推行有針對(duì)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提升發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)

文/朱正德

【機(jī)動(dòng)車(chē)專(zhuān)欄】

推行有針對(duì)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提升發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)

文/朱正德

文章分析了缸孔珩磨表面微觀構(gòu)造對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生很大影響的原因，指出重視對(duì)珩磨表面平臺(tái)網(wǎng)紋形貌進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的重要性。強(qiáng)調(diào)了隨著機(jī)動(dòng)車(chē)節(jié)能、減排法律、法規(guī)的日趨嚴(yán)苛，企業(yè)在質(zhì)量監(jiān)控方面也應(yīng)持續(xù)完善、提高。此文清晰地表明，在工業(yè)領(lǐng)域，重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演變、進(jìn)步，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控水平所起到的積極作用。

缸孔珩磨表面 微觀構(gòu)造特征評(píng)定參數(shù) 監(jiān)控水平提升

近一年來(lái)，在國(guó)家強(qiáng)調(diào)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和夯實(shí)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的大背景下，現(xiàn)代制造業(yè)作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主要組成之一，特別是其中的汽車(chē)行業(yè)，更是受到了產(chǎn)業(yè)界和各級(jí)政府的關(guān)注和重視。隨著《中國(guó)制造2025》的推出，又把上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)更為具體和清晰地呈現(xiàn)了出來(lái)。

現(xiàn)今，雖然不少制造工序環(huán)節(jié)已很成熟，但為了更好地適應(yīng)、滿(mǎn)足節(jié)能汽車(chē)的需要，必須采用包括強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控能力在內(nèi)的種種新手段。研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗中，由內(nèi)部摩擦造成的機(jī)械損失占到其功率損失的80%左右，故有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失對(duì)節(jié)能、乃至減排具有重要意義。摩擦損失，雖然包含了運(yùn)動(dòng)副摩擦、驅(qū)動(dòng)摩擦及流體摩擦等幾類(lèi)，但其中的運(yùn)動(dòng)副摩擦又是最主要的來(lái)源。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，在多組運(yùn)動(dòng)副中，缸孔—活塞環(huán)又是其中影響最大的一組運(yùn)動(dòng)副摩擦，約占汽油發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的30%～40%（見(jiàn)圖1）。因此，盡量通過(guò)降低其在工作中的摩擦損失，乃是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率、降低燃油消耗、促進(jìn)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能汽車(chē)”目標(biāo)的一個(gè)有效途徑。

圖1 多組運(yùn)動(dòng)副摩擦損失的占比概況

一、珩磨表面的平臺(tái)網(wǎng)紋及其特征

影響缸孔活塞環(huán)摩擦副潤(rùn)滑的因素主要有工件表面的宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面硬度、顆粒物、潤(rùn)滑油的粘度和溫度等，但各項(xiàng)因素對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑的影響程度、即減少摩擦損失的效果是不同的。其中，缸孔表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響最大。為了同時(shí)能體現(xiàn)出這兩項(xiàng)功能，即較光順的表面和盡可能多的承載面積，確保相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)性和耐磨性，就需要形成一個(gè)開(kāi)放性的表面微觀構(gòu)造，以用于保障表面的儲(chǔ)油能力，即需要使珩磨加工后的工件表面在相對(duì)粗糙基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)（見(jiàn)圖2）。

圖2 缸孔表面形成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)

事實(shí)上，為了更好地改善配合面的潤(rùn)滑功能，應(yīng)形成一種更合理的缸孔珩磨表面微觀形貌——平臺(tái)網(wǎng)紋，即既有平臺(tái)又有網(wǎng)紋。此時(shí)，經(jīng)過(guò)加工后的缸孔表面，乃是由無(wú)數(shù)個(gè)均勻相間交叉的窄又深的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且網(wǎng)紋與網(wǎng)紋交錯(cuò)，相互有適當(dāng)夾角。如此的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)深谷區(qū)存貯機(jī)油，而連續(xù)交錯(cuò)的網(wǎng)狀溝槽則便于機(jī)油在整個(gè)缸孔表面均勻分布。眾多的小平臺(tái)有利于高強(qiáng)度油膜形成，還具有回油功能，這將大大降低摩擦功損失。網(wǎng)紋由均勻相間交叉的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且相互保持適當(dāng)?shù)膴A角交錯(cuò)（見(jiàn)圖3），即所謂的網(wǎng)紋角。

