陶瓷珩磨和金剛石珩磨對缸孔表面儲油能力的影響

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陶瓷珩磨和金剛石珩磨對缸孔表面儲油能力的影響

【土耳其】M.HurpekliR.YilmazE.KondakciN.Solak

摘要：珩磨是一種清除表面金屬和非金屬材料的低速研磨工藝，能夠修正珩磨前在其他機械加工過程中產(chǎn)生的表面缺陷。通過將機油保持在缸孔表面上及改善機油分布，珩磨溝槽及波谷的容積和方向控制可用機油量。傳統(tǒng)珩磨工藝采用陶瓷珩磨條已被金屬結合劑金剛石珩磨條所取代。金剛石珩磨的主要缺點是會在表面上遺留更多的撕裂狀金屬屑和折疊狀金屬屑。折疊和/或撕裂狀金屬屑會部分覆蓋珩磨溝槽，中斷溝槽內(nèi)的機油流動，導致氣缸表面上出現(xiàn)磨粒磨損，即軸向劃痕。傳統(tǒng)的陶瓷珩磨條具有自銳性且脆性較大。針對不同發(fā)動機中的2種氣缸體進行了測試，探索金剛石珩磨條和陶瓷珩磨條對珩磨的影響。結果表明，金剛石珩磨條會在珩磨表面留下更多的折疊狀金屬屑，并且會減弱儲油能力。

關鍵詞：珩磨金剛石陶瓷儲油能力

0前言

珩磨是用于清除表面多余材料使表面形成理想形狀的一種低速研磨工藝。珩磨可使缸孔表面獲得理想的圓度和直線度。珩磨切削痕跡會在缸孔表面形成一種斜紋形式的溝槽。

傳統(tǒng)珩磨工藝采用陶瓷珩磨條，目前已經(jīng)被金剛石珩磨鑲件所取代。1套陶瓷珩磨條能夠機械加工出50~80個缸孔，而1套金剛石鑲件通常能夠機械加工出20000~100000個缸孔。金剛石珩磨的主要缺點是會在表面上遺留更多的撕裂狀金屬屑和折疊狀金屬屑，部分覆蓋珩磨溝槽，中斷溝槽內(nèi)的機油流動。由于缸孔表面無法保留足夠的機油形成油膜，可能導致缸孔表面過度磨損。

1缸孔珩磨

珩磨用于精加工缸孔表面，珩磨切削痕跡會在缸孔表面形成一種斜紋形式的溝槽。盡管珩磨有多種形式，但多數(shù)缸孔機械加工采用平臺珩磨。

缸孔平臺珩磨是一種流行的機械加工方法，因為兼有波峰高度(Rpk)小、承載面積(Abbott-Firestone曲線)大和溝槽網(wǎng)紋數(shù)量(Rvk)充足，具有良好的儲油能力等優(yōu)點，能夠?qū)钊h(huán)進行適當潤滑。平臺珩磨的優(yōu)點如下:(1)磨合時間大大縮短；(2)竄氣量減少，排放更加清潔；(3)發(fā)動機磨合期的機油消耗減少；(4)活塞環(huán)和氣缸磨損減小，發(fā)動機使用壽命延長。

珩磨表面的質(zhì)量受缸孔幾何形狀和直徑公差、精鏜表面的粗糙度、機械加工過程、機械加工段數(shù)，以及珩磨油石的材料、硬度和類型等方面影響。為獲得特定的表面，通常采用4個步驟對缸孔表面進行機械加工(圖1)。

精珩能夠清除前2個步驟留下的所有痕跡。平臺珩磨會部分取代缸孔表面的磨合過程，從而改善氣缸的尺寸公差，提高發(fā)動機效率，減少機油消耗。可以采用多個參數(shù)來表征平臺珩磨表面:(1)二維參數(shù)，如表面粗糙度的平均偏差(Ra)、平均表面粗糙度(Rz)、最大表面粗糙度(Rmax)；(2)描述諸如斜度(Rsk)和峭度(Rku)等表面形狀的參數(shù)；(3)二維(Rk)和三維(Sk)功能表征參數(shù)，例如描述磨合屬性的當量波峰高度(Rpk和Spk)、描述磨損和承載能力的核心粗糙度深度(Rk和Sk),以及描述潤滑油容積的當量波谷深度(Rvk和Svk)。

2缸孔珩磨的必要性

通常采用條形油石作為珩磨工具，有時也采用扇形、帶形磨具、研磨箔、研磨刷和激光燒蝕等。珩磨油石工作表面通常是連續(xù)的、離散間斷的或者區(qū)域差異化的結構較少。鑄鐵氣缸的磨料是綠色碳化硅、微晶和多晶合成金剛石晶粒或立方氮化硼，這些磨料都具有自銳性，且易受磨削工具容積內(nèi)部空間方向性的影響。

