□朱正德上海大眾動(dòng)力總成有限公司 上海 201807

發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨表面微觀構(gòu)造的質(zhì)量監(jiān)控

□朱正德
上海大眾動(dòng)力總成有限公司 上海 201807

分析了缸孔表面微觀構(gòu)造對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響，闡述了選用珩磨表面評(píng)定參數(shù)的重要性。強(qiáng)調(diào)了企業(yè)除了應(yīng)關(guān)注產(chǎn)品和工藝的進(jìn)展外，在質(zhì)量監(jiān)控方面也應(yīng)持續(xù)完善、提高。介紹了近年來(lái)在這一領(lǐng)域取得的進(jìn)展，以及利用相應(yīng)儀器進(jìn)行測(cè)量、評(píng)價(jià)的情況。

1 缸孔表面的微觀形貌特征和珩磨表面的平臺(tái)網(wǎng)紋

在內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械損耗中，由內(nèi)部磨損造成的機(jī)械損失占到其功率損失的80%左右。磨損雖然包含了運(yùn)動(dòng)副磨損、驅(qū)動(dòng)磨損及流體磨損等幾類(lèi)，但其中的運(yùn)動(dòng)副磨損是最主要的來(lái)源。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在多組運(yùn)動(dòng)副中，缸孔-活塞環(huán)又是影響最大的一組摩擦運(yùn)動(dòng)副，約占內(nèi)燃機(jī)磨損的20%。因此，通過(guò)降低這一運(yùn)動(dòng)副在工作中的摩擦損失，不但能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，減少燃料的消耗，而且在使機(jī)油耗量下降的同時(shí)，還迎合了日益提高的碳排放要求。

影響缸孔-活塞環(huán)摩擦副潤(rùn)滑的因素主要有工件表面的微觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面硬度、顆粒物、潤(rùn)滑油的黏度和溫度等，但各項(xiàng)因素對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑的影響程度（即減少摩擦損失）的效果是不同的。其中，缸孔表面的微觀形貌和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了是否有足夠的潤(rùn)滑油在摩擦副表面較長(zhǎng)的駐留時(shí)間，其形成的流體動(dòng)態(tài)壓力使相對(duì)運(yùn)動(dòng)只存在于潤(rùn)滑層內(nèi)部，而不會(huì)產(chǎn)生很大的磨損，以達(dá)到在運(yùn)行狀態(tài)下磨損盡量小的目的。在國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)界，現(xiàn)今缸孔的最終加工工藝主要還是采用珩磨，使其既具有較光順的表面和盡可能多的承載面積，確保相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)性和耐磨性，同時(shí)又形成一個(gè)開(kāi)放性的表面微觀結(jié)構(gòu)，用于保障表面的儲(chǔ)油能力，即這個(gè)表面仍然是粗糙的。為了同時(shí)能體現(xiàn)出這兩項(xiàng)功能，就需要使珩磨加工后的工件表面在相對(duì)粗糙的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)，如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，這種表面微觀構(gòu)造不但耐磨，且具有充分的儲(chǔ)油能力。

圖1 缸孔表面形成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)

事實(shí)上，為了更好地改善配合面的潤(rùn)滑功能，應(yīng)形成一種更合理的缸孔珩磨表面的微觀形貌——平臺(tái)網(wǎng)紋，即既有平臺(tái)又有網(wǎng)紋。經(jīng)過(guò)加工后的缸孔表面，乃是由無(wú)數(shù)個(gè)均勻相間交叉的又窄又深的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且網(wǎng)紋與網(wǎng)紋交錯(cuò)，相互有適當(dāng)夾角。這樣的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)深谷區(qū)存貯機(jī)油，而連續(xù)交錯(cuò)的網(wǎng)狀溝槽則便于機(jī)油在整個(gè)缸孔表面上均勻分布。眾多的小平臺(tái)有利于高強(qiáng)度油膜的形成，還具有回油功能，可以大大降低摩擦功損失。

2 科學(xué)地選用和保證珩磨表面的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 表征缸孔珩磨表面微觀結(jié)構(gòu)特征的評(píng)定參數(shù)

2.1 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用

鑒于缸孔經(jīng)珩磨加工后所形成表面的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響，故確立和選擇能反映珩磨表面特征的評(píng)定參數(shù)尤其重要。20世紀(jì)80年代末，在德國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)DIN4776中，率先提出了一組有針對(duì)性的粗糙度評(píng)定指標(biāo)。之后的若干年中，又先后被ISO組織和一些工業(yè)化國(guó)家所接受和引用，并體現(xiàn)在一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，如ISO13565-2：1996、JIS B0671-2：2002等。在標(biāo)準(zhǔn)DINENISO4287中，引入了輪廓材料比Rmr（C）和材料比例曲線(xiàn)（又稱(chēng)負(fù)荷曲線(xiàn)）的概念，相當(dāng)于最高峰頂線(xiàn)和最低谷底線(xiàn)之間的垂直距離，即Rt，也就是國(guó)標(biāo)中的Ry，從兩者對(duì)材料比例的占有來(lái)看，正好是0%和100%。