圖3 缸孔表面的平臺(tái)網(wǎng)紋形貌

需要指出的是，網(wǎng)紋角作為一項(xiàng)特征參數(shù)也需檢測(cè)，一般控制在30o～60o之間。因?yàn)槠浯笮『途鶆虺潭汝P(guān)系到缸孔表面生成油膜的穩(wěn)定性和機(jī)油消耗的多少，進(jìn)而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和氣缸套的使用壽命。若網(wǎng)紋角過(guò)大，貯油能力下降，至使活塞與缸孔之間的潤(rùn)滑狀況變差。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)和加速工況時(shí)，就會(huì)因機(jī)油不足而加劇活塞環(huán)的磨損；若網(wǎng)紋角過(guò)小，則會(huì)影響所形成油膜的均勻性，并且影響到油環(huán)的刮油效果，從而造成機(jī)油過(guò)度燃燒，導(dǎo)致機(jī)油消耗增加和排放會(huì)超標(biāo)。

二、科學(xué)地選用珩磨表面的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

由此可知，確立和選擇能確切地反映珩磨表面特征的評(píng)定參數(shù)重要性是顯而易見(jiàn)的。事實(shí)上無(wú)論是缸孔表面的加工技術(shù)還是其合適的評(píng)定模式，均經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的探索過(guò)程。

1. 理想缸孔表面的探索過(guò)程概述

48年前，業(yè)界在這個(gè)問(wèn)題上的基本共識(shí)為：發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔或缸體所鑲的缸套內(nèi)表面應(yīng)該是越光滑越好，粗糙度要達(dá)到Ra0.16，如同鏡面。而內(nèi)表面的硬度，則認(rèn)為應(yīng)越硬越好，有的企業(yè)甚至采取了內(nèi)表面鍍鉻處理。然而，這些措施的執(zhí)行結(jié)果卻事與愿違，由于光如鏡面的工作表面難以貯存潤(rùn)滑油，發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫工作狀態(tài)下，缸孔表面很容易與活塞環(huán)形成干摩擦，從而造成高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)易拉缸、積碳卡死，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的大大縮短，往往過(guò)早地就得進(jìn)行大修。

進(jìn)入到上世紀(jì)70年后，企業(yè)開(kāi)始采用普通的珩磨網(wǎng)紋，此時(shí)網(wǎng)紋的形狀如圖4所示，而粗糙度則控制在Ra0.63左右。很明顯，這種相對(duì)比較粗糙的表面，確實(shí)能改善缸壁與活塞環(huán)之間的接觸狀況，能夠形成一定的有效油膜。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)荷加大，這種網(wǎng)紋會(huì)因承載面積小，很快就會(huì)磨平，而磨平后的工況就如同前述的鏡面般。因此，這普通網(wǎng)紋只適合于那些在較低轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下工作，而且還需要在很短時(shí)間里就必須更換機(jī)油，否則將會(huì)出現(xiàn)由早期磨損而降低了缸套甚至整個(gè)缸體的使用壽命。更加關(guān)鍵的是，由于對(duì)網(wǎng)紋微觀構(gòu)造的評(píng)定參數(shù)偏少，故會(huì)很難控制產(chǎn)品的一致性。

