趙向軍 譚勇敢 周忠毅 吳 凱

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司,常州,213166

0 引言

美國(guó)某公司生產(chǎn)的缸徑230系列兩沖程大功率柴油機(jī)是當(dāng)今世界使用范圍最廣的一類中速柴油機(jī)，廣泛運(yùn)用于機(jī)車、船舶、工業(yè)發(fā)電等領(lǐng)域。該型號(hào)柴油機(jī)由于其比功率高、油耗低、檢修方便等特點(diǎn)，深受用戶青睞，據(jù)統(tǒng)計(jì)已在世界70多個(gè)國(guó)家累計(jì)銷售70 000多臺(tái)，其中有40 000多臺(tái)仍在運(yùn)行[1]。龐大的保有量使得維修市場(chǎng)對(duì)配件需求旺盛，缸套作為易耗件更是供不應(yīng)求。為此，國(guó)內(nèi)多家公司先后爭(zhēng)相研制此系列缸套，耗費(fèi)了大量人力物力，但由于230系列缸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及精密鑄造、釬焊、激光淬火、異形孔珩磨等特殊工藝，加工難度大，制造成本高，故國(guó)內(nèi)一直未能攻克技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行批量生產(chǎn)。

對(duì)于柴油機(jī)氣缸套的加工工藝，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從缸套材料及成形工藝[2-3]、內(nèi)孔強(qiáng)化技術(shù)[4]、平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨[5-6]等不同方面進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了一定的成果。但多數(shù)研究以單一要素為對(duì)象或以學(xué)術(shù)和試驗(yàn)研究為主，并未進(jìn)行多要素綜合性研究，也未從產(chǎn)業(yè)化及工程應(yīng)用方面給出具體指導(dǎo)意見。

因此，在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際開展230型氣缸套加工工藝的研究，提高國(guó)產(chǎn)化技術(shù)水平和產(chǎn)品研制質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，具有重要的技術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

1 缸套結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

氣缸套是柴油機(jī)最重要的部件之一，其主要功用是與氣缸蓋、活塞共同構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，并對(duì)活塞起導(dǎo)向作用[7]。氣缸套內(nèi)表面受高溫高壓燃?xì)夂屯鶑?fù)活塞側(cè)向力的直接作用，其工作環(huán)境很惡劣。

本文研究的缸徑為230 mm的兩沖程柴油機(jī)氣缸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖1)，由合金鑄鐵缸套本體、水套、進(jìn)水口法蘭、分水器和連接螺柱等組成。缸套本體中部設(shè)有18個(gè)掃氣口用于掃入新鮮空氣；缸套的冷卻腔體由缸套本體和水套組合而成，并以掃氣口為界分為上下兩腔，通過掃氣口立柱中間設(shè)置的水孔相通，柴油機(jī)工作時(shí)，缸套冷卻腔內(nèi)充滿循環(huán)流動(dòng)的冷卻液用于冷卻缸內(nèi)受燃燒影響的高溫零部件；進(jìn)水口法蘭焊接在下水套上，分水器裝配在進(jìn)水口法蘭中部，以防止高壓冷卻液沖擊缸套孔壁，以上二者組合構(gòu)成了冷卻液的入口；缸套上端缸蓋墊表面設(shè)有12個(gè)出水孔和8個(gè)連接螺柱，螺柱用于連接缸頭和缸套，出水孔和缸頭冷卻內(nèi)腔相通，構(gòu)成了氣缸的冷卻循環(huán)回路。與常規(guī)柴油機(jī)氣缸套相比，該缸套具有以下特點(diǎn)。

圖1 缸套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The profile structure of cylinder liner

