilitatea de apariție a unor sufluri de natură exogenă în piesă și microclimatul din atelierul de turnare. Miezurile metalice ridică probleme la turnare datorită incompresibilității lor. De aceea ele trebuie extrase din piesă (din formă) cât mai rapid după solidificarea piesei, imediat ce aceasta a dobândit o rezistență mecanică suficientă pentru a-și menține geometria. Ca urmare miezurile trebuie astfel concepute și asamblate în formă încât să poată fi extrase înainte de deschiderea formei. Suprafețele active ale miezurilor trebuie să fie prelucrate foarte fin și să aibă înclinații ale suprafețelor care să permită extragerea din piesă.

Amprenta piesei din formă trebuie să prezinte de asemenea înclinații în vederea extragerii piesei din formă după solidificare. Poziția piesei (amprentei piesei) în formă este foarte importantă pentru calitatea pieselor turnate. Prin poziția piesei la turnare trebuie să se asigure o umplere liniștită a amprentei, fără turbulențe. Poziția piesei trebuie fie favorabilă eliminării gazelor din formă în timpul umplerii. De asemenea este necesar să se asigure eliminarea din amprentă a eventualelor incluziuni de oxizi care se formează la suprafața metalului lichid, prin împingerea acestora în maselote sau răsuflători. În cazul pieselor foarte mici, pentru rentabilitate se recomandă turnarea simultană a mai multor piese într-o semiformă.

Canalele de aerisire ale amprentei pieselor au o importanță majoră pentru umplerea corectă (completă) a amprentei și pentru obținerea unor piese de calitate, deoarece pereții formelor metalice nu au permeabilitate. Canalele de aerisire se poziționează obligatoriu la partea superioară a pieselor deoarece zonele superioare ale amprentelor se umplu ultimile cu aliaj lichid. În cazul că la partea superioară a amprentei se formează zone (acumulări) izolate de aer în timpul umplerii, fiecare zonă trebuie prevăzută cu canale de aerisire. Secțiunea canalelor de aerisire trebuie să asigure evacuarea ușoară a gazelor. Pentru a fi posibilă extragerea pieselor din formă canalele de aerisire trebuie plasate de asemenea în planul de separație al formei.

3.1.3 Particularitățile umplerii formei cu lichid

Umplerea formelor cu aliaj lichid se realizează prin rețele de turnare. Rețelele de turnare au practic aceleași funcțiuni ca și în cazul formelor clasice.

să asigure umplerea completă a amprentei;

să asigure umplerea liniștită a amprentei piesei, fără turbulențe și fără formare de stropi în amprenta piesei;

să contribuie la reținerea incluziunilor nemetalice antrenate de jetul de aliaj lichid;

să permită evacuarea gazelor din amprenta piesei în timpul umplerii;

să asigure o repartizare corectă a temperaturii aliajului în amprenta piesei pentru a se obține o solidificare dirijată spre maselotă (sau uniformă) a aliajului, care să prevină formarea de retasuri în piese.

Comparativ cu formele clasice importanța unora dintre aceste funcțiuni este diferită, ceea ce determină modificări in concepția și construcția rețelelor de turnare.Pentru a se asigura aceste funcțiuni, în cazul formelor metalice cu turnare gravitațională, rețelele de turnare prezintă câteva particularități importante.Astfel în cazul formelor metalice nu există pericolul erodării pereților formei (respectiv al rețelei de turnare) în timpul umplerii formei cu aliaj lichid și deci a antrenării de incluziuni de amestec de formare în piese. Ca urmare din componența rețelelor de turnare se elimină canalul colector de zgură care era destinat în special pentru reținerea acestor incluziuni.

În schimb în cazul acestor forme devine foarte importantă evitarea formării de stropi în amprenta piesei la umplerea acesteia. Stropii se depun pe pereții formei, iar datorită conductibilității termice mari a peretelui formei, se răcesc rapid, se oxidează la suprafață și determină apariția defectelor denumite „picătură rece”. Pentru a preveni formarea de stropi este obligatoriu ca alimentarea amprentei pieselor să se facă la partea inferioară (alimentare în sifon). Umplerea în sifon este impusă și de necesitatea umplerii fără turbulențe a amprentei și de posibilitatea evacuării aerului din formă numai pe la partea superioară a amprentei. De asemenea se impune ca viteza de intrare a aliajului lichid în amprentă să fie cât mai redusă. În acest scop canalul principal vertical (piciorul pâlniei) se realizează înclinat, sau cu șicane, astfel ca să se evite căderea liberă care produce stropi la impactul jetului cu peretele formei și să se reducă viteza de intrare a jetului în alimentator, așa cum se arată în figura 1.

Fig. 17 Rețele de turnare specifice formelor metalice; a – aliaje cu contracție mare la solidificare; b – aliaje cu contracție mică la solidificare; 1- pâlnie; 2- piciorul pâlniei; 3- maselotă închisă laterală; 4 – alimentator în fantă; 5- piesa turnată; 6- maselotă deschisă de secțiune ovală; 7 – răsuflătoare

Pentru ca viteza aliajului la intrarea în amprentă să fie redusă se impune ca înălțimea formelor metalice să nu fie prea mare. Deoarece conductibilitatea termică a formelor metalice este mare, aliajul se răcește rapid în timpul umplerii, de aceea procedeul nu este utilizabil la turnarea pieselor cu pereți subțiri.

În cazul când într-o formă se toarnă simultan mai multe piese mici, este posibil ca amprentele pieselor să se alimenteze în cascadă (una din alta), dar și în acest caz amprentele trebuie astfel amplasate în formă încât umplerea lor să se facă pe la partea inferioară, iar evacuarea gazelor să se facă pe la partea superioară așa cum este arătat în figura 2.

Fig. 18 Alimentare în cascadă

3.1.4 Avantaje și dezavantaje tehnologice și economice

Acest procedeu neconvențional de turnare prezintă mai multe avantaje tehnico-economice care decurg din caracterul permanent al formei de turnare. Principalele avantaje sunt următoarele:

excluderea operațiilor de formare, cu toate aspectele legate de acestea în ceea ce privește consumul de materiale, cât și manopera, investiții în utilaje de preparare a amestecurilor de formare și pentru execuția formelor, suprafețe destinate formării și depozitării materialelor și formelor, etc.;

calitate superioară a suprafețelor pieselor turnate;

precizie dimensională mai ridicată a pieselor turnate cu implicație privind reducerea adaosurilor de prelucrare și reducerea costurilor prelucrărilor ulterioare;

utilizarea mai rațională a caracteristicilor intrinseci de rezistență ale aliajelor ca urmare a finisării structurii prin mărirea vitezei de răcire după turnare;

indice de scoatere total mai bun a aliajelor la turnare și prelucrare ca urmare a reducerii volumului rețelelor de turnare și a adaosurilor de prelucrare;

asigurarea unor condiții de microclimat mai bune în atelierele de turnare și reducerea poluării mediului înconjurător zonal, ca urmare a reducerii considerabile a cantității de gaze degajate la turnare;

reducerea procentului de rebut la turnare ca urmare a eliminării defectelor de genul incluziunilor de amestec de formare și sufluri de natură exogenă;

productivitate ridicată;

posibilități de mecanizare și automatizare.

