CN101319721B - 基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准，采用接触式或非接触式三维粗糙度测量仪对气缸套内孔平台珩磨网纹进行检测，提供二维及三维扫描图形，并读出三维参数数值形成技术标准，依技术标准评价平台珩磨网纹，技术标准的三维参数包括评定表面缺陷参数、网纹角度、功能参数、三维表面偏斜度和表面的三维均方根偏差，三维参数的使用改变原二维参数的理论缺陷，在满足缸套网纹要求的同时更具普遍性。本发明淘汰传统的复膜检验，使用三维粗糙度测量仪，改变网纹形状检测方法效率低下、精度受限的状况，通过对细微结构特征如片盖、粗大峰谷等的量化要求，实现气缸套质量的严格控制。

Description

基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准

技术领域

本发明涉及技术标准，具体涉及一种基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准。

背景技术

气缸套内表面采用珩磨工艺加工成深沟槽与小平台均匀相间的交叉网纹表面。同时，对珩磨网纹的表面网纹角度、沟槽深度和数量、轮廓图形的偏斜度、轮廓支承长度率以及表面层的加工质量等有一定的要求。具有这些要求的珩磨表面称为平台珩磨网纹表面。

平台珩磨网纹有利于润滑油的存储及油膜的形成和保持，并且具有较高的表面支承率，能够承受较大载荷，耐磨损，同时由于珩磨速度低，发热量很小，工件表面几乎没有热损伤和变质层。平台珩磨网纹工艺已成为发动机气缸套、气缸孔以及工程机械中重要的液压缸等精密偶件孔加工必不可少的工艺技术，在大功率重载、高速类汽车发动机和中低速船柴发动机中得到普遍重视。

气缸套是发动机的核心零件，而发动机是汽车的心脏，各主机厂对气缸套内表面的平台珩磨网纹都提出了苛刻的要求，远高于现在的行业标准。平台网纹特殊的结构和功能要求，一方面体现在对加工设备的要求上，另一方面则是平台网纹结构的正确描述和检测。

关于气缸套的各种行业标准中，如TB/T1429-2006、JB/T5038-2005等，对内表面平台珩磨网纹的技术要求一般作如下约定：按JB/T9768-1999中的技术规范或产品图样规定进行，平台珩磨表面粗糙度符合GB/T18778.1-2002规定的滤波方法，支承率曲线(也称Abbott曲线)应符合GB/T18778.2-2003的相关规定。随着汽车尾气排放标准以及油耗等要求的不断加强，随着国际交流的频繁、制造的全球化，不同主机厂和制造厂对气缸套平台珩磨表面的要求还参照了德国DIN4776标准、日本JISD3103标准，对气缸套的质量提出了更高的要求。不同主机厂对气缸套平台珩磨网纹的要求以及缸套生产企业执行的技术标准，主要有以下几点：

①网纹形状的要求：网纹清晰，切边干净，珩磨表面不得有撕裂和挤出的材料。表面不得有金属折叠、尖角、毛刺、亮斑、碎片、裂纹和夹杂物等缺陷，两个方向的珩磨网纹均匀一致，在气缸套中心线方向的夹角135°±15°(或缸套内径的切线方向上45°±15°)。

②在4mm长度内，珩磨网纹的沟槽深度大于等于4μm的沟槽数至少有5个。

③网纹参数要求如表1(按5点平均值验收)

表1网纹参数要求

④单点网纹要求：

每只缸套网纹各测点间的R_z差值＝(R_zmax-R_zmin)＜2μm；

每只缸套网纹各测点间的R_k差值＝(R_kmax-R_kmin)＜0.4μm；

每只缸套网纹各测点间的R_vk/R_k＞2；

每只缸套网纹各测点间的R_pk≤0.32μm。

⑤轮廓偏斜度R_sk＝-0.8～-3.0(按5点平均值验收)。

⑥R_a值随缸套直径的增大而变宽，一般要求在0.7～1.7μm范围内。

从气缸套平台珩磨网纹的技术标准上可以知道，各主机厂包括缸套生产企业对网纹结构都非常重视，其要求都高于现行的行业标准。但是现在的技术标准和检测方法还存在一些列的不足之处：