(1)冷卻腔由缸套本體和水套釬焊組合而成，二者材料不同，非整體鑄造。常規(guī)的濕式氣缸套冷卻腔部分由缸套與機(jī)體通過密封圈密封配合而成，部分整體鑄造而成；裝配式冷卻腔由于受機(jī)體形狀限制，冷卻液分布不均勻，導(dǎo)致冷卻效果差[8]，而且冷卻液容易銹蝕機(jī)體；整體鑄造式水腔上下腔連接通道清砂困難容易堵塞，同時(shí)加工殘留內(nèi)腔的鐵屑等污物無法徹底清理，而且若鑄造工藝不過關(guān)會(huì)導(dǎo)致水腔壁厚偏差大，冷卻效果欠佳。釬焊組合冷卻腔中水套由碳鋼機(jī)械加工而成，壁薄且厚度均勻，焊前可清理通水通道和內(nèi)腔，能輕松解決以上問題。但此種設(shè)計(jì)理念國(guó)內(nèi)少見，異種材料釬焊冷卻腔工藝性及可靠性未知。

(2)缸套內(nèi)孔異形，非標(biāo)準(zhǔn)圓柱孔。內(nèi)孔按特征分為上直孔段、中鼓形段和下直孔段三段，上直孔段和下直孔段為直徑相同的圓柱孔，中鼓形段為一段弧形，最高點(diǎn)處直徑比直孔段直徑大0.4 mm，并要求各連接處光滑過渡。此種設(shè)計(jì)可提高掃氣效率，優(yōu)化掃氣口附近油膜分布，減少活塞環(huán)通過掃氣口時(shí)與缸套之間的磨損。經(jīng)查閱資料[3]，國(guó)內(nèi)各種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套均無此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無經(jīng)驗(yàn)可參考。

(3)內(nèi)孔上直孔段、中鼓形段需激光淬火強(qiáng)化處理。要求表面硬化率為100%，淬硬層表面硬度大于HRC 55，深度大于0.6 mm。激光淬火后缸套內(nèi)孔耐磨性大幅提高，可以延長(zhǎng)缸套的使用壽命，但表面硬化率100%需淬火帶重疊才能實(shí)現(xiàn)，重疊區(qū)域二次淬火容易出現(xiàn)缺陷[9]，工藝難度大。

(4)整個(gè)內(nèi)孔需平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨處理。平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋可以改善缸套內(nèi)表面的油膜分布，優(yōu)化磨合性能，減少拉缸機(jī)率，減少機(jī)油消耗[10]。本缸套珩磨后直孔段和鼓形段表面要求均勻一致，表面粗糙度Ra達(dá)到0.9 μm，網(wǎng)紋參數(shù)要求也較高。關(guān)于異形內(nèi)孔的珩磨加工方法未見公開報(bào)道，存在技術(shù)盲區(qū)。

2 缸套加工工藝研究

針對(duì)該缸套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)論證和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的加工工藝路線如下：缸體鑄造→粗加工→時(shí)效處理→半精加工→釬焊水套→焊接進(jìn)水口法蘭→精加工→內(nèi)孔激光淬火→內(nèi)孔珩磨→組裝配件→水壓試驗(yàn)→成品。下面針對(duì)鑄造、釬焊、淬火、珩磨等關(guān)鍵工藝作深入研究。

2.1 缸體鑄造

2.1.1材料性能要求

缸套本體材料為合金灰鑄鐵，即在灰鑄鐵中加入適量的Cu、Cr、Mo等合金元素，以提高其機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度。基體組織要求珠光體90%以上，A型石墨90%以上，石墨等級(jí)3～5級(jí)。性能要求抗拉強(qiáng)度大于或等于250 MPa，本體硬度為220～260 HBW。同時(shí)要求機(jī)械加工后內(nèi)孔、端面等關(guān)鍵部位表面無缺陷；鑄件內(nèi)部經(jīng)射線探傷，缺陷等級(jí)不能超過2級(jí)。

2.1.2鑄造工藝難點(diǎn)

(1)該缸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不規(guī)則型腔較多，非加工面面積大，表面質(zhì)量要求高，鑄造難度大。

