“表面完整性”新概念与“表面光整加工”新技术.doc

内燃机零部件“表面完整性”新概念与“表面光整加工”新技术（中国兵器集团第七O研究所 岳政、刘桂莲）我国内燃机关键基础零部件与工业先进国家的相比有较大差距，为数不少的国产零件，单从外观看就像是未加工完的半成品。而在可靠性与使用寿命方面差距就更明显，这种差距从技术层面来说有原材料、热处理、加工设备以及加工工艺等诸多方面原因。本文仅以零件精加工工艺“微观表面质量”一个侧面做一些分析探讨，为尽快缩小差距，介绍一个机械零件“表面完整性”新概念和旨在实现“表面完整性”的实用新技术：自由磨具滚魔光整加工技术。一、国产内燃机零部件对微观表面质量“单一性采标”是造成水平低、质量差的根本原因之一。从某种意义上说：“货用一张皮，祸起一张皮”。微观表面质量对机械零件的耐磨性、装配性、可靠性（抗疲劳、抗腐蚀、接触刚度）、密封性等使用性能有很大的影响。微观表面质量又由表面的几何特性，物理、化学、力学特性两大方面的五大类诸多参数来评价、来控制。（见本文第二部分）我国基础标准GB/T3505-2000第4条表面轮廓参数定义中对粗糙度就提出了16个参数。而我国绝大多数内燃机零件现行技术标准和产品图样（除了平台衍磨网纹气缸套外）。对微观表面质量都只选取了一个纵坐标幅度参数Ra来评价、来控制。传统的车、铣、铇、磨、抛光等加工工艺，其共同特点是一道工序只能加工一个表面。除保证实现尺寸和形状位置公差之外，就只保证实现规定的Ra，达到“符合性”要求，“单一采标”，止此而已。图一 微观表面轮廓形状示意（1）（4）咬合倾向大，耐磨性差。（5）（6）咬合倾向小，耐磨性好。上面图一所示意的各微观表面轮廓形状，其Ra纵然可以做到相近，但表示加工纹理状态的间距参数Rsm（老标准为Sn）相差甚远，Rsm亦可以做到相近，但影响耐磨性，并用Rmp、Rmr（C）（老标准为Rmr、Rmr（c）表示的轮廓峰谷之间的形状千变万化，使配合表面实际接触面积和存油情况大相径庭，又由于表面加工纹理、方向和零件相对运动的方向不同，都对表面的耐磨性、可靠性（咬合倾向）及使用性能产生重大影响。在此针对表面纹理的形式、方向对密封性的影响举一亲历实例做进一步介绍。一、多缸柴油机曲轴与后主轴承油封配合轴颈处，在新机状态下，漏油故障时有发生，曾采用多种措施，或多或少的都有些效果，但总不能彻底奏效。后来通过对外咨询，在曲轴技术文件上增加了如下要求：“该段轴颈表面最后精磨时，砂轮只做径向进给，或按图示规定方向做轴向进给，不得反向”，至此该漏油故障得以根治。其原因是：该要求规定了轴颈微观表面加工纹理的形式和方向，前者只“径向进给”形成的是连续、封闭的环形线纹理，可视为封油纹理，而后者“轴向进给”形成的是连续的螺旋线纹理，此纹理方向分左旋、右旋，在曲轴工作高速旋转时，一种是回油螺旋线，不漏油；如果反向，即成为甩油螺旋线，就造成漏油；如对此不做规定，按工人的随机操作就有漏油的几率，做了规定就杜绝了最后的最隐蔽的一个漏油因素。另一产品，液压泵齿轮轴轴颈与油封处漏油故障，也照上例办理得以根治。由上述分析看一个Ra不能正确、全面反映零件微观表面状态，16个轮廓参数只用一个Ra怎能了的？这还仅指几何特性中粗糙度而言，更何况多种加工方法。因切削力、切削热和周围介质共同作用下所实现的零件微观表面的其他几何特性、物理、化学、力学、光学性能在零件标准和图样中鲜有或没有要求和规定。“一Ra以蔽之”的零件表面，怎能承受性能日益强化、排放法规日益严格的整机的要求？因此国产内燃机零件微观表面质量还停留在用一个Ra来评价和控制的“单一性采标“的阶段，是造成水平低、质量差的根本原因之一。