（机械制造及其自动化专业论文）发动机缸套珩研加工技术.pdf

摘要 缸套是发动机燃烧室的重要组成部分。工作时，缸套处在高温、高压下， 活塞在其问作往复运动，活塞侧压力的作用和摩擦表面的高速运动使缸套很容 易磨损。因此，缸套加工质量的优劣直接影响发动机的技术性能和使用效果。 本文以发动机缸套为对象，对缸套的精加工工艺进行了分析与研究。 本文在分析了珩磨加工、平顶珩磨加工和研磨加工工艺的基础上，提出将 珩磨加工与研磨加工进行有机地结合，从而形成了缸套精加工的复合工艺技术， 即珩研加工技术。在理论上研究了缸套珩研加工的加工工艺及其优越性。分析 了珩研工艺参数珩研速度、珩研压力、研磨剂种类及其粒度等对珩研工艺的 影响。设计了进行珩研加工的工具一专用珩研头。利用专用珩研头在新研制的 珩研机床上进行缸套珩研加工工艺实验，根据缸套的技术指标要求，确定出能 够达到技术要求的珩研工艺参数。 对加工出的缸套进行内应力、抗破裂、脉冲和风量试验，对缸套工作面的 表面质量进行检验，均符合缸套的性能要求和技术指标要求。 关键词：珩研技术珩研工艺珩研头 表面粗糙度 a b s t r a c t t h ec y l i n d e rs l e e v ei sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t p a r to ft h ee n g i n ec o m b u s t i o n c h a m b e r w h e nw o r k i n g ，t h ec y l i n d e rs l e e v e ，i nt h ec o n d i t i o n so f h i g ht e m p e r a t u r e a n d h i g hp r e s s u r e ，i nw h i c h t h ep i s t o nm a k e s r e c i p r o c a t i n gm o t i o n s ，w e a r sv e r ye a s i l y u n d e rt h ea c t i o no ft h es i d ep r e s s u r eo ft h ep i s t o na n dt h e h i g h s p e e dm o t i o no f f r i c t i o ns u r f a c e s t h e r e f o r e ，t h em a c h i n i n g q u a l i t yo f t h ec y l i n d e rs l e e v eh a sad i r e c t e f f e c to nt h et e c l m i c a ip e r f o r m a n c ea n di n u s ee f f e c t i v e n e s so ft h ee n g i n e i nt h i s p a p e r , w i t ht h ee n g i n ec y l i n d e rs l e e v ea st h eo b j e c t ，t h ef i n i s hm a c h i n i n gt e c h n o l o g y f o rt h e c y l i n d e rs l e e v e i sa n a l y z e da n ds t u d i e d i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fa n a n a l y s i so fh o n i n g , f l a th e a dh o n i n g a n d g r i n d i n g t e c h n o l o g i e s ，ac o m p o s i t et e c h n o l o g yf o rf i n i s hm a c h i n i n go ft h ec y l i n d e rs l e e v e ，o r h o n i n g g r i n d i n gt e c h n o l o g y , i sp u tf o r w a r d ，w h i c ho r g a n i c a l l yi n t e g r a t e sh o n i n gw i t h g r i n d i n g t h ep r o c e s st e c h n o l o g yo fh o n i n g - g r i n d i n go ft h ec y l i n d e rs l e e v ea n di t s a d v a n t a g e s w e r es t u d i e di n t h e o r y t h e e f f e c to ft h e h o n i n g - g r i n i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s - - - h