The cylinder and piston rings is the complicated tribology system that has the reciprocating motion and the impacting motion. The topography of the tribological surface that can reduce the abrasion within the district of the cylinder and piston rings moving has been studied and designed. The honeycomb micro-pits cylinder how to influence the characteristic of the engine also has been studied in the paper.

First, the development of the structure that can store the lubrication is reviewed. The present development of the storing lubrication structure on the working surface of the cylinder is researched.

Second, the honeycomb micro-pits are manufactured on the working surface of the cylinder to improve the lubrication and abrasion of the cylinder and piston rings. The theory of dynamic lubrication of the honeycomb micro-pits is researched.

All kinds of processing methods of micro-pits on the working surface of the cylinder are studied. Its processing principle and feature are analyzed. The method of the impacting to manufacture micro-pits is researched with emphasis. This method can be used to control the distributing regulation and the structural parameter.

The test condition of the impacting to manufacture micro-pits is ready. The numerical controlled micro-pits processing machine is designed. The honing machine is purchased. The machines are disposed, installed, reconstructed. The clamping fixtures and the matrix tools are designed and manufactured.

Using the numerical controlled micro-pits processing machine, the motorcycle cylinder, the locomotive cylinder and the diesel engine cylinder are manufactured the honeycomb micro-pits that have many structural parameters.

The bench tests of the motorcycle cylinder and the diesel engine cylinder are planned and carried out. The bench tests show the abrasion of the cylinder and piston rings, the lubrication consumption and particulate emission can be reduced using the honeycomb micro-pits motorcycle cylinder.

Keywords: cylinder, micro-pits, bench test, wearability

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1 缸套的磨损形式1

1.1.1 缸套的正常磨损1

1.1.2 腐蚀磨损2

1.1.3 磨料磨损2

1.1.4 熔着磨损2

1.2 国内外研究现状3

1.3 表面微坑加工方法的发展史5

1.4 本文的研究方向及所完成的主要工作6

第2章蜂窝状微坑的工作机理7

2.1 具有蜂窝状微坑储油结构的缸套的提出7

2.2 蜂窝状微坑的润滑原理8

2.2.1 理论分析9

2.2.1.1 假设9

2.2.1.2 最小油膜厚度最大瞬时值的计算9

2.2.1.3 上、下止点油膜厚度的计算13

2.2.2 结论与分析14

2.3 蜂窝状微坑对排放和机油耗的影响15

2.3.1 排放物的生成机理及危害15

2.3.2 机油消耗与排放物的关系16

2.3.3 降低机油耗和排放的措施17

第3章表面微坑加工方法19

3.1 自激振动方法19

3.1.1 自激振动的产生19

3.1.2 缸套波纹形内孔表面的形成20

3.1.3 用自激振动形成缸套波纹形孔面的特点22

3.2 滚压方法22

3.3 激光珩磨22

3.3.1 激光打孔原理22

3.3.2 激光珩磨机床23

3.3.3 激光珩磨形成的储油结构24

3.3.4 试验结果24

3.3.5 激光珩磨的特点25

3.4 振动冲击加工方法26

3.4.1 表面微坑振动冲击加工原理26

3.4.2 加工工艺过程及要求29

3.4.3 微坑振动冲击加工对缸套耐磨性的影响29

3.4.3.1 储油微坑对缸套──活塞环耐磨性的影响29

3.4.3.2 冲击微坑残余应力对缸套耐磨性的影响30

3.4.4 实验结果30

第4章试验条件32

4.1 试验设备32

4.1.1 数控微坑成型机32

4.1.2 珩磨机34

4.2 夹具34

4.3 矩阵工具头37

第5章蜂窝状微坑缸套的台架试验38

5.1 台架试验方法38

5.1.1 试件准备38

5.1.1.1 摩托车发动机气缸套38

5.1.1.2 斯太尔WD615柴油机气缸套39

5.1.2 试验参数42

5.1.2.1 摩托车气缸套试验参数42

5.1.2.2 斯太尔WD615气缸套试验参数43

5.1.3 试验方法及过程43

5.1.3.1 摩托车气缸套43

5.1.3.2 斯太尔WD615气缸套43

5.2 台架试验结果43

5.3 台架试验结论44

第6章总结与展望45

致谢47

参考文献48

附录51

第1章绪论

内燃机是机械车辆的动力源。它是一个集往复、回转、冲击等运动为一体的复杂的摩擦学系统。据统计，一台六缸柴油机有600多对摩擦副[1]，磨损是导致内燃机零部件失效和整机性能劣化的主要原因，尤其随着高科技的发展，对内燃机的可靠性、寿命、排放、经济性等要求越来越高，使得其摩擦、磨损问题更加突出。缸套—活塞环摩擦副被汽车行业称为三大磨损副之一。它们的磨损是一个很大的问题。每年都要消耗大量的活塞环备件，而缸套磨损后的修理也很麻烦，费用高。多年来一直列为行业攻关课题。本文在分析缸套—活塞环摩擦副的磨损机理和摩擦学特性的基础上，着重研究缸套表面储油结构对发动机缸套—活塞环摩擦副性能的影响，使设计的缸套达到最高的可靠度、最佳的经济性能和合理的使用寿命。

1.1 缸套的磨损形式[2][3]

缸套—活塞环摩擦副长期在高温高压、冲击应力、腐蚀等恶劣工况下工作，磨损很严重，是影响发动机正常工作的主要原因[4]。发动机缸套磨损后，活塞与缸套的配合间隙加大，气密性下降，发动机的动力性和经济性下降，造成起动困难，机油温度和油耗增加，

