Хонингование цилиндров: технология, методы и критерии оценки качества

Двигатель внутреннего сгорания является ключевым элементом автомобиля. Для его надежной работы требуется соблюдать режим эксплуатации и регулярно проводить техническое обслуживание. При выполнении этих условий, мотор способен длительное время сохранять свои заданные параметры. Однако время от времени необходим капитальный ремонт, который включает полную разборку и замену износившихся компонентов. Важным процессом в этом ремонте является хонингование блока цилиндров.

Что такое хонингование цилиндров двигателя

В процессе движения автомобиля двигатель испытывает значительные нагрузки, что приводит к его естественному износу. Со временем характеристики мотора изменяются, и он может потребовать ремонта. Ключевым фактором, говорящим о состоянии двигателя, является состояние цилиндров и поршневой группы. Хонингование блока цилиндров становится необходимым, если на поверхности появились царапины, задиры или признаки конусности.

В процессе капитального ремонта механик растачивает разбранный блок до ближайшего ремонтного размера, что позволяет устранить дефекты и скорректировать конусность и эллипсность. После расточки блок имеет шелковистую поверхность, но для оптимальной работы двигателя требуется создать на ней специальные насечки. Это выполняется с помощью токарного станка и специального инструмента –хона. Хотя опытный мастер может провести эту процедуру вручную, результаты будут хуже по сравнению с механической обработкой.

Методы ремонта постоянно прогрессируют. В настоящее время все производители автомобилей применяют плосковершинное хонингование. При данной технологии насечки не имеют острых гребней, что предотвращает их контакт с поршнем и его кольцами в процессе работы мотора. После расточки мастер обязан создать аналогичную структуру на рабочей поверхности. Правильно выполненные работы упрощают обкатку двигателя и обеспечивают оптимальные зазоры между деталями, что снижает расход масла и продлевает срок службы мотора до следующего капитального ремонта.

Хонингование блока цилиндров представляет собой процесс нанесения сетки на рабочую поверхность двигателя, что создает оптимальные условия для смазки трущихся деталей. В образовавшихся канавках хонингования задерживается моторное масло.

Процесс хонингования осуществляется в два этапа. На первом этапе используется крупный абразив, чтобы создать основные насечки. На втором этапе применяется финишная обработка, которая корректирует неровности, оставшиеся после первого этапа. Существуют два основных типа хонирования: алмазное и керамическое. Алмазный метод обеспечивает более высокую точность, но стоит дороже. Керамическое хонирование применяют чаще из-за более доступной цены. В идеальных условиях автопроизводители могут использовать лазерную обработку, что значительно увеличивает точность.

По итогам обработки блок необходимо тщательно промыть. Рекомендуется использовать струю воздуха или смазочно-охлаждающую жидкость под давлением. Важно не только обеспечить чистоту поверхности, но и удалить металлические стружки и остатки абразивных материалов из скрытых полостей. Остатки алюминия и металла могут причинить непоправимый вред. Для окончательной обработки поверхности после чернового хонингования может понадобиться финишная шлифовка.

Зеркало или хонингование цилиндров

Обработанная поверхность выглядит гладкой и зеркальной, что дало ей это название. Хон – это инструмент, используемый для создания заданного рисунка на стенках цилиндра, что объясняет название всей процедуры.

На заводах метод обработки отличается от того, который используют в ремесленных условиях. Здесь хонингование не является отдельной операцией. Расточка происходит на токарном станке, сначала с помощью фрезы, а затем для повышения точности размеров и формы – с использованием абразивного инструмента. Сетка на стенках цилиндров образуется благодаря движению абразивных брусков. Во время капитального ремонта процесс хонингования выделяется как особая процедура, так как расточенный под ремонтный размер цилиндр имеет идеально гладкую поверхность.

Структура хонингованной поверхности имеет решающее значение для смазки цилиндро-поршневой группы. Она образует масляную пленку заданной толщины, которая увеличивается при подъеме поршня и уменьшается при обратном движении. Масло от коленчатого вала и шатунов распыляется внутри блока цилиндров, а затем с возвратно-поступательным движением поршней попадает на поршни и кольца. Когда стенки цилиндра идеально гладкие, масло на них не задерживается, что может привести к недостаточному смазыванию и ускоренному износу двигателя.

