缸孔珩磨工藝研究與應(yīng)用

張來文，范習(xí)民，劉海報(bào)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，合肥市 230601）

缸孔珩磨工藝研究與應(yīng)用

張來文，范習(xí)民，劉海報(bào)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，合肥市 230601）

缸孔平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨是缸孔加工的新工藝，有利于提高缸孔精度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性能。介紹了通過平臺(tái)珩磨工藝參數(shù)調(diào)整，解決了某柴油機(jī)的缸孔珩磨工藝參數(shù)設(shè)計(jì)中存在的問題，使各項(xiàng)粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

缸孔；平臺(tái)珩磨工藝；粗超度

Abstract:Cylinder bore platform honing is a new process for cylinder hole machining, which is beneficial to improve the power, economy and durability of the engine. This paper introduces the adjustment of technological parameters of platform honing, and solves the problems existing in the design of Honing Parameters of a diesel engine cylinder bore, so that each roughness evaluation index meets the design requirements.

Keywords: Cylinder bore; Honing process platform; Roughness

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-259-04

引言

氣缸套的內(nèi)孔是內(nèi)燃機(jī)的重要支撐面，承受燃燒過程中產(chǎn)生的高溫、高壓和交變應(yīng)力，其表面含油量影響排放和摩擦，需要很低的表面粗糙度，高精度的缸孔尺寸、形狀和位置，且具有合適的貯油能力[1]。

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨加工不滿足設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行SPC過程分析, 對(duì)機(jī)體鏜孔過程中刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削量參數(shù)，以及珩磨過程中珩磨頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削量和擴(kuò)張壓力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，機(jī)體缸孔珩磨質(zhì)量得到顯著提升，各項(xiàng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1 缸孔平臺(tái)珩磨工藝及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 缸孔珩磨工藝的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)的缸孔基本上都是按照：粗鏜－半精鏜－精鏜－珩磨的工藝流程來加工。珩磨工藝的發(fā)展可分為四代：

第一代珩磨為手動(dòng)或脈沖間歇式液壓膨脹進(jìn)給，這種珩磨只進(jìn)行一個(gè)階段的珩磨，一般不分粗珩和精珩。其缺點(diǎn)是珩磨壓力不穩(wěn)定，影響加工的形狀精度，尺寸控制完全靠工人的經(jīng)驗(yàn)和不斷地停機(jī)測(cè)量來保證，加工出來的缸孔質(zhì)量水平低且難以穩(wěn)定。

第二代珩磨為兩階段（粗珩、精珩）的自動(dòng)液壓膨脹進(jìn)給珩磨。特點(diǎn)是兩組不同的珩磨油石在同一個(gè)珩磨頭上呈對(duì)稱、間隔分布，粗珩、精珩條由特殊的液壓雙聯(lián)進(jìn)給系統(tǒng)自動(dòng)控制，可在一次裝夾中完成粗、精珩，缸孔尺寸采用氣動(dòng)非接觸式主動(dòng)測(cè)量裝置進(jìn)行自動(dòng)控制。

第三代珩磨為三階段（粗珩、基礎(chǔ)珩及平臺(tái)珩）的平臺(tái)珩磨或滑動(dòng)珩磨。機(jī)床的主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)與第二代相似但更趨智能化，但珩出的缸孔表面結(jié)構(gòu)性能得到巨大提升。

第四代珩磨以激光珩磨為代表，它不是傳統(tǒng)意義上的接觸式的機(jī)械加工，而是通過光導(dǎo)系統(tǒng)將激光器產(chǎn)生的光束聚焦到孔壁上，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)可以保證激光加工頭靈活地按照用戶所要求的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，缸孔表面更加規(guī)則、理想；但是，激光珩磨設(shè)備維護(hù)成本昂貴，技術(shù)含量高，操作復(fù)雜，對(duì)維修人員要求素質(zhì)高，維修難度大，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

目前，乘用車用發(fā)動(dòng)機(jī)的缸孔珩磨工藝大都是平臺(tái)珩磨或滑動(dòng)珩磨，這兩種珩磨分別為歐洲的兩大主流珩磨機(jī)廠家發(fā)展的不同方向，其中，Gehring珩磨機(jī)主要是以平臺(tái)珩磨為主，向激光珩磨方向發(fā)展；而Nagel珩磨機(jī)主要是以滑動(dòng)珩磨為主，向螺傘滑動(dòng)珩磨方向發(fā)展[3]。