o n i n g - g r i n d i n gs p e e d , h o n i n g - g r i n d i n gp r e s s u r e ，k i n d sa n dg r a n u l a r i t y o fg r i n d i n gc o m p o u n do nt h eh o n i n g - g r i n d i n gp r o c e s sw a s a n a l y z e d a n dat o o lf o r h o n i n g g r i n d i n g _ t h es p e c i a lh o n i n g - g r i n d i n gh e a dw a sd e s i g n e d ac y l i n d e rs l e e v e h o n i n g g r i n d i n gp r o c a s se x p e r i m e n t w a sc o n d u c t e do na n e w l yd e v e l o p e d h o n i n g - g r i n d i n gm a c h i n e t o o lb yu s i n gt h es p e c i a lh o n i n g g r i n d i n gh e a d a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t 5 , o f t h et e c h n i c a l i n d i c a t o r s ，t h e h o n i n g g r i n d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s t h a tc a nm e e tt h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t sw e r e d e t e r m i n e d t e s t so ft h ei n n e rs t r e s s ，r e s i s t a n c et or u p t u r e ，i m p u l s ea n da i rq u a n t i t yw e r e c o n d u c t e do nt h ep r o c e s s e dc y l i n d e rs l e e v ea n dt h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ew o r k i n g s u r f a c eo ft h e c y h n d e r s l e e v ew a s i n s p e c t e d ，a l lm e e t i n g t h e p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t sa n dt e c h n o l o g i c a li n d i c a t o rr e q u i r e m e n t so f t h ec y l i n d e rs l e e v e k e yw o r d s ：h o n i n g - g r i n d i n gt e c h n o l o g y h o n i n g - g r i n d i n gp r o c e s s h o n i n g - g r i n d i n g h e a d s u r f a c e r o u g h n e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 发动机缸套加工工艺的发展现状及存在的问题 发动机是将其他形式的能量转变为机械能的一种动力装置，是各种移动式 机械的主要配套动力。缸套是组成发动机的一个关键零件。其内孔的表面质量直 接影响发动机的高速、高效、高性能和低排放的实现。缸套又是发动机的主要 易损件之一，在发动机运转期间，缸套内表面是活塞作高速往复运动的导行面， 工作中缸套和活塞环这对摩擦副处在高温、高压及有着固体微粒与腐蚀介质的 工况下，摩擦及润滑条件极为不利。过度磨损会造成漏油、漏气、功率下降和活 塞环的快速报废，甚至发生事故，所以要求这对摩擦副应具有良好的综合抗磨、 润滑性能。研究表明：缸套对于这对摩擦副耐磨性的作用要大于活塞环1 1 l 。近代 发动机的强化程度( 如达到尾气排放指标) 及对可靠性和寿命的要求越来越高， 气缸套的可靠性也就显得更重要。因而要求缸套应具有足够的表面硬度、强度、 耐磨、耐高温以及较高的尺寸精度、形状精度和合理的表面粗糙度，并使它与 活塞配合保证良好密封，而且还要具有优良的润滑性能。既要提高表面承载能力 又要改善润滑效果。使缸套在可变负荷下有尽可能小的变形，有好的快速磨合 性，有好的抗拉伤能力和小的缸套与活塞环的磨损。