Главной задачей хонингования является создание такой структуры поверхности, которая обеспечит надлежащие условия для смазки мотора. Кроме того, достигается дополнительное уплотнение между поршнем и цилиндром, что положительно сказывается на повышении компрессии двигателя, препятствуя утечкам газов в картер. Некачественная обработка приводит к проблемам, связанным с масляным голоданием, что, в свою очередь, может вызвать заметный износ сначала в виде задиров, затем в виде эллипсообразного износа, увеличения расхода масла и образования копоти в выхлопных газах.

Наблюдения показали, что идеально гладкая поверхность не создает оптимальные условия для движения поршня. Хонингование обеспечивает формирование углублений, задерживающих масло. Это создает масляную пленку, предотвращающую непосредственный контакт металла, что снижает трение и, следовательно, износ.

В процессе работы двигателя в камере сгорания образуется высокое давление, которое может приводить к прорыву раскаленных газов в зазор между кольцами и цилиндрами. Масло на стенках цилиндра служит дополнительным уплотнением, предотвращая утечки газов. Это улучшает компрессию и эффективность функционирования двигателя.

Стенки, обработанные до зеркального состояния, имеют низкую способность задерживать смазку. В результате отсутствия масляного клина возникает полусухое трение между деталями, что приводит к повышению температуры и преждевременному износу. Кроме того, масло также выполняет функцию охлаждения, так как его теплоемкость значительно выше, чем у металла.

Технология хонингования цилиндров

Хонингование блока цилиндров в производственных условиях значительно отличается от аналогичного этапа, выполняемого во время капитального ремонта двигателя. Процесс состоит из двух основных этапов:

• Первоначальная обработка с применением крупноабразивных брусков, которые устанавливаются на головку съёмника. Эта операция формирует контуры сетки, видимые на окончательной детали.
• Завершающая обработка с использованием мелкоабразивных инструментов. Она необходима для сглаживания недостатков, появившихся на предыдущем этапе, и окончательной подгонки размеров под новые поршни.

Иногда добавляется третий этап – притирка детали абразивной пастой, что делает сетку еще более гладкой и избавляет от мелких дефектов. Эта операция зависит от того, насколько качественно были выполнены два предыдущих этапа и от квалификации специалиста. В итоге получается равномерная сетка без острых краев, что упрощает процесс притирки цилиндро-поршневой группы.

По завершении обработки необходимо тщательно промыть деталь. Остатки металла и абразивных частиц не допускаются при проведении сборки двигателя. Сборка цилиндро-поршневой группы возможна только в том случае, если мотор полностью чистый. Для этого проходится предварительная промывка жидкостью под давлением и последующая продувка сжатым воздухом.

Строгое соблюдение технологии обработки значительно продлевает срок службы мотора после капитального ремонта. Равномерно нанесенные насечки хонирования создают оптимальные зазоры между сопрягаемыми частями и обеспечивают хорошую смазку. Процесс обкатки проходит быстрее и проще, благодаря чему достигается дополнительный ресурс за счет более медленного износа. Также снижается расход масла в ходе эксплуатации, продлевая срок службы автомобиля.

Теперь подробнее рассмотрим оборудование, используемое для ремонта двигателя. Профессиональный станочный парк автозаводов позволяет производить высокоточные операции по обработке блока. Такие машины доступны только в специализированных мастерских, занимающихся расточкой и хонингованием блоков цилиндров.

Хонингование – это процесс создания фактуры рабочей поверхности блока. Это не простое наложение царапин и рисок, а создание специфической сети, где глубина канавок и их расположение совершенно точны. Поверхность образуется из пересекающихся канавок, которые формируются под заданным углом. Глубина и профиль рисок должны быть выдержаны с точностью до тысячных долей миллиметра. Обработка не должна оставлять острых краев и задиров на вершинах борозд, оставленных хоном. Долговечность работы мотора непосредственно зависит от качества этой обработки.

Абразивные бруски устанавливаются на головку хонинговального инструмента. В процессе обработки она вращается, оставляя насечки на металле. Это вращательное движение дополняется возвратно-поступательными перемещениями вдоль оси (вверх и вниз). Синхронизация скорости этих движений позволяет задавать необходимый угол между рисками. Этот параметр критически важен для регулирования толщины масляной пленки между сопрягаемыми поверхностями.

