高硅过共晶铝缸体珩磨工艺研究

摘要:对标分析缸孔珩磨机理及高硅过共晶铝缸体珩磨主流技术合理选择珩磨工艺研究对象。借鉴国外成功珩磨经验,首次实现了高硅过共晶铝缸体珩磨,达到了设定的珩磨参数目标,并初步通过了珩磨效果试验验证。明确了高硅过共晶铝合金缸体的珩磨工艺特点,为改善机加工艺,优化发动机的功率输出、机油消耗、尾气排放及发动机的可靠性等关键指标提供重要支撑。

Automobile Technology & Material - - 生 产现场 - 1 1 1 2胡伟兴 刘晓光 宋建龙 董善锋1. 130011;2. 201319) ( 中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春 上海善能机械有限公司,上海

1 缸孔珩磨机理研究

全铝合金材质缸体在减轻了整车重量的同时,还增强了发动机的散热效果,提高了发动机工作效率以满足节能减排发展的迫切需求,是发动机轻量化和紧凑化关键技术路径之一。但高硅过共晶铝缸体作为全铝缸体的重要形式,相比铸铁40%,缸体降重约 相比传统压入式或铸入式铁缸套4- 6 kg铝缸体降重 。当前国内发动机主要缸体材1料、结构形式见图 。

普通铸铝缸体都必须采用镶铸或压入铁缸套的办法来保证缸孔的耐磨性,随着发动机强化程度的不断提高,为降低发动机热负荷,两缸之间打斜水孔冷却是必要的结构形式,如此两缸之间的4-5 mm,距离将比无缸套结构长 严重影响发动机的紧凑性和轻量化。目前仅奥迪、保时捷、宝马等 国外高端发动机上成功应用高硅过共晶铝缸体。

珩磨工艺是高硅过共晶全铝缸体轻量化、可靠性和耐磨性技术难点的重要突破点。

1.1 普通缸体缸孔珩磨

目前国内生产的主流发动机仍为铸铁缸体或铁缸套式铝缸体结构形式,缸孔珩磨主要采用平

1978—),作者简介:胡伟兴( 男,高级工程师,研究方向为发动机可靠性试验开发。

顶珩磨工艺。其原理是在缸孔形状精度达到一定要求的粗珩磨后,先用一组较粗的油石对缸孔表面进行精珩,以加工出含油沟槽,然后用一组较细的油石对精珩的表面磨出平顶,即平顶珩。平顶珩磨的目的是去除精珩加工后表面微观形状的峰顶部分,使缸孔表面既有良好的支撑性又有一定数量的含油槽,以减少发动机磨合时间,提高发动机使用寿命。

2典型的平顶珩磨网纹轮廓曲线如图 所示,平顶起到支撑和抗摩擦作用;平顶以上少量尖峰可以减少发动机磨合时间,经磨合后被快速磨掉;平顶以下部位沟槽,用于储存润滑油,起到降低摩擦和延长使用寿命的作用。一般珩磨网纹角度在气

110°-140°缸孔中心方向的夹角为

1.2 过共晶铝缸体的特殊性以及对珩磨的特殊要求

16%高硅过共晶铝合金材料硅含量在 以上,利用合理的铸造工艺来直接生产铝缸体,缸孔内表面依靠材料自身的高强度和耐磨性及初晶硅晶粒的分布来实现同活塞及活塞环的合理配副,达到同铁缸套类似的效果。

应用高硅过共晶铝缸体的发动机缸孔工作表面可以实现运转时间更长和摩擦水平更低,这主要是由于缸孔工作表面的初晶硅晶体分布情况和同活塞环接触处的低剪切阻力造成的。因此对气缸工作面的珩磨有在其工作范围内的初晶硅必须无瑕疵并尽可能均匀分布的特殊要求。常见的过

