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      1     表面微觀結(jié)構(gòu)及其在用的珩磨工藝

      在發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)，珩磨是一種被廣泛應(yīng)用的工藝方法，無(wú)論是氣缸體缸孔還是其他一些部位(如連桿大頭孔)，業(yè)內(nèi)現(xiàn)今主要采用的最終精加工工藝仍是珩磨，通過(guò)精鏜工序之后的粗珩和精珩(有時(shí)還會(huì)有半精珩這道工序)，在表面進(jìn)行宏觀和微觀幾何加工。作為發(fā)動(dòng)機(jī)中一組重要的摩擦副，配合面的狀態(tài)是否符合要求至關(guān)重要，將直接關(guān)系到產(chǎn)品的運(yùn)行質(zhì)量和可靠性。這些影響因素中，除了表面硬度、宏觀幾何精度外，配合面的的微觀結(jié)構(gòu)更是往往會(huì)決定相關(guān)的工藝性能。工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形狀誤差，而表面微觀結(jié)構(gòu)則主要指前二項(xiàng)，如圖1所示，它們均為零件重要的質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)。例如，對(duì)于缸孔來(lái)說(shuō)，通常情況下，經(jīng)過(guò)珩磨加工后的工件表面微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)具備這樣兩項(xiàng)特性，一方面需要具有很光順的表面和盡可能多的承載面積，從而確保相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)性和耐磨性;另一方面，又需要一個(gè)開(kāi)放性的表面微觀結(jié)構(gòu)，以保障表面的儲(chǔ)油能力，即這個(gè)表面仍然是"粗糙"的。為了同時(shí)能體現(xiàn)出這兩項(xiàng)功能，就需要使經(jīng)珩磨加工的工件表面在相對(duì)粗糙的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的精細(xì)的表面形態(tài)，如圖2(b)所示。

      在圖2中，利用自最高峰頂向下1μm的截線(xiàn)c，分別與(a)、(b)表面微觀結(jié)構(gòu)相交后的情況可以清晰地看到，后者的耐磨性要高得多，且同時(shí)具有相當(dāng)充分的儲(chǔ)油能力。如此的構(gòu)造，保證了有足夠的潤(rùn)滑劑在摩擦副表面貯存，潤(rùn)滑劑能將兩個(gè)摩擦副表面完全分離，以及做到在任何運(yùn)行狀態(tài)下磨損最小。其機(jī)理是潤(rùn)滑油由于特殊的工件表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)將能在表面駐留很長(zhǎng)時(shí)間，并形成流體動(dòng)態(tài)壓力。理想狀態(tài)下，在潤(rùn)滑劑和施載體、受載體之間因粘著力而不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)只存在于潤(rùn)滑層內(nèi)部，因而不會(huì)產(chǎn)生工件的很大磨損。

      由于在加工中，所采用油石(砂條\珩磨條)的磨料粒度、濃度、磨粒在磨具中的分布都是隨機(jī)的，為了加工出具有不同要求的工件表面，只能通過(guò)改變砂條規(guī)格(粒度、比例)和機(jī)床的壓力、速度等工作參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，鑒于其中的不可控因素太多，使加工的一致性較差，導(dǎo)致了經(jīng)珩磨后的工件表面微觀結(jié)構(gòu)往往難以與所要求的完全一致。就以前面提到的缸孔內(nèi)壁為例，實(shí)際所形成的溝槽深度、寬度、密度等情況同理想的表面構(gòu)造總會(huì)有差距，而珩磨條的改進(jìn)、質(zhì)量的提高又不可能從根本上解決上述問(wèn)題。

