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1、基于三维表面气缸套内孔平台珩磨网纹的技术要求与检测 3李伯奎(淮阴工学院机械工程系 江苏淮安 223003 )摘要 : 分析了当前发动机气缸套内孔平台珩磨网纹技术要求的不足 , 提出了基于三维表面的气缸套内孔平台珩磨网 纹的技术要求 。新的体系淘汰传统的复膜检验方法 , 使用三维参数和图形 , 包括表面支承指数 、中心液体滞留指数和谷 区液体滞留指数等 , 在保证和原技术要求延续性的同时 , 改变其效率低下 、精度受限的状况 , 同时更具普遍性 。基于三 维表面的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术要求与检测体系是发展的必然趋势 。关键词 : 气缸套 ; 平台珩磨网纹 ; 技术要求 ; 检测中图分类号
2、 : TH 16111 文献标识码 : A 文章编号 : 0254 - 0150 ( 2008 ) 9 - 051 - 4Spec if ica t ion and In spect ion for Cyl inder L iners Pla tea u Hon ing CrossHa tch Ba sed on Three2d im en siona l SurfaceL i B o ku i(D ep a rtm en t of M echan ica l Enginee ring, H ua iyin In stitu te of Techno logy, H ua ian J iang
3、su 223003 , Ch ina)A b stra c t: The sho rtage s of cu rren t sp ec ifica tion fo r p la teau hon ing c ro ss ha tch we re ana lyzed, a new sp ecification ba sed on th ree2d im en siona l p aram e ters was p u t fo rwa rd. The new system u se s th ree2d im en sional p a ram e te rs and grap h, such
4、as the su rface bea ring index, the co re flu id re ten tion index, the valley flu id re ten tion index and etc, wh ich elim ina te s trad i2 tional in sp ec tion m e thod of covering w ith m em b rane. It cou ld keep on w ith o ld sp ec ifica tion and a lte r the statu s of low effi2 c iency and li
5、m itative p recision of o ld sp ec ifica tion. The new system is mo re un iversa l. Sp ecifica tion and in sp ec tion fo r cyl2 inder line rs p la teau hon ing cro ss ha tch based on th ree2d im en sional p a ram e te rs is the developm en t d irection.Keyword s: cylinde r liners; p la teau hon ing
6、cro ss hatch; sp ec ifica tion; in sp ec tion平台珩磨网纹结构以其优异性能在发动机气缸套内表面的加工中得到普遍应用 。气缸套内表面常采用 珩磨工艺加工成深沟槽与小平台均匀相间的交叉网纹 表面 , 且对珩磨网纹的表面网纹角度 、沟槽深度和数量 、轮廓图形的偏斜度 、轮廓支承长度率以及表面层的加工质量等有一定的要求 。具有这些要求的珩磨表心脏 , 各主机厂对气缸套内表面的平台珩磨网纹都提出了苛刻的要求 , 远高于现在的行业标准 。平台网纹 特殊的结构和功能要求 , 一方面体现在对加工设备的 要求上 , 另一方面则是平台网纹结构的正确描述和检 测 。本文作
