Алюминиевый блок цилиндров: "Заменить нельзя ремонтировать".

"Такой блок отремонтировать нельзя! -сказал мастер, указывая на задиры в цилиндрах двигателя MercedesV8. -По крайней мере, в России технологией ремонта алюминиевых блоков не владеют. Специальное покрытие на зеркалах восстановлению не подлежит. Только менять!" -И назвал цену -цифру с некоторым количеством нулей. В долларах, разумеется…

Мы ничего не придумали. Этот разговор действительно произошел не так давно в сервисном центре одного из официальных дилеров знаменитой фирмы. Конечно, установка нового агрегата в сборе взамен вышедшего из строя удобнее и выгоднее для техцентра. Огорчало другое: профессионалы (надеемся, что в дилерских центрах работают только они) не знают (или скрывают это?), что такое -алюминиевый блок цилиндров. В смысле технологии его производства и ремонта. А ведь в России ремонт алюминиевых блоков освоен давно.

Алюминиевый блок в "интерьере".

Прежде чем выстраивать технологические цепочки ремонтных операций, надо, разумеется, знать все особенности ремонтируемой детали.

В том числе технологические "хитрости" ее производства и характер работы. У алюминиевых блоков есть много такого, о чем иные профессионалы, похоже, и не слыхали.

Первый вопрос: зачем блок цилиндров делать алюминиевым, если и чугунные блоки прекрасно работают? Ответ прост: удельная масса алюминия (2850 кг/м3) в 2,7 раза меньше удельной массы чугуна. Соответственно алюминиевый блок получается намного легче чугунного. А это важно, особенно для многоцилиндровых моторов с большим рабочим объемом. Кроме того, теплопроводность алюминия в 4 раза выше, чем чугуна. В результате этого двигатель с алюминиевым блоком быстрее прогревается, а объем системы охлаждения может быть уменьшен благодаря более эффективному охлаждению и быстрому выравниванию температуры стенок блока.

Однако реализовать на практике эти преимущества алюминия не так-то просто. Известно, что по чугунным цилиндрам прекрасно "ходят" поршневые кольца как с твердыми покрытиями, так и без таковых, и сами "мягкие" алюминиевые поршни. С алюминиевыми цилиндрами ситуация другая: сочетание "мягкого" металла поршня с таким же "мягким" материалом цилиндра мгновенно приводит к "схватыванию" металлов и заклиниванию двигателя.

Разумеется, конструкторы двигателей, принимая во внимание эти свойства металлов, разработали несколько способов решения проблемы. Один из них -блоки цилиндров с "мокрыми" гильзами.

Еще в 30-е годы прошлого века получила распространение такая схема: в алюминиевый блок цилиндров устанавливаются "мокрые" чугунные или стальные гильзы. Что называется, и "волки сыты (то есть блоки стали легкими), и овцы целы" -поршни и кольца "ходят" по традиционной твердой поверхности. Такая схема благополучно дожила до наших дней: многие моторы как отечественных, так и иностранных автомобилей имеют подобные блоки цилиндров (вспомним хотя бы наши "волги" и "москвичи").

Однако простота решения проблемы оказалась весьма обманчивой -схема с "мокрыми" гильзами не лишена недостатков. Жесткость блока, где гильзы "живут" своей жизнью, снижается, что приводит к необходимости увеличивать толщину его стенок, а гильзы при обжатии головки блока деформируются, вызывая повышенный угар масла. Кроме того, такая конструкция оказалась чувствительной к перегреву -прокладка головки блока обычно теряет герметичность даже при не слишком большом и длительном превышении допустимой температуры двигателя.

Эти тонкости можно было не принимать во внимание до тех пор, пока двигатели оставались тихоходными и малонагруженными, а нормы токсичности выхлопа -весьма демократичными. Но к 80-м годам пошлого века ситуация изменилась, и конструкция, прожившая без малого полвека, перестала удовлетворять новым требованиям в полной мере.