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内容简介：: 硕士学位论文题目: 蜂窝状微坑对发动机性能的影响研究生王碧波专业机械制造及其自动化指导教师张云电教授完成日期 2002年01月杭州电子工业学院硕士学位论文蜂窝状微坑对发动机性能的影响研究生：王碧波指导教师：张云电教授2002年01月Dissertation Submitted to Hangzhou Institute of Electronics Engineering for the Degree of MasterThe influence of the honeycomb micro-pits to the function of the engineCandidate: Wang BiboSupervisor: Prof. Zhang YundianJanuary，2002杭州电子工业学院硕士学位论文摘要缸套活塞环摩擦副是一个集往复、冲击运动于一体的复杂的摩擦学系统，本文是在摩擦、磨损、润滑理论的基础上，研究发动机活塞和缸套运动区域内，摩擦表面减少磨损的表面形貌设计，研究缸套工作表面加工出蜂窝状微坑后对发动机性能的影响。首先，回顾了缸套工作表面储油结构的发展历程，探讨了目前国内外缸套工作表面储油结构的发展状况。研究了内燃机活塞运动区域缸套摩擦表面减少磨损的表面形貌设计，提出在缸套工作表面加工出蜂窝状微坑来改善缸套活塞环摩擦副的润滑和磨损状况。分析了蜂窝状微坑的流体润滑机理。对各种缸套工作表面微坑加工方法进行了研究，分析了它们的微坑加工原理和特点，重点分析了振动冲击加工微坑方法，并且利用这种方法控制微坑分布规律和结构参数。完成了振动冲击加工缸套蜂窝微坑的试验条件准备，设计了数控微坑成型机，购买了珩磨机，进行了机床的布置、安装、改造，设计和制造了夹具和矩阵工具头。利用数控微坑成型机和低频振动冲击装置，完成了对多种微坑结构参数的洛嘉牌摩托车发动机气缸套、东风4型机车缸套和斯太尔WD615柴油机气缸套的微坑加工。设计并进行了洛嘉牌摩托车发动机微坑气缸套和斯太尔WD615柴油机微坑气缸套的台架试验，台架试验表明使用微坑气缸套可明显减少缸套和活塞的磨损、机油消耗量和排放。关键词：缸套，微坑，台架试验，耐磨性ABSTRACTThe cylinder and piston rings is the complicated tribology system that has the reciprocating motion and the impacting motion. The topography of the tribological surface that can reduce the abrasion within the district of the cylinder and piston rings moving has been studied and designed. The honeycomb micro-pits cylinder how to influence the characteristic of the engine also has been studied in the paper.First, the development of the structure that can store the lubrication is reviewed. The present development of the storing lubrication structure on the working surface of the cylinder is researched.Second, the honeycomb micro-pits are manufactured on the working surface of the cylinder to improve the lubrication and abrasion of the cylinder and piston rings. The theory of dynamic lubrication of the honeycomb micro-pits is researched.All kinds of processing methods of micro-pits on the working surface of the cylinder are studied. Its processing principle and feature are analyzed. The method of the impacting to manufacture micro-pits is researched with emphasis. This method can be used to control the distributing regulation and the structural parameter.The test condition of the impacting to manufacture micro-pits is ready. The numerical controlled micro-pits processing machine is designed. The honing machine is purchased. The machines are disposed, installed, reconstructed. The clamping fixtures and the matrix tools are designed and manufactured.Using the numerical controlled micro-pits processing machine, the motorcycle cylinder, the locomotive cylinder and the diesel engine cylinder are manufactured the honeycomb micro-pits that have many structural parameters.The bench tests of the motorcycle cylinder and the diesel engine cylinder are planned and carried out. The bench tests show the abrasion of the cylinder and piston rings, the lubrication consumption and particulate emission can be reduced using the honeycomb micro-pits motorcycle cylinder.Keywords: cylinder, micro-pits, bench test, wearabilityIV目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1 缸套的磨损形式11.1.1 缸套的正常磨损11.1.2 腐蚀磨损21.1.3 磨料磨损21.1.4 熔着磨损21.2 国内外研究现状31.3 表面微坑加工方法的发展史51.4 本文的研究方向及所完成的主要工作6第2章蜂窝状微坑的工作机理72.1 具有蜂窝状微坑储油结构的缸套的提出72.2 蜂窝状微坑的润滑原理82.2.1 理论分析92.2.1.1 假设92.2.1.2 最小油膜厚度最大瞬时值的计算92.2.1.3 上、下止点油膜厚度的计算132.2.2 结论与分析142.3 蜂窝状微坑对排放和机油耗的影响152.3.1 排放物的生成机理及危害152.3.2 机油消耗与排放物的关系162.3.3 降低机油耗和排放的措施17第3章表面微坑加工方法193.1 自激振动方法193.1.1 自激振动的产生193.1.2 缸套波纹形内孔表面的形成203.1.3 用自激振动形成缸套波纹形孔面的特点223.2 滚压方法223.3 激光珩磨223.3.1 激光打孔原理223.3.2 激光珩磨机床233.3.3 激光珩磨形成的储油结构243.3.4 试验结果243.3.5 激光珩磨的特点253.4 振动冲击加工方法263.4.1 表面微坑振动冲击加工原理263.4.2 加工工艺过程及要求293.4.3 微坑振动冲击加工对缸套耐磨性的影响293.4.3.1 储油微坑对缸套活塞环耐磨性的影响293.4.3.2 冲击微坑残余应力对缸套耐磨性的影响303.4.4 实验结果30第4章试验条件324.1 试验设备324.1.1 数控微坑成型机324.1.2 珩磨机344.2 夹具344.3 矩阵工具头37第5章蜂窝状微坑缸套的台架试验385.1 台架试验方法385.1.1 试件准备385.1.1.1 摩托车发动机气缸套385.1.1.2 斯太尔WD615柴油机气缸套395.1.2 试验参数425.1.2.1 摩托车气缸套试验参数425.1.2.2 斯太尔WD615气缸套试验参数435.1.3 试验方法及过程435.1.3.1 摩托车气缸套435.1.3.2 斯太尔WD615气缸套435.2 台架试验结果435.3 台架试验结论44第6章总结与展望45致谢47参考文献48附录51第1章绪论内燃机是机械车辆的动力源。它是一个集往复、回转、冲击等运动为一体的复杂的摩擦学系统。据统计，一台六缸柴油机有600多对摩擦副1，磨损是导致内燃机零部件失效和整机性能劣化的主要原因，尤其随着高科技的发展，对内燃机的可靠性、寿命、排放、经济性等要求越来越高，使得其摩擦、磨损问题更加突出。缸套活塞环摩擦副被汽车行业称为三大磨损副之一。它们的磨损是一个很大的问题。每年都要消耗大量的活塞环备件，而缸套磨损后的修理也很麻烦，费用高。多年来一直列为行业攻关课题。本文在分析缸套活塞环摩擦副的磨损机理和摩擦学特性的基础上，着重研究缸套表面储油结构对发动机缸套活塞环摩擦副性能的影响，使设计的缸套达到最高的可靠度、最佳的经济性能和合理的使用寿命。1.1 缸套的磨损形式23缸套活塞环摩擦副长期在高温高压、冲击应力、腐蚀等恶劣工况下工作，磨损很严重，是影响发动机正常工作的主要原因4。发动机缸套磨损后，活塞与缸套的配合间隙加大，气密性下降，发动机的动力性和经济性下降，造成起动困难，机油温度和油耗增加，排气困难等后果。