發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔平臺(tái)珩磨加工技術(shù)初探

殷淑潔，劉 鵬，史宏志，李淑云，王 勛

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套工作表面的質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要的影響，活塞環(huán)為施載體，對(duì)承載體缸套施加力的作用，在其表面產(chǎn)生摩擦，在整個(gè)摩擦系統(tǒng)中，潤(rùn)滑劑以油膜的方式存在于兩個(gè)相互摩擦的零件之間，其主要任務(wù)是減少兩個(gè)零件之間的摩擦。作為承載體的缸套，其表面承載結(jié)構(gòu)需具備兩個(gè)特性，一是支撐特性：即盡可能使缸套的表面達(dá)到一個(gè)光滑的平臺(tái)表面，對(duì)活塞環(huán)具有良好支承性，由此而獲得一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)性能。二是儲(chǔ)油特性：一旦缸套表面太光滑，也就意味著在這對(duì)摩擦副之間需要有足夠的潤(rùn)滑油層作為一個(gè)滑動(dòng)媒體，而這個(gè)潤(rùn)滑油層的保障就需要一個(gè)良好儲(chǔ)油機(jī)構(gòu)來保證定量且足夠的潤(rùn)滑油供給。發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨加工完全能夠滿足這兩個(gè)特性，形成一定網(wǎng)紋夾角及溝槽的平頂狀表面結(jié)構(gòu)，是保證缸套加工質(zhì)量的重要手段。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

圖2為經(jīng)過珩磨加工后的缸孔表面微觀結(jié)構(gòu)的放大圖，其表面形成了光滑了平臺(tái)結(jié)構(gòu)，并具有一定交叉網(wǎng)紋的儲(chǔ)油溝槽，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：

圖1 精鏜后缸孔表面結(jié)構(gòu)Ra=2.8μm Fig.1 Surface profile of cylinder hole after fine boring Ra=2.8μm

圖2 珩磨后缸孔表面結(jié)構(gòu)Ra=0.32μm Fig.2 Surface profile of cylinder hole after honing Ra=0.32μm

1.1 縮短磨合時(shí)間，延長(zhǎng)缸套壽命

氣缸套工作表面的尖峰、卷邊毛刺被清除掉，所以初期磨合性能優(yōu)良，缸套很快進(jìn)入正常工作期，提高了使用壽命。

1.2 提高氣密性

珩磨后的表面形成了光滑的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，大大增加了接觸面積，從而提高了活塞環(huán)與缸套配合的氣密性能，降低了漏氣量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

1.3 增強(qiáng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑功能，提高功率

平臺(tái)網(wǎng)紋表面在深谷區(qū)貯存機(jī)油，由于深谷粗糙度較大，機(jī)油穩(wěn)定的粘附與儲(chǔ)油槽內(nèi)，連續(xù)的交叉網(wǎng)狀溝槽有利于機(jī)油在氣缸套工作表面均勻分布，而頂部光滑平臺(tái)有利于形成連續(xù)、有效、高強(qiáng)度油膜，改善氣缸套表面滑動(dòng)性能,減少形成干摩擦的條件，降低摩擦功損失。

1.4 減少機(jī)油消耗

珩磨加工后，可獲得較高的加工精度，同時(shí)高支撐率光滑平臺(tái)結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了氣密性能，避免機(jī)油竄入燃燒室，使其更徹底地被刮回曲軸箱，減少了機(jī)油燃燒，降低機(jī)油消耗，提高排放指標(biāo)。

圖3 表面粗糙度放大輪廓Fig.3 Profile of surface roughness in magnified viewing

2 缸套表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)于珩磨加工后的缸孔表面質(zhì)量，其評(píng)價(jià)不僅包括了表面粗糙度輪廓高度參數(shù)，還包括其表面特征的參數(shù)，即Rk族參數(shù)，只有對(duì)這些評(píng)價(jià)指標(biāo)充分了解的情況下，才能更好的控制缸孔表面的加工質(zhì)量。

基于輪廓支撐長(zhǎng)度率tp 曲線的綜合參數(shù)。輪廓支撐長(zhǎng)度率tp 曲線，包括了表面結(jié)構(gòu)所有橫向和縱向信息，能直觀地反映零件表面的耐磨性，基于tp 曲線評(píng)價(jià)的綜合參數(shù)已經(jīng)正式寫入DIN4776 標(biāo)準(zhǔn)[3]，目前，該標(biāo)準(zhǔn)作為描述輪廓形狀的主要指標(biāo)，成為國(guó)內(nèi)最為通用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