Procedeul implică însă și dezavantaje care limitează extinderea lui. Menționăm următoarele dezavantaje:

cost ridicat al matrițelor care face ca procedeul să fie economic numai în cazul unor producții de serie;

rezistența mare a formei care se opune contracției piesei la răcire după solidificare și care poate să determine apariția unor defecte de genul fisurilor;

fluiditate mică a aliajelor lichide în cazul turnării în forme metalice ca urmare a conductibilității termice mari a formei de turnare.

3.2 Procesul de fabricare a pieselor prin forjare

Prin forjare se înțelege procedeul de prelucrare a unui semifabricat metalic prin deformare plastică la cald, fără fisurare, prin intermediul forțelor statice sau dinamice exercitate de prese sau ciocane. Forjarea prezintă următoarele avantaje: prelucrare rapidă, cost redus și manoperă simplă. Ca dezavantaje se pot menționa: precizie dimensională redusă, calitatea suprafeței slabă și necesitatea unor forțe mari de deformare. Factorul principal care caracterizează forjarea este gradul de forjare (coroiaj).

Clasificarea forjării

Se face după următoarele criterii

după gradul de libertate al materialului în timpul deformării: forjare liberă; forjare de profilare pe mașini cu destinație limitată; forjare în matriță;

după temperatura de lucru: la rece; la cald;

după viteza de deformare: viteze mici; viteze mari;

după modul de aplicare al forței de deformare: manuală și mecanică.

Forjarea liberă

Forjarea liberă este forjarea la care deformarea plastică se face nelimitat și poate fi efectuată manual sau mecanizat. Forjarea liberă mecanică se aplică în majoritatea secțiilor de forjă pentru producție cu caracter individual sau de serie mică.

Echipament tehnologic pentru forjarea liberă. După destinație echipamentul tehnologic pentru forjare se împarte în trei grupe principale:

scule cu ajutorul cărora se realizează operațiile de forjare liberă;

dispozitive de diferite construcții pentru susținerea și deplasarea pieselor, cu ajutorul cărora se realizează transportul și întoarcerea semifabricatelor în cursul forjării;

instrumente de măsură cu ajutorul cărora se execută controlul dimensiunilor pieselor forjate, atât în cursul procesului de forjare, cât și după terminarea lui (compase de diferite forme, echere, șabloane, șublere, etc.).

Utilajul specific forjării libere. În funcție de masa pieselor forjate, principalele utilaje întrebuințate în procesul de forjare sunt: ciocanele mecanice – pentru piese mici; ciocanele pneumatice – pentru piese mici și mijlocii; ciocanele cu abur sau aer comprimat – pentru piese de dimensiuni mijlocii și mari; prese cu fricțiune – pentru piese mici și serie mică; prese cu excentric – pentru piese mici și serie mare; prese hidraulice – pentru piese mari și foarte mari.

Parametrii tehnici importanți ai utilajului de lucru sunt: lucrul de deformare util (la o cursă respectiv la o lovitură a organului de lucru) L [J]; forța nominală de deformare F [daN]; viteza organului de lucru v [m/s]; cursa organului de lucru H [mm].

La ciocane forțele de deformare sunt aplicate în mod dinamic prin lovituri repetate. Capacitatea de deformare este determinată de masa părților căzătoare.

Ciocanul pneumatic cu autocompresie funcționează pe principiul dublei acțiuni. Aerul comprimat pătrunde în cilidrul de lucru la partea superioară sau inferioară a lui, determinând coborârea recpectiv ridicarea alternativă a berbecului. Numărul maxim de lovituri este funcție de turația arborelui cotit al compresorului. Masa părții căzătoare este 75…1000 kg, iar presiunea aerului comprimat variază între 0,6…3 atm.

Ciocanul cu abur-aer cu dublă acțiune. Sursa de enrgie este aburul la presiunea de 7…9 atm sau aerul comprimat cu o presiune de 6…8 atm.

Presa hidraulică funcționează pe baza acțiunii presiunii hidrostatice, putând dezvolta forțe mari (până la 15000…20000 daN) în condiții mai avantajoase decât ciocanele. Purtătorul de energie este apa sau uleiul cu presiunea de 200…400 atm. Presiunea ridcată se obține cu ajutorul pompelor de înaltă presiune (prese pur hidraulice) sau cu ajutorul multiplicatoarelor de presiune.

Presa cu fricțiune. Mișcarea berbecului prin intermediul șurubului se face cu ajutorul unui volant antrenat de către două discuri de fricțiune. Cele două discuri solidare pe un ax se ating alternativ de volant, imprimându-i o mișcare de coborâre și ridicare. Viteza de deplasare a berbecului crește la coborâre (datorită creșterii progresive a diametrului discului în contact) astfel încât ea este maximă la atingerea semifabricatului.

Presele cu excentric se pretează la lucrări de serie mare și mijlocie, având o productivitate mult mai mare decât ciocanele. Pot să realizeze forțe între 500…10000 tf la un număr de 125…35 curse/min. Întrucât cursa de lucru este mică, presele se întrebuințează mai mult pentru forjarea pieselor de înălțime mică și pentru operații de preforjare.

Operațiile de bază executate prin forjare sunt: refularea, întinderea, perforarea, îndoirea, răsucirea etc.

Tehnologia forjării cuprinde următoarele operații principale:

întocmirea desenului piesei brut forjate;

determinarea greutății și dimensiunii semifabricatului inițial;

alegerea succesiunii operațiilor și fazelor de forjare;

alegerea utilajului de lucru;

alegerea și stabilirea sculelor pentru forjare;

stabilirea regimului de încălzire și răcire a piesei;

fixarea normei de timp;

stabilirea operațiilor suplimentare (control, prelucrări prin alte procedee etc.).

Forjarea de profilare

Forjarea radială este operația de forjare cu reducere succesivă a secțiunii la care forțele de deformare de mărimi identice acționează după două, trei sau mai multe sensurii diametral opuse. Materialul primește o mișcare de avans (pe verticală sau orizontală) și o mișcare de rotație. În toate cazurile operația executată este o întindere, diametrul piesei reducându-se în trepte la o valoare minimă dorită.

Sculele pentru deformare urmăresc forma piesei pentru forjat și se numesc ciocane. Mașinile pentru forjat pot avea două sau patru ciocane, putând să prelucreze piese cu diametrul de 5…160 mm (pline sau tubulare). Forța utilă de lucru este cuprinsă între 800…65000 kN la un număr de 250…1000 curse/min.

Repartizarea efortului de deformare. Întrucât diametrul porțiunii cilindrice a ciocanelor este mai mare decât cel al semifabricatelor în momentul inițial al loviturii, contactul se face într-un singur punct asupra căruia acționează forța de deformare F de la fiecare ciocan în parte. Pe măsura deformării semifabricatului crește contactul între ciocan și semifabricat la o suprafață definită de unghiul (unghi de rotire între două lovituri), cu atât mai mare cu cât cursa ciocanului se apropie de sfârșit. În felul acesta forța concentrată F se transformă într-un efort uniform distribuit a cărei valoare pe unitatea de suprafață scade, pe măsura măririi suprafeței de contact. La terminarea cursei de lucru valoarea efortului este zero și la cursa umătoare ciclul se reia.