Угол хонингования – это угол между создаваемыми рисками, который играет значительную роль в процессе обработки. Величина зерна абразивных брусков также оказывает влияние на характеристики технологии обработки и финальной отделки. Тип хонинговального инструмента обеспечивает необходимую глубину рисок и их взаиморасположение. Хонингование обычно делится на два этапа: основное и окончательное. Для каждого этапа выбирается соответствующий абразивный инструмент. Контроль качества поверхности осуществляется с помощью визуального анализа диаграммы микропрофиля хонинговой обработки. Угол хонирования измеряется с помощью специальных шаблонов.

Процесс создания структуры поверхности начинается с применения грубых абразивов. Благодаря этому обработка приводит к образованию шероховатой поверхности с задирками, но при этом на ней возникает заготовленный рисунок, который сохраняется даже после финишной обработки. Для базовой обработки в основном используют алмазные хонинговальные бруски, выполненные на медной основе. Работа чернового хонингования проводится с добавлением смазочно-охлаждающей жидкости, которая не только выполняет свою первостепенную функцию, но также способствует удалению металлической стружки и остатков износа алмазного инструмента.

Алмазная обработка не позволяет сразу приступать к сборке двигателя, так как кольца и поршни, соприкасаясь с неотшлифованной поверхностью, быстро теряют свои свойства. В некоторых случаях обработка алмазным абразивом может использоваться для силовой расточки. Однако такая грубая поверхность требует дополнительной обработки с применением абразивов меньшей фракции, чтобы стать более гладкой и приблизиться к необходимому размеру. После этого на завершающем этапе используется мелкозернистый абразив в сочетании с шлифовальной пастой.

После того как достигнут чистовой размер и структура поверхности, производится операция, известная как хонинговое крацевание. Она не направлена на увеличение ремонтных размеров или изменение гладкости, а фокусируется на очистке хонинговых рисок и удалении остатков металла и абразива. Эта операция имеет положительный побочный эффект для чугунного блока: она открывает графитовые зерна в металлической структуре. Графит, в свою очередь, действует как дополнительный лубрикант, уменьшая износ компонентов. Крацевание осуществляется с помощью нейлоновых щеток, содержащих кремниевые кристаллы.

Помимо основных операций, возможно нанесение антифрикционных покрытий, однако не все материалы блока цилиндров подходят для их использования. Хонингование преимущественно применяется для чугунных блоков, но технологии обработки алюминиевых деталей также были разработаны. Особенно популярным стало плосковершинное хонингование, которое осуществляется с применением классических технологий. Основные отличия заключаются в инструментах и числе операций.

Хонингование и ремонт цилиндров Alusil и Nicasil

Хонингование цилиндров из алюминиевого сплава имеет свои нюансы.

• Alusil

  На сегодняшний день блоки, изготовленные по технологии Alusil, комплектуются ремонтными размерами поршней от производителей (обычно это размеры +0,5 мм и +1 мм, реже можно встретить шаги +0,35 и +0,7 мм). Ремонтные поршни, как и стандартные, имеют сверху тонкий железный слой. Использование поршней без покрытия при ремонте заканчивается быстрым «прихватом» и заклиниванием поршневой группы.

  Для технологии расточки алюминиевых блоков выпускаются специализированные ремонтные комплекты. Игнорирование технологии может привести к быстрому выходу отремонтированного двигателя из строя.

  Расточка выполняется с помощью стандартных резцов, аналогичных тем, которые используют на чугунных блоках. Главное отличие заключается в процессе хонингования, где используют специализированные абразивные бруски с поверхностью, предотвращающей засаливание. Эти бруски должны оставаться чистыми на протяжении всей обработки. В противном случае частицы алюминия могут прилипнуть к поверхности цилиндра при нагреве, что приведет к образованию задиров.

  Один из ведущих мировых производителей инструмента, компания Sunnen, рекомендует применять при хонинговании алюминиевых блоков инструменты с абразивными частицами карбида кремния (SiC).

