Kvalitu spalovacích motorů určují dokončovací operace

Kvalita, spolehlivost a výkon spalovacích motorů stojí a padá s kvalitou použité technologie dokončovacího obrábění. V článku se vysvětluje, proč je důležité co nejdříve využívat know - how výrobců obráběcích strojů a nástrojů. Správná volba a použití technologie dokončovací-ho obrábění určuje výkon, trvanlivost a bezpečnost provozu spalovacích motorů. Zavedení nových vyvinutých motorů do sériové výroby závisí na tom, zda se nová konstrukční řešení uplatní v praxi, zda se dosáhne zvýšení výkonu a bezporuchového provozu motoru.

Stále rychlejší zavádění nových výrobků do sériové výroby vyžaduje od výrobců motorů, aby velmi brzy spolupracovali s výrobci nástrojů a obráběcích strojů. Tato těsná spolupráce je zárukou, že budou zvoleny technologie dokončovacího obrábění splňující jednak požadavky na malé tření součástí, jejich odolnost proti opotřebení a bezpečnost v provozu, ale i na hos-podárnost výroby. Budou tedy splněny požadavky konstrukční, technologické i ekonomické.

Nové spalovací motory s přímým vstřikováním paliva mají menší průměr válců a pracují s vyššími pracovními tlaky, což vyžaduje použití nových materiálů a tedy i vhodných techno-logií pro jejich konečné obrobení. Povrch válce musí zaručit malé tření, ale i dokonalé mazání třecích ploch. Dalším negativním jevem, který ovlivňuje požadovanou jakost obrobené plochy, je odpařování mazacího oleje, čímž dochází ke zmenšení tloušťky mazacího filmu. Dále je nutné vzít do úvahy možnou případnou horší kvalitu pohonné hmoty. To vše vede k dodatečnému zatížení vnitřních povrchů válců. Výrobci spalovacích motorů musí toto vše vzít v úvahu při konstrukci motoru, zejména v případech, kdy se jedná o vývoz automobilů na mimoevropské trhy.

Je nutné věnovat pozornost optimalizaci procesu tření vnitřního povrchu válce a pístu, a to jak z hlediska technického, tak také ekonomického. Při požadavku konstruktérů na velmi vysokou jakost vnitřního povrchu válce se zhoršuje přilnavost mazacího oleje a současně rostou značně náklady na výrobu. Vzhledem k těmto komplexním požadavkům na provedení ploch válce existují mezi výrobci motorů velmi rozdílné názory na materiál válce a na jeho opracování. Výrobci spalovacích motorů se snaží co nejvíce snižovat hmotnost motoru a to je další tlak na volbu optimální technologie opracování součástí. Snižování hmotnosti motoru se dosahuje jednak zmenšením tloušťky stěn bloku motoru a jednak volbou materiálu bloku, např. se litina nahrazuje slitinami hliníku. Obě tyto úpravy mají podstatný vliv na volbu technologie dokončovacího obrábění. Lehčí materiály a malé tloušťky stěn vyžadují větší počet úběrů při obrábění. Dalším trendem je zvyšování pracovního tlaku motoru, což vyžaduje vyšší utaho-vací momenty šroubů hlavy motoru.

V sériové výrobě se např. osvědčilo použití tzv. honovacích brýlí, pomocí nichž se může ob-robek obrábět v pevně upnutém stavu (obr. 2). Honování jako jednu z dokončovacích metod obrábění lze provádět také bez honovacích brýlí, tedy jako volné honování. Zde se používá nástroj konstruovaný speciálně podle požadovaného zdvihu a úhlu překřížení stop po nástroji. Každý válec motoru se obrábí samostatně. Dosud neexistuje odpověď na otázku, jak se změní při volném honování takt výroby, náklady na nástroje a trvanlivost honovacího nástroje oproti honování s honovacími brýlemi.

Obr. 2. Konstruktéři spalovacích motorů vyvíjejí lehké konstrukce, což má za následek tenké stěny válců. Honovací brýle mohou zabránit vzniku zmetků.

