CN105221283A - 一种发动机缸孔及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发动机缸孔及其加工方法，所述缸孔表面分布有凹腔阵列；所述凹腔的尺寸为微米尺度；所述凹腔在不同行的初始位置存在偏移，偏移角度α∈[30,90]°，所述凹腔(10)的分布密度ρ∈[5,20]％；所述凹腔在所述缸孔轴向和所述缸孔周向分别具有不同的间距，即保持周向间距M不变，增大轴向N间距，在高速区域进行高密度的微凹腔形貌加工，在低速区域进行低密度的微凹腔形貌加工；通过变化所述凹腔的密度，减少所述凹腔个数，通过机械珩磨加工获得镜面缸孔，随即通过激光在缸孔表面加工获得具有特殊均匀分布规律的、尺寸在微米级的圆形凹腔阵列；凹腔在缸孔-活塞环相对运动过程中，以最少的润滑油损耗，形成连续的润滑油膜，并发挥微动压润滑效应。

Description

一种发动机缸孔及其加工方法

技术领域

本发明属于内燃机领域，具体涉及一种发动机缸孔及其加工方法。

背景技术

缸孔-活塞环摩擦副是发动机中典型的摩擦副之一，决定了发动机的使用性能和寿命，而缸孔表面的纹理结构又与发动机排放性能息息相关。以往，发动机缸孔加工普遍采用机械珩磨工艺，通过降低缸孔粗糙度，形成交叉平台网纹，改善缸孔-活塞环摩擦副间的润滑状况。近年来，随着特种加工，特别是高能激光加工技术的进步，出现了缸孔激光织构技术。它具有节能减排、高效加工、无刀具损耗和环境友好等优点，得到产业界关注。

CN200510116292公开了一种在工件承受摩擦负载面加工微槽结构的激光珩磨工具。该专利未提出加工前缸孔的表面要求，而事实上是非常关键的，且该专利激光加工位置的选取并没有考虑缸孔表面的磨损分布，针对性不足。此外，该专利中的微槽结构尺寸过大，无法形成微动压润滑效应。

不同于上述激光中提及的激光珩磨技术，缸孔激光织构技术是在缸孔表面加工大量密度、分布和深度都精确可控的圆形微凹腔阵列。CN201310266008公开了一种缸孔加工方法，该方法包括前处理、表面织构、后处理和检测。该专利在缸孔表面进行分区域的激光微织构加工，然而，其分区域的设置并没有结合发动机实际工况，以及缸孔-活塞环之间的相对运动。因此该方法中，微凹坑在缸孔的轴向和周向都为均匀分布。

发动机缸孔与活塞环摩擦副具有显著的特点：一方面，它具有偏磨现象，缸孔不同区域的磨损状况是不相同的，在上止点区域和与活塞裙部接触的区域极易发生磨损而影响发动机的性能和寿命。再者，它具有变速特性，在不同行程位置，缸孔表面与活塞环具有不同的相对速度和加速度，因而受力情况也不尽相同。最后，它还具有温度场分布不均匀性，在燃烧室和上止点附近，温度较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提供一种发动机缸孔及其加工方法，解决发动机缸孔表面微凹腔阵列减摩技术中，加工效率低、易于出现由于表面支撑率下降导致的磨损、排放性能差的问题。

本发明的技术方案是：一种发动机缸孔，所述缸孔表面分布有凹腔阵列；所述凹腔的尺寸为微米尺度；所述缸孔表面非凹腔的区域粗糙度Ra值小于或等于0.2μm；

所述凹腔在不同行的初始位置存在偏移，所述凹腔在所有行的初始位置的连线为所述初始位置线；所述初始位置线与缸孔周向相交所成的角度为偏移角度α,所述偏移角度α∈[30,90]°。

