浅谈缸孔平台珩磨

浅析缸孔平台珩磨技术

吴勤 （东风本田发动机有限公司，广州510700）

摘 要：本文从珩磨的原理、评价平台珩磨的各种参数以及影响平台珩磨加工质量的因素三个方面介绍了平台珩磨在缸孔加工领域上的应用。 关键词：平台珩磨、粗糙度、缸孔加工、油石

1、前言 这几年来，汽车行业在我国的蓬勃发展大家有目共睹。汽车在国内的人均保有量越来越大。全国各汽车公司之间的竞争更是越演越烈。怎样才能脱颖而出赢得市场是他们首要关心的问题。另一方面，随着人们环保意识的提高，加上油价攀升等众多因素的影响，购车群体对汽车的经济性、环保性越来越重视。改善发动机加工工艺、降低发动机的油耗及尾气排放是汽车赢得市场的重大突破口。 影响发动机的油耗和尾气排放的因素是很多的，其中一个重要的影响因素是发动机气缸与活塞环这对摩擦副的工作状况。润滑油对活塞环与气缸壁之间的工作状况起着决定性的影响。如果气缸壁的润滑油过多，在高温高压的情况下润滑油很容易燃烧而产生废气，使排放超标；相反如果气缸壁的润滑油过少，会大大增加活塞环对气缸壁的摩擦，降低发动机的效率，增加油耗，还会影响燃烧室的密封性能，增加废气的排放；甚至还有可能出现拉缸的现象。所以控制气缸壁的储油能力对发动机的性能有着重要的影响，这样发动机气缸壁的表面质量就显得尤为重要了。传统的发动机气缸壁的加工工艺已经很难对其表面质量作进一步的改善了，有必要研究和开发新型的发动机气缸壁的加工方法。平台珩磨是国内新型的发动机气缸精加工方法，它能在气缸壁形成良好的表明网纹，使气缸壁在拥有较高的承载率的同时还具有较好的储油能力，大大提高发动机的性能。平台珩磨的表面微观轮廓如下图所示：

2、珩磨的原理 珩磨是利用安装在珩磨头圆周上的多条油石，由张开机构将油石沿径向张开，使其压向工件孔壁，以便产生一定的面接触。同时使珩磨头旋转和往复运动，零件不动；或者珩磨头只作旋转运动，工件往复运动从而实现珩磨。 珩磨时，油石上的磨粒以一定的压力、较低的速度对工件表面进行磨削、挤压和刮擦。油石作旋转运动和上下往复运动，使油石上的磨粒在孔表面所形轨迹成为交叉而又不重复的网纹。与内孔磨削相比，珩磨参加切削的磨粒多，加在每粒磨粒上的切削力非常小，珩磨切速低，仅为砂轮磨削速度的几十份之一，在珩磨过程中又旋转加大量的冷却夜，使工件表面得到充分的冷却，不易烧伤，加工变形层薄，故能得到很理想的表面纹理。 珩磨头与机床采用浮动连接，这样能减少机床静态精度对珩磨精度的影响。还能保证余量均匀，但也决定了珩磨不能修正被加工孔的轴线位置度误差。由于油石很长，珩磨时工件的突出部分先与油石接触，接触压力较大，使突出部分很快被磨去，直至修正到工件表面与沙条全部接触，因此珩磨能修正前道工序产生的几何形状误差和表面波度误差。 珩磨的切削分为定压切削和定量切削两种。定压进给中进给机构以恒定的压力压向孔壁，共分三个阶段： 第一个阶段是脱落切削阶段，这种定压珩磨，开始时由于孔壁粗糙，油石与孔壁接触面积很小，接触压力很大，孔壁的突出部分很快被磨去。而油石表面因接触压力大，加上切屑对油石粘结剂的磨耗，使磨粒与粘结剂的结合强度下降，因而有的磨粒在切削压力的作用下自行脱落，油石面即露出新磨粒，即油石自锐。 第二阶段是破碎切削阶段，随着珩磨的进行，孔表面越来越光，与油石接触的面积越来越大，单位面积的接触压力下降，切削效率降低。同时切下的切屑小而细，这些切屑对粘结剂的磨耗也很小。因此，油石磨粒脱落很少，此时磨削不是靠新磨粒，而是由磨粒尖端切削。因而磨粒尖端负荷很大，磨粒容易破裂、崩碎而形成新的切削刃。 第三阶段为堵塞切削阶段。继续珩磨时油石和孔表面的接触面积越来越大，极细的切屑堆积于油石与孔壁之间，不易排除，造成油石堵塞，变得很光滑。因此油石切削能力极低，相当于抛光。若继续进行油石堵塞严重而产生粘结性堵塞时，油石完全失去了切削的能力并严重发热，孔的精度和表面粗糙度均会受到影响。此时应尽快结束珩磨。定量珩磨是指进给机构以恒定的速度扩张进给，使珩磨强制性地切入工件。因此珩磨只存在脱落切削不可能存在堵塞切削现象。用此种方法珩磨时，为了孔精度和表面粗糙度，最后可以不进给珩磨一段时间。有时候为了提高珩磨效率，定压珩磨和定量珩磨可以结合使用。 对于平台珩磨，为了达到平台效果，珩磨时一般需要三道工序，第一道粗珩是要消除前面精镗缸孔所产生的的几何误差，使缸孔圆度、圆柱度均符合工艺要求，并且形成适合下一道珩磨工序加工的良好的表面粗糙度和合适的加工余量。第二道工序是拉沟槽，是要在缸孔表面形成清晰可见的、对称的、均匀的网纹，并在微观轮廓上形成具有一定数量和深度的沟槽。第三道工序精珩形成平台，去掉粗珩产生的波峰而保留其波谷，从而使轮廓曲线上出现一定宽度和数量的平台，并保有一定深度的沟槽。 我公司对缸孔的平台珩磨，三道工序都在同一个珩磨头上实现，珩磨头采用机械液压双进给结构，首先是粗珩，采用机械涨刀，为定量珩磨，分两次不同的进给量和进给速度来实现；其次是精珩，采用液压涨刀，为定压珩磨，分两级膨胀力贴靠缸孔，以达到消除平台的目的。双进给珩磨头的结构如下图所示:

3、平台珩磨表面特征参数 不同的厂家对平台珩磨的要求都有所不同，但其形态都必然要通过各种参数表现出来，要探讨珩磨技术，就必须要对各种表征网纹特征的参数有所了解。常见的有Ra、Tp（Rmr）、Abbott曲线、Rk、Rpk、Rvk、Mr1、Mr2、网纹角θ等。 Ra：轮廓算术平均偏差，是公认的、广泛应用的、国际粗糙度参数。它是在取样长度轮廓偏距绝对值的算术平均值。从定义可知Ra值仅表示表面轮廓的平均粗糙程度，不能表征轮廓形状结构特征。Ra相同的表面，其轮廓形状可能不同，甚至相差很大，因此，使用Ra值评价平台网纹表面结构有一定的局限性。 Rz：微观不平度十点高度，在取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值的绝对值和5个最大的轮廓谷深的平均值的绝对值之和。如下图所示： 图 三 Rz虽然评价点少，不涉及最大峰高与 最低谷深之间的轮廓变化，属于不完全的统计参数，当被测量的表面均匀性较差时，会因为被测部位不同，在理论上产生很大的离散性，但是对于均匀性较好的平台网纹表面，却能对网纹沟槽的深度、分布、均匀程度等进行细致的描述。所以参数Rz是非常有价值的支持参数，被广泛应用。 Tp（Rmr）：轮廓支承长度率，截止水平线上，具有实体材料的轮廓长度所占评定长度的百分比。截止水平线与基准线平行。从最高波峰开始引水平线可以确定截止水平线。 Abbott曲线：轮廓支承长度率曲线tp（c），又称阿伯特-范斯通曲线，用纵坐标表示截止水平线的深度，横坐标表示不同截止水平深度的轮廓支承长度率所画出来的曲线就是轮廓支承长度率曲线。它反映了某一截止线上实际接触长度的大小，直观地反映了零件表面的耐磨性，并可用它近似地描述零件表面磨损到一定程度时实际接触面积的大小，对分析零件表面的承载能力也具有重要的意义。所以它是描述粗糙度轮廓指标的主要指标，也是评价平台珩磨网纹特征的一项重要特征值。 轮廓支承长度率曲线对气缸内孔表面的初期磨合性能、使用寿命、润滑性能等都有非常重要的意义。但由于它是以图形的形式表现的，所以在实际应用中有一定的局限性。因此需要用一系列参数对轮廓支承长度率曲线进行量化描述。我们称之为综合参数。在坐标系中，用轮廓支承长度率为40％的切割线沿着轮廓支承长度率曲线移动，直至找到最小的斜率为止，然后把切割线两端延长，与纵轴相交。这条割线把轮廓支承长度率曲线分为三个区域，分别为波峰区、中心区和波谷区。由此可以产生一系列表征轮 廓支承长度率的曲线，其中有Rpk、Rvk、Rk、Mr1、Mr2等。如下图所示：