圖4 缸孔表面普通珩磨網(wǎng)紋的微觀構(gòu)造

2. 有針對(duì)性地推出相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

直到上世紀(jì)80年代末，才由德國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)（D I N）制定并推出了一個(gè)針對(duì)性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)D I N 4776：1990《粗糙度測(cè)量 粗糙斷面材料部分說(shuō)明用參數(shù)》。在該標(biāo)準(zhǔn)中，率先提出了一組面向珩磨表面網(wǎng)紋微觀構(gòu)造特征參數(shù)，即評(píng)定指標(biāo)。需要指出的是，就在之后的不長(zhǎng)時(shí)間中，D I N 4776已先后被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（I S O）、大多數(shù)工業(yè)化國(guó)家和我國(guó)在內(nèi)的不少發(fā)展中國(guó)家所接受和引用，并體現(xiàn)在一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，如I S O 13565 -2：1996《幾何產(chǎn)品規(guī)范（G P S）：表面結(jié)構(gòu)剖面方法.表面有層次功能性能 第2部分：使用線性材料曲率的高度性能》、J I S B 0671 -2：2002《產(chǎn)品幾何特性規(guī)格（G P S） 表面特性：輪廓曲線方式：平滑結(jié)構(gòu)表面的特性評(píng)價(jià) 第2部分：用線性相關(guān)負(fù)荷曲線進(jìn)行高度特性的評(píng)價(jià)》等。這一組特征參數(shù)、即評(píng)定指標(biāo)共有5項(xiàng)，分別為：Rk、Rpk、Rvk、M r1和M r2（見(jiàn)圖5）。其中，Rk是最為重要的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是被測(cè)表面中心區(qū)深度將在高負(fù)載運(yùn)行中被磨損掉，但又能最大程度地達(dá)到耐磨性。Rpk是超過(guò)中心區(qū)峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱(chēng)為初期磨損高度，而Rvk是從中心區(qū)下限到有實(shí)體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存深度，體現(xiàn)了摩擦副在高負(fù)載工況下的潤(rùn)滑性能和失靈保護(hù)的能力。M r1和M r2則分別為波峰、波谷輪廓支承長(zhǎng)度率，由輪廓中心區(qū)上、下截止線決定，其中的M r1表示了表面的初期磨損負(fù)荷率，而M r2則為長(zhǎng)期磨損負(fù)荷率。

圖5 表征缸孔珩磨表面微觀結(jié)構(gòu)特征的評(píng)定參數(shù)

3. 專(zhuān)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和意義

1989年12月，國(guó)內(nèi)頒布了一部關(guān)于內(nèi)燃機(jī)平臺(tái)網(wǎng)紋的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即Z B J 92011 -1989《內(nèi)燃機(jī)氣缸套平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋技術(shù)規(guī)范及檢測(cè)方法》。調(diào)查表明，眾多內(nèi)燃機(jī)企業(yè)（包括一些汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廠）自從執(zhí)行了上述有針對(duì)性表面特征評(píng)定參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)確保珩磨后缸孔表面狀態(tài)的一致性、提高內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量發(fā)揮了很大的作用。隨著珩磨加工設(shè)備技術(shù)水平的提高，對(duì)于制造質(zhì)量也有進(jìn)一步的改善。大量的實(shí)踐表明，擁有平臺(tái)網(wǎng)紋的缸孔與普通網(wǎng)紋的缸孔相比，工作壽命提高了40 %以上，扭矩提高了20 %左右，而機(jī)油消耗則降低了近60 %，并且基本上避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的拉缸、積碳和活塞環(huán)抱死等不良情況的發(fā)生，從而有效地提升了內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行水平。

三、進(jìn)一步提升缸孔珩磨表面微觀形貌的質(zhì)量監(jiān)控水平

但自本世紀(jì)初以來(lái)，隨著對(duì)環(huán)保、節(jié)能和安全等方面的要求不斷提高，相關(guān)的法律、法規(guī)也日趨嚴(yán)厲。主要是鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨表面的狀況對(duì)燃油的消耗和排放都有很大的影響。因此，為了進(jìn)一步提高車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員并未局限于那些已較成熟的工藝與檢測(cè)方法，而是繼續(xù)不斷地進(jìn)行探索。其中，就包括了借助采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)提升缸孔珩磨表面微觀形貌的質(zhì)量監(jiān)控水平，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)貢獻(xiàn)一份力量。歸納起來(lái)，有如下兩種平行的方案：其一，借助實(shí)驗(yàn)室高效能的測(cè)試設(shè)備，通過(guò)比對(duì)的方式，定性（嚴(yán)格講屬半定量）地進(jìn)行更有針對(duì)性的評(píng)價(jià)；其二，設(shè)立與珩磨表面功能特性相關(guān)的新評(píng)定參數(shù)，并配備相應(yīng)的高效、專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器，在此僅對(duì)后者作一介紹。