1.2 平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨的加工工藝

所謂平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨，就是通過珩磨，在缸孔表面形成細(xì)小的溝槽，這些溝槽有規(guī)律地排列形成網(wǎng)紋，并由專門的珩磨工藝削掉溝槽的尖峰，形成微小的平臺(tái)[2]。

珩磨前缸孔需要進(jìn)行粗鏜、半精鏜和精鏜。粗鏜——去除多余金屬，消除缸孔毛坯誤差；半精鏜——為精鏜建立尺寸精度、孔的形狀精度，為精鏜做好準(zhǔn)備；精鏜——欲確保珩磨具有高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量，必須珩磨余量適當(dāng)、基礎(chǔ)精度適當(dāng)（孔的圓度、柱度、尺寸精度和表面粗糙度），精鏜就是為珩磨做準(zhǔn)備，留有合適的珩磨余量、提供合適的基礎(chǔ)精度。

平臺(tái)珩磨是在對(duì)已磨合完的發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔表面進(jìn)行微觀分析和研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)的一種珩磨工藝。平臺(tái)珩磨的顯著優(yōu)點(diǎn)為：良好的表面耐磨性、油膜儲(chǔ)存性，可使用低摩擦力的活塞環(huán)、降低機(jī)油消耗。平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨的基本工藝為：粗珩→精珩→平臺(tái)珩。粗珩是修正和穩(wěn)定精鏜后的形狀精度，此外還要形成一個(gè)基本的表面結(jié)構(gòu)，提高孔的形狀精度，降低孔的表面粗糙度，為精珩做好準(zhǔn)備。精珩是更換珩磨油石，進(jìn)一步提高孔的尺寸精度、形狀精度、降低表面粗糙度，在缸孔表面形成均勻的交叉網(wǎng)紋，使缸壁的宏觀幾何形狀將得到改善，并且表面的基本結(jié)構(gòu)C也將被加工出來。平臺(tái)珩是更換油石，去除溝痕波峰，使表面基本結(jié)構(gòu)C的表面尖峰將在幾秒鐘內(nèi)被珩磨掉，從而形成一個(gè)小平臺(tái)，該小平臺(tái)也就是所謂的平臺(tái)支承表面，該平面的表面光潔度很高，同時(shí)又具有較高和較好的支承率。平臺(tái)珩去掉表面波峰形成平臺(tái)即可，加工余量較小，最好與精珩磨一次安裝加工完成，否則重復(fù)定位誤差將破壞平臺(tái)珩磨精度。

圖1 理想的缸孔表面

實(shí)現(xiàn)平臺(tái)珩磨的珩磨頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般在平臺(tái)珩磨刀具上有兩套不同的砂條，它們各自配有一套獨(dú)立的漲刀裝置。一套砂條用于平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)珩磨（精珩）， 另外一套砂條則是用于平臺(tái)表面加工（平臺(tái)珩）。該雙進(jìn)給刀具也以用于粗珩和精珩，如圖2所示。

圖2 平臺(tái)珩磨頭

這種刀具主要的優(yōu)勢(shì)是：可在同一個(gè)工位一次裝夾，使用同一根主軸就可進(jìn)行兩次不同的珩磨加工。除了在經(jīng)濟(jì)性上有明顯優(yōu)勢(shì)外，它還可以保證穩(wěn)定的平臺(tái)表面[3]。

1.3 影響平臺(tái)珩磨的因素

珩磨砂條的選擇是制定缸孔珩磨工藝的一個(gè)至關(guān)重要的條件，砂條的燒結(jié)技術(shù)直接影響砂條的質(zhì)量。一般來說，珩磨砂條主要采用氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）、立方氮化硼（CBN）和金剛石等磨料。常見的結(jié)合劑有陶瓷結(jié)合劑、人造樹脂結(jié)合劑、銅基金屬結(jié)合劑、銀基結(jié)合劑以及鈷基結(jié)合劑等。

上換向點(diǎn)和下?lián)Q向點(diǎn)的設(shè)置直接影響缸孔形狀，如圖 3所示。一般來說，珩磨時(shí)砂條的伸出長(zhǎng)度為砂條本身長(zhǎng)度的三分之一被證明是最理想的，當(dāng)伸出長(zhǎng)度上下對(duì)稱時(shí)，我們可以得到一個(gè)理想的圓柱度，如圖3中a所示；若砂條伸出長(zhǎng)度太大時(shí)，因砂條的很大一部分在孔的上下兩棱被磨利，并在這一區(qū)域造成很大的切削量，且由于砂條和孔壁的貼靠面積減小，從而增大了漲刀壓力，也會(huì)造成大量切削，從而造成兩端喇叭口的形狀，如圖3中b所示；若砂條伸出長(zhǎng)度過小，砂條會(huì)在孔的中間部位形成過量切削，從而造成腰鼓性的孔，如圖3中c所示。