国内外对缸套的磨损研究表明，缸套的主要磨损形式由下面几种：1.1.1 缸套的正常磨损如图1-1所示，正常磨损的位置是在活塞上止点第一道环附近，该处磨损最大5，形成很明显的台阶，此外油环下止点处的磨损也较明显6。这是因为活塞在这两个部位的移动速度为零，不容易建立起润滑油膜，处于边界状态，所以磨损较别处大。上止点的磨损除上述原因外，还由于上止点处的气压大，燃气温度高，使金属的耐磨性降低，同时燃气中的酸性物质有可能对缸套内表面起腐蚀作用，所以上止点处的磨损最大。1.1.2 腐蚀磨损如图1-2所示，由于低温启动频繁，燃油中所含硫分高，燃气中酸千较多，在冷却水温较低的情况下，在缸套内表面形成酸类，强烈地腐蚀缸套内表面，造成腐蚀磨损。这种磨损占据主导地位时，在上止点第一道环附近磨损最大，几乎为正常磨损的2倍。这种磨损的特征是在缸套上部形成疏松的小洞穴。另外，被腐蚀而脱落的颗粒，在缸套中部又构成严重的磨料磨损，使中部的磨料磨损增加45倍，如图1-2中粗实线所示。1.1.3 磨料磨损由于空气滤清不良，空气中的灰尘被吸入缸套中，这些微细的磨料导致缸套产生磨料磨损，如图1-3所示。另外，落入机油的灰尘、杂质也会引起磨料磨损如图1-4所示。这两种磨料磨损现象的特征是进气中的灰尘使缸套造成较大的磨损，而机油中的磨粒使缸套的下部形成较大的磨损。1.1.4 熔着磨损当活塞与缸套内表面在润滑和冷却不良的条件下滑动，尤其内燃机在大负荷下工作时，金属与金属间会产生直接接触，在干摩擦的情况下将导致局部产生高温，使两金属间发生熔着磨损。与前述磨损相比，这是一种破坏性更大的磨损。熔着磨损一旦发生，活塞和缸套就很快报废，甚至会引发更大的事故。在实际工作过程中，上述的磨损形式往往不是孤立存在的，他们有时是互为因果关系的，所以在判定、分析缸套的磨损时，对磨损要具体分析，从中找出磨损原因的主导方面及其相互间的关系7。缸套的内表面是活塞作往复运动的导行面，工作中承受高温、高压、腐蚀和经常的磨损，它的磨损程度决定了发动机的使用寿命。为了提高发动机缸套的使用寿命，人们围绕缸套的各种磨损形式，研究缸套的磨损规律，分析引起磨损的原因和影响因素，在缸套的材质、表面处理、表面形貌、润滑状态等方面研究了多种工艺方法，来减少磨损，降低维修费用，提高发动机的使用寿命。在材质方面，采用本质上耐磨性良好的材料或对现有材料进行复性处理以提高耐磨性; 在表面形貌方面，改进缸套表面加工技术控制表面的有关形貌参数; 在润滑方面，改进润滑剂和润滑状态。本文是根据国内外的研究状况及国内的设备情况，在分析缸套活塞环摩擦副的磨损机理、性能和常规表面形貌参数的基础上，着重对缸套表面的形貌进行深入的研究，比较若干种不同表面形貌缸套的性能差异，以便寻求延长发动机缸套使用寿命的方法8。1.2 国内外研究现状9101112缸套活塞环摩擦副的润滑分析是摩擦学应用的最重要领域之一13。多年以来，许多学者进行了大量的工作。德国、美国、日本、英国等国家对平顶珩磨技术进行了大量的研究，将平顶珩磨技术作为铸铁缸套内孔表面最终加工工序，以形成交叉网纹沟槽平顶储油结构14。许多国家一直致力于解决平顶网纹的均匀性和沟槽深度的一致性，甚至开展攻关项目研究，以期达到发动机设计者预期的目标。遗憾的是，长期以来，由于磨料形状的多样性、磨料大小的不一致性、磨料在油石中分布的不均匀性以及加工过程中各种随机因素的影响，平顶网纹无法做到均匀，沟槽深度波动很大。即使平顶网纹能够做到均匀分布、深度一致，由于平顶网纹相互贯通，存储在网状沟槽里的润滑油在缸套活塞环摩擦副工作过程中也会被活塞环沿着沟槽挤出去，无法建立动压润滑，缸套气密性仍不理想。德国学者Klink.U、美国学者Chris J.Evans和James B.Bryan等人开展了激光珩磨技术的研究，取得了有益的进展。由于激光珩磨单激光束每分钟只能加工1800个小孔，加工效率很低，设备成本高（每台激光珩磨机的价格为450万元），导致生产成本大幅增加，更为严重的是，如果将激光珩磨用于钢质薄壁镀铬缸套，则激光将会烧蚀缸套基体局部材料，导致烧蚀处与镀铬层之间丧失结合力，因此，至今还不能在发动机生产中采用。国外研究人员采用SiC研磨技术改进缸套内壁储油结构，取得了一定的成效，还有人探讨过石墨对缸套耐磨性的影响。钢质薄壁缸套采用松孔镀铬方法对缸套内壁镀铬，即镀铬后进行逆电解，其表面形成沟状储油槽，再采用研磨方法对镀铬层进行精密研磨。英国、西班牙是在薄壁缸套上采用松孔镀铬技术最早的国家。其后，日本、美国引进英国的松孔镀铬技术。我国早1995年分别从英国和日本引了进松孔镀铬技术。但是，松孔镀铬技术存在耗电量大（每只耗电3度）、时间长（镀铬时间3小时）、成本高（国内每只缸套镀铬镀铬成本35元）、废品率高达20%30%、工艺复杂等问题，从而导致了薄壁缸套制造成本高、质量不稳定。并且松孔镀铬方法形成的储油结构是交叉网纹或不均匀点坑，也制约了薄壁缸套的性能。日本学者Koji Kato研究了通过改进材质和表面粗糙度来控制磨损。国外工业发达国家还研究了各种合金铸铁材料的缸套，如高合金铸铁、低合金铸铁、含磷铸铁（有低磷、中磷和高磷铸铁）含硼铸铁、含铌铸铁，可依据不同机型、不同的工况条件，配置不同材质的缸套，以提高其使用寿命。在缸套摩擦副中以不同材质的缸套与活塞环匹配，可得到最佳的配副性能。对缸套内壁进行激光淬火可以提高淬硬区的硬度，而更为重要的是可以创造一个有利的润滑条件，激光淬火在缸套内壁实现了以淬硬带为筋，未淬硬带磨损后为微凹槽的微油池。提高了缸套活塞环摩擦副的润滑效果及综合的耐磨能力。美国通用汽车公司首先建立了激光淬火生产线，对645系列柴油机缸套进行激光淬火处理，彻底解决了擦伤现象。随后，在80年代德国MANB&W公司对L58/64型船用柴油机缸套进行激光淬火处理，端磨比一般缸套低30%60%，比渗氮缸套的抗摩擦磨损及抗腐蚀性能高，润滑油消耗率小。90年代原苏联也进行了大量的激光淬火试验，结果表明耐磨性和抗擦伤性提高。M.Priest和C.M.Taylor研究了缸套活塞环摩擦副工作表面形貌对发动机性能指标的影响。美国Tian T等人研究了柴油机缸套活塞环摩擦副动力学对环环槽磨损和机油耗的影响，还有一些学者提出了活塞环的预测磨损模型，在理论研究上有了一定的深入。国内对缸套活塞环摩擦副的研究15，主要还是通过改进材质、镀铬、提高加工精度、降低表面粗糙度等传统方法来改善缸套活塞环摩擦副的润滑性能16。在材质方面，考虑到原材料的来源及区域资源情况，一般以钒铁铸铁、中磷和高磷铸铁及硼铸铁缸套为主。据我国65生产厂家统计，硼铸铁缸套最多。少数厂家也生产了低低合金铸铁或蠕墨铸铁缸套。我国一些高等院校、科研机构及工厂也开展了缸套激光淬火的研究17，并取得了较大的成就。大连机车车辆厂用2kwCO2激光对16V240Z型柴油机缸套进行螺旋状激光淬火，装车试验结果：比电火花淬火的缸套耐磨0.31倍。使用这些方法来所带来的性能的提高已经接近了极限。张云电教授提出在气缸套工作表面加工出蜂窝状微坑储油结构，并且研制了加工这种微坑的低频振动冲击加工装置。这种加工微坑的方法具有许多优点：（1）微坑分布和结构参数可控，且所有微坑均匀分布，相互独立。（2）微坑加工简单易行。（3）工具头寿命长。（4）可采用矩阵工具头或多头螺纹车削法实现高效率、高密度微坑加工。（5）加工成本低，大约为激光珩磨成本的十分之一。（6）材料不受烧蚀作用，且形成的压应力对耐磨性有好处。采用低频振动冲击加工装置，已成功地对摩托车缸套、485Q发动机缸套、4JA1和4JB1钢质薄壁缸套、东风4型高速火车发动机缸套进行了加工试验，可以制造出相互独立、均匀分布、深度一致、呈蜂窝状数以万计的点坑。振动冲击加工微坑方法是缸套工作表面储油结构的新型加工方法，具有明显的优越性，有广阔的应用前景。1.3 表面微坑加工方法的发展史181920缸套活塞环摩擦副是一个集往复、冲击运动于一体的复杂的摩擦学系统。为了使所设计的缸套活塞环摩擦副能达到最高的可靠度，最佳的经济性能和合理的使用寿命，我们必须用摩擦、磨损、润滑的理论2122，从系统的观点出发，去分析影响缸套活塞环摩擦副磨损的各个因素23。国内外的最新研究表明，采用改进材质、激光淬火、镀铬、提高加工精度、降低表面粗糙度等传统方法来改善缸套活塞环摩擦副的性能已经接近极限。而在缸套工作表面加工一定形状的凹腔式结构，可以形成良好的储油结构和油契，从而提高缸套活塞环摩擦副的润滑效果和耐磨性。缸套工作表面加工的储油结构可分为三种：网状裂纹型、网状交叉型和独立微坑型。而其加工方法可分为七种：松孔镀铬、平顶珩磨、液体喷沙、滚花、自激振动、激光珩磨和振动冲击加工微坑等。这几种加工方法都可以在缸套工作表面产生储油结构，能不同程度地改善润滑状态。对于松孔镀铬，由于镀铬时间长、成本高，且网状结构互相连通，润滑油沿着沟槽被挤出去，耐磨和节油效果并不显著。平顶珩磨由于油石磨料的大小、形状、分布和磨损的不均匀性以及珩磨过程中的随机因素的影响，平顶珩磨方法形成的网纹必定会有不均匀性，因此难以预先算出与发动机性能有关的匹配情况。激光珩磨是一种由珩磨和激光加工结合的加工方法，它能够加工出交叉网状结构和螺旋型凹腔结构，还可以比较理想地加工出独立微坑型的储油结构。但是激光对缸套材料有微观熔化和烧蚀作用，可造成局部材料性能发生变化，并且激光珩磨设备的价格高，微坑加工成本高，操作复杂，维修困难。1.4 本文的研究方向及所完成的主要工作在摩擦、磨损、润滑理论的基础上，研究发动机活塞和缸套运动区域内，摩擦表面减少磨损的表面形貌设计24；研究微坑加工中控制微坑各种参数的方法；利用镗孔微坑加工复合数控机床，实现缸套镗孔、微坑加工的自动化；通过对各种微坑参数的微坑缸套的台架试验和用户试验，研究微坑对发动机缸套活塞环摩擦副的影响。主要的工作可以分为以下几个方面：1 研究国内外对缸套工作表面加工方法的最新进展。2 研究缸套活塞环摩擦副的摩擦学性能，分析其流体动力润滑机理。3 完成振动冲击加工微坑试验的试验条件准备，包括机床的布置、安装、机床改造、夹具设计。4分别完成了对多种微坑参数的摩托车缸套、东风4型机车缸套和斯太尔缸套的微坑加工。5 设计并进行了摩托车微坑缸套和斯太尔微坑缸套的台架试验，并对其结果进行了分析。6总结了蜂窝状微坑对发动机性能的影响，并对其发展前景进行了展望。第2章蜂窝状微坑的工作机理2.1 具有蜂窝状微坑储油结构的缸套的提出252627 在内燃机中，承受高压的部件缸套活塞环摩擦副的磨损是由许多参数相互产生的复杂作用引起的，磨损的速度是由这些部件所承受的载荷、动力学条件、以及产生摩擦的两部件的相对硬度、润滑参数和相互滑动的两部件表面的形貌所决定的28。本论文是研究内燃机活塞运动区域缸套摩擦表面减少磨损的表面形貌设计29。