我国自改革开放以来，从国外引进了许多现金技术、设备和标准。内燃机零部件行业也有了长足进步，对“单一性采标“的做法也有了一些改变。例如JB/T5082. 内燃机气缸套，第7部分平台衍磨网纹技术规范及检测方法，该标准对气缸套内表面的要求不再是单一的Ra，有增加了Rsk，网纹深度、Rmr、Rmr（c）等项要求。对排放要求在国及其以上的气缸套还提出了Rz、Rx、Rpk、Rvk、Mr1、Mr2的多项具体要求。因为只综合要求改善了气缸套内孔表面初期磨合性，提高了可靠性，增强了耐磨性，并能降低机油消耗量。气缸套的水平和质量大大提高，适应了现代发动机的要求。像这样能“综合性采标”的内燃机零件标准，屈指可数，为尽快提高我国内燃机零部件的水平，我们认为必须打破“单一性采标”的局限，以“表面完整性”为指导，在传统加工方法的基础上补充，采用和推广具有复合性加工特征的“综合性采标”的新的加工技术。二、机械零件“表面完整性”新概念对零件表面质量的评价和控制，与“单一性采标”做法相对应的既是“综合性采标”，而其又源自于“表面完整性”的概念和试验基础。美国金属切削研究协会的M.Filed和J.Kahles于1964年就提出了“表面光整性”概念，并将其定义为：“由于受控制的加工方法的影响，导致成品的表面状态或性能没有任何损伤，甚至有所加强的结果”。并提出了包括几何特性和物理、力学、化学性能两方面五大类的评价指标体系；还提出了三组（基础、标准、广义）评价数据组。该概念中大部分具体指标在我们国标中都可以找到。重要的是将这些内容指标综合在一起称之为“完整性”并针对不同级别的零件和表面（一般、重要、关键），认真的试验、评价和控制，以求综合效果最佳，不求个别指标的最优。近半个世纪以来“表面完整性”已被工业发达国家广泛用于生产中。上个世纪七十年代开始，太原理工大学杨世春、江鸣峰等教授将“表面完整性”概念及光整加工技术引入我国机械行业，并进行了一系列的研究和推广。现已得到宇航、核电、汽车等部门的重视和应用。九十年代中期，又会同本文作者在内燃机及零部件行业进行流传和推广，十多年来也卓有成效，但毕竟时间较短远不够深入人心，故将国际上的老概念仍冠以“新”概念来进一步介绍。在此将杨世春等教授的文章“零件便面质量的评价”中关于“表面完整性”评价指标体系和评价数据组两部分内容节选于后，其余三部分内容：表面几何特征的评价，表面物理力学性能的评价。评价指标的测量技术，详见杨世春教授主编，机械工业出版社出版的“表面质量与光整技术”一书。 表面完整性评价指标体系表面完整性是从加工表面的几何纹理状态和表面受扰材料区的物理、化学、力学性能变化两个方面来评价和控制表面质量。其评价指标可归纳为如下五类：1） 表面的纹理形貌：包括表面粗糙中欧的、表面波度和表面纹理方向。2） 表面缺陷：包括加工毛刺、飞边、宏观裂纹、表面撕裂和皱折等缺陷。3） 微观组织和表面冶金学、化学特性：包括金相组织、微观裂纹和表层化学性能。4） 表面力学性能：包括加工硬化程度和深度、残余应力的大小、方向及分布情况。5） 表面的其他工程技术特性：包括电子性能变化（电导率、磁性及电阻变化）、光学性能变化（对光的反射性能如光亮度等）。 表面光整性评价数据组对于某一个零件，应根据具体要求选取部分评价内容作为具体评价指标，一般情况可按以下规定的三个数据组来进行评价。1、 基础数据组1） 表面粗糙度和表面纹理组织。2） 宏观组织：10倍或更低倍数能观察到的加工毛刺、飞边、宏观裂纹和宏观腐蚀迹象。3） 微观组织：微观裂纹、塑性变形、变相、晶间腐蚀、麻点、撕裂、皱折、积屑瘤、融化和再沉积层、选择性腐蚀。