金刚石平台网纹珩磨工艺及加工参数分析

1、金刚石平台网纹珩磨工艺及加工参数分析贾秀杰 梁明柱 李剑峰山东大学摘 要:介绍了内燃机气缸套的金刚石平台网纹珩磨工艺的特点及其对机油耗的影响。通过金刚石平台网纹珩磨工艺试验,对所采用的设备、珩磨参数、砂条的选择及珩磨中易出现的问题进行了探讨。关键词:珩磨, 金刚石, 平台网纹, 气缸套, 内燃机D iamond Flat Table Honing Technology and Its Parameter AnalysisJia Xiujie Liang Mingzhu Li JianfengAbstract:The characteristics of diamond flat table h

2、oning technology of the cylinder li ner and the i nfluence of the technology to oil consumption are summarized.Through the honing process experiment of diamond flat table,the new honing process eq uip men t,honing parameters,selection of device and problems occurrin g while honing are discussed.Keyw

3、ords:honing, diamond, flat table net grain, cylinder li ner internal, gas engine1 引言如何降低尾气排放、减少环境污染成为全世界共同关注的课题。影响有害物质排放的因素很多。直接或间接源于发动机中润滑油的污染物排放,也是一个不可忽视的因素。其中关键在于燃烧室本身。如果进入燃烧室的润滑油过多,高温高压将使润滑油燃烧,从而引起排放超标1。因此,燃烧室存在的润滑油对发动机的废物排放起着非常重要的作用。减小润滑油对废物排放的影响的关键就是使缸套 活塞环这一对摩擦副之间在满足必要润滑的前提下,尽可能地减少润滑油的含量。这就对气

4、缸套和活塞环的性能提出了很高的要求。由于气缸套的内表面远远大于活塞环的内表面,因此,气缸套内表面的加工质量就显得尤为重要。传统的改善气缸套性能的方法已经接近了极限。因此,很有必要推广和试验新的方法。2 工艺简述及课题提出2.1 国内外发展情况国外采用平台网纹珩磨工艺对柴油机性能的提高起到了重要的作用。而国内大部分企业还在沿用传统的珩磨工艺,但主要用来提高生产效率,平台网纹效果的提高并不明显。一般采用碳化硅油石,珩磨效率低、质量差。平台网纹珩磨工艺在我国还处在探索的阶段。2.2 气缸套加工工艺简述有改进材质、激光淬火、镀铬等主要工艺措施,目前,这些方法已经接近了极限。新的缸套加工方法可分为五种,

5、即:松孔镀铬(或裂纹铬、自激振动加工、激光珩磨、冲击加工微坑、平台珩磨等方法。松孔镀铬:松孔镀铬层耐磨能力比硬铬层高57倍。但成本高,耐磨及节油效果并不显著;自激振动加工: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,生产中很难实现稳态自激振动,加速了刀具磨损,降低了刀具寿命,工艺系统受到损坏;激光珩磨: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,其降低摩擦损失和燃油耗效果明显,但价格昂贵,操作复杂;平台珩磨:将珩磨过程分为粗珩、精珩两个阶段,具有很高的质量和生产效率,应用前景广阔。2.3 平台网纹珩磨工艺所谓平台网纹珩磨工艺,是指先用粗珩使加工表面形

6、成可见的均匀、对称、连续的交叉网纹,同时,在微观轮廓曲线上形成一定数量和深度的沟槽。再精珩,去掉粗珩产生的波峰而保留其波谷,从而使轮廓曲线上形成一定宽度和数量的平台;为使平台更加平整,还可采用三道珩磨,即光珩2。该工艺的特点是:可以改善摩擦内表面的油膜分布,使其更加均匀,具有良好润滑条件,运动平稳,降低摩擦副之间的磨损量;!能够改善发动机的气密性,降低油耗;大大缩短发动机的磨合期,提高寿命;#减少发动机的拉缸现象;减少发动机废气中污染物的含量,有利于达到欧%排放标准;&有利于改善加工工艺。气缸套平台珩磨网纹规定的重要技术参数3:在活塞环行程内,气缸套的轮廓支承长度率(t p应满足收稿日

7、期:2005年4月图1的要求;在两个方向的珩磨网纹均匀;网纹清晰、无尖角、毛刺和金属折叠,无局部亮斑、无夹杂物。 图1 t p 曲线分布范围上述指标中,R a 和t p 曲线是两个很重要的指标。直接影响到发动机的机油耗和缸套寿命等性能指标。2.4 课题的提出鉴于上面的分析,平台网纹珩磨工艺的试验研究在我国非常迫切,具有广阔的应用前景。本文从内燃机气缸套的磨损机理分析入手,对气缸套最新的加工工艺进行了分析、说明,对金刚石平台网纹珩磨工艺的发展、对机油耗的影响进行了分析。建立金刚石平台网纹珩磨工艺试验是十分必要的。通过实验,对所采用的设备、珩磨参数、砂条的选择及珩磨中易出现的问题进行了探讨,制定出