Avantajele forjării radiale. Productivitatea ridicată, toleranțe restrânse, proprietăți îmbunătățite ale pieselor prin asigurarea unui fibraj continuu și limitarea posibilității de imprimare superficială a oxizilor, cost redus al sculelor, randament mare, posibilități de forjare ale aliajelor cu plasticitate redusă datorită stării tensionale favorabile în timpul deformării, economii de material.

Forjarea roților dințate. Danturarea se realizează cu ajutorul unor scule de presare și rotație care acționează asupra suprafeței laterale a semifabricatului cilindric sau conic încălzit superficial prin inducție. În cazul roților dințate cilindrice deformate are loc prin procedeul de trecere sau prin procedeul de pătrundere.

La procedeul de pătrundere semifabricatul prematrițat este centrat și strâns între două jumătăți de piese profilate și antrenat fără lunecare. Sculele de danturat sunt înpinse înainte radial pe piese de prelucrat până la angrenare.

Forjarea roților dințate este operația de deformare plastică pentru obținerea unor piese sau semifabricate cu ajutorul unor matrițe segment fixate pe circumferința unor cilindri a căror diametre variază obișnuit între 500…1000 mm. Procedeul se utilizează pentru fabricația de masă și serie mare asigurând: un grad înalt de automatizare, viteze mari de execuție, toleranțe și adaosuri mici de prelucrare, durabilitatea mare a sculelor, cheltuieli mici de întreținere, caracteristici de rezistență îmbunătățite. Sculele pentru deformare au forma unor cilindri obișnuiți sau a unor role cu suprafață mică de contact. În cazul cilindrilor matrița care cuprinde profilul piesei pentru forjat se execută direct pe cilindri sau separat, după care se fixaeză pe cilindrul de lucru. Deformarea se execută numai la cald, iar trecerea de la o secțiune la alta se face la unghiuri cât mai mari. Diametrul semifabricatului inițial se alege 12…15% mai mare decât diametrul sau grosimea celei mai mari secțiuni transversale a piesei profilate.

Forjarea prin fluoturnaj. Fluoturnajul este procedeul de deformare plastică a materialului în scopul obținerii unor piese de revoluție cu generatoare rectilinie sau curbată. Procedeul permite obținerea unor piese tubulare cu pereți subțiri, plecând de la semifabricatul cu pereți groși. Scula pentru deformare este o rolă care urmărește o traiectorie rectilinie paralelă cu generatoarea semifabricatului. După modul de curgere a materialului procedeul poate fi cilindric direct la care materialul curge în sensul de deplasare a rolei de deformare și invers în care materialul curge în sens opus.Materialul este deformat între rolă și mandrină. Deoarece volumul materialului rămâne constant, piesa crește în lungime.

Avantajele procedeului: proprietăți mecanice îmbunătățite, fibraj continuu, calitatea suprafeței interioară bună, realizarea unor piese greu de obținut prin alte procedee, economie de material, timp scurt de execuție.

Dezavantajele procedeului constau în crearea de tensiuni interne și în faptul că se poate aplica numai la material cu plasticitate ridicată.

Forjarea arborilor cotiți cu fibraj continuu. Este metoda de deformare plastică prin care din semifabricate cilindrice se obțin arbori cotiți mari cu păstrarea fibrajului inițial. Metoda se aplică la executarea arborilor cotiți la care matrițarea nu ar fi posibilă atât din cauza forțelor foarte mari necesare pentru deformare cât și din cauza decalajelor unghiurilor dintre coturi. Semifabricatul prestrunjit cilindric alternând din părți cu diametre mai mari (din care vor rezulta brațele) și părți cu diametre mai mici (din care vor rezulta fusurile paliere și manetoane) este supus unei deformări între două plăci plane combinată cu o mișcare de deplasare perpendiculară pe planul de presare a fusului maneton.

Matrițarea metalelor. Principiul matrițării

Matrițarea este procedeul de deformare plastică la cald sau la rece la care materialul este obligat să ia forma și dimensiunile cavității prevăzute în scula de lucru în funcție de configurația pieselor ce trebuie executate. Procedeul se aplică la prelucrarea pieselor mici (până la ) de configurație complexă, în producție de serie mică și masă. Scula în care are loc deformarea poartă denumirea de matriță. În raport cu forjarea liberă se asigură următoarele avantaje: productivitate ridicată, consum de metal redus, calitatea suprafeței și precizia de prelucrare bună, posibilități de obținere a unor piese complicate, volum de muncă mic și manoperă simplă, cost redus. Dezavantaje: costul ridicat al matrițelor, greutate limitată a produselor din cauza forțelor mari de presare pentru deformare, necesitatea unoroperații suplimentare (debavurare, calibrare etc.).

Clasificarea matrițării

Se face după următoarele criterii

după temperatura de execuție: la rece și la cald;

după modul de deformare în matriță: matrițarea cu bavură (deschisă); matrițarea fără bavură (închisă);

după tipul utilajului de lucru: matrițarea la ciocan, la prese, la mașini specializate;

după viteza de deformare: cu viteze mici și viteze mari de deformare.

Scule pentru deformare la matrițare

Matrița este scula folosită la refigurarea unui semifabricat prin deformare plastică astfel încât să se obțină o piesă de o anumită formă și mărime. Matrița propriu-zisă se confecționează din două părți, numite semimatrițe (separate între ele printr-un plan, numit plan de separație). Cavitatea care redă forma piesei dorite poate fi practicată într-o singură semimatriță (la matrițele simple) sau în amândouă semimatrițe, la matrițele duble.

După modul de deformare al matrițelor, matrițele pot fi închise sau deschise. La matrițele închise cantitatea de material necesară pentru deformare trebuie să fie calculată exact ceea ce îngreunează și scumpește procesul de fabricație. La matrițele deschise canalul de bavură permite scurgerea surplusului de material și totodată umplerea completă a cavității matriței.

După numărul de cavități pentru deformare matrițele pot fi: cu o singură cavitate sau cu mai multe cavități. O matriță cu mai multe cavități cuprinde: cavitatea de pregătire (preforjare), în care materialul este supus unor operații de întindere, rulare, formare etc.; cavități de matrițare propriu-zisă, în care au loc operațiile de matrițare, de eboșare și matrițare de finisare (finală); cavități de separare pentru clește și pentru tăiere; canalul de bavură.

Canalul de bavură practicat în planul de separare al cavității matriței are rol de preluare a surplusuluide material. Prin crearea unei rezistențe sporite la deformare a materialului în acest canal, se dă posibilitatea de umplere completă a cavității matriței la matrițarea de finisare. Bavura este formată din două părți: puntița bavurii și magazia bavurii. Dimensiunile canalului de bavură depind de felul matrițării (împingere sau refulare) și de utilajul pentru deformare (ciocane și prese).

Amplasare cavităților în matriță. Dacă matrița are o singură cavitate această se așează în centrul matriței, care coincide cu axa mașinii. Dacă matrița are mai multe cavități, atunci cavitățile de pregătire se așează la marginea matriței pentru ușurarea curățirii de oxizi, iar celelalte se dispun în interiorul matriței în ordinea de desfășurare a operațiilor de matrițare.

Procesul de deformare la matrițare este influențat de următorii factori: temperatura de lucru, plasticitatea, configurația piesei și alegera corespunzătoare a planului de separație a piesei, starea utilajului și a sculelor de lucru, lubrifierea.

