Чем кованые поршни отличаются от литых
Спортивные автомобили нередко являются эталоном надежности, быстроты и мощи. Инженеры постоянно модернизируют двигатели болидов. Применяют новые материалы, современные технологии для улучшения технических характеристик двигателя. И со временем эти новшества используют для других автомобилей. Вот и рассмотрим, что дают кованые поршни, почему они являются более приемлемыми для мощных и скоростных машин и чем отличны от литых.
Кованые поршни больше подходят для мощных авто
Необходимо отметить, что кованые варианты значительно дороже широко распространенных литых. Поэтому прежде чем вы решите сделать тюнинг двигателя и установить дорогостоящую деталь, необходимо разобраться необходимо ли вам значительное увеличение стандартной мощности машины.
Необходимо признать, что поршни постоянно подвергаются высокой нагрузке. И от их качества напрямую зависит продуктивность двигателя. Еще немаловажным моментом является масса. Разработчики «бьются» не только за каждый сэкономленный килограмм, но и за каждый грамм общего веса автомобиля.
Содержание
- Некоторые особенности поршней
- Литые или кованые поршни − что выбрать
- Технология изготовления
- Недостатки кованых и литых деталей
Некоторые особенности поршней
Экономия веса касается и детали, которую мы обсуждаем. Чем легче поршень, тем меньше инерционные силы, действующие внутри цилиндра. Как результат, ниже механические потери, повышается мощность и в итоге растут в значительной степени обороты двигателя.
Для уменьшения веса разработчики «подарили» детали интересную форму, которая лишена простоты. Это обусловлено самым важным фактором: температурой, способствующей расширению металла. При этом следует учесть, что деталь расширяется не совсем равномерно. Параллельно оси поршневого пальца в большей степени, чем в плоскости качания шатуна.
Кованые поршни имеют специальную форму для уменьшения веса
В результате повышенных нагрузок происходит неровный разогрев и деформация. Чем это чревато? Поршень неравномерно двигается в цилиндре.
Второй немаловажный раздражающий фактор: давление газов внутри цилиндра. Третий: сила инерции. Они также создают дополнительное негативное воздействие на поршни. Мы рассмотрели эти моменты для того, чтобы понять, что от веса и материала этой детали зависит надежность и продуктивность работы всего мотора.
Литые или кованые поршни − что выбрать
Для любителей высоких скоростей выражение «кованые поршни» не является загадочным словосочетанием. Скорее наоборот, произнеся эту фразу, можно услышать целую лекцию с перечнем положительных качеств этой детали. Без нее не обходятся автомобили со специфическими моторами:
- Тюнинговые.
- Форсированные.
- Спортивные.
Эти силовые агрегаты требуют особого качества и надежности комплектующих деталей, не исключением является поршневая группа.
Базовые заводские детали не только тяжеловаты, но и не обладают оптимальной формой для достижения поставленных целей. Мы разберем подробнее технологию производства, а затем узнаем, чем лучше кованые поршни и стоит ли на них менять стандартные.
Литые, к сожалению, иногда имеют незаметные дефекты, которые никак не отражаются на работе двигателя в обычном режиме. Но увеличение мощности мотора влечет за собой и повышение нагрузок. В результате эти невидимые для обычного глаза инородные вкрапления, каверны или пузырьки могут спровоцировать трещину либо поршень попросту прогорит. Такая проблема возникает при установке коленвала с модернизированным радиусом кривошипа.
Дополнительный отрицательный момент, влияющий на детали − повышенная, в сравнении с техническими параметрами, температура (она может подниматься до 300 и даже 350 °C). Чтобы с поршнем ничего не произошло, для кованых вариантов используют высококремнистый сплав алюминия. Он имеет прекрасные качества:
- Намного выше жаропрочность.
- Коэффициент расширения значительно ниже.
- Более высокая прочность.
Более узкие кольца значительно снижают трение. В то же время изменение профиля поршня никак не повлияло на повышение расхода масла. Современные материалы и передовая технология поспособствовали значительному снижению теплового зазора блока цилиндров и кованого поршня. Он составляет всего от 0,06 до 0,05 миллиметров. Но что более важно, вы будете избавлены от опасности «поймать клин» двигателя.
