缸孔平臺(tái)珩磨工藝及評定方法

              柔性加工生產(chǎn)線是當(dāng)今汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋以及其他箱體類零件加工的主要技術(shù)裝備。由高速、準(zhǔn)高速加工中心為主組成的柔性加工生產(chǎn)線的大量應(yīng)用，為發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)帶來了產(chǎn)品的高度一致性及生產(chǎn)成本的降低。
             根據(jù)用戶的需求，NTC公司憑借多年經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缸蓋柔性加工生產(chǎn)線以其高效性和良好的擴(kuò)展能力，在發(fā)動(dòng)機(jī)的制造生產(chǎn)當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提高了用戶的生產(chǎn)效益。  
             缸孔平臺(tái)珩磨技術(shù)作為內(nèi)燃機(jī)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(jī)，近幾年有了進(jìn)一步的發(fā)展，在汽油機(jī)上也得到了廣泛的應(yīng)用。平臺(tái)珩磨技術(shù)可在缸孔或缸套表面形成一種特殊的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由具有儲(chǔ)油功能的深槽及深槽之間的微小支承平臺(tái)表面組成。典型的平臺(tái)珩磨形成的表面如圖所示。

這種表面結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
● 良好的表面耐磨性； 
● 良好的油膜儲(chǔ)存性，可使用低摩擦力的活塞環(huán)； 
● 降低機(jī)油消耗； 
● 減少磨合時(shí)間（幾乎可省掉）。 
1、缸孔平臺(tái)珩磨的工藝過程 
          為形成平臺(tái)珩磨表面，在大批量生產(chǎn)時(shí)一般需要進(jìn)行粗珩、精珩、平臺(tái)珩磨三次珩磨，其作用分別是： 
● 粗珩：預(yù)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(xù)加工的基本表面粗糙度。 
● 精珩：基礎(chǔ)平臺(tái)珩磨階段，形成均勻的交叉網(wǎng)紋。 
● 平臺(tái)珩：平臺(tái)珩磨階段，形成平臺(tái)斷面。
            要想獲得理想的表面平臺(tái)網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，對精珩和平臺(tái)珩的同軸度要求很高，因此將兩個(gè)階段合并成一次加工更為合理，通過設(shè)計(jì)成有雙進(jìn)給裝置和裝有精珩、平臺(tái)珩兩種珩磨條的珩磨頭，能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾即可完成精珩和平臺(tái)珩，消除了重復(fù)定位誤差的影響，可以減輕前加工的壓力和對機(jī)床過高精度的要求。
2、平臺(tái)珩磨表面質(zhì)量的評定方法 
              由于采用國際標(biāo)準(zhǔn)中的Ra、Rz等參數(shù)不足以精確表示并測量平臺(tái)珩磨表面，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商紛紛制定了自己的平臺(tái)珩磨表面標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過幾年的實(shí)踐和發(fā)展日趨完善，但至今沒有統(tǒng)一的平臺(tái)珩磨技術(shù)規(guī)范，由于一汽大眾公司及一汽轎車公司均采用德國設(shè)備和德國標(biāo)準(zhǔn)，這里主要介紹德國用于評定平臺(tái)珩磨表面質(zhì)量的幾個(gè)參數(shù)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。 
（1） 均峰谷高度Rz（DIN）(Mean peak-to-valley height) 
               在濾波后輪廓的5個(gè)彼此相連的取樣長度范圍內(nèi)局部峰谷高度Zi的算術(shù)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(nèi)通過輪廓的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的平行線之間的距離。值得注意的是，Rz（DIN）與國際標(biāo)準(zhǔn)中的Rz(微觀不平度十點(diǎn)高度)是不同的。 
（2）波度Wt(Total waviness height) 
如圖3所示，波度為經(jīng)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(shù) 
               剖面深度RK(Core roughness depth)系列參數(shù)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(tái)珩磨在發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔加工中的應(yīng)用
               一汽轎車股份有限公司第二發(fā)動(dòng)機(jī)廠的發(fā)動(dòng)機(jī)最初從美國引進(jìn)時(shí)，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(jù)直徑尺寸大小分五級裝配。由于珩磨余量大、珩磨時(shí)間比較長，且缸孔的幾何形狀差，已不能滿足后繼生產(chǎn)的要求。為此，我們先后進(jìn)行了兩次工藝改造。  
                   1996年進(jìn)行的工藝改進(jìn)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(zhì)量控制接近于平臺(tái)珩磨的標(biāo)準(zhǔn)。為徹底解決發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗偏高的問題，結(jié)合一汽技術(shù)中心在保時(shí)捷公司的咨詢結(jié)果，我們于1998年又做了進(jìn)一步的工藝改進(jìn)，從德國Nagel公司購進(jìn)缸體珩磨自動(dòng)線，采用三次珩磨加工缸孔，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨。 
