文/朱正德

【機(jī)動(dòng)車專欄】

推行有針對(duì)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提升發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)

文/朱正德

文章分析了缸孔珩磨表面微觀構(gòu)造對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生很大影響的原因，指出重視對(duì)珩磨表面平臺(tái)網(wǎng)紋形貌進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的重要性。強(qiáng)調(diào)了隨著機(jī)動(dòng)車節(jié)能、減排法律、法規(guī)的日趨嚴(yán)苛，企業(yè)在質(zhì)量監(jiān)控方面也應(yīng)持續(xù)完善、提高。此文清晰地表明，在工業(yè)領(lǐng)域，重視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演變、進(jìn)步，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控水平所起到的積極作用。

缸孔珩磨表面 微觀構(gòu)造特征評(píng)定參數(shù) 監(jiān)控水平提升

近一年來，在國(guó)家強(qiáng)調(diào)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和夯實(shí)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的大背景下，現(xiàn)代制造業(yè)作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主要組成之一，特別是其中的汽車行業(yè)，更是受到了產(chǎn)業(yè)界和各級(jí)政府的關(guān)注和重視。隨著《中國(guó)制造2025》的推出，又把上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)更為具體和清晰地呈現(xiàn)了出來。

現(xiàn)今，雖然不少制造工序環(huán)節(jié)已很成熟，但為了更好地適應(yīng)、滿足節(jié)能汽車的需要，必須采用包括強(qiáng)化生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控能力在內(nèi)的種種新手段。研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗中，由內(nèi)部摩擦造成的機(jī)械損失占到其功率損失的80%左右，故有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失對(duì)節(jié)能、乃至減排具有重要意義。摩擦損失，雖然包含了運(yùn)動(dòng)副摩擦、驅(qū)動(dòng)摩擦及流體摩擦等幾類，但其中的運(yùn)動(dòng)副摩擦又是最主要的來源。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，在多組運(yùn)動(dòng)副中，缸孔—活塞環(huán)又是其中影響最大的一組運(yùn)動(dòng)副摩擦，約占汽油發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的30%～40%（見圖1）。因此，盡量通過降低其在工作中的摩擦損失，乃是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率、降低燃油消耗、促進(jìn)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能汽車”目標(biāo)的一個(gè)有效途徑。

圖1 多組運(yùn)動(dòng)副摩擦損失的占比概況

一、珩磨表面的平臺(tái)網(wǎng)紋及其特征

影響缸孔活塞環(huán)摩擦副潤(rùn)滑的因素主要有工件表面的宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面硬度、顆粒物、潤(rùn)滑油的粘度和溫度等，但各項(xiàng)因素對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑的影響程度、即減少摩擦損失的效果是不同的。其中，缸孔表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響最大。為了同時(shí)能體現(xiàn)出這兩項(xiàng)功能，即較光順的表面和盡可能多的承載面積，確保相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)性和耐磨性，就需要形成一個(gè)開放性的表面微觀構(gòu)造，以用于保障表面的儲(chǔ)油能力，即需要使珩磨加工后的工件表面在相對(duì)粗糙基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)（見圖2）。

圖2 缸孔表面形成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)

事實(shí)上，為了更好地改善配合面的潤(rùn)滑功能，應(yīng)形成一種更合理的缸孔珩磨表面微觀形貌——平臺(tái)網(wǎng)紋，即既有平臺(tái)又有網(wǎng)紋。此時(shí)，經(jīng)過加工后的缸孔表面，乃是由無(wú)數(shù)個(gè)均勻相間交叉的窄又深的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且網(wǎng)紋與網(wǎng)紋交錯(cuò)，相互有適當(dāng)夾角。如此的微觀結(jié)構(gòu)，通過深谷區(qū)存貯機(jī)油，而連續(xù)交錯(cuò)的網(wǎng)狀溝槽則便于機(jī)油在整個(gè)缸孔表面均勻分布。眾多的小平臺(tái)有利于高強(qiáng)度油膜形成，還具有回油功能，這將大大降低摩擦功損失。網(wǎng)紋由均勻相間交叉的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且相互保持適當(dāng)?shù)膴A角交錯(cuò)（見圖3），即所謂的網(wǎng)紋角。