(2)鑄件長(zhǎng)達(dá)610 mm，最大壁厚差30 mm，所有部位組織和硬度滿足圖紙要求有很大難度。

(3)掃氣口立柱中的18個(gè)通水孔直徑僅8 mm，壁厚只有4 mm，造型困難，成形難度大，澆鑄時(shí)砂芯容易偏移造成壁厚不均而引發(fā)漏水。

(4)掃氣口附近結(jié)構(gòu)獨(dú)特，無法補(bǔ)縮，容易出現(xiàn)縮松等鑄造缺陷。

2.1.3鑄造工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)以上特點(diǎn)，本缸套毛坯主體砂芯為覆膜砂泥芯，并且從下至上設(shè)置6個(gè)。覆膜砂泥芯強(qiáng)度高，表面質(zhì)量好，使用覆膜砂作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的泥芯，保證了缸套復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的表面質(zhì)量。同時(shí)，掃氣口立柱中18個(gè)直徑為8 mm的通水孔泥芯采用鋼筋芯骨固定，增加了強(qiáng)度，防止?jié)茶T時(shí)鐵水沖偏或沖斷。澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)成頂雨淋澆注工藝(圖2)，鐵水由缸套上部進(jìn)入型腔，頂部放置發(fā)熱冒口補(bǔ)縮。采用MAGMA鑄造模擬軟件對(duì)該方案進(jìn)行凝固模擬分析，設(shè)置澆注溫度為1 370 ℃，澆注時(shí)間為10 s，采用呋喃樹脂砂造型，模擬結(jié)果如圖3所示。從凝固過程可以看出，鐵水自下而上順序凝固，可保證鑄件各部位組織致密、性能達(dá)標(biāo)。

圖2 澆鑄工藝 圖3 凝固模擬分析Fig.2 Pouring system Fig.3 Solidification simulation

2.1.4鑄造工藝驗(yàn)證

按以上工藝制作缸套毛坯，首輪試制發(fā)現(xiàn)缸套上端面出現(xiàn)鑄造缺陷。經(jīng)分析，原因是鐵水從上部直接澆入型腔，沖刷底部型腔使腔內(nèi)殘留的砂粒、熔煉爐渣等漂浮至鑄件上部導(dǎo)致夾渣和砂孔，為此，改進(jìn)毛坯結(jié)構(gòu)，加大缸套上部端面的加工余量，將缺陷“上移”，保證粗加工后可完全去除鑄造缺陷，既可以解決該問題，也可以保證缸蓋墊表面組織致密。改進(jìn)工藝后，鑄件表面美觀，內(nèi)部質(zhì)量、微觀組織、力學(xué)性能等均能滿足圖紙要求。

2.2 缸套本體與水套釬焊

2.2.1釬焊分析

缸套為柴油機(jī)動(dòng)力組關(guān)鍵零部件，其摩擦磨損性能、冷卻及密封效果對(duì)柴油機(jī)的工作性能和使用壽命有著非常大的影響，故缸套本體和水套的焊接是否可靠異常關(guān)鍵，為此，缸套本體和水套的釬焊需滿足以下要求。

(1)釬焊后不改變母材性能，即缸套本體和水套的基體組織、力學(xué)性能等焊接前后不能發(fā)生改變。

(2)釬焊要求釬料能有效潤(rùn)濕鑄鐵和低碳鋼，與母材結(jié)合良好，釬縫連續(xù)且厚度均勻，組織致密，不得有裂紋。

(3)釬焊接頭滿足密封性要求，即冷卻腔充滿75 ℃左右熱水，加壓0.7 MPa保壓至少5 min，不得有任何泄漏。

2.2.2釬焊工藝設(shè)計(jì)

為滿足以上要求，焊前預(yù)處理、釬劑和釬料的選擇、釬焊接頭和工藝方案的設(shè)計(jì)等至關(guān)重要。

(1)預(yù)處理。釬焊預(yù)處理是否得當(dāng)是能否獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的重要因素之一。除了常規(guī)的除油和除氧化物處理之外，鑄鐵件釬焊前應(yīng)對(duì)待焊表面進(jìn)行去石墨處理，防止游離的石墨阻礙釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕，影響釬焊質(zhì)量[11]。清除鑄件表面石墨的方法多樣，結(jié)合本缸套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝經(jīng)濟(jì)性，在常規(guī)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)待焊表面進(jìn)行全方位噴砂處理的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)際操作中，將待焊表面進(jìn)行嚴(yán)格的噴砂，徹底掩蓋機(jī)械加工紋路，獲得均勻一致的凹凸粗糙狀表面，方能達(dá)到去除游離石墨的目的。