      2激光造型的基本原理及其在缸孔精加工中的應(yīng)用

      激光造型作為一種新工藝，直到本世紀(jì)初才在其誕生地---汽車(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)德國(guó)的少數(shù)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，但在用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體缸孔和連桿大頭孔精加工等關(guān)鍵工序的實(shí)踐中，通過(guò)其改善配合面的工藝性能、有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，已經(jīng)充分顯示了這種先進(jìn)技術(shù)的很大優(yōu)越性。近年來(lái)，這一先進(jìn)的制造技術(shù)在歐洲汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界的應(yīng)用日益增多，并自2009年開(kāi)始，進(jìn)入了國(guó)內(nèi)的主流汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，展現(xiàn)了它十分廣闊的市場(chǎng)前景。

      簡(jiǎn)單地說(shuō)，這項(xiàng)新技術(shù)就是利用激光頭所發(fā)出的數(shù)控激光束在被加工表面制作出符合事先設(shè)定要求的表面微觀結(jié)構(gòu)的一種工藝方法。在實(shí)施表面造型的加工過(guò)程中，高能量的光束將有部分被工件表面反射、有部分則被吸收，被吸收的光束能在瞬間將材料加熱并使之達(dá)到氣化狀態(tài)。這種"激光刀"產(chǎn)生的光束的切削能力取決于脈沖頻率、功率、開(kāi)關(guān)時(shí)間和進(jìn)給速度等。由于溫度升高是瞬間產(chǎn)生的，并且具有很高的能量聚集密度，因此光束只在一個(gè)有限的局部做瞬間切削，工件材質(zhì)的特性不會(huì)由此而產(chǎn)生變化。另一方面，粘結(jié)在工件表面上的冷卻劑殘余物將被蒸發(fā)或燃燒，也不會(huì)影響到激光束切削的質(zhì)量。激光造型設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)能驅(qū)使用于缸孔精加工(如圖3所示)的激光頭做上下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)激光束的開(kāi)關(guān)時(shí)間和能量進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而可獲得有著不同要求的工件內(nèi)表面的微觀結(jié)構(gòu)。因此，用戶(hù)利用這種先進(jìn)的制造技術(shù)就能在工件表面產(chǎn)生可控的微觀形貌。   

      但對(duì)于缸孔精加工而言，在引入了這項(xiàng)新技術(shù)后，并未就此摒棄了之前采用的珩磨工藝。事實(shí)上，此時(shí)的精加工將由三道工序組成:粗珩;激光造型;精珩。粗珩的目的是使孔的形狀和尺寸達(dá)到一定的精度，以能滿(mǎn)足進(jìn)行下道工序的要求，這之后才執(zhí)行激光造型。經(jīng)過(guò)這一道新工藝精加工后，由于往往會(huì)使表面形成的溝槽兩側(cè)存在明顯的熔堆，而為了去除這些衍生的粘接熔堆和氧化物，以獲得一個(gè)較高光潔度的平臺(tái)結(jié)構(gòu)表面，這樣就必須再有一道精珩加工，以能最終得到一個(gè)理想的表面構(gòu)造。在缸孔內(nèi)表面精加工中引入激光造型工藝的根本目的是為了得到一個(gè)可控的、適量而又充足的微觀結(jié)構(gòu)，以使機(jī)油有較長(zhǎng)的駐留時(shí)間和良好的流體動(dòng)態(tài)壓力。為此，一般選擇采用規(guī)整、均勻的溝槽方案，具有交錯(cuò)斷續(xù)或交叉點(diǎn)坑的分布特征。圖4是常選的三種溝槽構(gòu)造形式:袋狀(a);杯狀(b);塊狀(c)。上述結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同點(diǎn)是無(wú)交叉、不連通，各溝槽相互之間沒(méi)有任何聯(lián)系，能有效存儲(chǔ)潤(rùn)滑油而不易流失，便于形成均勻油膜，使摩擦副處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)。由此，既保證了足夠的潤(rùn)滑，又阻止了過(guò)多的機(jī)油竄入燃燒室，還可減少應(yīng)力影響，對(duì)改善摩擦性能有很大好處。相比之下，傳統(tǒng)珩磨工藝在缸孔內(nèi)表面形成的往往就是相互連通的網(wǎng)狀溝槽結(jié)構(gòu)，且表面粗糙度又"粗"，導(dǎo)致儲(chǔ)油量偏多。而采取激光造型工藝的結(jié)果是使?jié)櫥偷南牧繒?huì)有較大幅度的減少，關(guān)系到環(huán)保的指標(biāo)，如顆粒物排放和油粒排放則有明顯降低。圖5是采用這項(xiàng)新穎工藝加工的缸孔的實(shí)況，從圖中可見(jiàn)，真正實(shí)施激光造型的只是位于承受高負(fù)載的缸孔上死點(diǎn)附近進(jìn)行的區(qū)域，以保證活塞環(huán)在該區(qū)域受到高負(fù)荷時(shí)的良好潤(rùn)滑。圖5其實(shí)是汽車(chē)已運(yùn)行十多萬(wàn)公里再拆解后的缸壁表面情況，在圖中，無(wú)論是造型形成的規(guī)則溝槽，還是下部珩磨加工的網(wǎng)紋都清晰可見(jiàn)。這也說(shuō)明了利用激光造型技術(shù)可使磨損大幅度降低，從而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

