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提升检测水平 助推《中国制造 2025》目标的实现
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        在《中国制造 2025》中,“节能与新能源汽车”乃是重点发展的10大领域之一。据此,文章指出,为了推进节能汽车目标的实现,提升企业制造过程检测水平的重要性。文章以汽车发动机缸体为例,分析了缸体中的缸孔表面微观构造对内燃机性能的影响,指出科学地选用珩磨表面评定参数的重要作用。进而强调了企业除了应关注产品和工艺的进展外,在质量监控模式和检测技术上也应持续完善、提高。

    近一年来,在国家强调国民经济的结构转型和夯实实体经济的大背景下,现代制造业作为实体经济的主要组成之一,特别是其中的汽车行业,更是受到了产业界和各级政府的很大关注和重视。而在今年春天,随着《中国制造 2025》的推出,又把上述目标的实现更为具体和清晰地呈现了出来。在这种情况下,与制造业直接或间接相关的行业、企业,是否能利用其所拥有的技术资源,以协力推进这一过程呢?

  《中国制造 2025》提出,“节能与新能源汽车”乃是重点发展的10大领域之一,李克强总理在近期的二次高层会议上,也特别地谈到了大力发展“节能与新能源汽车”的重要性。而围绕着节能汽车,又必然着重于柴油机高压共轨,汽油机涡轮增压、缸内直喷和均质燃烧等高效发动机的研制。但众所周知,一款高性能产品的品质并不只取决于先进的、有针对性的技术理念的运用,“产品质量是设计和制造出来的”的说法,才道出了真实的情况。

  虽然不少制造工(艺)序环节已很成熟,但为了更好地适应、满足节能汽车的需要,必须采用包括强化生产过程实时监控能力在内的种种新手段。

  一、缸孔表面微观形貌特征和珩磨表面的平台网纹   

  在发动机的机械损耗中,由内部摩擦造成的机械损失占到其功率损失的80%左右,故有效降低发动机的摩擦损失对节能、乃至减排具有重要意义。而摩擦损失虽然包含了运动副摩擦、驱动摩擦及流体摩擦等几类,但其中的运动副摩擦又是最主要的来源。进一步的研究发现,在多组运动副中,缸孔-活塞环是其中影响最大的一组摩擦运动副,约占发动机摩擦损失的30-40%(参见图1)。因此,通过降低其在工作中的摩擦损失,乃是提高发动机的燃油效率,降低燃油消耗,促进实现“节能汽车”目标的一个有效途径。

 

影响缸孔-活塞环摩擦副润滑的因素主要有工件表面的宏观形貌和微观结构参数、表面硬度、颗粒物、润滑油的粘度和温度等,但各项因素对摩擦运动付润滑的影响程度、即减少摩擦损失的效果是不同的,而缸孔表面的微观形貌和结构参数是其中影响最大的。为了同时能体现出这两项功能,即较光顺的表面和尽可能多的承载面积,确保相互运动时的滑动性和耐磨性,就需要形成一个开放性的表面微观结构,用于保障表面的储油能力。即需要使珩磨加工后的工件表面在相对粗糙的基础上呈现出平台结构的表面形态(见图2)。事实上,为了更好地改善配合面的润滑功能,应形成一种更合理的缸孔珩磨表面的微观形貌----平台网纹,即既有平台又有网纹。此时,经过加工后的缸孔表面,乃是由无数个均匀相间交叉的窄又深的沟槽与小平台构成,并且网纹与网纹交错,相互有适当夹角。这样的微观结构,通过深谷区存贮机油,而连续交错的网状沟槽则便于机油在整个缸孔表面均匀分布。众多的小平台有利于高强度油膜形成,还具有回油功能,这将大大降低摩擦功损失。

  二、科学地选用和保证珩磨表面的微观结构参数

  由此可知,确立和选择能反映珩磨表面特征的评定参数的重要性是显而易见的,但直到上世纪八十年代末,才在德国制定的标准DIN 4776中率先提出了一组有针对性的粗糙度评定指标。在之后的若干年中,又先后被ISO组织和一些工业化国家所接受和引用,并体现在一些相关的标准中,如ISO13565-2:1996、JIS BO671-2:2002等。

  图3是表征缸孔珩磨表面微观结构特征的评定参数,由图可见,评定指标共有5项,分别为:Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2。其中,Rk是最为重要的一项评定参数,其实质是被测表面中心区深度将在高负载运行中被磨损掉,但又能最大程度地达到耐磨性。Rpk是超过中心区峰谷高度的轮廓波峰平均高度,又被称为初期磨损高度,而Rvk是从中心区下限到有实体材料的轮廓波谷的平均深度,它反映了润滑油的储存深度,体现了摩擦付在高负载工况下的润滑性能和失灵保护的能力。Mr1和Mr2则分别为波峰、波谷轮廓支承长度率,由轮廓中心区上、下截止线决定,其中的Mr1表示了表面的初期磨损负荷率,而Mr2则为长期磨损负荷率。

  至于对上述这些粗糙度特征参数的检测,已可在现今国内外的高性能的触针式粗糙度测量仪上实现。自上世纪九十年代起,制造厂商已经把它们列入其仪器产品的功能范围中了。不过,在前一节介绍平台网纹微观结构时,特别提到网纹乃是由均匀相间交叉的沟槽与小平台构成,并且相互保持适当的夹角交错(见图4),即所谓的网纹角。虽然它与上述粗糙度类参数有着很大区别,可作为一项特征参数也必须予以测量。因为网纹角的大小和均匀程度也关系到缸孔表面生成油膜的稳定性和机油消耗的多少,进而影响内燃机的工作性能及气缸套的使用寿命。若网纹角过大,贮油能力会下降,至使活塞与缸孔之间的润滑状况变差,当内燃机处于启动和加速的工况时,就会因机油不足而加剧活塞环的磨损;若网纹角过小,则会影响所形成油膜的均匀性,并且影响到油环的刮油效果,从而造成机油过度燃烧,导致机油消耗增加和排放会超标的后果。网纹角应该一般在30度~60度之间为宜。至于对它们的测量,既可以采用专用的光学测量仪,不但效率高、操作使用方便,且检测精度也很高,然而因为价格较昂贵,故在企业里应用得并不太广。事实上,在生产实践中使用最多的还是传统的“拓印法”,然后再利用量角器把结果以手工方式测出。

  三、提升缸孔珩磨表面微观形貌的质量监控水平

  自本世纪初以来,随着对环保、节能、安全等方面要求的不断提高,相关的法律、法规也日趋严厉。而鉴于发动机缸孔珩磨表面的状况对燃油的消耗和排放都有很大影响,因此,为了进一步提高车用发动机的品质,专业技术人员并未局限于那些已较成熟的工艺与检测,而是继续不断的进行探索,其中就包括了藉助采用先进的检测技术,通过提升了缸孔珩磨表面微观形貌的质量监控水平,进而为实现节能发动机的目标贡献一份力量。归纳起来,有如下两条看似“平行”的路线:(1)籍助实验室的高效能的测试设备,通过比对的方式,定性(严格讲属半定量)地进行更有针对性的评价;(2)设立与珩磨表面功能特性相关的新的评定参数,并配备相应的高效、专用测量仪器。

  为了能更深刻地表征工作表面的特性,在几年前所推出的国际标准ISO 25178中,出现了多种用于描述表面微观构造的三维参数,其中既有类似于二维粗糙度参数的,如Sa、Sz、Sk、Spk、Svk等,其单位还是μm。也有该标准新推出的如Vmp、Vmc、Vvc和Vvv 等体积特性值参数。图3所示的三维表面粗糙度曲线,描述了与剖面深度有关的表面材料份额,从图中可见它们自上至下被分成三个范围:波峰区、芯部区和波谷区。若通过对上述三维表面粗糙度曲线进行积分,就能够生成以下体积特征值:(1)轮廓波峰的材料体积Vmp;(2)芯部范围内的材料体积Vmc(即图5中部曲线左侧的深色区域);(3)芯部范围内的无材料体积Vvc;(4)芯部范围内的无材料体积Vvv。由于所涉及到的是三维微体积计算,上述特征参数的单位是μm3/μm2。显然,相比之前的二维粗糙度参数,它们能更确切地对珩磨后表面的“理想”程度作出评价。但在如何藉助以上这些体积特征值参数来对表面进行评价时,主要取决于产品生产企业。在德国大众和奥迪公司,乃是把参数Vvc、Vvv捆绑在一起综合考虑的,表述为:Vvc+Vvv的值应控制在某个范围内,如0.2-0.35μm3/μm2。

  图5左是为此专门开发的一种高性能缸孔表面测量仪,近几年已在一些国内外企业得到了实际应用,该仪器采用一种称为多孔共聚焦光学测量技术,除了能提供清晰的表面微观形貌图象外,更可同时测出多组参数,其中包含多项三维粗糙度参数、网纹角和功能特征参数Vvc、Vvv。后二项按图纸规定,必须在缸孔的四个截面的指定位置进行检测,且在根据规范的评价方式(Vvc+Vvv的和)所获得的结果进行评定时,不同的位置要求还有所不同:0.2-0.35(在距端面15mm处),02-0.45(在距端面45、90和110 mm处)。整个测量过程为全自动,约在10分钟内完成。

  但现今在一些主流企业,同时推行的还有另一种评定方式,虽然其效率低,而且必须以破坏方式切割取样,过程繁琐。尤其是需采用反射式扫描电镜这一昂贵且操作复杂的实验室设备,完成一次测试需耗去好几小时,故检验频次很低,最多就1次/周。而若委外不但费用高,且频次降为1次/月。在具体实施时,需先有一块“合格”试样,作为与被测工件上12个取样(位于四个缸孔中的三个深度)比对的依据。简单地说,需对以下5项进行评定:(1)平台形态,包括合适的大小(相比“试样”)、均匀性等;(2)平台网纹沟道的构造,参见图6。主要考虑其宽度0.01- 0.03mm,以及畅通程度,不应有堵塞;(3)珩磨表面的洁净程度,包括粘在表面的杂质以及不应存在的一些堆积物;(4)表面的挤压鱼鳞(见图7), 即那些由珩磨加工在表面造成的皱褶。虽然完全消除这种现象不可能,但数量上需控制,图7的上图为可以接受的,一般“就以合格”试样为准,下图则是被测实际状态;(5)总体印象。指的是从事评价的专业人员把被检件表面与“合格”试样进行比较后形成的总的感觉。再加上了利用前述方式求得的网纹角共6个评定项,逐个对12个样品分别按“好、可以、勉强、差(不合格)”这四个等级,量化地打分。然后求取各个缸孔的3个位置取样评价结果的平均值,再从中挑出最差的一个作为最终的评定依据,即以此认作所测的那个缸体的缸孔珩磨表面微观形貌的评价值。

  为什么那些主流生产企业更青睐后一种评定方法呢?这是鉴于前一种方法从本质上讲仍然只反映、评价了珩磨后表面构造的贮油能力,相比之前那些二维粗糙度参数作用是一样的,只是更直观和精确而已。而利用反射式扫描电镜进行的全面探测,能发现另一些不可忽视的影响因素,如网纹沟道的构造,显然如果有严重堵塞情况存在,就会带来不良后果。

  结语

  综上所述,可见尽管珩磨加工是一种成熟且经济合理的工艺,当其应用于缸孔加工时,在表面所形成的平台网纹微观形貌能相当有效地提升内燃机的性能。然而,为了确保缸孔表面的实际状态能符合要求,还必须强调通过合理的评定参数和持续提升对珩磨表面的质量监控水平,以更有效地藉助降低发动机的摩擦损耗,从而促进了满足节能汽车需求和目标的实现。


     

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