为了满足上述要求，除了 考虑缸套的选材，及有着合理的制造成本的前提下，那么如何改善缸套的加工 工艺，保证缸套的表面质量，提高缸套的使用性能，以提高发动机的使用性能 是发动机制造商十分关注的问题。因此，国内外对缸套内表面的精加工工艺的 研究非常重视。 1 9 2 4 年美国的巴恩斯( b a r n e sd r i l lc o ) 公司为加工汽车内燃机气缸而设计 制造出了珩磨机【”，使缸套内表面的精加工工艺技术得到了显著的发展，跃上 了新的台阶。到2 0 世纪7 0 年代，美洲和西欧等发达国家发动机的气缸套内孔 表面已广泛采用平顶珩磨网纹的表面轮廓结构形式【3 l 。 在国内，缸套传统的加工工艺是普通珩磨，普通珩磨工艺是利用珩磨条表 面颗粒的粗细程度和珩磨时珩磨头的上下运动来控制缸孔表面网纹的夹角及网 纹沟槽深度。气缸孑l 表面经过一段时间的磨合后，网纹的尖端部分被磨损掉，断 面呈平顶状。平顶部的形成提高了缸孔表面的承载能力，且使缸孔表面磨损趋于 稳定。但是磨合时磨掉的细屑混入润滑油中，将加速发动机磨损，使发动机的寿 命降低。随着加工工艺豹进一步改善，又采用过渡珩磨工艺加工缸套内表面【4 】， 第一章绪论 即内圆表面在珩磨后。用软木油石抛光，去除尖峰。这种珩磨工艺要优于普通 珩磨，但由于对珩磨网纹的深度、沟槽的数量、轮廓偏斜度、轮廓的支承长度 率等指标不作具体要求，所以珩磨质量指标允许有一个波动范围。此种珩磨工 艺加工的缸套内孔表面储油耐磨效果一般。传统的珩磨工艺远远不能满足发动 机的要求，为此，汽车、摩托车制造厂家开始引进国外生产线及珩磨设备，引进不 但价格昂贵，且带来了珩磨条的国产化问题。 平顶珩磨工艺是近年来在我国发动机制造业中应用较广泛的一种先进的缸 套珩磨加工工艺 5 , 6 , 7 , 8 1 。平顶珩磨工艺是在使工件内孔形状精度达到一定要求的 粗珩磨后，先用一组较粗的油石对缸孔表面进行精珩，以加工出含油沟槽，然 后用一组较细的油石对精珩的表面进行平顶，即平顶珩。平顶珩去除了精珩加 工后表面微观形状的峰顶部分，使缸孔表面微观形状呈既有良好的支撑性又有 一定数量的含油槽，以减少发动机磨合时间，增加发动机的气密度，提高发动 机使用寿命。但由于平顶珩磨加工过程中各种随机因素的影响，轮廓沟槽储油 能力并不十分理想。又由于有连续的贮油深沟，容易产生应力集中，从而降低 了发动机的使用寿命。同时，采用平顶珩磨技术生产的缸套在使用上有其局限 性，即平顶珩磨缸套的性能满足不了增压式发动机的工作要求。非增压缸套一 活塞副难以承受增压柴油机较高的机械负荷和热负荷，出现活塞及活塞环拉缸 与缸套粘着咬死。 对于从国外引进的发动机所用的气缸套，还需对其内表面进行表面处理， 以达到不同的性能要求。一种是为加速发动机缸套和活塞环的磨合，提高缸套 内表面的储油性能，缩短磨合期，改善磨合过程，而进行的磷化处理；另一种 是为提高气缸套内表面的耐磨性和抗拉伤性能，而进行的表面镀铬，气体软氮 化，表面激光淬火处理，浸渗碳化硅和表面等离子喷涂多元合金等表面处理。 经过表面处理的缸套需找到合适的活塞环与其匹配，否则，发挥不了应有的作 用，同时表面处理还加大了生产成本。而且表面处理的缸套也未达到预期的性 能要求。如磷化处理，即通过化学腐蚀法使缸套内表面形成贮油穴。而影响磷 化的因素很多，通过磷化得到的贮油穴不均匀，很难得到理想的磷化表面，从 而导致活塞环和缸套之间的润滑油膜不完整，未能提高缸套和活塞环的寿命， 容易出现拉缸和“抱缸”现象。另外，磷化处理对环境的污染也十分严重。 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 方法来改善缸套性能已经接近了极限。因此，国内外正在研究探索采取在缸套内 第一章绪论 表面上形成储油结构的新型加工方法，以提高其耐磨性和工作寿命，满足高性 能发动机的需要。如采用自激振动、冲击加工微坑、功率超声珩磨、激光珩磨 加工方法在缸套内孔形成蜂窝状微坑的轮廓结构 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。由于加工出一定数量 的蜂窝状微坑，使得缸套润滑性能大为改善，消除了缸套“贫油”现象。 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。虽然能形成相 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) ，也无法采用高效率、高密度的矩阵型非切削工具头并匹配合适 的切削用量。这种做法，可能会造成刀具加速磨损，降低刀具寿命，甚至损坏工艺 系统。 冲击加工微坑方法是利用2 0 2 0 0 h z 的低频，冲击加工微坑的分布及结构 强迫振动实现薄壁缸套的微坑加工，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，用该工艺加工微坑，其分布和结构参数可控， 加工效率高，无烧灼，微坑均匀分布，加工产生的压应力可提高表面的耐磨性。但 冲击加工工具的磨损以及工具端部振幅由于谐振频率偏移、振动系统失谐而产 生的衰减将直接影响微坑成型精度和生产率。 日本、俄罗斯、德国等国家对功率超声珩磨做过大量研究。