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      一種有效提升汽車發動機關鍵件精加工工藝水平的新方法
      2012-11-5  來源:  作者:大眾動力總成(上海)有限公司朱正德

            1     表面微觀結構及其在用的珩磨工藝

       

            在發動機制造業,珩磨是一種被廣泛應用的工藝方法,無論是氣缸體缸孔還是其他一些部位(如連桿大頭孔),業內現今主要采用的最終精加工工藝仍是珩磨,通過精鏜工序之后的粗珩和精珩(有時還會有半精珩這道工序),在表面進行宏觀和微觀幾何加工。作為發動機中一組重要的摩擦副,配合面的狀態是否符合要求至關重要,將直接關系到產品的運行質量和可靠性。這些影響因素中,除了表面硬度、宏觀幾何精度外,配合面的的微觀結構更是往往會決定相關的工藝性能。工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形狀誤差,而表面微觀結構則主要指前二項,如圖1所示,它們均為零件重要的質量監控指標。例如,對于缸孔來說,通常情況下,經過珩磨加工后的工件表面微觀結構應同時具備這樣兩項特性,一方面需要具有很光順的表面和盡可能多的承載面積,從而確保相互運動時的滑動性和耐磨性;另一方面,又需要一個開放性的表面微觀結構,以保障表面的儲油能力,即這個表面仍然是"粗糙"的。為了同時能體現出這兩項功能,就需要使經珩磨加工的工件表面在相對粗糙的基礎上呈現出平臺結構的精細的表面形態,如圖2(b)所示。

       

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            在圖2中,利用自最高峰頂向下1μm的截線c,分別與(a)、(b)表面微觀結構相交后的情況可以清晰地看到,后者的耐磨性要高得多,且同時具有相當充分的儲油能力。如此的構造,保證了有足夠的潤滑劑在摩擦副表面貯存,潤滑劑能將兩個摩擦副表面完全分離,以及做到在任何運行狀態下磨損最小。其機理是潤滑油由于特殊的工件表面微觀形態結構將能在表面駐留很長時間,并形成流體動態壓力。理想狀態下,在潤滑劑和施載體、受載體之間因粘著力而不會產生相對運動。相對運動只存在于潤滑層內部,因而不會產生工件的很大磨損。

       

            由于在加工中,所采用油石(砂條\珩磨條)的磨料粒度、濃度、磨粒在磨具中的分布都是隨機的,為了加工出具有不同要求的工件表面,只能通過改變砂條規格(粒度、比例)和機床的壓力、速度等工作參數來實現,鑒于其中的不可控因素太多,使加工的一致性較差,導致了經珩磨后的工件表面微觀結構往往難以與所要求的完全一致。就以前面提到的缸孔內壁為例,實際所形成的溝槽深度、寬度、密度等情況同理想的表面構造總會有差距,而珩磨條的改進、質量的提高又不可能從根本上解決上述問題。

       

            2激光造型的基本原理及其在缸孔精加工中的應用

       

            激光造型作為一種新工藝,直到本世紀初才在其誕生地---汽車工業強國德國的少數企業得到實際應用,但在用于發動機氣缸體缸孔和連桿大頭孔精加工等關鍵工序的實踐中,通過其改善配合面的工藝性能、有效提升產品的質量和可靠性,已經充分顯示了這種先進技術的很大優越性。近年來,這一先進的制造技術在歐洲汽車發動機業界的應用日益增多,并自2009年開始,進入了國內的主流汽車發動機生產企業,展現了它十分廣闊的市場前景。

       

            簡單地說,這項新技術就是利用激光頭所發出的數控激光束在被加工表面制作出符合事先設定要求的表面微觀結構的一種工藝方法。在實施表面造型的加工過程中,高能量的光束將有部分被工件表面反射、有部分則被吸收,被吸收的光束能在瞬間將材料加熱并使之達到氣化狀態。這種"激光刀"產生的光束的切削能力取決于脈沖頻率、功率、開關時間和進給速度等。由于溫度升高是瞬間產生的,并且具有很高的能量聚集密度,因此光束只在一個有限的局部做瞬間切削,工件材質的特性不會由此而產生變化。另一方面,粘結在工件表面上的冷卻劑殘余物將被蒸發或燃燒,也不會影響到激光束切削的質量。激光造型設備的數控系統能驅使用于缸孔精加工(如圖3所示)的激光頭做上下和旋轉運動,并對激光束的開關時間和能量進行相應的控制,從而可獲得有著不同要求的工件內表面的微觀結構。因此,用戶利用這種先進的制造技術就能在工件表面產生可控的微觀形貌。   