      3     連桿大頭孔的激光造型加工

      不同于上述活塞環(huán)-缸壁(缸孔內(nèi)壁或缸套內(nèi)壁)這組摩擦副，在發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞-連桿-曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，與曲軸中的連桿軸頸組成運(yùn)動(dòng)摩擦副的，并非直接是連桿大頭孔的內(nèi)壁，而是一對(duì)(兩半組成)軸瓦。因此，連桿大頭孔不同于之前研究的缸孔，其內(nèi)壁和軸瓦乃是緊緊地貼合在一起，兩者之間不僅沒(méi)有高頻次的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且還要求在傳遞高負(fù)荷的扭矩時(shí)竭力避免出現(xiàn)滑動(dòng)，哪怕是很小的錯(cuò)移，以免影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。為此，長(zhǎng)期以來(lái)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝上，采取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連桿體上加工止口的方法，以防止產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。這已是很成熟的制造技術(shù)，沿用至今。但近年來(lái)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界出于種種考慮，不斷改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和改進(jìn)工藝，上述連桿軸瓦止口限位工藝已在一些企業(yè)的新產(chǎn)品中被取消，且這種情況逐漸在增多。顯然，這種簡(jiǎn)化了的結(jié)構(gòu)和工藝直接帶來(lái)了對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁與軸瓦之間的配合會(huì)提出更高的要求，最基本的一點(diǎn)就是:被緊緊壓入孔中的軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中軸瓦不會(huì)有滑移。而這一點(diǎn)也只能由連桿大頭孔內(nèi)壁的有特定要求的表面微觀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和保證。

      在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，雖然缸孔和連桿大頭孔最后一道精加工都是采用珩磨工藝，但從前面介紹可知，兩者的被加工面所應(yīng)具有的工藝性能大相逕庭，完全不同。正因?yàn)槿绱耍谝爰す庠煨瓦@一新工藝的方式上，以及對(duì)"按需定制"，即所期望形成的表面微觀結(jié)構(gòu)上，連桿大頭孔與之前描述的缸孔的情況有著很大的差別，如表1所示。

      從表1可見(jiàn)，相比缸體中的缸孔，連桿大頭孔在引入這項(xiàng)新的制造技術(shù)后，原來(lái)的精加工工藝發(fā)生了根本變化，激光造型完全取代了之前的珩磨而成為精加工中的最后一道工序。圖6是連桿大頭孔激光造型設(shè)備的主體部分，從圖中可見(jiàn)，該設(shè)備有一個(gè)很大的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其上擁有"上下料"和"加工"等二個(gè)工位。在加工工位，對(duì)向設(shè)置的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)激光頭在完全封閉的環(huán)境下，完成了對(duì)工件大頭孔圓周的4個(gè)矩形表面的燒蝕造型。經(jīng)仔細(xì)觀察后可以清晰地從圖7中看到，那四個(gè)箭頭所指處的局部陰影區(qū)域即是。那每一塊造型區(qū)域又有多大呢? 