功率超声珩磨 是功率超声切削在珩磨中的应用，通过对普通珩磨中不断旋转并上下往复运动 的珩磨头施加以超声频的振动来实现。由于附加了高频率的振动，使珩磨头上 油石条的微磨粒运动规律发生了变化，形成了脉冲切削，加上功率超声的空化 作用，使功率超声珩磨实现了高效、精密珩磨的要求。功率超声珩磨技术与普 通珩磨相比具有珩磨压力小、珩磨温度低、精度高、表面质量高及油石磨损小、 效益高等特点。由于其装置因珩磨杆振动而带来装配、维修、使用及调整等一 系列的困难，使其应用受到限制。 激光珩磨技术是由德国学者k l i n k 等人于1 9 9 5 年提出的，1 9 9 8 年，德国的 格林公司将激光珩磨技术应用于发动机气缸的处理中1 1 ”，在气缸内壁表面，按发 动机的润滑性能需求进行表面微观几何结构造型。加工出珩磨网纹，使抗磨延 寿、降低排放的效果更好。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 第一章绪论 系统) 。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3 0 6 0 ，减少了催化器的污染，降低了机油的颗粒排放量 2 5 3 0 ，活塞环的磨损从5 岬降低到2 5 p m ，气缸套的磨损从3 岬降低到1 5 t i m ， 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。 随着世界石油供应量的日益紧张，以及环保呼声的日益高涨，世界各国已 开始有计划、有步骤地在发动机上应用增压技术。发动机增压能提高空气密度， 增加进入气缸内的空气量，在发动机结构参数不变的情况下发出更多的功，大 幅度提高发动机的功率。此外，增压后气缸内空气量增加，过量空气促进了燃 料充分燃烧，对发动机燃油经济性和排放也有所改善，而且对燃料和排气噪音 也有一定的抑制。所以，世界各大汽车公司都投入了大量的人力、物力、财力 进行研究和开发，以满足现代人追求高功率、低油耗、低排放等越来越苛刻的 要求。 1 9 9 5 年，德国k h d 公司成功研究出了缸套珩研加工技术( 我国在引进它 的发动机和缸套时获悉) ，并开始应用于生产。这项技术是集珩磨加工与研磨加 工于一体，它替代了平顶珩磨技术，弥补了平顶珩磨技术的不足。采用这一技 术，对风冷式发动机可以实现增压供气。可使发动机使用性能得到改善，发动 机功率得到提高，效果非常理想。这项技术在国际上是较为先进的、适合缸套 生产的技术，满足了增压式发动机的使用要求。 1 2 课题的提出 为了提高风冷式发动机( 如摩托车、重型机械、战车用发动机等) 的功率 和使用性能，我国从德国引进了先进的风冷式发动机，这种发动机对缸套的寿 命、强度和可靠性的要求都很高，采用我国现有的平顶珩磨技术加工的缸套， 满足不了该发动机的使用要求，使发动机根本无法发挥其使用性能。如果单靠 进口与发动机相匹配的缸套，需要花去大量的外汇，经济效益低下。而德国又 对我国进行技术保密，无法进行技术引进。因此，自行研究缸套珩研这一新的 加工工艺技术已势在必行，也是实现缸套国产化和改善缸套加工工艺，提高缸 套表面质量需要解决的课题。同时，制造具有国际竞争力的先进产品可以为国 家节约大量外汇。因此，本课题的研究具有很高的实际应用价值，珩研技术的 研究，可以提高我国发动机关键件之一的缸套表面加工工艺水平，改善我i 虱关 键件工艺落后的现状，对提高我国发动机性能有着重要意义。 第一章绪论 1 3 课题研究的主要内容 本课题有机地结合了珩磨加工、平项珩磨加工、研磨加工工艺，用对比和 联系的方法，对发动机缸套珩研加工原理及加工工艺特性等内容进行深入研究。 具体研究内容如下： 1 对引进风冷式发动机所匹配的缸套技术指标的要求，深入研究缸套精加 工工艺技术一珩研技术的加工原理及其优越性。 2 设计出用于珩研缸套内孔的工具一专用珩研头。 3 进行珩研工艺研究，分析工艺参数一珩研速度、珩研压力、研磨剂种类 及其粒度大小对珩研工艺的影响，确定缸套珩研加工的工艺参数范围。 4 进行珩研工艺实验，根据给定的缸套的技术指标，确定出一组适合缸套 加工的珩研参数珩研速度、珩研压力、研磨剂粒度及混合比等，使缸套的质 量达到发达国家的技术水平。 5 对缸套的性能及技术指标进行试验和检测。 6 分析、总结工艺实验并得出全文结论。 缸套加工示意图见图卜1 。 缸套应达到的技术指标： 尖端波纹：p ，5 2 0 处0 3 2 0 m 芯部波纹：p ，2 0 9 0 处1 0 3 5 m 深部波纹：p ，8 0 9 5 处0 5 2 5 i m 粗糙度：r ，= 3 o 6 0 t a m 轮廓深度：p ，= 4 m 1 4 岬 粗糙度：r 。= 0 6 1 2 m 波纹度：w ，= o 4 5 岬 峰值数：1 5 0 3 0 0 个c i n 第一章绪论 图i - i 缸套加工示意图 6 第二章缸套珩研加工技术研究 第二章缸套珩研加工技术研究 2 1 珩磨加工、平顶珩磨加工及研磨加工的基本工艺 珩磨、研磨均为传统的光整、精密加工方法。它们的特点是没有与磨削深 度相对应的用量参数，一般只规定加工时的压强。