上述方案中，所述凹腔的轮廓为圆形，所述凹腔的直径R∈[10,300]μm，所述凹腔的深度H∈[2,20]μm。

上述方案中，所述凹腔在所述缸孔的分布密度ρ∈[5,20]％；所述分布密度ρ＝π×[凹腔直径R]²/[4×sin偏移角度α×轴向间距N×周向间距M]×100％。

上述方案中，所述缸孔表面分为非加工区域、区域A、区域B和区域C；

所述非加工区域为发动机运行过程中，所述缸孔与活塞环非接触区；

所述区域A为上止点线临近区域，所述区域A的长度L_A为所述缸孔总长L_总的5％-15％；

所述区域B为活塞主、次推力面与所述缸孔表面接触区域；

所述区域C为下止点线与所述区域A之间除去所述区域B的区域；

所述凹腔在所述区域A、所述区域B和所述区域C中的分布密度分别为ρ_A、ρ_B、ρ_C，大小排列为：ρ_A≥ρ_B≥ρ_C。

进一步的，所述凹腔在所述区域A、所述区域B和所述区域C中的分布密度分别为：15％≤ρ_A≤20％，10％≤ρ_B≤15％，5％≤ρ_C≤10％。

进一步的，所述凹腔的轴向间距N沿所述缸孔轴向递增，所述凹腔在所述区域A、所述区域B或所述区域C内的分布密度从各区域的上部到下部差值为3％-10％。

一种所述发动机缸孔的加工方法，包括以下步骤：

S1：前处理，采用机械珩磨平整加工前表面；

S2：表面织构，采用聚焦激光束在所述缸孔表面加工所述凹腔阵列；

S3：后处理，采用机械抛光清洁加工后表面。

上述方案中，所述步骤S1中机械珩磨具体工艺为：首先采用金刚石珩磨条去余量，然后采用软木条平整所述前表面；所述前表面的表面参数范围为Rpk≤0.2μm，Rk≤0.4μm，Rvk≤1.0μm。

上述方案中，所述步骤S2中，所述聚焦激光束的单脉冲能量为0.5-2.5mJ；

所述聚焦激光束从所述缸孔上部往下部加工，在所述区域A、所述区域B或所述区域C的初始时刻，数控系统记录首个激光脉冲作用在所述缸孔表面的轴向及周向位置；

以相等周向间距M加工完成一行所述凹腔后，数控系统控制所述聚焦激光束作用在下一行的首个脉冲作用位置，其轴向位置为上一行首个脉冲作用轴向位置加上两行间的轴向间距N，其周向位置为上一行首个脉冲激光脉冲作用的周向位置加上偏移量，后续行的所述凹腔阵列的加工逻辑相同；所述偏移量为该行与上一行的轴向间距N×[tan偏移角度α]。

上述方案中，所述步骤S3中后处理的具体工艺为：首先采用金刚石珩磨条去余量，然后采用软木条平整所述后表面；所述后表面Rpk≤0.3μm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明根据缸孔-活塞环摩擦副的磨损和速度特性，结合所述凹腔在所述缸孔轴向和所述缸孔周向分布密度的变化，实现以最少的所述凹腔形貌的加工，在缸孔表面形成连续的润滑油膜和微动压润滑效果。

2、本发明通过所述凹腔在所述缸孔轴向和所述缸孔周向分别具有不同的间距，即保持周向间距M不变，增大轴向N间距，从而变化所述缸孔表面的凹腔密度，减少所述凹腔形貌的加工。

3、本发明还通过所述凹腔在所述缸孔轴向的分布密度与缸孔-活塞环的相对运动速度关联，在高速区域进行高密度的所述凹腔形貌加工，在低速区域进行低密度的所述凹腔形貌加工，使得在ρ_A≥ρ_B≥ρ_C。

4、本发明通过机械珩磨加工获得镜面缸孔，随即通过激光在缸孔表面加工获得具有特殊均匀分布规律的、尺寸在微米级的圆形凹腔阵列；所述凹腔在缸孔-活塞环相对运动过程中，以最少的润滑油损耗，形成连续的润滑油膜，并发挥微动压润滑效应。

5、本发明通过减少所述凹腔形貌的加工量，提高生产效率，减少加工能耗。

6、本发明通过减少所述凹腔在缸孔表面形成的空体体积，进而减少缸孔表面的机油蒸发，对于发动机整机而言，燃油耗降低4～5％左右，机油耗降低30～50％左右，最终提升排放性能。

7、本发明通过缸孔表面空体体积的减少，使其表面支撑率大幅上升，减少缸孔表面和活塞环接触面的压强，从而降低磨损。

8、本发明中虽然所述凹腔个数减少，但是它们对所述缸孔表面润滑、减摩的效果并没有显著减弱。

附图说明

图1是本发明一实施例中缸孔示意图。

图2是本发明一实施例中缸孔剖切展平示意图。

图3是本发明一实施例中局部凹腔阵列示意图。

图中，1、缸孔；2、缸孔轴向；3、缸孔周向；4、非加工区域；5、上止点线；6、下止点线；7、区域A；8、区域B；9、区域C；10、凹腔；11、初始位置线。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明实施例中缸孔1示意图，一种发动机缸孔，所述缸孔1表面分布有凹腔10阵列，所述凹腔10阵列的尺寸为微米尺度，所述缸孔1表面非凹腔10的区域粗糙度Ra值小于等于0.2μm。本发明所述缸孔1的表面更加平整，使得发动机运转过程中，活塞环中的油环刮油效果改善，同时减少所述缸孔1表面机油蒸发引起的整机机油耗上升。