研究表明，仅仅靠表面粗糙度来描述缸套活塞环摩擦副的摩擦表面的特性是不够的。这种摩擦表面必须进行特殊的形貌设计3031，这种表面形貌必须能承受高的负载，同时有着优良的润滑特性。这种表面的双重功能必须在设计其表面形貌时考虑到。当表面粗糙度较低时，表面具有较高的承载能力，同时需要一个开口结构来保证存储润滑油，这实际需要一个粗糙的表面。为了达到上述要求，一个平滑而粗糙的表面形貌必须被产生，这是一个可控制的加工过程32。试验表明33，在缸套工作表面加工出网状小孔或蜂窝状小眼，形成圆穴状和沟槽状储油表面结构，如图2-1所示，可以提高缸套工作表面的储油能力和抗刮伤性，储油表面结构的参数将影响缸套工作表面的耐磨性和磨合性。在边界摩擦的状态下，当孔隙度增加到1520%时，缸套工作表面的磨损明显减少。当孔隙度超过3035%时，与缸套相配合的活塞环磨损剧烈。这种关系特性表明，当缸套工作表面的孔隙度增加到一定值，缸套工作表面的储油能力获得提高而缸套工作表面的强度却没有受到明显的削弱。当孔隙度超过3035%时，缸套工作表面的强度将明显降低。图2-1储油表面结构考虑到缸套活塞环摩擦副的磨合性，可采用孔隙度为2535%，这时缸套工作表面有足够高的耐磨性。随着缸套工作表面的储油结构被磨掉，缸套工作表面的性能接近于光滑表面，缸套工作表面丧失储油能力而迅速磨合，缸套工作表面性能的这种变化，对活塞环的工作性能并没有带来不良影响。相反，它会减少磨合后摩擦副的磨损。但是对于应该有较长使用期的缸套，保持缸套工作表面的储油能力是缸套正常工作的必要条件。对于没有储油结构的缸套，当压强不高时，缸套工作表面具有良好的减摩性，但是，当压强为7080kgf/cm2时，摩擦系数急剧增大，这表明摩擦表面金属相互作用过程加剧，致使油膜破裂和摩擦功增加。试验表明，在各种缸套工作表面储油结构中，以具有沟槽形结构的缸套表面摩擦系数最高，与蜂窝状微坑结构相比，对过载的敏感性较小。在缸套的上局部最好也形成储油表面结构，能减少整个缸套和在缸套中工作的活塞环的磨损。缸套工作表面的宏观和微观几何形状，不论是原始的，还是在使用中形成的，都对缸套和活塞环配合表面的工作性能和磨损有很大影响。减少缸套工作表面的粗糙度，会增加机加工费用，在很多情况下，还会降低表面的储油能力，提高表面刮伤的敏感性。过分放宽表面粗糙度也是不利的，因为磨合期间，摩擦副的配合表面的磨损加速。一般发动机汽缸其最佳表面粗糙度为Ra=0.150.4m。缸套经常在缺油、高温和重载引起的危险摩擦状态下工作，因此需要有特殊的长效储油表面结构。这种表面储油结构应保证缸套活塞环摩擦副部件在正常和紧急的工况下，都具有可靠的分隔润滑油膜。选择形成储油表面结构的方法及其参数时，应该考虑摩擦状态、零件结构和发动机的使用寿命。不规则的表面储油结构可以采用表面喷丸处理、化学或电化学蚀刻而成。规则的储油结构可采用多齿工具滚压、激光加工、振动冲击加工方法形成。对于磨合性较差（经过淬火、氮化等）、储油能力不足（镀铬、钢质等）的缸套，形成储油表面结构最为有利。缸套活塞环摩擦副的磨损率，随着储油结构所占面积的增加而降低，降低到一定的值后，又开始回升。当抗刮伤能力最大时，磨损最小。所以有这种关系，是由于随着储油结构面积增大到超过最佳值，接触应力升高到超过油膜最大承载能力的缘故。2.2 蜂窝状微坑的润滑原理3435363738最理想的耐磨性设计是使所设计的机械消除所有的摩擦、磨损39，目前摩擦学研究水平还不可能做到这一点。因此完全消除缸套活塞环摩擦副的摩擦是不可能的。但是我们可以用摩擦、磨损、润滑的理论，开展摩擦学设计，使缸套活塞环摩擦副达到最佳的润滑状态4041。试验表明，蜂窝状微坑可以减少缸套活塞环摩擦副的磨损。而实际表面，无润滑的缸套活塞环摩擦副磨损是非常迅速的。这说明缸套和活塞环之间一定存在连续的油膜，这种设想已由缸套的摩擦测量结果证实42。因此，我们需要研究其流体动力润滑机理，从而寻求改进缸套活塞环摩擦副磨损的途径。2.2.1 理论分析2.2.1.1 假设为使理论计算成为可能，现提出以下几点假设：（1）缸套活塞环摩擦副的零件剖面如图2-2所示。（2）润滑油不沿运动方向流动，即不产生侧泄。（3）油膜中的润滑油具有层流性质。（4）润滑油的惯性力忽略不计。（5）润滑油具有不可压缩性。（6）摩擦副材料为绝对刚体。（7）润滑油各处温度相等。2.2.1.2 最小油膜厚度最大瞬时值的计算油膜厚度随活塞的滑动速度而变化，最小油膜厚度最大瞬时值是指滑动速度最大时的油膜厚度h。如图2-3所示，图中a为压力最大处的横坐标，hm为该处的油膜厚度。设有光滑表面的活塞环按箭头所示方向的相对速度u移动。那么润滑油容积流量dQ可按下式计算：（2.1）式中：u活塞与缸套的相对移动速度B油膜垂直运动方向的宽度h油膜厚度h可按下式计算：（2.2）（2.2）式微分代入（1）式积分可得：（2.3）由边界条件x=a, Q=0可得：（2.4）根据流体力学可得：（2.5）式中：p油膜压力在工作温度及工作压力下润滑油的动力粘度。润滑油的粘度随压力而变，其函数关系可用下式表达：（2.6）式中：0在工作温度及常压下润滑油的动力粘度润滑油的压粘系数将（2.2）式、（2.4）式及（2.6）式代入（2.5）式可得：（2.7）解上式并命：（2.8）则：（2.9）边界条件x=a, Q=0可得c=1。若设（2.9）式中大括号内的部分用函数符号f(x1)表示则可得：（2.10）对上式两端取对数得：（2.11）根据边界条件，p=0，由上式可得：（2.12）（2.13）由于一项通常远小于1，故可忽略不计。从而得: (2.14)由于，故可得： (2.15)若命（为未定参数）则可得： (2.16) (2.17) (2.18)根据边界条件，p=0，由(2.10)式可得： (2.19)设定值后，即可按（2.18）式求得相应的值，然后将其代入（2.19）式即可求得的数值。再将及的数值代入（2.17）式则可求得K值。所算得的与相对应的K值列于表2-1。表2-1 与相对应的K值0.40.60.81.01.21.4K0.590.570.520.480.450.41计算表明，当1时，微坑的深度将小于油膜厚度，因而容易磨损失效。故推荐在0.41.0的范围内选取。活塞在工作过程中，（2.16）式中的u值为一变数，它可近似按下式计算：（2.20）式中：A连杆偏心距曲轴角速度曲柄轴线与缸套中心线的夹角将（2.20）式代入（2.16）式则可得：（2.21）（2.22）（2.11）式同样适应于微坑的左侧，只是由于x1为负值，所以在该区间按（2.11）式算得的p值始终为负值。由于气穴作用的影响，压力p将接近于零。因此它对油膜厚度不会产生影响。2.2.1.3 上、下止点油膜厚度的计算按（2.21）式计算活塞在上、下止点油膜厚度时，由于这时分别等于零和，所以油膜厚度似乎均应等于零。但实际上在油膜由厚变薄的过程中，油膜要受到挤压作用，所产生的附加流体动压将阻止油膜变薄。下面我们来计算上述因素影响下，上、下止点实际油膜厚度。为简化计算，我们假设当时，油膜达到最大厚度后，滑动作用不再使油膜产生流体动压，那么，活塞在法向力F的作用下将以速度挤压油膜。这时油膜中润滑油流量增量可按下式计算：（2.23）式中：Q润滑油容积流量B活塞有效高度v活塞挤压速度上式积分可得： (2.24)由边界条件x=a, Q=0可消去c，从而可得：（2.25）根据流体力学可得：（2.26）式中：（2.27）（2.28）为润滑油动力粘度，由于挤压时活塞受压面积较大，油膜中的最大压力不太高，故可不考虑压力对粘度的影响。那么将式（2.25）及（2.27）代入（2.26）式可得：（2.29）由上式可解得：（2.30）显然，活塞所受法向作用力F应等于压力p在整个受挤压面上的积分。但从式（2.30）可以看出，p随x收敛很快，故积分范围取-到+也不会产生大的误差。从而可得：（2.31）根据活塞实际工作情况，假设时，F=Fmax，当转过时，F按直线规律降为零，那么可得：（2.32）式中：t时间若将v表示为，那么由（2.31）式及（2.32）式可得：（2.33）由上式可解得：（2.34）由边界条件可得：（2.35）2.2.2 结论与分析对于式（2.22），由于第二条假设（即不产生侧泄）与实际情况相差较多，需要借助实验进行修正。大量实验表明，点接触处侧得的油膜厚度只比在线接触的相应条件下测得的油膜厚度小40%左右。这相当于油膜中的润滑油容积流量有一半消耗于侧泄。考虑这一因素，（2.22）式应改为：（2.36）由上式可以看出，最小油膜厚度最大瞬时值与R的立方根成正比。由于式中其它参数的改动余地不大，所以R就成为控制油膜厚度的主要参数。根据通常的使用范围设：=1，0=0.04PaS，=2.6510-8/N，R=0.2m，A=0.1m，=150S-1，根据值由表2-1可查得K=0.48，那么由式（2.36）可算得：hmax=1.1m，由此可见，最大油膜厚度足以使缸套活塞环摩擦副完全被隔开。根据通常的使用范围假设：Fmax=105N/m，=150S-1，=0.04PaS，r1=0.08m，r2-r1=0.210-6/N，hmax=1.1m那么将其代入（2.35）式可以算得上、下止点油膜厚度h0=1.094m。由此可见，在通常情况下，上、下止点油膜厚度和最小油膜厚度最大瞬时值几乎相等。计算表明，即使活塞所受法向力F始终等于Fmax，止点油膜厚度也只降到1.088m，即使Fmax增大10倍，止点油膜厚度也只降到1.04m。因此，在发动机正常工作条件下，缸套活塞环摩擦副在整个行程内可以被油膜隔开，只有在启动和停车时，由于转速较低，以及在缸套上部由于温度较高润滑油粘度低，才有可能出现干摩擦。2.3 蜂窝状微坑对排放和机油耗的影响432.3.1 排放物的生成机理及危害随着人们对环境保护的日趋重视，世界各国限制内燃机废气排放的法规变得愈来愈严格。例如，美国的US98，欧洲的欧洲III和日本的Japan 2000。进入1999年后，中国的环保部门采取了一系列的紧急措施，加大了治理机动车排放污染的力度。北京市政府为改善首都环境质量，控制大气污染，从1999年1月1日起开始实施北京市轻型汽车污染物排放标准，它相当于欧洲ECE8301，这个标准要比我国现行国家标准严格许多。内燃机的有害排放物主要有：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、微粒（PM）。（1）一氧化碳（CO）一氧化碳（CO）主要是由于燃料燃烧时氧气（O2）相对不足，燃料中的碳不能完全燃烧产生的，或由于混合气不均匀燃烧，混合气温度低，CO不能氧化而留在燃气中排出。CO经人呼吸进入肺部，被血液吸收后能与血红蛋白结合成一氧化碳血红蛋白。