加工时所用的工具由加工面 本身导向，所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。这些加工方法不 仅可以降低表面粗糙度数值，在一定条件下也可用以提高某些方面的加工精度， 如珩磨时可提高圆度、圆柱度精度，研磨时可提高圆度、直线度精度等。通常， 加工精度主要由光整加工前的各工序保证。采用这些方法加工时，其加工余量 都不可能太大，一般只是前道工序公差的几分之一。 2 1 1 珩磨加工 i 珩磨加工的机理 珩磨是一种低速磨削法，常用于内孔表面的光整、精加工。珩磨油石装在 特制的珩磨头上，由珩磨机主轴带动珩磨头作旋转和往复运动( 即实现主运动) ， 并通过其中的涨缩机构使油石伸出，向孔壁施加压力以作进给运动，实现珩磨 加工。为提高珩磨质量，珩磨头与主轴一般都采用浮动连接，或用刚性连接而 配用浮动夹具，以减少珩磨机主轴回转中心与被加工孔的同轴度误差对珩磨质 量的影响。 珩磨头在每一往复行程内的转数为一非整数，因而它在每一行程的起始位 置都与上次错开一个角度，这就使油石上的每颗磨粒在加工表面上的切削轨迹 不致重复，从而形成均匀交叉珩磨网纹，见图2 - i 。 由于油石具有一定长度，油石的切削轨迹与前一转在轴向上有一段重复， 所以保证了前后切削轨迹衔接得比较光滑。当珩磨头在孔中往复运动时，油石 就像桥板一样搭在加工表面突出的高点上，在珩磨压力的作用下，将高点削去。 同时加工表面上的高点也冲击着钝了的磨粒，使之破碎或脱落，而重新露出锋 锐的磨粒。所以珩磨过程也就是油石与加工面不断相互磨削与修整，使原来刀 痕与残余应力变形层被磨去，油石也相应被磨损。当两者由点接触转为面接触 后，单位面积上的珩磨压力相应降低，切屑变薄，油石开始被堵塞钝化，切削 作用逐渐下降而消失，加工表面的粗糙度也逐渐降低，珩磨过程转为抛光过程， 7 第二章缸套珩研加工技术研究 楸、芒s l 。l |l l l 霾 0 弱 l t 件 a )b ) 图2 - 1 珩磨油石的切削轨迹。 a ) 成形运动b ) 一根砂条在双行程中的切削轨迹( 展开圈) 1 、2 、3 、4 形成纹痕的顺序a 一网纹交叉角 直到达到要求尺寸，最后油石退回。 2 珩磨加工特点 ( 1 ) 表面质量特性好。珩磨可以获得较低的表面粗糙度，一般可达 r 。0 8 - 0 2 呷，甚至可低于r 。0 0 2 5 岬。 ( 2 ) 加工精度高。珩磨技术可以获得较高的尺寸精度，而且还能修正孔在珩 磨前加工中出现的轻微形状误差，如圆度、圆柱度和表面波纹度等。珩磨中等 孔径，圆度可达5 b t m ，圆柱度不超过l o i ，t m 。 ( 3 ) 珩磨效率高。可使用多条油石或超硬磨料油石，也可提高珩磨头的往复 速度以增大网纹交叉角，能较快地去除珩磨余量与孔形误差。 ( 4 ) 珩磨工艺较经济。薄壁孔和剐性不足的工件，或较硬的工作表面，用珩 跨进行光整加工不需复杂的设备与工装，操作方便。 2 1 2 平顶珩磨加工 平顶珩磨主要用于具有相对运动摩擦副的内孔珩磨。平顶珩磨工艺是较为 经济实用的先进珩磨工艺，无论从产量、质量、制造成本和使用效果来看，都 优于传统珩磨工艺。 8 第二章缸套珩研加工技术研究 1 平顶珩磨机理 平顶珩磨技术是模拟缸孔磨合期的工作原理，在传统珩磨工艺基础上发展 而成的。其机理是在使工件内孔形状精度达到一定要求的粗珩磨后，用一组较 粗的油石对缸孔表面进行精珩，以加工出含油沟槽，再用一组较细的油石将缸 孔表面网纹磨成平顶状。平顶的目的是去除精珩加工后表面微观形状的峰项部 分，使缸孔表面微观形状呈既有良好的支撑性又有一定数量的含油槽，以减少 发动机磨合时间，提高发动机使用寿命。 在现有的珩磨机上实现平顶珩磨，需要提高珩磨机的往复速度，调整主轴 圆周速度与往复速度的比例，使获得需要的网纹交叉角。在平顶珩磨机上使用 专用的珩磨头，备有粗珩和精珩两副油石。机床具有自动测量装置，实行粗珩 与精珩过程的压力转换与油石交替，可稳定获得优良的平顶珩磨表面。 专用的平顶珩磨头，主要特点是装有粗、精珩磨两副油石，由珩磨机主轴 内的双进给油缸、活塞杆推动珩磨头的内外锥体，分别进行粗、精珩磨。具有 较高的珩磨效率，双进给油缸工作比较稳定。加工时，先由活塞杆推动外锥套， 胀开粗珩油石，待粗珩到预定尺寸后，通过气动量仪发出信号，使粗珩油石降 压并缓慢退回。活塞杆又迅速推动内锥体，使精珩油石胀出，进行精珩。待预 定精珩时问完毕后，油石卸压缩回，珩磨头复位。另外，珩磨头的制造精度高， 所有油石座与磨头本体上的油石槽均经研配，以保证进给系统的可靠性。 2 平顶珩磨主要特点 ( 1 ) 经平顶珩磨的内孔，宏观表面具有明显的、粗细均匀的、对称的珩磨交 叉网纹，网纹应无折叠、间断等现象。 ( 2 ) 珩磨网纹交叉角0 较大，一般要求3 0 。6 0 。，需达到产品设计要求。 ( 3 ) 表面的微观轮廓曲线为宽度不等的平顶与深沟。平顶表面以支承载荷， 沟槽则利于贮油润滑。 ( 4 ) 平顶珩磨表面粗糙度一般要求为： r 。0 5 1 2 5 岬 或 r 。0 7 1 5 1 m ( 5 ) 平顶表面支承率t 。要求： t p 2 5 0 8 0 ( 6 ) 平顶珩磨表面上的沟槽大小，一般要求宽度4 0 7 0 岫，深度4 6 叫。 