輪廓支撐長(zhǎng)度率與截距是分不開的，不同截距對(duì)應(yīng)著不同的輪廓支撐長(zhǎng)度率，如果分別做無數(shù)條平行于中線的直線，計(jì)算不同截距下的輪廓支撐長(zhǎng)度率，并將各個(gè)截距下的長(zhǎng)度率數(shù)值連線，將得到一條如圖4所示的曲線，該曲線叫做tp 曲線。在坐標(biāo)系中，用輪廓支承長(zhǎng)度率為40%的切割線，沿著tp 曲線移動(dòng)，直至找到最小的斜率為止，然后，把切割線兩端延長(zhǎng)，與縱軸相交，這一條切割線曲線分為三個(gè)區(qū)域,即波峰區(qū)、中心區(qū)、波谷區(qū)。在這三個(gè)區(qū)域內(nèi)，分別可以確定參數(shù)Rpk、Rk、Mr1、Mr2 和Rvk，這組參數(shù)叫做R 族參數(shù)。

族參數(shù)的含義。網(wǎng)紋參數(shù)由三部分組成，分別為輪廓峰高度，核心粗糙度深度和谷高度。①輪廓峰高度Rpk，指輪廓峰的平均高度，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，氣缸套表面輪廓頂部的這一部分將很快被磨損掉，該數(shù)值的大小將直接影響氣缸套進(jìn)入正常工作狀態(tài)的磨合時(shí)間及缸套實(shí)際磨損量。一般控制在Rpk＜0.3μm；②核心粗糙度深度Rk，在分離出輪廓峰和輪廓谷之后剩余的核心輪廓深度為Rk，這部分是氣缸套長(zhǎng)期工作表面，它影響著氣缸套的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和使用壽命，是粗糙度輪廓的核心部分。一般控制在Rk=0.3μm～1.0μm；③輪廓谷深度Rvk，指輪廓谷的平均深度，這些深入表面的深溝槽在活塞相對(duì)缸套運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成附著性能很好的油膜，能夠提高孔的耐磨性,縮短發(fā)動(dòng)機(jī)磨合時(shí)間，同時(shí)能大幅度降低油耗。一般控制在Rvk=1μm～2μm；④輪廓支承長(zhǎng)度率Mr1，以百分?jǐn)?shù)表示的輪廓支承長(zhǎng)度率Mr1 是為一條將輪廓峰分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的，過了Mr1點(diǎn)，標(biāo)志著氣缸套將進(jìn)入長(zhǎng)期工作表面，其數(shù)值的大小直接反映了缸套表面的粗糙程度，從而間接反映出氣缸套的加工水平和使用性能。一般控制在Mr1≤8%；⑤輪廓支承長(zhǎng)度率Mr2：以百分?jǐn)?shù)表示的輪廓支承長(zhǎng)度率Mr2 是為一條將輪廓谷分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的，Mr2 值是表示缸套脫離長(zhǎng)期工作表面時(shí)的輪廓支撐長(zhǎng)度率，其數(shù)值的大小不但決定了磨損量，即缸套的使用壽命，還決定了工作表面以下深溝槽的貯油潤(rùn)滑能力。一般控制在Mr2=60%～80%。

圖4 輪廓支撐長(zhǎng)度率Tp 曲線(Abbott-Firestone 曲線)Fig.4 Profile bearing length ratio Tp(Abbott-Firestone curve)

3 珩磨機(jī)加工原理及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

珩磨是用顆粒較細(xì)的砂條來加工工件內(nèi)孔的一種金屬切削方法，工作時(shí)，珩磨機(jī)主軸帶動(dòng)珩磨頭在工件孔中不斷做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使砂條在徑向方向逐漸漲開來切削金屬。氣缸套平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨加工工藝比較復(fù)雜，一般要經(jīng)過粗珩、精珩、平臺(tái)珩磨三個(gè)過程。

3.1 珩磨加工過程

粗珩：快速去除缸孔大部分余量，保證幾何加工精度?；A(chǔ)珩：形成具有一定網(wǎng)紋夾角及溝槽的表面輪廓。平臺(tái)珩：去除表面尖峰，形成光滑的平臺(tái)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