(2)釬劑和釬料。釬料的選擇原則是其液相線溫度需低于母材固相線至少40 ℃，能潤(rùn)濕母材并有良好的漫流性。為此，本工藝選用含Cr、Zn、Cd、Ni等合金元素的銀基釬料，該釬料釬焊溫度低于灰鑄鐵的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，可保證缸套的組織和性能不受釬焊熱循環(huán)影響，同時(shí)可以提高釬縫的釬著率和結(jié)合強(qiáng)度。確定釬料后，根據(jù)釬料的固液相溫度范圍和工藝適用性選用釬劑。本工藝選用主要成分為硼酸、硼砂、氟硼酸鉀等的膏狀釬劑，其作用溫度范圍為550～850 ℃，與已選的銀基釬料匹配。該釬劑比普通銀釬劑漫流性好，滲透性更強(qiáng)，能有效配合銀基釬料進(jìn)行缸套本體和水套的釬焊。

(3)釬焊接頭。根據(jù)該缸套特點(diǎn)，釬焊接頭設(shè)計(jì)為管管套接式，套接配合的間隙需根據(jù)理論計(jì)算和工件實(shí)際情況設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，異種材料焊接推薦的釬焊間隙為0.05～0.13 mm，該間隙為工件達(dá)到釬焊溫度時(shí)的間隙。但由于水套和缸套本體材料不同，膨脹系數(shù)有差異，加熱時(shí)水套的膨脹量比本體大，若按常規(guī)設(shè)計(jì)，釬焊部位配合間隙過大會(huì)造成釬料流失，不易形成有效的釬縫，故接頭間隙需根據(jù)膨脹后的尺寸設(shè)計(jì)。考慮加工誤差等因素，結(jié)合各材料的膨脹系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)常溫狀態(tài)下缸套本體與水套過盈配合，過盈量為0.35 mm左右，保證加熱至釬焊溫度時(shí)獲得正確的釬焊間隙。

同時(shí)，考慮到工藝經(jīng)濟(jì)性和批量生產(chǎn)可靠性，本缸套采用感應(yīng)釬焊或爐中釬焊的方式實(shí)施釬焊，此兩種方法決定了釬料必須提前放置在釬縫附近區(qū)域，工藝上通過在釬焊接頭附近加工工藝槽(上下水套上下部各兩處)，預(yù)先放置絲狀釬料的方式實(shí)現(xiàn)。通過以上方式，形成的釬焊接頭如圖4所示。

圖4 釬焊接頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of brazing joint

(4)釬焊工藝。將缸套本體和水套釬焊部位精加工至焊前尺寸，除油除銹并噴丸處理；工藝槽內(nèi)放置釬料后，均勻刷涂釬劑；將水套加熱膨脹后裝配到缸套本體上；為保證釬焊可靠，按照?qǐng)D5所示的加熱曲線，將工件加熱至釬料液相線溫度以上，釬料熔化后通過毛細(xì)作用填充接頭間隙，冷卻后形成釬縫；焊后清理殘留的釬劑，防止腐蝕缸套本體。

圖5 釬焊加熱曲線Fig.5 Heating curve of brazing

2.2.3釬焊后檢測(cè)

焊后檢查接頭部位情況如圖6所示，釬縫宏觀形貌均勻美觀，釬著率高。釬縫微觀組織致密，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷。釬縫寬度均勻，約200 μm。檢查缸套本體和水套的性能以及微觀組織，未發(fā)現(xiàn)有任何變化。按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)，取10個(gè)樣件測(cè)試均未發(fā)現(xiàn)滲漏。說明釬焊工藝設(shè)計(jì)合理，滿足缸套使用要求。