      對(duì)于一臺(tái)小排量轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其連桿大頭孔的外徑一般不超過(guò)50mm，厚度不超過(guò)20mm，則取高(軸向)為13～15mm，寬(圓周向)度、既弧長(zhǎng)則稍大些，但一般不用長(zhǎng)度單位mm表示，而采用對(duì)應(yīng)的角度標(biāo)注，約在35°左右。

      如前所述，缸孔激光造型乃是在粗珩后的表面上加工出規(guī)則、均勻的溝槽。而對(duì)于連桿大頭孔，則是在精鏜后的圓周面上完成較均勻的凸峰狀造型，無(wú)疑兩者是不一樣的，所產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的均勻程度也是不同的，后者更為困難。圖8是經(jīng)過(guò)激光造型后的表面構(gòu)造三維圖。從前面的介紹可知，由于連桿大頭孔珩磨后要求體現(xiàn)的工藝性能就是確保與軸瓦間有足夠的摩擦力，因此規(guī)則、均勻的程度，以及燒蝕造型過(guò)程中珩生的一些粘結(jié)熔堆和氧化物不會(huì)影響其工藝效果。通過(guò)在缸體缸孔精加工工序中引入激光造型工藝，能明顯地提升發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能，但是，把這項(xiàng)新的制造技術(shù)真正在企業(yè)中用于實(shí)際生產(chǎn)的都首先是連桿大頭孔。主要原因就是這樣做直接帶來(lái)了"在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低了制造成本"的效果。相比傳統(tǒng)的一條珩磨短線(xiàn)(含有粗珩、在線(xiàn)檢測(cè)、精珩、在線(xiàn)檢測(cè)等多個(gè)工位)，圖6所示的設(shè)備要便宜得多，僅為前者的幾分之一。而且，采用這一新工藝后運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)更低，原因是既不再需要像珩磨頭那樣復(fù)雜又昂貴的機(jī)床附件，更不涉及到油石(珩磨條)、乳化液等消耗品。再有一點(diǎn)，由于無(wú)論設(shè)備本身還是牽涉的輔助器具都很簡(jiǎn)單，這就決定了運(yùn)行中的故障率大大降低，使維護(hù)成本也相應(yīng)降低，而這正是企業(yè)所期望的。唯一要引起注意的是必須使設(shè)備周?chē)挠臀邸⑷榛簯?yīng)遠(yuǎn)離工作區(qū)，一旦激光頭"光束發(fā)射空"被堵塞，或反射鏡片被弄臟，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。

      4     結(jié)論

      作為一種新技術(shù)，激光造型工藝有著廣闊的應(yīng)用前景，用于上述發(fā)動(dòng)機(jī)中的缸體缸孔和連桿大頭孔的精加工僅是兩個(gè)典型案例。其他可以采用這一新工藝的場(chǎng)合還有很多，如連桿大頭孔及其端面的精加工等。

      但盡管如此，激光造型的推廣應(yīng)用也還有較漫長(zhǎng)的路程要走，主要還是受制于投入，即制造成本。缸孔造型雖然有較明顯的提升產(chǎn)品性能、質(zhì)量的效果，但為增添設(shè)備，必然會(huì)增加生產(chǎn)成本，這也是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。此外，就完成加工之后的檢測(cè)、評(píng)定來(lái)看，也存在效率偏低的弱點(diǎn)。目前企業(yè)正在考慮選用更高效、可行的光學(xué)掃描方式。這也說(shuō)明，對(duì)產(chǎn)品性能、質(zhì)量要求的不斷提高，孕育、促進(jìn)了先進(jìn)制造工藝的誕生，而由此對(duì)評(píng)估、驗(yàn)證提出的新的需求，又推動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。