缸孔珩磨工藝研究與應用

2017-10-17 03:42:07張來文范習民劉海報

汽車實用技術 2017年18期

關鍵詞：工藝

張來文，范習民，劉海報

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，合肥市 230601）

缸孔珩磨工藝研究與應用

張來文，范習民，劉海報

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，合肥市 230601）

缸孔平臺網紋珩磨是缸孔加工的新工藝，有利于提高缸孔精度，改善發動機的動力性、經濟性和耐久性能。介紹了通過平臺珩磨工藝參數調整，解決了某柴油機的缸孔珩磨工藝參數設計中存在的問題，使各項粗糙度評價指標達到了設計要求。

缸孔；平臺珩磨工藝；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

氣缸套的內孔是內燃機的重要支撐面，承受燃燒過程中產生的高溫、高壓和交變應力，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]。

某柴油發動機缸孔珩磨加工不滿足設計要求，通過對檢測數據進行SPC過程分析, 對機體鏜孔過程中刀具轉速、進給量和切削量參數，以及珩磨過程中珩磨頭轉速、進給量、切削量和擴張壓力參數進行優化后，機體缸孔珩磨質量得到顯著提升，各項達到了設計要求。

1 缸孔平臺珩磨工藝及評價指標

1.1 缸孔珩磨工藝的發展

發動機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。珩磨工藝的發展可分為四代：

第一代珩磨為手動或脈沖間歇式液壓膨脹進給，這種珩磨只進行一個階段的珩磨，一般不分粗珩和精珩。其缺點是珩磨壓力不穩定，影響加工的形狀精度，尺寸控制完全靠工人的經驗和不斷地停機測量來保證，加工出來的缸孔質量水平低且難以穩定。

第二代珩磨為兩階段（粗珩、精珩）的自動液壓膨脹進給珩磨。特點是兩組不同的珩磨油石在同一個珩磨頭上呈對稱、間隔分布，粗珩、精珩條由特殊的液壓雙聯進給系統自動控制，可在一次裝夾中完成粗、精珩，缸孔尺寸采用氣動非接觸式主動測量裝置進行自動控制。

第三代珩磨為三階段（粗珩、基礎珩及平臺珩）的平臺珩磨或滑動珩磨。機床的主動測量系統和控制系統與第二代相似但更趨智能化，但珩出的缸孔表面結構性能得到巨大提升。

第四代珩磨以激光珩磨為代表，它不是傳統意義上的接觸式的機械加工，而是通過光導系統將激光器產生的光束聚焦到孔壁上，經過數控系統可以保證激光加工頭靈活地按照用戶所要求的表面結構進行加工，缸孔表面更加規則、理想；但是，激光珩磨設備維護成本昂貴，技術含量高，操作復雜，對維修人員要求素質高，維修難度大，在國內應用較少。

目前，乘用車用發動機的缸孔珩磨工藝大都是平臺珩磨或滑動珩磨，這兩種珩磨分別為歐洲的兩大主流珩磨機廠家發展的不同方向，其中，Gehring珩磨機主要是以平臺珩磨為主，向激光珩磨方向發展；而Nagel珩磨機主要是以滑動珩磨為主，向螺傘滑動珩磨方向發展[3]。

1.2 平臺網紋珩磨的加工工藝

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

珩磨前缸孔需要進行粗鏜、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，為精鏜做好準備；精鏜——欲確保珩磨具有高的精度和穩定的質量，必須珩磨余量適當、基礎精度適當（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備，留有合適的珩磨余量、提供合適的基礎精度。

平臺珩磨是在對已磨合完的發動機缸孔表面進行微觀分析和研究的基礎上，開發的一種珩磨工藝。平臺珩磨的顯著優點為：良好的表面耐磨性、油膜儲存性，可使用低摩擦力的活塞環、降低機油消耗。平臺網紋珩磨的基本工藝為：粗珩→精珩→平臺珩。粗珩是修正和穩定精鏜后的形狀精度，此外還要形成一個基本的表面結構，提高孔的形狀精度，降低孔的表面粗糙度，為精珩做好準備。精珩是更換珩磨油石，進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紋，使缸壁的宏觀幾何形狀將得到改善，并且表面的基本結構C也將被加工出來。平臺珩是更換油石，去除溝痕波峰，使表面基本結構C的表面尖峰將在幾秒鐘內被珩磨掉，從而形成一個小平臺，該小平臺也就是所謂的平臺支承表面，該平面的表面光潔度很高，同時又具有較高和較好的支承率。平臺珩去掉表面波峰形成平臺即可，加工余量較小，最好與精珩磨一次安裝加工完成，否則重復定位誤差將破壞平臺珩磨精度。