图2所示为本发明实施例中缸孔1剖切展平示意图，定义所述缸孔1的圆周方向为缸孔周向3；所述缸孔1的中心轴线方向为缸孔轴向2。那么，所述凹腔10阵列在所述缸孔周向3的间距为周向间距M，在所述缸孔轴向2的间距为轴向间距N。

图3所示为本发明实施例中局部凹腔阵列示意图，所述缸孔周向3同时也是所述凹腔10阵列的行方向；所述凹腔10在不同行的初始位置存在偏移，所有行的初始位置的连线为初始位置线11，所述初始位置线11与所述缸孔周向3所成角度为偏移角度α，所述偏移角度α∈[30,90]°。

在本实施例中，所示凹腔10的轮廓优选地为圆形，其直径∈[10,300]μm，深度∈[2,20]μm，偏移角度α∈[45,90]°。

进而定义所述缸孔1表面某一位置的凹腔10的分布密度ρ＝π×[凹腔直径]²/[4×sin偏移角度α×轴向间距N×周向间距M]×100％；所述缸孔1表面任意位置的所述凹腔10的分布密度ρ∈[5,20]％，所述凹腔10在所述缸孔1表面某区域的分布密度ρ与该区域在所述缸孔周向3和所述缸孔轴向2的位置有关。

图2所示，所述缸孔1总长L_总为150mm，所述缸孔1的直径为73mm。所述缸孔1表面分为非加工区域4、区域A7、区域B8和区域C9。其中，所述非加工区域4为发动机运行过程中，所述缸孔1与活塞环非接触区,所述非加工区域4的长度L_非；所述区域A7为上止点线5临近区域，所述区域A7的长度L_A为所述缸孔1总长L_总的5％-15％；所述区域B8为活塞主、次推力面与缸孔1表面接触区域，所述区域B8的长度为L_B，宽度为W_B；所述区域C9为下止点线6与所述区域A7之间除去所述区域B8的区域，所述区域C9的长度为L_C，宽度为W_C。

所述凹腔10在所述区域A7、所述区域B8和所述区域C9中的分布密度分别为ρ_A、ρ_B、ρ_C，所述ρ_A、所述ρ_B和所述ρ_C大小排列具有以下分布规律：ρ_A≥ρ_B≥ρ_C，并且所述轴向间距N沿所述缸孔轴向2递增，使得所述凹腔10在所述区域A7、所述区域B8或所述区域C9内的分布密度从各区域的上部到下部差值为3％-10％；各区域所述凹腔10分布密度最大值，为各区域所述凹腔10的分布密度。在本实施例中，所述凹腔10在所述区域A7、所述区域B8和所述区域C9中的分布密度优选为：15％≤ρ_A≤20％，10％≤ρ_B≤15％，5％≤ρ_C≤10％。

一种所述发动机缸孔的方法分为以下三个步骤：

S1：采用机械珩磨平整加工前表面，具体工艺为首先采用金刚石珩磨条去余量，然后采用软木条平整所述前表面；所述前表面的表面参数范围为Rpk≤0.2μm，Rk≤0.4μm，Rvk≤1.0μm。

S2：采用聚焦激光束在所述缸孔1表面加工所述凹腔10阵列，具体工艺为，所述聚焦激光束的单脉冲能量为0.5-2.5mJ；

所述聚焦激光束从所述缸孔1上部往下部加工，在所述区域A7所述区域B8或所述区域C9的初始时刻，数控系统记录首个激光脉冲作用在所述缸孔1表面的轴向及周向位置；

以相等周向间距M加工完成一行所述凹腔10后，数控系统控制所述聚焦激光束作用在下一行的首个脉冲作用位置，其轴向位置为上一行首个脉冲作用轴向位置加上两行间的轴向间距N，其周向位置为上一行首个脉冲激光脉冲作用的周向位置加上偏移量，后续行的所述凹腔10的加工逻辑相同，所述偏移量为该行与上一行的轴向间距N×tan(偏移角度α)。