9 第二章缸套珩研加上技术研究 2 。1 。3 研磨加工 1 研磨加工机理 研磨就是将磨料及其附加剂涂于或嵌在研磨工具表面上，在一定的压力的 作用下，借助于研磨工具和被研磨工件之间的相对运动，从被研磨工件表面上 除去极薄的金属层，从而使工件获得高精度的一种工艺方法。即研磨是由游离 的磨粒通过研具对工件进行微量切削的加工过程。其主要作用如下： ( 1 ) 切削作用 由于研具的材料比被研的工件软，研磨剂中的磨粒在研具表面上半固定或 浮动，构成多刃基体，在研具与工件作研磨运动时，在一定压力下，对工件表 面进行微量切削。 ( 2 ) 塑性变形 钝化了的磨粒对工件表面进行挤压，使被加工材料产生变形，工件表面峰 谷在塑变中趋于熨平或在反复变形中产生加工硬化，最后断裂形成细微切屑。 ( 3 ) 化学作用 当采用氧化铬、硬脂酸或其他研磨剂时，工件表面会形成一层极薄的氧化 膜，这层氧化膜很易被磨掉而不损伤基体，在研磨过程中氧化膜不断地迅速形 成，又不断地被磨掉，从而加快了研磨过程，使表面粗糙度降低。 研磨的实质是由于磨粒的切削作用、研磨表面微小起伏的塑性流动和表面 活性物质的化学作用的综合结果。 2 研磨加工的特点 研磨加工除具有尺寸精度高、形位精度高、表面粗糙度低、运动平稳的特点 外，还具有如下的特点： ( 1 ) 表面微观纹理均匀 工件和研具间有一定相对运动，在一定压力的作用下，磨粒均匀地切掉工 件表面上的凸蜂，形成了均匀的表面纹理结构。 ( 2 ) 零件表面耐磨性提高 研磨所用的磨粒微小，速度较低，刮削过程十分轻微。同时无振荡痕迹， 无塑性变形所引起的显微裂缝、撕破等现象。由于研磨可以得到高的表面质量， 使摩擦系数减小，实际有效接触面积大，耐磨性提高。 ( 3 ) 零件表面疲劳强度提高 研磨表层存在的是残余压应力，这种应力有利于提高零件表面的疲劳强度。 l d 第二章缸套珩研加工技术研究 3 研磨的种类 研磨按涂敷研磨剂的方式不同，可分为干研磨、湿研磨和半干研磨。 干研磨是研磨前把磨料嵌在研磨工具表面上，研磨时只要在研磨工具表面 上均匀涂以少许润滑剂即可进行研磨工作。一般当工件精度要求较高，选用的 磨料颗粒小于w 5 时采用，且仅用在采用平面研磨工具研磨平面的情况下。 半干研磨是研磨前将浆糊状的研磨膏涂敷在研磨工具表面上进行研磨工 作。在各种精度的研磨中都可以采用，特别适合采用金剐石粉研磨膏研磨硬质 合金。 湿研磨是在研磨过程中不断地向研磨工具表面添加预先配置好的液状研磨 混合剂来进行研磨工作。一般当所研磨的工件精度较低、所选用的磨料颗粒大 于w 5 时常采用此法。湿研磨不但具有较高的研磨效率，而且能加工各种形状的 零件，由于湿研磨的整个研磨过程中，不断而充分地添加研磨剂，因而经常有 新的锋利的磨粒参加研削，而且磨粒的各个微刃变换切削，使各个锋刃都发挥 了作用，从而得到有力的研削作用。钝化了的磨料和研屑，可以从旁边流出或 消除。因此，研磨量和研磨时间基本上成正比关系，即单位时间内的研磨量是 一个常数。湿研磨的冷却润滑条件良好。 2 2 缸套材质及技术指标分析 。 2 2 1 缸套材质 根据缸套和活塞环所处的工况条件，因此它们的材质不仅要求有足够的机 械性能、耐磨性、耐蚀性和热稳定性，而且还要求这对摩擦副有良好的减磨性。 因此，缸套的材料选用了高磷铸铁n 5 】，高磷铸铁属耐磨灰铸铁。耐磨灰铸铁是 在灰铸铁中加入少量合金元素，可不同程度地减少铁素体的数量。同时，珠光 体也相应细化，而且在珠光体内的铁素体中固溶相当数量的合金元素，石墨也 有一定程度的细化。由于上述组织的特点，显著地提高了铸铁的强度和硬度， 具有很好地保持连续油膜的能力，即保持良好的润滑性，能抵抗咬合或擦伤， 在工作温度中能保持较高的机械性能。耐磨灰铸铁的切削加工性能都较好。其 化学成分、机械性能见表2 1 。 1 1 第二章缸套珩研加工技术研究 表2 - 1高磷铸铁的化学成分、机械性能 化学成分()机械性能 抗拉抗弯硬度硬度差 cs im nps强度强度h bh b ( m 蹦( m 争a ) 2 9 2 2 0 8 o 6 0 1 0 2 0 0 4 0 0 2 0 0 3 0 3 42 61 2o 8 2 2 2 缸套的技术指标分析 1 几何形状误差 零件表面的几何形状总误差由表面粗糙度、表面波纹度和形状误差三部分 组成。其中具有较小问距( 1 0 t r y ) 而 无周期变化的属于形状误差范围。 对去除材料的切削加工，表面粗糙度是由切削刀具的几何形状在加工表面 上留下的刀痕或磨料本身留下的痕迹以及材料在切除时的不规则撕裂所形成。 表面波纹度则是由于加工时机床一夹具一刀具一工件系统产生振动，或系 统间的不均匀运动，或由于系统的变形以及零件在热处理或有应变时引起的扭 曲等产生的。 2 ，缸套的技术指标分析 ( 1 ) 轮廓算术平均偏差r 。 在取样长度内，轮廓偏距的绝对值的算术平均值。r 。参数可以用来监控被 测表面上粗糙度的逐渐变化，这些粗糙度变化是由于切削工具磨损而导致的。 ( 2 ) 平均中等峰谷高度r 、， 如图2 - 2 所示，在五个相邻的单个取样长度上，各个中等峰谷高度的算术 平均值。