CO与血红蛋白的亲和力比氧气与血红蛋白的亲和力达250倍。一氧化碳血红蛋白一经生成，离解很慢。容易造成低氧血症，因而导致人体组织缺氧。当大气中的CO浓度达到70-80ppm以上时，人在接触几个小时后，一氧化碳血红蛋白的浓度就可达到10%，能影响氧的输送，阻碍血液循环，引起头痛、心跳加速度等症状。当一氧化碳血红蛋白的浓度就可达到20%左右时，就会引起中毒；当浓度就可达到60%时，即可因窒息死亡。（2）碳氢化合物（HC）碳氢化合物（HC）生成取决于发动机的设计和运行因素。发动机运行时，混合气过浓或过稀、燃烧组织不良、串机油或温度过低都会产生HC。柴油机排出的未燃烧的HC主要是未燃烧的燃料、分解的燃料和少量的氧化反应的中间产物。HC中含有几百种成分，各成分对人体的直接影响，目前还不完全清楚。但可以肯定，其中一些成分是致癌物质。HC对眼晴和呼吸器官有强烈的刺激性，对肺部防御机理产生恶劣的影响。同时，HC会伤害农作物和一些观赏植物。HC和氮氧化物（NOx）在强阳光照射下，能进行一系列的光化学反应，生成臭氧O3和过氧化酰基硝酸盐PAN等所谓光化学过氧化产物以及各种游离基、醛、酮等成分，形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾。光化学烟雾对人的眼睛、咽喉、鼻子等有刺激作用，能引起慢性呼吸系统疾病恶化。长期吸入光化学烟雾能影响人体细胞的新陈代谢，加速人的衰老。（3）氮氧化物（NOx）氮氧化物（NOx）是由空气中的N2和O2在燃烧室的高温、高压作用下发生化学反应生成的。NOx的主要成分以NO的形式出现，还有少量的NO2。高浓度的NO能引起中枢神经的瘫痪及痉挛。NO2是一种褐色气体，沸点21.2度，有特殊刺激性臭味，是内燃机排气中恶臭物质成分之一。它使人中毒的症状是在发生肺水肿同时，引起独具特点的闭塞纤维性支气管炎。（4）微粒（PM）微粒（PM）是由于柴油机燃烧时燃料与空气混合不均匀，造成局部过浓，在高压缺氧情况下产生并排出。PM中含有可致癌的物质，容易被人吸入并沉积在肺中，导致慢性病、肺气肿、皮肤病及变态性疾病。2.3.2 机油消耗与排放物的关系内燃机的机油消耗可分为两种：正常机油耗和非正常机油耗。正常缸套内的机油消耗主要由三个途径构成，一是在惯性力作用下，机油随顶环运动被抛入燃烧室而蒸发烧损；二是在高温下，粘附于缸套表面上的油膜蒸发病燃烧；三是由泵油和串气带走。非正常的机油消耗主要包括以下几部分：一是缸套表面上的机油消耗，它又包括（1）缸套、活塞环因磨损而间隙加大，机油通过活塞、活塞环与缸套壁间向上串入燃烧室烧损；（2）通过进气门与进气门导管漏入气缸内烧掉；（3）经排气门与气门导管漏入排气管排入大气；二是机油在曲轴前、后油封处泄漏；三是由于曲轴箱通风不良，串入曲轴箱内的高温废气，将油底壳中的机油加热、稀释，使机油氧化变质过程加快，并使曲轴箱内的压力升高，造成机油上串；四是机械负荷或热负荷过高，加快了机油的分解老化等。柴油机排放中颗粒含量比汽油机高出3080倍，其中机油耗对颗粒排放有着显著的影响。总的颗粒排放中由机油产生的部分所占比例与柴油机的结构形式、运行工况及机油理化特性有关。同一运行工况下，由机油产生的颗粒排放值与机油消耗量近似呈线性关系。研究表明，缸套内表面润滑油膜造成的未燃碳氢排放约占总排放量的2030%，缸套内表面润滑油膜造成的未燃碳氢排放的机理可作如下解释：缸套内表面上仅有几个微米的润滑油膜，在发动机吸气和压缩过程中，与混合气接触的那部分油膜通以下3个步骤，即碳氢由混合气中向与油膜的交界面方向扩散、碳氢溶解于界面之中和碳氢由界面向油膜内部扩散，来吸收混合气中的燃油碳氢；而在燃烧过后的膨胀和排气阶段，缸内燃气的碳氢浓度接近于零，油膜将向燃气释放所吸收的碳氢，这一释放过程恰好和吸收过程相反。油膜所放出的这部分碳氢由于缸内气体温度和氧气浓度较低而不能被完全氧化，随排气排出机外，形成未燃碳氢排放。油膜是碳氢的载体，没有油膜也就没有这部分的碳氢排放。试验表明，碳氢的释放量随着油膜厚度的增加而几乎成一种线性关系迅速增加，直至某一厚度时达到最大，之后，它对碳氢释放量的影响相反地却略有下降。这是因为当油膜较薄时，随着油膜厚度的增加，油膜对碳氢的吸收和释放量迅速增加；当油膜较厚时，受扩散时间的限制，在它对碳氢的吸收阶段，膜内没有完全释放的碳氢向膜表层扩散，减少了油膜对碳氢的吸附；相反地，在它对碳氢的释放阶段，表层高浓度的碳氢向深层扩散，同样对其释放过程有所抑制。因此单纯地从扩散过程讲，并非是油膜越厚，它的碳氢排放量就越大，但由于油膜的蒸发与燃烧又势必造成碳氢排放的增加。2.3.3 降低机油耗和排放的措施44由上面的分析可知，为了降低发动机的排放，必须将发动机的机油耗控制在相当低的水平。对于通常使用珩磨加工的缸套工作表面，由于珩磨加工出的沟槽相互连通，油压就难以建立，这将增加活塞环的磨损和机油消耗。缸套工作表面珩磨网纹的粗糙度也直接影响内燃机的机油耗，在缸套工作表面具有相近平台网纹等级的情况下，机油消耗与其表面的粗糙度大致成正比。为降低机油耗而减少表面储油会使油膜厚度减薄，并减少可用作起动保护的机油。粗糙度值过小时缸套工作表面机油的保持量将减少，可能会导致缸套和活塞环滑动面发生擦伤。对于镜面缸套，由于可用作储油的沟槽减少了，虽可获得低的机油耗，但缸套干磨极易导致拉缸。当在缸套工作表面加工出蜂窝状微坑，由于各微坑之间是相互独立的，因此当活塞环沿着缸套运动时，活塞与缸套间就形成了相互独立的微型压力室，在缸套工作表面形成带微坑结构的表面能有效改善活塞环与缸套间的润滑条件45。这就克服了平顶网纹及松孔镀铬等表面润滑油容易沿沟槽被挤出去的缺陷。由于这种微型压力室的存在，使得活塞环与缸套间总是有储存的润滑油可以被引到这两个相对运动的表面间产生流体动力油膜，所以独立的微坑结构表面能充分利用挤压和流体动力的联合作用，改善缸套与活塞环间的润滑状况。但是，微坑的参数必须正确设计，才能使缸套工作表面的储油能力获得提高而缸套工作表面的强度却没有受到明显的削弱，减少磨损和机油的消耗，微坑的参数如果设计不当，可能还会引起相反的效果。例如，当微坑的深度过深时，微坑中的机油在活塞运动之后，会有部分剩余，这部分机油将会被蒸发与燃烧，这就会增加机油耗和排放。第3章表面微坑加工方法在缸套工作表面形成储油结构，可以存储润滑油，提高缸套活塞环摩擦副的使用寿命。根据国内外的最新研究进展和我们的研究成果，缸套工作表面的储油结构可分为三种：网状裂纹型、网状交叉型和独立微坑型。网状沟槽虽然可以在一定程度上提高缸套活塞环摩擦副的耐磨性，但由于网状沟槽相互连通，在高温高压的条件下，存储在沟槽的润滑油将被沿沟槽挤出去。缸套活塞环摩擦副润滑条件的改善并不显著。而独立微坑型结构，由于微坑之间是相互独立，因此活塞环沿着缸套运动时，活塞环和缸套间就形成了相互独立的微型压力室，这就克服了网状沟槽的缺陷。由于这种微型压力室的存在，使得活塞环于缸套间总有存储的润滑油可以被引到这两个相互运动的表面间，产生流体动力润滑油膜，这可以显著改善缸套活塞环摩擦副的润滑状态。为了加工出独立微坑型储油结构，我们对各种加工方法进行了研究，并提出了振动冲击加工微坑的复合加工方法46。3.1 自激振动方法473.1.1 自激振动的产生金属在切削过程中，在没有周期性外力作用下，刀具与工件之间可能发生强烈的相对振动。振动时，动态切削力伴随产生，并在工件的加工表面上残留下明显的有规律的振纹。这种现象称为自激振动。利用自激振动的方法可以在缸套工作表面加工出波纹形内孔表面。自激振动有多种类型。但是，能用于加工缸套波纹形孔面的自激振动主要有两种：再生自激振动和振型关联型自激振动。1再生自激振动工艺系统受到偶然因素的干扰力作用后，会引起自由振动，从而在已加工表面残留下有规律的但逐渐衰减的振纹。在大多数金属切削加工中，刀具会部分重复或完全重复切削这些已加工表面，使切削厚度发生变化而引起切削力的波动。它又能激起一次振动，并再次在已加工表面残留下振纹。如此重复循环，可能使振纹波及整个加工表面，形成再生自激振动。2振型关联型自激振动再生自激振动是单自由度振动，适应于系统固有频率分离得比较远的加工系统。但在实际加工中也存在这样的过程，如一般车削和使用镗杆的镗削，其自激振动的振幅没有固定的方向。刀尖在切削过程中描画出一个近似椭圆的运动轨迹，通常称为变形椭圆，其长轴称为变形椭圆主轴。这一椭圆轨迹说明了切削时的自激振动不仅产生在y方向，而且也存在于z方向。于是，人们开展了两自由度振动系统的研究，提出了振型关联型自激振动理论。3.1.2 缸套波纹形内孔表面的形成金属切削过程中，由于工艺系统偶然因素的作用，机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统受切削用量、工艺刚度、刀具几何参数、切削力、磨损等多种因素的影响，在加工过程中将产生自激振动，从而使工件加工质量和几何精度下降。但振动可以使加工表面出现振纹，振纹呈波浪形轮廓，如图3-1所示。每一周期的振动使工件表面出现一组相对应的凸峰和凹坑，其高低值决定于振幅，而振纹的疏密又决定于振动频率等因素。当切削速度v在一定范围或接近于临界速度时，会产生最大振幅。离开这个速度范围，振动将减弱，切削条件得到改善。当改变刀具几何角度、降低切削速度、调整切削深度和工艺系统刚度后，可使振动减轻甚至消失。但是，自激振动的控制比较复杂。对于铸铁加工，除上述一般因素外，由于铸铁属于脆性材料，切屑呈崩碎状，切屑将周期性地产生和消失，使切削力周期性地变化。因此，在车床上对柴油机缸套（孔径280mm、长度750mm、最薄处厚度只有11mm，铸铁材料）进行镗孔是一个相当复杂的过程，各个因素不仅相互影响，交互作用大，而且影响因素较多。为利用自激振动使孔面得到均匀分布的波纹形微型凹坑，应对振动进行分析，消除不利的振动，利用和调节因切削力变化所产生的自激振动，对其进行有效的控制，使切削中产生实际需要的稳态自激振动。缸套波纹形孔面形成的工艺过程如下：（1）按波纹形孔面的要求，第一工步是在没有振纹的孔面上，镗孔时形成原生颤振，产生振纹，为以后镗孔产生再生颤振创造条件。因此，对第一工步镗孔前的内孔加工要求不高，留余量12mm，表面粗糙度达Ra=12.5m。第一工步镗孔后，振纹明显，振幅较大。振纹的产生和振幅幅值的变化，往往与切削速度、刀具前角等的选取密切相关，如图3-2所示。在同一切削速度下，当减小前角或采用负前角时，振幅值急剧增大，反之将减小。由于本工步的特定要求，切削中振动较强烈。为保证刀具正常切削，刀具的安装与走刀方向形成一定的倾斜角度，在切削过程中刀刃可以适当移位，以避免刀刃因振动而挤裂、崩碎。