7、者针对现行的平台网纹技术要求和检测方 法的不足 , 提出一套基于三维的平台网纹技术要求和 检测方法 。1 气缸套内孔平台珩磨网纹的一般技术要求 1 当前关于气缸套的各种行业标 准 中 , 如 TB / T1429 22006 、JB / T 5038 22005 等 , 对平台珩 磨网 纹 的 技术要求一般作如下约定 : 主要按 JB / T 9768 21999 中的技术规范或产品图样规定进行 。随着汽车尾气排放 标准以及油耗等要求的不断加强 , 随着国际交流的频繁 、制造的全球化 , 不同主机厂和制造厂对气缸套平 台珩磨表面的要 求 还参 照 了德 国 D IN4776 标 准 、日本 J
8、 ISD3103 标准 , 对气缸套的质量提出了更高的要 求 。笔者收集并分析了不同主机厂对气缸套平台珩磨网纹的要求以及缸套生产企业执行的技术要求 , 主要 有以下几点 :( 1 ) 网 纹 形 状 的 要 求 : 网 纹 清 晰 , 切 边 干 净 ,珩磨表面不得有撕裂和挤出的材料 。表面不得有金属 1 面称为平台珩磨网纹表面。平台珩磨网纹有利于润滑油的存储及油膜的形成 和保持 , 并且具有较高的表面支承率 , 能够承受较大载荷 , 耐磨损 , 同时由于珩磨速度低 , 发热量很小 ,工件表面几乎没有热损伤和变质层 。平台珩磨网纹工 艺已成为发动机气缸套 、气缸孔以及工程机械中重要的液压缸等精
9、密偶件孔加工必不可少的工艺技术 , 在 大功率重载 、高速类汽车发动机和中低速船用柴油发 2 动机中得到普遍应用。气缸套是发动机的核心零件 , 而发动机是汽车的3 基金项目 : 江苏省淮安市科技攻关项目 ( HA G07062 ) 1收稿日期 : 2008 - 06 - 28作者简介 : 李伯奎 ( 1970 ) , 男 , 硕士 , 副教授 , 主要从事公 差与测量的教学与研究 1E2m a il: lbk1084 sohu1com152润滑与密封第 33卷折叠 、尖角 、毛刺 、亮斑 、碎片 、裂纹和夹杂物等缺陷 。2 个方向的珩磨网纹均匀一致 , 在气缸套中心线 方向的夹 角 135 1
10、5 (或 缸 套 内 径 的 切 线 方 向 上45 15 ) 。( 2 ) 在 4 mm 长度内 , 珩磨网纹的沟槽深度大于 等于 4 m 的沟槽数至少有 5 个 。( 3 ) 网纹参数要求 (按 5 点平均值验收 ) , 如表1 所示 。表 1 网纹参数要求Tab le 1Parameters specification of p lateau honing cro ss hatch参数名称参数要求微观不平度 5 点高度 R z /m去除的峰值高度 R pk /m 核心粗糙度深度 Rk /m 去除的谷值深度 R vk /m 支承率 M r1 / %支承率 M r2 / %3 7012501
11、3 019112 210 70图 1 平台珩磨网纹二维和三维图像22D and 3 2D topograp hy of p la teau honing c ro ss ha tch ( a) 22D topography; ( b) 3 2D topograp hy( 4 ) 单点网纹要求 :每只缸套网纹各测点间的 R z差值 2 m;每只缸套网纹各测点间的 R k差值 2;每只缸套网纹各测点间的 R pk 0132 m。( 5 ) 轮廓偏斜度 R sk = - 018 - 310 (按 5 点平 均值验收 ) 。( 6 ) R a 值随缸套直径的增大而变宽 ,在 017 117 m 范围内
12、 。2 存在问题一般要求从气缸套平台珩磨网纹的技术要求上可以知道 ,各主机厂包括缸套生产企业对平台网纹结构都非常重 视 , 其要求都高于现行的行业标准 。但是现在的技术 要求和检测方法还存在一系列的不足之处 。211 网纹形状要求及检测方法的不足对网纹形状要求通常的测量和评定方法为通过特 殊制作的薄膜贴制复膜片 , 再放到显微镜下拍摄复膜照片用于分析 。这样的过程无疑存在 2 个问题 , 一是 效率低下 , 二是精度受限 。复膜片无法反映细微结构特征 , 而正是这些细微结构对气缸套的质量存在重要TM影响 。图 1 是使用美国 AD E 公司生产的 M icroXAM非接触式表面三维形貌仪对正品
13、气缸套扫描得到的平台珩磨网纹二维和三维图像 , 测量条件设定为物镜放 大倍数 10 倍 、扫描高度 80 m、扫描范围 857 m 637 m。532008年第 9期李伯奎 : 基于三维表面气缸套内孔平台珩磨网纹的技术要求与检测未解决的一大问题 ,这种缺陷表达清楚 ,但是以复膜片的测量精度无法把从而限制了正品气缸套的品质 。性而不受仪器分辨率影响 。215 轮廓算术平均偏差 R a 值的要求 在缸套内表面的技术要求中 , 特别是早期的缸套检测中都会有轮廓算术平均偏差 R a 值的要求 , 这个参数的应用同样也具有一定的问题 。就轮廓算术平均 偏差 R a 而言 , 它仅表示表面轮 廓 的 平均