即表示为： r 矿专屯( 2 - 1 ) 这里采用的数据是在单个取样长度内，第三个最高峰和第三个最低谷之闯 第二章缸套珩研加工技术研究 的垂直距离。在五个相邻的单个取样长度内，忽略两个最高的波峰和波谷。波 峰和波谷是指在某个非常小的尺寸内，其中唯一的轮廓转折点就是波峰或者波 谷。 誓l 謦1 叠i叠i 岔 图2 - 2 平均中等峰谷高度 r ，不是标准参数，但它包含在奔驰公司所制定的公司标准中。另外，在实 际应用中，这个参数有一定的局限性：只有在每一单个取样长度内至少存在3 个波峰和波谷时，才能根据定义求得r 。的参数值。r ，：作为缸套磨合后处于稳 定工作时期高度方向的指标要求。 ( 3 ) 轮廓最大深度p ， 如图2 3 所示，在评定长度范围内，未经滤波时轮廓的最高峰和最低谷之 间的垂直距离。 图2 - 3 轮廓最大深度 ( 4 ) 尖端波纹、芯部波纹、深部波纹p 。 p 。是指在某一选定的测量长度上，表面波峰轮廓的水平截距之和占该测量 长度为一定的百分比处的波峰水平截距的大小。这样便间接地控制了波峰和波 谷的数目，如图2 4 所示。统计边界c 。、c ：位于中心线的两侧，呈对称分布( 边 第二章缸套珩研加工技术研究 界位置根据实际轮廓而定) ap 。用来间接表示“波峰统计”的数据( 深部波纹p 。 则是用来统计波谷的数据) ，具有非常重要的作用，可作为评定缸套承载性和贮 油性的综合技术要求。 c p ip 2p，p ：励胪场彩励 ：励励锄黝 图2 - 4 尖端波纹、芯部波纹、深部波纹 ( 4 ) 波纹度w ， 如图2 - 5 所示。在取样长度内，经调平后的波纹轮廓上最高点和最低点之 间的距离( 粗糙度已经被滤去) 。通过测量w 。参数的数值大小，就可以对生产 过程进行监控。 fw _ i 。 图2 - 5波纹度 综上所述，参数r 。、r ，：、p 。为高度方向上的评定参数，p 。为表面支承性 和可贮油性的评定参数。均是要求保证缸套表面既要有必须的承载能力，又要 1 4 第二二章缸套珩研加工技术研究 有一定的沟槽结构以储油润滑。 2 2 缸套珩研技术的加工原理及工艺研究 珩磨加工可使工件达到很高要求的表面租糙度。而对于缸套这一特殊的零 件而言，如此光滑的内孔表面对发动机的使用性能要求反而不利。因为在缸套 工作过程中，一方面要求有足够的承载面积，同时为了防止短时贫油出现拉缸， 需要工作表面能有一定的沟槽结构来储存一定量的润滑油，以保证良好的润滑。 因此，对于那些应用于重要车辆的发动机所用的缸套，平顶珩磨届要对缸孔表面 进行磷化处理，即通过化学腐蚀法使缸套内表面形成贮油穴。但影响磷化的因 素很多，通过磷化得到的贮油穴不均匀，很难得到理想的磷化表面，致使发动 机工作时，活塞和缸套之间的润滑油膜不完整，降低了缸套和活塞环的使用寿 命，容易出现拉缸和卡死现象，另外磷化对环境的污染很大。 平顶珩磨技术虽然改善了缸套的使用性能，但是采用平顶珩磨技术生产的 缸套在使用上有其局限性，即平顶珩磨后风冷发动机缸套只能用于非增压式发 动机上。缸套在平顶珩磨时有连续的贮油用深沟，容易产生应力集中，装有这 种缸套的发动机，如果采用增压进气方式提高发动机功率，就会降低缸套的使 用寿命和安全系数。 研磨加工实际上是用研磨颗粒部分地切削、部分地滚压工件表面，而切削 和滚压这两种加工，在局部及方向上多次重叠，形成了均匀且又间断的轮廓轨迹 这样就获得了一个具有一定粗糙度( 以贮油) 和经过固化( 抗磨) 的工作表面。 将珩磨加工与研磨加工进行有机地结合，在珩研设备上使用专用的研磨工 具，选用合适的磨料作为多刃刀具，对缸套进行加工，便形成了新的复合的加工 工艺技术珩研加工技术。 1 。加工原理 如图2 6 所示，缸套珩研加工就是珩研头在固定不动的缸套内作回转和直 线往复运动，在适当的研磨压力作用下，带动夹在研磨片和缸套内表面间的游 离状态的研磨剂颗粒，对缸套内表面进行滚压和切削加工，使缸套内表面形成 具有一定的粗糙度和经过固化的工作面。一定的表面粗糙度结构有利于贮油， 固化的工作面起到抗磨的作用，从而提高了整个发动机的使用性能。 第二章缸套珩研加工技术研究 图2 - 6 缸套珩研加工示意图 2 珩研技术加工缸套的优越性 采用珩研技术加工缸套，夹在研磨片和缸套内表面之间的研磨剂颗粒就是 多刃刀具，研磨剂颗粒处于游离状态，在珩研头作旋转和往复运动的过程中， 研磨剂颗粒就在一定压力作用下切削和滚压缸套内表面，由于研磨颗粒的切削 刃是不断变换的，同时研磨片对研磨颗粒的“滞动”作用，所以切削和滚压的 痕迹是均匀而不连续的，这样的表面结构有利于贮油。 经研磨加工后的表面，由于研磨颗粒的滚压作用，使加工表面产生固化层， 在表面粗糙度值较小的情况下，耐磨性有所提高。经研磨加工后，缸套表层存 在的是残余压应力，残余压应力有利于提高缸套表面的疲劳强度。 综上所述，珩研技术加工缸套的优点是： ( 1 ) 缸套有均匀合理的贮油穴，在工作时具有可靠的润滑，减少功率损耗， 不易拉缸。 ( 2 ) 缸套表面生成硬化层，不易磨损，缸套表面的残余压应力提高了缸套的 疲劳强度，从而提高了缸套的使用寿命。 ( 3 ) 珩研表面经过研磨颗粒滚压形成间断的合理的贮油穴，表面不会出现连 续的深沟。