粗糙度核心轮廓深度Rk：在分离出轮廓峰和轮廓谷之后剩余的核心粗糙度轮廓的深度为Rk。Rk表征了粗糙度轮廓核心部分的特点——是轮廓支承长度率曲线上Tp增长最快（截距下降最慢）的区域，是气缸长期工作表面，它直接影响着气缸套的运转性能和使用寿命。 简约峰高Rpk：粗糙度核心轮廓上方的轮廓峰的平均高度，气缸套工作表面轮廓顶部的这一部分，当发动机开始运行时，将很快被磨损掉，其减低的高度将影响气缸套进入正常工作状态的磨合时间及实际材料磨损量。 简约谷深Rvk：从粗糙度核心轮廓延伸到材料内的轮廓谷的平均深度。这些深入表面的深沟在活塞环相对缸套运动时，有利于形成附着性很好的油膜，在减少摩擦功损失的同时，能大幅度降低油耗。 轮廓支承长度率Mr1：由一条将轮廓峰分离出粗糙度核心轮廓的截线而确定的。该截止线是粗糙度中心轮廓到没有实体材料的那一边的分界线。Mr1是气缸进入长期工作状态时 的轮廓支承长度率。其数值的大小直接反映了气缸的加工水平和使用性能。 轮廓支承长度率Mr2：由一条将轮廓谷分离出粗糙度核心轮廓的截线而确定的。该截线是粗糙度中心轮廓到有实体材料那一边的分界线。它是气缸脱离长期工作表面时的轮廓支承长度率。其数值的大小不但决定了正常的磨损量，即缸套的使用寿命，还决定了工作表面的储油、润滑能力。 网纹角θ：网纹角是珩磨头的往复运动所形成的珩磨纹的夹角。是在缸套内径的切面上评定的，其大小是由珩磨头回转线速度与上下往复运动速度决定的。网纹角θ的大小和均匀程度决定了缸孔表面油膜的稳定性和油耗的大小，从而影响发动机工作性能及气缸套使用寿命。 表征平台珩磨网纹特征的参数多种多样，在实际生产应用中不可能每一个参数都进行测量描述。而是选几个能够全面、真实反映珩磨表面纹理的，对该产品的性能起关键作用的参数进行描述。只要这几个参数能够符合设计要求，就认为这个工件合格。对于发动机缸套的平台珩磨，常见共同描述起表面特征的参数有网纹θ、Rz、Rk、Mr1和Mr2。有时候也用特定深度的Tp（Rmr）值来代替Mr1和Mr2来描述网纹特征。例如HONDA CIVIC 1.8L 发动机气缸套的珩磨表面特征评定参数为：40≤θ≤60；1≤Rz≤5；Rk≤1；55％≤Rmr（20）≤95％。需要注意的是如果用特定深度的Tp值来描述网纹特征时，如果取样长度内出现毛刺、杂物等导致有异常的波峰，会对特定深度的Tp值带来很大的影响，从而导致测量误差增大。遇到这种情况应去掉异常波峰来计算其特定深度的Tp值。 4、影响平台珩磨加工效率与质量的因素 4.1、切削余量 气缸套在进入珩磨之前，需要有一道精镗的工序，缸孔精镗后切削余量的大小，是影响平台珩磨加工效率与质量的一个重要因素。小的加工余量，能提高珩磨加工的效率，但是加工余量不能过小，否则会导致粗珩沟槽不够、不均匀、网纹不清晰等表面缺陷。如果珩磨余量过大、珩磨时间就会变长，以致加工过程中产生的大量切削热难以及时排散，冷却后孔径变小，直接影响孔的尺寸精度。珩磨加工余量主要是根据工件材料的硬度、孔径大小以及珩磨前孔的加工精度来选择。一般取前道工序形状误差及表面变形层综合误差的2～3倍。 4.2、珩磨油石 对珩磨的表面质量起决定因素的是珩磨条，即珩磨油石。缸套内孔的珩磨加工必须根据缸套材质、产品图要求等正确地选择珩磨油石,这是保证有效完成缸套珩磨加工的重要条件之一.油石的性能,主要是由磨料、磨料的粒度、油石的硬度及结合剂等因素决定的,珩磨加工还受油石的规格及珩磨头中油石的数量影响.因此,我们在选择珩磨油石时应综合考虑上述因素的影响。选择粗珩（拉沟槽）油石尤为重要，应综合考虑各种参数，一般应先考虑Rz，根据Rz的大小选择油石的粗细，其次是考虑Mr2，油石粒度越小，硬度越高，其Mr2值就越小。 磨料是油石的基本材料，油石选用磨料是要根据工件而定的，常用的磨料有白刚玉、碳化硅、立方碳化硅、立方氮化硼、金刚石等。油石磨料选用不合适会直接影响到珩磨加工的表面量。刚玉系珩磨油石，适宜加工淬火钢、高碳钢以及薄壁零件和抗拉强度高、韧性较大的金属；碳化硅系油石适用于珩磨强度低和性能脆的材料，如铸铁及黄铜等有色金属和非金属材料，金刚石系油石适合于加工韧性较差的硬或软的工件材料，立方氮化硼是加工钢材料的一种好磨料，尤其适合于加工硬且韧性大的钢件材料，如特种工具钢( 高钒高速钢) 、耐热合金钢、镍基高温合金、钛合金和高铬不锈钢等。 粒度的选择主要取决于对工件表面的加工精度和生产效率的要求。粗粒度及中等粒度的