Кованые поршни придется заказать отдельно, по умолчанию почти все авто оснащаются литыми
Небольшое, но важное уточнение. В автомобилях серийного производства установлены литые поршни. Поскольку они изготавливаются массовым порядком, цена вполне приемлема. Но это не единственное достоинство. Эти детали вполне соответствуют своему назначению и могут замечательно выполнять свои функции. Поэтому если вы пользуетесь автомобилем исключительно для поездок, а не скоростных гонок, не стоит делать значительные вложения в модернизацию двигателя.
Технология изготовления
Название «литые» говорит само за себя, они производятся методом литья металла в специальную матрицу. Для этого берется сплав алюминия с добавлением в определенных пропорциях кремния. Деталь изначально имеет овальную форму. Но под воздействием высокой температуры производится вышеописанная процедура, и поршень приобретает практически идеальную форму цилиндра. Кроме того, юбку поршня делают бочкообразной формы, которая является самой оптимальной для хорошего выполнения своих функций.
Для предотвращения деформаций под воздействием температуры внутрь поршня заливают термокомпенсирующие вставки из стали. Это позволяет предотвратить сильное расширение в области бобышек.
В отличие от этого метода кованые детали по большому счету должны называться штампованными, поскольку именно эта технология применяется для их изготовления.
Для производства надежных поршней заготовка из специальных сплавов получается методом изотермической или жидкой штамповки.
Они отличаются одна от другой, но гарантируют прекрасный результат.
Жидкая штамповка. В матрицу заливают расплавленный металл и применяют пуансон, который деформирует сплав строго в соответствии с заданной скоростью. Эта одноразовая штамповка позволяет получить высококачественный полуфабрикат, который в дальнейшем доводится до нужных параметров механической обработкой.
Изотермическая штамповка. Для этого метода берут предварительно подготовленные заготовки. Они получаются из обжатого через фильеру специального прута из высококремнистого алюминия. Такой метод позволяет убрать все поры в металле и изменить в лучшую сторону его структуру. Затем матрицу вместе с мерной заготовкой нагревают до температуры 450 °C и только после этого деталь штампуется скоростным методом с помощью гидравлического пресса. Усилие в 250 т делает фантастические преобразования. При этом постоянная температура матрицы способствует равномерной заполняемости формы, благодаря этому детали получаются не только точными, но и надежного качества.
Чем лучше кованые поршни еще? Поговорим отдельно о твердости: она составляет 130 ед. При этом запчасти гарантированно избавлены от раковин, каверн, а также трещин. Дополнительным положительным моментом является снижение веса, он на 50 грамм ниже обычных заводских вариантов. А весь комплект поможет снизить массу двигателя примерно на 0,5 кг.
Эта разработка сделала огромный прорыв в производстве гоночных автомобилей, поскольку полностью соответствует высоким нагрузкам во время соревнования. Детали также применяются в форсированных движках. Они меньше прогорают, поскольку имеют высокую термоцикличную стойкость.
Недостатки кованых и литых деталей
Мы рассмотрели прекрасные характеристики запчастей, изготовленных методом штамповки. Но на вопрос какие устанавливать поршни кованые или литые, ответить сможете только вы сами. Все зависит от режима эксплуатации автомобиля и ваших предпочтений. Чтобы вам было проще определиться с выбором, мы расскажем, какие есть отрицательные стороны кованых деталей.
Главный недостаток кованых поршней — это цена
Первая: цена. Она довольно высока и зависит от сложного метода производства поршней. Вторым отрицательным моментом можно считать финансовые средства, которые придется заплатить квалифицированному мотористу. Только классный спец сможет сделать правильную модернизацию вашего двигателя. А такая работа не может быть дешевой. В этом случае производится не только установка, но и подгонка детали.
Теперь поговорим о литых вариантах. К сожалению, этот метод не гарантирует отсутствие технологического брака. Как мы писали выше, могут присутствовать пустоты, которые в дальнейшем приводят к трещинам. Кроме того, сплав не особо твердый, даже закалка обеспечивает по шкале Бринеля всего лишь 80 ед. Именно поэтому для надежности увеличивают их вес.