1、發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔加工的工藝過程 
                發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)珩，精珩和平臺(tái)珩磨是在同一工位通過兩次漲刀實(shí)現(xiàn)的。各步加工的尺寸及表面質(zhì)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(tái)珩：φ7.495～87.505mm 
缸孔圓柱度：0.008mm 
缸孔網(wǎng)紋在水平方向夾角：35°～45°
● 表面質(zhì)量參數(shù) 
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(fā)動(dòng)機(jī)缸孔平臺(tái)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(jìn)了一條缸體珩磨自動(dòng)線，用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔和主軸孔的珩磨加工，其加工工藝過程及特點(diǎn)如下： 
（1）機(jī)床組成及工藝： 
                     該自動(dòng)線由16個(gè)工位組成，包括兩個(gè)上下料工位、5個(gè)珩磨工位、1個(gè)后置測量工位、1個(gè)翻轉(zhuǎn)傾倒冷卻液工位和7個(gè)空工位。缸孔的平臺(tái)珩磨是通過3次珩磨來實(shí)現(xiàn)的，即粗珩磨、精珩磨和平臺(tái)珩磨，缸體整個(gè)的珩磨過程如下：精鏜完的缸體由動(dòng)力摩擦滾道自動(dòng)輸送到上料工位1，該工位安裝有自動(dòng)判別缸體類別的傳感器，機(jī)床能根據(jù)傳感器發(fā)出的信號(hào)自動(dòng)調(diào)整加工程序。機(jī)床在工位3和工位5進(jìn)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(jìn)給由步進(jìn)電機(jī)控制，珩磨條的進(jìn)給速度及珩磨尺寸、珩磨頭的行程等均由預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行控制，對以上數(shù)值的調(diào)整只需更改程序中的相應(yīng)參數(shù)即可完成。機(jī)床在珩磨過程中可根據(jù)測量結(jié)果自動(dòng)修正缸孔的形狀誤差。工位7和工位9進(jìn)行缸孔的半精珩和精珩（平臺(tái)珩）加工，缸孔的半精珩磨和精珩磨是在同一工位經(jīng)過兩次漲刀來實(shí)現(xiàn)的，消除了重復(fù)定位誤差，可獲得更為理想的表面網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)。由于在缸孔的珩磨過程中采用了在線測量技術(shù)，邊珩磨加工邊測量，機(jī)床能夠根據(jù)測量結(jié)果自動(dòng)修正缸孔形狀，保證缸孔加工精度。缸孔圓柱度達(dá)到0.005mm，直徑尺寸精度達(dá)到±0.005mm，缸孔尺寸只有一個(gè)級別，不再進(jìn)行分組。  孔珩磨采用世界上比較先進(jìn)的臥式鉸珩工藝，在一個(gè)單行程加工中完成5個(gè)主軸承孔的珩磨，尺寸變化一般在3～4mm以內(nèi)。12工位進(jìn)行主軸孔的后置測量，并能對測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)分析結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的警示信號(hào)。15工位工件翻轉(zhuǎn)270°傾倒水套孔及螺栓孔內(nèi)的冷卻液，16工位下料，完成整個(gè)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(dá)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(shí)輔助時(shí)間也相對減少。 
                該珩磨機(jī)珩磨液具有溫度相對控制裝置，保證珩磨液溫度比環(huán)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(shí)，由于機(jī)床采用全封閉結(jié)構(gòu)，減少了由于珩磨液霧化和蒸發(fā)造成的損失，也減少了對環(huán)境的污染。  
3、平臺(tái)珩磨工藝中的幾個(gè)關(guān)鍵問題
（1）表面質(zhì)量參數(shù)的確定
                缸孔的表面質(zhì)量參數(shù)通常是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中由設(shè)計(jì)人員給出的，過去由于一般僅采用表面粗糙度Ra評價(jià)表面質(zhì)量，產(chǎn)品對工藝的要求比較少。采用平臺(tái)珩磨標(biāo)準(zhǔn)后，表面參數(shù)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將決定工藝方法，包括設(shè)備結(jié)構(gòu)、珩磨條類型、檢測設(shè)備等，如：德國大眾公司采用Rk系列參數(shù)，英國Perkins公司采用R3z、Skew等參數(shù)，并對檢測設(shè)備有明確的要求。因此可以講，缸孔平臺(tái)表面質(zhì)量參數(shù)的確定是產(chǎn)品與工藝相結(jié)合的過程，尤其是對老產(chǎn)品的改造。一汽轎車股份有限公司第二發(fā)動(dòng)機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔平臺(tái)網(wǎng)紋的表面參數(shù)就是在工藝試驗(yàn)（德國Nagel公司完成）基礎(chǔ)上，結(jié)合保時(shí)捷公司的咨詢結(jié)果及道路試驗(yàn)確定的。
（2）兩次珩磨還是三次珩磨 