缸孔表面珩磨的主要目的是將表面加工成所需的幾何形狀。在對缸孔表面進行粗加工之后，珩磨為表面提供了理想的圓度和直線度，即缸孔的圓柱度。珩磨切削痕跡在缸孔表面形成了斜紋形式的溝槽。

通過將機油保持在缸孔表面及改善機油的分布情況，珩磨溝槽、波谷的容積和方向控制著可用機油量。由于良好密封性和最佳潤滑的要求之間相互沖突，因此，對缸孔表面形貌的要求是非常苛刻的。

新珩磨過的氣缸壁輪廓上顯現(xiàn)出許多小的波峰和波谷。波谷是磨料在珩磨過程中對金屬劃擦造成的，波峰代表與活塞環(huán)接觸的表面最高點。

發(fā)動機起動后，大的峭峰不會保持很久，因為在磨合過程中，活塞環(huán)將逐漸剪切掉波峰頂部。當最高的波峰被磨平后，峭峰將會變平，形成“平臺”效果。這樣會增加活塞環(huán)的承載面積，活塞環(huán)更易滑過在波谷內(nèi)儲油形成油膜的氣缸表面。

當活塞環(huán)磨合后，磨損會停止，因為活塞環(huán)有一薄層機油油膜支撐，不會與氣缸壁有物理接觸。因此，理想的缸孔表面必須能夠再現(xiàn)這種條件。可進行表面精加工，使活塞環(huán)能以最低的磨損很快磨合，并保留適當數(shù)量的機油，即通過使用適當?shù)溺衲スば蚴够钊h(huán)實現(xiàn)理想的潤滑效果。

合適的交叉網(wǎng)紋也能夠利用足夠的波谷儲存機油，但不會儲存太多。關鍵是獲得恰當?shù)膬Υ鏅C油容積(Vo)。如果交叉劃痕太深或存在太多波谷(波峰和承載面積不足)，發(fā)動機就會消耗過量機油。如果交叉角度太大，活塞環(huán)將會泵出機油或過度旋轉(zhuǎn)，這將加速活塞環(huán)和活塞環(huán)岸的磨損。如果交叉角度太小，當活塞環(huán)經(jīng)過波谷時就會產(chǎn)生棘輪效應，阻礙活塞環(huán)獲得適當潤滑。

采用太粗糙的油石進行精珩通常會導致儲存的機油量大且消耗量多。如果交叉劃痕太淺或在缸孔表面存在太多平臺，儲存的機油量不足以保持活塞環(huán)潤滑，會加速活塞環(huán)和氣缸的磨損。這種結果通常是采用太精細的油石進行精珩導致的。

為了研究珩磨的效果及比較不同的珩磨(具有不同的定義參數(shù))，可以使用下面的公式計算定義表面的儲油體積:

(1)

針對特定缸孔推薦的儲油量為0.033～0.250μm3/cm2。表1列出珩磨表面的粗糙度和珩磨角度。

表1　珩磨表面的粗糙度和氣缸體的珩磨角度

3缸孔珩磨使用的切削鑲件類型

在傳統(tǒng)珩磨中，根據(jù)鑲件使用的材料，采用陶瓷和金剛石2種珩磨鑲件。陶瓷鑲件使用最廣泛，但金剛石鑲件的使用量日益增多。

大多數(shù)主機廠使用金剛石珩磨氣缸，因為金剛石珩磨能夠提高一致性，降低珩磨成本。

金剛石鑲件比陶瓷磨料昂貴，但按長期計算，成本實際上會降低，尤其是考慮到勞動力成本。因為金剛石磨損極小，珩磨過程需要的維護較少，能夠提高生產(chǎn)一致性。

近年來，由于對金剛石載體的改造，金剛石珩磨鑲件的珩磨特性也得到了改善，提高了油石的切削作用，減弱了金剛石在金屬上的犁削效果。在表面上產(chǎn)生的撕裂狀和折疊狀金屬屑較少，整個表面的精加工效果更佳。

最終的表面幾何形狀符合理想要求，采用陶瓷珩磨條、金屬結合金剛石或立體氮化硼(CBN)對氣缸進行精珩沒有任何差別。

4潤滑狀態(tài)

潤滑是指2種固體相互滑動時在滑動界面加入氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)潤滑劑以減小摩擦和磨損。根據(jù)接觸物體的幾何形狀、表面的粗糙度和紋理、接觸表面的負荷(或幾何形狀)、介質(zhì)的壓力和溫度、滾動和滑動的速度、環(huán)境條件、潤滑劑的物理和化學屬性、以及材料的組成，存在多種形式的潤滑過程。