Кованые поршни значительно улучшают технические характеристики двигателя. Если вы любитель прокатиться с ветерком, то это более чем прекрасный вариант. Что дают кованые поршни: вы гарантированно надолго будете защищены от проблемы прогорания поршней, которая нередко случается из-за частых нагрузок на мотор.
Кованые поршни. Что это такое?
Кованые поршни. Для ценителей тюнинга эти слова звучат как магическое заклинание, да и простым автомобилистам наверняка доводилось слышать восторженные отзывы о подобных изделиях. Чем же кованые поршни лучше широко распространенных литых? В каких случаях их стоит применять?
Для кого нужны кованые поршни?
Начнем с того, что обычные литые поршни прекрасно подходят для серийных моторов, а технология их изготовления – для массового производства. Если автомобиль для вас лишь средство доставки из пункта А в пункт Б, не стоит тратиться на замену штатных поршней коваными. Сказанное справедливо и в отношении капитального ремонта движка.
Другое дело – моторы форсированные, спортивные или тюнинговые. Они-то предъявляют повышенные требования к качеству комплектующих, в том числе поршней. Служившие верой и правдой стандартные поршни для спортивных двигателей тяжеловаты, а их форма неоптимальна. Кроме того, литье порой имеет невидимые глазу дефекты: каверны, пузырьки, вкрапления инородных тел, которые не выловить даже при тщательном контроле. При обычной эксплуатации они могут и не навредить. Но если, основательно доработав силовой агрегат, увеличить его мощность (и тем самым нагрузки), брак постарается заявить о себе: поршень внезапно прогорит, даст трещину и т. д.
Владельцы «заряженных» отечественных машин подтвердят, что подобные казусы особенно часты при увеличении рабочего объема цилиндров путем установки коленвала с измененным радиусом кривошипа. В этом случае штатные поршни надо дорабатывать (торцевать), что явно не способствует увеличению их ресурса, привнося дополнительную слабину.
Даже если деталь изготовлена идеально, отливка все-таки менее прочна, чем поковка, – сказывается разница в структуре.
На форсированных моторах детали испытывают большие механические и температурные нагрузки. Поэтому, для производства кованных поршней с повышенными механическими характеристиками применяют высококремнистые (содержание Si > 12%) сплавы алюминия, обладающие более высокой жаропрочностью, меньшим коэффициент расширения, лучшими прочностными характеристиками по сравнению с обычными (Si меньше 12%) сплавами, применяемыми для отливок заготовок в кокиль.
Материал для штампованных поршней обладает повышенными механическими характеристиками не только при нормальной температуре, но и при рабочих температурах в 300…3500 C. Более лучшие прочностные характеристики позволяют сделать штампованный поршень более ‘ажурным’, т.е. легче чем литой. К недостаткам штампованных поршней стоит отнести высокую стоимость и необходимость соблюдения при их установке более точных параметров, что требует высокой квалификации моториста.
В форсированных моторах применение кованых поршней если уж не обязательно, то во всяком случае желательно.
По сравнению с литыми штампованные поршни легче и одновременно прочнее, их форма оптимальна для форсированных двигателей, склонность к прогоранию меньше. В подтверждение обратимся к цифрам. Твердость кованых поршней 120–130 ед. по Бриннелю против 80–90 ед. у обычных. Термоциклическая стойкость выше в 5–6 раз. Если литые до появления первых трещин выдерживают в среднем 400 испытательных циклов «нагрев–охлаждение», то штампованные – 2500.
Кроме того, стандартный «жигулевский» поршень диаметром 79 мм весит 376 – 380 г, а кованый – на 40 г легче. Это означает, что главное преимущество кованых поршней — это меньший вес. А значит двигатель будет легче расскручиваться.
Как производят кованый поршень
| Практическое руководство — Двигатель и трансмиссия
Через огонь и пламя: плюсы и минусы превращения алюминия в поршни
Когда дело доходит до превращения необработанных металлических сплавов в полезные вещи, доминируют два процесса: литье и ковка.