       

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            但對于缸孔精加工而言,在引入了這項新技術后,并未就此摒棄了之前采用的珩磨工藝。事實上,此時的精加工將由三道工序組成:粗珩;激光造型;精珩。粗珩的目的是使孔的形狀和尺寸達到一定的精度,以能滿足進行下道工序的要求,這之后才執行激光造型。經過這一道新工藝精加工后,由于往往會使表面形成的溝槽兩側存在明顯的熔堆,而為了去除這些衍生的粘接熔堆和氧化物,以獲得一個較高光潔度的平臺結構表面,這樣就必須再有一道精珩加工,以能最終得到一個理想的表面構造。在缸孔內表面精加工中引入激光造型工藝的根本目的是為了得到一個可控的、適量而又充足的微觀結構,以使機油有較長的駐留時間和良好的流體動態壓力。為此,一般選擇采用規整、均勻的溝槽方案,具有交錯斷續或交叉點坑的分布特征。圖4是常選的三種溝槽構造形式:袋狀(a);杯狀(b);塊狀(c)。上述結構的一個共同點是無交叉、不連通,各溝槽相互之間沒有任何聯系,能有效存儲潤滑油而不易流失,便于形成均勻油膜,使摩擦副處于流體潤滑狀態。由此,既保證了足夠的潤滑,又阻止了過多的機油竄入燃燒室,還可減少應力影響,對改善摩擦性能有很大好處。相比之下,傳統珩磨工藝在缸孔內表面形成的往往就是相互連通的網狀溝槽結構,且表面粗糙度又"粗",導致儲油量偏多。而采取激光造型工藝的結果是使潤滑油的消耗量會有較大幅度的減少,關系到環保的指標,如顆粒物排放和油粒排放則有明顯降低。圖5是采用這項新穎工藝加工的缸孔的實況,從圖中可見,真正實施激光造型的只是位于承受高負載的缸孔上死點附近進行的區域,以保證活塞環在該區域受到高負荷時的良好潤滑。圖5其實是汽車已運行十多萬公里再拆解后的缸壁表面情況,在圖中,無論是造型形成的規則溝槽,還是下部珩磨加工的網紋都清晰可見。這也說明了利用激光造型技術可使磨損大幅度降低,從而延長發動機的使用壽命。

       

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            3     連桿大頭孔的激光造型加工

       

            不同于上述活塞環-缸壁(缸孔內壁或缸套內壁)這組摩擦副,在發動機的活塞-連桿-曲軸運動機構中,與曲軸中的連桿軸頸組成運動摩擦副的,并非直接是連桿大頭孔的內壁,而是一對(兩半組成)軸瓦。因此,連桿大頭孔不同于之前研究的缸孔,其內壁和軸瓦乃是緊緊地貼合在一起,兩者之間不僅沒有高頻次的相對運動,而且還要求在傳遞高負荷的扭矩時竭力避免出現滑動,哪怕是很小的錯移,以免影響發動機的運行。為此,長期以來在產品結構和工藝上,采取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連桿體上加工止口的方法,以防止產生滑移現象。這已是很成熟的制造技術,沿用至今。但近年來,汽車發動機業界出于種種考慮,不斷改進產品結構和改進工藝,上述連桿軸瓦止口限位工藝已在一些企業的新產品中被取消,且這種情況逐漸在增多。顯然,這種簡化了的結構和工藝直接帶來了對連桿大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會提出更高的要求,最基本的一點就是:被緊緊壓入孔中的軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力,以確保發動機在高速運轉中軸瓦不會有滑移。而這一點也只能由連桿大頭孔內壁的有特定要求的表面微觀結構來實現和保證。