4） 显微硬度。2、 标准数据组。1） 基本数据组。2） 疲劳强度试验。3） 应力腐蚀试验要求。4） 残余应力和畸变分析。3、广义数据组1）标准数据组。2）扩大的疲劳试验，用于得出设计所需要的信息。3）附加的力学性能试验。如拉伸、应力断裂、蠕变等试验。4）其它特殊性能。如摩擦特性、锈蚀特性、光学特性及电子特性等。以上三个数据组，后一个数据组是前一个数据组的发展。基本数据组为最低极限数据组；标准数据组是用于更为关键性的零件；广义数据组是在标准数据组的基础上，扩大了力学性能试验和其它工程技术特殊要求的检测内容，以满足设计时对表面质量的特殊要求。应用表面完整性对关键零件的表面质量进行评价和控制，已得到宇航工业、汽车工业和原子能发电等工业部门的重视和应用。在机床行业中，也对齿轮副滚动轴承的制造提出了要求。目前对表面完整性的研究，通常是对某些关键零件所用的材料及有关最终工序的加工方法进行分析；在极限工艺参数范围内进行不同的试验，研究加工后表面层金相组织，残余应力和疲劳性质等主要性能的变化，从而确定这些材料对加工条件和工艺参数的敏感性。例如，一种镍基合金涡轮盘的加工表面完整性试验数据表明，此种材料在表面粗糙度Ra0.386.1时，对疲劳强度的影响不敏感。根据这一试验结果，就可以放宽车间车削该表面粗糙度的要求，有原设计的Ra1.6改为Ra3.2。由于表面粗糙度值增大后，零件加工工时大约减少了10%，从而在不影响性能的前提下降低了生产成本。应用表面完整性控制加工方法和工艺参数，一般需进行一系列试验和测试大量数据，这将导致成本的增加和生产率的降低。所以，一般情况下只是有选择地应用与关键零件或零件的关键部位，通过研究，以保证关键部位的表面质量，放宽非关键部位的要求，一求降低生产总成本。对一般产品的零件，可根据零件的技术要求，以基本数据组中部分参数进行质量评价。三、综合性采标的表面光整加工技术。 零件在获得规定的尺寸精度、几何精度之后，那些旨在提高零部件表面质量为目的的各种加工方法技术被称为表面光整加工技术。本文所述仅指自由磨具滚磨光整加工技术。 自由滚磨光整加工是由固体介质磨块、液体介质磨剂及水组成磨具，磨具在材料箱中呈游离状态。将被加工零件整体沉没于磨具之中，游离状态的磨具在材料箱的带动下做自由运动，被加工零件被强制运动或随磨具自由运动，零件和磨具在复杂的相对运动作用下，磨具始终以一定的压力，对零件的各表面进行碰撞、滚压、挤压、刻划和微量磨削，从而细化表面粗糙度、去除加工毛刺、钝化尖角棱边，改善表面缺陷，优化表面物理力学性能，达到提高零部件表面质量，综合性能和使用性能的目的。它是光整加工技术中的新工艺、新技术。该技术旨在实现“表面完整性”具有综合性采标和复合性加工特征，具体体现在如下各个方面：（一） 在微观表面几何特性方面。1、 选择不同的光整加工工艺参数，能使零部件表面的粗糙度Ra等级提高0.5-1.5个等级，见表二和表三表二：615厂（陕西北方动力有限责任公司）发动机凸轮轴光整加工前后粗糙度对比测量位置状态粗糙度Ra测量数据平均值轴端面光整前0.3920.3560.3400.3350.4020.3400.360光整后0.1980.1650.1610.1890.1650.1760.175小凸轮升程面光整前0.3170.4900.3730.4340.5070.4710.432光整后0.0890.1460.1170.1810.1150.1010.124大凸轮升程面光整前0.3640.5610.4490.5240.5790.4400.486光整后0.1130.1710