И то, и другое имеет свое место, но когда прочность и легкий вес являются приоритетными, ковка является предпочтительным методом. Хотя технология ковки существует уже более шести тысячелетий, она продолжает совершенствоваться, предлагая нам все, от более острых и прочных кухонных ножей до более экономичных реактивных двигателей, а также вещи, которые намного ближе нашему сердцу: легче, прочнее. поршни.
Ковка определяется как контролируемая деформация металла в желаемую форму под действием силы сжатия. По сути, это кузнец, работающий с заготовкой молотом и наковальней, и те первые кузнецы, трудившиеся в своих кузнях, обнаружили нечто важное в изготавливаемых ими изделиях: по сравнению с аналогичными предметами, изготовленными из расплавленного и отлитого металла, они были прочнее и прочнее. более прочный.
Хотя они знали, что готовый продукт был лучше, древние кузнецы не подозревали, что процесс ковки изменяет внутреннюю структуру зерна металла, выравнивая его по направлению приложенной силы и делая его прочнее, более пластичен и придает ему более высокую устойчивость к ударам и усталости.
В то время как литая металлическая деталь будет иметь однородную, случайную зернистую структуру, ковка может намеренно направить эту структуру таким образом, чтобы придать готовой детали самую высокую структурную целостность любого процесса металлообработки.
Хотя многие энтузиасты производительности могут поставить заготовки на первое место с точки зрения желательности, реальность такова, что заготовки, из которых они созданы, не имеют ни одного из свойств направленного зерна поковки. Для высокопроизводительных приложений просто нет лучшего выбора, чем кованый компонент.
Современная кузнечная технология далека от кузнечного огня и наковальни. На кузнечном предприятии Wiseco, сертифицированном по стандарту ISO 9000, поршни начинают свою жизнь как прутки из сертифицированного алюминия, обрезанные до точной длины для формирования заготовок. Выбор материала имеет решающее значение. Здравый смысл всегда говорил, что кованый поршень требует дополнительного зазора между поршнем и отверстием, чтобы обеспечить расширение, что приводит к шуму от удара поршня, пока двигатель не нагреется до температуры.
Но, по словам менеджера по исследованиям и разработкам Wiseco Дэвида Фусснера, «кованые поршни требуют дополнительного зазора при комнатной температуре. Тем не менее, ковочный сплав 4032, который мы используем, имеет около 12% содержания кремния, и это значительно ограничивает расширение почти до того же уровня, что и литой поршень с содержанием кремния 12%. Сплав 2618 немного расширяется и требует немного большего зазора при комнатной температуре, чем сплав 4032».
В то время как 4032 более стабилен в размерах в типичном диапазоне рабочих температур внутри двигателя, он уступает небольшому преимуществу в пластичности по сравнению с 2618, в котором содержание кремния составляет менее 0,2 процента. Это делает 2618 лучшим выбором для приложений, где детонация может быть проблемой, например, гоночные двигатели, работающие с высоким наддувом или большими дозами закиси азота. Более щадящий характер сплава с низким содержанием кремния в этих случаях компенсирует повышенный износ и более короткий срок службы по сравнению с 4032.
После нарезки до нужного размера заготовки нагреваются до заданной температуры и перемещаются на сам ковочный пресс, который также поддерживает контролируемую температуру. В Wiseco используются прессы двух типов: механические и гидравлические. Оба имеют долгую историю производства, и у каждого есть свои сильные стороны. Механические ковочные прессы хорошо подходят для высокой производительности, помогая поддерживать доступную общую стоимость высококачественных кованых компонентов. Преимущество гидравлических прессов заключается в переменной скорости и силе на протяжении всего процесса, что позволяет лучше контролировать поток материала, который можно использовать для производства кованых компонентов с еще более точно контролируемыми физическими свойствами.
Независимо от типа пресса, поршни выкованы с использованием процесса «экструзии в обратном направлении», при котором материал из заготовки течет назад и вокруг нисходящего пуансона, образуя чашеобразную поковку.
Представьте неподвижную часть пресса (матрицу) как зеркальное отражение верхней части поршня, а пуансон — как зеркальное отражение нижней части. Когда пуансон опускается, шайба принимает грубую форму поршня, а материал течет вверх по сторонам матрицы и пуансона, образуя юбку. Весь этот процесс происходит в масштабе миллисекунд (на механическом прессе), и все важные напряжения течения материала определяются скоростью деформации (или скоростью) и нагрузкой, прикладываемой прессом.