3共晶缸体金相组织如图 所示。典型的高硅过共晶铝缸体缸孔表面轮廓曲线

4及网纹照如图 所示,网纹形式类似于峰顶网纹,网纹峰顶主要为初晶硅颗粒,起支撑和抗摩擦作用,而初晶硅颗粒之间的缝隙用于储存润滑油,能进一步延长使用寿命。另外,由于初晶硅颗粒比较细小,且耐磨性强,在保证足够耐磨性的前提 下,峰顶高度可以尽量降低,仅需要少量机油润滑就可以,缸孔表面可以做到非常光滑,且对珩磨网纹角度没有特殊要求。这样,与缸孔表面配副的活塞环弹力较低情况下就能实现与缸孔之间的密封作用,从而达到进一步减磨和降油耗效果。

2 珩磨对标分析

国外部分高端汽油机已经普及应用高硅过共晶铝缸体,并批量生产装车。为了分析并研究缸孔实际V6 V8珩磨网纹应用情况,选择国外某 、 发动机过共晶V6铝缸体作为分析对象,其中, 发动机缸体为未经使V8用的全新缸体; 发动机缸体为使用后的旧缸体。

2.1 缸体材料分析

V8重点对 发动机缸体进行了分析,缸体整体外5 V8观如图 所示。 发动机缸体采用砂型低压铸造,缸体材料元素含量、机械性能、金相组织检测结果1- 3 6分别如表 表 所示,金相组织如图 所示。缸体19%, HT250材料硅含量超过 抗拉强度与 相当,金相组织照片显示初晶硅颗粒分布均匀。气缸工作面范围内初晶硅无瑕疵,分布均匀。初晶硅大部分在30- 80 μm 100 μm 1 cm2范围内,最大尺寸不大于 。30-50 μm 14 000的磨削面上 初晶硅颗粒约分布 颗; 40-80 μm 3 100初晶硅颗粒约分布 颗。

2.2 缸孔珩磨网纹分析

V6 V8、 发动机缸孔表面珩磨网纹照片及表面7轮廓形貌检测结果如图 所示,珩磨网纹参数测量

4结果如表 所示。 由测量结果可知,新缸体缸孔网纹类型为峰顶网纹,使用后峰顶网纹趋于降低,接近普通网纹,但整体缸孔工作表面始终较为光滑, Rz值仅在1-2 μm之间。

3 珩磨工艺研究对象选择及目标确定 3.1 珩磨工艺研究对象选择-砂型铸造高硅铝缸体

参考对标样机成功经验,首选砂型低压铸造高硅过共晶缸体作为研究对象。因国内没有现成的高硅过共晶缸体,需要研究开发。为此我公司同清华大学联合开发出一种新材料,利用此新材料砂铸缸

8体金相如图 所示。缸体材料元素含量、机械性能、

5- 7, 9金相组织检测结果如表 表 金相组织如图 所

19%,示。检测结果显示,材料硅含量接近 但是抗拉

160 MPA;强度较低,最高仅 金相组织中初晶硅颗粒分布不均匀,且晶粒粗大。经机加工试切,加工性能极差。经分析为缸体铸造工艺引起,缸体初晶硅晶粒粗大,且不均匀,晶粒粗大部位硬度极高,易打刀卷韧,并导致其他部位基体整体强度降低,因此该砂铸铝缸体不适于作为缸孔珩磨工艺研究对象。

3.2 珩磨工艺研究对象选择-高压铸造高硅铝缸体

因为缸体砂型铸造工艺尚不成熟,改用高压铸造工艺缸体作为研究对象。联合清华大学针对全铝发动机缸体,开发了真空压铸技术,研究了真空压铸工艺对高硅铝合金力学性能的影响规律,并采用模拟仿真优化了全铝缸体的模具冷却及热

平衡设计,研究出缸体实体零件的充型凝固顺序,获得相关缸体零件在实际压铸过程中可能形成的缺陷,并由此进行工艺优化,特别是针对缸筒部位,进行了强制冷却以保证顺序凝固,避免该部位出现缩孔缩松等缺陷。 在压铸工艺最终确定后,缸体由营口华润金属10铸造有限公司负责铸造生产,如图 所示。原机缸体为铸铁材料,现调整为高硅铝缸体,缸体基本信 8,息见表 缸体材料元素含量、机械性能检测结果如9 10 11 11表 、表 所示,金相组织检测结果如表 、图 所示。缸体气缸工作面范围内初晶硅分布均匀性稍10-30 μm差,初晶硅颗粒偏小,大部分在 范围内,最60 μm 1 cm2 10- 30 μm大尺寸不大于 。 的磨削面上18 000 40-60 μm初晶硅颗粒大约分布 颗; 初级硅颗3 100粒约分布 颗。