(a)宏觀形貌 (b)釬縫寬度(100×)圖6 釬焊檢測(cè)Fig.6 Brazing test

2.3 激光淬火

2.3.1激光淬火分析

本缸套內(nèi)孔淬火面積大，達(dá)2 190 cm2；要求表面100%硬化，淬火帶需重疊，要防止重疊區(qū)域熔化；淬硬層深度要求高，考慮加工余量，深度至少大于0.55 mm；同時(shí)，整個(gè)淬火區(qū)域變形量要控制在0.03 mm以內(nèi)，否則后續(xù)珩磨難以加工且加工余量大，影響有效淬硬層深度?？朔陨想y點(diǎn)對(duì)激光設(shè)備和淬火工藝要求極高。

激光淬火的效果決定于激光功率密度和基材對(duì)激光的吸收率，通過調(diào)整激光器輸出功率、淬火光斑大小、掃描速度以及吸光涂料狀況等可有效改善激光功率密度和基材對(duì)激光的吸收率，從而達(dá)到良好的淬火效果[12]。針對(duì)本缸套的特點(diǎn)，如何權(quán)衡各因素并合理搭配工藝參數(shù)成為淬火成功與否的關(guān)鍵。

2.3.2淬火工藝設(shè)計(jì)

為了獲取最佳的淬火工藝參數(shù)，對(duì)缸套取樣進(jìn)行淬火正交試驗(yàn)，篩選各因素的關(guān)系和各水平的優(yōu)劣趨勢(shì)，選擇三個(gè)因子，并各取三個(gè)水平：①激光輸出功率1 800 W、2 200 W、2 500 W；②激光掃描線速度5 mm/s、8 mm/s、12 mm/s；③激光光斑直徑5 mm、8 mm、12 mm。

淬火吸光劑選常規(guī)商用涂料，激光器選用5 kW連續(xù)輸出式CO2激光器，鏡頭采用聚集鏡或積分鏡，淬火帶重疊寬度設(shè)定為1 mm。試驗(yàn)總共進(jìn)行27次，部分試驗(yàn)因表面熔化嚴(yán)重、變形較大等原因，整理數(shù)據(jù)時(shí)均已剔除，表1為篩選后典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 典型淬火試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激光輸出功率選用2 200～2 500 W、光斑直徑控制在10～12 mm，線速度設(shè)為5～8 mm/s時(shí)，淬硬層深度和硬度可滿足設(shè)計(jì)要求，可以按此參數(shù)指導(dǎo)整只缸套的淬火。

2.3.3淬火后檢測(cè)

按試驗(yàn)確定的參數(shù)進(jìn)行缸套實(shí)物小批量生產(chǎn)，隨機(jī)取樣檢測(cè)，如圖7所示。淬火帶宏觀形貌均勻連續(xù)，覆蓋率100%。微觀組織以細(xì)針狀馬氏體為主，有少量殘余奧氏體，無貝氏體、萊氏體等不良組織。淬火帶外觀良好，重疊區(qū)域無熔化、孔洞等缺陷。檢測(cè)微觀組織，淬火帶中心區(qū)域和重疊區(qū)域表面硬度均滿足圖紙和使用要求。

(a)宏觀形貌 (b)微觀組織(25×)圖7 淬硬層檢測(cè)Fig.7 Hardening layer test

2.4 內(nèi)孔珩磨

2.4.1珩磨分析

氣缸套是柴油機(jī)主要的摩擦副之一，其珩磨網(wǎng)紋的分布情況(如角度、表面特性)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率、串氣量及磨合有明顯的影響[13]。氣缸套平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝比較成熟，一般要經(jīng)過粗珩、精珩、平臺(tái)珩磨3個(gè)過程。粗珩的目的主要是得到正確的缸套內(nèi)孔形狀和尺寸，并且內(nèi)孔表面粗糙度應(yīng)達(dá)到適應(yīng)后續(xù)加工的基本表面粗糙度，精珩是為了形成均勻的交叉網(wǎng)紋，平臺(tái)珩是為了形成平臺(tái)支承面。