试验表明，采用上述措施后，刀具在较强烈的振动情况下，还具有良好的切削性能和使用寿命。（2）在第一工步完成孔面原生颤振的基础上，改变刀具几何参数和切削用量，使第二工步镗孔时出现轻度再生颤振。被镗孔表面振纹已明显减轻，原来连接的倾斜振纹消失，产生新的振纹，初步具备波纹形孔面的结构要求，但振幅仍较大。孔的几何精度不高，误差较大。（3）第三、第四工步是镗孔的最后工步。为达到波纹形孔面的要求，使用专用镗刀，采用比第二工步还低的切削用量进行加工。经第二次再生颤振，振纹得到进一步改善，产生在螺旋方向均匀分布的微型凹坑，形成新的波纹形孔面，同时提高了孔的几何精度，达到工件的技术要求。（4）安排珩磨工序，去除飞边、毛刺，珩出基本光滑面，即完成缸套波纹形孔面的全部加工。3.1.3 用自激振动形成缸套波纹形孔面的特点采用自激振动的方法在缸套工作表面加工出波纹形内孔表面，是从切削加工出发，改变缸套工作表面宏观、微观结构，达到改善内燃机缸套性能的目的。经过多次试验证明，它是延长缸套使用寿命的一种行之有效的方法。这种方法可以在普通车床上，通过对机床、刀具、工件装夹等调整，把不利的切削振动变为可控制的稳态振动，以形成波纹形孔面。这是一种投资少、效果好、收效快的方法。并且采用自激振动的方法形成波纹形孔面与镀铬、磷化等工艺比较，可节约能源，消除污染。但使用这种方法时，加工工序多，加工效率低，振幅和频率调试较麻烦，微坑大小、深度和分布在一定程度上受到限制。3.2 滚压方法缸套工作表面也可以用多齿工具滚压形成微坑，在经过珩磨加工后形成表面储油结构。这些加工可以在车床或专用机床上完成。工件的微坑是用多齿工具滚压工具在缸套表面上挤压，使其产生朔性变形而成的，因此，滚压时产生的径向挤压力是很大的。对薄壁缸套而言，径向挤压力可能会产生较大的变形，应当引起重视，提出有效的对策。在滚压过程中，还必须经常加润滑油和清除切屑，以免损坏多齿工具滚压工具和防止滚压工具被切屑堵塞而影响微坑的清晰。另外，滚压操作不当时，容易产生乱纹，也应引起注意。3.3 激光珩磨48激光珩磨是将珩磨技术和激光技术复合在一起的新技术，由三道工序组成：粗珩、激光造型和精珩。实际上，激光珩磨不是珩磨，而是将激光用于打坑。它不是要求打一个微坑，而是要求打出数以万计的、按一定规律分布的微坑。3.3.1 激光打孔原理激光打孔原理是利用光学系统将激光聚焦在缸套的内孔表面，高能量的光子束照射在缸套的内孔表面。激光束一部分被反射，另一部分被吸收。由于吸收了激光束的能量，缸套表面物质被加热到蒸发状态，使材料加热急剧。被汽化物质的量取决于激光束的频率、功率、表面结构和进给量。激光打孔的孔径与聚焦光斑直径近似成正比关系。用短焦距透镜及基模输出的红宝石激光器可打出直径10m的小孔。激光打孔的孔径范围为0.011mm。可采用在激光谐振腔内放置光阑或控制激光输出能量的方法，改变激光打孔的孔径大小。单个激光脉冲打出孔的深度一般为孔径的510倍。打孔总常采用重复脉冲的方法，即一个孔用多个激光脉冲重复照射加工而成，这样可以减少每个脉冲的能量，延长激光器中脉冲氙灯的使用寿命，且克服偶然因素引起的单个脉冲能量的起伏，使打出的孔有较好的圆度和重复性。使用重复激光脉冲打孔时，孔深随脉冲次数而增加，但超过一定次数就几乎不再改变。图3-3表示用红宝石激光加工蓝宝石时，孔深与脉冲次数的关系。3.3.2 激光珩磨机床激光珩磨机床用于储油结构的激光造型。它的基本结构和珩磨机一样，如图3-4所示，主轴既进行往复运动，又进行旋转运动，主要包括以下几个部分：(1)激光发生器 Nd、YAG激光器（=1.06m），功率60w，激光脉冲的频率为10KHz，一个激光脉冲的持续时间为200ns。能量密度在直径为0.1mm范围内近似为3.8103W/cm2。(2)激光输出头激光打孔的直径小于0.1mm，加工的直径范围是19270mm。(3)光导纤维系统用来将激光光束从激光发生器传输到激光输出头。(4)数控激光束移动系统控制激光束的旋转和移动。(5)压缩空气用来排除激光加工中产生的熔融的物质。激光珩磨时，装在主轴上的激光输出头要位于缸套内孔中。在这个光学系统中，光束聚焦到孔壁上。通过NC控制系统确保激光造型结构灵活地适应发动机性能所需要的条件。粗珩时确定了宏观形状，并产生了对缸套内孔进行激光造型的原始表面。根据发动机性能所要求的激光造型类型确定原始表面。根据粗加工质量、加工余量、原始表面、生产节拍时间的不同也可将粗珩分为两道工序，然后在原始表面上实施激光造型结构。通过精珩去除在激光加工时所产生的毛刺，并产生特别精细的平顶表面。3.3.3 激光珩磨形成的储油结构激光珩磨可以形成网状交叉储油结构和螺旋型凹腔储油结构。网状交叉储油结构中，网纹均匀，互相连通，交叉角能影响机油的输出。螺旋型凹腔储油结构实际上是由大量的相互独立的微坑组成的储油结构。微坑之间可以形成微压力室。3.3.4 试验结果（1）发动机的机油耗发动机的机油耗如图3-5所示。（2）颗粒排放量在ALV FM528型试验发动机上进行了激光珩磨对颗粒排放的影响的研究。缸套表面被激光珩磨加工的结构参数如下：形成网状交叉型储油结构网状沟槽的间距为600m网状沟槽的深度为30m网状沟槽交叉较为30o对缸套整个工作表面进行了精珩，达到了Rz=1m(Ra0.1m)的特别精细、宏观光滑的表面。与原来采用平顶珩磨批量生产的标准缸套相比，在采用激光珩磨加工的缸套工作表面的情况下，总的颗粒排放量降低20%25%，仅机油的颗粒排放量降低25%30%。这些数据由AVL测得。(3)耐磨性图3-6为发动机运行330小时后，活塞环和缸套工作表面的磨损试验结果。从磨损试验可得，活塞环的磨损从5m降低到2.5m，缸套工作表面的磨损从3m降低到1.5m。3.3.5 激光珩磨的特点在长时间运行的情况下，柴油机的机油耗从40g/h降低到15g/h，汽油机的机油耗降低30%60%。网状交叉储油结构和螺旋型凹腔储油结构对机油耗的影响不大。但在磨损和加工时间方面差别很大。网状交叉型储油结构的加工时间为30s，而螺旋型凹腔储油结构的加工时间只有10s，网状交叉型储油结构对磨损量的影响几乎比螺旋型凹腔储油结构高出将近100%。因此，有理由认为，螺旋型凹腔储油结构优于网状交叉型储油结构。柴油机的机油颗粒排放量降低25%30%。汽油机的HC排放量降低10%20%。激光珩磨减少了污染，保护了环境。活塞环组的成本可节约10%30%。到目前为止，采用激光珩磨制造的缸套，已经通过了超过50次、时间超过1000小时的耐磨性试验，证实了激光珩磨的优点。国外已计划将激光珩磨技术用于新一代的发动机。批量生产前的小批试制已经开始，即将转入批量生产。但是，激光珩磨设备价格昂贵，维修复杂，一定程度限制了它的应用。3.4 振动冲击加工方法在内燃机中，缸套工作表面特性是影响其耗油量、抗胶合性和耐磨性及发动机寿命的重要因素之一，为了改善缸套的工作表面特性，改善缸套活塞环摩擦副间的润滑条件，目前，通常采用平顶珩磨加工作为内孔表面最终加工工序，以形成交叉网纹沟槽式平顶储油结构；或者采用松孔镀铬方法(对缸套内孔表面镀硬铬，镀硬铬后进行逆电解，在其表面形成网状沟槽式储油结构)，再珩磨加工的工艺过程。平顶珩磨和松孔镀铬方法都可以在一定程度上提高摩擦副的耐磨性，但由于网状沟槽互相连通，在高温高压条件下，储存在沟槽里的润滑油将被沿着沟槽挤出去，并且网状沟槽很不均匀,摩擦副润滑条件的改善并不显著。自激振动加工方法虽可以在缸套内表面形成微坑，但其微坑分布及微坑的结构难以控制，且由于稳态颤振的条件难以控制，故其加工方法的掌握有一定的难度，因此难以在生产中有效地推广。国外应用激光珩磨技术在气缸工作表面产生既定的微观结构，并获得了较好的效果，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。我们提出利用低频振动冲击在缸套内表面形成分布规律和结构参数可控的微坑加工方法，研究了表面微坑振动冲击加工原理，建立了相应的数学模型，并通过实验进行了验证。3.4.1 表面微坑振动冲击加工原理f , A 图3-7 微坑低频振动冲击加工原理图表面微坑低频振动冲击加工装置的工作原理如图3-7所示。微坑振动冲击加工装置装在机床的中拖板上，被加工缸套装在机床主轴上以一定的转速旋转，微坑振动冲击加工装置可沿轴向和横向方向进给，通过横向进给控制微坑的深度，通过电机带动偏心机构在装置的工具头上施加低频振动，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。为提高加工效率，振动冲击头一般可做成单排多头或矩阵型多头。图3-8所示为缸套工作表面微坑的结构图。机床的工作参数与缸套微坑各参数之间的关系由下面的关系式确定：图3-8 微坑的分布及结构图（3.1）（3.2）（3.3）式中： a微坑间距(mm)a有微坑的工作面积与整个工作表面积之比a=（2535）%d微坑孔口直径(mm) N机床转速，(rpm) f振动频率，(Hz)m矩阵工具头行数 n矩阵工具头列数D工件的内径(mm)s轴向进给量，(mm/r) 微坑孔口直径d的取值可根据活塞环的宽度而定，一般可取活塞环宽度的（3070），对于给定的柴油机工作参数，确定微坑参数的最佳取值的理论研究及实验工作还在进行之中，由于振动冲击加工微坑方法的应用，使得改变这些参数变得较为容易实现，这为今后的进一步研究创造了条件。根据微坑的分布及结构参数，可得出缸套微坑数量M及储油量Q的计算公式：（3.4）（3.5）式中： M缸套工作表面的微坑数量有微坑的缸套工作表面长度(mm) Q缸套工作表面储油量(g) r润滑油的密度(g/cm)h微坑深度(mm) 改变结构参数d、h、a及微坑加工长度l，可获得不同的储油量。表3-1给出不同参数对应的储油量计算值：表3-1储油量与微坑结构参数的关系序号D(mm)r(g/cm)d(mm)h(mm)a(mm)l(mm)Q(g)1 95 0.83 0.50 0.20 1.00 180 1.072 95 0.83 0.50 0.10 1.00 120 0.313 95 0.83 0.30 0.10 0.60 120 0.124 95 0.83 0.30 0.10 0.50 120 0.485 95 0.83 0.20 0.08 0.35 120 0.376 95 0.83 0.30 0.10 0.50 40 0.167 93 0.83 0.50 0.20 0.80 40 0.368 93 0.83 0.20 0.08 0.35 120 0.363.4.2 加工工艺过程及要求使用微坑振动冲击加工装置，调整机床的工作参数可以获得既定的分布规律和结构参数的微坑。