分區(qū)異化織構(gòu)缸孔表面形貌表征

康正陽(yáng)，符永宏，尹必峰，紀(jì)敬虎

(1．江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2．江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

缸孔－活塞環(huán)摩擦副表面潤(rùn)滑、抗磨性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗、機(jī)油耗和壽命［1－2］．傳統(tǒng)缸孔表面處理通過(guò)平臺(tái)珩磨工藝，去除余量并在孔壁表面形成隨機(jī)的交叉網(wǎng)紋．近年來(lái)，表面織構(gòu)技術(shù)成功應(yīng)用于缸孔表面的加工，德國(guó)格林公司的激光珩磨技術(shù)和奧迪公司的UV光子制造技術(shù)均已在多款發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)．

缸孔表面分區(qū)異化織構(gòu)思想最早由格林公司的激光珩磨技術(shù)提出，它僅在上止點(diǎn)區(qū)域加工一定尺寸及分布的袋式儲(chǔ)油槽，旨在增加上止點(diǎn)貧油區(qū)的機(jī)油供給，改善潤(rùn)滑狀況．值得注意的是，上述分區(qū)異化方案中的織構(gòu)形貌尚且單一，如綜合考慮摩擦副工況、磨損、活塞環(huán)和缸孔相對(duì)速度變化、活塞主次推力面受力差異等因素，分區(qū)異化方案將更為復(fù)雜．另外，摩擦學(xué)研究表明微米尺度的凹腔具有突出的潤(rùn)滑減摩效應(yīng)［3－6］．因此，分區(qū)異化和尺度微納化是表面織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［5］．

實(shí)現(xiàn)缸孔表面分區(qū)異化織構(gòu)，特別是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有三個(gè)前提條件，一是充分的摩擦學(xué)基礎(chǔ)研究;二是可行的織構(gòu)加工技術(shù);三是織構(gòu)形貌的科學(xué)表征與快速測(cè)量．目前，前兩者已基本實(shí)現(xiàn)，而對(duì)織構(gòu)形貌表征的研究則相對(duì)較少．李敦橋等［7］發(fā)現(xiàn)在交叉紋理表面產(chǎn)生規(guī)則凹坑后，表面連通性系數(shù)明顯增大．劉小君等［8］通過(guò)設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)分離算法，建立了缸套形貌的多尺度特征與表面功能之間的聯(lián)系．

為此，本研究介紹缸孔的表面分區(qū)異化織構(gòu)技術(shù)，提出分區(qū)域表征體系，并通過(guò)表征實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證．

1 分區(qū)異化織構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

1．1 織構(gòu)工藝

采用單脈沖同點(diǎn)間隔多次工藝［9］，將激光脈沖間隔多次作用于靶材同一位置，在不降低加工效率的同時(shí)，最大程度減少了負(fù)面熱效應(yīng)，提升了織構(gòu)質(zhì)量．圖1為脈沖重復(fù)次數(shù)為3的微凹腔A－F的掃略策略．激光脈沖的發(fā)射匹配機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，靶材吸收A1脈沖后，當(dāng)光束再次掃略過(guò)該位置時(shí)，再吸收A2脈沖，A3脈沖同理．

圖1 單脈沖同點(diǎn)間隔多次工藝

1．2 分區(qū)異化技術(shù)

在缸孔表面進(jìn)行與潤(rùn)滑減摩要求相匹配的分區(qū)異化微織構(gòu)，需對(duì)表1中形貌、徑向、軸向、周向參數(shù)進(jìn)行控制．先進(jìn)的控制技術(shù)配合單脈沖同點(diǎn)間隔多次工藝，實(shí)現(xiàn)上述控制要求．