Следующим шагом стало появление блоков цилиндров из алюминия с «сухими» чугунными гильзами. Такая схема отрабатывалась многими производителями, но компания Honda первой внедрила в массовое производство конструкцию алюминиевого блока с залитыми тонкими "сухими" чугунными гильзами, и с конца 70-х годов все моторы этой фирмы стали оснащаться такими блоками. Постепенно эта схема завоевала своих сторонников -к 2000-му году такие блоки применяли Renault, Volvo, GM, Suzuki, Subaru, Rover и другие производители.

Нередко вместо чугуна гильзы выполняют из композиционных материалов на чугунной основе. Износостойкость таких гильз значительно выше, чем у цельнолитых чугунных блоков (применение дорогостоящих композиционных материалов при изготовлении последних неоправданно, по экономическим соображениям, из-за их большой массы).

Схема с "сухими" гильзами реализует все преимущества легких алюминиевых блоков, прекрасно сочетая их с технологичностью чугунных, а именно: с возможностью растачивания и хонингования цилиндров в увеличенный (ремонтный) размер поршней. Вместе с тем и эта схема не свободна от недостатков. Чугун, из которого изготовлена гильза, имеет меньшие, нежели алюминий, коэффициенты теплового расширения и теплопроводности. Необходимы специальные меры для исключения "отрыва" гильзы от алюминиевой стенки (с этой целью нередко гильзу снаружи делают ребристой). При этом рабочий зазор поршня в цилиндре, как и в простом чугунном блоке, при нагреве уменьшается, а при охлаждении увеличивается, даже если материалы поршней и блока одинаковые. В результате при больших пробегах возможно появление "холодного" стука поршней и, как следствие, повышенного угара масла.

Цельноалюминиевые блоки цилиндров появились приблизительно в те же годы. Технологию их производства отработала немецкая фирма Mahle. Суть идеи заключается в том, что сохраняется пара "железо-алюминий" для поршня и цилиндра, но при условии, что цилиндр выполнен алюминиевым, в то время как алюминиевый поршень гальванически покрыт тонким (0,02-0,03мм) слоем железа.

Теперь все встало на свои места: поршень в цилиндре не заклинит, зато тепловое расширение цилиндра и поршня практически одинаково. Тогда рабочий зазор не будет "гулять", и его можно сделать очень малым (0,01-0,02 мм), не боясь возникновения задиров и "прихватов". Значит, ресурс деталей повысится, по крайней мере, в 1,5 раза.

Однако то, что в теории просто, на деле оборачивается новыми проблемами. На практике, когда поршневые кольца работают по алюминию, ресурс поршневой группы оказывается невелик вследствие слишком "мягкой" рабочей поверхности цилиндра.

Проблему решили, применив специальную технологию литья блока из алюминиевого сплава с содержанием кремния более 18%. Быстрое охлаждение участков заготовки блока в зоне цилиндров приводит к направленной кристаллизации кремния у зеркала цилиндров. Далее, после механической обработки поверхность цилиндров дополнительно обрабатывают химическим травлением. В результате этой операции кислота, взаимодействуя преимущественно с алюминием, "вымывает" его слой толщиной несколько микрон, оставляя на поверхности лишь кристаллы кремния.

Теперь и поршень, и поршневые кольца будут "работать" не по алюминию, а по твердому кремнию — износостойкость и долговечность этих пар трения гарантирована, причем она заметно выше, чем у обычных чугунных цилиндров. Правда, при этом поршневые кольца, все без исключения, должны иметь твердое хромовое покрытие, поскольку именно этот металл обеспечивает наивысшую износостойкость в паре с кремнием.

Блоки цилиндров, изготовленные с помощью описанной технологии, получили достаточно широкое распространение у немецких производителей автомобилей: это двигатели Mercedes V8 и V12, Audi V8, Porsche L4 и V8, BMW V8 и V12. Та структура материала, которая получена на поверхности цилиндров этих цельноалюминиевых блоков, по терминологии фирмы Mahle называется Silumal. Поршни для таких блоков имеют особое покрытие Ferrostan (фирма Kolbenschmidt, также использующая эту технологию, дает ей другое название -Alusil).

Описанные цельноалюминиевые блоки прекрасно ремонтируются, их можно растачивать и хонинговать в ремонтный размер без всяких ограничений. Правда, при ремонте необходима специальная операция -финишная доводка поверхности цилиндров.