Cerințe impuse unui lubrifiant sunt: asigurarea desprinderii piesei din locașul matriței, micșorarea frecării între material și pereții matriței și deci reducerea efortului de deformare, mărirea durabilității matrițelor și asugurarea unei răciri corespunzătoare, asigurarea unei calități corespunzătoare a pieselor matrițate, posibilitate de înlăturare a oxizilor de pe suprafața piesei. În procesul de matrițare se întrebuițează următorii lubrifianți: rumegușul de lemn umezit cu apă, uleiurile minerale, apa sărată, grafitul fin măcinat dispersat în apă, sticla solubilă etc.

Matrițarea pe ciocane

Este cel mai răspândit procedeu de deformare plastică la cald, folosindu-se în producția de serie sau masă pentru piese cu masa până la cca 1000kg. Ciocanele pentru matrițat sunt:

cu șabotă, având greutatea părții căzătoare de 0,5…30 t. Valoarea superioară a greutății este limitată din cauza fundațiilor mari necesare și șocurilor transmise mediului interior în timpul lucrului. Principiul de funcționare a acestor ciocane este același ca în cazul ciocanelor pentru forjare liberă, prezentând următoarele particularități: berbecul este ghidat pe toată lungimea cursei sale, până la închiderea completă a matriței; batiul ciocanului este solidar cu șabota; mărimea cursei berbecului este mai mare, iar intensitatea și prezența loviturilor poate fi reglată în limite mai largi;

fără șabotă (cu 2 berbeci sau contralovitură). La aceste ciocane se asigură deplasarea simultană (una spre cealaltă) a două nicovale cu viteze și curse aproximativ egale (locul șabotei este preluat de un al doilea berbec). Datorită energiilor mari de lovire ce se pot obține (până la 160000 daNm), în condițiile unei fundații de 8…10 ori mai mici decât la ciocanele cu șabotă, aceste ciocane capătă o răspândire din ce în ce mai largă. Constructiv aceste ciocane pot fi orizontale folosite pentru piese mici și verticale folosite pentru piese mari. La ciocanele verticale se acționează numai berbecul superior, berbecul inferior fiind antrenat de acesta printr-un sistem de antrenare.

Datorită vitezelor mari de lovire, matrițele pentru matrițarea pe ciocane sunt de construcție masivă, rezistente la șocuri, și confecționate din oțeluri aliate cu caracteristici fizico-mecanice superioare. Dacă cavitatea matriței este nesimetric plasată în cele două semimatrițe atunci la matrițarea pe ciocane cavitatea mai mare se va plasa în semi matrița superioară. Aceasta deoarece în momentul loviturii datorită inerției materialul va umple mai întâi cavitatea superioară și numai după aceea pe cea inferioară. Matrițele se construiesc fără extractoare ceea ce impune alegerea unor inclinații ale pieselor respectiv ale matrițelor mai mari ca la matrițarea pe prese.

Matrițarea pe prese

Se folosesc aceleași prese ca și în cazul forjării libere:

matrițarea cu piese cu excentric. În raport cu ciocanele de matrițat presele cu manivelă sau cu excentric pentru matrițare la cald prezintă următoarele avantaje: cursa patinei presei, având o mărime fixă, la fiecare cursă se realizează o fază de matrițare, ceea ce permite obținerea unor productivități mai ridicate; crește precizia de matrițare întrucât presele sunt prevăzute cu coloane de ghidare; viteza de deformare fiind mică rezultă că rezistența la deformare a materialului și energia consumată pentru deformare sunt mai mici; sunt necesare fundații mai mici decât la ciocane; se pot folosi extractoare, ceea ce micșorează înclinările piesei matrițate; codițiile de lucru sunt mai bune; manoperă simplă; posibilități de mecanizare și automatizare mari.

Dezavantajele principale sunt: costul ridicat al pieselor; limitarea numărului de piese; cursa patinei fiind fixă presele cu excentric sunt mai puțin universale; necesită o pregătire mai îngrijită a semifabricatelor (încălzire fără oxidare, curătire de oxizi etc.).

matrițarea pe prese hidraulice. Presele hidraulice prezintă următoarele particularități: viteză mică de deformare; forța maximă se obține de la începutul cursei pistonului și este constantă în timp având valori foarte mari, numărul de curse este mic deci productivitatea redusă; mărimea cursei de lucru este mare; costul utilajului este ridicat; se pretează pentru piese foarte mari sau pentru materiale cu plasticitate redusă.

matrițarea pe prese cu fricțiune. Presele cu fricțiune sunt utilaje de matrițare cu caracteristici intermediare între ciocane și prese cu manivelă. Forța maximă dezvoltată variază între 50…2000·10³ daN. Particularități: forța de deformare se aplică sub formă de șoc; cursa patinei presei nu este fixă ceea ce permite mărirea gamei de piese ce se pot matrița; matrițarea se face de obicei în matrițe cu o singură cavitate; fazele de matrițare pot fi realizate prin una sau mai multe lovituri. Folosirea lor se recomandă în cadrul pieselor mici, de configurație simplă, în producția de serie mică și mijlocie. Azi se înlocuiește tot mai mult sistemul de antrenare prin fricțiune cu sistemul de antrenare hidraulic.

matrițarea pe mașini orizontale, permite matrițarea din semifabricate simple a pieselor pline sau goale de configurație simplă sau complexă la care partea deformată este scurtă și de secțiune mult mai mare decât secțiunea semifabricatului inițial. Procedeul cuprinde patru faze importante. În prima fază semifabricatul se introduca în matriță până atinge opritorul. În faza a doua are loc strângerea semifabri- catului și începutul refulării. Urmează faza a treia de refulare completă. În faza a patra semimatrița mobilă coboară și piesa este scoasă afară. În cazul pieselor inelare se prevede un dispozitiv de tăiere astfel încât dintr-un semifabricat de lungime nedefinită se matrițează un număr mare de piese. Avantajele procedeului sunt: productivitate mare (400…1000 piese/h); posibilitatea de matrițare a unor piese a căror formă nu permite matrițarea la alte utilaje; obținerea unor piese de dimensiuni apropiate de cele finite datorită matrițării fără bavură și a unor înclinații mici de matrițare; adaosurile de prelucrare și toleranțele de matrițare sunt mici. Particularitățile procesului de deformare sunt: numărul fazelor de deformare trebuie să fie cât mai mic; refulările se prevăd a fi executate în poanson pentru a evita formarea bavurilor ce s-ar putea imprima în piesă; piesele trebuie să aibă dimensiuni cât mai apropiate de semifabricatul inițial pentru a avea grade mici de deformare.

Tehnologia matrițării

Tehnologia matrițării cuprinde următoarele operații de bază

debitarea semifabricatelor (prin așchiere sau deformare plastică);

încălzirea semifabricatelor la temperatura optimă de deformare;

matrițarea propriu-zisă dintr-o singură operație sau din mai multe operații în funcție de mărimea și complexitatea piesei;

operații complementare: debavurarea, tratamente termice (recoacere sau normalizare), curățire (mecanică sau chimică), îndreptare, calibrare etc.;

control tehnic de calitate.