Serienmaschine zum Brillenhonen von Pkw-Diesel-Motoren - Honovací stroj pro ho-nování s brýlemi v sériové výrobě

Einzelmaschine zum Honen von Kleinserien Aufnahme des Motorblocks in der Lager-gasse - Samostatný honovací stroj s upnutým blokem motoru při malosériové výrobě

Při návrhu motoru je nutné nejprve odstranit provozní problémy, zejména v sériové výrobě, vhodnou volbou materiálu a jeho konstrukčním uspořádáním. Teprve potom je možné odpo-vědně posoudit, zda se vyplatí použít dokončovací obrábění (je poměrně nákladné) a zajistit tak bezpečnou kvalitu výroby.
Další požadavky na honování jsou dány konstrukcí válce (obr. 3). Konstruktéři spalovacích motorů rovněž usilují o zmenšení ztráty energie a o zamezení pěnění oleje, což řeší uspořá-dáním bočních otvorů ve válci. Řešení závisí na volném chodu nástroje, na přesnosti polo-hování a na vlastním výrobním postupu. Pro první stupeň honování se jako první nabízí technologie PATH (Position and Angularity Technology of Honing), případně honování s pevným nástrojem. Toto řešení zmenšuje počet výrobních operací, neboť odpadá jemné vyvrtávání. Výhody této technologie: menší výrobní náklady, odpadá jemné vyvrtávání, které vždy předchází honování; u technologie PATH je nástroj polohován a upnut ve směru osy honované díry, tak se odstraní chyby vzniklé u klasického honování chybou úhlové polohy honovacího nástroje (zejména u motorů V a W); při použití technologie PATH se usnadní pro-vedení následných operací.

Další technologické požadavky se týkají zmenšení dolního přeběhu honovacího nástroje. U motorů provedení V se tak ušetří materiál a lze zmenšit celou konstrukci motoru. Ušetřený materiál lze použít pro zvýšení pevnosti ložiskových pouzder, což je výhodné zejména s ohledem na stále se zvyšující točivé momenty.
Inovace v pracovním rozsahu strojů a nástrojů zajišťuje další pokrok. Díky novému kon-strukčnímu řešení zdvihových mechanismů (obr. 4) a novému řídicímu systému MSU4 sou-časných strojů může uživatel optimalizovat průběh honování. Dvoutaktní spalovací motory kladou na výrobu větší nároky než motory čtyřtaktní. Jde především o malé překrytí stop po honovacím nástroji, vnitřní plochu válce přerušovanou velkými otvory, požadavek bezotřepo-vého opracování vnitřních hran vyplachovacích otvorů a malou tloušťku stěn válce.

Obr. 3. Metody honování válců s příčnými otvory nebo šikmým přeběhem

Mit Gelenk - s kloubem
Mit Schwimmkopfstange - s plovoucím upnutím nástroje
Nur bei ausreichendem Hon-Überlauf - pouze při dostatečném přeběhu honovacího nástroje
PATH- Honing - honováno metodou PATH

Velká přerušení honované plochy brání nasazení klasických, často zastaralých honovacích nástrojů. Jednotlivě vedené honovací lišty způsobují koncentrické rozšíření honované díry. Při velkém přerušení honované plochy může dojít ke vzpříčení honovacího nástroje v díře. Pro takovéto případy je vhodné použít nástroj, u kterého je více honovacích lišt nebo kamenů upevněných na jednom širším nosiči.

V šedesátých letech minulého století byly prováděny první výzkumy honování trochoidálních tvarů u Wankelových motorů nástrojem upnutým ve smýkadle. Ukázalo se, že tyto tvary lze obrábět také frézováním a broušením. Velkým problémem je zde bezpečnost vodicí plochy při provozu. Dále se experimentovalo s využitím povlakovaných vodicích ploch. Tyto pokusy ukázaly, že došlo ke snížení spotřeby oleje. Použití povlakovaných ploch se neomezilo pouze na trochoidální tvary. Aby se snížila spotřeba oleje, bylo nutné obrobit také vedlejší rovinné plochy technologií jemného dokončovacího obrábění.

Vývojový trend směřující k velmi kompaktním, výkonově silným motorům klade stále větší nároky na těsnění hlavy válců. Má-li se těsnost zachovat také při stále stoupajících pracov-ních tlacích ve válcích motorů, zvyšují se požadavky na kvalitu obrobení těsněných ploch.