К сожалению, при всех преимуществах пара "Silumal-Ferrostan" (цилиндр-поршень) все-таки не идеальна. В отличие от традиционных чугунных блоков цельноалюминиевые очень "не любят" перегрева и плохой смазки. В таких нештатных условиях на поверхности цилиндров нередко возникают глубокие задиры, практически выводящие двигатель из строя. Это естественная плата за меньшую прочность и твердость алюминиевого сплава по сравнению с чугуном.

Очевидно, чем больше кремния окажется на поверхности цилиндров в цельноалюминиевом блоке, тем выше будут их износостойкость и долговечность. Однако применять на практике технологию направленной кристаллизации довольно трудно и дорого. Фирма Kolbenschmidt предложила другое решение: на стадии изготовления блока в него устанавливаются уже готовые алюминиевые гильзы (технология Locasil). Это позволяет использовать для блока более дешевый алюминиевый сплав и на поверхности цилиндров получить очень высокую концентрацию кремния -до 27%. Хотя отмеченные недостатки цельноалюминиевых блоков сохраняются и здесь.

Поскольку "мягкая" поверхность цилиндров алюминиевого блока уступает чугуну, то почему бы не сделать ее более твердой? То есть нанести настоящее твердое покрытие? Такие блоки цилиндров с твердым покрытием начали применять уже давно. Это покрытие представляет собой слой никеля толщиной 0,1-0,2 мм со сверхтвердыми частицами карбида кремния SiC размером 3 мкм. Разработчик этой технологии фирма Mahle называет это покрытие Nicasil (фирма Kolbenschmidt использует другое название -Galnical).

Первоначально технология Nicasil применялась в 60-70-х годах для блоков цилиндров дорогих эксклюзивных или спортивных автомобилей. Кстати, моторы автомобилей "Формулы-1" имеют аналогичное покрытие на гильзах цилиндров. Но в массовом производстве эта технология начала применяться лишь в начале 90-х (в качестве примера можно привести двигатели М60 и М52 фирмы BMW).

В отличие от цельноалюминиевых блоков покрытие Nicasil не требует каких-либо изменений материала поршней, т.к. по этому покрытию прекрасно работают и обычные алюминиевые поршни. А вот с поршневыми кольцами для этих блоков ситуация сложнее. Традиционные хромированные кольца не подходят: два сверхтвердых материала (хром и Nicasil) плохо сочетаются друг с другом. Поэтому для цилиндров с твердым покрытием рекомендуются другие кольца -например, чугунные фосфатированные без твердого покрытия.

Мотористы, впервые встретившие алюминиевые блоки цилиндров в своей практике, нередко путают их и не могут точно определить, с каким именно блоком -с покрытием или без него -они имеют дело. На самом деле установить тип блока просто: достаточно "царапнуть" острым металлическим предметом по верхнему краю цилиндра. Цельноалюминиевый блок царапается очень легко, причем царапина получается глубокой, поскольку поверхность цилиндра из мягкого алюминиевого сплава. На чугунном цилиндре царапины будут незначительными. И лишь на покрытии Nicasil не останется никакого следа — настолько высока его твердость.

Несмотря на то, что износостойкость покрытия Nicasil существенно превышает аналогичный показатель обычных чугунных блоков цилиндров, некоторые недостатки этой технологии все же надо отметить. Основа блока -алюминиевый сплав -остается относительно "мягким", поэтому при серьезных поломках (обрыв шатуна, прогар и разрушение поршня) тонкое покрытие легко пробивается и уже не может быть восстановлено. Да и в случае естественного износа ремонт, как правило, не предусматривается, т.к. покрытие имеет малую толщину, из-за чего при обработке цилиндра можно легко обнажить алюминий. По этой причине ремонтных поршней для большинства таких блоков "в природе" не существует (лишь для некоторых моторов выпускаются ремонтные комплекты поршневой группы с увеличенным на 0,08-0,10 мм размером).

Но если фирма-производитель не предусматривает технологии ремонта, это вовсе не значит, что изношенный блок нельзя отремонтировать. Скажем больше -алюминиевый блок цилиндров, изготовленный по любой из описанных выше технологий, как правило, подлежит ремонту не только в случае износа цилиндров, но даже при более серьезных повреждениях.

