活塞环的加工及应用分析Word下载.docx
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1.2活塞环的定义，应用及市场需求猜想1
1.2.1定义1
1.2.2应用范围1
1.2.3市场需求2
1.3活塞环三大技术发展趋势2
1.4本课题的研究内容及其论文结构2
第二章活塞环的常见活塞环的类型，结构3
2.1按照活塞环的结构3
2.2按照活塞环的断面形状3
2.3按照活塞环的表面处理氮化3
第三章活塞环的特点，鉴别和安装5
3.1活塞环的特性5
3.1.1作用力5
3.1.2导热性5
3.1.3气密性5
3.1.4控油性5
3.1.5支撑性5
3.2活塞环好坏的鉴别6
3.2.1问题的提出6
3.3活塞环的标记方法7
第四章球墨铸铁型活塞环的加工分析8
4.1工艺可行性分析8
4.2工艺性试验及分析9
4.2.1球化处理9
4.2.2孕育处理10
4.3原铁液碳、硅的控制11
4.3.1碳量11
4.3.2硅量12
4.4生产情况12
4.5结论13
第五章活塞环的实际功能，应用，注意事项14
5.1活塞环的四大功能14
5.1.1保持气密性14
5.1.2控制机油15
5.1.3传热作用15
5.1.4支承作用16
5.2活塞环在现实应用中的注意点16
5.3活塞环安装的注意事项及部分原因分析。
16
第六章活塞环在应用过程中的减磨18
6.1发动机和活塞环和缸套之间的磨损的几个特点18
6.2活塞环的减磨措施19
6.2.1活塞环的材料、结构及表面处理。
19
总结23
答谢词24
[参考文献]25
第一章概述
1.1我国零配件行业的发展趋势
面对全球采购的滔滔洪流，面对来自国外的、国内的和企业内部的冲击，中国零部件工业如何生存发展始终是一个非常现实和迫切的问题！
经受困境的考验，准确把握发展的机遇，中国零部件行业的发展依然前景广阔，并且极有可能成为世界零部件供应重要基地之一！
1.1.1技术进步
关键零部件技术缺乏，绝大多数被外资垄断。
这意味着在技术上零部件企业还需要进一步努力。
1.1.2质量进步
零部件供应商除了在创新和成本上下功夫外，还要大力提高产品质量的保证能力，这样才能满足汽车产业快速稳步发展的要求。
1.1.3进出口进步
我国汽车零部件在出口方面有着固有的优势，较低的人力成本和出口优惠政策一直在刺激着中国汽车零部件出口的发展。
对发展中国家来说，要解决贸易壁垒问题有这样一些关键环节：
提高产品的技术水平;
开发高精度度量设备和方法;
权衡知识产权、专利保护和竞争之间的轻重关系。
而最根本的环节在于技术水平的提高。
1.2活塞环的定义，应用及市场需求猜想
1.2.1定义
活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。
往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封
1.2.2应用范围
活塞环广泛地用在各种动力机械上，如蒸汽机、柴油机、汽油机、压缩机、液压机等，广泛用于汽车，火车，轮船，游艇等。
一般活塞环安装在活塞的环槽里，它和活塞、缸套、缸盖等元件组成腔室做功。
1.2.3市场需求
随着工业发展进入后工业时代，我国成为工业国家，工业大国，发动机，内燃机的国内外需求上升迅速。
活塞环的需求也会与时剧增。
1.3活塞环三大技术发展趋势
由于车用发动机向高强度、高输出功率、轻量化方向发展，活塞环因此厚度变薄、重量变轻，这就要求活塞环具有很高的强度（热疲劳强度）。
近年来，以往多用于汽油机上的钢质活塞环被逐渐引入到柴油机领域，一些柴油机开始采用钢质油环。
活塞环高度变小（薄型化）后，活塞环与缸套之间的密封性加强，可以减少机油进入燃烧室的机率，进而能降低排放污染。
目前，薄型活塞环已在车用柴油机和汽油机领域逐步得以应用。
车用发动机（尤其是柴油机）正在向高机械负荷、高热负荷、低燃料消耗及低废气排放等方向发展，其对活塞环提出了更高的要求：