圖1 理想的缸孔表面

實現平臺珩磨的珩磨頭的結構特點一般在平臺珩磨刀具上有兩套不同的砂條，它們各自配有一套獨立的漲刀裝置。一套砂條用于平臺基本結構珩磨（精珩），另外一套砂條則是用于平臺表面加工（平臺珩）。該雙進給刀具也以用于粗珩和精珩，如圖2所示。

圖2 平臺珩磨頭

這種刀具主要的優勢是：可在同一個工位一次裝夾，使用同一根主軸就可進行兩次不同的珩磨加工。除了在經濟性上有明顯優勢外，它還可以保證穩定的平臺表面[3]。

1.3 影響平臺珩磨的因素

珩磨砂條的選擇是制定缸孔珩磨工藝的一個至關重要的條件，砂條的燒結技術直接影響砂條的質量。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。常見的結合劑有陶瓷結合劑、人造樹脂結合劑、銅基金屬結合劑、銀基結合劑以及鈷基結合劑等。

上換向點和下換向點的設置直接影響缸孔形狀，如圖 3所示。一般來說，珩磨時砂條的伸出長度為砂條本身長度的三分之一被證明是最理想的，當伸出長度上下對稱時，我們可以得到一個理想的圓柱度，如圖3中a所示；若砂條伸出長度太大時，因砂條的很大一部分在孔的上下兩棱被磨利，并在這一區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；若砂條伸出長度過小，砂條會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 珩磨上換向點和下換向點位置

除了珩磨砂條及珩磨加工參數對加工質量及效率有重大影響外，珩磨液對加工質量也是很重要的。珩磨液要求黏度低，具有極好的滲透性、潤滑性和排屑性，要有很強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。兩種冷卻液各有優缺點，油基優點是滲透性、潤滑性好，排屑性和清洗能力強，缺點是燃點低、抗煙霧性差，廢棄時難以處理且不環保；對水基珩磨液來說，優點是安全性、環保性好，抗煙霧性好，冷卻性好，可進行處理以適應環保要求，缺點是滲透性、潤滑性差。近年來，歐洲一些國家越來越流行使用水基珩磨液替代珩磨油以適應日益嚴格的環保要求。總體來說，每個具體的珩磨加工參數的確定是需要根據實際的工藝參數和工件的測量結果來設定[3]。

1.4 平臺網紋珩磨的優點

平臺網紋珩磨在缸孔表面形成的這種特殊結構有如下優點：

1）微小的平臺增加了接觸面積，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）細小的溝痕形成良好的儲油空間，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的摩擦，因而可以使用低摩擦力的活塞環。

3）細小的溝痕形成良好的儲油空間，減小了機油的散失，進而降低了機油消耗。

4）珩磨后在缸孔表面形成了無數微小的平臺，增加了缸孔與活塞及活塞環的接觸面積，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間，甚至不用磨合[4]。

1.5 平臺網紋珩磨表面質量的評定

珩磨加工結束后的表面粗糙度、平臺結構、網紋角和溝槽形態等均需要得到正確的測量和分析，一般由粗糙度儀器檢測完成[5]。對于缸孔平臺參數一般按照GB18778.2-2003標準規定的5項粗糙度指標來評價，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，進入材料內部的溝痕平均深度。

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域所占面積比率[6]。

2 缸體珩磨工藝優化與應用

2.1 缸體缸孔珩磨加工現狀

以某柴油機缸體缸孔的平臺網紋珩磨為例，該柴油機缸體為鑄鐵件，不加缸套，其平臺網紋參數要求如下：Rk：0.3～1.2μm、Rpk：≤0.3μm、Rvk：1.0～2.0μm，Mr1： ≤7%、Mr2：70～85%。隨機抽取了4臺機體利用粗糙度測量儀對機體缸孔網紋參數Rk、Rpk、Rvk，Mr1、Mr2進行了檢測，檢測數據如下（見表1）：

表1 缸孔網紋檢測結果（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 過程質量能力統計表

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，珩磨時間長，加工效率低，油石磨損快，加工成本高而且加工精度差，質量不穩定。

2）油石漲出量、漲出速度應與金屬的切除量和切除速度一致。反之，將出現空行程，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紋狀態都很差。

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

5）刀具轉速、進給量、切削量、擴張壓力也是影響珩磨質量的關鍵[4]。

2.3 缸體缸孔珩磨加工工藝參數優化

通過SPC分析，基本找出了引起珩磨質量的原因，確定從調整工藝參數著手來提升珩磨質量，對機體鏜孔過程中刀具轉速、進給量和切削量參數進行優化，對珩磨過程中刀具轉速、進給量、切削量和擴張力參數進行優化。通過對加工參數反復的調試與驗證，確定了從粗鏜、精鏜、粗珩、精珩、平臺珩這五道加工工序加工參數的最佳值。調整后珩磨加工質量復合設計要求。調整后的加工參數如下：