Ремонтируем блок цилиндров. Специализированный моторный центр.

Блок цилиндров, как известно, -основа любого двигателя. И деталь эта корпусная, то есть в нее устанавливается или на ней крепится множество других деталей и узлов. А это значит, что очень важную роль играет взаимное расположение различных рабочих и вспомогательных поверхностей блока цилиндров. Речь идет в первую очередь об их взаимных параллельности, перпендикулярности и соосности.

Это не пустые слова. Например, отклонение от перпендикулярности осей цилиндров и коленчатого вала всего на 0,05 мм уже вызывает ускоренный износ подшипников коленчатого вала, деталей цилиндропоршневой группы и повышенный угар масла, а при вдвое большем отклонении двигатель вряд ли проработает и десятую часть своего потенциального ресурса. То же самое случится и при нарушении соосности коренных опор коленчатого вала.

Получается, что для качественного ремонта блока цилиндров необходимо вначале провести точные измерения взаимного расположения поверхностей -а вдруг у вполне приличного с виду блока обнаружатся недопустимые деформации?

К сожалению, подобные измерения часто представляют собой серьезную проблему даже для сравнительно хорошо оснащенных технических центров, специализирующихся на механической обработке деталей двигателей, не говоря уже об обычных СТО. Дело в том, что для таких измерений требуются специальные приборы, приспособления и оборудование. А они пока многим не по карману.

Где же выход? Он существует. Рассмотрев ремонтные технологии обработки различных поверхностей блока цилиндров, легко убедиться, что в этих технологиях уже заложены соответствующие отклонения взаимного расположения и формы. А это значит, что, если правильно выбрать и грамотно применить нужные технологии обработки, старый блок цилиндров обретет былую точность новой детали.

На практике это выглядит следующим образом. На заводе-изготовителе при производстве блока, как и любой другой сложной детали, для обработки рабочих и иных поверхностей используют так называемые технологические базы. Это вспомогательные поверхности на блоке цилиндров, на которые он устанавливается на соответствующих обрабатывающих станках. Например, для растачивания цилиндров блок ставится на нижнюю плоскость разъема с масляным картером. Эта же либо верхняя плоскость разъема с головкой блока может быть использована в качестве технологической базы для растачивания постелей коренных подшипников (в последнем случае верхнюю плоскость обрабатывают относительно нижней, и они становятся параллельными). В результате обработки по такой схеме все поверхности становятся строго параллельны, перпендикулярны либо соосны друг другу.

Но это на производстве. При ремонте, напротив, попытки обработать цилиндры от той же нижней или верхней плоскости, как это сейчас делается оказываются сплошь и рядом неудачными -цилиндры получаются перекошенными. Что совершенно неудивительно, ведь плоскости блока за время длительной работы двигателя деформируются и уже не могут считаться технологической базой.

Выход из этой ситуации есть -принять, что блок является только заготовкой, а не деталью, и начать обрабатывать заново все необходимые поверхности, начиная с базовых. Путь, очевидно, долгий и дорогой, хотя и вполне реальный. Обязательно ли это делать? Оказывается, нет. Если внимательно посмотреть на блок, то обнаружится такая картина. Какие поверхности наиболее важны с точки зрения ресурса мотора? Ясно какие — цилиндры и опоры коренных подшипников. Тогда есть прямой смысл за новую технологическую базу принять поверхность коренных опор и относительно нее уже обработать цилиндры (хотя это тоже непросто).

Но в качестве базы можно использовать только идеальную поверхность. Значит, ремонт блока цилиндров нужно начинать не с цилиндров, как делают многие, а с постелей подшипников коленвала.

Задача совсем непростая. Для ее решения потребуется специализированный станочный парк. До недавнего времени в России не было необходимых для этого станков и соответствующих ремонтных технологий. Блоки цилиндров с сильно деформированными и поврежденными опорами подшипников нередко выбрасывали, а на небольшие дефекты постелей обычно "махали рукой" -авось "приработается" и "еще походит".