8、珩磨的加工参数,为以后的加工提供依据。 3 平台网纹珩磨工艺试验3.1 单进给珩磨机的改造原有镶缸套孔的珩磨工艺是在两台单进给珩磨机上完成工件的粗精珩磨,珩磨质量差,不稳定。平台网纹珩磨工艺对精珩时间有较高的时间要求,为保证精珩后工件有较高的尺寸精度,对粗珩后工件的尺寸公差有较高的要求,要达到这一目的,需在珩磨过程中采用气动测量装置。为保证珩磨后工件较高的圆度、圆柱度要求及稳定的网纹质量,需要在一台珩磨机上完成工件的粗、精珩磨。因此需对原有的珩磨机进行改造,改造成双进给珩磨机。单进给珩磨机与双进给珩磨机的主要区别在于:二者所用珩磨头的结构不同。单进给珩磨头上仅安装了一种珩磨条(粗或精。而双进给

9、珩磨头上则同时安装了粗和精两种珩磨条。双进给珩磨头的结构如图2所示。1 挡圈2 圆环3 销子4 弹簧5 油杯6 内轴7 钢丝8 粗涨锥体9 精珩油石座 10 精珩磨条11 精涨锥体 12 销轴 13 螺钉 14 粗珩油石座15 粗涨锥体 16 粗珩磨条图2 双进给珩磨头的结构示意图在工作过程中,首先粗珩磨条16涨出来(精珩磨条10不动,粗磨到预定尺寸后,气动测量仪把信号反馈到控制系统,控制系统发信号给液压油缸,粗涨锥体8和15在收缩的同时,精涨锥体11向右运动,推动精珩油石座9涨出来,开始精珩。精珩到完工尺寸后,经过修光后,精珩油石缩回。动作结束。3.2 试验方案的制定试验对象:D 系列(D4

10、95QB 、4D35YB柴油机机体缸套孔珩磨工序。试验方案:工艺试验方案主要围绕珩磨后粗糙度分别达到R a 0 2、R a 0 5、R a 0 8来进行。为此,需准备多种珩磨条和珩磨参数的组合分别进行试验。试验方法:在单进给珩磨机及双进给珩磨机上分别进行试验,通过调整珩磨的各种工艺参数得到不同的试验数据。3.3 试验数据及分析经过试验,获得了大量的试验数据。表1 不同的珩磨方案缸孔内表面t p 曲线的变化情况试验方案粗珩精珩油石粒度珩磨压力油石粒度珩磨压力珩磨时间轮廓曲线双进给珩磨机R a 0 2金刚石100#1 0MPa 金刚石W280 6MPa 15s R a 0 5金刚石100#1 0M

11、Pa 金刚石W280 6MPa 8s R a 0 8金刚石100#1 0MPa金刚石W400 6MPa8s单进给珩磨机普通网纹R a 0 7左右SiC 120#1 0MPa 软木油石240#0 6MPa 20s从表1可以看出:R a 0 2的珩磨网纹,沟槽很浅很细,其t p 曲线处于AVL 公司标准的上方;R a 0 5的珩磨网纹,平台和沟槽均很明显,绝大部分指标满足AVL 公司标准;R a 0 8的珩磨网纹,平台和沟槽很明显,但沟槽较深。绝大部分指标也满足AVL 公司标准。表2 采用不同的珩磨方案工件的圆度和圆柱度的频次分布情况加工设备圆度和圆柱度的频次分布 双进给珩磨机(平台网纹珩磨 单进

12、给珩磨机(普通网纹珩磨从表2可以看出,采用平台网纹珩磨工艺加工的工件的圆度、圆柱度明显好于采用普通网纹珩磨工艺加工的工件。表3 不同的珩磨方案缸孔内表面t p 曲线的变化情况试验方案最大机油最小机油平均机油耗双进给珩R a 0 50 750 640 69R a 0 81 41 11 25单进给珩3 422 13.4 试验结论综上所述,从以上试验中可以得到以下结论:采用平台网纹珩磨工艺,工件的各项质量指标有了很大提高。主要表现在:工件的形位公差有了很大提高;缸套孔的网纹质量有了明显提高;柴油机机油耗明显降低;生产效率明显提高,成本略有下降。 平台网纹珩磨工艺,只需在一台珩磨机便能实现缸套孔的粗、

13、精珩磨,加工过程中缸孔尺寸可实现自动测量,辅助时间短,加工尺寸稳定,珩磨节拍小于4分钟/工件,珩磨效率提高1 5倍。3.5 气缸套平台网纹珩磨工艺参数的确定(1油石的选择粗珩油石的选择:粗珩的目的主要是形成分布均匀的沟槽。这就要求粗珩油石既不能很粗,也不能很细。一般情况下,粗珩油石粒度取100#110#。!精珩油石的选择:精珩的目的是为了去除粗珩产生的微观尖峰,因此精珩油石的粒度宜很小,一般取W28或W20。(2速度选择珩磨速度V 是由珩磨头旋转速度(V 旋和往复速度(V 往合成的。它影响到工件表面质量和加工生产率以及网纹交叉角及沟槽数量和t p 曲线。在珩磨加工中,珩磨油石的磨粒在加工面上切