關(guān)于這點(diǎn)，則體現(xiàn)在圖2（a）中，其中的Mi（C）可以理解為在整個(gè)評(píng)定長(zhǎng)度ln上每個(gè)波峰的材料占有率。而C為對(duì)應(yīng)于評(píng)定長(zhǎng)度ln中某一具體位置的縱坐標(biāo)值，因此輪廓材料比可以表示為：

顯然，差異很大的表面微觀結(jié)構(gòu)將對(duì)應(yīng)不同的負(fù)荷曲線(xiàn)。圖2（b）即為缸孔內(nèi)壁粗糙度的示意圖，從圖中可見(jiàn)，用于珩磨后缸孔表面微觀結(jié)構(gòu)特征評(píng)定的指標(biāo)有5項(xiàng)，分別為：Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2。整個(gè)評(píng)定過(guò)程建立在負(fù)荷曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上，圖2（b）中的Mr是用百分比表示的輪廓支承長(zhǎng)度率，其含義與前面引入的特性值Rmr（C）是一致的，但作為粗糙度評(píng)定參數(shù)，只能采用有特定含義的Mr1和Mr2。處理方式為：以一段支承長(zhǎng)度率為40%的直線(xiàn)，沿著負(fù)荷曲線(xiàn)的中段移動(dòng)，直到與曲線(xiàn)的擬合程度最好、且斜率為最小的時(shí)候?yàn)橹?，然后把直線(xiàn)向兩端延長(zhǎng)，從而獲得最重要的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)Rk。

從圖2還可見(jiàn)，由決定Rk高度的兩平行線(xiàn)與負(fù)荷曲線(xiàn)的交點(diǎn)，可得到Mr1和Mr2。再通過(guò)該兩點(diǎn)分別左斜向上、右斜向下，形成兩個(gè)直角三角形，它們的頂點(diǎn)就決定了參數(shù)Rpk和Rvk，以黑色陰影表示兩個(gè)三角形的面積應(yīng)與曲線(xiàn)被截的面積相等。在這些評(píng)定參數(shù)中，Rk為中心區(qū)峰谷高度，又稱(chēng)有效負(fù)荷粗糙度，從其形成的機(jī)制來(lái)看，相對(duì)于給定的一個(gè)值，它對(duì)應(yīng)最大的輪廓支承長(zhǎng)度率，故Rk的實(shí)質(zhì)是這部分的中心區(qū)深度將在高負(fù)載運(yùn)行中被磨損掉，但又能最大程度地達(dá)到耐磨性。Rpk是超過(guò)中心區(qū)峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱(chēng)為初期磨損高度。Rvk是從中心區(qū)下限到有實(shí)體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存深度，體現(xiàn)了摩擦副在高負(fù)載工況下的失靈保護(hù)。Mr1和Mr2分別為波峰、波谷輪廓支承長(zhǎng)度率，由輪廓中心區(qū)上、下截止線(xiàn)決定，其中Mr1亦表示表面的初期磨損負(fù)荷率，而Mr2則為長(zhǎng)期磨損負(fù)荷率。

2.2 粗糙度特征參數(shù)的檢測(cè)

至于對(duì)上述粗糙度特征參數(shù)的檢測(cè)，已完全可在現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外高性能的觸針式粗糙度測(cè)量?jī)x上實(shí)現(xiàn)。自20世紀(jì)90年代起，制造廠商已經(jīng)把它們列入其儀器產(chǎn)品的功能范圍中。在前一節(jié)介紹平臺(tái)網(wǎng)紋微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，特別提到網(wǎng)紋乃是由均勻相間交叉的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且相互保持適當(dāng)?shù)膴A角交錯(cuò)，即所謂的網(wǎng)紋角，該角與上述粗糙度類(lèi)參數(shù)有著很大區(qū)別，可作為一項(xiàng)特征參數(shù)必須予以測(cè)量。因?yàn)榫W(wǎng)紋角的大小和均勻程度也關(guān)系到缸孔表面生成油膜的穩(wěn)定性和機(jī)油消耗的多少，進(jìn)而影響內(nèi)燃機(jī)的工作性能及氣缸套的使用壽命。若網(wǎng)紋角過(guò)大，貯油能力會(huì)下降，致使活塞與缸孔之間的潤(rùn)滑狀況變差，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處于啟動(dòng)和加速的工況時(shí)，就會(huì)因機(jī)油不足而加劇活塞環(huán)的磨損；若網(wǎng)紋角過(guò)小，則會(huì)影響所形成油膜的均勻性，并且影響到油環(huán)的刮油效果，從而造成機(jī)油過(guò)度燃燒，帶來(lái)機(jī)油消耗的增加和排放超標(biāo)的后果。網(wǎng)紋角應(yīng)該一般在30～60°之間為宜，至于對(duì)它的測(cè)量，可以采用專(zhuān)用的光學(xué)測(cè)量?jī)x，不但效率高、操作使用方便，且檢測(cè)精度也很高。不過(guò)，在生產(chǎn)實(shí)踐中使用最多的還是傳統(tǒng)的“拓印法”，再利用量角器把結(jié)果以手工方式測(cè)出，鑒于網(wǎng)紋角公差較大，故問(wèn)題不大。