V8与对标发动机砂型铸造缸体相比,选择进行珩磨工艺研究的压铸缸体在材料力学性能及金相组织方面存在差异,主要由于铸造工艺不同,初晶硅颗粒大小及分布存在差异引起,因此珩磨网纹参数目标设定有所区别。

3.3 珩磨网纹目标确定

通过对珩磨机理研究、以及对标缸体珩磨测量分析,与平顶网纹不同,高硅过共晶缸体珩磨网纹参数中影响缸孔耐磨性及寿命的主要为Rpk值Rk的大小,影响缸孔表面的储油润滑能力的为B10 20值。目前乘用车发动机普遍要求 寿命 万公30 B10里,少数高端发动机能达到 万公里,按照 寿30命 万公里计算,对照进口对标样机网纹值测量0.01- 0.02 μm/结果,磨损量达到 万公里。综合考虑压铸缸体与砂型铸造缸体在硅晶粒大小与分布上的差异性,初步确定了缸孔珩磨网纹目标。

4 珩磨工艺研究及实现 4.1 珩磨工序

国外高硅过共晶缸体珩磨工艺过程与缸孔平顶珩磨的主要区别在于,除常规的珩磨工序外,还增加了硅开放工序。

珩磨时首先把边缘受损的、不平整的和破碎的硅晶体珩磨掉,从而获得相对平整和一致的表面光洁度,接下来对硅晶体间的铝基珩磨切削,也称为硅晶体的开放,将缸孔表面上的硅磨成微观上极其小但非常坚硬的颗粒并露出。硅颗粒硬度高,耐磨性好,增强了缸孔表面与活塞和活塞环相对运动表面的抗磨性。4结合目前铁缸套平顶网纹珩磨经验,选择 道

3珩磨工序实现,前道工序与平顶珩磨相近,分为 粗珩、半精珩、精珩工序,另外增加硅开放工序。

4.2 珩磨设备

珩磨设备选用美国善能立式单轴珩磨机及配SV- 20套珩磨头。珩磨机采用善能 立式珩磨机19- 203 mm,床,加工内径范围 该珩磨机为单轴加工机床,适合小批量试制或珩磨工艺研究,操作简SV- 20单、加工精度高、灵活性强。珩磨头选用与GHTS- 2800立式珩磨机床配套的 型珩磨头,其适71- 91 mm; GT181用直径范围 油石座型号 。珩磨12设备如图 所示。

4.3 珩磨油石

3考虑到珩磨工艺研究为首次摸索阶段,前 道SIC珩磨均选用成本较低、加工灵活的 油石,硅开放工序采用适于试制研究的毛毡配合研磨膏形12式。珩磨油石具体规格如表 所示。

4.4 珩磨液

为保证良好的珩磨稳定性和润滑作用,粗珩、5 μm半精珩、精珩工序均使用油基珩磨液,并使用以下过滤罐过滤,确保珩磨油清洁度,保证珩磨精度;硅开放工序使用研磨膏。

4.5 珩磨夹具

珩磨夹具依据待珩磨的汽油发动机过共晶铝缸体结构特点设计、加工。

4.6 珩磨加工方案

经不断尝试,依据缸孔底孔加工余量的大小,确13定珩磨加工方案如表 所示。珩磨加工特点如下:

a.粗珩、半精珩、精珩进给量与铸铁缸套珩磨类似; b.进给压力粗珩稍小,避免产生过深沟槽,半精珩和精珩稍大; c. 20 s每道工序均分次珩磨,以 为一个时间单位,根据实际情况适当调整; d.为有效控制缸筒加工圆柱度,应设置合理的缸孔顶部超程与底部超程; e.硅开放工序采取毛毡与研磨膏配合方式进行研磨加工,在挤压力作用下研磨缸筒内壁,将铝基体去除,漏出硅颗粒。加工要求为慢转速、低冲程、轻压力,分段加工确定合理的珩磨时间。