切削速度v：由珩磨頭旋轉(zhuǎn)速度vv旋和往復(fù)速度v往合成的速度，它影響到工件的表面質(zhì)量和加工效率，對(duì)于鑄鐵缸套加工，旋轉(zhuǎn)速度和往復(fù)速度的增加，均有利于表面粗糙度值的減小。其中，往復(fù)速度v往（m/min）在程序中直接給定，在程序中一般給出主軸的轉(zhuǎn)數(shù)，若已知加工工件直徑，則旋轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)公式=v旋=πdn/1000（m/min）計(jì)算出。從而得出切削速度

網(wǎng)紋夾角α：由珩磨頭旋轉(zhuǎn)速度v旋和往復(fù)速度v往共同形成的，網(wǎng)紋的夾角對(duì)切削量及表面粗糙度影響較大。有研究表明[4]，切削量隨網(wǎng)紋夾角的增大而增大，同時(shí)，切削量增大，砂條自銳性較好，粗糙度值升高。在夾角為45°時(shí)，切削量最大，之后，切削量隨著角度的增大而減小。

珩磨壓力：砂條與缸套內(nèi)表面接觸產(chǎn)生壓力，珩磨壓力的大小直接影響到工件的表面質(zhì)量、切削效率、表面粗糙度。壓力小時(shí)，切削量及砂條的磨損量小，加工精度及表面質(zhì)量好，壓力大時(shí)，則反之。適當(dāng)加大基礎(chǔ)珩磨壓力，則能增大Rvk 值；適當(dāng)減小平臺(tái)珩磨壓力，則能減小Rpk的值。

珩磨砂條：采用CBN、金剛石和碳化硅砂條。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨加工實(shí)例

4.1 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨加工

V6 是第一款換型產(chǎn)品，與V12 相比，V6 發(fā)動(dòng)機(jī)除了缸徑尺寸沒有變化外，其余全部不同，包括缸孔長(zhǎng)度、缸體V 型角度、銷孔距離等等。為此，制作了珩磨夾具，對(duì)珩磨程序及參數(shù)做了較大的調(diào)整，經(jīng)過大約兩周的時(shí)間，完成了V6 缸體的程序編制及加工，達(dá)到了良好的加工效果。目前已累計(jì)加工V6 缸體36 件。

（1）珩磨夾具的制作。由于珩磨機(jī)的自帶夾具是專為V12 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的，已經(jīng)調(diào)好，不能拆卸，否則珩磨程序?qū)⒁龃罅康男薷摹Ｋ员仨毎言袏A具上各孔的尺寸及位置完全測(cè)繪出來，在原有夾具的基礎(chǔ)上，借用其上面的孔，來設(shè)計(jì)V6 發(fā)動(dòng)機(jī)珩磨夾具。首先設(shè)計(jì)4個(gè)墊板（件3）用來支撐缸體底面，其中墊板上安裝4個(gè)小墊塊，保證缸體底面完全貼合，其中有兩個(gè)墊板各需加工兩個(gè)與原夾具上銷孔配合銷孔，并以該銷孔為基準(zhǔn)，加工與缸體配合的定位銷孔，這樣便實(shí)現(xiàn)了以V6 缸體底面銷孔定位加工的工藝。在加工過程中，缸體需要翻轉(zhuǎn)，所以必須將缸體固定在夾具上，但原夾具上無用來固定的孔，所以設(shè)計(jì)一個(gè)過渡墊板（件5），并在其上打孔，實(shí)現(xiàn)缸體的固定。采用在兩端主軸孔處壓緊，為了保護(hù)已加工完的主軸承孔，故設(shè)計(jì)了兩個(gè)半圓形的尼龍壓板，與主軸承孔配合，并通過調(diào)整螺栓和壓緊螺栓將其擰緊在過渡墊板上，實(shí)現(xiàn)缸體在加工過程中的完全固定。通過V6 夾具的設(shè)計(jì)，將原有夾具設(shè)計(jì)成了模塊化，今后，在換型產(chǎn)品時(shí)，只需做幾塊過渡墊板就能實(shí)現(xiàn)裝夾。

圖5 V6 珩磨夾具示意圖Fig.5 Schematic diagram of honing fixture for V6 manufacture

（2）珩磨程序編制。為了實(shí)現(xiàn)加工，首先必須定義缸孔的空間位置，將缸體安裝完畢后，工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)45°，用水平尺校正缸體上表面各處是否平齊，然后手動(dòng)移動(dòng)主軸及工作臺(tái)，并在主軸上裝有千分表，找正第一缸孔中心，記錄下第一缸孔的空間位置，其它缸孔的中心位置可以通過缸心距計(jì)算得出，為了確保1 缸、3 缸中心在一條直線上，必須將主軸移動(dòng)到由計(jì)算得到的3 缸孔中心位置，再用千分表校驗(yàn)3 缸中心位置，確保1 缸、3 缸中心線偏差小于0.1mm。