圖3 缸孔表面的平臺(tái)網(wǎng)紋形貌

需要指出的是，網(wǎng)紋角作為一項(xiàng)特征參數(shù)也需檢測(cè)，一般控制在30o～60o之間。因?yàn)槠浯笮『途鶆虺潭汝P(guān)系到缸孔表面生成油膜的穩(wěn)定性和機(jī)油消耗的多少，進(jìn)而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和氣缸套的使用壽命。若網(wǎng)紋角過大，貯油能力下降，至使活塞與缸孔之間的潤(rùn)滑狀況變差。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)和加速工況時(shí)，就會(huì)因機(jī)油不足而加劇活塞環(huán)的磨損；若網(wǎng)紋角過小，則會(huì)影響所形成油膜的均勻性，并且影響到油環(huán)的刮油效果，從而造成機(jī)油過度燃燒，導(dǎo)致機(jī)油消耗增加和排放會(huì)超標(biāo)。

二、科學(xué)地選用珩磨表面的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

由此可知，確立和選擇能確切地反映珩磨表面特征的評(píng)定參數(shù)重要性是顯而易見的。事實(shí)上無(wú)論是缸孔表面的加工技術(shù)還是其合適的評(píng)定模式，均經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的探索過程。

1. 理想缸孔表面的探索過程概述

48年前，業(yè)界在這個(gè)問題上的基本共識(shí)為：發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔或缸體所鑲的缸套內(nèi)表面應(yīng)該是越光滑越好，粗糙度要達(dá)到Ra0.16，如同鏡面。而內(nèi)表面的硬度，則認(rèn)為應(yīng)越硬越好，有的企業(yè)甚至采取了內(nèi)表面鍍鉻處理。然而，這些措施的執(zhí)行結(jié)果卻事與愿違，由于光如鏡面的工作表面難以貯存潤(rùn)滑油，發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫工作狀態(tài)下，缸孔表面很容易與活塞環(huán)形成干摩擦，從而造成高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)易拉缸、積碳卡死，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的大大縮短，往往過早地就得進(jìn)行大修。

進(jìn)入到上世紀(jì)70年后，企業(yè)開始采用普通的珩磨網(wǎng)紋，此時(shí)網(wǎng)紋的形狀如圖4所示，而粗糙度則控制在Ra0.63左右。很明顯，這種相對(duì)比較粗糙的表面，確實(shí)能改善缸壁與活塞環(huán)之間的接觸狀況，能夠形成一定的有效油膜。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)荷加大，這種網(wǎng)紋會(huì)因承載面積小，很快就會(huì)磨平，而磨平后的工況就如同前述的鏡面般。因此，這普通網(wǎng)紋只適合于那些在較低轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下工作，而且還需要在很短時(shí)間里就必須更換機(jī)油，否則將會(huì)出現(xiàn)由早期磨損而降低了缸套甚至整個(gè)缸體的使用壽命。更加關(guān)鍵的是，由于對(duì)網(wǎng)紋微觀構(gòu)造的評(píng)定參數(shù)偏少，故會(huì)很難控制產(chǎn)品的一致性。