Metody obrábění prováděné většinou nástroji s definovaným tvarem ostří vedou často k odebrání většího množství materiálu mezi dírou válce a bočním otvorem. Velký rozdíl úběru nastává také při současném obrábění různých druhů materiálů, jako např. litinového pouzdra ložiska uloženého v bloku válce z hliníkové slitiny.
S rostoucím opotřebením břitu nástroje se tyto defekty zvětšují. Zlepšení lze dosáhnout změnou technologie, např. použitím broušení. Tato technologie zaručí stálou kvalitu opraco-vání i trvanlivost nástroje, a to i u těžkoobrobitelných materiálů.

Další příklad se týká obrábění válcových ploch hřídelí. Uživatelé vyžadují, aby se u rotačních součástí vždy vyčerpaly všechny možnosti obrábění vedoucí ke snížení tření stýkajících se ploch. Tyto požadavky vedou k častějšímu použití výkonného dokončovacího obrábění nebo k technologii superfinišování, čímž se zkrátí nebo úplně odpadnou některé předchozí operace. Sníží se výrobní náklady a zkrátí výrobní časy. Superfinišování má výrazně kladný vliv též na zlepšení kvality třecích ploch (obr. 6).

Obr. 6: Také na hřídelích lze technologií superfinišování obrobit plochy s velmi jemným po-vrchem, tedy s malým třením

Funktion und Oberflächentopographie bei der Aussenrund-Bearbeitung - funkce a  to-pografie povrchu při obrábění vnějších válcových ploch
Beispiel - příklad
Welle - hřídel
Dichtsitz - těsnicí plocha
Wälzkörperlaufbahn - dráha pro tělíska valivých ložisek
Gleitlagersitz - plocha pro kluzné ložisko
Rauheit nach Vorgabe des Dichtungsherstellers - drsnost požadovaná výrobci těsnění
Rauheit und Rundheit nach Vorgabe des Wälzkörperhestellers - drsnost a kruhovitost požadovaná výrobci valivých tělísek
Rauheit nach Wahl der Gleitlagermaterialien - drsnost požadovaná na plochách pro kluzná ložiska
Drallfreie Riefen - stopy po nástroji
Verhindert Öltransport - zhoršená doprava oleje (mazání)
Dichtungsverschleiss - opotřebení těsnění
Kreuzschliffstruktur - křížení stop po nástroji
Rundheit - kruhovitost
Erhöhte Lebensdauer + Laufruhe - zvýšená trvanlivost + klidný chod
Angepasstes Rauheitsprofil mit hohem Traganteil bei definierten Rife (Rvk) und elimi-nierten Spitzen (Rpk) - profil drsnosti s vysokým nosným profilem při definova-ných stopách po nástroji (Rvk) a eliminovaných špičkách (Rpk)
Verbesserte Hydrodynamik - zlepšená hydrodynamika (zlepšené mazání)

Konstruktéři stále požadují co nejjemněji opracované plochy. Ale i při dokončovacím obrábění se prosazuje trend volit technologie, které zajistí požadované funkce a komplexní integritu povrchu při nízkých výrobních nákladech. K tomu slouží srovnání mezi honováním vnitřních ploch a vnějším dokončovacím obráběním. U honování vnitřních ploch válců se požaduje, aby nástroj vytvořil na povrchu honované plochy křížící se stopy, ve kterých se udrží olej nutný k mazání. Při obrábění vnějších ploch se stopy po nástroji většinou nekříží, tím se ztrácí výhoda uvedená u honování. Rostoucí používání systému start – stop v kombinaci s hybridními pohony vyžaduje dokonalé mazání také u klikových a vačkových hřídelí.

Neustálý vývoj honování a dokončovacího obrábění vůbec vede k často diskutovanému pro-blému optimálního nasazení dané technologie z hlediska dodržení požadované jakosti povrchu a nákladů v sériové výrobě. Zlepšené materiály honovacích lišt umožňují obrobit povrch vykazující malé tření. Ve vývoji jsou honovací technologie, které jsou schopny vyrovnat i tvarové nepřesnosti otvorů. Vývoj honování je v souladu s pokrokem ve vývoji spalovacích motorů zaměřen na opracování lehkých a výkonných motorů. Získané zkušenosti v automobilovém průmyslu se využívají rovněž v dalších průmyslových odvětvích, kde se vyžaduje malé tření mezi součástkami, malé opotřebení součástek, velké zatížení a klidný běh stroje.

Josef Schmidt
Zdroj: MM Das Indrustriemagazin, č. 42/2011
Zpracoval -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com