①网纹形状要求及检测方法的不足。对网纹形状要求通常的测量和评定方法为通过特殊制作的薄膜贴制复膜片，再放到显微镜下拍摄复膜照片用于分析。这样的过程无疑存在两问题，一是效率低下，二是精度受限。复膜片无法反映细微结构特征，正是这些细微结构对气缸套的质量存在重要影响，虽然当前的技术要求规定不允许有各种表面缺陷，但是利用现有的测量方法和手段并没有把这种缺陷表达清楚。

如表面金属折皱或层叠以及残留碎片的情况，国外的技术资料中称为片盖(sheet cover)，这些表面缺陷严重影响了平台珩磨网纹的清晰度，影响了平台网纹结构的预期功能，是影响内燃机摩擦副的跑合性能、初期拉缸甚至烧缸趋势、初始油耗的主要原因，同时对表面的石墨裸露率产生影响。

气缸套在珩磨加工时，由于金属表层的组织变形不仅导致缸套工作表面的石墨产生变形或损伤，表面的石墨裸露率的减少将影响缸套工作表面润滑和存储润滑油的能力，而且变形的结果使表面产生一层片状覆盖物，这些片状物与基体材料松散连接，在表面呈现出严重的撕裂和存在大量的金属碎片，并在珩磨网纹沟槽的切削边缘形成金属摺叠，发动机在运转时首先磨去的是损伤了的材料，从而加长了磨合时间，往往还是缸套初期拉伤的主要原因。

平台珩磨中使用金刚石砂条，因其粘接基体为铜，它的自锐性较差，在珩磨过程中如果要实现深沟槽拉削，则必须通过加大珩磨机的高压涨油压，这样会导致金属折皱的加剧；同时细小的颗粒常常与基体材料脱离，许多细小的颗粒会粘在工件的表面也形成片盖；国内一般通过单向的双进给实现平台网纹，这样无法通过自身珩磨砂条清除网纹沟槽中的金属折皱，影响网纹沟槽的清晰度及石墨裸露率。

上述的问题实际是平台网纹珩磨机加工作业中尚未解决的一大问题，但是利用现有的测量方法和手段并没有把这种缺陷表达清楚，从而限制了正品气缸套的品质。

②内表面粗大峰谷的忽视。通过高精度的测量会发现缸套内表面具有深的凹点状或小孔状缺陷，即麻点数，还有可能是尖角或毛刺，既内表面具有粗大峰和谷。对于平台网纹珩磨表面来说，以谷深居多，即麻点。在合金铸铁缸套中，较大的铸造缺陷如夹杂、疏松、孔眼等是很容易分辨和测量的，标准技术规范中也对他们进行了约定。但是这种细微表面缺陷，以复膜照片的精度是难以观察的。我们知道对于气缸套来说，必须进行水压试验，水压试验的一般要求是：在全长范围内水压力1MPa、历时5小时，不得有渗漏、浸润现象；在距上端大于活塞行程30％的范围内，试验压力大于装用机型最高爆发压力的1.3倍，保压时间为5小时，最高试验压力可达20MPa，不得有渗漏现象。麻点缺陷对水压试验的渗漏、浸润现象有重要影响。当麻点呈密集分布时已使气缸套的质量无从谈起。另外，当发动机高速运转时，缸套内表面的微孔状缺陷还是产生噪声的源头之一。

③网纹角度测量的不足。同样网纹角度的测量也只能通过复膜照片，其效率低下、精度受限。网纹夹角是平台网纹的一个重要参数。网纹夹角的大小由珩磨头回转速度与上下往复运动速度决定，网纹夹角的大小和均匀程度决定了缸孔表面油膜的稳定性和机油消耗的大小，从而影响发动机工作性能及寿命。若过小，储油能力下降，发动机活塞与缸孔之间的润滑状况变差，在发动机启动和加速工况下，因机油不足而加剧活塞环磨损；若过大，影响油膜的均匀性，并且影响油环刮油效果，造成机油燃烧，而导致机油消耗增加和排放超标。同时，造成交叉网纹的交叉点切断长度大，使测量误差变大。