表面粗糙度是2種固體之間潤滑最重要的參數(shù)之一。表面粗糙度及其相對表面運動的布置方向?qū)旌蠞櫥瑺顟B(tài)的潤滑性能具有很大影響，因為在混合潤滑中負荷由潤滑劑壓力和表面微凸體共同分擔。實際摩擦接觸絕大多數(shù)都是運行在混合潤滑狀態(tài)，因此，粗糙度的影響尤為重要。長期磨損失效和突發(fā)性擦傷失效取決于潤滑過程，后者受微觀幾何形狀和界面接觸溫度的影響。

潤滑狀態(tài)分為厚膜潤滑、薄膜潤滑和邊界潤滑。當潤滑油膜的厚度大于潤滑劑分子尺寸許多倍，即表面之間完全分離時屬于厚膜潤滑。在厚膜潤滑中，流體壓力承載負荷。如果負荷由流體壓力和接觸表面共同分擔，被稱為薄膜潤滑或混合潤滑。車用發(fā)動機運行時缸孔表面與活塞環(huán)之間就是這種潤滑方式。當全部負荷僅由接觸表面承受時，這種最嚴峻的情況被稱為邊界潤滑，主要出現(xiàn)在發(fā)動機起動階段。3種潤滑狀態(tài)通過負荷、速度、潤滑劑黏度、接觸面幾何形狀，以及2個表面的粗糙度進行區(qū)分。

5珩磨工具鑲件對儲油能力的影響

金剛石珩磨和陶瓷珩磨在缸孔表面上的切削效果不同。通過比較這2種珩磨表面可以看出，珩磨輪廓上具有尖銳或平滑邊緣。由于陶瓷珩磨采用砍切式推進方式，因此珩磨表面呈現(xiàn)尖銳邊緣，而金剛石珩磨采用碾壓式推進方式，因此其珩磨表面呈現(xiàn)平滑邊緣。

6試驗工作

6.1　發(fā)動機及零部件

試驗采用Ford公司生產(chǎn)的直列5缸發(fā)動機，功率為195PS①，扭矩為470N·m(圖2)。該發(fā)動機采用EGR系統(tǒng)，排放能夠達到歐5水平。為了降低燃油耗，采用帶反饋控制管的可變機油泵取代標準機油泵。

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

活塞環(huán)根據(jù)對抗刮傷性的要求采用物理汽相沉積(PVD)鍍鉻。PVD技術是一種通過反應將氣相硬質(zhì)涂層沉積在活塞環(huán)表面上的方法。通過電弧或者惰性氣體離子束轟擊將金屬汽化和離子化。金屬離子加速運動到零件表面，放電后沉積在上面。在反應過程中，金屬原子與反應氣體原子相互作用，形成氮化物、碳化物和氧化物等，從而形成薄且致密的鍍層，在零件表面形成精準的輪廓形狀。由于這些涂層具有的陶瓷特性，PVD涂層活塞環(huán)的抗刮傷性和耐磨性極強。活塞環(huán)更傾向采用基于CrN系統(tǒng)的PVD涂層。

由于發(fā)動機是針對北美市場進行開發(fā)驗證的，因此燃料采用摻混20%生物柴油的標準柴油(EN590)。此外，在機油中摻入4%的燃油用于稀釋5W30牌號機油。氣缸體采用了母材缸孔設計的直列5缸結構，缸徑為89.9mm，行程為100.7mm，鑄造材料是用于濕砂型鑄造的GJL250，采用閉式頂蓋板設計。

珩磨通過粗珩和精珩2個階段完成，都使用金剛石油石。試驗采用金剛石(金剛石珩磨)和碳化硅(陶瓷珩磨)鑲件作為磨料。金剛石珩磨具有較長的工具使用壽命，是一種更加經(jīng)濟的方法。但金剛石磨料的缺點之一是由于切削特性不利導致的模糊珩磨劃痕。

6.2　試驗條件與試驗結果

驗證選擇的測試循環(huán)是與客戶相關的通用耐久性試驗，試驗與發(fā)動機客戶的用途有關。試驗用于研究高負荷和發(fā)動機變轉(zhuǎn)速改變下發(fā)動機和/或零部件系統(tǒng)之間相互作用的耐久性。將冷卻液入口和出口溫度分別設置成90°C和110°C。機油入口和出口溫度設置為95°C和140°C。1個測試循環(huán)耗時6.5h，每個循環(huán)重復180次。整個測試的柱狀分布圖清晰總結了發(fā)動機的工況點(圖3)。如圖3所示，發(fā)動機主要在3000～3500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)全負荷工作，在部分負荷條件下的工況點，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化甚至達到4500r/min。

下面的1個測試循環(huán)闡釋了發(fā)動機的工況(圖4)。發(fā)動機在90%～100%負荷范圍內(nèi)工作，轉(zhuǎn)速范圍為750～4500r/min。

