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[发动机] 珩磨缸孔表面粗糙度超差问题分析

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发表于 2020-9-15 11:26:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】珩磨缸孔表面粗糙度超差问题分析
赵兴龙 颜灿宝 吴玲
(上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州 545007)
摘要:表面粗糙度是发动机气缸孔珩磨加工的关键控制特征。为研究缸孔表面粗糙度超差问题的发生原因,对实际生产中的问题案例进行了分析,得到了珩磨油石、珩磨参数和石墨脱落对缸孔表面粗糙度的影响关系,并提出了对应的解决方法,同时就石墨脱落导致缸孔表面粗糙度超差提出了判断依据及接受标准。研究结果可作为珩磨加工中缸孔表面粗糙度控制的参考。
关键词:珩磨 缸孔 表面粗糙度 超差
1 引言

目前行业内对缸孔表面粗糙度的评价普遍采用DIN 标准,即Rk(核心粗糙度深度)系列参数组。这组参数可有效的控制沟槽的深度和有效承载面积,保证活塞运转时在缸孔表面形成充足的油膜,降低运动摩擦磨损[1]。在实际生产中,缸孔表面粗糙度超差是缸体珩磨加工面临的一个重要问题,下文从某生产线验收时的珩磨缸孔表面粗糙度超差问题入手,分析问题发生的原因及解决措施。

2 缸孔珩磨工艺设备简介

该生产线采用了日本富士珩磨设备,分为粗珩、半精珩与精珩2 个工位。每工位采用2 根珩磨轴,半精珩与精珩砂条集成在同一个珩磨刀体上,通过双涨芯实现半精珩与精珩功能;其中粗珩和半精珩采用带即时测量反馈系统的机械涨刀方式,精珩采用液压涨刀方式。加工性能参数如表1所示。

表1 缸孔珩磨设备加工性能参数

生产线加工缸体类型为直列四缸,缸孔珩磨工艺分为三步:第一步是粗珩,主要目的是去除余量,同时消除掉上道精镗工序对缸孔形状的影响;第二步是半精珩,主要是拉网纹并控制缸孔直径、圆度、圆柱度等尺寸和形状;第三步是精珩也称为平台珩,在半精珩的表面上进行磨削,形成类似平台的表面形态,缸孔表面粗糙度即在平台珩阶段获得。珩磨前和珩磨后的缸孔特征精度要求见表2。

表2 缸孔珩前和珩后精度要求

3 缸孔表面粗糙度超差问题解析3.1 缸孔表面粗糙度超差问题表现

按照设备验收规范,缸体加工特征需要通过1+5+50 件的能力验证。该生产线珩磨机在首件调试合格后加工5 件送检,测量缸孔表面粗糙度超差,主要表现为Rz(轮廓最大高度)、Rvk(简约谷深)超上差,如表3 所示。

表3 珩磨缸孔表面粗糙度

从图1 缸孔表面粗糙度轮廓线中可看出,有三处沟槽深度超过5 μm,其中一处超出10 μm。

图1 缸孔表面粗糙度轮廓线

3.2 表面粗糙度超差问题分析

表面粗糙度超差主要跟表面存在刀痕、沟槽深度过深、表面存在针孔等因素有关,如图2所示。下面对这三个因素及其详细原因一一进行分析。

3.2.1 缸孔表面存在刀痕

a.半精珩或精珩油石内有硬质点不易脱落,在缸孔表面划出螺旋形的刀痕;若出现类似问题可通过改变油石粘结剂配方、比例等改善砂粒脱落性能。

图2 缸孔珩磨表面粗糙度超差问题原因分析

现场检查半精珩、精珩油石表面砂粒正常、未发现硬质点。

b.珩磨液杂质过多,导致杂质在珩磨时随着油石划伤缸孔表面。

设备刚开始调试,珩磨液为全新添加,检查珩磨液杂质含量接近于零。

c.精镗缸孔直径过大,导致珩磨余量不足,无法消除精镗刀纹。

检查精镗直径在公差范围内,见表4。

表4 缸孔精镗数据

d.精镗表面粗糙度超上差,精镗刀纹过深,珩磨无法有效去除。

检查精镗表面粗糙度在公差范围内,见表4。

目视检查缸孔表面,珩磨网纹正常,未发现明显刀痕。结合上述调查结果,排除表面刀痕因素导致表面粗糙度超差的可能性。

3.2.2 沟槽深度过深

a.半精珩油石砂粒过粗,缸孔半精珩表面沟槽较深,而平台珩由于去余量有限(一般为3~5 μm),不能修正过深的沟槽。

砂条粒度直接影响到珩磨后表面的光洁程度;粒度的选择要适中,太大会造成表面较粗糙,太小则表面过于光滑、粗糙度过小[2]。

b.半精珩涨刀压力过高,珩磨时砂条作用到缸孔表面上的扩张力过大,导致表面比较粗糙,平台珩无法修正[3]。对半精珩后的缸孔粗糙度进行测量,如图3 轮廓线所示,沟槽深度均匀,峰谷高度差在10 μm 以内;说明粗糙度超差与半精珩砂粒及涨刀压力无关。

