缸孔平臺珩磨工藝及評定方法

              柔性加工生產線是當今汽車發動機缸體、缸蓋以及其他箱體類零件加工的主要技術裝備。由高速、準高速加工中心為主組成的柔性加工生產線的大量應用，為發動機制造企業帶來了產品的高度一致性及生產成本的降低。
             根據用戶的需求，NTC公司憑借多年經驗設計的缸蓋柔性加工生產線以其高效性和良好的擴展能力，在發動機的制造生產當中得到了廣泛的應用，極大地提高了用戶的生產效益。  
             缸孔平臺珩磨技術作為內燃機缸孔或缸套精加工的一種新工藝，初期主要用于高壓縮比的柴油機，近幾年有了進一步的發展，在汽油機上也得到了廣泛的應用。平臺珩磨技術可在缸孔或缸套表面形成一種特殊的結構，這種結構由具有儲油功能的深槽及深槽之間的微小支承平臺表面組成。典型的平臺珩磨形成的表面如圖所示。

這種表面結構具有以下優點：
● 良好的表面耐磨性； 
● 良好的油膜儲存性，可使用低摩擦力的活塞環； 
● 降低機油消耗； 
● 減少磨合時間（幾乎可省掉）。 
1、缸孔平臺珩磨的工藝過程 
          為形成平臺珩磨表面，在大批量生產時一般需要進行粗珩、精珩、平臺珩磨三次珩磨，其作用分別是： 
● 粗珩：預珩階段，主要是要形成幾何形狀正確的圓柱形孔和適合后續加工的基本表面粗糙度。 
● 精珩：基礎平臺珩磨階段，形成均勻的交叉網紋。 
● 平臺珩：平臺珩磨階段，形成平臺斷面。
            要想獲得理想的表面平臺網紋結構，對精珩和平臺珩的同軸度要求很高，因此將兩個階段合并成一次加工更為合理，通過設計成有雙進給裝置和裝有精珩、平臺珩兩種珩磨條的珩磨頭，能夠實現一次裝夾即可完成精珩和平臺珩，消除了重復定位誤差的影響，可以減輕前加工的壓力和對機床過高精度的要求。
2、平臺珩磨表面質量的評定方法 
              由于采用國際標準中的Ra、Rz等參數不足以精確表示并測量平臺珩磨表面，因此，發動機制造商紛紛制定了自己的平臺珩磨表面標準。經過幾年的實踐和發展日趨完善，但至今沒有統一的平臺珩磨技術規范，由于一汽大眾公司及一汽轎車公司均采用德國設備和德國標準，這里主要介紹德國用于評定平臺珩磨表面質量的幾個參數及相應標準。 
（1） 均峰谷高度Rz（DIN）(Mean peak-to-valley height) 
               在濾波后輪廓的5個彼此相連的取樣長度范圍內局部峰谷高度Zi的算術平均值。局部峰谷高度Z則是兩條平行于中線的，在取樣長度范圍內通過輪廓的最高點和最低點的平行線之間的距離。值得注意的是，Rz（DIN）與國際標準中的Rz(微觀不平度十點高度)是不同的。 
（2）波度Wt(Total waviness height) 
如圖3所示，波度為經過濾波輪廓的水平方向上的最大峰谷高度。
（3）核心剖面深度RK(Core roughness depth)系列參數 
               剖面深度RK(Core roughness depth)系列參數包括核心剖面深度RK、尖峰高度Rpk(Reduced peak height)、溝痕深度Rvk（Reduced valley depth）、尖峰材料比率Mr1（Peak material ratio）、溝痕材料比率Mr2(Valley material ratio)等。
平臺珩磨在發動機缸孔加工中的應用
               一汽轎車股份有限公司第二發動機廠的發動機最初從美國引進時，缸孔采用普通碳化硅珩磨條一次珩磨，要求表面粗糙度為Ra0.5～0.88，缸體根據直徑尺寸大小分五級裝配。由于珩磨余量大、珩磨時間比較長，且缸孔的幾何形狀差，已不能滿足后繼生產的要求。為此，我們先后進行了兩次工藝改造。  
                   1996年進行的工藝改進采用兩次珩磨，粗珩采用金剛石珩磨條，精珩采用普通碳化硅珩磨條，提高了珩磨的效率，表面質量控制接近于平臺珩磨的標準。為徹底解決發動機機油消耗偏高的問題，結合一汽技術中心在保時捷公司的咨詢結果，我們于1998年又做了進一步的工藝改進，從德國Nagel公司購進缸體珩磨自動線，采用三次珩磨加工缸孔，實現了真正意義上的平臺網紋珩磨。 