耐磨、耐拉缸性能，以及对缸套不会造成太大磨耗的滑动特性，进而推动了先进表面处理工艺在活塞环领域的推广普及。
例如，在发达国家，尤其是日本的活塞环行业，其钢质环现已大量采用较先进的氮化、喷钼、PVD工艺。
1.4本课题的研究内容及其论文结构
以活塞环作为设计研究对象，重点分析了活塞环在加工和应用过程中的要求和注意点。
根据总体技术指标，在确定各工作机构型式和参数的基础上，进行描述，分析，计算，并附加实例。
重点讲述活塞环的特性，安装注意点，加工注意点。
本课题从行业趋势出发，分析我国活塞环行业的发展。
分析现实活塞环的类型和结构。
从活塞环的特点出发，重点研究活塞环的加工工艺以及在现实中活塞环好坏的鉴别，同时着重分析了在现实中活塞环的安装注意点。
第二章活塞环的常见活塞环的类型，结构
2.1按照活塞环的结构
A．整体环：
在一个环槽中只装配一个零件组成的活塞环。
B．组合环：
在一个环槽中装配两个或两个以上零件组成的活塞环。
C．气环：
主要用来防止气体泄漏的活塞环。
D．油环：
具有回油孔或等效结构，能从缸壁上刮下机油的活塞环。
E．开槽油环：
侧面平行，具有两个接触环岸，并有回油孔的油环。
F．开槽螺旋撑簧油环：
在开槽油环内加置螺旋撑簧的油环。
撑簧能提高径向比压，其对环体内表面的作用力均等。
常见于柴油机环。
G．钢带组合油环：
由衬环和两片刮环组合而成的油环。
衬环的设计随生产厂而异，常见于汽油机环。
2.2按照活塞环的断面形状
桶面环、锥面环、内倒角扭曲环、楔形环和梯形环、鼻形环、外台肩扭曲环、内倒角扭曲环、钢带组合油环、异向倒角油环、同向倒角油环、铸铁螺旋撑簧油环、钢质油环等……
2.3按照活塞环的表面处理氮化
A.氮化层硬度达950HV以上，脆性1级，具有良好的耐磨性和耐蚀性。
B.镀铬环：
镀铬层结晶细致紧密光滑，硬度达到850HV以上，耐磨性能非常好，纵横交错的微裂纹网络，利于储存润滑油。
C.磷化环：
通过化学处理的方法，使活塞环表面产生一层磷化膜，对产品起到防锈作用的同时，也可提高环的初期磨合性。
D.氧化环：
在高温和强氧化剂的条件下，钢铁材料表面生成一层氧化膜，具有耐腐蚀性，减磨润滑及良好的外观
活塞环图片（PistonRing）
1，产品名称:
斜口环2，产品名称:
内撑簧
3产品名称:
阶梯搭口环4。
产品名称:
油环
5。
产品名称:
勾型搭口
第三章活塞环的特点，鉴别和安装
3.1活塞环的特性
3.1.1作用力
作用在活塞环的力有气体压力、环自身弹力、环往复运动的惯性力、环与气缸及环槽的摩擦力等,如图所示。
由于这些力的作用，环将产生轴向运动、径向运动、回转运动等基本运动。
此外，活塞环由于它的运动特点，伴随着不规则运动，不可避免地出现轴向不规则运动引起的浮悬和轴向振动、径向不规则运动和振动、扭曲运动等。
这些不规则运动常常妨碍活塞环发挥作用。
设计活塞环时，要充分发挥有利运动，控制不利的一面。
3.1.2导热性
将燃烧产生的高热，通过活塞环传递给气缸壁，所以能起到冷却活塞的作用。
通过活塞环向气缸壁散出的热量，一般可达到活塞顶部承受热量的30～40％
3.1.3气密性
活塞环的第一个作用是保持活塞与气缸壁之间的密封，控制漏气到最低限度。
这种作用主要由气环来承担，即发动机在任何运转条件下，其压缩空气和燃气的泄漏均要控制到最少，以提高热效率；
防止因漏气而引起气缸与活塞或气缸与环之间咬死；
防止润滑油的劣化而引起的故障等。
3.1.4控油性
活塞环的第二个作用是适当地刮落附着于气缸壁上的滑油，并保持正常的油耗量。
当供给的滑油过多时将被吸至燃烧室，使油耗量增大，而且由于燃烧产生的积炭，对发动机性能影响极坏。
3.1.5支撑性
因活塞略小于气缸内径，如无活塞环，则活塞在气缸内不稳定，就不可能运动自如。
同时，环还要防止活塞直接与气缸接触，起到支撑作用。
因此，活塞环在气缸内上下运动，其滑动面全靠环来承担。
3.2活塞环好坏的鉴别
检测是重要的中间环节。