.1400.1070.1230.1450.148表三：龙口龙泵燃油喷射有限公司油泵凸轮轴前后粗糙度对比序号状态凸轮升程面粗糙度值Ra测量数据平均值1光整前0.5670.3470.3360.2980.2980.2870.383光整后0.1100.0980.1010.1450.1410.1190.1202光整前0.4640.3850.4120.4630.3980.5820.452光整后0.2200.1950.1450.1210.1090.1200.1523光整前0.4580.5110.4530.4440.4040.4850.459光整后0.1690.1550.1840.1260.1250.0970.1434光整前0.7620.6770.6680.6220.8650.4390.672光整后0.2020.2380.1620.1500.1420.1200.1692、 表面轮廓支承长度率Rmr值，及轮廓支承长度率曲线Rmr（c），能直接反映零件表面耐磨性，对提高承载能力也具有重要意义，据美国来图加工的压气泵曲轴表面，规定在水平截距C=1时Rmr值要求达到95%。而我国内燃机零部件（除平台衍磨网纹气缸套外）基本上对Rmr值无要求，实测情况也非常低（见表四及图二）光整加工后Rmr值可提高30%以上。表四：某四缸柴油机凸轮轴支承轴颈表面Ra及Rmr值测试结果编号试验情况Ra（mm）C=1时Rmr（%）光整加工时间（分）1号轴光整前0.64544光整后0.39967152号轴光整前.055144光整后0.3698822 图二、某四缸柴油机凸轮轴支承轴颈表面Rmr（c）曲线3、 光整加工是一种微量磨削，是对零件表面轮廓峰高zpi值的部分去除和钝化（见下图三中剖线部分C=1时所示）通过光整工艺参数的选择，可使zpi值的减少，控制在13。具体磨量数值可根据Rmr（c）曲线计算。实际生产中可用千分尺对轴类零件的轴颈进行检测。 图三 轮廓支承长度率曲线4、 光整加工可以明显改善、细化表面形貌和加工纹理。图四是表面形貌的对比，图五是加工纹理的对比。光整前的表面形貌和纹理、粗糙连续方向性明显，光整后的形貌、纹理细化不连续方向性淡化，呈现多点细粒状P型纹理特征。因此光整加工可大大降低零件配合表面的咬合倾向，提高耐磨性。 a）光整前外表面 b）光整15min外表面 c）光整15min轴端面图四：光整前后零件表面形貌比较 电子显微镜（放大200倍）（材料：Q235） a）光整前 b）光整后图五：康明斯M11凸轮轴（电镜500）光整前后表面加工纹理对比（二） 在物理力学性能方面1、 光整加工能提高表面显微硬度HV610%（见表六）表六：光整前后表面显微硬度测试结果材料光整时间轴向端面试件表面显微硬度HV外圆表面试件显微硬度HV测点1测点2测点3平均值测点1测点2测点3平均值Q2350212211212211.7211211212211.315225223227225220220216218.745241233237237236230225227HV0172165171169.3168165170167.7151761801751771879185185186.32、 光整加工通过磨具对零件表面的碰撞、滚压、挤压可大大增加表面变质（硬化）层的厚度（见图六）从而提高了零件的耐磨性。图六：光整前、后零件表面变质层比较（电镜200）（光整时间15min）a） Q235光整前15 b）光整后24 c）HT光整前35 d）光整后263、 光整加工可以改变零件材料残余应力值，原来是拉应力的可变为压应力。原来是压应力的，可增大压应力数值。