Теперь подобные станки появляются на отечественных ремонтных предприятиях. И качественный ремонт постелей подшипников коленчатого вала становится реальностью.

Как выявить дефекты коренных опор.

Несоосность коренных опор в блоке возникает по ряду причин. Наряду с естественной деформацией встречаются задиры поверхности в результате перегрева и проворачивания вкладышей коренных подшипников коленчатого вала, деформация крышек подшипников, а также случаи замены крышки на другую из-за ее утери или невозможности восстановления. Явные дефекты, такие как задир или несовпадение полуокружностей в блоке и крышке, обычно легко обнаружить даже при визуальном осмотре. Напротив, скрытые дефекты можно определить только с помощью соответствующих измерений.

Начинают обычно с того, что для данного блока изготавливается так называемая "скалка", длинный шлифованный стержень, наружный диаметр которого на 0,01-0,02 мм меньше диаметра коренных опор. Далее измерения производятся в следующем порядке. Крышки опор устанавливаются в блок и затягиваются при помощи динамометрического ключа монтажным моментом. Очевидно, каждому типу блоков соответствует свое значение момента, указанное, например, в руководстве по ремонту конкретного двигателя. В случае, когда измеренные с помощью нутромера диаметры опор находятся в поле допуска, в блок укладывается скалка для проверки коренных опор на соосность. Если скалку подклинивает или ее невозможно провернуть, значит, опоры в блоке деформированы и требуют ремонта. Иногда на скалку наносят винтовую канавку по всей длине. Тогда ее можно использовать как доводочный притир, если несоосность или деформация опор невелики.

Как восстановить опоры.

Технология восстановления коренных опор выбирается в зависимости от того, какой из выше перечисленных дефектов обнаружен. Если из-за деформации крышек или задиров поверхности отверстие опоры стало некруглым и его максимальный размер увеличился более чем на 0,4-0,5 мм, то без предварительной расточки уже не обойтись. Тогда крышки опор занижаются по плоскости разъема с блоком. Припуск на обработку плоскости крышек определяется по формуле: h= Dd+х, где Dd -разница между малой и большой осью эллипса (Dd=D-d); х -припуск на обработку. Обычно принимают х= 1/2 Dd, если требуется расточка, и х= Dd, когда можно обойтись только хонингованием.

Обработка крышек может проводиться на плоскошлифовальном или фрезерном станке. При небольшом (0,05-0,10 мм) съеме металла можно также использовать притирочную плиту с абразивной пастой. Однако проще и быстрее всего эта операция выполняется на специализированном шлифовальном станке.

Далее крышки устанавливаются в блок, их болты затягиваются необходимым моментом, и производится расточка.

Чтобы добиться высокой точности и затратить минимум времени, эту операцию лучше всего выполнить на специализированном горизонтально-расточном станке. Правда, стоимость этого оборудования немалая. Разумной альтернативой могут быть универсальные станки различных типов, оснащенные специальными приспособлениями. Однако в любом случае после растачивания следует хонинговать поверхность опор. И тому есть несколько причин.

Так, после растачивания поверхность обычно получается шероховатой. Коренные вкладыши тогда прилегают к ней по выступам микронеровностей. А это значит, что в местах контакта образуется так называемое термическое сопротивление. Когда при работе двигателя подшипники нагреются, отвод тепла от них ухудшится. Это грозит перегревом и подплавлением вкладышей, особенно на режимах максимальных частот вращения и нагрузок.

Другой особенностью растачивания являются невозможность или значительные трудности обеспечения высокой точности обработки, ведь все отклонения формы и взаимного расположения отверстий опор не должны превышать 0,01 мм. Особенно это проявляется в блоках, где отдельные опоры имели задиры из-за проворачивания вкладышей. В таких опорах поверхность может приобретать высокую твердость из-за перегрева и закалки при поступлении масла к поврежденному подшипнику. И резец будет "отжимать" от закаленной поверхности.

Именно поэтому окончательная обработка опор производится хонингованием. Для этого после растачивания оставляют небольшой припуск -около 0,05 мм. Его, как правило, вполне достаточно, чтобы обеспечить качество поверхности и точность не хуже, чем у нового блока, даже если блок перед ремонтом имел значительные повреждения опор.