14、 粗 糙 程度 ,它对这种平台加深沟槽的特殊结构的描述显然是不全 面的 , 它的数值大小不能代表珩磨表面的精度等级 ,往往会导致加工要求高而其性能反而下降的情况 。而且轮廓算 术 平 均 偏 差 R a 和 网 纹 参 数 中 的 高 度 参 数R pk 、R k 、R vk重复 , 并且没有它们描述的细致 , 建议 取消 。216 二维参数的失真 上述技术要求中量化参数都有一个共同的致命缺陷 , 平台网纹结构所表现出来的优良性能 , 只有在面上才能够体现 , 平台与网纹都是建立在一定面积的区 域上 , 再长的二维轮廓都不能反映其本质特征 , 仅仅用基于二维轮廓的参数想要准确描述特殊结构面上的
15、 特征显然是不够的 。同时零件的加工过程是个随机过程 , 表面具有大量随机的 、杂乱的尖峰与结构 , 即使 是周期性较强的规则表面 , 也会包含不同程度的随机量 , 二维参数从统计的观点看可靠性很差 , 由于信息 量的限制将导致二维参数的测量值存在较大的偏差 。3 基于三维表面气缸套内孔平台珩磨网纹的技术要求随着图像分析 、特 征识 别 及 数字 处 理 技术 的 发 展 , 现在已具备对表面进行三维分析的能力 。三维参数是从区域表面而非轮廓轨迹获得 , 三维分析提取的统计信息更具鲁棒性和可靠性 , 具有统计特性好 、误 差小等优点 , 使参数值能够反映表面真实的状态 。对于大多数工程表面而言
16、 , 要想准确 、合理地反映表面 形貌 , 应在三维范围内评定 。三维参数虽然还未形成正式的标准 , 但是已有较成熟的参数体系和测 量 方212 内表面粗大峰谷的忽视如图 1 所示 , 图中 “”中 亮点 显 示 的是 小 孔 状或深的凹点状缺陷 , 即麻点数 , 还有可能是尖角或 毛刺 , 同样有很多处 。测量条件中设定的扫描高度为80 m , 测量中超过 80 m 的峰谷将显示为亮点 , 对 于平台网纹珩磨表面来说 , 以谷深居多 。在合金铸铁缸套中 , 较大的铸造缺陷如夹杂 、疏松 、孔眼等是很 容易分辨和测量的 , 标准技术规范中也对他们进行了 约定 。但是这种细微表面缺陷 , 以复膜
17、照片的精度是 难以观察的 。对于气缸套来说 , 必须进行水压试验 , 水压试验的最高试验压力可达 20 M Pa, 不得有渗漏 、浸润现 象 。麻点缺陷对水压试验的渗漏 、浸润现象有重要影响 , 当麻点呈密集分布时气缸套的质量已无从谈起 ,另外 , 当发动机高速运转时 , 缸套内表面的微孔状缺 陷还是产生噪声的源头之一 。尖角或毛刺的危害和片盖相仿 。213 网纹角度测量的不足同样网纹角度的测量也只能通过复膜照片 ,其效率低下 。网纹夹角是平台网纹的一个重要参数 。网纹夹角的大小由珩磨头回转速度与上下往复运动速度决 定 , 网纹夹角的大小和均匀程度决定了缸孔表面油膜的稳定性和机油消耗的大小 ,
18、从而影响发动机工作性 4 能及寿命 。214 网纹参数的理论缺陷 在当前技术要求中列出的网纹参数 、包括单点网纹要求是参照德国 D IN4776 标准 、日本 J ISD3103 标 准制定的 , 我国在 2003 年也参照 ISO 标准制定了类似的 GB / T 1877812 22003 标准 。这组参数或标准体系 有一项缺点 , 它仅适用于评定承受高机械应力表面的工作性能 。标准中参数设定的主要依据是一条等 效 线 , 有些地方称为最小割线或回归线 , 等效线用包含40 %的被测轮廓点的支承率曲线的核心区域来计算 ,依据等效线把轮廓分为峰区 、核心区和谷 区 3 个 部 分 , 据此再设
19、定一组评定参数 。作为这套评定体系的主要依据 “等效线 ”是基于经验的 , 并没有严密的 理论基础 , 所以它的应用范围很窄 。即使是对缸套珩磨表面这样的典型应用 , 也会不时出现测量结果的失 真 , 比如轮廓 3 个区域的 2 个分界线值 M r1 、M r2值会完全不合理 。同时这种方法本身受到测量仪器分辨率 的影响较大 , 受测量仪器分辨率影响较大的原因之一 就是参数本身未能反映表面的固有特性 , 这也是进行粗糙度参数研究的一项重要课题 , 即参数反映固有特 5 法 , 并且已在某些领域得到应用。以下将基于三维粗糙度理论和三维粗糙度测量 , 考虑和原有技术要求的延续性 , 提出基于三维表
20、面气 缸套内孔平台珩磨网纹的技术要求和检测方法 。新的技术规范和检测方法使用三维粗糙度测量仪 , 由三维 图形和二维图形 (等高图 ) 以及三维粗糙度参数完成 。311 表面缺陷的评定要求网纹清晰 , 具体指标以单位面积 (mm2 ) 的2金属片盖数量 S IM p 不超过允许值 、单位面积 ( mm )的粗大峰谷数量 S IM c 不超过允许值约定 。 虽然当前的技术要求规定不允许 有 各 种表 面 缺54润滑与密封第 33卷陷 , 但现有加工技术并不能杜绝 , 同 时 现 有复 膜 测量由于精度的限制也不能准确描述 , 而正是这些细微 结构对气缸套的质量存在重要影响 。在具备较高精度测量手
