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一种有效提升汽车发动机关键件精加工工艺水平的新方法
Nov 5, 2012  来源:  作者:大众动力总成(上海)有限公司朱正德

      1     表面微观结构及其在用的珩磨工艺

 

      在发动机制造业,珩磨是一种被广泛应用的工艺方法,无论是气缸体缸孔还是其他一些部位(如连杆大头孔),业内现今主要采用的最终精加工工艺仍是珩磨,通过精镗工序之后的粗珩和精珩(有时还会有半精珩这道工序),在表面进行宏观和微观几何加工。作为发动机中一组重要的摩擦副,配合面的状态是否符合要求至关重要,将直接关系到产品的运行质量和可靠性。这些影响因素中,除了表面硬度、宏观几何精度外,配合面的的微观结构更是往往会决定相关的工艺性能。工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形状误差,而表面微观结构则主要指前二项,如图1所示,它们均为零件重要的质量监控指标。例如,对于缸孔来说,通常情况下,经过珩磨加工后的工件表面微观结构应同时具备这样两项特性,一方面需要具有很光顺的表面和尽可能多的承载面积,从而确保相互运动时的滑动性和耐磨性;另一方面,又需要一个开放性的表面微观结构,以保障表面的储油能力,即这个表面仍然是"粗糙"的。为了同时能体现出这两项功能,就需要使经珩磨加工的工件表面在相对粗糙的基础上呈现出平台结构的精细的表面形态,如图2(b)所示。

 

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      在图2中,利用自最高峰顶向下1μm的截线c,分别与(a)、(b)表面微观结构相交后的情况可以清晰地看到,后者的耐磨性要高得多,且同时具有相当充分的储油能力。如此的构造,保证了有足够的润滑剂在摩擦副表面贮存,润滑剂能将两个摩擦副表面完全分离,以及做到在任何运行状态下磨损最小。其机理是润滑油由于特殊的工件表面微观形态结构将能在表面驻留很长时间,并形成流体动态压力。理想状态下,在润滑剂和施载体、受载体之间因粘着力而不会产生相对运动。相对运动只存在于润滑层内部,因而不会产生工件的很大磨损。

 

      由于在加工中,所采用油石(砂条\珩磨条)的磨料粒度、浓度、磨粒在磨具中的分布都是随机的,为了加工出具有不同要求的工件表面,只能通过改变砂条规格(粒度、比例)和机床的压力、速度等工作参数来实现,鉴于其中的不可控因素太多,使加工的一致性较差,导致了经珩磨后的工件表面微观结构往往难以与所要求的完全一致。就以前面提到的缸孔内壁为例,实际所形成的沟槽深度、宽度、密度等情况同理想的表面构造总会有差距,而珩磨条的改进、质量的提高又不可能从根本上解决上述问题。

 

      2激光造型的基本原理及其在缸孔精加工中的应用

 

      激光造型作为一种新工艺,直到本世纪初才在其诞生地---汽车工业强国德国的少数企业得到实际应用,但在用于发动机气缸体缸孔和连杆大头孔精加工等关键工序的实践中,通过其改善配合面的工艺性能、有效提升产品的质量和可靠性,已经充分显示了这种先进技术的很大优越性。近年来,这一先进的制造技术在欧洲汽车发动机业界的应用日益增多,并自2009年开始,进入了国内的主流汽车发动机生产企业,展现了它十分广阔的市场前景。

 

      简单地说,这项新技术就是利用激光头所发出的数控激光束在被加工表面制作出符合事先设定要求的表面微观结构的一种工艺方法。在实施表面造型的加工过程中,高能量的光束将有部分被工件表面反射、有部分则被吸收,被吸收的光束能在瞬间将材料加热并使之达到气化状态。这种"激光刀"产生的光束的切削能力取决于脉冲频率、功率、开关时间和进给速度等。由于温度升高是瞬间产生的,并且具有很高的能量聚集密度,因此光束只在一个有限的局部做瞬间切削,工件材质的特性不会由此而产生变化。另一方面,粘结在工件表面上的冷却剂残余物将被蒸发或燃烧,也不会影响到激光束切削的质量。激光造型设备的数控系统能驱使用于缸孔精加工(如图3所示)的激光头做上下和旋转运动,并对激光束的开关时间和能量进行相应的控制,从而可获得有着不同要求的工件内表面的微观结构。因此,用户利用这种先进的制造技术就能在工件表面产生可控的微观形貌。   