见表七所列数据：4、 由上述各项的优化及后面讲述及的表面缺陷的去除和改善。光整加工可大幅度提高零件的疲劳寿命。以弹簧为例：不光整的疲劳寿命为36万次，光整的提高至52万次。表七：曲轴光整加工前后表面完整性指标对比（曲轴材料为QT800-2）加工状态Ra（）显微硬度（HV）切向应力（MPa）轴向应力（MPa）实测直径基本尺寸（mm）主轴颈连杆轴颈主轴颈连杆轴颈主轴颈连杆轴颈主轴颈连杆轴颈主轴颈连杆轴颈光整加工前0.630.67377367-293-149-171-423-0.015-0.008光整加工15min后0.350.38449444-622-703-507-655-0.017-0.012（三）、去除和改善表面缺陷1、光整加工可去除厚度小于0.20mm的外部毛刺。2、对零件上全部尖角和棱边同时倒圆和钝化。该两项功能对越复杂的零件及结构，例如平键槽、花键及花键槽、内外齿轮、涡轮、叶轮、活塞环槽、活塞环及大直径螺栓螺纹尖角等，越能发挥其效能。这对改善装配性和极大地减少运转拉伤的可能性有明显的作用。3、光整加工本身工作转速低、又在液体介质中工作，因此不产生磨削烧伤裂纹，反倒能去除深度小于3的表面微观裂纹，对深于3的裂纹可非常明显的显现出来，因此光整加工也可作为一种微观裂纹的生产检验方法。4、内燃机曲轴轴颈和曲轴臂止推面之间过渡圆角处存在一个“黑线接痕”问题，光整加工可很好的改善此缺陷。5、零件的非加工面及粗加工面。例如：曲轴曲柄臂、凸轮轴开档轴颈处，因热处理而产生的发黑、变色、腐蚀及残留物，在光整加工时可一并彻底地清除，提高了零件的清洁度和外观光亮度。6、光整加工，通过去除和钝化微观表面的尖峰（减小峰高zpi），宏观表面的毛刺、尖角、锐边以及清除锈蚀等，可使零件本身的清洁度大幅度提高。见表八所示的例子，都在40%以上。而光整加工使零件表面完成了初期的磨合，从而提高了整机的清洁度和初期磨合的可靠性。这与原来零件不光整，通过整机磨合，再清洗曲轴箱和油底壳来保证清洁度的效果是大不相同的。表八：部分厂家光整前后清洁度指标对照录单位名称型号要求清洁度指标光整前清洁度指标光整后清洁度指标天润曲轴玉柴YC4108小于66mg大于100mg40.8mg江苏松林六缸曲轴小于200mg大于400mg180mg湘潭华美六缸曲轴小于200mg大于400mg160mg杭州祥龙MR479Q小于15mg大于20mg8mg亚新科弹簧小于5mg大于15mg4mg（四）、光整加工综合采标，产生综合效果举例。 1、某型号四缸柴油机出厂试车中曲轴轴颈拉伤化瓦故障率，原曲轴不光整时为0.55%，曲轴光整后降至0.069%（各统计两万台） 2、某研究所柴油机凸轮轴350小时强化考核凸轮表面拉毛，更换光整加工后的凸轮轴，同样350小时考核凸轮表面完好如新（见照片图七）。又继续 350小时考核，累计700小时仍然完好。 3、某公司产品齿轮箱，将箱内零件全部光整，装配后，齿轮箱机械噪音降低1分贝。 4、光整技术是对零件整体各表面在一道工序中一次性加工，据此可对原来的老工艺、工序，例如：粗磨、非精磨、精磨、砂带抛光、毛毡卡瓦抛光等进行撤、并，优化调整。图七：某研究所凸轮轴350小时考核后拆机图片 未光整凸轮轴350小时考核后拆机图片 已光整凸轮轴350小时考核后拆机图片5、 电镀前零件光整，可提高电镀层的均匀性及附着力。6、 某厂对柴油机全部运动摩擦副零件进行光整加工，实现零件机外初磨合、装机后减少了整机初期磨合故障率，提高磨合质量，大幅度减少了试车磨合时间，节省了人力、物力（厂房、设备）和财力，就试车用柴油年节约价值达几百万元人民