Principii de proiectare a pieselor matrițate. Reușita matrițării depinde de proiectarea corectă a piesei pentru matrițat. Pentru aceasta este bine să se respecte următoarele principii de proiectare:

întocmirea desenului piesei matrițate. La întocmirea acestuia se ține seama de funcționalitatea piesei, iar execuția se face pe baza desenului piesei finite (prelucrată mecanic dacă este cazul), urmându-se apropierea maximă a geometriei și dimensiunilor față de piesa finită în vederea reducerii consumului de metal și volumului de muncă.

Execuția cuprinde următoarele faze:

alegerea planului de separație: se face în funcție de felul închiderii matriței și corespunde următoarelor cerințe: scoaterea ușoară a piesei din matriță, umplerea completă a locașului matriței, repartizarea simetrică a piesei în cele două semimatrițe;

stabilirea adaosurilor de prelucrare pentru calitatea suprafeței și a toleranțelor de dimensiuni;

stabilirea înclinărilor de matriță. Suprafețele laterale ale pieselor matrițate, paralele cu direcția de matrițare, se execută înclinat pentru a se asigura umplerea mai ușoară a cavității și o extragere mai bună a piesei din cavitate.

stabilirea razelor de racordare necesare pentru umplerea corespunzătoare a cavității matriței, evitarea crăpăturilor în zona muchiilor ascuțite și micșorarea solicitărilor mecanice.

aplicarea amprentelor în locul în care piesa prezintă constructiv găuri. Întrucât ele nu pot fi complet pătrunse, în locul lor se realizează adâncituri. Adânciturile sunt separate între ele printr-o bavură interioară sau timpan. Eliminarea lor se face după matrițarea prin operația de debavurare.

Domenii de aplicare

Metodele de deformare plastică prin forjare-matrițare se bucură de o largă întrebuințare în industriaconstructoare de mașini. Perfecționarea metodelor de lucru, a utilajelor pentru deformare ca și elaborarea unor materiale noi pentru construcția matrițelor duce la lărgirea gamei de piese ce se prelucrează atât din punct de vedere al complexității și preciziei cât și al materialelor supuse deformării. În perspectivă se are în vedere deformarea plastică a metalelor cu utilizarea vibrațiilor. După frecvența vibrațiilor se disting două domenii de aplicare: deformarea plastică utilizând vibrații cu o frecvență mai mare de 16000 Hz (ultrasunete) și deformarea pastică utilizând vibrații mecanice de frecvențe joase. Se presupune, astfel, că prin utilizarea vibrațiilor se micșorează rezistența metalului de deformare plastică. Acest lucru se explică prin aceea că ultrasunetele sunt absorbite de dislocații. Energia acestora crește, crește de asemenea și mobilitatea lor în cristal și deci scade tensiunea tangențială critică necesară începerii alunecării. Ultrasunetele pot influența de asemenea proprietățile materialelor supuse deformării. Întrbuințarea vibrațiilor ridică însă probleme care deocamdată limitează utilizarea lor. S-a constatat astfel că frecarea la utilizarea vibrațiilor scade numai dacă ele au direcție paralelă cu direcția frecării. De asemenea curgerea materialului este mai bună în direcția solicitărilor și mai rea în direcția laterală. Indiferent de problemele ce le ridică utilizarea vibrațiilor, din punct de vedere economic ele prezintă următoarele avantaje: economie de forță și lucru mecanic, toleranțe restrânse, calitatea suprafețelor mai bună, durabilitatea sporită a sculelor, creșterea vitezei de deformare.

3.3 Caracteristici ale procesului de fabricare a pistonului

În general pistoanele utilizate în motoarele cu ardere internă sunt fabricate prin doua procedee:

Turnare – cel mai des întâlnt procedeu de obținere a pistoanelor pentru motoarele cu ardere internă. Aceste pistoane echipeaza motoare care lucrează cu presiuni și temperaturi mici și medii.

Forjare – procedeu utilizat la scară mai mică pentru fabricarea pistoanelor care transmit puterea la arborele cotit în condiții extreme de forte de presiuni și temperaturi.

Turnarea. În prima fază lingourile de aliaj sunt încălzite și topite în vederea obținerii aliajului în stare lichida. De asemenea matrița din care va rezulta piesa după turnare, trebuie incălzită la o anumită temperatură timp de o oră pentru a nu exista diferențe foarte mari între materialul aflat în stare lichidă deci la o temperatură mare și temperatura pereților matriței.

Fig. 19 Turnarea aliajului topit în matriță

Procesul începe prin încălzirea lingoului de material la o temperatură de aproximativ 700 grade Celsius, după care este scos cu ajutorul unui creuzet și turnat imediat în matriță. După răcirea acestuia, este scos din matriță în vederea aplicarii unui tratament termic.

Turnarea în cochile este procedeul cu cea mai mare aplicabilitate deaorece se asigură o structură cu granulație fină și caracteristici mecanice ridicate. Precizia semifabricatelor este mai înaltă, calitatea suprafețelor este mai bună, ceea ce determină micșorarea adaosurilor pentru prelucrarea mecanică și creșterea coeficientului de utilizate a metalului. În acest caz se prevad adaosuri de 0.8….1,2 mm pe o parte. Acest procedeu permite turnarea pistoanelor cu forma calotei complicată (în cazul motoarelor cu injecție directă). Pentru micșorarea uzurilor canalului primului segment la pistoanele puternic încărcate termic se poate încorpora un inel din fontă cenușie sau aliată după cum se poate observa în figura 7.

Fig. 20 Piese de protecție înglobate la turnare

În unele situații în calota pistonului se introduce la turnare piesa inelară din fontă aliată pentru a evita arderea muchiei superioare a camerei de ardere din piston. În această situație inelul și piesa de protecție sunt realizate cu legături între ele. În cazul unei fabricații de serie mare, procesul turnării poate fi complet automatizat.

Fig. 21 Pistoane cu inserții de fontă în capul pistonului

Matrițarea pistoanelor. Pistoanele din aliaje de aluminiu obținute prin matrițare asigură rezistență mai mare și uniforma a semifabricatelor, față de cele turnate însă la un preț de cost mai ridicat. Pentru matrițare se folosesc lingouri mici turnare în lingotiere răcite cu apă, ceea ce asigură o structură fină și orientată. Acestea se debitează, se forjează pentru p formare prealabilă după care se matrițează. Matrițarea se aplică la motoarele forțate pentru autocamioane, motoare de competiție și uneori la motoare de autoturisme de clasă superioară.

Tratamente termice și acoperiri de protecție. Tratamentul termic al pistoanelor constă în călire urmat de îmbătrânire artificială. Prin călire se urmărește dizolvarea elementului de aliere în soluția solidă, evitând formarea unei structuri grosiere. Prin îmbătrânire artificială se realizează precipitarea fină a unor compuși chimici, care conduce la îmbunătățirea caracteristicilor mecanice. Totodată se reduc tensiunile termice care apar în timpul turnării datorită secțiunilor neuniforme ale pistonului.

Pentru îmbunătățirea rezistenței la uzură în condiții grele de funcționare cum sunt rodajul, pornirea la rece, insuficiența ungerii) se aplică pistoanelor acoperiri de protecție. Pentru pistoane de aluminiu ca acoperiri de protecție se aplică grafitarea, cositorirea sau plumbuirea și oxidarea electrică sau chimică a suprafeței de frecare.