 

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      但对于缸孔精加工而言,在引入了这项新技术后,并未就此摒弃了之前采用的珩磨工艺。事实上,此时的精加工将由三道工序组成:粗珩;激光造型;精珩。粗珩的目的是使孔的形状和尺寸达到一定的精度,以能满足进行下道工序的要求,这之后才执行激光造型。经过这一道新工艺精加工后,由于往往会使表面形成的沟槽两侧存在明显的熔堆,而为了去除这些衍生的粘接熔堆和氧化物,以获得一个较高光洁度的平台结构表面,这样就必须再有一道精珩加工,以能最终得到一个理想的表面构造。在缸孔内表面精加工中引入激光造型工艺的根本目的是为了得到一个可控的、适量而又充足的微观结构,以使机油有较长的驻留时间和良好的流体动态压力。为此,一般选择采用规整、均匀的沟槽方案,具有交错断续或交叉点坑的分布特征。图4是常选的三种沟槽构造形式:袋状(a);杯状(b);块状(c)。上述结构的一个共同点是无交叉、不连通,各沟槽相互之间没有任何联系,能有效存储润滑油而不易流失,便于形成均匀油膜,使摩擦副处于流体润滑状态。由此,既保证了足够的润滑,又阻止了过多的机油窜入燃烧室,还可减少应力影响,对改善摩擦性能有很大好处。相比之下,传统珩磨工艺在缸孔内表面形成的往往就是相互连通的网状沟槽结构,且表面粗糙度又"粗",导致储油量偏多。而采取激光造型工艺的结果是使润滑油的消耗量会有较大幅度的减少,关系到环保的指标,如颗粒物排放和油粒排放则有明显降低。图5是采用这项新颖工艺加工的缸孔的实况,从图中可见,真正实施激光造型的只是位于承受高负载的缸孔上死点附近进行的区域,以保证活塞环在该区域受到高负荷时的良好润滑。图5其实是汽车已运行十多万公里再拆解后的缸壁表面情况,在图中,无论是造型形成的规则沟槽,还是下部珩磨加工的网纹都清晰可见。这也说明了利用激光造型技术可使磨损大幅度降低,从而延长发动机的使用寿命。

 

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      3     连杆大头孔的激光造型加工

 

      不同于上述活塞环-缸壁(缸孔内壁或缸套内壁)这组摩擦副,在发动机的活塞-连杆-曲轴运动机构中,与曲轴中的连杆轴颈组成运动摩擦副的,并非直接是连杆大头孔的内壁,而是一对(两半组成)轴瓦。因此,连杆大头孔不同于之前研究的缸孔,其内壁和轴瓦乃是紧紧地贴合在一起,两者之间不仅没有高频次的相对运动,而且还要求在传递高负荷的扭矩时竭力避免出现滑动,哪怕是很小的错移,以免影响发动机的运行。为此,长期以来在产品结构和工艺上,采取了分别在两片轴瓦和分体的两半连杆体上加工止口的方法,以防止产生滑移现象。这已是很成熟的制造技术,沿用至今。但近年来,汽车发动机业界出于种种考虑,不断改进产品结构和改进工艺,上述连杆轴瓦止口限位工艺已在一些企业的新产品中被取消,且这种情况逐渐在增多。显然,这种简化了的结构和工艺直接带来了对连杆大头孔内壁与轴瓦之间的配合会提出更高的要求,最基本的一点就是:被紧紧压入孔中的轴瓦与孔壁必须有足够的摩擦力,以确保发动机在高速运转中轴瓦不会有滑移。而这一点也只能由连杆大头孔内壁的有特定要求的表面微观结构来实现和保证。