④网纹参数的理论缺陷。在当前技术要求中列出的网纹参数、包括单点网纹要求是参照德国DIN4776标准、日本JISD3103标准制定的，我国在2003年也参照ISO标准制定了类似的GB/T18778.2-2003标准。这组参数或标准体系有一项缺点，它仅适用于评定承受高机械应力表面的工作性能。标准中参数设定的主要依据是一条等效线，有些地方称为最小割线或回归线，等效线用包含40％的被测轮廓点的支承率曲线的核心区域来计算，依据等效线把轮廓分为峰区、核心区和谷区三个部分，据此再设定一组评定参数。作为这套评定体系的主要依据“等效线”是基于经验的，并没有严密的理论基础，所以它的应用范围很窄，仅对高机械应力表面适用。即使是对缸套珩磨表面这样的典型应用，也会出现测量结果的失真，比如轮廓三个区域的两个分界线值M_r1、M_r2值会完全不合理。同时这种方法本身受到测量仪器分辨率的影响较大，受测量仪器分辨率影响较大的原因之一就是参数本身未能反映表面的固有特性。

⑤轮廓算术平均偏差R_a值不合理。在缸套内表面的技术要求中，特别是早期的缸套检测中都会有轮廓算术平均偏差R_a值的要求，这个参数的应用同样也具有一定的问题。就轮廓算术平均偏差R_a而言，它仅表示表面轮廓的平均粗糙程度，它对这种平台加深沟槽的特殊结构的描述显然是不全面的，它的数值大小不能代表珩磨表面的精度等级，往往会导致加工要求过高，其性能反而下降的情况。而且轮廓算术平均偏差R_a和网纹参数中的高度参数R_pk、R_k、R_vk重复，并且没有它们描述的细致。建议取消。

⑥二维参数的失真。上述技术要求中量化参数都有一个共同的致命缺陷，平台网纹结构所表现出来的优良性能，只有在面上才能够体现，平台与网纹都是建立在一定面积的区域上，再长的轮廓都不能反映其本质特征，仅仅用基于二维轮廓的参数想要准确描述整个面上的特征显然是不够的。同时零件的加工过程是个随机过程，表面具有大量随机的、杂乱的尖峰与结构，即使是周期性较强的规则表面，也会包含不同程度的随机量，传统的表面质量评定仅基于一段二维轮廓，从统计的观点看可靠性很差，由于信息量的限制导致二维参数的测量值存在较大的偏差。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准，采用三维粗糙度测量仪对表面进行三维分析。技术标准的三维参数是从区域表面而非轮廓轨迹获得，3D分析提取的统计信息更具鲁棒性和可靠性，具有统计特性好、误差小等优点，使参数值能够反映表面真实的状态。平台网纹技术标准在给实际表面做出完整、准确评价之后，能够反馈到加工工艺过程和工艺参数，具有较对应的可操作性，一个完善的技术标准实质上是行业和企业的综合制造水平和检测水平的体现。

本发明的技术解决方案是：采用接触式或非接触式三维粗糙度测量仪对气缸套内孔平台珩磨网纹进行检测，采集二维及三维扫描图形，读出三维参数数值形成技术标准，依技术标准评价平台珩磨网纹。

技术标准的三维参数包括评定表面缺陷参数、网纹角度、功能参数、三维表面偏斜度和表面的三维均方根偏差，其中，评定表面缺陷参数有单位面积的金属片盖数和单位面积的粗大峰谷数，其中，功能参数有表面支承指数、中心液体滞留指数和谷区液体滞留指数。

本发明的基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准中，单位面积mm²的金属片盖数≤12，单位面积mm²的粗大峰谷参数≤6；气缸套中心线方向的夹角135±15°，或缸套内径的切线方向夹角45±15°；表面支承指数0.608＜S_bi＜1.20，中心液体滞留指数0＜S_ci＜1.5，谷区液体滞留指数0.12＜S_vi＜2.0；三维表面偏斜度-0.9＜S_sk＜-3.2；表面的三维均方根偏差0.9μm＜Sq＜2.1μm。