Tehnologia de prelucrare mecanică. Forma complexă a pistonului, condițiile tehnice riguroase ce trebuiesc realizate precum și rigiditatea mică a pistonului (pereți subțiri) impun ca în cadrul procesului de prelucrare să se țină seama de unele cerințe de bază. Concentricitatea conturului exterior față de conturul interior neprelucrat se poate obține numai când pistonul se fixează pe un dispozitiv cu strângere interioară cu autoreglare. Condițiile de perpendicularitate între canalele de segmenți și suprafața cilindrică exterioară impun prelucrarea lor concomitentă la o singură așezare. Condiția de perpendicularitate între axa bolțului și axa de simetrie a pistonului impune ca operațiile de prelucrare a acestor suprafețe să se execute în cadrul aceleiași așezări.

Pistoanele se fabrică în serie mare iar procesul tehnologic de prelucrare mecanică comportă următoarele etape:

Alegerea și prelucrarea bazelor de așezare

Prelucrarea suprafețelor exterioare

Prelucrarea alezajului pentru bolț

Operații de găurire și frezare

Sortarea pe grupe masice și dimensionale

Operații de control

Fig. 22 Diferite variante pentru bazele de așezare

Prelucrarea suprafețelor exterioare. În cazul fabricației de serie, prelucrarea suprafețelor exterioare și a canalelor pentru segmenți se execută pe mașini semiautomate cu mai multe axe (fig. 10 ) permițând la o singură prindere o mare concentrare a operațiilor. Pentru finisarea suprafețelor exterioare se preferă strunjirea fină cu cuțite cu vârf de diamant. Pentru realizarea suprafeței exterioare profilate ( ovalitate constantă sau variabilă ) se utilizează mașini speciale de strunjit. Strunjirea se face prin copierea formei după șablon (fig. 11) cu cuțit cu vârf de diamant în două treceri (degroșare, finisare), respectând un regim de așchiere corespunzător.

O metodă prin care se realizează integral forma suprafeței exterioare a pistonului o constituie prelucrarea fără șablon, utilizând un dispozitiv cu cap special cu cuțite rotitoate. La această prelucrare (fig. 12) pistonul 1 este fix, iar capul cu cuțite 2 asezat la un anumit unghi față de axa pistonului, se rotește și se deplasează în același timp de-a lungul axei pistonului.

Fig. 23 Schema prelucrării exterioare a pistonului la o mașină semiautomată cu mai multe axe
1 – centrarea, retezarea prealabilă a mantalei și strunjirea calotei, 2 – strunjirea de finisare a calotei, 3 – strunjirea de degroșare a canalelor pentru segmenți, 4 – strunjirea de degroșare a mantalei și a regiunii port-segmenți, 5 – finisarea porțiunii port-segmenți și a canalelor, 6 – strunjirea fețelor ultimului canal și a mantalei, 7 – strunjirea ovală a pistonului prin copiere.

Fig. 24 Strunjirea prin copiere după șablon a unui piston cu ovalitate variabilă
1 – piston, 2 – șablon, 3 – cuțit cu vârf de diamant pentru degroșare, 4 – cuțit cu vârf de diamant pentru finisare, 5 – palpator, 6 – sistem elastic de urmărire, 7 – element pentru poziționarea ovalității pistonului

Fig. 25 Schema prelucrării ovale a pistoanelor cu cap special cu cuțite rotitoare

Traiectoria cuțitului este un cerc situat într-un plan care intersectează axa pistonului în punctul O și este înclinat față de aceasta cu unghiul alfa, cercul are centrul pe axa pistonului, iar proiecția lui pe un plan perpendicular pe axă este o elipsă și constituie secțiunea transversală a pistonului. Cu un dispozitiv special se realizează variația continuă a diametrului de prelucrat în timpul deplasării capului cu cuțite rotitoare, aceasta asigură forma conică-ovală sau bombat-ovală a suprafeței exterioare a pistonului.

Prelucrarea alezajului pentru bolț. În cazul pistoanelor din aluminiu prevăzute cu orificii din turnare se execută semifinisarea și finisarea alezajului, urmată de o prelucrare fină. Prelucrarea de semifinisare constă în adâncirea simplă sau dublă sau strunjire interioară urmată de alezare. Uneori la această operație se adaugă și strunjirea canalelor pentru siguranțele bolțului flotant. În general operația se execută pe agregate bilaterale cu masă tip tambur cu mai multe posturi de lucru. Fixarea piesei se face pe bază de așezare în poziție verticală. Ca ultimă trecere se execută o alezare prin străpungere, prelucrând concomitent ambele alezaje.

Prelucrarea de finisare constă în strunjirea fină cu cuțit cu vârf de diamant, folosind mașini multiaxe de alezat. Anumite procese tehnologice prevăd rodarea alezajului pentru bolț după strunjirea de finisare. Aceasta înlocuiește calibrarea prin alezare și asigură cerințe ridicate privind precizia dimensională și calitatea suprafeței.

Operații de găurire și frezare. Pentru executarea orificiilor radiale din canalele segmenților de ungere se folosesc agregate cu mai multe posturi de lucru amplasate pe o masă rotativă. Găurirea se execută concomitent sau prin schimbarea poziției unghiulare a pistonului. Găurile din umerii pistonului se execută într-o operație independentă.

Frezarea fantelor se execută sau la mașini de frezat cu destinație generală echipate cu freze disc subțiri, sau la mașini speciale de găurit și frezat cu mai multe posturi de lucru.

Sortarea pe grupe masice. Pentru a evita diferite perturbații privind echilibrarea, pe un motor se montează pistoane din aceiași grupă masică. Aducerea pistoanelor în aceiași grupă masică se obține prin îndepărtarea surplusului de material determinat printr-o cântarire. Acest surplus existent datorită cavității interioare neprelucrate a pistonului, se prelucrează prin strunjirea brâului interior al mantalei fără să afecteze suprafața exterioară sau rigiditatea pistonului. Strunjirea se execută pe strunguri obișnuite sau pe mașini semiautomate.

În unele tehnologii datorită turnării de precizie a semifabricatului se trece direct la sortarea pe grupe masice.

Operații de control. La executarea pistoanelor se prevede controlul interoperații și controlul final. Adesea, controlul final se efectuează în încăperi separate cu aer condiționat și temperatură constantă utilizând aparate și dispozitive, cu posibilitatea măsurării simultane a mai multor parametrii.

Controlul vizual constă într-o examinare privind rugozitatea și defectele superficiale ( nu se admit crăpături, sufluri, adâncituri, rizuri, bavuri etc.).

Controlul dimensional constă în controlul suprafeței exterioare și sortarea pe grupe de dimensiuni marcate prin culori, controlul alezajului pentru bolț și sortarea pe grupe de dimensiuni cu marcarea prin culori, controlul diametrelor, lățimii și amplasării canalelor pentru segmenți precum și bătaia suprafețelor frontale ale canalelor, controlul masei pistonului și sortarea pe grupe masice, cu marcare prin culori.

Exemplu de proces tehnologic de prelucrare mecanică. Succesiunea principalelor operații la execuția unui piston de m.a.c poate fi cea arătată în tabelul 1.2 și figura 13.