S3：采用机械抛光清洁加工后表面，具体工艺为首先采用金刚石珩磨条去余量，然后采用软木条平整后表面，使得所述后表面Rpk≤0.3μm。

本发明根据缸孔-活塞环摩擦副的磨损和速度特性，结合所述凹腔1在所述缸孔轴向2和所述缸孔周向3分布的变化，实现以最少的所述凹腔1的形貌加工，在所述缸孔1表面形成连续的润滑油膜和微动压润滑效果。较现有技术，本发明减少所述凹腔1的形貌加工的方法为：变化所述缸孔1表面的所述凹腔1的形貌密度，分为两种途径：其一，所述凹腔1的形貌在所述轴向2和所述周向3分别具有不同的间距，即保持周向间距M不变，增大轴向间距N；其二，所述凹腔1的形貌在所述缸孔轴向2的分布密度与缸孔-活塞环的相对运动速度关联，在高速区域进行高密度的所述凹腔1的形貌加工，在低速区域进行低密度的所述凹腔1的形貌加工。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机缸孔，其特征在于，所述缸孔(1)表面分布有凹腔(10)阵列；所述凹腔(10)的尺寸为微米尺度；所述缸孔(1)表面非凹腔(10)的区域粗糙度Ra值小于或等于0.2μm；

所述凹腔(10)在不同行的初始位置存在偏移，所述凹腔(10)在所有行的初始位置的连线为所述初始位置线(11)；所述初始位置线(11)与缸孔周向(3)相交所成的角度为偏移角度α,所述偏移角度α∈[30,90]°。

2.根据权利要求1所述的发动机缸孔，其特征在于，所述凹腔(10)的轮廓为圆形，所述凹腔(10)的直径R∈[10,300]μm，所述凹腔(10)的深度H∈[2,20]μm。

3.根据权利要求1所述的发动机缸孔，其特征在于，所述凹腔(10)在所述缸孔(1)的分布密度ρ∈[5,20]％；所述分布密度ρ＝π×[凹腔直径R]²/[4×sin偏移角度α×轴向间距N×周向间距M]×100％。

4.根据权利要求3所述的发动机缸孔，其特征在于，所述缸孔(1)表面分为非加工区域(4)、区域A(7)、区域B(8)和区域C(9)；

所述非加工区域(4)为发动机运行过程中，所述缸孔(1)与活塞环非接触区；

所述区域A(7)为上止点线(5)临近区域，所述区域A(7)的长度L_A为所述缸孔(1)总长L_总的5％-15％；

所述区域B(8)为活塞主、次推力面与所述缸孔(1)表面接触区域；

所述区域C(9)为下止点线(6)与所述区域A(7)之间除去所述区域B(8)的区域；

所述凹腔(10)在所述区域A(7)、所述区域B(8)和所述区域C(9)中的分布密度分别为ρ_A、ρ_B、ρ_C，大小排列为：ρ_A≥ρ_B≥ρ_C。

5.根据权利要求4所述的发动机缸孔，其特征在于，所述凹腔(10)在所述区域A(7)、所述区域B(8)和所述区域C(9)中的分布密度分别为：15％≤ρ_A≤20％，10％≤ρ_B≤15％，5％≤ρ_C≤10％。

6.根据权利要求4所述的发动机缸孔，其特征在于，所述凹腔(10)的轴向间距N沿所述缸孔轴向(2)递增，所述凹腔(10)在所述区域A(7)、所述区域B(8)或所述区域C(9)内的分布密度从各区域的上部到下部差值为3％-10％。

7.一种权利要求1所述发动机缸孔的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：前处理，采用机械珩磨平整加工前表面；

S2：表面织构，采用聚焦激光束在所述缸孔(1)表面加工所述凹腔(10)阵列；

S3：后处理，采用机械抛光清洁加工后表面。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中机械珩磨具体工艺为：首先采用金刚石珩磨条去余量，然后采用软木条平整所述前表面；所述前表面的表面参数范围为Rpk≤0.2μm，Rk≤0.4μm，Rvk≤1.0μm。

9.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述聚焦激光束的单脉冲能量为0.5-2.5mJ；

所述聚焦激光束从所述缸孔(1)上部往下部加工，在所述区域A(7)、所述区域B(8)或所述区域C(9)的初始时刻，数控系统记录首个激光脉冲作用在所述缸孔(1)表面的轴向及周向位置；

以相等周向间距M加工完成一行所述凹腔(10)后，数控系统控制所述聚焦激光束作用在下一行的首个脉冲作用位置，其轴向位置为上一行首个脉冲作用轴向位置加上两行间的轴向间距N，其周向位置为上一行首个脉冲激光脉冲作用的周向位置加上偏移量，后续行的所述凹腔(10)阵列的加工逻辑相同；所述偏移量为该行与上一行的轴向间距N×[tan偏移角度α]。

10.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中后处理的具体工艺为：首先采用金刚石珩磨条去余量，然后采用软木条平整所述后表面；所述后表面Rpk≤0.3μm。