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薄壁缸套工作表面的储油结构 |
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作者：杭州电子工业学院机械系 张云电 叶雪明 |
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摘要：研究了薄壁缸套工作表面的储油结构及其对缸套耐磨性的影响，对比了松孔镀铬、平顶珩磨、自激振动加工、激光珩磨、冲击加工微坑方法的优缺点，提出了一种具有显著节油效果的高耐磨性薄壁缸套的观点。
关键词：薄壁缸套；储油结构；耐磨性
薄壁缸套是当代发动机的发展趋势。它在不改变发动机缸孔中心距，不增加发动机重量的条件下，提高发动机功率10%～20%。
通常，根据材质不同，薄壁缸套分为铸铁薄壁缸套和钢质薄壁缸套两种。铸铁薄壁缸套壁厚2～3mm，可以通过改进材质和激光淬火来提高耐磨性。钢质薄壁缸套壁厚1～1.5mm，目前最常用的是20号低碳钢。20号低碳钢并不耐磨，为了提高耐磨性，必须在低碳钢基体上覆盖松孔镀铬层，因此又被称之为钢质薄壁镀铬缸套。
目前，采用改进材质、激光淬火、镀铬、提高加工精度、降低表面粗糙度等传统的方法来改善缸套性能已经接近了极限。因此，薄壁缸套工作表面必须生成储油结构，以储存润滑油，确保缸套和活塞运动副的寿命。
根据国内外的最新研究进展和作者的研究成果，可将储油结构分为网状裂纹型、网状交叉型、独立微坑型三种结构。因此，可将薄壁缸套工作表面储油结构的加工方法分为五种，即：松孔镀铬（或裂纹铬）、平顶珩磨、自激振动加工、激光珩磨、冲击加工微坑方法（钢质薄壁缸套工作表面冲击加工微坑后，再进行弥散镀铬）。
1松孔镀铬
通常在镀硬铬后，用化学或电化学方法将铬层的裂网纹进一步加深拓宽，以便吸收储藏更多的润滑油脂，提高耐磨性，这就叫松孔镀铬。
在摩擦副工作过程中，裂纹储存的润滑油被挤出，溢流在摩擦表面上，由于毛细管的作用，润滑油可以沿沟纹流向油少的地方，从而改变了摩擦状态，降低了摩擦系数。松孔镀铬工艺规范，表1示。表1 松孔镀铬工艺规范及配方，g/L
 采用不同的工艺规范（电镀参数）可获得形状不同的裂纹。针孔型用50℃，45～50A.dm-2；沟槽型用60℃，40～50A.dm-2。
近年来,也有人镀裂纹铬，即在每厘米长度上生成250～1500条均匀的网状微裂纹。
松孔镀铬层耐磨能力比硬铬层高5～7倍。但松孔镀铬时间长，成本高，且网状沟槽相互连通，润滑油易沿着沟槽被挤出去，耐磨及节油效果并不显著。
2平顶珩磨
平顶珩磨是珩磨技术的新发展。平顶珩磨的加工特点是将珩磨过程分为粗珩、精珩两个阶段。粗珩使用粗粒度的珩磨油石，在工件表面加工出较粗糙、划痕很深的轮廓，沟槽深度达8～10μm，在通过使用细粒度的珩磨油石精珩，把这些划痕的尖峰变成平顶凸峰，此时表面的沟槽深度约为4～6μm。
平顶珩磨与普通珩磨加工后的表面的重要区别，就在于加工的表面微观几何形状不同，如图1所示。 
（a）普通珩磨加工的表面微观几何形状（b）平顶珩磨加工的表面微观几何形状
图1普通珩磨与平顶珩磨加工的表面微观几何形状
发动机气缸套内孔经过平顶珩磨出来的网纹表面，其承载面积比通常的珩磨表面增大4倍左右，特有的深沟又可储存足够的润滑油，可以减少气缸套内孔表面的磨损，缩短跑合时间，提高气缸套寿命，减少燃料消耗。使用普通珩磨加工的气缸套的发动机耗油量为3g/Hp，而使用平顶珩磨加工的气缸套的发动机耗油量低于1g/Hp。
平顶珩磨形成的网状沟槽相互连通。平顶珩磨的技术规范为：
（1） 珩磨网纹角度在气缸套中心方向的夹角为110～140 ℃；
（2） 双向均匀磨削；
（3） 清洁磨削，不锋利，无撕裂和褶皱金属；
（4） 表面粗糙度R为0.5～0.8μm，极限范围为0.4～0.9μm；
（5） 珩磨网纹宽度平均为10～15μm，极限范围为5～32μm；
（6） 珩磨网纹深度平均为4～6μm，极限范围为2.5～8μm；
（7） 平台部分占表面的1/2～2/3；
（8） 无光辉或光泽；