В дополнение к трем механическим кузнечным прессам Wiseco также имеет два собственных изотермических гидравлических пресса. Эти современные прессы очень точно поддерживают температуру поршневого стержня, матрицы и пуансона с помощью компьютерного управления, обеспечивая более точные размеры и геометрию готовых деталей, а также позволяя выполнять более сложные конструкции. успешно ковали и даже создавали композитные поковки с металлической матрицей.
После завершения процесса ковки компоненты переходят к термообработке.
Здесь поршни проходят тщательно контролируемый процесс нагрева и охлаждения, который снимает напряжение, возникающее при ковке, повышает общую прочность и пластичность металла и обеспечивает желаемые характеристики твердости поверхности.
В то время как литье позволяет получать детали прямо из формы, форма которых очень близка к их окончательной форме, поковки требуют немного большего внимания. Фусснер объясняет: «В специальной поковке для определенной цели внутренняя часть заготовки для ковки находится почти в чистом состоянии, когда она выходит из кузнечного пресса. А в некоторых случаях мы куем еще и купольную почти сетку с клапанными карманами и некоторыми другими особенностями. Помимо этих элементов, большинство других элементов требуют механической обработки».
Одна базовая поковка может служить отправной точкой для многих различных типов готовых поршней, в отличие от отливок, которые обычно уникальны для одной конструкции или небольшой группы очень похожих конструкций.
Независимо от метода изготовления заготовки поршня, для создания готовой детали необходима некоторая степень окончательной обработки. «В качестве примерного процента я бы сказал, что около 75 процентов кованых заготовок потребует механической обработки». Литые поршни также требуют чистовой обработки на станке с ЧПУ, но это почти всегда менее обширно, чем аналогичный кованый поршень. «Это главная причина, по которой кованые поршни дороже литых», — добавляет Фусснер.
Еще одной причиной дополнительных расходов на ковку является значительная стоимость первоначальных инструментов для штампа и пуансона, которые должны быть изготовлены в соответствии со строгими спецификациями и должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать бесчисленные циклы ковочного пресса. Пер Фусснер: «Мы контролируем эти расходы, производя все наши инструменты для ковки на месте в штаб-квартире Wiseco в Менторе, штат Огайо». Возможность изготавливать собственные инструменты, производить ковку и собственные установки для термообработки делают их единственным производителем кованых поршней на вторичном рынке в Соединенных Штатах, обладающим такими уникальными возможностями.
Несмотря на то, что технология ковки стара, как железный век, она по-прежнему остается бесспорным лидером в производстве легких, прочных и долговечных компонентов.
Несмотря на то, что ковка — это процесс металлообработки, которому тысячи лет, он по-прежнему является лучшим методом для производства компонентов с высочайшей прочностью и долговечностью. Кованые поршни Wiseco начинаются как необработанные прутки из сертифицированного алюминиевого сплава 2618 или 4032. После того, как они нарезаны на «шайбы» точного размера, они готовы к предварительному нагреву для подготовки к ковке. Кованые поршни Wiseco начинаются как необработанные прутки из сертифицированного алюминиевого сплава 2618 или 4032. После того, как они нарезаны на «шайбы» точного размера, они готовы к предварительному нагреву для подготовки к ковке. В изотермических гидравлических прессах Wiseco используется точный цифровой контроль температуры сырья, пуансона и штампа, а также давление, оказываемое при полном движении горна.