圖3 珩磨上換向點(diǎn)和下?lián)Q向點(diǎn)位置

除了珩磨砂條及珩磨加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量及效率有重大影響外，珩磨液對(duì)加工質(zhì)量也是很重要的。珩磨液要求黏度低，具有極好的滲透性、潤(rùn)滑性和排屑性，要有很強(qiáng)的清洗能力以保持珩磨油石的自礪和微孔的暢通，并且要求抗煙霧性好，燃點(diǎn)高。

目前所使用的珩磨液可分為兩大類：油基和水基珩磨液。兩種冷卻液各有優(yōu)缺點(diǎn)，油基優(yōu)點(diǎn)是滲透性、潤(rùn)滑性好，排屑性和清洗能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是燃點(diǎn)低、抗煙霧性差，廢棄時(shí)難以處理且不環(huán)保；對(duì)水基珩磨液來說，優(yōu)點(diǎn)是安全性、環(huán)保性好，抗煙霧性好，冷卻性好，可進(jìn)行處理以適應(yīng)環(huán)保要求，缺點(diǎn)是滲透性、潤(rùn)滑性差。近年來，歐洲一些國(guó)家越來越流行使用水基珩磨液替代珩磨油以適應(yīng)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求?？傮w來說，每個(gè)具體的珩磨加工參數(shù)的確定是需要根據(jù)實(shí)際的工藝參數(shù)和工件的測(cè)量結(jié)果來設(shè)定[3]。

1.4 平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨的優(yōu)點(diǎn)

平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨在缸孔表面形成的這種特殊結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）微小的平臺(tái)增加了接觸面積，削掉尖峰，消除了表面的早期快速磨損，提高了表面的耐磨性。

2）細(xì)小的溝痕形成良好的儲(chǔ)油空間，并在缸孔表面形成良好的油膜，降低了缸孔表面與活塞及活塞環(huán)的摩擦，因而可以使用低摩擦力的活塞環(huán)。

3）細(xì)小的溝痕形成良好的儲(chǔ)油空間，減小了機(jī)油的散失，進(jìn)而降低了機(jī)油消耗。

4）珩磨后在缸孔表面形成了無數(shù)微小的平臺(tái)，增加了缸孔與活塞及活塞環(huán)的接觸面積，加大了缸孔表面的支撐度，減少了缸孔的初期磨損，因此減少了缸孔的磨合時(shí)間，甚至不用磨合[4]。

1.5 平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨表面質(zhì)量的評(píng)定

珩磨加工結(jié)束后的表面粗糙度、平臺(tái)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)紋角和溝槽形態(tài)等均需要得到正確的測(cè)量和分析，一般由粗糙度儀器檢測(cè)完成[5]。對(duì)于缸孔平臺(tái)參數(shù)一般按照GB18778.2-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5項(xiàng)粗糙度指標(biāo)來評(píng)價(jià)，分別為Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2，如圖4所示的ABBott曲線。

圖4 ABBott曲線

1）核心粗糙度深度Rk：核心刨面為切掉峰尖和低谷的粗糙度刨面，其深度是分離峰尖與低谷的兩平行切線間距離（如圖1）。

2）縮減的尖峰高度Rpk：超出表面粗糙度核心表面的斷面尖峰的平均高度。

3）縮減的溝痕深度Rvk：低于表面粗糙度核心刨面，進(jìn)入材料內(nèi)部的溝痕平均深度。

4）以“%”表示材料比率Mr1：ABBott曲線的切線所確定的尖峰區(qū)域所占面積比率。

5）以“%”表示材料比率Mr2：ABBott曲線的切線所確定的溝痕區(qū)域所占面積比率[6]。

2 缸體珩磨工藝優(yōu)化與應(yīng)用

2.1 缸體缸孔珩磨加工現(xiàn)狀

以某柴油機(jī)缸體缸孔的平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨為例，該柴油機(jī)缸體為鑄鐵件，不加缸套，其平臺(tái)網(wǎng)紋參數(shù)要求如下：Rk：0.3～1.2μm、Rpk：≤0.3μm、Rvk：1.0～2.0μm，Mr1： ≤7%、Mr2：70～85%。隨機(jī)抽取了4臺(tái)機(jī)體利用粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)機(jī)體缸孔網(wǎng)紋參數(shù)Rk、Rpk、Rvk，Mr1、Mr2進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如下（見表1）：