（9） 无嵌入颗粒。
由于油石磨粒的大小、形状、分布和磨损的不均匀性以及珩磨过程中的随机因素的影响，平顶珩磨方法形成的网纹必须会有不均匀性，因此就难以预先算出与发动机性能有关的匹配情况。
3自激振动加工
自激振动加工是在缸套内孔表面有基本光滑面的情况下，利用加工中的自激振动作用，在缸套内孔表面产生沿螺旋方向均匀分布的微型凹坑。
自激振动加工方法能形成相互独立的微坑，但生产中很难实现稳态自激振动（必须具备再生型颤振或振型关联颤振的条件），无法采用高效率、高密度的矩阵型非切削工具头并匹配切削用量，甚至会加速刀具磨损，降低刀具寿命，损坏工艺系统。
4激光珩磨
激光珩磨是珩磨与激光技术的复合，由粗珩、激光造型和精珩三道工序组成。
粗珩时，确定了宏观形状，并产生了对气缸套内孔进行造型的原始表面。根据气缸套性能所要求的激光造型类型确定原始表面。激光造型能实现连贯的输送机油的交叉形网纹结构或螺旋型凹腔结构（微型压力室系统）。
激光珩磨机床与珩磨机类似，具有往复运动和螺旋运动，3个主要部件是：激光器、光导系统和激光输出头。光学系统将光束聚焦到孔壁上。采用数控系统可以保证激光造型结构灵活地适应性能所要求的条件。
激光珩磨可降低机油耗30%～60%，减少了催化器的污染，降低了机油的颗粒排放量25%～30%，活塞环的磨损从5μm降低到2.5μm，气缸套的磨损从3μm降低到1.5μm，降低了摩擦损失和燃油耗，降低了活塞环组的成本。但是，激光对缸套材料有微观汽化和烧蚀作用，可造成局部材料性能发生变化，并且激光珩磨设备价格昂贵，微坑加工成本高，操作复杂，维修困难。
5冲击加工微坑方法
冲击加工微坑方法利用20～200Hz的低频强迫振动实现薄壁缸套的微坑加工。
冲击加工微坑装置可安装在车床的中拖板上，薄壁缸套装在车床主轴上以一定的转速旋转，冲击加工微坑装置可沿轴向和横向进给，通过横向进给控制微坑的深度，依靠振动冲击在缸套内表面形成具有一定分布规律和一定尺寸参数的微坑。薄壁缸套工作表面的微坑分布和结构图，如图2示。
图2冲击加工微坑的分布及结构图
冲击加工微坑方法具有优点：
（1） 微坑分布和结构参数可控，且所有微坑均匀分布，相互独立；
（2） 微坑加工简单易行；
（3） 工具头寿命长；
（4） 可采用矩阵工具头或多头螺纹车削法实现高效率、高密度微坑加工；
（5） 加工成本很低，大约为激光珩磨成本的1/10；
（6） 材料不受到烧灼作用，且形成的压应力对耐磨性有好处。
因此，可以认为冲击加工微坑手法是薄壁缸套工作表面储油结构的新型加工方法，具有明显的优越性，有广阔的应用前景。
随着薄壁缸套工作表面的储油结构的研究深入，我们深信可以开发出一种具有明显节油效果的高耐磨性薄壁缸套，必将进一步提高汽车、拖拉机、摩托车、飞机、舰艇、坦克等产品的性能。
6结论
综合上述分析，我们认为，冲击加工微坑方法、激光珩磨方法是形成薄壁缸套工作表面储油结构的理想方法，是当代发动机摩擦学设计发展的必然趋势。但是，激光珩磨设备昂贵，加工成本高，而冲击加工微坑设备价格只有激光珩磨设备的1/20，加工成本低，操作简单，易于维护。因此，冲击加工微坑方法更便于推广使用。
浙江省自然科学基金资助项目(597073)
作者简介：
张云电(1956-)，男，教授。主要从事汽缸套、超声加工技术的研究。已完成省部级科技项目12项，获奖2项，出版专著1部，发表论文30余篇。
参考文献
1[德]Klink U．气缸工作表面的激光珩磨，国外内燃机，1998,(2).
2张云电.超声加工及其应用，北京：国防工业出版社，1995.
3李祥林，薛万夫，张日升.振动切削及其在机械加工中的应用.北京：科学出版社，1985.
4[美](Hill S H，Kantola T C，Brown J R等.气缸孔粗糙度对机油耗影响的试验研究，国外内燃机，1998(3).(end)
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(1/7/2007) |
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