       

            在發動機生產企業,雖然缸孔和連桿大頭孔最后一道精加工都是采用珩磨工藝,但從前面介紹可知,兩者的被加工面所應具有的工藝性能大相逕庭,完全不同。正因為如此,在引入激光造型這一新工藝的方式上,以及對"按需定制",即所期望形成的表面微觀結構上,連桿大頭孔與之前描述的缸孔的情況有著很大的差別,如表1所示。

                                              

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            從表1可見,相比缸體中的缸孔,連桿大頭孔在引入這項新的制造技術后,原來的精加工工藝發生了根本變化,激光造型完全取代了之前的珩磨而成為精加工中的最后一道工序。圖6是連桿大頭孔激光造型設備的主體部分,從圖中可見,該設備有一個很大的回轉工作臺,其上擁有"上下料"和"加工"等二個工位。在加工工位,對向設置的兩個旋轉激光頭在完全封閉的環境下,完成了對工件大頭孔圓周的4個矩形表面的燒蝕造型。經仔細觀察后可以清晰地從圖7中看到,那四個箭頭所指處的局部陰影區域即是。那每一塊造型區域又有多大呢? 

       

            對于一臺小排量轎車的發動機,其連桿大頭孔的外徑一般不超過50mm,厚度不超過20mm,則取高(軸向)為13~15mm,寬(圓周向)度、既弧長則稍大些,但一般不用長度單位mm表示,而采用對應的角度標注,約在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規則、均勻的溝槽。而對于連桿大頭孔,則是在精鏜后的圓周面上完成較均勻的凸峰狀造型,無疑兩者是不一樣的,所產生微觀結構的均勻程度也是不同的,后者更為困難。圖8是經過激光造型后的表面構造三維圖。從前面的介紹可知,由于連桿大頭孔珩磨后要求體現的工藝性能就是確保與軸瓦間有足夠的摩擦力,因此規則、均勻的程度,以及燒蝕造型過程中珩生的一些粘結熔堆和氧化物不會影響其工藝效果。通過在缸體缸孔精加工工序中引入激光造型工藝,能明顯地提升發動機的產品質量和性能,但是,把這項新的制造技術真正在企業中用于實際生產的都首先是連桿大頭孔。主要原因就是這樣做直接帶來了"在確保產品質量的同時,降低了制造成本"的效果。相比傳統的一條珩磨短線(含有粗珩、在線檢測、精珩、在線檢測等多個工位),圖6所示的設備要便宜得多,僅為前者的幾分之一。而且,采用這一新工藝后運行費用也會更低,原因是既不再需要像珩磨頭那樣復雜又昂貴的機床附件,更不涉及到油石(珩磨條)、乳化液等消耗品。再有一點,由于無論設備本身還是牽涉的輔助器具都很簡單,這就決定了運行中的故障率大大降低,使維護成本也相應降低,而這正是企業所期望的。唯一要引起注意的是必須使設備周圍的油污、乳化液應遠離工作區,一旦激光頭"光束發射空"被堵塞,或反射鏡片被弄臟,將會導致嚴重的質量問題。

       

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            4     結論

       

            作為一種新技術,激光造型工藝有著廣闊的應用前景,用于上述發動機中的缸體缸孔和連桿大頭孔的精加工僅是兩個典型案例。其他可以采用這一新工藝的場合還有很多,如連桿大頭孔及其端面的精加工等。

       

            但盡管如此,激光造型的推廣應用也還有較漫長的路程要走,主要還是受制于投入,即制造成本。缸孔造型雖然有較明顯的提升產品性能、質量的效果,但為增添設備,必然會增加生產成本,這也是一個不爭的事實。此外,就完成加工之后的檢測、評定來看,也存在效率偏低的弱點。目前企業正在考慮選用更高效、可行的光學掃描方式。這也說明,對產品性能、質量要求的不斷提高,孕育、促進了先進制造工藝的誕生,而由此對評估、驗證提出的新的需求,又推動了測量技術的發展。

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