表1 缸孔網(wǎng)紋檢測(cè)結(jié)果（整改前）

珩磨后缸孔表面形狀如圖5：

圖5 缸孔表面形狀

表2 過程質(zhì)量能力統(tǒng)計(jì)表

2.2 缸體缸孔珩磨加工工藝控制原則

1）珩磨加工余量要合適：余量小，不能充分消除缸孔固有誤差，重新建立精度；余量大，珩磨時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低，油石磨損快，加工成本高而且加工精度差，質(zhì)量不穩(wěn)定。

2）油石漲出量、漲出速度應(yīng)與金屬的切除量和切除速度一致。反之，將出現(xiàn)空行程，降低加工效率。切除的金屬少，油石漲出的多，油石與缸孔擠壓，造成缸孔變形，影響加工精度。

3）珩磨的質(zhì)量和效率主要取決于油石的切削性能：油石的切削性能好，則珩磨速度快、效率高，反之油石切削性能差，缸孔的尺寸精度、形狀精度和缸孔表面網(wǎng)紋狀態(tài)都很差。

4）油石的切削性能取決于油石的磨粒材料、粒度和結(jié)合劑，最后表現(xiàn)于油石的硬度。

5）刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削量、擴(kuò)張壓力也是影響珩磨質(zhì)量的關(guān)鍵[4]。

2.3 缸體缸孔珩磨加工工藝參數(shù)優(yōu)化

通過SPC分析，基本找出了引起珩磨質(zhì)量的原因，確定從調(diào)整工藝參數(shù)著手來提升珩磨質(zhì)量，對(duì)機(jī)體鏜孔過程中刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)珩磨過程中刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削量和擴(kuò)張力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)加工參數(shù)反復(fù)的調(diào)試與驗(yàn)證，確定了從粗鏜、精鏜、粗珩、精珩、平臺(tái)珩這五道加工工序加工參數(shù)的最佳值。調(diào)整后珩磨加工質(zhì)量復(fù)合設(shè)計(jì)要求。調(diào)整后的加工參數(shù)如下：

表3 珩磨工藝參數(shù)

珩磨工藝參數(shù)改進(jìn)后，隨機(jī)抽取四臺(tái)缸體進(jìn)行檢測(cè)，各缸孔的 5項(xiàng)粗糙度指標(biāo)來評(píng)價(jià) Rk、Rpk、Rvk、Mr1和 Mr2都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求（見表4）。

表4 缸孔網(wǎng)紋檢測(cè)結(jié)果（整改后）

如圖 6，珩磨工藝參數(shù)調(diào)整后珩磨加工的缸孔測(cè)量的缸孔表面形狀很好，都達(dá)到了要求。

圖6 缸孔表面形狀

經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)，缸孔珩磨工藝參數(shù)改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率、扭矩、機(jī)油耗等指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，缸孔、活塞、活塞環(huán)的磨損也在合理的范圍內(nèi)。

圖7 外特性動(dòng)力性變化曲線

3 結(jié)論

缸孔平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨是近年出現(xiàn)的缸孔加工新工藝，對(duì)提高缸孔精度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮了重要作用。

針對(duì)某柴油機(jī)機(jī)體缸孔珩磨加工評(píng)價(jià)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)問題，對(duì)珩磨加工工藝的研究，在過程中運(yùn)用SPC質(zhì)量分析工具和方法分析問題，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定加工工藝參數(shù)，運(yùn)用PDCA方法，采用平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝，并不斷進(jìn)行試制加工調(diào)試、驗(yàn)證、改進(jìn)，使缸孔珩磨加工水平滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 裴偉. 缸孔珩磨工藝及表面特征參數(shù)淺析[J]. 裝備制造技術(shù)，2014.

[2] 張杰 , 王俊.缸孔珩磨工藝的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 工程技術(shù),2016.

[3] 缸孔平臺(tái)珩磨工藝介紹.中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng),2009.

[4] 張?jiān)齐?現(xiàn)代珩磨技術(shù)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2007.

[5] 編委會(huì).氣缸套平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋技術(shù)規(guī)范及檢測(cè)方法[M]. 北京:中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.5.

[6] GB/T 18778.2-2003/ISO 13565.2:1996產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 具有復(fù)合加工特征的表面.

[7] 蔣德明主編.內(nèi)燃機(jī)原理[M]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1988.

Research and application of the Honing technology of cylinder bore

Zhang Laiwen, Fan Ximin, Liu Haibao
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-259-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.091

張來文（1982—），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。