圖4 缸孔表面普通珩磨網(wǎng)紋的微觀構(gòu)造

2. 有針對(duì)性地推出相關(guān)的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

直到上世紀(jì)80年代末，才由德國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)（D I N）制定并推出了一個(gè)針對(duì)性很強(qiáng)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)D I N 4776：1990《粗糙度測(cè)量 粗糙斷面材料部分說明用參數(shù)》。在該標(biāo)準(zhǔn)中，率先提出了一組面向珩磨表面網(wǎng)紋微觀構(gòu)造特征參數(shù)，即評(píng)定指標(biāo)。需要指出的是，就在之后的不長(zhǎng)時(shí)間中，D I N 4776已先后被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（I S O）、大多數(shù)工業(yè)化國(guó)家和我國(guó)在內(nèi)的不少發(fā)展中國(guó)家所接受和引用，并體現(xiàn)在一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，如I S O 13565 -2：1996《幾何產(chǎn)品規(guī)范（G P S）：表面結(jié)構(gòu)剖面方法.表面有層次功能性能 第2部分：使用線性材料曲率的高度性能》、J I S B 0671 -2：2002《產(chǎn)品幾何特性規(guī)格（G P S） 表面特性：輪廓曲線方式：平滑結(jié)構(gòu)表面的特性評(píng)價(jià) 第2部分：用線性相關(guān)負(fù)荷曲線進(jìn)行高度特性的評(píng)價(jià)》等。這一組特征參數(shù)、即評(píng)定指標(biāo)共有5項(xiàng)，分別為：Rk、Rpk、Rvk、M r1和M r2（見圖5）。其中，Rk是最為重要的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是被測(cè)表面中心區(qū)深度將在高負(fù)載運(yùn)行中被磨損掉，但又能最大程度地達(dá)到耐磨性。Rpk是超過中心區(qū)峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱為初期磨損高度，而Rvk是從中心區(qū)下限到有實(shí)體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存深度，體現(xiàn)了摩擦副在高負(fù)載工況下的潤(rùn)滑性能和失靈保護(hù)的能力。M r1和M r2則分別為波峰、波谷輪廓支承長(zhǎng)度率，由輪廓中心區(qū)上、下截止線決定，其中的M r1表示了表面的初期磨損負(fù)荷率，而M r2則為長(zhǎng)期磨損負(fù)荷率。

圖5 表征缸孔珩磨表面微觀結(jié)構(gòu)特征的評(píng)定參數(shù)

3. 專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和意義

1989年12月，國(guó)內(nèi)頒布了一部關(guān)于內(nèi)燃機(jī)平臺(tái)網(wǎng)紋的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即Z B J 92011 -1989《內(nèi)燃機(jī)氣缸套平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋技術(shù)規(guī)范及檢測(cè)方法》。調(diào)查表明，眾多內(nèi)燃機(jī)企業(yè)（包括一些汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠）自從執(zhí)行了上述有針對(duì)性表面特征評(píng)定參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)確保珩磨后缸孔表面狀態(tài)的一致性、提高內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量發(fā)揮了很大的作用。隨著珩磨加工設(shè)備技術(shù)水平的提高，對(duì)于制造質(zhì)量也有進(jìn)一步的改善。大量的實(shí)踐表明，擁有平臺(tái)網(wǎng)紋的缸孔與普通網(wǎng)紋的缸孔相比，工作壽命提高了40 %以上，扭矩提高了20 %左右，而機(jī)油消耗則降低了近60 %，并且基本上避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的拉缸、積碳和活塞環(huán)抱死等不良情況的發(fā)生，從而有效地提升了內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行水平。

三、進(jìn)一步提升缸孔珩磨表面微觀形貌的質(zhì)量監(jiān)控水平

但自本世紀(jì)初以來，隨著對(duì)環(huán)保、節(jié)能和安全等方面的要求不斷提高，相關(guān)的法律、法規(guī)也日趨嚴(yán)厲。主要是鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨表面的狀況對(duì)燃油的消耗和排放都有很大的影響。因此，為了進(jìn)一步提高車用發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)，專業(yè)技術(shù)人員并未局限于那些已較成熟的工藝與檢測(cè)方法，而是繼續(xù)不斷地進(jìn)行探索。其中，就包括了借助采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，通過提升缸孔珩磨表面微觀形貌的質(zhì)量監(jiān)控水平，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)貢獻(xiàn)一份力量。歸納起來，有如下兩種平行的方案：其一，借助實(shí)驗(yàn)室高效能的測(cè)試設(shè)備，通過比對(duì)的方式，定性（嚴(yán)格講屬半定量）地進(jìn)行更有針對(duì)性的評(píng)價(jià)；其二，設(shè)立與珩磨表面功能特性相關(guān)的新評(píng)定參數(shù)，并配備相應(yīng)的高效、專用測(cè)量?jī)x器，在此僅對(duì)后者作一介紹。