  Применяются три последовательных типа брусков. Первый тип С30-J55 удаляет изношенный слой с припуском 0,04–0,08 мм после расточки. Второй тип С30-J84 производит хонингование и увеличение ремонтного размера на 0,01-0,02 мм, а также устраняет дефекты предыдущей операции. Третий тип С30-С03-81 выполняет финишную шлифовку без изменения ремонтного размера.

  После расточки алюминиевого блока важно тщательно его промыть, чтобы избавиться от стружки. Даже малейшие загрязнения могут привести к тому, что алюминий будет прилипать к стенкам цилиндра и абразивному инструменту, что в свою очередь вызывает задиры и вырывание абразивных частиц.

  Процесс хонигования следует осуществлять, соблюдая три ключевых условия. Первое — это тщательная фильтрация охлаждающей и смазочной жидкости. Второе — умеренное давление абразивных брусков на стенку блока. Третье — точное соответствие диаметров бруска и поршня. Если эти условия не соблюдать, это может привести к перегреву обрабатываемой поверхности и вырыву абразивных зерен из бруска, что в свою очередь способствует образованию задиров и ухудшению качества обработки. Если процесс не будет своевременно налажен, это может испортить всю работу.

  Хонингование блока цилиндров позволяет достичь оптимального размера и точного зазора между движущимися деталями (от 0,01 до 0,02 мм). Однако на данный момент рабочая поверхность еще не удовлетворяет требованиям по шероховатости, и ее необходимо дополнительно обработать для достижения нужного результата.

  Полировка в процессе капитального ремонта двигателя является альтернативой химическому вытравливанию, применяемому на производстве. В ходе полировки происходит снятие очень тонкого слоя алюминия (около 1 мкм) и обнажение кристаллов кремния. Здесь используются мягкие фетровые башмаки C30-F85, закрепляемые в хонинговой головке, и мягкая кремниевая паста на силиконовой основе AN-30, которая не затрагивает вкрапления кремния, но убирает лишний слой алюминия.

  По итогам полировки кремниевой пастой поверхность принимает характерный темно-серый цвет, не имея следов от хона или других режущих инструментов. В её структуре находятся кремниевые зерна, а основной алюминиевый сплав снизу расположен на глубине 1-2 мкм. За счет неравномерного распределения кремниевых вкраплений структура остается пористой. Это позволяет маслу задерживаться в микропорах и образовывать защитную пленку на трущихся деталях в процессе работы двигателя.

  Компания Gehring из Германии предлагает альтернативную технологию обработки алюминиевых сплавов. Ключевое отличие заключается в черновой обработке: вместо первого абразивного бруска на базе SiC на первом этапе используются бруски с алмазным покрытием, а на этапах чистового хонигования и финишной полировки работают с хонбрусками и полировальной пастой на основе карбида кремния.

  Предложенные технологии расточки и хонингования подходят как для блоков, сделанных из алюминиевых сплавов типа Alusil (Silumal), так и для более современных вариантов, таких как Lokasil и Silitec (это кремниевая гильза, залитая в алюминиевый сплав с 25% содержанием кремниевых соединений). В любом варианте геометрия и микроструктура цилиндров остается на уровне заводских стандартов.

  В случаях, когда задиры или иные дефекты цилиндров превышают максимальные глубины ремонтных размеров (до 0,7 мм, а в некоторых блоках даже до 1 мм), то ремонт с использованием расточки и хонингования уже не представляется возможным. В таком случае необходимо применять сменные гильзы, которые могут быть предложены в качестве запасных частей для некоторых моделей блоков.

  Сменные гильзы производятся из материала, который однороден по составу с материалом цилиндров. Обычно это алюминий с содержанием до 17% кремниевых соединений. Замена алюминиевых гильз осуществляется по аналогии с заменой чугунных. Главное отличие алюминиевых деталей — их высокая теплопроводность.

  Практические советы по замене гильз предполагают их предварительное сильное охлаждение (например, в жидком азоте или в морозильной камере) и усиленный подогрев блока цилиндров. Гильза должна устанавливаться быстро, чтобы не успела нагреться и вставлялась без применения пресса или ударных инструментов.

  Ключевая особенность алюминиевых гильз заключается в том, что их нельзя корректировать в случае неправильной посадки в блок. Чугунную гильзу возможно запрессовать, в то время как алюминиевая в такой ситуации начинает деформироваться. Удаление такой гильзы возможно только с помощью токарной обработки, что фактически означает необходимость покупки новой гильзы и ожидания заказа несколько дней.