现主要针对活塞环弹力检测工装、翘曲度检测工装进行分析和讨论。
3.2.1问题的提出
活塞环对发动机的功率发挥起着很大的作用，其摩擦功率占整个发动机机械损失功率的一半以上，而且活塞顶部所受热量主要通过活塞环传出。
但由于技术等多种原因，一些活塞环安装后并不能达到预期的效果及设计要求，有些活塞环过早的磨损或折断。
这些都和制造、检测、安装等工艺有关。
因此，活塞环是否合格，检测就成为一个重要的中间环节，它关系着发动机的整机性能。
3.2.1.1活塞环弹力检测
活塞环的第一密封面要求气环径向弹力必须达到一定的标准，当第一密封面一旦形成，那么在燃气压力的作用下将加强第一密封面和形成第二密封面。
若气环径向弹力达不到标准，即使再大的燃气压力也难以形成第一和第二密封面。
径向压力高有利于密封并能适应高转速，因为振动随径向压力增高而减小，而转速越高进入环背与活塞的燃气压力越低，环脱离缸壁的趋势就会越明显。
因此检测活塞环径向弹力就很必要和重要了。
为了方便，生产中一般采用集中力代替分布的环周压力，来检验环成品的弹力是否符合设计要求。
根据环的受力及简化得出两个与弹性模量有关的集中力：
1，径向集中力;
2，切向集中力。
由相关条件，便可由这两种力与环的弹性模量等关系式来得到某一个力的理论值，同时也可根据两式的关系式直接相互转换或做近似相互转换。
以16V280ZJA柴油机活塞环为例进行说明。
根据目前车间的实际情况，测弹力工装采用的是用柔性钢带测切向力。
径向测量机构与带式切向力测量相比，适用于大缸径活塞环；
有如下优点：
测量方便，测量值较为准确。
因为这些活塞环径向弹力较大，而且直接加在活塞环上无其他附加外力。
若采用带式机构切向力测弹力，由于采用带式结构测量机构必然附加了一个带的弹力，使得所测弹力值大于理论弹力值。
而且当活塞环较大时，较薄的钢带受到较大的力后，易损坏钢带或其附属机构。
为防止较大的力破坏带所以选用的带就越厚，那么误差就越大。
所以在测量时可预先测出钢带的弹力，然后用所得值与技术要求测弹力值施加的径向力之和加于钢带之上。
注：
测径向力机构的缺点是：
所采用的力较带式的大。
因此要采取施力保护措施以防集中力压伤环，如可适当加大接触面积（如采用橡胶结构）等。
另外由于测的是径向力，要求所加力指向圆心，否则会产生误差，所以可以采用三点定位圆，或长横杆减少力作用线偏离圆心带来的误差。
3.2.1.2结论
根据目前的实际情况，发动机活塞环直径为180~280mm，重量从0.105~0.35kg，属于大缸径的活塞环。
在检测时应根据具体情况采取适宜的方法，来提高测量值的准确度，进而提高发动机的工作效率，减少活塞环和活塞的损坏。
活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向（支承）四个作用。
密封：
指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。
漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务;
调节机油（控油）：
把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑。
在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用;
导热：
通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。
据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的;
支承：
活塞环将活塞保持在气缸中，防止活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。
3.3活塞环的标记方法
活塞环标记GB/T1149.1—94规定：
所有要求有安装方向的活塞环应在上侧面，即接近燃烧室的侧面加以标志。