4.7 珩磨试制结果

3依据缸筒表面硅颗粒分布形态,按照“道传统+珩磨 硅开放”的珩磨工序分步珩磨、测量,并不断修正珩磨工序参数,经多次加工试验,最终完成了14缸体珩磨加工。珩磨试制测量结果如表 所示。

5 珩磨效果验证 5.1 验证对象

为了验证珩磨试制效果,进行了台架整机可15靠性试验。试验发动机基本信息如表 所示。

5.2 试验工况

为尽快验证珩磨缸孔的耐磨性能,选择机械负荷、热负荷最大的全速全负荷试验工况,试验时 间100 h。

5.3 试验结果

100 h经 发动机整机台架可靠性试验,试验前2%,后发动机功率最大变化 试验前后活塞漏气量12%,变化最大 但漏气量整体偏高,机油燃油消耗1.15‰ 0.7‰比试验前 、试验后 。其中试验前后发13动机性能变化曲线如图 所示,活塞漏气量变化14曲线如图 所示。 15试验前后缸体缸筒变形测量结果如图 所2 3示,试验前缸筒 阶变形超差,其中 缸超差明显; 2 2 3 3试验后缸筒 阶变形超差加剧,缸、缸 阶变形超差。总体来说缸筒变形测量结果不理想,这也是引起活塞漏气量整体偏高的主要原因。主要是缸体材料从原来的铸铁材料直接改为高硅过共晶

铝合金,未针对铝合金材料特点进行针对性的结

16构修改引起。不同缸体材料基本性能对比如表

16所示,从表 中数据可以看出,灰铸铁的弹性模量、热导率和热膨胀系数存在明显差异,因此铝缸体的结构设计必须结合其材料特性。材料特性和铸造生产方式不同,决定了铸铁缸体的结构不能直接用于铝缸体。 17试验后缸孔网纹测量结果如表 所示,缸孔16网纹照片及表面轮廓曲线如图 所示。试验后缸Rpk V8筒网纹除峰顶 值减小,与 发动机使用后缸体网纹测量结果接近;但是按照试验时间和使用Rpk寿命综合计算,缸筒网纹峰顶 值减小过快,这与缸筒变形及初晶硅颗粒大小及分布很关。

6 结束语

通过对高硅铝合金无缸套铝缸体珩磨特点进 行研究以及实际珩磨工艺试制实现,确定的珩磨参数目标基本达到,明确了高硅铝合金缸体的珩磨工艺特点。

此次珩磨工艺的实现主要以研究和试制为目的,珩磨工艺及设备的选择适用于试制或小批量生产,工艺的批量实现可依据珩磨设备以及批产数量可以适当调整。

100 h本次珩磨的缸体通过了台架 台架可靠性试验,但是由于缸筒变形较大以及缸孔表面初晶硅颗粒太小、分布不均匀性影响,缸筒表面耐磨性仍然不足。

压铸缸体材料强度、缸孔表面初晶硅的颗粒大小及分布形态相比国外砂铸缸体样机仍有差异,需要进一步研究改善。

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图1 缸体结构形式 c) ( 铸入式缸套铝缸体

a) ( 铸铁缸体

b) ( 压入式缸套铝缸体

图4 典型的高硅过共晶铝缸体珩磨网纹轮廓曲线及网纹

图2 典型缸孔平顶珩磨网纹形式

图3 气缸工作面金相组织100×

图7 某进口汽油机过共晶铝缸体缸筒表面形貌

图6 V8缸体材料金相组织100×

图8 砂铸高硅过共晶缸体图

图5 V8发动机缸体

图9 砂铸缸体金相组织100×

图10 压铸高硅过共晶缸体

图12 珩磨设备

图11 压铸缸体金相组织100×

图15 试验前后缸筒变形测量结果

图16 试验后缸孔表面网纹照片及轮廓曲线

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