為了能更深刻地表征工作表面的特性，在幾年前所推出的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 25178系列標(biāo)準(zhǔn)中，出現(xiàn)了多種用于描述表面微觀構(gòu)造的三維參數(shù)。其中，既有類(lèi)似于二維粗糙度參數(shù)的，如Sa、Sz、Sk、Spk、Svk等，它們單位仍然還是μm，也有該標(biāo)準(zhǔn)新推出的如Vmp、Vmc、Vvc和Vvv等體積特性值參數(shù)。三維表面粗糙度曲線（見(jiàn)圖6）描述了與剖面深度有關(guān)的表面材料份額，它們自上而下被分成三個(gè)范圍：波峰區(qū)、芯部區(qū)和波谷區(qū)。若通過(guò)對(duì)上述三維表面粗糙度曲線進(jìn)行積分，就能夠生成以下體積特征值：① 輪廓波峰的材料體積Vmp；② 芯部范圍內(nèi)的材料體積Vmc；③芯部范圍無(wú)材料部分體積Vvc；④ 輪轂谷底無(wú)材料部分體積Vvv。由于所涉及到的是三維微體積計(jì)算，上述參數(shù)a b的單位是μm3/μm2。

圖6 三維表面粗糙度曲線圖

顯然，相比之前的二維粗糙度參數(shù)，它們能更確切地對(duì)珩磨后表面的“理想”程度作出評(píng)價(jià)。圖6中的上、下兩楨圖，分別反映了實(shí)際貯油情況有所不同的兩種表面微觀狀態(tài)。但在如何借助這些體積特征值參數(shù)對(duì)表面進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要取決于產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)。在德國(guó)大眾和奧迪公司，乃是把參數(shù)Vvc、Vvv捆綁在一起綜合考慮，表述為：Vvc+Vvv的值應(yīng)控制在某個(gè)范圍內(nèi)，如0.2～0.35 μm3/μm2。

基于多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量原理的檢測(cè)儀器及測(cè)量報(bào)告（見(jiàn)圖7）中，圖7a是為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一種高性能缸孔表面測(cè)量?jī)x，近幾年已在一些國(guó)內(nèi)外企業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用。

圖7 基于多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量原理的檢測(cè)儀器及測(cè)量報(bào)告

該儀器采用一種稱(chēng)為多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量技術(shù)，除了能提供清晰的表面微觀形貌圖像外，更可同時(shí)測(cè)出多組參數(shù)。其中，包含多項(xiàng)三維粗糙度參數(shù)、網(wǎng)紋角和功能特征參數(shù)Vvc、Vvv。后兩項(xiàng)按圖紙規(guī)定，必須在缸孔的四個(gè)截面指定位置進(jìn)行檢測(cè)，且在根據(jù)規(guī)范的評(píng)價(jià)方式（Vvc與Vvv的和）所獲得的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定時(shí)，不同的位置要求還有所不同：0.2～0.35（在距端面15 mm處），0.2～0.45（在距端面45、90和110 mm處），而圖7b、7c為實(shí)例，其中包含多項(xiàng)三維粗糙度參數(shù)、網(wǎng)紋角和功能特性參數(shù)Vvc、Vvv，功能特性參數(shù)Vvc、Vvv和網(wǎng)紋角（參見(jiàn)7c，圖中的網(wǎng)紋角1為28°，網(wǎng)紋角2為155°）。整個(gè)測(cè)量過(guò)程為全自動(dòng)，約能在10 min內(nèi)完成。

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（作者單位：上海大眾動(dòng)力總成有限公司）