為了能更深刻地表征工作表面的特性，在幾年前所推出的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 25178系列標(biāo)準(zhǔn)中，出現(xiàn)了多種用于描述表面微觀構(gòu)造的三維參數(shù)。其中，既有類似于二維粗糙度參數(shù)的，如Sa、Sz、Sk、Spk、Svk等，它們單位仍然還是μm，也有該標(biāo)準(zhǔn)新推出的如Vmp、Vmc、Vvc和Vvv等體積特性值參數(shù)。三維表面粗糙度曲線（見圖6）描述了與剖面深度有關(guān)的表面材料份額，它們自上而下被分成三個(gè)范圍：波峰區(qū)、芯部區(qū)和波谷區(qū)。若通過對(duì)上述三維表面粗糙度曲線進(jìn)行積分，就能夠生成以下體積特征值：① 輪廓波峰的材料體積Vmp；② 芯部范圍內(nèi)的材料體積Vmc；③芯部范圍無(wú)材料部分體積Vvc；④ 輪轂谷底無(wú)材料部分體積Vvv。由于所涉及到的是三維微體積計(jì)算，上述參數(shù)a b的單位是μm3/μm2。

圖6 三維表面粗糙度曲線圖

顯然，相比之前的二維粗糙度參數(shù)，它們能更確切地對(duì)珩磨后表面的“理想”程度作出評(píng)價(jià)。圖6中的上、下兩楨圖，分別反映了實(shí)際貯油情況有所不同的兩種表面微觀狀態(tài)。但在如何借助這些體積特征值參數(shù)對(duì)表面進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要取決于產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)。在德國(guó)大眾和奧迪公司，乃是把參數(shù)Vvc、Vvv捆綁在一起綜合考慮，表述為：Vvc+Vvv的值應(yīng)控制在某個(gè)范圍內(nèi)，如0.2～0.35 μm3/μm2。

基于多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量原理的檢測(cè)儀器及測(cè)量報(bào)告（見圖7）中，圖7a是為此專門開發(fā)的一種高性能缸孔表面測(cè)量?jī)x，近幾年已在一些國(guó)內(nèi)外企業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用。

圖7 基于多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量原理的檢測(cè)儀器及測(cè)量報(bào)告

該儀器采用一種稱為多孔共聚焦光學(xué)測(cè)量技術(shù)，除了能提供清晰的表面微觀形貌圖像外，更可同時(shí)測(cè)出多組參數(shù)。其中，包含多項(xiàng)三維粗糙度參數(shù)、網(wǎng)紋角和功能特征參數(shù)Vvc、Vvv。后兩項(xiàng)按圖紙規(guī)定，必須在缸孔的四個(gè)截面指定位置進(jìn)行檢測(cè)，且在根據(jù)規(guī)范的評(píng)價(jià)方式（Vvc與Vvv的和）所獲得的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定時(shí)，不同的位置要求還有所不同：0.2～0.35（在距端面15 mm處），0.2～0.45（在距端面45、90和110 mm處），而圖7b、7c為實(shí)例，其中包含多項(xiàng)三維粗糙度參數(shù)、網(wǎng)紋角和功能特性參數(shù)Vvc、Vvv，功能特性參數(shù)Vvc、Vvv和網(wǎng)紋角（參見7c，圖中的網(wǎng)紋角1為28°，網(wǎng)紋角2為155°）。整個(gè)測(cè)量過程為全自動(dòng)，約能在10 min內(nèi)完成。

Analyzing the reason why honed micro texture on cylinder bore surface has a significant impact on engine performance, this article points out the importance of quality control for plateau honing cross hatch, stresses the necessary for factories to improve the quality monitoring technique as laws and regulations on energy conservation and emission reduction are being more strict. Furthermore, it clearly indicates that value the evolution and development of standards in industrial fields plays an encouraging role in improving the quality control level.

Surface of honing cylinder bore; Micro texture characteristic evaluation parameters; Rising of monitor’ level

（作者單位：上海大眾動(dòng)力總成有限公司）