在上侧面标志的环包括：
锥面环、内倒角、外切台环、鼻形环、楔形环和要求安装方向的油环，环的上侧面均有标记。
第四章球墨铸铁型活塞环的加工分析
活塞环在发动机中起密封、传热和支承等作用，因此要求活塞环有良好的耐磨性、弹性和热稳定性，尤其是对一道环要求更高。
球墨铸铁活塞环的开发和应用是活塞环制造史上质的飞跃。
如何稳定地制造球墨铸铁活塞环是活塞环行业面临的难题。
为了解决这一难题，本厂从德国GOETZEA引进了单体双片铸造球墨铸铁活塞环的全部技术和相关设备。
如图1所示，单体双片铸造的设计指导思想是利用铣刀把铸坯的中心缩松及容易产生针孔、夹渣缺陷的上下表面铣削，从而获得优良的球墨铸铁活塞环。
这种铸造方式国外已经得到广泛的应用，并且具有丰富的生产经验，国内许多厂家也接受并开始了试制，但还不很成功。
其主要原因是原材料问题及球墨铸铁活塞环的生产工艺过于复杂，很难确保球墨铸铁活塞环的基体组织，不能保证铸件的合格率。
虽然本厂引进了全部铸造的软硬件，但是在原材料供应、生产工艺等方面还存在许多问题，试制初期也经常出现球化率不高、球数合格率达不到要求等情况。
经过试制和摸索，基本上掌握了适合本厂的生产工艺，较全面地解决了球墨铸铁活塞环铸造上的技术问题，从而确保了球墨铸铁活塞环铸件的合格率。
下面简要介绍本厂是如何试制球墨铸铁活塞环的。
图4-1单体双片铸造活塞环
4.1工艺可行性分析
德国专家一再强调“球墨铸铁活塞环生产的关键在于原材料”，没有合格的原材料是很难生产好球墨铸铁活塞环的。
他们强调采用高纯生铁或合成生铁，其成分为：
38%～43%C，02%～04%SI，004%～015%Mn，P<
0045%，S<
001%，其它元素不得超过003%〔1〕。
而国内无此种新生铁资源，国内有可能供应的生铁成分为：
38%～43%C，08%～13%Si，02%～05%Mn，P<
007%，S<
003%。
这种生铁影响球化处理的关键元素Mn，P、S超高，给球墨铸铁活塞环的生产带来很大的不利因素。
目前国内想找到满足要求的原材料矿源或合成生铁是很困难的，引进原材料也不现实。
因此在选择原材料时，应尽可能符合国外要求，试验选用的生铁成分：
40%～42%C，080%～09%Si，020%～04%Mn，004%～006%P，S<
0026%。
这种生铁与国外要求的生铁比较有如下几个特点：
A．硅量超高04%～06%。
由于使用中频炉熔炼，虽会限制回炉料的回收和利用，但还不会构成太大威胁。
B．含锰量超高014%～02%。
较高的含锰量会影响铸态组织的控制，随后的铸坯铁素体化退火处理可解决这一难关。
但过多的渗碳体出现将会影响球化的合格率及热处理前后的尺寸控制。
C．含磷量尚可。
即使以后使用的新生铁含磷量稍高（<
007%），也不足以影响金相组织与力学性能。
如含磷量太高，会导致铸件含磷量>
01%，就会在晶界产生磷共晶，使强度、韧性、塑性降低。
D．含硫量超高0016%以上。
较高的含硫量会直接消耗球化剂的用量，特别是凝固期间溶解态的硫对石墨球化的影响，会直接影响球化处理的效果，降低力学性能，增加铸造缺陷（夹渣、皮下气孔等）。
碳硫分析仪的使用为及时掌握原铁液的含硫量，正确控制球化剂的加入量创造了条件，同时M孕育剂的使用也为球墨铸铁活塞环的生产起到了辅助作用。
经过以上工艺分析，采用国内的原材料是能够生产出合乎国外要求的球墨铸铁活塞环的。
4.2工艺性试验及分析
采用40%～100%上述成分的生铁，60%以下的回炉料，在150kg中频炉中熔炼。
加强操作工艺，确保球化温度达1500～1550℃，从铁液出炉至浇注完毕的时间控制在10min之内，确保球化效果。
4.2.1球化处理
使用定制的球化剂，成分如下：
38%～48%Si，50%～65%Mg，RE≤10%，Al≤10%。
粒度：
5～40mm。
此种球化剂与国内常用的稀土硅铁镁合金或稀土硅铁镁钙合金球化剂比较，其含镁量低于前者，又高于后者。