表1 控制參數(shù)及方法

2 分區(qū)異化微凹腔織構(gòu)表面表征

2．1 織構(gòu)表面構(gòu)成

發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔表面激光織構(gòu)工藝與機(jī)械珩磨工藝密不可分［2］，后者加工出平整、光潔的織構(gòu)前表面，形成具有平衡潤(rùn)滑油分布作用的淺溝槽;還作為后處理工藝，去除激光加工產(chǎn)生的浮渣、毛刺．激光織構(gòu)缸孔表面是平臺(tái)珩磨的隨機(jī)網(wǎng)紋表面與織構(gòu)化規(guī)則表面的復(fù)合．

本研究在對(duì)分區(qū)異化織構(gòu)缸孔的表面表征中，兩次運(yùn)用了分區(qū)域思想．首先將缸孔表面劃分為織構(gòu)區(qū)域和平臺(tái)珩磨區(qū)域，表征分區(qū)異化區(qū)域;隨后針對(duì)織構(gòu)區(qū)域的形貌單元，劃分凹腔區(qū)域，表征凹腔的形貌參數(shù)．

2．2 織構(gòu)區(qū)域參數(shù)

缸孔壁在圓柱坐標(biāo)系中表示為

式中:R為缸孔半徑;φ為方位角(0～2π);S為高度．定義主推力面活塞銷(xiāo)孔指向方位角原點(diǎn)，缸孔頂端為高度原點(diǎn)，如圖2所示．

圖2 分區(qū)異化織構(gòu)示意圖

表2為對(duì)異化區(qū)域A－C的織構(gòu)區(qū)域位置和范圍表征結(jié)果．異化區(qū)域的位置是通過(guò)該區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)表征的，該點(diǎn)在區(qū)域形狀中被標(biāo)注．因缸孔半徑不變，表中所有圓柱坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)均缺省為二維坐標(biāo)．

表2 織構(gòu)區(qū)域位置和范圍表征結(jié)果

2．3 機(jī)械珩磨參數(shù)

目前缸孔表面普遍使用基于輪廓支撐長(zhǎng)度率曲線(Abbott曲線)的表征方法［7］，Abbott曲線與表征參數(shù)如圖3所示［10］．該方法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理從不規(guī)則表面中提取出反應(yīng)表面性能的數(shù)值化參數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)約峰高Rpk、核心粗糙度深度Rk、簡(jiǎn)約谷深Rvk、輪廓支撐長(zhǎng)度率Mr1和輪廓支撐長(zhǎng)度率Mr2等參數(shù)對(duì)珩磨表面進(jìn)行表征．Abbott體系的表征原理決定了其無(wú)法反映表面形貌的潛在規(guī)律，更無(wú)法反映表面的摩擦學(xué)性能．

圖3 Abbott曲線與表征參數(shù)

2．4 形貌參數(shù)

2．4．1 形貌領(lǐng)域

規(guī)則陣列的織構(gòu)形貌都可以看作為占據(jù)著一個(gè)大小為m×n的形貌領(lǐng)域，微凹腔領(lǐng)域的示意圖如圖4所示．

圖4 微凹腔領(lǐng)域示意圖

2．4．2 直徑和相對(duì)誤差

在試驗(yàn)或理論研究中，凹腔直徑是反映織構(gòu)尺度的關(guān)鍵參數(shù)［3，11］．實(shí)際凹腔形貌并非正圓，所以并不具有嚴(yán)格的直徑概念．以往研究［3－6，11－12］直接給出凹腔直徑測(cè)量值，而未明確凹腔直徑的數(shù)學(xué)意義，因此測(cè)量難免受主觀影響．受外接圓和最大內(nèi)切圓法評(píng)定圓度誤差方法啟發(fā)，通過(guò)求取凹腔輪廓外接圓直徑do和最大內(nèi)切圓直徑di確定凹腔的直徑dp，如圖5所示．

圖5 凹腔輪廓外接圓與最大內(nèi)切圓

定義凹腔直徑dp為

定義凹腔直徑dp的相對(duì)誤差δdp為

在上述定義下，凹腔直徑dp具有唯一性，而δdp值越小，說(shuō)明凹腔形貌與正圓越接近;一定程度上也能反映織構(gòu)質(zhì)量．關(guān)于任意封閉曲線的最大內(nèi)切圓和外接圓的求法，早有研究［13］并有明確的結(jié)論，本文不再贅述．