Tabelul 1.2 Exemplu de proces tehnologic pentru prelucrarea mecanică a unui piston (fig. 14)

Fig. 26 Succesiunea principalelor operații la prelucrarea mecanică a unui piston

Prelucrarea mecanică a pistoanelor pe linie tehnologică automată. Precizia de fabricație, diversitatea formelor constructive cât și seria mare de fabricație a pistoanelor au determinat realizarea unor linii automate care să satisfacă cerințele impuse. În figura 14 se prezintă exemplul unei astfel de linii cu o productivitate de 400 pistoane pe oră, pistoanele având diametrul între 73 și 95mm și suprafețe ale calotei plane sau profilate convex sau concav. Instalația se compune din șapte secțiuni de prelucrare și sistem automat de încărcare, transport și stocare care asigură o alimentare continuă si constantă cu piese. Profilul suprafeței exterioare se realizează pe utilajele de copiat, șabloanele fiind executate la un înalt grad de precizie pe mașini cu comandă numerică asigurându-se în totalitate condițiile tehnice privind cele mai complexe forme.

Linia se alimentează automat de la o platformă rotativă 1, de unde pistoanele trec la secțiunea pentru prelucrarea profilului exterior 2. La o așezare după suprafața interioară pe dornuri extensibile, cu o orientare cu capul în jos, se strunjesc simultan suprafața exterioară, suprafața frontală inferioară a calotei și calota. Apoi la o așezare în universale cu trei fălci, se execută locașurile pentru supape și găurile pentru ungere, care ies prin alezajul pentru bolț. După spălare, pistoanele se pun în cupele pentru transport pentru alimentarea secțiunii în care pe mașina agregat 3 se prelucrează alezajul pentru bolț.

La secțiunea următoare compusă din două linii de transfer paralele 4 se finisează suprafața exterioară și alezajul pentru bolț. Suprafața exterioară se prelucrează pe un strung de copiat.

În continuare se face ajustarea masică a pistoanelor 5 pe un utilaj care, prin găurire sau frezare, corectează masa în limite de 1g și execută sortarea și marcarea. Pistoanele trec apoi la instalația de spălare și uscare 6, după care se sorteaza și se marchează după diametrul alezajului pentru bolț și după diametrul suprafeței exterioare în zona 7.

În zona 8 se află instalația de acoperire superficială cu staniu. Pistoanele sunt mai întai decapate la 65grade Celsius, apoi spălate cu apă rece și cu o soluție de acid azotic, din nou cu apă rece și în final cu apă caldă, după care sunt acoperite, prin scufundare cu un strat lucios de staniu. La punctul terminal al instalației 9 se mai efectuază un control vizual, după care urmează operația de ambalare.

Cu ajutorul dispozitivelor automate intermediare de încărcare, descărcare, stocare, transport și alimentare 10 se asigură, în funcție de timpul de mașină al postului de lucru, un flux uniform și continuu. Totodată este posibilă reglarea alimentării în cazul opririi unor mașini de lucru.

Cap. 4 Analiza prin metoda elementelor finite a pistonului

4.1. Modelul CAD analizat

În cadrul capitolului 2 s-a efectuat calculul termic al motorului cu aprindere prin comprimare supraalimentat fiind necesari pentru analiza cu element finit al pistonului, mai multi parametrii ca presiunea maximă rezultată în urma arderii amestecului aer-carburant, respectiv temperatura maximă care se exercită asupra pistonului. Ulterior s-a realizat calculul de rezistență al pistonului după stabilirea principalelor sale dimensiuni pe baza datelor statistice ale motoarelor existente.

Modelul CAD al pistonului a fost realizat în întregime în CATIA V5R20 (figura y).

Fig. 28 Modelul CAD al pistonului analizat – vedere isometrică

Fig. 29 Secțiuni transversale prin piston

4.2. Materiale utilizate

Pentru analiza cu element finit a încărcărilor termice și mecanice ale pistonului, s-a ales un aliaj de aluminiu folosit de producătorul de pistoane Mahle, atât în fabricarea pistoanelor turnate cât și a celor obținute prin matrițare. În tabelul x sunt prezentate caracteristicile mecanice și termice ale unui piston Mahle fabricat prin ambele procedee utilizând același material.

4.3. Generarea mesh-ului

Modelul CAD este inserat în software-ul dedicat analizei cu element finit ANSYS R14.5:

Fig. 30 Inserarea modelului CAD

În următoarea etapă este generat mesh-ul modelului cu elemente parabolice tetraedrice:

Fig. 31 Generarea mesh-ului modelului CAD

În continuare se vor prezenta încărcările mecanice și termice ale pistonului considerând ambele metode de fabricare ale acestuia.

4.4. Deformațiile pistonului turnat sub acțiunea forței de presiune a gazelor

4.5. Încărcarea termică a pistonului turnat sub acțiunea temperaturilor din cilindru

4.6. Deformațiile pistonului forjat sub acțiunea forței de presiune a gazelor

4.7. Încărcarea termică a pistonului forjat sub acțiunea temperaturilor din cilindru

Cap. 5 Degradarea pistoanelor

5.1 Degradarea pistonului datorită spațiului insuficient în cilindrul motorului

Una din situațiile în care pistonul poate fi deterioriat, este atunci când încă din faza de proiectare s-au ales dimensiuni greșite ale alezajului cilindrului și dimensiunile pistonului astfel încât la rece există deja o frecare între peretele cilindrului și cel al pistonului, s-au nu sau luat în considerare dilatările termice ale celor două componente, urmând ca în momentul în care în motor se ating temperaturi foarte mari, acestea suferă dilatări termice până când acestea ajung în contact și apare din nou frecarea.

Pistonul suferă dilatări termice mult mai mari față de cilindru datorită materialului folosit deoarece un corp produs din aliaje de aluminiu se dilată de aproximativ două ori mai repede și mai mult față de un corp produs din fontă, iar acest lucru trebuie luat în considerare încă din etapa de proiectare a motorului cu ardere internă.

Odată cu creșterea temperaturii, pistonul începe să sufere o dilatare termică până când acesta ajunge la diametrul interior al cilindrului, pelicula de ulei este înlăturată datorită creșterii în dimensiuni a pistonului și a temperaturilor foarte mari datorate frecării. Astfel peliculei de ulei îi este imposibil să mai ajungă pe peretele cilindrului în vederea ungerii și a reducerii frecărilor, fapt ce poate duce la griparea motorului. În figura 1 este prezentată situația unui piston care a suferit o dilatare termică ajungâng la dimensiuni egale sau mai mari în comparație cu peretele cilindrului. Același comportament apare dacă în momentul proiectării pistonului nu s-au luat în considerare dilatările materialului în zona bosajelor (figura 2). Datorită dilatării termice, a acțiunii forțelor de presiune a gazelor și normală,, pistonul se deformează eliptic în secțiune transversală. Pentru a compensa această deformare, pistonul se execută sub formă eliptică.

5.2 Degradarea pistonului datorită lipsei peliculei de ulei

Chiar dacă între peretele cilindrului și cel al pistonului există un spațiu necesar, existenta peliculei de ulei rămâne un lucru extrem de necesar. Pelicula de ulei de pe peretele cilindrului poate să dispară în urma unor temperaturi extrem de mari, pătrunderea combustibilului după segmenții pistonului în carterul motorului, nealimentarea motorului cu o cantitate suficientă de ulei, probleme tehnice ale pompei de ulei etc. În cazul daunelor provocate de excesul de combustibil nears, uzura apare întotdeauna în zona fustei pistonului (figura 3).