球化反应较平和，且在保证球化效果的前提下能较好地控制球化剂的加入量，保证球化剂的吸收率，并且较好地控制铁液温度的下降。
另外，使用的球化剂稀土元素含量极低，从而使球化处理后铁液中残留稀土量不致过高，减少渗碳体的形成；
而残留在铁液中的微量稀土元素既可抑制球化干扰元素的作用，又可以提高孕育时的成核率。
经过一系列的试验发现，活塞环不同的V/O比（断面面积与周长之比）所需球化剂的加入量不同；
不同的原铁液含硫量所需球化剂的加入量也不同。
球化剂的加入量是烧损量、去硫耗镁量与残余镁量的总和。
于原铁液出炉温度、球化处理方式、停留时间的长短都将影响镁的损耗量，为了正确控制球化剂的加入量，对生产中变化较大的因素加以控制，球化温度应控制在1500～1550℃（最佳在1530～1550℃），球化剂加入采用凹坑包底冲入法，球化处理后浇注时间不超过8min（最佳控制在6min内）。
在操作周期和工艺基本不变的情况下，认为镁的烧损量基本一致。
铁液含硫量较高，不可能达到<
0018%的要求，球化剂的加入量需考虑去硫耗镁量。
碳硫分析仪的快速测定，能及时提供原铁液的含硫量，试验中原铁液的含硫量在002%～003%，去硫耗镁量在00076%上下波动，这在工艺上是可以接受的。
球化剂的用量直接影响残余镁量的多少。
如果球化剂加入量过多，就会引起残余镁量过多，虽然不致于影响球化合格率（球径大小仍属正常），但是它会增加收缩，引起脆性。
同时由于原铁液含锰量偏高，球化剂加入量过多，较易出现碳化物，白口倾向严重，导致球数合格率的下降；
如果球化剂加入量过少，就会导致残余镁量不足，影响球化的合格率，球数合格率也会降低。
表1是在正常试验情况下的结果，并说明如下：
①球化剂加入量14%时，由于残余镁量不足，出现蠕虫状石墨；
②加入量18%时，由于残余镁量过多，出现碳化物，导致球数下降，不过二者球径大小仍合乎要求；
③球化合格率非球化率。
表1桑塔纳活塞环球化剂加入量与球化效果
球化剂加入量
1.2
1.4
1.6
1.8
球化合格率
80
100
球数合格率
—
4.2.2孕育处理
球墨铸铁活塞环生产中使用的孕育剂是特制的混合孕育剂，由定制的S孕育剂和M孕育剂按一定比例混合而成。
对单体双片球墨铸铁活塞环的孕育效果明显好于常用的FeSi75孕育剂。
试验中使用的S孕育剂成分为：
73%～78%Si，07%～10%Sr，06%～10%Ca，Al≤10%。
M孕育剂成分为：
43%～47%Si，10%～15%Mg，06～09%Ca，Al≤10%。
混合孕育剂的最大特点是不仅能较好地防止铸态白口，促使生成铁素体，细化石墨球，减少铸造缺陷，而且特有的球化元素Mg、Sr、Ca在铁液温度相对较低情况下的微量补充，不但能显著增加石墨球的数量，而且能稳定球化，使球形更圆整。
表2是不同孕育剂加入量对球化处理合格的铁液进行孕育的结果。
对表2结果说明如下：
A.球数合格率是在球化合格基础上统计的；
B.孕育剂加入量<
04%时，石墨核心逐渐减少，石墨球变大，数量减少，圆整度变差，出现自由渗碳体；
C.孕育剂加入量05%时球数不再增加，但总的石墨含量增多，球径加大，有开花现象；
D.加入量06%时石墨球开花现象严重，由于相对含硅量增多，碳当量过高，出现了石墨漂浮现象。
表2孕育剂加入量与球数合格率（%）
孕育剂加入量
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
54
82
总之，适当的孕育剂加入量，并采取瞬时孕育快速浇注，既可保证基体组织，又能有效地消除自由渗碳体，并且可使磷共晶弥散，降低终硅含量，有利于韧性的提高。
从表2也可看出，最佳的混合孕育剂加入量为04%。
4.3原铁液碳、硅的控制
4.3.1碳量
墨铸铁活塞环中的碳不象灰铸铁环那样损害力学性能，只要不产生石墨漂浮，选择高碳反而有利：
①碳高石墨结晶晶核多，使石
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