 

      在发动机生产企业,虽然缸孔和连杆大头孔最后一道精加工都是采用珩磨工艺,但从前面介绍可知,两者的被加工面所应具有的工艺性能大相迳庭,完全不同。正因为如此,在引入激光造型这一新工艺的方式上,以及对"按需定制",即所期望形成的表面微观结构上,连杆大头孔与之前描述的缸孔的情况有着很大的差别,如表1所示。

                                        

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      从表1可见,相比缸体中的缸孔,连杆大头孔在引入这项新的制造技术后,原来的精加工工艺发生了根本变化,激光造型完全取代了之前的珩磨而成为精加工中的最后一道工序。图6是连杆大头孔激光造型设备的主体部分,从图中可见,该设备有一个很大的回转工作台,其上拥有"上下料"和"加工"等二个工位。在加工工位,对向设置的两个旋转激光头在完全封闭的环境下,完成了对工件大头孔圆周的4个矩形表面的烧蚀造型。经仔细观察后可以清晰地从图7中看到,那四个箭头所指处的局部阴影区域即是。那每一块造型区域又有多大呢? 

 

      对于一台小排量轿车的发动机,其连杆大头孔的外径一般不超过50mm,厚度不超过20mm,则取高(轴向)为13~15mm,宽(圆周向)度、既弧长则稍大些,但一般不用长度单位mm表示,而采用对应的角度标注,约在35°左右。

 

      如前所述,缸孔激光造型乃是在粗珩后的表面上加工出规则、均匀的沟槽。而对于连杆大头孔,则是在精镗后的圆周面上完成较均匀的凸峰状造型,无疑两者是不一样的,所产生微观结构的均匀程度也是不同的,后者更为困难。图8是经过激光造型后的表面构造三维图。从前面的介绍可知,由于连杆大头孔珩磨后要求体现的工艺性能就是确保与轴瓦间有足够的摩擦力,因此规则、均匀的程度,以及烧蚀造型过程中珩生的一些粘结熔堆和氧化物不会影响其工艺效果。通过在缸体缸孔精加工工序中引入激光造型工艺,能明显地提升发动机的产品质量和性能,但是,把这项新的制造技术真正在企业中用于实际生产的都首先是连杆大头孔。主要原因就是这样做直接带来了"在确保产品质量的同时,降低了制造成本"的效果。相比传统的一条珩磨短线(含有粗珩、在线检测、精珩、在线检测等多个工位),图6所示的设备要便宜得多,仅为前者的几分之一。而且,采用这一新工艺后运行费用也会更低,原因是既不再需要像珩磨头那样复杂又昂贵的机床附件,更不涉及到油石(珩磨条)、乳化液等消耗品。再有一点,由于无论设备本身还是牵涉的辅助器具都很简单,这就决定了运行中的故障率大大降低,使维护成本也相应降低,而这正是企业所期望的。唯一要引起注意的是必须使设备周围的油污、乳化液应远离工作区,一旦激光头"光束发射空"被堵塞,或反射镜片被弄脏,将会导致严重的质量问题。

 

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      4     结论

 

      作为一种新技术,激光造型工艺有着广阔的应用前景,用于上述发动机中的缸体缸孔和连杆大头孔的精加工仅是两个典型案例。其他可以采用这一新工艺的场合还有很多,如连杆大头孔及其端面的精加工等。

 

      但尽管如此,激光造型的推广应用也还有较漫长的路程要走,主要还是受制于投入,即制造成本。缸孔造型虽然有较明显的提升产品性能、质量的效果,但为增添设备,必然会增加生产成本,这也是一个不争的事实。此外,就完成加工之后的检测、评定来看,也存在效率偏低的弱点。目前企业正在考虑选用更高效、可行的光学扫描方式。这也说明,对产品性能、质量要求的不断提高,孕育、促进了先进制造工艺的诞生,而由此对评估、验证提出的新的需求,又推动了测量技术的发展。

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