由于加工微坑前缸套毛坯的形状和尺寸精度对所形成的微坑有直接的影响，因此，为提高加工效果，使加工的微坑符合设计要求，要求加工微坑前毛坯有较好的形状和尺寸精度。一般对于铸铁或铝质缸套，可安排在珩磨前加工微坑，对于钢质薄壁缸套可在镗孔与镀铬前珩磨工序之间进行，即采用镗孔加工微坑珩磨镀铬珩磨的工艺路线。876543210720。180。540。360。第一道环第二道环第三道环图-9 S195柴油机活塞环缸套膜厚比的循环变化（ n=2000rpm ） 3.4.3 微坑振动冲击加工对缸套耐磨性的影响3.4.3.1 储油微坑对缸套活塞环耐磨性的影响一般说来，内燃机缸套磨损最快的地方出现在其活塞运动的上死点附近。图3-9 所示为一S195柴油机环组的膜厚比曲线,以膜厚比L=4（L=,h 名义油膜厚度, 综合粗糙度的均方根值）做流体润滑和混合润滑的分界线，从图中可看出，环组在多数工作时刻处于混合润滑状态，在第一环上死点附近膜厚比最小。事实上对于任意给定的单行程，在行程的上端，由于油的粘度低（汽缸壁温度高）和这里的活塞运动速度低，油膜厚度一般很薄，而在与最高燃烧室压力（出现在曲柄转角约为5o时）相对应的动力冲程上端附近，由于受气体压力的影响，油膜更薄，容易出现所谓的边界润滑状态，即在对应的行程内出现较严重的金属与金属的接触而产生较快的磨损。对于平顶珩磨或松孔镀铬结构的汽缸表面，由于其沟槽相互连通，因此在活塞的上死点附近由于受高温高压的影响，储存在沟槽内的润滑油容易被沿着沟槽挤出去，从而起不到应有的改善缸套表面润滑条件的作用。在缸套工作表面形成带微坑结构的表面能有效改善活塞环与缸套间的润滑条件。如图3-10所示，由于各微坑之间是相互独立的，因此当活塞环沿着缸套运动时，活塞与缸套间就形成了相互独立的微型压力室，这就克服了平顶网纹及松孔镀铬等表面润滑油容易沿沟槽被挤出去的缺陷。由于这种微型压力室的存在，使得活塞环与缸套间总是有储存的润滑油可以被引到这两个相对运动的表面间产生流体动力油膜，所以独立的微坑结构表面能充分利用挤压和流体动力的联合作用，改善缸套与活塞环间的润滑状况。活塞缸套活塞环图3-10 缸套活塞环润滑状态 3.4.3.2 冲击微坑残余应力对缸套耐磨性的影响49缸套的最后加工工序一般为珩磨，而磨削加工一般在被加工表面层产生残余张应力，这将大大降低其抗疲劳强度，以及抗应力腐蚀性能，并且对工件的变形产生一定的影响。缸套工作表面的微坑冲击加工可以改变其表面的应力分布状况。当球形冲头冲击缸套内表面产生微坑时，微坑表面之下的材料保持残余受压状态，压痕之外的表面包含径向受压和周向受拉状态，产生类似喷丸硬化的效果，而微坑加工后的珩磨旨在去除毛刺和隆起材料，降低表面粗糙度,继续保持压应力，从而提高缸套工作表面的加工质量，延长其使用寿命。 3.4.4 实验结果微坑加工是在CA6140车床上进行的，微坑加工装置固定在车床的中拖板上，采用单排5点冲击头，试件有f93钢质薄壁套和f99铸铁缸套两种，试件镗至珩磨前尺寸，机床及微坑加工装置的工作参数为：振动频率f =100Hz, 机床转速N=18rpm，走刀量s =5mm,工具头振幅A=1.00mm。试验结果：在两种试件表面均得到了预期的分布均匀的微坑，微坑在螺旋线方向上分布，其参数为：螺距t =1mm ，螺旋方向微坑间距a =1mm ，孔深h =0.15mm，孔口直径 d=0.5mm。对于长度l=180mm、内径=93mm的薄壁缸套，表面微坑加工时间为2min。第4章试验条件在研究了蜂窝状微坑的润滑机理和振动冲击加工微坑的原理的基础上，我们将进行蜂窝状微坑摩托车缸套、斯太尔缸套和东风4型缸套的台架试验和用户试验，以便分析蜂窝状微坑对发动机性能的影响。试验需要加工出一定数量的具有蜂窝状微坑的缸套，因此我们为了此次试验进行了必要的试验条件的准备。 4.1 试验设备 4.1.1 数控微坑成型机为了保证在缸套中加工出符合试验要求的蜂窝状微坑，我们设计了一台数控微坑成型机，如图4-1所示。数控微坑成型机是将数控车床与表面微坑低频振动冲击装置复合在一起。将表面微坑低频振动冲击装置连入数控车床的数控系统中，通过数控车床的编程来完成缸套镗孔、冲击加工微坑的自动加工过程。图4-1 数控微坑成型机使用的数控车床是CJK6130ZX型数控车床，车床的技术规格为：最大车削直径：400mm最大工件长度：750mm主轴转速：16800 rpm最小输入增量：0.001mm刀架定位精度：0.013/200x轴定位精度：0.02 重复定位精度：0.01z轴定位精度：0.03 重复定位精度：0.015数控系统：KENT-18T振动冲击加工采用MH-01型振动冲击微坑加工装置，振动频率为100Hz，刀尖振幅为1mm，加工缸套长度范围为180mm，电机功率为250W，刀尖距安装平面高度为2155mm可调。组装完成后的数控微坑成型机的镗孔加工精度可以达到0.02mm。当冲击加工微坑时，微坑参数的调整由下式计算：（4.1）（4.2）式中: f振动频率，(Hz)m矩阵工具头行数 n矩阵工具头列数D工件的内径(mm) M微坑行间距(mm) N微坑列间距(mm)Ti机床的螺距系列Ri机床的转速系列由于CJK6130ZX型数控车床的调速是无级的，轴向进给也是由程序控制的，在机床的调速范围和进给范围内，可以加工出多种参数的微坑。例如，对内径为80mm、长度为100mm的缸套，采用22的矩阵工具头，工具头轴向、径向的间距为0.6mm时。由（4.2）可得：数控微坑成型机的微坑加工程序如下：N10 T101 G0 X78 Z100 *N20 T101 M03 S30 G0 X78 Z20 *N30 G04 X5 M08 *N40 Z0 *N50 G01 F36 *N60 X80.04 Z-95 *N70 X78 M09 *N80 M05 G28 X70 Z50 M30*4.1.2 珩磨机使用数控微坑成型机冲击加工微坑时，由于冲击力的作用，缸套表面发生了塑性变形，微坑周围有毛刺和材料隆起，因此要在加工微坑之后降低缸套工作表面的粗糙度，可以采用镗孔加工微坑珩磨的工艺路线。最终加工采用珩磨来改善缸套的表面粗糙度，取得最终的加工尺寸。我们购买了一台M4215B型珩磨机。并在实验室进行了珩磨机和数控微坑成型机的地基和动力线路的布置，并安装了这两台机床。在定购珩磨机时，为了适应缸套加工的要求，对珩磨机进行了改进，床身加高280mm，手轮下降200mm。M4215B型珩磨机主要技术指标：珩磨孔最大直径：150mm珩磨孔最小直径：30mm主轴最大行程：370mm主轴连杆伸缩移动长度：180mm最大珩磨孔深度：150mm主轴转速：140、200、280、400rpm主轴往复运动速度：318m/min4.2 夹具这次试验的缸套有三种，一种是内径为52mm的摩托车缸套、一种是东风4型机车缸套、另一种是斯太尔柴油机气缸套。它们的尺寸如图4-2、4-3、4-4所示。为了完成对缸套的冲击加工微坑试验，我们设计了专用的夹具。东风4型机车缸套的微坑加工是在CT6140型普通车床上进行的，振动冲击加工装置装在车床的中拖板上，缸套的尺寸比较大，使用了夹具和中心架来共同夹持缸套，保证微坑加工的顺利进行。夹具如图4-5所示。斯太尔柴油机气缸套的微坑是在数控微坑成型机上加工，夹具如图4-6所示。摩托车缸套加工也是在数控微坑成型机上进行的，夹具如图4-7所示。4.3 矩阵工具头缸套微坑的结构参数的选择是由缸套活塞环摩擦副的润滑状态、磨损量、接触宽度、缸套的承载面积、机床的转速、振动冲击微坑加工装置的振动频率等决定的。对于东风4型机车缸套我们采用了如图4-8所示的工具头。工具头材料为高速工具钢，采用线切割的方法加工。摩托车缸套和斯太尔WD615柴油机气缸套是在数控微坑成型机上进行的，由于机床主轴是无级调速的，因此微坑参数的选择范围比较大，这是一种比较理想的微坑加工方式。试验中，我们采用了如图4-9所示的工具头。第5章蜂窝状微坑缸套的台架试验最佳的摩擦表面应该在一定的压力、速度、温度和使用寿命内能产生连续的流体动力润滑。对于独立微坑储油结构，它的任务是在缸套工作表面产生一个特殊的表面形貌结构，使其有足够的空间来存储润滑油。独立微坑储油结构就是这样一个既能存储润滑油又能长时间保证良好润滑状态的摩擦表面结构。我们在理论分析的基础上，通过调整微坑的大小、深度、间距、分布等参数，来使缸套与活塞环的润滑状态达到最佳。如果能够达到这一点，这是我们长期以来所希望实现的目标。因为如果润滑条件得到改善，能够带来一系列的好处，机油耗减少，降低排放、减少磨损和燃油耗、降低HC排放等。实际上，这些理论分析又是怎样的？为了进一步验证，我们组织进行了蜂窝状微坑缸套的台架试验。5.1 台架试验方法505152535.1.1 试件准备本次试验采用洛嘉牌摩托车发动机气缸套和斯太尔WD615柴油机气缸套。5.1.1.1 摩托车发动机气缸套其主要技术参数及性能指标如下：气缸套直径：52.4mm活塞行程：60mm气缸套表面粗糙度：Ra=0.32m气缸套材料：铸铁气缸套工作表面经数控点坑成型机冲击加工，形成蜂窝状点坑储油结构。微坑的参数为：微坑螺距t =0.6mm ，螺旋方向微坑间距a =0.6mm ，微坑的深度h =0.005mm，微坑的口部直径 d=0.3mm。气缸套留有0.02mm的珩磨加工余量，加工微坑时因考虑这种情况，故数控加工程序如下所示：N10 T101 G0 X50 Z100 *N20 M03 S45 G0 X50 Z20 *N30 G04 X5 M08 *N40 Z-10 *N50 G01 F56 *N60 X52.43 Z-80 *N70 X50 M09 *N80 M05 G28 X48 Z50 *N90 M30 *程序中：T换刀指令 G0快速移动X轴向移动 Z径向移动 M03主轴正转 M05主轴停转 S主轴转速 M08振动冲击装置开M09振动冲击装置关F每分钟进给5.1.1.2 斯太尔WD615柴油机气缸套气缸套直径：126mm活塞行程：130mm气缸套表面粗糙度：Ra=0.32m气缸套材料：铸铁气缸数：6发动机总排量：9.726L额定功率/转速：191/2600 kW/r/min最大扭矩/转速：830/15001700Nm/r/min由图1-1可知气缸套磨损最严重的部位是在上止点附近，斯太尔WD615柴油机气缸套的微坑加工，主要是针对这个磨损最严重的部分。由于斯太尔气缸套的上止点与缸套顶端距离为25mm，因此，微坑的加工范围就是活塞上止点以下的活塞运动区域。对于斯太尔WD615柴油机气缸套的微坑加工，分五组不同的微坑参数分别加工，每组加工六只。这五组气缸套的微坑参数如下：(1) 微坑在活塞上止点附近均匀分布，微坑区长度等于活塞环组宽度（局部圆坑cup）, 微坑区长度为50 mm，如图5-1所示。