Это позволяет очень точно контролировать физические свойства готовой поковки. После того, как шайба (слева) была преобразована в кованую заготовку (посередине), ей еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем она станет готовым поршнем (справа). прочности, кованые поршни намного ближе к своей чистой форме еще до начала механической обработки. Эти поршни Pro Tru Street имеют выкованные карманы для клапанов и купола, что снижает объем необходимой механической обработки и, следовательно, их стоимость. После механической обработки и любых покрытий, которые могут быть частью смеси, готовые поршни просто нужно упаковать.Фото Марка Гирхарта и Кевина Бэйли
Популярные страницы
Лучшие электромобили — самые популярные модели электромобилей
Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен
Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом
Каждый электрический внедорожник, который можно купить в США в 2022 году
Это самые экономичные пикапы 904, которые вы можете купить
Это внедорожники с лучшим расходом топлива
Популярные страницы
Лучшие электромобили — модели электромобилей с самым высоким рейтингом
Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен
Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом
Каждый электрический внедорожник, который можно купить в США в 2022 году
Это самые экономичные пикапы 904, которые вы можете купить
Это внедорожники с лучшим расходом топлива
Варианты технологии производства поршней | LEADFOOT ENGINEERING
Мы предлагаем разработанные по индивидуальному заказу полные поршневые узлы (с кольцами, штифтом и зажимами) из различных процессов в зависимости от области применения и объема.
Обзор доступных технологий приведен ниже.
Алюминиевые поршни с постоянной пресс-формой:
Наиболее распространенный процесс, используемый для производства поршней, называется процессом постоянной формовки, в котором используется стальная форма с цельными или составными сердечниками, которые создают внутренние элементы поршня. Этот процесс используется для производства большинства OEM-поршней для 4-тактных и 2-тактных двигателей, включая ORV, мотоциклетные, автомобильные, морские и снегоходные поршни. Процесс постоянной пресс-формы является относительно недорогим процессом для больших объемов работ, который может оправдать высокие первоначальные затраты на инструменты. Он может производить поршни из ряда различных сплавов, в том числе из сплавов с повышенной прочностью при повышенных температурах, поэтому технология может охватывать широкий спектр применений. Преимуществом процесса постоянной формы является относительно низкая стоимость деталей и возможность создания относительно сложной геометрии для усиления ребер, карманов для снижения веса и т.
Кованые алюминиевые поршни:
Высокопроизводительные изделия с большим диаметром отверстия, требующие повышенной прочности, как правило, используют поршни, изготовленные методом ковки. Это особенно относится к 4-тактным поршням, где этот процесс является предпочтительным для высокопроизводительных приложений, таких как серийные автомобили и дрэг-рейсинг.
Кованые поршни начинаются как твердая цилиндрическая алюминиевая заготовка, которая нагревается и ударяется или вдавливается в штамп для ковки, чтобы создать форму поршня. Заготовки изготавливаются из кованого материала, который изначально подвергается экструзии, что создает очень плотную деталь с минимальной пористостью. Низкий уровень брака, повышенная пластичность и вязкость разрушения являются основными факторами повышенной прочности кованого поршня. Ковочный штамп, используемый для создания внутренних элементов поршня, обычно представляет собой цельную деталь, которая устраняет некоторые варианты усиления ребер и карманов для экономии веса, которые можно создать с помощью процесса непрерывной пресс-формы, но некоторые из этих элементов могут быть обработаны и обработаны. эта технология очень хорошо работает для поршней с коротким удлинением, таких как поршни для 4-тактных гоночных двигателей. Деформируемые материалы, как правило, имеют меньшую прочность при повышенной температуре, чем некоторые сплавы для высокотемпературного литья, используемые для поршней постоянной формы, но превосходная пластичность и вязкость разрушения делают их лучшим выбором для 4-тактных гоночных поршней, которые обычно работают при температурах, эти сплавы по-прежнему имеют хорошую прочность.
Рабочая температура для высокопроизводительных двухтактных поршней, как правило, выходит за пределы диапазона для большинства деформируемых сплавов, но мы можем производить кованые поршни из сплава с высоким содержанием кремния, который имеет хорошую температурную прочность для высокопроизводительных двухтактных двигателей. Мы также предлагаем поршни, которые мы изготавливаем из поковок, предоставленных компанией RSP, которые сочетают в себе быстрое затвердевание и ковку для создания поршней с исключительно высокой прочностью при повышенных температурах. Преимущества производительности обычно перевешивают недостатки ковки по сравнению с поршнем постоянной формы для высокопроизводительных 4-тактных поршней. Стоимость инструмента, как правило, ниже, но цена за штуку, как правило, выше. Мы оснастим и закупим наши поковки у лучшего в своем классе производителя и можем добавить операции механической обработки для создания многих геометрических элементов, которые невозможно создать с помощью одного только процесса ковки.