2．4．3 凹腔深度和底部微觀不平整度

實(shí)際加工的凹腔形貌的截面輪廓絕非平滑曲線．圖6為凹腔輪廓濾波器處理輪廓曲線．圖6a為一典型激光織構(gòu)形貌的截面輪廓，對(duì)其進(jìn)行空間濾波處理，篩選出關(guān)鍵信息．

平滑線性濾波器是低通濾波器的一類(lèi)，它通過(guò)濾波器模板所確定的領(lǐng)域內(nèi)像素點(diǎn)平均中心高度代替原有高度，將凹腔底部圓滑處理，得到圖6b輪廓，其核心思想如下:

3×3矩陣領(lǐng)域Z表示為

其中心高度的計(jì)算式為

中心高度Zcnew代替Zc，依次訪問(wèn)各點(diǎn)．

圖6b中由n點(diǎn)組成的輪廓曲線c1，深度hpc1為

則對(duì)于含有截面輪廓c1－cn的凹腔，凹腔深度hp為

圖6 凹腔輪廓濾波器處理輪廓曲線

凹腔底部的平整度直接影響其有效深度、直徑和潤(rùn)滑介質(zhì)在凹腔內(nèi)的流動(dòng)路徑，一定程度上決定了織構(gòu)表面潤(rùn)滑減摩效果．通過(guò)底部微觀不平整度pz表征凹腔底部狀況．

原始界面輪廓經(jīng)高通濾波后，僅保留凹腔底部粗糙度信息，見(jiàn)圖6c，其核心思想如下:

對(duì)于3×3矩陣領(lǐng)域Z，其中心高度的計(jì)算式為

中心高度Z'cnew代替Zc，依次訪問(wèn)各點(diǎn)．

將圖6c的凹腔底部輪廓均分為λ個(gè)(圖中為4個(gè))連續(xù)取樣長(zhǎng)度，定義凹腔底部微觀不平整度為

式中:ypi是第i個(gè)最大的輪廓峰高;yci是第i個(gè)最大的輪廓谷深．

2．4．4 凹腔空體體積

儲(chǔ)油能力是零件表面重要性能之一，與表面空體體積直接相關(guān)［14］．脈沖激光加工的凹腔截面輪廓近似為拋物線，以此為前提，凹腔空體體積vp的估算式為

2．5 推衍參數(shù)

2．5．1 面積占有率和深徑比

表面織構(gòu)在流體潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑條件下，在相互運(yùn)動(dòng)的摩擦副表面產(chǎn)生潤(rùn)滑效應(yīng)．理論及試驗(yàn)研究表明，面積占有率ρ和深徑比σ是影響織構(gòu)減摩潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵指標(biāo)，在不同工況下存在最優(yōu)的參數(shù)組合［3－6，11－12］．ρ和σ分別定義為

2．5．2 織構(gòu)表面的空體體積

織構(gòu)表面是珩磨隨機(jī)溝槽與規(guī)則織構(gòu)的復(fù)合．由凹腔空體體積vp和機(jī)械珩磨區(qū)域的空體體積vx估算織構(gòu)表面的空體體積vt．

在Abbott曲線表征體系中，機(jī)械珩磨表面單位面積的空體體積vx(μm3·μm－2)的估算式為

其中vcore和vvally分別為核心輪廓和谷輪廓單位面積的空體體積．那么，織構(gòu)表面空體體積 vt(μm3·μm－2)的估算式為

由式(14)可知，隨著vx值的減小，vt值的大小逐漸取決于vp值的變化．即通過(guò)表面織構(gòu)工藝精確控制零件表面空體體積是可行的．vx值主要是由簡(jiǎn)約谷深Rvk和核心粗糙度深度Rk值確定的．