  Гильзы, установленные в блок, подлежат дальнейшей расточке и хонингованию согласно ранее описанным технологиям. Особое внимание следует уделить выступу гильз над плоскостью блока — не рекомендуется подрезать его при расточке. Иначе рискуете, что выступление поршней в верхней мертвой точке превысит максимально допустимые 0,5–0,7 мм, что приведет к образованию перепадов по высоте между плоскостью блока и верхней частью передней крышки.

• Nicasil

  Nicasil сочетает в себе высокую прочность и стойкость к износу, однако в какой-то момент он также может стать непригодным. Что же касается капитального ремонта, нужно рассмотреть показатели этого сплава, чтобы понять, есть ли смысл в восстановлении.

  Из-за высокой износостойкости эти блоки требуют ремонта реже, и поэтому многие производители автомобилей не предлагают ремонтных поршней для таких двигателей. Лишь владельцы определенных моделей BMW могут найти ремонтные поршни и кольца, увеличенные на 0,07-0,08 мм. Если же вам посчастливилось найти такие детали, и поверхность цилиндров не изношена до критической глубины, можно попытаться произвести ремонт.

  Классическую расточку блоков Nicasil теоретически выполнить невозможно, так как ни один резец не справится со сплавом карбида кремния. Кроме того, с учетом малых ремонтных размеров поршней, не превышающих +0,1 мм, вполне возможно обойтись хонингованием блока цилиндров.

  При выполнении хонингования могут возникать определенные трудности. Не все хонинговальные бруски подходят для этой работы. В качестве инструмента могут использоваться либо алмазные, либо бруски на основе нитрида бора. Хонингование блока цилиндров должно производиться с минимальным давлением, чтобы сохранить целостность покрытия и избежать его повреждения в наиболее тонких участках.

  Эта процедура требует высокой степени аккуратности и мастерства. Однако даже в таких условиях нет гарантии успешного завершения работы. Одним из критических факторов является эллипсность блока, которая может возникать даже при малом отклонении в 0,03–0,05 мм. Легкое давление бруска не позволяет полностью исправить геометрию, а увеличение усилия может привести к сколам в тонких местах эллипса. Поэтому вернуть блок в идеальное состояние удается далеко не по всем цилиндрам.

  Поврежденное покрытие, включая те дефекты, которые возникли в процессе хонингования блока цилиндров, может стать основанием для замены детали. Как правило, производители не предписывают регламент по ремонту таких дефектов. В автомобильной среде ходят слухи о возможности повторного покрытия цилиндров никасилом, но многолетняя практика показывает, что восстановление технологии производства оказывается дорогим и нецелесообразным. Поэтому хонингование, как правило, не осуществляется.

  Если рабочая поверхность блока, выполненного по технологии Nicasil, была повреждена, есть несколько вариантов решения проблемы.

  Наиболее радикальный способ — это полная замена блока цилиндров или двигателя. Этот вариант подойдет для нового автомобиля на гарантии, однако для машины возрастом около десяти лет стоимость замены может превышать её рыночную цену.

  В Европе можно найти множество авторазборок, где можно купить б/у двигатель по доступной цене. Тем не менее, наш рынок еще не достаточно развит в этом направлении. Кроме того, помимо покупки необходимо будет заняться документами и их регистрацией.

  Существует также «народный» метод — установка чугунных гильз в алюминиевый мотор.

  Хотя производители настоятельно не рекомендуют такие замены, при условии наличия достаточной квалификации выполнить подобные работы вполне реально. Накоплен уже довольно большой опыт и разработаны технологии, позволяющие устанавливать чугунные гильзы в алюминиевые блоки.

  Блоки, созданные с использованием технологии Nicasil, имеют достаточно высокие характеристики, так как прочность и шероховатость поверхностей из чугуна и никасила схожи, а поршни удобно скользят в обоих случаях. Однако стоит учитывать нюансы, возникающие на старых моторах с кольцами без хромового покрытия, которые требуют более частой замены из-за повышенного износа.