3 提升缸孔珩磨表面微觀形貌的檢測(cè)和監(jiān)控水平

3.1 新的評(píng)定參數(shù)

鑒于內(nèi)燃機(jī)缸孔珩磨表面的狀況對(duì)燃油的消耗和廢氣排放都有較大影響，故自本世紀(jì)初以來(lái)，隨著對(duì)環(huán)保、節(jié)能、安全等方面要求的不斷提高，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)一步提升了缸孔珩磨表面微觀形貌的質(zhì)量監(jiān)控水平。歸納起來(lái)，有以下兩條看似平行的路線(xiàn)：①設(shè)立與珩磨表面功能特性相關(guān)的新的評(píng)定參數(shù)，并配備相應(yīng)高效、專(zhuān)用的測(cè)量?jī)x器；②籍助實(shí)驗(yàn)室高效能的測(cè)試設(shè)備，通過(guò)比對(duì)的方式，定性（嚴(yán)格講屬半定量）地進(jìn)行評(píng)價(jià)。

為了能更深刻地表征工作表面的特性，在幾年前剛推出的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 25178中，出現(xiàn)了眾多用于描述表面微觀構(gòu)造的三維參數(shù)，既有類(lèi)似于二維粗糙度參數(shù)，如Sa、Sz、Sk、Spk、Svk等，其單位為μm；也有新推出的如Vmp、Vmc、Vvc和Vvv等體積特性參數(shù)。圖3所示的三維表面粗糙度曲線(xiàn)，描述了與剖面深度有關(guān)的表面材料份額，從圖中可見(jiàn)，它們自上至下被分成三個(gè)范圍：波峰區(qū)、芯部區(qū)和波谷區(qū)。若通過(guò)對(duì)上述三維表面粗糙度的曲線(xiàn)進(jìn)行積分，就能夠生成以下體積特征：①輪廓波峰的材料體積Vmp；②芯部范圍內(nèi)的材料體積Vmc；③芯部范圍內(nèi)的無(wú)材料））體積Vvc；④芯部范圍內(nèi)的無(wú)材料體積Vvv。由于其為三維微體積計(jì)算，單位為μ m3/μ m2。顯然，相比之前的二維粗糙度參數(shù)，它們能更確切地對(duì)珩磨后表面的理想程度作出評(píng)價(jià)，圖3（a）、（b）分別反映了實(shí)際貯油情況有所不同的兩種表面微觀狀態(tài)。在德國(guó)大眾和奧迪公司，把參數(shù)Vvc、Vvv結(jié)合在一起綜合考慮，表述為：Vvc+Vvv的和應(yīng)控制在某個(gè)范圍內(nèi)，如0.2～0.35μ m3/μ m2。

圖3 表面材料份額特性曲線(xiàn)的三維特征參數(shù)

3.2 檢測(cè)方法

圖4（a）是為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一種高性能缸孔表面測(cè)量?jī)x，近幾年已在一些國(guó)內(nèi)外汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廠得到實(shí)際應(yīng)用，該儀器采用多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量技術(shù)，除了能提供清晰的表面微觀形貌圖像外，更可同時(shí)測(cè)出多組參數(shù)。圖4（b）是一個(gè)實(shí)例，其中包含多項(xiàng)三維粗糙度參數(shù)、網(wǎng)紋角和功能特性參數(shù)Vvc、Vvv。后兩項(xiàng)按圖紙規(guī)定必須在缸孔的4個(gè)截面的指定位置進(jìn)行檢測(cè)，且在根據(jù)規(guī)范的評(píng)價(jià)方式（Vvc+Vvv的和）所獲得結(jié)果進(jìn)行評(píng)定時(shí)，不同的位置要求還有所不同：0.2～0.35μ m3/μ m2（在距端面15 mm處），02～0.45μ m3/μ m2（在距端面45、90和110 mm處）。整個(gè)測(cè)量過(guò)程為全自動(dòng)，約在10 min內(nèi)完成，如果再在工件與儀器間加上一個(gè)數(shù)控工作臺(tái)，就能一次性地完成缸體所有缸孔的檢測(cè)。