3 表征實(shí)例

聲光調(diào)Q的Nd∶YAG激光器(CEO)，輸出波長(zhǎng)為532 nm的脈沖激光，脈沖寬度45 ns，單脈沖能量4．8 mJ．采用單脈沖同點(diǎn)間隔多次工藝制備如圖7所示的T形激光織構(gòu)缸套，缸套材料為灰鑄鐵，表面參數(shù):Rz=1．49 μm，Rk=0．26 μm，Rpk=0．17 μm，Rvk=0．32 μm，Mr1=7．8%，Mr2=88．1%．此分區(qū)異化織構(gòu)方案考慮了表面潤(rùn)滑狀況和磨損，上止點(diǎn)A區(qū)域織構(gòu)起駐油和布油作用，使得潤(rùn)滑油膜趨于連續(xù);B和C區(qū)域位于行程中部，該區(qū)域的缸孔與活塞環(huán)相對(duì)速度較高，承壓大，易于磨損．B和C區(qū)域織構(gòu)的作用是形成動(dòng)壓潤(rùn)滑，降低摩擦功損失和磨損．

采用WYKO－NT1100三維形貌儀，基于分區(qū)域表征方法表征缸孔表面，各參數(shù)為多次測(cè)量取得的平均值．表征結(jié)果(見(jiàn)表3)涵蓋了分區(qū)異化方案、織構(gòu)工藝質(zhì)量、摩擦學(xué)性能和儲(chǔ)油能力．各區(qū)域δdp和pz值均較小且基本一致，表明該激光微織構(gòu)工藝的工藝性和穩(wěn)定性均較好．

圖7 激光微織構(gòu)缸套

表3 表征參數(shù)匯總

本實(shí)例中，參數(shù)vx的值為0．149，而區(qū)域A－C參數(shù)vt值增大2～5倍，說(shuō)明織構(gòu)表面的儲(chǔ)油能力明顯提升．需要注意的是，本研究缸孔式樣的表面不同于傳統(tǒng)平臺(tái)珩磨表面(Rvk，Rk值較小)．如以傳統(tǒng)平臺(tái)珩磨表面 Rvk=1～2，Rk=0．3 ～1．0 估算，平臺(tái)珩磨表面空體體積vx2=0．21～0．62．通過(guò)上述分析不難發(fā)現(xiàn):缸孔分區(qū)異化織構(gòu)技術(shù)能夠改變缸孔表面空體體積的分布，使需要減摩潤(rùn)滑區(qū)域的空體體積增加，而通過(guò)控制平臺(tái)珩磨表面參數(shù)(Rvk，Rk)，缸孔表面空體體積之和保持不變或減少．因此，一方面空體體積的減少將降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗;另一方面潤(rùn)滑油的優(yōu)化分布及織構(gòu)形貌產(chǎn)生的動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)將降低摩擦功的損失，反映在燃油耗和磨損量的降低．

3 結(jié)論

1)針對(duì)分區(qū)異化織構(gòu)缸孔表面，提出基于分區(qū)域表征思想的表征體系;對(duì)分區(qū)異化織構(gòu)缸孔進(jìn)行表征試驗(yàn)，結(jié)果表明:表征參數(shù)能夠客觀準(zhǔn)確地反映分區(qū)異化方案、織構(gòu)表面性能和織構(gòu)工藝的優(yōu)劣．

2)缸孔分區(qū)異化織構(gòu)技術(shù)能夠改變缸孔表面空體體積的分布．為精確地控制表面空體體積分布，應(yīng)盡量降低織構(gòu)工藝前缸孔表面簡(jiǎn)約谷深和核心粗糙度深度．

3)分區(qū)域表征體系解釋了激光微織構(gòu)技術(shù)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的機(jī)理．后續(xù)研究將以本表征體系為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探究織構(gòu)表面空體體積與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗、燃油耗間的確切關(guān)系，從而確定最佳的分區(qū)異化織構(gòu)方案．

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