图3 缸孔半精珩粗糙度轮廓线

c.平台珩未珩到,由于平台珩涨刀位置不够、油石磨损过大导致油石涨出后仍不能接触缸孔表面,不能对半精珩沟槽进行削顶。

检查平台珩砂条涨出位置正常,可有效接触缸孔表面,排除该原因。

d.平台珩涨刀压力不足、冲程数量不足,导致半精珩沟槽未被有效削顶。

对平台珩涨刀压力和冲程数量进行调整(压力由1.1 MPa 调大至1.2 MPa,冲程数量由7 次调至8次),验证结果如图4 所示。由轮廓线可知,沟槽深度有较大改善,但仍有部分截面存在一个深沟槽。接下来分析表面存在针孔导致深沟槽的可能性。

3.2.3 表面存在针孔

a.毛坯铸造砂孔,毛坯在铸造过程中由于受铁水浇筑温度、浇注时间和排气不畅等因素影响,可能导致气体残留在铁水中形成气孔,气孔孔壁光滑,且多为单个或几个聚集,很少有弥散性分布。

b.石墨晶粒粗大,毛坯配料不合理、C(碳)含量过高、浇注温度过高、冷却速度过慢等原因会造成铸铁基体组织石墨粗大,在加工时容易剥落形成针孔,常表现为加工表面较密集麻点[4]。

c.石墨脱落,由于铸铁组织的固有特性,石墨脱落成为加工中避免不了的一个问题;在石墨等级满足要求的前提下,可通过切削余量及参数的调整,降低石墨剥落的发生概率,从而避免加工表面出现过多针孔。

图4 平台珩涨刀压力和冲程数调整验证数据

针对上述3.2.2 验证后表面仍存在深沟槽的问题,切割缸孔样块采用显微镜进行观察,在放大40倍率下可明显观察到样块表面有不规则孔洞,如图5所示。为了确认该孔洞的成因,将样块研磨并用扫描电镜检查缺陷区域,缺陷测量尺寸为0.244 mm×0.16 mm,见图6;对缺陷进行能谱分析,能谱检测位置及结果见图7和表5。由能谱检测结果可知,谱图1、2、3 中C 含量高,谱图4、5 中Fe(铁)含量高,可知谱图1、2、3 位置应为石墨,谱图4、5 位置应为缸体零件的本体,分析认为该缺陷为石墨脱落。

取缸孔位置样块做金相分析,如图8 所示,金相组织为A 型石墨,等级为3 级,金相组织合格。

图5 显微镜放大40倍图片

由以上分析可判断该孔洞为加工时石墨脱落导致。在粗糙度测量时,测针划过该孔洞引起跳动从而在轮廓线上体现出来为一个较深的沟槽,该类孔洞在轮廓线上的形状与刀痕和沟槽深度过深存在一定差异。一般刀痕或沟槽过深的轮廓线过渡平缓,且宽度与正常沟槽无明显差异,如图9(a)所示;但是孔洞的轮廓线在两端有明显凸起,且宽度一般大于0.1 mm,如图9(b)所示。这是根据现场测量数据总结的判断石墨脱落导致粗糙度异常的方法。

图6 电镜观察400倍图片

图7 能谱检测位置

图8 缸孔样块金相组织100倍图片

表5 缸孔样块能谱检测质量分数 %

图9 不同缺陷的粗糙度轮廓线形状

当粗糙度测量超差时,首先根据目视情况和轮廓线表现判断为何种原因导致,若表面无异常且轮廓线表现为谷两端凸起时,可以将测量角度做左右微调(一般角度不大于10°),重复测量后粗糙度合格且未发现孔洞,则判断为石墨脱落导致的孔洞,可视为正常件处理。

还有一种情况,当石墨脱落问题严重时,表面会出现大量麻点,目视即可发现。这种工件状态是不可接受的,必须从毛坯铸造和加工参数方面查找原因,解决问题[5]。

3.3 表面粗糙度超差问题总结

a.通过分析,找出了表面粗糙度超差的问题原因为平台珩涨刀压力不足、冲程数量不足导致沟槽深度偏深,调整了涨刀压力和冲程数量进行验证,表面粗糙度改善明显。

b.珩磨后缸孔表面会产生石墨脱落现象,导致缸孔表面存在小针孔进而影响表面粗糙度。该类针孔的存在对于缸孔表面并不都是有害的,如果针孔数量较少且肉眼无法发现,这种情况是可以接受的,且可以提升缸孔表面的储油效果[6]。

c.在实际测量中发现Rz、Rvk 超差且粗糙度轮廓曲线表现为仅某一点沟槽深度过深,我们可以通过小角度转动重复测量的方式来确认,如果重复测量均合格可判断为局部石墨脱落,不影响缸孔质量。

4 结束语

通过对缸孔粗糙度超差问题的研究,分析了可能导致缸孔粗糙度超差的多种因素,最终找到了珩磨参数设置和石墨脱落这两个影响粗糙度的原因,并在采取相关措施后成功解决了该问题。针对珩磨缸孔表面粗糙度超差问题,在可能涉及到毛坯铸造、石墨脱落等影响因素时,需要采用科学的方法去分析原因,同时制定合理的判断方法和接受标准。在实际生产中,虽然缸孔珩磨的工艺要求和加工设备并不完全相同,但在涉及缸孔表面粗糙度超差问题时,可参考本文研究结果进行综合考虑解决。



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