Новая технология литья Federal-Mogul - снижение коэффициента трения колец
Специалисты подразделения Federal-Mogul Powertrain (Германия) разработали инновационный высокоэффективный процесс литья. Высокоавтоматизированный процесс и новые технологии моделирования процесса литья дополнены улучшеными материалами для поршневых колец. В результате инновационная технология позволяет изготавливать долговечные поршневые кольца с более низким коэффициентом трения.
Также, Federal-Mogul разработала новый процесс моделирования литья, который обеспечивает более точные данные для оптимизации потоков материала, давления и заполнения литейных форм для поршневых колец. Новая технология позволяет изготавливать более качественные, более прочные и износостойкие поршневые кольца. В этом процессе используются высокоавтоматизированные операции вертикального литья, которые позволяют получить большую однородность материала и более точный контроль технологического процесса.
«По мере того, как производители продолжают уменьшать размеры двигателей и используют оптимизированные алгоритмы впрыска для сокращения расхода топлива и выбросов CO2, повышаются требования к тепловым, механическим и трибологическим характеристикам компонентов, расположенных рядом с камерой сгорания, в частности к поршневым кольцам. Так как трение в двигателе можно снизить за счет использования более тонких поршневых колец, требуется изготавливать кольца из более прочных материалов, которые обеспечивают необходимое сопротивление изгибу, — объясняет доктор Стеффен Хопп (Steffen Hoppe), руководитель технологического подразделения по кольцам и гильзам в компании Federal-Mogul Powertrain. — Для соответствия этим требованиям, мы разработали новые материалы, процессы литья и моделирования».
Новый процесс литья
Federal-Mogul имеет более 80 лет опыта работы со стопочной заливкой форм. Это помогло компании добиться стабильного высокого качества изделий с учетом ограничений, которые накладывает ручной и полуавтоматический процесс литья. Однако при стопочной заливке несколько литейных форм располагаются горизонтально одна над другой. Это усложняет конструкцию литниковой системы, так как давление и скорость движения расплава различаются на разных уровнях стопки. Также использование неразъемных литейных форм для стопочной заливки накладывает ограничения на количество вариантов исполнения поршневых колец.
Для преодоления этих ограничений, Federal-Mogul разработала новый высокоавтоматизированный процесс вертикального литья, в котором используются специальные литейные формы, позволяющие оптимизировать конструкцию отливок и литниковых систем и улучшить контроль за потоком расплава. Новые литейные формы позволяют выполнять подачу расплава по всей окружности отливки, что значительно повышает однородность образования графита в структуре серого чугуна.
Полностью автоматические операции литья и работы с формами с расширенным контролем и встроенным документированием всех необходимых параметров позволяют получить воспроизводимые скорости движения расплава, улучшенное заполнение формы и, как результат, более высокое качество поршневых колец.
Новая технология моделирования литья
FM-new-rings_01Для усовершенствования процесса вертикального литья, Federal-Mogul также разработала абсолютно новый метод моделирования литейных процессов, в котором используется технология высокоскоростной камеры, позволяющая преодолеть ограничения традиционного метода конечных элементов. «Моделирование методом конечных элементов имеет один большой недостаток, — объясняет Хопп. — Независимо от того, насколько мал размер выбранной сетки элементов, макропроцесс по-прежнему моделируется. Степень приближения полученной модели к реальной ситуации всегда зависит от точности и полноты выбора и задания параметров моделирования».
Новый метод получил название «моделирования литья методом замедленной съемки» (SMCS). С его помощью Federal-Mogul выполняет более точный анализ заполнения литейных форм, а также оптимизацию сложных литниковых систем и систем подачи расплава за счет контроля его движения. Метод SMCS обеспечивает эффективное отслеживание поведения расплава при разных температурах и скоростях заливки. Это позволяет лучше понять и контролировать перепады давления и негативные последствия выхода литейных газов.
Новые литейные материалы
В ходе оптимизации процесса литья были выявлены возможности для создания литейной стали более высокого качества. Обычно для изготовления поршневых колец дизельных двигателей используется высокопрочный мартенситный серый чугун с шаровидным графитом. Такой материал обладает хорошей пластичностью и пределом прочности около 1200 МПа. Новая литейная сталь GOE70, разработанная Federal-Mogul, имеет предел прочности не менее 1800 МПа и мартенситную основу с включениями карбида хрома. Если этот материал подвергнуть дополнительному азотированию, то он приобретает высокую износостойкость и твердость поверхности до 1300 HV.
Поршневые кольца, изготовленные из GOE70, прошли многочисленные испытания на выносливость в тяжелонагруженных дизельных двигателях и показали исключительно низкий износ боковой поверхности и высокую долговечность наряду с меньшим прорывом рабочих газов в отсек картера и пониженным расходом масла.
Серийное производство поршневых колец, изготовленных из GOE70, началось в 2012 году с применения в высоконагруженных двигателях, отвечающих требованиям стандарта токсичности отработавших газов Евро 6. «Благодаря внедрению инновационного процесса формовки и литья, а также моделированию литейных процессов, что обеспечивает более строгий контроль за параметрами ключевых процессов, мы получили более высокие качество, прочность и износостойкость продукции», – заявил Хопп. – Мы считаем, что новый процесс изготовления поршневых колец усилит лидирующие позиции Federal-Mogul на рынке поршневых колец для легковых и коммерческих транспортных средств».