Datorită injecției necorespunzătoare în cilindrul motorului, combustibilul nears poate ajunge pe peretele cilindrului amestecându-se cu pelicula de ulei, fapt ce duce la scăderea proprietăților de reducere a frecărilor a uleiului. În cazul pistoanelor pentru motoarele cu aprindere prin comprimare unde o parte din camera de ardere se află în capul pistonului, temperature acestora în zona capului este mult mai mare comparative cu cea unui piston care echipează un motor cu aprindere prin scânteie, astfel că și dilatările termice sunt mai mari. În figura 4 este prezentat un caz în care pelicula de ulei a fost spălată de pe peretele cilindrului în urma undei injecții necorespunzătoare cu combustibil, dilatările termice în zona capului pistonului fiind mai mari, acesta a suferit frecări cu peretele cilindrului până la ruperea de material din corpul pistonului.

5.3 Degradarea pistonului datorită combustiei anormale

Combustia normală a amestecului aer-carburant din motorul cu ardere internă este un process extrem de précis si trebuie bine definit. Arderea amestecului este pornită în momentul apariției scănteii în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie sau în momentul injecției cu motorină în aerul incins din camera de ardere în cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare. Frontul de flacără se extinde de la bujie sau injector și traversează camera de ardere cu o viteză cuprinsă între 5-30 m/s. Presiunea din camera de ardere crește treptat o dată cu arderea unei cantități din ce în ce mai mare a amestecului aer-carburant timp în care pistonul se deplasează spre punctul mort inferior producând lucru mecanic. Din acest motiv, timpul de injecție sau de scânteie trebuie controlat foarte precis luând în considerare poziția arborelui cotit.

Arderea normală a amestecului aer-carburant poate fi periclitată de mai mulți factori, comportamentele rezultate fiind evidențiate în trei cazuri principale

Arderea cu detonație

Fenomenul de auto-aprindere

Cantitate mult prea mare de combustibil injectat

Arderea cu detonatie se caracterizeaza prin autoaprinderea unei parti din amestec din fata flacarii turbulente normale, înainte de terminarea procesului. Arderea aprinderii secundare este initiata de diverse puncte calde aflate în camera deardere (depuneri de calamina) care fac ca sa existe în camera de ardere mai multe zone de aprindere, ca si cum ar exista mai multe bujii. Zona din fața frontului de flacără este, spre sfarsitul cursei, inspre PMI, puternic comprimata. Apar in aceasta zona finala produsi chimici de oxidatie instabili chimic (peroxizi organici). Acestia se descompun exploziv generand unul sau mai multe nuclee de autoaprindere in fata frontului de flacara. Apar asa-numitele flacari reci. Apar deasemeni, la aprinderea necontrolata a combustibilului, unde de soc. În cazul unui motor care funcționează o perioadă mai mare de timp cu această anomalie, componente esențiale pot suferii procese de distrugere cum sunt capul pistonului, garnitura chiulasei și elemente aflate în camera de ardere cum este bujia sau injectorul în cazul motorului cu aprindere prin comprimare. De asemenea undele de șoc sunt resimțite de bolt, bielă și arborele cotit.

În cazul fenomenului de auto-aprindere, acest proces apare datorită existenței unor temperaturi foarte mari ale anumitor componente prezente în camera de ardere cum sunt capul pistonului, supapa de evacuare, bujia, segmenții, depozite de combustibil de nears aflate în zona primului segment de compresie unde frontul de flacără nu se desfășoară eficient. De asemenea acest fenomen poate apărea și în cazul motoarelor cu rapoarte foarte mici de comprimare, cum sunt motoarele care echipează autovehicule de competiție. În momentul apariției fenomenului de auto-aprindere, amestecul aer-carburant arde necontrolat provocând distrugeri masive datorită undelor de șoc și a oscilaților imprimate pistonului care transmite mai departe toate aceste unde arborelui cotit. De asemenea temperatura și presiunea din interiorul camerei de ardere devine incontrolabilă ajungâng până la punctele de topire ale materialelor componentelor prezente în camera de ardere cum sunt pistonul, supapele de admisie și evacuare, bujia etc (figura 6 și 7).

În cazul unui amestec prea bogat de aer-carburant în care cantitatea de combustibil injectat este mult mai mare, va genera o ardere incompletă a combustibilului din ametesc astfel încât apare fenomenului de inundație a cilindrului cu carburant, acesta din urma ajungând în final pe peretele cilindrului. Ca urmare, pelicula de ulei este spălată de pe peretele cilindrului, nu mai există o bună lubrifere și proprietăți de ungere ale peretelui cilindrului, segmenți și piston. În consecință apar frecări între componente, un consum mărit de combustibil și ulei și în final distrugerea pistonului, cilindrului și a segmenților.

5.4 Degradarea pistonului și a camerei de ardere datorită supraîncărcării termice (pistoane utilizate la M.A.C)

Datorită unor încărcări termice foarte mari în zona capului pistonului, pot apărea fisuri ale materialului. Porțiunea camerei de ardere în care este pulverizat jetul de combustibil atinge temperatura punctului de elasticitate a materialului pistonului sau chiar temperatura punctului de topire. În consecință apar deformări, material topit sau rupturi de material în zona respectivă. În momentul în care motorul este oprit, în mod normal materialul supraîncălzit tinde să revină la forma inițială datorită proprietăților de elasticitate dar în cazul în care acest punct de temperatură a fost depășit, apar lipsuri de material, în momentul răcirii pistonului apar tensiuni de tracțiune care în final duc la fisuri ale materialului pistonului, prezentate în figura 39. Aceste încărcări termice anormale pot să apară datorită mai multor factori cum sunt funcționarea incorectă a injectorului, diuză blocată, funcționarea incorectă a pompei de motorină, distrugeri ale pre-camerei de ardere, supraîncălziri ale întregului sistem datorate unor probleme tehnice la sistemul de răcire al motorului, incapacitatea uleiului de a ajunge în canalele suplimentare de răcire ale pistonului.

5.5 Degradarea pistonului datorită impactului cu alte componente

În motorul cu ardere internă, poziția pistonului față de punctul mort superior este precis controlată prin poziția arborelui cotit. Fazele de distribuție sunt de asemenea precis calculate astfel încât deschiderea și închiderea supapelor de admisie și evacuare să se realieze cât mai eficient fără a ajunge în contact cu capul pistonului.

Există mai multe cauze care pot duce la acest fenomen cum sunt reglarea incorectă a poziției arborilor cu came față de poziția arborelui cotit, ruperea curelei sau a lanțului de distribuție, blocarea arcului supapei, poziționarea gresită a scaunelor de supapă dimensiuni incorecte ale fusului arborelui cotit, cuzineților, bielei sau a pistonului etc.

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

“Pistons and engine testing”, MAHLE GmbH

“Piston damages – recognising and rectifying”, MSI Motor Service International

„Motoare pentru automobile si tractoare”, Teorie si caracteristici, Ghe Bobescu, C. Cofaru, 1996

”Motoare pentru automobile si tractoare”, Dinamica, calcul si constructie, Ghe Bobescu, C. Cofaru, 1998

“Proiectare asistată de calculator”, prof. Andrei Gabriel

“Fabricarea și repararea autovehiculelor rutiere“, D. Marincaș. D. Abaitancei, 1982