               過去一般認(rèn)為兩次珩磨和三次珩磨均可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)網(wǎng)紋的表面結(jié)構(gòu)。隨著工藝水平的提高，現(xiàn)在一般認(rèn)為只有采用三次珩磨，且精珩磨與平臺(tái)珩磨在同一工位上一次定位完成，才能獲得精確的平臺(tái)網(wǎng)紋表面結(jié)構(gòu)。
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(tái)珩磨去除的余量為3～5mm。粗珩磨時(shí)主要去除余量，消除精鏜加工的刀痕，為珩磨網(wǎng)紋創(chuàng)造條件；精珩磨形成網(wǎng)紋深溝；平臺(tái)珩磨珩出平臺(tái)。
由于平臺(tái)珩磨的余量很小，加工行程次數(shù)只有5～8次，如果精珩磨和平臺(tái)珩磨采用獨(dú)立主軸加工，在珩磨頭沒有消除重復(fù)定位誤差以前就已經(jīng)完成平臺(tái)珩磨，產(chǎn)生假平臺(tái)。精珩磨與平臺(tái)珩磨一次定位完成，即在一個(gè)主軸上實(shí)現(xiàn)精珩磨和平臺(tái)珩磨。精珩磨漲刀時(shí)平臺(tái)珩磨不漲刀，精珩磨完成退刀時(shí)，平臺(tái)珩磨漲刀加工，這樣可消除重復(fù)定位誤差的影響。 
（3）珩磨過程中的主軸旋轉(zhuǎn)方向 
                 使用金剛石珩磨條時(shí)，為了避免因珩磨條對孔壁的高壓而產(chǎn)生的金屬碎片的影響，應(yīng)使每次加工的旋轉(zhuǎn)方向相反，如：精鏜右旋，粗珩左旋；精珩右旋，平臺(tái)珩磨左旋。 
（4）珩磨過程中的跟蹤測量及錐度補(bǔ)償 
               在珩磨過程中，控制程序可根據(jù)跟蹤檢測結(jié)果，通過調(diào)整砂條的超程量對缸孔的錐度實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，最后還可以通過局部短行程珩磨進(jìn)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(tái)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(diǎn)在Perkins的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的要求。采用金剛石砂條時(shí)，粘接完畢后使用前應(yīng)裝在珩磨頭上進(jìn)行線外修整，以適應(yīng)缸孔的形狀。 
4、平臺(tái)珩磨與一般珩磨加工質(zhì)量的比較 
             平臺(tái)珩磨的表面結(jié)構(gòu)與普通珩磨的表面結(jié)構(gòu)相比具有明顯的改善，形成了既有高支承率的平臺(tái)，又有儲(chǔ)油的深溝結(jié)構(gòu)。 
設(shè)備精度的提高和工藝的改進(jìn)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(dá)到0.005mm，直徑尺寸精度達(dá)到±0.005mm。缸孔尺寸可控制在一個(gè)級別內(nèi)，不再進(jìn)行分組。 
                在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用效果
               經(jīng)過臺(tái)架及整車道路試驗(yàn)，采用平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝的發(fā)動(dòng)機(jī)與未采用該工藝的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在以下幾方面取得了很大的進(jìn)步： 
1、提高了氣缸體、活塞及活塞環(huán)的使用壽命。 
                平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝增強(qiáng)了汽缸壁的儲(chǔ)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(huán)之間的潤滑條件，使汽缸壁、活塞、活塞環(huán)的磨損速度明顯減慢，大大提高了氣缸體、活塞及活塞環(huán)的使用壽命。缸孔磨損值小于每萬千米1mm，已經(jīng)處于國際先進(jìn)水平。 
2、降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油耗量。 
                  由于缸孔幾何形狀精度及表面質(zhì)量的提高，再加上活塞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗量與燃油消耗量的比值由0.25%～0.50%降到0.15%。 
3、發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率提高3.4%，最大扭矩提高2.9%。
結(jié)束語  
               綜上所述，缸孔平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝作為目前世界上最先進(jìn)的缸孔（套）珩磨工藝之一，其應(yīng)用對提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命乃至經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性有著極其重要的意義，特別是對解決發(fā)動(dòng)機(jī)早磨和機(jī)油耗量高等問題起著至關(guān)重要的作用，其工藝發(fā)展和普及應(yīng)是必然的趨勢。平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較復(fù)雜，同時(shí)，工藝的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)產(chǎn)品與工藝相結(jié)合的過程，是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造者與機(jī)床生產(chǎn)廠商的結(jié)合。缸孔（套）平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨工藝的關(guān)鍵在于表面平臺(tái)與深溝的控制，從工藝上講，只有三次珩磨，且精珩磨與平臺(tái)珩磨在同一工位上一次定位完成，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的平臺(tái)網(wǎng)紋珩磨。