常規(guī)缸套內(nèi)孔為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形，普通的珩磨頭也只能珩磨標(biāo)準(zhǔn)圓柱形內(nèi)孔，異形內(nèi)孔設(shè)計(jì)及珩磨方法未見公開報(bào)道。張明興等[14]發(fā)明了一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)精珩和平頂珩磨的珩磨頭，僅僅解決了在普通珩磨設(shè)備上難以增加平頂珩磨的問題；楊沁等[15]研究了一種可調(diào)節(jié)的珩磨頭機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)內(nèi)孔的體積實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油石的徑向進(jìn)給量，保證了內(nèi)孔的加工精度，但也只能珩磨規(guī)則圓柱孔；戴利收等[16]通過設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)向裝置，解決了珩磨加工時(shí)待加工面容易與油石碰傷，無法保證加工面表面粗糙度的問題，延長(zhǎng)了油石的使用壽命。以上文獻(xiàn)為代表的多數(shù)研究?jī)H僅是在油石進(jìn)給控制、珩磨精度優(yōu)化、珩磨效率提升等方面進(jìn)行了改進(jìn)研究，本質(zhì)上還是只能實(shí)現(xiàn)單一孔徑內(nèi)孔或外圓的珩磨，無法實(shí)現(xiàn)異形內(nèi)孔的珩磨。

故本缸套異形內(nèi)孔珩磨無成熟技術(shù)或工藝可以利用，需創(chuàng)新性設(shè)計(jì)專用珩磨頭。同時(shí)，本缸套平臺(tái)網(wǎng)紋要求較高，油石的材質(zhì)和硬度、珩磨壓力和珩磨往復(fù)次數(shù)等各工藝參數(shù)需試驗(yàn)后確定。

2.4.2珩磨頭及珩磨工藝設(shè)計(jì)

(1)異形內(nèi)孔珩磨頭設(shè)計(jì)。如圖8所示，異形內(nèi)孔珩磨頭設(shè)計(jì)打破了常規(guī)珩磨頭的設(shè)計(jì)思路，通過以下結(jié)構(gòu)特征組合實(shí)現(xiàn)異形內(nèi)孔的珩磨：①將常規(guī)的油石長(zhǎng)度方向平行于珩磨頭軸線固定改為垂直于珩磨頭軸線固定，保證珩磨頭主軸上下往復(fù)移動(dòng)時(shí)油石工作面能緊貼在異形內(nèi)孔表面，避免油石卡住或斷裂。②將油石的頂出機(jī)構(gòu)由常規(guī)的上下部均為剛性同步頂出改為上部彈性下部剛性不同步頂出。上部彈性頂出通過臺(tái)階頂銷和彈簧作用實(shí)現(xiàn)，下部剛性頂出通過圓柱頂銷作用實(shí)現(xiàn)。上下部頂出機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)油石的柔性和傾斜頂出，保證異形內(nèi)孔珩磨時(shí)油石能時(shí)刻緊貼異形待珩磨面。③將油石的橫向和縱向截面由常規(guī)的直線形修整為圓弧形，以適應(yīng)所加工工件橫截面的曲率半徑變化(圓形)和縱截面的曲率半徑變化(曲線形狀)。以上結(jié)構(gòu)特征保證了油石能夠時(shí)刻緊貼待珩工件曲內(nèi)孔表面并能隨形珩磨，實(shí)現(xiàn)異形內(nèi)孔的珩磨加工。根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)異形內(nèi)孔珩磨頭經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證穩(wěn)定有效，已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