21、段时 , 可以明确观察并描述这类缺陷 , 同时根据使用要求确定其量化指标 , 显然是合理的 。 通过对大量正品缸套表面扫描的图形分析 , 对于平台珩磨网纹而言 , 表面缺陷的主要形式为片盖和粗大峰谷 。设定片盖数量 S IM p 指标是因为 : 片盖实际 是表层的组织变形 、金属折皱 、层叠 、夹杂物以及残留碎片等缺陷的综合 。设定粗大峰谷数量 S IM c 指标 是因为 : 粗大峰谷实际是表面小孔 、深的凹点 、尖角或毛刺等缺陷的综合 。这些缺陷对照表面三维图形和二维图形 (等高图 ) 可以很方便地标出并记数 , 如 图 1 中 “, ”符号所指示 。312 网纹角度的要求2 个方向的珩磨网
22、纹均匀一致 , 在气缸套中心线 方向的夹 角 135 15 (或 缸 套 内 径 的 切 线 方 向 上45 15 ) 。同样对照表面二维等高图 , 只要作出标准要求的 角度及其允许范围 , 就可以很方便地对网纹角度合格与否作出判断 , 如图 1 中 “ ”符号所指示 。313 功能参数要求 功能参数是表面支承性能 、液体滞留性能及摩擦磨损性能的描述 , 包括表面支承指数 S b i、中心液体滞留指数 S c i和谷区液体滞留指数 S v i。这 3 个三维参 数和原使用的网纹参数有强烈的延续性 , 都是基 于A bbo tt曲线 , 并把测量区域分成 3 段 。甚至还有完全对应的三维的减小的
23、峰高度 S pk 、中心粗糙度深度 S k 、 减小的谷高度 S vk等参数 。这组功能参数没有二维网 纹参数的理论缺陷 , 二维网纹参数中由等效线确定的2 个临界点支承率 M r1 、M r2变为三维支承面积为 5 %和 80 % 2 个确定值 , 在满足缸套网纹要求的同时更 具普遍性 。仅选用此 3 种功能参数 , 是为了减少参数 数量 。3 个参数可直接由三维粗糙度测量仪读出 。参差 S a 的原因是 : S q 是数理统计 中 常 用的 标 准 偏差 ,它更符合统计规律 , 它起统计方法和随机过程之间的 连接作用 , S q 的优点是显而易见的 , 参数可直接由三维粗糙度测量仪读出 。
24、4 新技术要求的优点( 1 ) 淘汰传统的复膜检验 , 使用三维测量粗糙 度测量仪 , 改变网纹形状检测效率低下 、精度受限的状况 。通过对细微结构特征 , 如片盖 、粗大峰谷等的 量化要求 , 实现气缸套质量的严格控制 。( 2 ) 使用三维功能参数 , 在保证和原使用网纹 参数延续性的同时 , 杜绝了原二维网纹参数的理论缺陷 , 在满足缸套网纹要求的同时更具普遍性 。( 3 ) 使用三维参数 , 对应平台网纹结构优良性 能建立在一定面积的区域上的特征 。同时改变原二维参数统计性差 、测量值存在较大偏差的不足 。 一个完善的技术规范实质上是企业或行业的综合制造水平和检测水平的体现 。新的技术
25、规范是建立在 三维粗糙度理论和三维粗糙度测量的基础之上 , 对于企业来说还有一个认知的过程 , 具体参数数值的要求 可根据制造企业的设备水平和主机厂的要求进行设置 。但是基于三维表面的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术规范及检测是发展的必然趋势 。参考文献【1 】JB / T9768 21999 内燃机气缸套平台珩磨网纹的技术规范及 检测方法 S .【2 】王泽民 , 王明泉 , 张顺先 , 等. 珩磨工艺设计与智能诊控专家系统研究与开发 J . 新技术新工艺 , 2004 ( 1 ) : 2- 6.W ang Ze2m in, W ang M ing2quan, Zhang Shun2xian,
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29、Jou rna l of A stronau tic M e tro logy and M ea su rem ent, 1999, 19 ( 6 ) : 33- 43.数的定义 、算法 、数值规律等在文献介绍 。314 三维表面偏斜度 S sk要求 5 中有详细三维表面偏斜度是衡量幅度分布曲线相对于中性面不对称性的一种评定参数 , 它简单实用 , 可直接与 耐磨性 、使用寿命等性能发生联系 。二维表面偏斜度R sk要求改为三维表面偏斜度 S sk要求 , 改变原二维参 数统计性差 、测量值存在较大偏差的不足 。参数可直接由三维粗糙度测量仪读出 。315 表面的三维均方根偏差 S q 要求 选用三维均方根偏差 S q 而不是三维算术平均偏