14、削出交叉网纹,其网纹形成的角就是切削网纹交叉角 。这里上升网纹与水平线形成的角叫切削升角 1,下降网纹与水平线形成的角叫切削降角 2。其形成过程如图3所示。图3 切削网纹交叉角示意图(3加工余量珩磨加工余量,由前道工序的加工方法与质量和被加工孔的大小及工件材料决定。前道工序加工越精,表面质量越好,其加工余量就越少,生产效率也会提高。珩磨余量最少应是珩磨前加工孔精度误差(包括形状误差及表面粗糙度微观误差的总和,加上表面硬层及修整用的必要加工余量,一般是珩磨前加工孔总精度误差的两倍以上。粗珩磨占总珩磨余量的2/34/5,精珩磨占总珩磨余量的1/51/3。在实际生产中,为防止珩磨加工余量不够,前道工

15、序余量一般较大。因此在能保证珩磨质量的条件下,尽量减少其加工余量。(4珩磨的切削压力压力的大小要根据工件的表面质量、切削效率、珩磨油石磨损量和工件尺寸精度、表面粗糙度来选择。同时,还要根据所使用机床的功率大小、珩磨头及珩磨夹具的刚性、油石的强度、珩磨油石与工件的实际接触面以及工件材质等因素全面考虑。(5珩磨头上油石架的径向进给量粗珩时径向进给量为0 0050 001mm/min。精珩时径向进给量为0 0050 002mm/min。当珩磨的径向进给量完毕之后,必须再进行几次没有径向进给量的附加行程,用来修整被加工面,以降低表面粗糙度值。(6珩磨切削液的选择珩磨一般采用煤油做切削液,适合各种珩磨油

16、石使用。也有采用N15号和N32号全损耗系统用油或轻柴油等作为珩磨切削液。近年来,为降低珩磨成本,水基珩磨液也逐渐得到了重视。4 结语(1该工艺的应用使得珩磨质量和效率都有很大提高。柴油机机油耗明显降低,生产效率明显提高,成本略有下降。目前,测量技术和金刚石油石质量的提高为这一新技术在我国的推广应用奠定了坚实的基础。(2通过金刚石平台网纹珩磨工艺试验,深入探讨了所采用的设备、珩磨参数、砂条的选择及珩磨中易出现的问题,对试验获得的数据进行了科学分析,给出了珩磨的较佳参数,为以后的加工提供了依据。参考文献1 关子杰.内燃机润滑油应用原理.北京:机械工业出版社,19942 陶前昭,李胜柱.缸孔平台网

17、纹珩磨工艺.北京:现代制造工程,2002(33 内燃机气缸套平台珩磨网纹技术规范及检测方法ZB J92011-89.机械电子工业部,1990第一作者:贾秀杰,山东大学机械工程学院,250061济南市中国对德国机械制造业的压力近两年,德国的机械制造业靠着对中国出口的激增才不至于使年终的成绩过于难堪。而与此同时,中国悄悄发展成德国机械制造商的竞争对手。为此,德国机械设备制造联合会对中国各机械制造领域的现状和发展潜力进行了一项全面的调查。(调查中令我感到不安的一点是中国正在接受培训的工程师的数量,他们在未来一定会扮演重要的角色。而那些工程师的质量又稍稍缓解了我的不安。这是德国机械设备制造联合会主席克

18、林格贝格对该联合会组织的这项调查发表的评论。该调查由机械设备制造联合会下属的因普尔斯基金会委托杜雷格国际管理咨询公司和达姆施塔特大学联合进行。据他们了解,在中国,每两位大学生中就有一名在工程专业注册,而德国的这一比例只有15%。中国的教育质量当然还不能与德国同日而语,但中国人正在急起直追。中德之间工程领域的科研差距已经缩短到5年。过去几年,中国每年的经济增长率达到平均8%,这使中国出现了机械设备热。目前中国已发展为世界第4大机械制造国。迄今中国生产的机械设备还是主要供应国内市场,但这种状况随时可能改变。德国机械设备制造联合会的调查预测中国将从2005年开始出现机械领域的生产过剩。那时,中国将被

19、迫减少进口,这会给德国的机械制造商带来不利影响。中国2003年从德国进口机械设备总额为62亿欧元,仅次于美国和法国,成为德国机械的第三大进口国。2004年头四个月,中国从德国进口的机械设备又比03年同期增长17%。但是,中国还可能将其国产机械设备出口,这必将与机械出口大国德国发生冲突。德国机械设备制造联合会的克林格贝格十分重视来自中国的威胁:(在低中档的产品中,我们将明显感受到来自中国的竞争。我们必须制定对策,或者与中国结盟,或者将部分部件、部分生产转移到中国。在低、中价位领域,中国人会给我们带来很大的竞争压力。而在高价位领域,我们的战略十分明确:更多投资于研究,投资于新技术,保持我们的领先地