Technologia honowania a efektywność i żywotność silników i siłowników hydraulicznych

Elementy urządzeń mechanicznych, które pracują pod wysokimi obciążeniami, muszą być wykonane z dużą precyzją, co nie tylko ułatwia ich montaż, ale wpływa też na ograniczenie zużycia. Właściwe przygotowanie powierzchni może być prowadzone na różne sposoby, jednak tam, gdzie liczy się szczególnie wysoka dokładność, często stosuje się proces honowania. W przypadku cylindrów silników czy siłowników w jego ramach wykonuje się zwykle szlif krzyżowy.

Proces zużywania się powierzchni a możliwości jej regeneracji

Konstrukcja silnika spalinowego sprawia, że wszystkie jego podzespoły są narażone na duże obciążenia mechaniczne oraz działanie bardzo wysokich temperatur. Przyspieszone zużycie następuje wszędzie tam, gdzie stykają się ze sobą szybko poruszające się elementy, jednak najwięcej zagrożeń dla trwałości poszczególnych powierzchni wiąże się z pracą poruszających się wewnątrz cylindrów tłoków. Czynnikami wpływającymi na proces postępującej degeneracji powierzchni jest zarówno ciepło wytwarzane podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, jak i pojawiające się podczas suwów tłoków tarcie. Ciągły kontakt gładzi cylindrów z pierścieniami tłokowymi z czasem sprawia, że powierzchnia metalu traci swą pierwotną geometrię i pojawia się na niej coraz więcej nieregularności i zarysowań, co z jednej strony prowadzi do nieszczelności, z drugiej zmienia przepływ oleju i pogarsza smarowanie. Brak środka smarnego na części obszarów gładzi powoduje coraz bardziej nierówne wycieranie się elementów i osłabia efektywność działania jednostki napędowej – wyjaśnia specjalista z firmy JURGAL, zajmującej się regeneracją silników i honowaniem przemysłowym.

Spadek stopnia sprężania, który towarzyszy wycieraniu się gładzi cylindrów prowadzi do zwiększenia zużycia paliwa, pogorszenia składu spalin i emisji większej ilości zanieczyszczeń oraz do zauważalnego spadku mocy. Bardzo wyeksploatowany silnik staje się coraz mniej efektywny i kosztowny w eksploatacji, a jego stan zwiększa ryzyko awarii innych podzespołów. Procesy zużycia są zupełnie naturalne i zachodzą w każdej jednostce napędowej. W zależności od jakości materiałów, z jakich jest wykonana, sposobu, w jaki ją zaprojektowano oraz przebiegu eksploatacji – przede wszystkim regularnej wymiany oleju silnikowego, stosowania dobrej jakości paliwa oraz unikaniu nadmiernych obciążeń – może on jednak zachodzić w różnym tempie. Po określonej liczbie godzin pracy silnik będzie wymagał mniejszej lub większej ingerencji, która pozwoli na przywrócenie mu pełnej sprawności i znaczne przedłużenie żywotności. Fachowo przeprowadzona regeneracja będzie tańsza niż zakup nowego silnika, a parametry pracy, jakie jednostka napędowa uzyska w efekcie naprawy, będą takie, jak w przypadku montażu nowego urządzenia.

Podobne mechanizmy zużywania się elementów ruchomych występują także w przypadku innych podzespołów, które pracują pod dużymi obciążeniami, a ich powierzchnie są narażone na wzmożone tarcie. Przykładem takich urządzeń mogą być siłowniki hydrauliczne, w których zarówno tłok, jak i tłoczysko mają za pośrednictwem uszczelnień kontakt z wewnętrzną stroną cylindra. Tak jak to ma miejsce w silniku spalinowym, także w przypadku siłowników ewentualne nieszczelności prowadzą do zmniejszenia efektywności działania urządzenia – problemów z wyciekami oleju hydraulicznego, ograniczeniem siły działania oraz przyspieszonym dalszym zużyciem. Powstające uszkodzenia mają również wpływ na działanie całego układu hydraulicznego, ponieważ powstające w efekcie przyspieszonego ścierania się powierzchni drobiny wraz z cieczą hydrauliczną przepływają do innych elementów – np. pomp, rozdzielaczy czy zaworów, gdzie mogą działać jak ścierniwo, niszcząc ich podzespoły. Uszkodzone siłowniki muszą więc być również wymienione lub zregenerowane, co będzie w większości sytuacji znacznie korzystniejszą opcją.

Znaczenie odpowiedniego wykończenia powierzchni elementów metalowych

Regeneracja silników czy siłowników może wymagać wykonania różnych czynności pozwalających na przywrócenie im sprawności. W przypadku napraw jednostek napędowych sytuacja jest bardziej złożona, ponieważ skala koniecznych ingerencji może być znacznie większa i obejmować nie tylko blok silnika, ale także jego głowicę, wał korbowy, korbowody czy poszczególne gniazda. W ramach niezbędnych czynności często wykonywane są różne czynności od napawania czy spawania po honowanie przemysłowe dające możliwość ostatecznego ustalenia geometrii i przygotowania powierzchni o wymaganych parametrach. Choć wszystkie etapy regeneracji mają duże znaczenie dla osiągniętego efektu, to procesy wygładzania są szczególnie istotne, zarówno ze względu na skalę trudności i konieczną precyzję, jak i na stopień, w którym przekładają się na późniejsze działanie całego urządzenia.