1、發動機缸孔加工的工藝過程 
                發動機缸孔的鏜孔分為粗鏜、半精鏜和精鏜；珩磨分為粗珩、精珩及平臺珩，精珩和平臺珩磨是在同一工位通過兩次漲刀實現的。各步加工的尺寸及表面質量要求如下：
●鏜缸孔 
粗鏜缸孔：φ5.725～86.106mm 
半精鏜缸孔：φ6.994～87.096mm 
精鏜缸孔：φ7.41～87.45mm 
●珩磨缸孔 
粗珩缸孔：φ7.465～87.475mm 
精珩及平臺珩：φ7.495～87.505mm 
缸孔圓柱度：0.008mm 
缸孔網紋在水平方向夾角：35°～45°
● 表面質量參數 
波度Wt≤2mm 
平均峰谷高度Rz=4～8mm 
核心剖面深度Rk=0.6～1.4mm縮減的尖峰高度Rvk≤0.5mm 
縮減的溝痕深度Rpk=1.5～3.5mm 
尖峰材料比率Mr1=2～10% 
溝痕材料比率Mr2=65～85% 
2、發動機缸孔平臺珩磨工藝 
                一汽轎車股份有限公司于1998年2月從德國Nagel公司引進了一條缸體珩磨自動線，用于發動機缸孔和主軸孔的珩磨加工，其加工工藝過程及特點如下： 
（1）機床組成及工藝： 
                     該自動線由16個工位組成，包括兩個上下料工位、5個珩磨工位、1個后置測量工位、1個翻轉傾倒冷卻液工位和7個空工位。缸孔的平臺珩磨是通過3次珩磨來實現的，即粗珩磨、精珩磨和平臺珩磨，缸體整個的珩磨過程如下：精鏜完的缸體由動力摩擦滾道自動輸送到上料工位1，該工位安裝有自動判別缸體類別的傳感器，機床能根據傳感器發出的信號自動調整加工程序。機床在工位3和工位5進行缸孔的粗珩磨加工（3工位珩磨1、3缸，5工位珩磨2、4缸），粗珩磨金剛石珩磨條的進給由步進電機控制，珩磨條的進給速度及珩磨尺寸、珩磨頭的行程等均由預先設定的程序進行控制，對以上數值的調整只需更改程序中的相應參數即可完成。機床在珩磨過程中可根據測量結果自動修正缸孔的形狀誤差。工位7和工位9進行缸孔的半精珩和精珩（平臺珩）加工，缸孔的半精珩磨和精珩磨是在同一工位經過兩次漲刀來實現的，消除了重復定位誤差，可獲得更為理想的表面網紋結構。由于在缸孔的珩磨過程中采用了在線測量技術，邊珩磨加工邊測量，機床能夠根據測量結果自動修正缸孔形狀，保證缸孔加工精度。缸孔圓柱度達到0.005mm，直徑尺寸精度達到±0.005mm，缸孔尺寸只有一個級別，不再進行分組。  孔珩磨采用世界上比較先進的臥式鉸珩工藝，在一個單行程加工中完成5個主軸承孔的珩磨，尺寸變化一般在3～4mm以內。12工位進行主軸孔的后置測量，并能對測量結果進行統計分析，依據分析結果發出相應的警示信號。15工位工件翻轉270°傾倒水套孔及螺栓孔內的冷卻液，16工位下料，完成整個珩磨加工。缸孔珩磨和主軸孔珩磨都采用金剛石珩磨條，缸孔珩磨條一般壽命可加工10000件以上，主軸孔珩磨條壽命能達到10萬件以上，珩磨條更換頻次少，保證了加工的一致性，同時輔助時間也相對減少。 
                該珩磨機珩磨液具有溫度相對控制裝置，保證珩磨液溫度比環境溫度低2～6℃，減少了珩磨溫度對工件造成的影響，有利于提高主軸孔和缸孔的加工精度。同時，由于機床采用全封閉結構，減少了由于珩磨液霧化和蒸發造成的損失，也減少了對環境的污染。  
3、平臺珩磨工藝中的幾個關鍵問題
（1）表面質量參數的確定
                缸孔的表面質量參數通常是在產品設計過程中由設計人員給出的，過去由于一般僅采用表面粗糙度Ra評價表面質量，產品對工藝的要求比較少。采用平臺珩磨標準后，表面參數和評價標準將決定工藝方法，包括設備結構、珩磨條類型、檢測設備等，如：德國大眾公司采用Rk系列參數，英國Perkins公司采用R3z、Skew等參數，并對檢測設備有明確的要求。因此可以講，缸孔平臺表面質量參數的確定是產品與工藝相結合的過程，尤其是對老產品的改造。一汽轎車股份有限公司第二發動機廠發動機缸孔平臺網紋的表面參數就是在工藝試驗（德國Nagel公司完成）基礎上，結合保時捷公司的咨詢結果及道路試驗確定的。