  Что автовладельцы говорят о хонинговании цилиндров

  1. Хонингование на старых двигателях

     Хонингование блоков цилиндров на советских заводах в 60–80-е годы фактически не применялось. Автомобили, лодочные и мотоциклетные моторы часто создавались как побочный продукт оборонной промышленности. Поэтому внедрение новых технологий и усовершенствование продукции не имело смысла. Люди просто брали то, что было, и не жаловались на качество, так как дефицит товаров и длинные очереди были повсеместными, включая автомобили.

     Усложнение технологических процессов не допускалось в массовом производстве, и при отсутствии конкуренции заводу было все равно, сколько проедет их мотор до капитального ремонта.

  2. Незаводское хонингование

     Самодельное хонингование может оказаться на уровне заводского, однако проблема заключается в отсутствии информации о глубине борозд, угле хонингования и допустимой шероховатости поверхности. Эти параметры существенно влияют на качество смазки и расход масла. Недостаток масла, так же как и его больший расход, не способствуют долговечности мотора.

     Увеличение шага хонирования может сократить толщину масляной пленки и привести к быстрому износу. По этой причине автосервисы используют усредненные параметры при хонинговании блока цилиндров, которые подходят для данного типа двигателей (например, 3л v6). Многое зависит от качества станочного оборудования. В оппозитных моторах ось цилиндра располагается горизонтально, и поэтому логично корректировать шаг сетки и угол хонингования в верхней и нижней части цилиндра.

  3. Преимущество заводского хонингования

     Ремонтное хонингование цилиндров заметно уступает заводскому. Достигнуть плосковершинного хонингования возможно только на производстве. Автосервисы не в состоянии обеспечить такое оборудование, а производители не заинтересованы в качественном капитальном ремонте. При нарезке борозд хоном токарно-расточной станок выдавливает с каждой стороны слой металла, который при обкатке мотора значительно быстрее изнашивает кольца.

  4. Равномерность износа

     Хон изнашивается неравномерно. Наибольший износ наблюдается в верхней части компрессионного кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке. Выше этого уровня износ значительно меньше.

  5. Одинаковый хон или разный

     Угол хонингования уникален для каждого мотора и производителя. Найти точные значения сложно, часто приходится ориентироваться на аналогичные моторы. Один раз я разбирал двигатель на РАВ4, используя ручной хон. На вид он значительно уступал заводскому, но тем не менее эффект был положительным. После ручного хонингования блока цилиндров и замены колец расход масла стал практически нулевым.

  Вопросы по теме

  Какие альтернативные технологии могут заменить хонингование цилиндров в современных двигателях?

  В последние годы наблюдается растущий интерес к альтернативным методам обработки цилиндров, таким как лазерная текстурация и обработка с использованием супер алмазных инструментов. Лазерная текстурация, в частности, позволяет создавать микрорельеф на поверхности цилиндров, который улучшает удержание масла и снижает трение. Это может привести к увеличению срока службы двигателя и улучшению его общей эффективности. Однако каждая из этих технологий имеет свои плюсы и минусы, требующие тщательного анализа в зависимости от применяемого типа двигателя и его эксплуатационных условий.

  Как хонингование влияет на характеристики двигателя?

  Хонингование цилиндров значительно влияет на такие характеристики двигателя, как мощность, расход топлива и уровень выбросов. Процесс хонингования создает идеальную поверхность, которая способствует лучшему сцеплению поршня с цилиндром, уменьшая коэффициент трения. Это, в свою очередь, позволяет двигателю работать более эффективно, снижая расход топлива. К тому же, качественно выполненное хонингование способствует лучшей герметизации уплотнительных колец, что уменьшает утечку сжатия и, как следствие, повышает мощность и снижает выбросы вредных веществ в атмосферу.

  Каковы основные критерии оценки качества хонингования?

  Оценка качества хонингования цилиндров основывается на нескольких ключевых критериях. Во-первых, это геометрическая точность, которая включает в себя параметры, такие как диаметр цилиндра, его круглость и прямолинейность. Во-вторых, важным параметром является качество поверхностной обработки — микронеровности, глубина канавок и их равномерность. Также учитывается чистота поверхности и наличие дефектов, таких как задиры или трещины. Все эти параметры в совокупности определяют, насколько качественно было выполнено хонингование и как это повлияет на эксплуатационные характеристики двигателя.