現(xiàn)今包括德國(guó)大眾在內(nèi)的一些主流汽車(chē)企業(yè)，同時(shí)推行的還有另一種評(píng)定方式，這種評(píng)定方式相比前者的直接測(cè)量，不但效率低，而且必須以破壞方式切割取樣，過(guò)程繁瑣。需采用反射式掃描電鏡這一種很多企業(yè)并不配備的昂貴且操作復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，由于完成一次測(cè)試需數(shù)小時(shí)，故檢驗(yàn)頻次是較低的，最多就1次/周。

在具體實(shí)施時(shí)，需先有一塊合格試樣，作為與被測(cè)工件上12個(gè)取樣（位于4個(gè)缸孔中的3個(gè)深度）比對(duì)的依據(jù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，需對(duì)以下5項(xiàng)進(jìn)行評(píng)定：①平臺(tái)形態(tài)，包括合適的大?。ㄏ啾仍嚇樱⒕鶆蛐缘?；②平臺(tái)網(wǎng)紋溝道的構(gòu)造，參見(jiàn)圖5，主要考慮其寬度0.01～0.03 mm，以及暢通程度，不應(yīng)有堵塞；③珩磨表面的潔凈程度，包括粘在表面的雜質(zhì)以及不應(yīng)存在的一些堆積物；④表面的擠壓魚(yú)鱗（見(jiàn)圖6），即那些由珩磨加工在表面造成的皺褶，雖然完全消除這種現(xiàn)象不可能，但數(shù)量上需控制，圖6（a）作為可以接受的實(shí)例，一般就以合格試樣為準(zhǔn)，圖6（b）則是被測(cè)實(shí)際狀態(tài)；⑤總體印象，指的是從事評(píng)價(jià)的專(zhuān)業(yè)人員把被檢件表面與合格試樣進(jìn)行比較后形成的總的感覺(jué)。再加上了利用前述方式求得的網(wǎng)紋角共6個(gè)評(píng)定項(xiàng)，逐個(gè)對(duì)12個(gè)樣品分別按好、可以、勉強(qiáng)、差（不合格）這4個(gè)等級(jí)量化地打分。然后求取各個(gè)缸孔的3個(gè)位置取樣評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值，再?gòu)闹刑舫鲎畈畹囊粋€(gè)作為最終的評(píng)定依據(jù)，即以此認(rèn)作所測(cè)的那個(gè)缸體的缸孔珩磨表面微觀形貌的評(píng)價(jià)值。

圖4 基于多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量原理的檢測(cè)儀器及測(cè)量報(bào)告

圖5 對(duì)平臺(tái)網(wǎng)紋溝道的要求示意圖

圖6 表面存在的擠壓魚(yú)鱗示意圖

為什么那些汽車(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)的主流生產(chǎn)企業(yè)更清睞后一種以定性為主的這一半定量評(píng)定方法呢，這是鑒于前一種方法從本質(zhì)上講仍然只反映、評(píng)價(jià)了珩磨后表面構(gòu)造的貯油能力，相比之前那些二維粗糙度參數(shù)作用是一樣的，只是更直觀和精確而已。而利用反射式掃描電鏡進(jìn)行的全面探測(cè)，能發(fā)現(xiàn)另一些不可忽視的影響因素，如網(wǎng)紋溝道的構(gòu)造，顯然，如果有嚴(yán)重堵塞情況存在，就會(huì)帶來(lái)不良后果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可見(jiàn)盡管珩磨加工是一種成熟且經(jīng)濟(jì)合理的工藝，當(dāng)其應(yīng)用于缸孔加工時(shí)，在表面所形成的平臺(tái)網(wǎng)紋微觀形貌能相當(dāng)有效地提升內(nèi)燃機(jī)的性能。然而，為了確保缸孔表面的實(shí)際狀態(tài)能符合要求，還必須強(qiáng)調(diào)以一系列評(píng)定參數(shù)對(duì)珩磨表面的監(jiān)控，通過(guò)驗(yàn)證其是否合乎標(biāo)準(zhǔn)來(lái)作出判斷。

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With an analysis on the impact of the surface microstructure of the cylinder bore to the performances of the internal combustion engine，it points out the importance of scientific selection of the rating parameters of the honing surface.Further it emphasizes that in addition to the progress of products and processes，the enterprise should also keep on perfecting and improving the quality surveillance.This article presents a more detailed description on the progress in this area and the use of appropriate instruments for measurements and rating in recent years.

珩磨表面平臺(tái)網(wǎng)紋；性能與影響；特征評(píng)定參數(shù)；檢測(cè)和監(jiān)控

Overlapping Curve on Honing Surface；Performance and Influence；Feature Rating Parameters；Detection and Monitoring

TH161+.1

B

1672-0555（2015）04-064-05

2015年5月

朱正德（1946-），男，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事計(jì)量、檢測(cè)等研究，側(cè)重于生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控