圖8 異形內(nèi)孔珩磨頭Fig.8 Structure of honing head for non-circular hole

(2)珩磨工藝設(shè)計(jì)。該缸套內(nèi)孔結(jié)構(gòu)分為上直孔段、下直孔段和掃氣口鼓形段三段，從熱處理方式上又分為淬火段和不淬火段。簡(jiǎn)言之，就是同一內(nèi)孔表面各處狀態(tài)不同，同一次珩磨行程各處磨削量不同，從而導(dǎo)致珩磨工藝較為復(fù)雜。經(jīng)多次試驗(yàn)，得出高效的珩磨工藝要點(diǎn)如下：首先，三段結(jié)構(gòu)異形內(nèi)孔一次珩磨在原理上無法實(shí)現(xiàn)，需分段珩磨。先利用異形內(nèi)孔珩磨頭珩磨掃氣口鼓形段，通過設(shè)置珩磨頭的行程控制鼓形區(qū)域的起止范圍，再利用普通珩磨頭珩磨上下直孔段，保證直孔段與鼓形段光滑過渡。其次，上直孔段和掃氣口鼓形段激光淬火后表面硬度較高，需先使用金剛石砂條珩磨出網(wǎng)紋，再使用常規(guī)砂條珩磨出平臺(tái)網(wǎng)紋效果。再者，淬火段與不淬火段硬度不同，容易珩磨出波浪形內(nèi)孔，加之淬火變形，珩磨時(shí)需實(shí)時(shí)調(diào)整珩磨壓力和各段的珩磨往復(fù)次數(shù)，從而控制各處磨削量，以確保整個(gè)內(nèi)孔尺寸、形位公差、平臺(tái)網(wǎng)紋效果均勻一致。

2.4.3珩磨網(wǎng)紋效果

用異形內(nèi)孔珩磨頭和上述工藝思路確定工藝參數(shù)對(duì)缸套內(nèi)孔進(jìn)行珩磨加工，加工后缸套內(nèi)孔平臺(tái)網(wǎng)紋表面效果良好，表面粗糙度Ra為1.0 μm左右，溝槽分布均勻(圖9)，網(wǎng)紋參數(shù)均滿足圖紙要求。測(cè)試10只缸套，其內(nèi)孔直孔段、鼓形段同軸度均在0.03 mm以內(nèi)，交接區(qū)域過渡規(guī)整自然，淬火段與不淬火段粗糙度均勻一致，滿足使用要求。

圖9 平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋形貌Fig.9 Plateau honed surfaces

3 使用情況

缸徑230系列柴油機(jī)市場(chǎng)保有量大，主機(jī)和維修市場(chǎng)缸套需求強(qiáng)勁。自該缸套2012年克服鑄造、釬焊、激光淬火、內(nèi)孔珩磨等關(guān)鍵工藝難題成功國(guó)產(chǎn)化以來，本公司先后給美國(guó)、印度、巴基斯坦等國(guó)供貨了2 000余只，累計(jì)為公司貢獻(xiàn)利潤(rùn)約1 000萬人民幣。該缸套批量生產(chǎn)工藝質(zhì)量穩(wěn)定，服役性能良好，得到了客戶的一致好評(píng)。

4 結(jié)論

(1)缸套鑄造采用大量覆膜砂泥芯保證掃氣口等復(fù)雜部位的表面質(zhì)量，采用頂雨淋澆鑄工藝使?jié)茶T溫度均勻分布，保證了鑄件性能和外觀質(zhì)量。

(2)缸套本體與水套的釬焊需進(jìn)行嚴(yán)格的焊前預(yù)處理，設(shè)計(jì)接頭為管管套接式過盈配合，在接頭附近加工工藝槽預(yù)置銀基釬料，通過爐中加熱或感應(yīng)加熱的方式實(shí)現(xiàn)釬焊。

(3)內(nèi)孔淬火激光輸出功率為2 200～2 500 W，光斑直徑為10～12 mm，線速度為5～8 mm/s時(shí)，淬硬層深度和硬度均滿足要求，表面規(guī)整無缺陷。

(4)設(shè)計(jì)了異形內(nèi)孔珩磨頭，通過分段珩磨的方式，考慮硬度差別、淬火變形等因素，搭配使用不同材質(zhì)、硬度的砂條，實(shí)現(xiàn)了缸套內(nèi)孔的平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨。