康明斯发动机缸孔珩磨工艺的分析与改进

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　　东风汽车公司柴油发动机厂引进生产的康明斯B系列柴油发动机的缸孔孔径为?102.02±0.01mm，缸体材料为铸铁(HT25-47，HB179-241)；图纸设计要求缸孔圆柱度为0.015mm；珩磨网纹清晰均匀，网纹交叉角与水平线夹角为25°～30°；缸孔表面粗糙度为Ra0.25～0.65μm，Rtm2.8～7.0μm，深度0.002mm处的轮廓支承长度率tp=78%～98%。气缸孔是发动机燃烧室的重要组成部分，加工精度要求很高，通常采用珩磨工艺对缸孔进行精加工。原缸孔珩磨工艺是在立式三轴珩磨机上采用非均布、中心对称结构的珩磨头和绿碳化硅精珩磨条进行二级珩磨加工(粗珩+平顶珩磨)，但在生产中存在以下问题：①加工效率低。珩磨工序的加工节拍为3'30"，已成为制约发动机生产线扩大生产能力的“瓶颈”工序。②缸孔表面粗糙度Ra、Rtm和tp值偏离中值的波动较大，甚至超出了技术要求范围，导致在一段时间内不得不对表面粗糙度指标值进行调整。③缸孔网纹均匀性发生波动，出现缸孔划伤现象。

　　针对上述问题，我们对缸孔珩磨工艺进行了系统研究，并提出了工艺改进方案，以期达到缩短缸孔珩磨工序加工时间、提高加工效率、稳定珩磨表面的微观几何精度、保证珩磨网纹质量要求和交叉角度、提高缸孔圆柱度精度的目的。

　　2 缸孔珩磨工艺分析

　　工艺特点

　　珩磨加工原理是通过在油石与工件表面之间施加一定压力，并以较低速度实现油石与工件表面之间的预定合成运动(如旋转运动、直线运动等)，以获得几何精度高、表面质量好的工件表面。内孔珩磨具有以下特点：

　　图1 搭接长度L0

　　珩磨内孔时，两块(或两块以上)油石与工件内孔在面接触状态下以较低的压力和速度进行多刃面接触切削，其切削方式相当于三块平板相互对研，油石在切除孔壁余量的同时，其自身表面也得到修整。

　　为使油石磨削轨迹平滑衔接，油石每绕珩磨头轴线旋转一周，均与前一转磨削轨迹在轴向上有一段搭接长度L0(见图1)。L0越大，油石对内孔的修整效果越好，加工精度越高，但磨削效率越低。

　　珩磨头在每一次轴向往复行程内的转数为非整数K+b/360(K为整数)，即珩磨头在每一上下往复行程内相对于工件沿圆周方向错开一个小角度b，这种复杂运动使珩磨头上的每一磨粒在孔壁上的磨削轨迹不会重复。由于孔壁上每一点与油石表面上每一点相互干涉的机会相等，因此可保证孔壁珩磨网纹的均匀性。

　　珩磨头与主轴采用浮动连接，在一定范围内可自行调整与被加工孔的同心度，以减小对珩磨机主轴精度的依赖程度。珩磨时以工件孔壁导向，进给力由中心均匀压向孔壁，珩磨条沿与珩磨头轴线平行的方向进给，可修正被加工孔的椭圆度、直线度和圆柱度。这种浮动定心机构尤其适合加工薄壁、深孔零件。

　　平顶珩磨是在粗珩磨基础上进行的精细珩磨，可消除粗珩磨形成的沟槽尖锋，在沟槽顶部形成间断的平顶凸锋，粗珩磨形成的沟槽谷底形状则不受影响。平顶珩磨可改善孔壁表面粗糙度，增大孔壁表面轮廓支承长度率，控制珩磨网纹的储油能力，从而达到改善摩擦副磨合性能、延长发动机缸孔寿命的目的。平顶珩磨具有以下特点：

　　图2 珩磨网纹交叉角

　　缸孔平顶珩磨可形成粗细均匀、对称交叉、无折迭、间断、翻边等缺陷的珩磨网纹。如图2所示，设珩磨网纹交叉角为q，珩磨头往复运动速度为Vy，转速为n，缸孔直径为D，则有

　　tan(q/2)=Vy/Vx=Vy/pDn

　　q=2arctan(Vy/pDn)

　　平顶珩磨形成的缸孔表面微观轮廓为宽度不等的平顶与深沟。平顶可起到支承载荷的作用(用轮廓长度支承率tp表征)；深沟则可贮存润滑油，以减小活塞在缸孔中往复运动的摩擦力。

　　缸孔表面粗糙度必须控制在一定范围内。如粗糙度值过大，将增大活塞在缸孔中往复运动的摩擦阻力，造成摩擦副早期磨损或拉缸；如粗糙度值过小，则会降低孔壁网纹的储油能力，不利于润滑。