（2）兩次珩磨還是三次珩磨 
               過去一般認為兩次珩磨和三次珩磨均可實現平臺網紋的表面結構。隨著工藝水平的提高，現在一般認為只有采用三次珩磨，且精珩磨與平臺珩磨在同一工位上一次定位完成，才能獲得精確的平臺網紋表面結構。
三次珩磨過程中，粗珩磨去除的余量為30～50mm，精珩磨去除的余量為20～30mm，平臺珩磨去除的余量為3～5mm。粗珩磨時主要去除余量，消除精鏜加工的刀痕，為珩磨網紋創造條件；精珩磨形成網紋深溝；平臺珩磨珩出平臺。
由于平臺珩磨的余量很小，加工行程次數只有5～8次，如果精珩磨和平臺珩磨采用獨立主軸加工，在珩磨頭沒有消除重復定位誤差以前就已經完成平臺珩磨，產生假平臺。精珩磨與平臺珩磨一次定位完成，即在一個主軸上實現精珩磨和平臺珩磨。精珩磨漲刀時平臺珩磨不漲刀，精珩磨完成退刀時，平臺珩磨漲刀加工，這樣可消除重復定位誤差的影響。 
（3）珩磨過程中的主軸旋轉方向 
                 使用金剛石珩磨條時，為了避免因珩磨條對孔壁的高壓而產生的金屬碎片的影響，應使每次加工的旋轉方向相反，如：精鏜右旋，粗珩左旋；精珩右旋，平臺珩磨左旋。 
（4）珩磨過程中的跟蹤測量及錐度補償 
               在珩磨過程中，控制程序可根據跟蹤檢測結果，通過調整砂條的超程量對缸孔的錐度實現補償，最后還可以通過局部短行程珩磨進行錐度修正。
（5）珩磨條的選定及初始修整 
               從珩磨效率和珩磨條壽命的角度考慮，一般粗珩磨和精珩磨采用金剛石珩磨條，但平臺珩磨必須采用碳化硅珩磨條，以避免金剛石珩磨條切削形成的鱗刺。這一點在Perkins的技術標準中有明確的要求。采用金剛石砂條時，粘接完畢后使用前應裝在珩磨頭上進行線外修整，以適應缸孔的形狀。 
4、平臺珩磨與一般珩磨加工質量的比較 
             平臺珩磨的表面結構與普通珩磨的表面結構相比具有明顯的改善，形成了既有高支承率的平臺，又有儲油的深溝結構。 
設備精度的提高和工藝的改進使缸孔的尺寸精度和幾何精度得到明顯改善，缸孔圓柱度達到0.005mm，直徑尺寸精度達到±0.005mm。缸孔尺寸可控制在一個級別內，不再進行分組。 
                在發動機上的實際應用效果
               經過臺架及整車道路試驗，采用平臺網紋珩磨工藝的發動機與未采用該工藝的發動機相比，在以下幾方面取得了很大的進步： 
1、提高了氣缸體、活塞及活塞環的使用壽命。 
                平臺網紋珩磨工藝增強了汽缸壁的儲油和承載能力，又提高了缸孔的形狀精度，從而改善了汽缸壁與活塞、活塞環之間的潤滑條件，使汽缸壁、活塞、活塞環的磨損速度明顯減慢，大大提高了氣缸體、活塞及活塞環的使用壽命。缸孔磨損值小于每萬千米1mm，已經處于國際先進水平。 
2、降低了發動機的機油耗量。 
                  由于缸孔幾何形狀精度及表面質量的提高，再加上活塞結構的改進，使發動機機油耗量與燃油消耗量的比值由0.25%～0.50%降到0.15%。 
3、發動機額定功率提高3.4%，最大扭矩提高2.9%。
結束語  
               綜上所述，缸孔平臺網紋珩磨工藝作為目前世界上最先進的缸孔（套）珩磨工藝之一，其應用對提高發動機使用壽命乃至經濟性、動力性有著極其重要的意義，特別是對解決發動機早磨和機油耗量高等問題起著至關重要的作用，其工藝發展和普及應是必然的趨勢。平臺網紋珩磨工藝的評價標準比較復雜，同時，工藝的實現是一個產品與工藝相結合的過程，是發動機設計、制造者與機床生產廠商的結合。缸孔（套）平臺網紋珩磨工藝的關鍵在于表面平臺與深溝的控制，從工藝上講，只有三次珩磨，且精珩磨與平臺珩磨在同一工位上一次定位完成，才能實現真正意義上的平臺網紋珩磨。