微坑螺距t =0.6mm ，螺旋方向微坑间距a =0.6mm，微坑的深度h =0.005mm，微坑的口部直径 d=0.03mm。气缸套留有0.020.03mm的珩磨加工余量，加工微坑时因考虑这种情况，故数控加工程序如下所示：N10 T101 G0 X120 Z100 *N20 M03 S18 G0 X120 Z20 *N30 G04 X5 M08 *N40 Z-25 *N50 G01 F22 *N60 X126.04 Z-75 *N70 X120 M09 *N80 M05 G28 X100 Z50 *N90 M30 *(2) 微坑在活塞上止点附近均匀分布，微坑区长度等于活塞环组宽度（局部圆坑cup）, 微坑区长度为50 mm，如图5-1所示。微坑螺距t =0.6mm ，螺旋方向微坑间距a =0.6mm ，微坑的深度h =0.005mm，微坑的口部直径 d=0.03mm。气缸套留有0.020.03mm的珩磨加工余量，加工微坑时因考虑这种情况，故数控加工程序如下所示：N10 T101 G0 X120 Z100 *N20 M03 S18 G0 X120 Z20 *N30 G04 X5 M08 *N40 Z-25 *N50 G01 F22 *N60 X126.04 Z-75 *N70 X120 M09 *N80 M05 G28 X100 Z50 *N90 M30 *（3）这一组的储油结构为螺旋线沟槽型，螺旋线沟槽范围同（1）。螺旋线沟槽的宽度W=30m，沟槽的深度h=5m，沟槽间距a =0.6mm。数控加工程序如下所示：N10 T101 G0 X120 Z100 *N20 M03 S18 G0 X120 Z20 *N30 G04 X5 M08*N40 Z-25 *N50 G01 F22 *N60 X126.04 Z-75 *N70 X120 M09*N80 M05 G28 X100 Z50 *N90 M30 *(4) 微坑在活塞活动区域全部非均匀分布，分布规律为上密下疏，微坑区长度为130 mm，如图5-2所示。微坑螺距t =0.6mm ，螺旋方向微坑间距a =0.6mm、0.8mm，微坑的深度h =0.005mm，微坑的口部直径 d=0.03mm。气缸套留有0.020.03mm的珩磨加工余量，加工微坑时因考虑这种情况，故数控加工程序如下所示：N10 T101 G0 X120 Z100 *N20 M03 S18 G0 X120 Z20 *N30 G04 X5 M08*N40 Z-25 *N50 G01 F22 *N60 X126.04 Z-75 *N70 X100 M09*N80 G0 X100 Z100 M05*N90 TI02 X120 Z80*N100 M03 S25 X120 Z20*N110 G04 X5 M08*N120 Z-75*N130 G01 F40*N140 X126.04 Z-155*N150 X100 M09*N160 M05 G28 X100 Z50 *N170 M30 *(5) 微坑在活塞上止点附近区域部分非均匀分布，分布规律为上密下疏，微坑区长度为50 mm，如图5-1所示。微坑螺距t =0.6mm ，螺旋方向微坑间距a =0.6mm、0.8mm，微坑的深度h =0.005mm，微坑的口部直径 d=0.03mm。气缸套留有0.020.03mm的珩磨加工余量，加工微坑时因考虑这种情况，故数控加工程序如下所示：N10 T101 G0 X120 Z100 *N20 M03 S18 G0 X120 Z20 *N30 G04 X5 M08*N40 Z-25 *N50 G01 F22 *N60 X126.04 Z-50 *N70 X100 M09*N80 G0 X100 Z100 M05*N90 TI02 X120 Z80*N100 M03 S25 X120 Z20*N110 G04 X5 M08*N120 Z-50*N130 G01 F40*N140 X126.04 Z-75*N150 X100 M09*N160 M05 G28 X100 Z50 *N170 M30 *5.1.2 试验参数5.1.2.1 摩托车气缸套试验参数（1）定期检查缸套、活塞磨损情况；（2）定期测量排放；（3）定期检查机油消耗；（4）发动机的转速；（5）发动机的主要性能。5.1.2.2 斯太尔WD615气缸套试验参数（1）机油消耗测试（2）耐磨性试验（3）测试颗粒排放，氮化物NOx含量5.1.3 试验方法及过程5.1.3.1 摩托车气缸套本试验采用300小时的蜂窝状点坑气缸套和平台网纹气缸套对比台架试验，包括以下几个过程：(1)装机前准确测量缸体内径、活塞、裙部外径；(2)先加机油0.9L，磨合20小时后更换机油，以后每16小时更换机油一次，以后每次加油0.9L，放出机油用量杯准确测量，同时检查放出机油品质；(3)机油使用“兰炼”SE15W/40；(4)每20小时测排放一次，同时观察排气管及通气管排气情况；(5)缸体、活塞每30小时检测一次，同时保养发动机，观察燃烧及积炭情况；(6)磨合20小时后开始测发动机性能，100小时、200小时性能复试；(7)试验期间，缸体、活塞和活塞环均不更换；(8)每天累计试验16小时；(9)试验转速7000-7500rpm（磨合期除外），扭矩2324Nm。5.1.3.2 斯太尔WD615气缸套斯太尔WD615柴油机共有六个气缸套，台架试验将分别测试五组微坑参数不同的缸套，并将其试验结果进行分析。台架试验的具体步骤如下：(1) 首先进行耐磨性试验，测试缸套和活塞环的磨损量。(2) 测试机油消耗量和颗粒排放。5.2 台架试验结果(1)机油耗量降低26%；(2)HC排放量减少25%；(3)CO排放量减少21%；(4)蜂窝状点坑气缸套耐磨性比原来提高1倍；(5)性能测试结果：累计时间(小时)20100200最大功率(kw/r/min)4.62/70004.93/75005.03/7500最大扭矩(Nm/r/min)6.8/60007.4/50007.3/5500最低油耗(g/kwh)3944293665.3 台架试验结论从台架试验结果可以得出结论，蜂窝状点坑气缸套有许多显著的优点：降低机油消耗量（正常珩磨气缸套100%，平顶珩磨气缸套75%，蜂窝状点坑气缸套56%）减少排放减少气缸套和活塞环的摩擦、磨损减少活塞环组的成本第6章总结与展望本文在分析蜂窝状微坑缸套的润滑机理的基础上，完成了对缸套微坑的自动化加工，并且通过台架试验，验证了蜂窝状微坑缸套对发动机性能的影响，可以得到以下结论：1 独立微坑储油结构可以使缸套活塞环摩擦副建立动力润滑油膜。明显改善摩擦副的润滑状况。2 在试验中设计的数控微坑成型机，可以实现缸套镗孔、冲击加工微坑的自动化，且操作方便。3 利用振动冲击加工可以在缸套工作表面形成分布规律和结构参数可控的微坑54，且所有的微坑相互独立。4 具有独立微坑储油结构的缸套，对发动机的性能有明显的改善。机油耗减少，降低排放、减少摩擦和磨损等。5由于冲击力的作用，缸套表面发生了塑性变形，微坑周围有毛刺和材料隆起，因此要在加工微坑之后降低缸套工作表面的粗糙度。6振动冲击加工微坑加工简单易行，成本低，只要对普通机床稍加改装即可，且微坑加工效率高，便于一般工厂推广。人们对缸套表面形貌设计的研究已经进行了多年，我们认识到表面形貌对润滑和磨损影响很大，表面形貌设计已成为缸套活塞环摩擦副的摩擦学设计不能忽视的问题。缸套独立微坑储油结构是一种比较理想的形貌结构，目前正处于蓬勃发展的阶段，其进一步发展的方向为：1建立微坑参数数据库由于缸套的种类很多，而每种缸套的微坑参数都不相同。我们可以在理论分析和试验的基础上，根据缸套的不同参数，建立存有各种缸套微坑参数的数据库，如图6-1所示。在以后微坑加工时，我们可以根据缸套类型，通过数控加工设备调用数据库中的微坑参数数据，自动加工出具有蜂窝状微坑的缸套，以改善缸套活塞环摩擦副的润滑状况，提高发动机的性能。2进一步的台架试验和用户试验为了取得缸套微坑的最佳参数，还要对不同微坑参数（如微坑大小、分布、深度等）的缸套做进一步的台架试验。同时，还要进行用户试验，即将蜂窝状点坑气缸套装在车辆上，以验证蜂窝状点坑气缸套在实际使用过程中的效果。3恒力控制系统。现有的振动冲击加工装置在使用过程中，还不能很好地控制微坑的深度。需要研制一种恒力控制系统，通过控制冲击力的大小来控制微坑的深度，保证在冲击加工微坑时，冲击力保持恒定，使加工出来的微坑均匀一致。mn矩阵工具头发动机型号缸数内径、长度材质、表面处理加工精度表面质量微坑参数：大小、分布、深度机床参数：转速、进给速度夹具、刀具的起始、结束位置数控程序图6-1 微坑参数数据库结构 51致谢在论文即将付梓、离开学校的时候，回顾两年半的学习生涯，我要衷心地感谢我的导师张云电教授对我在学习、生活上的关怀。本论文从选题直至最后定稿，他都给予了我及时、大量的指导和帮助，论文的每一个文字与图表都凝结了他大量的心血。张老师以他渊博的学识、学者的风范引导我在知识的海洋中畅游、成长，这令我终生受益。两年半里所取得的任何成绩中都包含有张老师的关怀与帮助。老师的殷切希望将激励我在今后的工作中加倍努力，争取最好的成绩。感谢同窗好友张再平、费海涛、石洪斌、王得道、陈雪荣和师弟钟美鹏在学习和生活上给与的帮助，是他们帮我解决了遇到的许多问题和困难。我还要感谢师母两年半来对我的诸多照顾。感谢我的父母、姐姐、姐夫、妹妹、妹夫，我的成绩离不开他们的支持，是他们的关心和帮助让我无后顾之忧。最后，我要感谢我的妻子和女儿，没有我妻子的理解和支持，我无法想象我能够顺利完成我的学业，我的每一点成绩都凝聚着她的一份辛劳。还有我的女儿，她的乖巧和可爱，也是我完成学业的动力。在我的成长过程中，受惠于社会各方的帮助、支持太多，在此能致谢的只是其中的一小部分，更多的我无法在此表述，我会努力学习、工作和研究，以更好地回报社会、师长和亲朋。王碧波二零零二年一月于杭电参考文献1 陈国安，辛志南(1998). 内燃机摩擦学设计势在必行.柴油机，(4):33-36.2 严立，余宪海(1992). 内燃机磨损与可靠技术，人民交通出版社。3 李雁(1997). 6200Z型柴油机缸套异常损坏分析.湖南农业大学学报，23(5):469-471.4 顾虎生，洪川，陈铁群(1990). 汽车发动机缸套的磨损失效研究.武汉工学院学报12(3):1-10.5 谭正三(1994). 内燃机构造. 机械工业出版社。6 谭业发，陆明，彭建虎(1997). 内燃机缸套的磨损原因分析与对策.工程机械，28(3):32-33.7 邵

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