　　图3 非均布珩磨头受力示意图

　　珩磨头

　　原缸孔珩磨工艺采用精珩油石以中心对称、沿圆周非均匀分布的珩磨头。在不考虑珩磨头所受轴向力和旋转力的情况下，这种结构珩磨头的横剖面受力如图3所示。

　　图中，相邻三条珩磨条的间隔角度da=30°。以SFx+、SFx-分别表示X 轴正、负方向受力，SFy+、SFy-分别表示Y 轴正、负方向受力，则系统平衡力为

　　SFx=SFx+-SFx-=2Fsinda-2Fsinda=F-F=0

　　SFy=SFy+-SFy-=(F+2Fcosda)-(F+2Fcosda)=2.732F-2.732F=0

　　由此可得

　　min(SFx+，SFy+)=F

　　若采用精珩油石沿圆周均布的珩磨头，则da=60°。同理，其系统平衡力为

　　SFx=SFx+-SFx-=2Fsinda-2Fsinda=1.732F-1.732F=0

　　SFy=SFy+-SFy-=(F+2Fcosda)-(F+2Fcosda)=2F-2F=0

　　由此可得

　　min(SFx+，SFy+)=1.732F

　　由此可见，在珩磨条件相同(即F相等)的情况下，精珩油石沿圆周均布(da=60°)的珩磨头系统的中心稳定性高于精珩油石非均布(da=30°)的珩磨头系统。

　　珩磨油石

　　精珩油石的磨料种类包括刚玉类、碳化硅类、立方氮化硼(CBN)、金刚石等，其工作性能见表1。表1 不同磨料的工作性能磨料自砺性耐磨性热稳定性

　　(℃) 显微硬度

　　(HV) 切削速度价格耐用度

　　白刚玉好差 1800～2450 1800～2450 低低低

　　绿碳化硅好差 1300～1400 4150～9000 低低低

　　CBN - 好 1250～1350 7300～9000 高最高高

　　人造金刚石 - 好 700～800 8600～10600 高高高

　　原缸孔珩磨工艺的精珩油石采用绿碳化硅磨料，磨削效率不高，磨条工作寿命为一个班次(加工约120件工件)。如采用磨削效率和耐用度较高的金刚石油石代替碳化硅油石，则可减少磨头更换次数，缩短调整、试切、首检等加工辅助时间，加快珩磨工序生产节拍。

　　原珩磨工艺采用长方形(9.5mm×9.5mm×100mm)碳化硅精珩油石，磨削接触面积较大，磨削时脱落的金刚石磨粒和铁屑不易及时排出。如改用凹槽形金刚石珩磨条，则具有以下优点：①凹槽便于珩磨液冲洗带走脱落磨粒，可减少脱落磨粒对缸孔的直接划伤和阻塞珩磨头往复运动引起的间接划伤；②凹槽有利于磨条中心迅速散热冷却；③凹槽形磨条可减小切削面积，降低金刚石磨条的切削阻力。

　　工艺方案

　　原缸孔加工方案为三级镗削+两级珩磨(粗珩余量0.08mm，时间2'10"；精珩余量0.01mm，时间1'20")，由于工序能力不足，造成珩磨质量波动。为此，可考虑增加一道珩磨工序。

　　3 缸孔珩磨工艺的改进

　　根据对原缸孔珩磨工艺存在缺陷与不足的理论分析，通过工艺试验与验证，我们对原缸孔珩磨工艺方案提出了以下改进措施：

　　根据对珩磨头结构的受力分析，将原工艺采用的精珩油石沿圆周非均布珩磨头结构(见图4，da=30°)改为精珩油石沿圆周对称均布的珩磨头结构(见图5，da=60°)，使珩磨头中心稳定、受力均衡，提高了缸孔圆柱度质量和珩磨网纹排列的均匀性。

　　图4 非均布珩磨头结构

　　图5 对称均布珩磨头结构

　　珩磨头配置的珩磨油石条数量直接影响珩磨效率、珩磨头切削阻力和加工表面粗糙度。磨条数量越多，珩磨效率越高，但切削阻力、切削噪声越大，并容易损坏珩磨机的传动机构，加工表面粗糙度也较差。通过工艺试验，在保证珩磨效率满足工艺要求的前提下，最终确定在精珩+平顶珩工序中采用一个珩磨头配置6个粗珩磨条和6个精珩磨条(分两次进给加工)。

　　通过对比工艺试验，确定在平顶珩时采用粒度300#、浓度100%的金刚石磨料(铜钴基结合剂)替代绿碳化硅磨料(陶瓷结合剂)，使油石的工作寿命、切削速度、承压能力等显著提高。

　　图6 凹槽形金刚石精珩油石