Хонингование выполняется с помощью специального инструмента -хонинговальной головки, имеющей 8-10 установленных в ряд абразивных брусков с жесткой подачей их "на разжим". Именно за счет такой конструкции инструмента удается устранить несоосность и некруглость коренных опор. О высоком качестве обработки свидетельствует тот факт, что упомянутая выше скалка легко входит в отверстие всех опор отремонтированного блока и двигается "от руки" даже при зазоре всего в 0,01 мм.

В случае, когда производится замена крышки, перед ремонтом необходимо определить способ ее центрирования в блоке. Существуют два основных способа центрирования крышек — по боковым поверхностям и по центрирующим втулкам. В первом случае для совмещения полуокружностей в крышке и блоке может потребоваться доработка боковых торцев крышки -шлифовка с одной стороны и накатка — с другой.

Накатка в данном случае позволяет "поднять" металл и устранить зазор между боковой поверхностью крышки и блоком. В результате таких операций крышку можно сместить вбок на 0,3-0,4 мм (предельное увеличение размера после накатки составляет 0,4 мм).

При центрировании крышек по втулкам изменить их положение в блоке труднее. С этой целью иногда применяют селективный подбор крышек по месту. Другой вариант -рассверлить центровочные отверстия в крышке, нанести на них клеевую композицию типа "холодной сварки", затем установить скалку, крышку и затянуть болты. Тогда после отвердевания композиции получаются новые "правильные" центровочные отверстия.

В некоторых случаях восстановить центрирование крышки не удается. В этом тоже большой беды нет. Важно только правильно с помощью нутромера выверить положение крышки в блоке перед обработкой и затянуть болты. После расточки и хонингования опор, когда крышка будет снята с блока, центрирование она потеряет. Но только до сборки. При сборке двигателя, когда в блок будут установлены вкладыши коренных подшипников и коленчатый вал, крышка сама найдет свое место и автоматически сцентрируется по валу.

У некоторых современных двигателей крышки опор выполнены единой деталью. Эта схема применяется для повышения жесткости блока цилиндров, а соответственно, и всего двигателя. Ремонт в этом случае усложняется и часто требует индивидуального подхода.

Некоторые "подводные камни" в ремонте опор.

Выполняя ремонт коренных опор блока, необходимо учитывать, что ось коленчатого вала после обработки смещается в сторону верхней плоскости блока на величину, примерно равную 1/2h. При серьезных повреждениях опор и больших значениях h(более 1 мм) после сборки шатунно-поршневой группы поршни могут выступать над плоскостью разъема блока с головкой. Эту особенность важно помнить, чтобы поршни, к примеру, не стали "стучать" по головке блока или клапанам. У дизельных двигателей выступание поршней вообще регламентируется довольно строго, а в соответствии с ним подбирается толщина прокладки головки. И если не обработать днище поршней на величину смещения оси коленвала, то можно нажить себе неприятности: в момент пуска двигателя поршень "рискует" встретиться с клапанами.

Еще более серьезные трудности могут возникнуть у двигателей, имеющих привод распределительного вала или агрегатов (некоторые дизели) с помощью шестерен. Здесь даже небольшое смещение оси коленчатого вала (0,10-0,15 мм) вполне может привести к невозможности сборки привода.

Ремонт коренных опор у таких блоков требует большой аккуратности и осторожности, а в ряде случаев -индивидуального подхода.

И последнее. Не нужно забывать, что смещение коленчатого вала нарушает его центрирование с первичным валом коробки передач. Когда смещение невелико, это не страшно. А если 0,5 мм или больше? Тогда резко возрастает нагрузка на подшипники первичного вала коробки, и она, скорее всего, быстро выйдет из строя. Чтобы этого избежать, иногда приходится изменять центрирование коробки передач на двигателе аналогично тому, как это делается для крышек коренных опор блока цилиндров (рассверливанием центровочных отверстий и их восстановлением с помощью "холодной сварки").

Подводя итог, отметим, что еще недавно блоки с дефектами коренных опор выбрасывались и становились металлоломом. Сегодня же с этой "бедой" удается справиться в считанные часы.

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат тех. наук.