Obróbka metalu, która ma nadać poszczególnym częściom odpowiedni kształt i stopień wykończenia powierzchni, jest prowadzona metodami ubytkowymi – przez skrawanie oraz następujące po nim szlifowanie. Podczas skrawania usuwane są poszczególne warstwy metalu o nieco większych rozmiarach, które odspaja się w postaci wiórów za pomocą ostrza o odpowiedniej geometrii np. noża tokarskiego, frezu lub wiertła z krawędziami tnącymi o właściwej twardości. W skrawaniu zgrubnym i kształtującym – w przypadku regeneracji silnika spalinowego będzie to wytaczanie wstępne i końcowe – uzyskuje się element, który musi być następnie wygładzony tak, by osiągnąć potrzebną w danym przypadku chropowatość. Obróbka wykańczająca jest wykonywana dzięki szlifowaniu – honowaniu . Jest ono również zaliczane do obróbki ubytkowej, jednak do jego realizacji służy materiał w postaci ścierniwa o prawidłowej gradacji, czyli wielkości ziaren. Usuwanie naddatku jest możliwe dzięki temu, że ścierniwo ma właściwą twardość i dopasowane do planowanego efektu uziarnienie, które im jest mniejsze, tym bardziej dokładna może być wykonywana obróbka. Ścierniwa są używane w różnej formie – w przypadku honowania będą to najczęściej ściernice z nasypem z diamentu syntetycznego.

Szlifowanie pozwala na zmianę chropowatości metalu i ograniczenie występujących na jego powierzchni nierówności. Choć nawet obrobiony wstępnie metal wygląda na bardzo gładki, to w rzeczywistości jego powierzchnia w dużym powiększeniu składa się z szeregu mniejszych lub większych nierówności przypominających dość „poszarpane” wzniesienia i zagłębienia. Stopień chropowatości określają największe wysokości występujących nierówności, czyli najwyższe „szczyty” oznaczane jako Rz oraz średnie wysokości „szczytów” na określonej powierzchni, podawane jako Ra. Celem szlifowania jest zmniejszenie wysokości poszczególnych „szczytów” i doprowadzenie do sytuacji, gdy odstępstwa między poszczególnymi punktami osiągną wymagany poziom. Proces honowania pozwala na dokładne wygładzenie materiału i zniwelowanie wszelkich nierówności, choć daje również inne ważne korzyści.

Honowanie i wykonywanie szlifu krzyżowego

Proces honowania przebiega na ogół w dwóch lub trzech etapach, w których osiągane są kolejne stopnie wygładzenia powierzchni przez usuwanie niewielkich warstw materiału. W przypadku honowania wstępnego przy regeneracji silników spalinowych będzie to pozbywanie się naddatku o grubości około 0,05 mm. Podczas honowania wykańczającego będzie to już jedynie około 0,02 mm, natomiast przy obróbce końcowej wielkość usuwanego naddatku to zaledwie około 0,002 mm. Honowanie jest wykonywane za pomocą specjalnych głowic, tzw. honownic, które są wyposażone w ściernice z nasypem o odpowiednim uziarnieniu, zrobionym z korundu, karborundu albo diamentu. Podczas honowania wstępnego wykonują one ruch obrotowy, wyrównując powierzchnię i przygotowując ją do kolejnego etapu. W czasie honowania wykańczającego głowica porusza się nie tylko ruchem obrotowym, ale także posuwisto-zwrotnym, co daje możliwość wykonania tzw. szlifu krzyżowego. Ostatni etap wygładzania to właśnie niwelowanie powstałych nierówności przy zastosowaniu szlifu krzyżowego. Ze względu na konieczność zachowania dużej precyzji i uniknięcia odkształceń termicznych podczas honowania stosuje się dokładnie dobraną siłę docisku, ilość obrotów i prędkość posuwu, a także uzależnione od rodzaju metalu chłodziwo.

Powstający w wyniku honowania szlif krzyżowy to siatka składająca się z przecinających się pod odpowiednim kątem żłobień. Kąt przecięcia w zależności od rodzaju urządzenia, w którym będzie wykorzystywany przygotowywany element może wynosić od 44° i dochodzić nawet do 64°. Za sprawą honowania można wyeliminować różne rodzaje zaburzeń geometrii powierzchni cylindra albo otworu – baryłkowatość, stożkowatość, owalność, siodłowatość, falistość, mimośrodowość, nieprostopadłość lub brak osiowości. Struktura szlifu przywraca właściwe kształty i zapewnia znacznie lepsze rozprowadzanie oraz przyleganie oleju silnikowego do powierzchni cylindra jednostki napędowej, a także oleju hydraulicznego do wewnętrznej powierzchni korpusu siłownika hydraulicznego. Szlif krzyżowy powstający w ramach honowania to także sposób na zmniejszenie zakresu niezbędnego „docierania” się elementów na początku pracy.