對具有相同硬件水平新標定的2臺發(fā)動機進行了測功機試驗。金剛石珩磨發(fā)動機運行300h，陶瓷珩磨發(fā)動機運行275h。這2臺發(fā)動機的唯一區(qū)別是缸體的珩磨工藝不同，分別采用了金剛石珩磨缸體和陶瓷珩磨缸體。這2種缸體采用了相同的珩磨參數(shù)(表1)。表2總結了珩磨參數(shù)的測量結果。

表2　金剛石珩磨和陶瓷珩磨缸體的珩磨表面粗糙度

7試驗結果

在試驗過程中，要頻繁分析機油含鐵量。機油含鐵量是衡量缸孔壁面和活塞環(huán)之間是否缺乏油膜的重要指標之一。來自活塞環(huán)或缸體缸孔表面的金屬是機油中鐵質(zhì)顆粒的來源。試驗過程中，每隔50h采集1次機油樣本，以分析試驗過程中鐵質(zhì)顆粒的累積情況，每隔200h就更換1次發(fā)動機機油。圖5為金剛石珩磨缸體試驗過程中鐵質(zhì)顆粒的累積情況。鐵質(zhì)顆粒在200h以后的累積量約為425mg/kg。在200h時更換機油，直至試驗結束，鐵質(zhì)顆粒含量增加至150mg/kg。圖6為陶瓷珩磨缸體的鐵質(zhì)顆粒累積量。試驗持續(xù)了275h，未更換機油。直至試驗結束，鐵質(zhì)顆粒的累積量約為250mg/kg，幾乎為金剛石珩磨缸體的50%。發(fā)動機機油含鐵量快速增加表明缸孔表面的材料因缺乏潤滑油被活塞環(huán)刮落。可以推斷，磨損越大，摩擦和燃油耗越大。2臺發(fā)動機的燃油耗趨勢比較顯示出相應的儲油特性。但可以確定，這兩臺發(fā)動機具有幾乎相同的功率和扭矩。金剛石珩磨發(fā)動機和陶瓷珩磨發(fā)動機每100h的測量結果均在功率和扭矩限值內(nèi)。對金剛石珩磨和陶瓷珩磨缸體的發(fā)動機在試驗過程中的燃油供油量進行分析的結果表明，在低轉(zhuǎn)速下，這兩種發(fā)動機需要的燃油量幾乎相同，但在較高轉(zhuǎn)速時，金剛石珩磨缸體的試驗發(fā)動機需要更多的燃油。另外，研究也表明，較高發(fā)動機轉(zhuǎn)速時需要較少的燃油量，這可能與陶瓷珩磨缸孔的儲油能力有關。

8討論

金剛石和陶瓷珩磨表面的掃描電子顯微鏡圖像顯示，金剛石珩磨表面比陶瓷珩磨表面更光滑(圖11，圖12)。與陶瓷珩磨表面相比，金剛石珩磨溝槽到珩磨表面的過渡更加平滑。圖像也表明，金剛石珩磨表面的形成靠推削。圖7示出珩磨溝槽由表面推削形成。圖8示出珩磨溝槽由表面切削形成。這是金剛石和陶瓷珩磨表面的主要差別。

珩磨溝槽、波谷的容積和方向通過將機油保持在缸孔表面以及改善機油的分布控制可用機油量。當珩磨溝槽被撕裂狀和/或折疊狀金屬屑阻斷時，表面儲油能力下降，很可能會減小表面上的油膜厚度。

磨損呈幾個發(fā)展階段。帶有大量交叉網(wǎng)紋溝槽的氣缸表面是犁削材料沿溝槽堆成的。運動的活塞環(huán)會刮掉一些犁削材料，在表面上形成縱向劃痕。機油分析清晰表明在試驗過程中含鐵量增加。這與缸孔表面脫落的材料直接有關，而缸孔表面材料脫落是由于表面缺乏機油導致金屬之間的接觸造成的。

9結語

采用金剛石珩磨和陶瓷珩磨缸體進行了試驗。針對2種發(fā)動機進行了相同的測試循環(huán)。采用不同的珩磨缸體進行2種試驗的主要目的是研究金剛石珩磨對缸孔表面及缸孔表面儲油能力的影響。針對金剛石珩磨和陶瓷珩磨缸體，分別采用了1個全新的缸體樣本，研究珩磨表面的形貌。在缸孔表面的機械加工過程中，金剛石珩磨對表面進行犁削，而陶瓷珩磨尖銳地切削缸孔表面。與陶瓷珩磨相比，金剛石珩磨會在表面上遺留更多的可能阻斷儲油溝槽的撕裂狀和/或折疊狀金屬屑。為了提高金剛石珩磨表面的質(zhì)量，在確定珩磨參數(shù)和珩磨工具參數(shù)時應仔細斟酌。

田永海孫丹紅譯自SAE Paper 2014-01-1660

劉巽俊校

虞展編輯

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收稿日期:( 2014-11-24)