这样，有利于在原有发动机基础上提高其功率或在一定功率条件下 缩小结构尺寸。 ( 4 ) 珩研技术，取消了传统工艺中的磷化工艺，不但提高了缸套的质量和性 能，而且缩短了生产线，减少了厂房占用面积，消除了磷化对环境和人体造成 的污染和危害。 1 6 第二章缸套珩研加工技术研究 3 缸套珩研加工工艺研究 采用珩研设备来加工缸套，能否达到缸套的技术指标，除了设备本身的精 度保证外，影响珩研加工的因素还有很多，有珩研速度( 直线往复速度和旋转 速度) 、珩研压力、磨料的种类、粒度及配比、研磨片的硬度、珩研头的超程量 的大小等等。在珩研加工中，影响缸套加工质量的关键在于珩研压力与研磨片 硬度，这两个因素决定了磨料颗粒能否以滚压加工为主同时又有切削加工参与 的加工方式。 珩研压力过大，会使磨料颗粒很快被挤碎并镶嵌入缸套内，根本达不到滚 压与切削目的，珩研压力过小，轮廓深度值小，贮油效果不好且容易划伤工件 表面，为了保证珩研压力，在液压系统设计时，采用了双联泵中小泵单独供油， 在回路中串有蓄能器，使珩研进给压力在指定范围内稳定连续可调。研磨剂颗 粒在加工工件时，要滚压、切削工件，必须保证它不能镶嵌于研磨片或工件中， 这就要求研磨片和工件两者间不能出现太大的硬度差。因此，选用研磨片的硬 度与工件的硬度相差很小时，再配以合适的压力，达到了研磨剂颗粒处于游离 加工的状态。 2 4 珩研工艺参数分析 2 4 1 珩研速度( v ) 珩研运动的速度是珩研运动的重要参数之一。它不仅影响珩研工作的效率， 而且对珩研工件的质量也有极大的影响。 在珩磨加工中，珩磨速度包括珩磨头的圆周速度v 。与直线往复速度v 。，两 者的合成速度v 则构成珩磨交叉网纹，并形成网纹交叉角8 ，见图2 7 。 匪委：医习盛 磨头向下磨头向上 台成同坟 图2 7 珩磨速度与网纹交叉角 1 7 第二章缸套珩研加工技术研究 v ：型堕m m i n 1 0 0 0 v= m m i n a 2 n j r 1 0 0 0 。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 口= 2 t a n 。1 o )( 2 4 ) r 式中d 一珩磨头直径 m i l l n ，一珩磨头转速 r m i n n 。一珩磨头往复行程数d s t m i n l ，珩磨头单行程长度 姗 v 。与v 。是两个重要的珩磨工艺参数，v 。较大时，砂条的自砺作用好，珩磨 效率高。但若将v 。提得太高，则会使砂条磨损加剧，丽珩磨效率反而下降。对 于v 。也是一样，一般，提高v 可使生产率提高。但v 。提得过高时，将产生大量 的切削热，磨粒切刃会变钝，而且切屑增多亦引起排屑困难，砂条易被堵塞， 砂条磨耗加剧，珩磨效率会急剧降低。 与珩磨速度相类似，珩研运动速度包括珩研头的圆周速度v 。与往复直线速 度v 。，两者的合成速度v 则构成珩研轨迹，这种轨迹是均匀且不连续的“交叉 网纹”。回转速度和往复直线速度又决定了在缸套内表面形成的研磨角x ( 两 条相交叉的研磨轨迹之夹角，圆周方向半角) 的大小。为了避免在珩研加工中 产生夹砂现象，该珩研角要和上道珩磨工序所形成的珩磨网纹交叉兔相差一定 的值。 珩研速度即研磨加工速度，在一定的范围内，研磨作用随着研磨速度的提 高而增强。资料 1 8 由实践得出了研磨速度对加工效率的影响，如图2 8 所示。 但是，过高的研磨速度会造成发热现象，甚至烧伤被研表面；还可使被研零件 受到冲击作用，运动平稳性显著下降；研磨剂尖劈作用增大，使被研表面形状 精度降低；加快了研具不均匀的磨损，直接影响加工精度。同时，使加工表面 的粗糙度值增大。 资料 1 9 根据在大量生产中，采用机械研磨方法研磨工件的工艺实践，得 到研磨运动速度和表面粗糙度之间的关系，如图2 - 9 所示。通常研磨速度为1 0 l o o m m i n 。 1 8 第二章缸套珩研加工技术研究 15oo 1ooo ： 三5do 一 腑 嵌 010 02oo3 00 速度( m in ) 图2 - 8研磨速度对工作效率的影响 图2 - 9 研磨速度和工件表面粗糙度的关系 回转速度、往复直线速度和研磨角三者之间的关系如图2 - 1 0 所示a 珩研头向上 图2 1 0 回转速度、往复直线速度和研磨角的关系 即 t a n 生2 = 熹 则n 2 磊v o 2 1 9 ( 2 5 ) 一苎三兰塑奎堑堑垫三楚查堑窒 其中：v 。一往复直线速度 d 一缸套直径 n 一回转速度 九一研磨角 要获得较好的珩研效果，必须正确选择v 。、n 和x 。 2 4 2 珩研压力( p ) 珩磨压力即油石通过进给机构施加于工件表面单位面积上的压力，油石上 的磨粒借以切入金属和脱落自锐。若珩磨压力过大，则会使油石被挤碎、堵塞 或使工件变形。 珩研压力是通过珩研进给机构旅加于工件表面单位实际接触面积上的压 力。珩研时的压力不仅影响珩研工作的效率，而且影响珩研工件的质量。珩研 的工作效率随着珩研压力的增加而提高。因为珩研压力增加后，可使磨料颗粒 切入工件的深度增加，单位时间内从工件表面上切下的切屑量增大，因而使珩 研的工作效率提高。资料 1 8 得出在湿研磨实际应用的压力范围内，