各孔中心位置確定后，在Simens 系統(tǒng)中，編寫加工工序。其過程為：裝夾工件→工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)45°→加工1、2、3 缸孔→主軸抬刀返回安全點(diǎn)→檢測(cè)缸孔直徑及圓柱度→工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)至-45°→加工4、5、6 缸孔→主軸抬刀返回安全點(diǎn)→檢測(cè)→工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)至-180°（控水）→工作臺(tái)擺正至0°，主軸回基準(zhǔn)點(diǎn)→卸下工件。

（3）實(shí)際珩磨結(jié)果。經(jīng)檢測(cè)，參數(shù)全部合格。V6 發(fā)動(dòng)機(jī)的成功換型，為后續(xù)4GB 缸體等產(chǎn)品的珩磨加工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)（限于篇幅，V6 實(shí)際加工參數(shù)略）。

4.2 4GB 缸體加工

（1）校零裝置設(shè)計(jì)： 由于4GB 缸孔直徑變?yōu)椤?6.5， 設(shè)計(jì)一套￠76.5 校零環(huán)，直徑公差0.002mm，同軸度公差0.01mm，材料采用材料9Mn2v 冷作模具鋼，HRC55～60。經(jīng)冰冷處理 、時(shí)效處理，外表面發(fā)黑處理。

（2）夾具制作：由于夾具底板已經(jīng)做成了模塊化，4GB夾具設(shè)計(jì)就顯得很簡(jiǎn)單、方便。同時(shí)，可以通過不同缸體之間定位銷之間的偏差，通過作圖得出4GB 缸孔的中心位置，省卻了用千分表找正缸孔中心的步驟，大大節(jié)約了編程和調(diào)試時(shí)間。

（3）珩磨頭試制：首次采用2級(jí)進(jìn)給的雙漲舒珩磨頭，將基礎(chǔ)珩和平臺(tái)珩的珩磨頭，集成在一起，大大提高了加工效率和加工質(zhì)量，節(jié)省了珩磨頭的試制費(fèi)用。

圖6 加工實(shí)例Fig.6 Processing example

（4）加工中實(shí)際問題：加工后缸孔有錐度，中間大，兩端小。原因：①缸套結(jié)構(gòu)：4GB 缸體缸套整體剛性差；②沖刷環(huán)壓緊力過大；③珩磨砂條寬度過寬。

解決措施：①調(diào)小沖刷環(huán)壓緊力：沖刷環(huán)壓緊前后，分別用內(nèi)徑千分表檢查缸孔直徑的變化，調(diào)節(jié)壓緊距離，直到缸孔直徑不變?yōu)橹?；②調(diào)節(jié)珩磨壓力和進(jìn)給量，降低往復(fù)速度和旋轉(zhuǎn)速度。將粗珩和基礎(chǔ)珩磨的壓力調(diào)小至20%，V6 珩磨的壓力為40%。最終缸孔圓柱度達(dá)到 0.003～0.005mm。

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨加工技術(shù)的加工原理、優(yōu)點(diǎn)、評(píng)價(jià)方法及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并將其應(yīng)用到V6、4GB 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套實(shí)際加工，取得了很好的效果。尤其是4GB 缸體加工，采用雙漲舒珩磨頭結(jié)構(gòu)，不僅節(jié)省了珩磨頭費(fèi)用，大大提高了加工效率。設(shè)計(jì)了一套校零環(huán)和沖刷環(huán)，編制全新的珩磨程序，這些知識(shí)的掌握，都為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)珩磨加工積累了良好的基礎(chǔ)。

[1]賀延齡.鑄鐵汽缸套工作表面的質(zhì)量控制技術(shù)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1987.

[2]李樹林.汽缸套內(nèi)表面激光造型珩磨加工[J].內(nèi)燃機(jī)配件，2008，6.

[3]楊光明.汽缸套平臺(tái)網(wǎng)紋談[J].表面處理技術(shù)，2004，5.

[4]曲貴龍.汽缸套珩磨工藝參數(shù)的選擇[J].內(nèi)燃機(jī)配件，1998，1.