本发明的基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准中，采集的三维参数如下：

1、表面缺陷的评定：要求网纹清晰，具体指标以单位面积(mm²)的金属片盖数量SIM_p不超过允许值，单位面积(mm²)的粗大峰谷SIM_c不超过允许值约定。

虽然当前的技术要求规定不允许有各种表面缺陷，但现有加工技术并不能杜绝，同时现有复膜测量由于精度的限制也不能准确描述，而正是这些细微结构对气缸套的质量存在重要影响。在具备较高精度测量手段时，我们可以明确观察并描述这类缺陷，同时根据使用要求确定其量化指标，显然是合理的。

对于平台珩磨网纹而言，通过表面扫描的图形可知，表面缺陷的主要形式为片盖和粗大峰谷。设定片盖数量SIM_p指标是因为：片盖实际是表层的组织变形、金属折皱、层叠、夹杂物以及残留碎片等缺陷的综合。设定粗大峰谷SIM_c指标是因为：粗大峰谷实际是表面深的凹点、小孔、尖角或毛刺等缺陷的综合。

2、网纹角度的要求：两个方向的珩磨网纹均匀一致，在气缸套中心线方向的夹角135°±15°，或缸套内径的切线方向夹角45°±15°。对照表面二维图形的等高图，只要作出标准要求的角度及其允许范围，就可以很方便的对网纹角度合格与否做出判断。

3、功能参数要求：包括三种基于三维的功能参数，表面支承指数S_bi、中心液体滞留指数S_ci和谷区液体滞留指数S_vi。这三个参数和原使用的网纹参数有强烈的延续性，都是基于Abbott曲线，并把测量区域分成三段。甚至还有完全对应的三维的减小的峰高度S_pk、中心粗糙度深度S_k、减小的谷高度S_vk等参数。这组功能参数没有二维网纹参数的理论缺陷，二维网纹参数中由等效线确定的两个临界点支承率M_r1、M_r2变为三维支承面积为5％和80％两个确定值，在满足缸套网纹要求的同时更具普遍性。仅选用此三种功能参数，是为了减少参数数量，防止参数爆炸。三个参数可直接由三维粗糙度测量仪读出。

其中，表面支承指数S_bi，该参数用于表示表面的支承性能，它定义为均方根偏差对支承面积为5％的表面高度的比率，即

$S_{\mathrm{bi}}=\frac{S_q}{{\mathrm{\η}}_{0.05}}=\frac{1}{h_{0.05}}$

式中：η_0.05——5％的支承面积的表面高度；h_0.05——支承面积为5％时，表面支承指数的倒数。

表面支承指数大，表明支承性能好。一般地，S_bi＞0。对于高斯表面，S_bi约为0.608；对于大多数工程表面，这个指数在0.3～2之间。

其中，中心液体滞留指数S_ci，该参数反映在表面的中心区域液体滞留的性能，它被定义为在中心区域每单位面积上的空体体积对RMS偏差的比率，即

$S_{\mathrm{ci}}=\frac{1}{S_q}\frac{V_v\left(h_{0.05}\right)-V_v\left(h_{0.8}\right)}{S_q(M-1)(N-1)\mathrm{\Δx\Δy}}$

式中：V_v(h_0.05)，V_v(h_0.8)——分别表示支承面积为5％和80％时的表面形貌空体体积。

S_ci大，表明表面中心区域的液体滞留性能好。对于高斯表面，S_ci约为1.56，一般地，对于大部分表面，有

0＜S_ci＜0.95(h_0.05-h_0.8)

式中：h_0.8——支承面积为80％时，表面支承指数的倒数。

其中，谷区液体滞留指数S_vi，S_vi表示表面在低谷区域液体的滞留性能，它被定义为在谷区内单位面积上的空体体积对RMS偏差的比率

$S_{\mathrm{vi}}=\frac{1}{S_q}\frac{V_v\left(h_{0.8}\right)}{(M-1)(N-1)\mathrm{\Δx\Δy}}$

S_vi数值大，表明表面在谷区内的液体滞留能力强。对于高斯表面，S_vi的典型值约为0.11。当表面在从未磨损到磨损的过程中，这个指数通常相对稳定。一般地，对于所有类型表面，有

0＜S_vi＜0.02(h_0.8-h_min)

式中：h_min——支承面积为100％时，表面支承指数的倒数。

4、三维表面偏斜度S_sk要求：三维表面偏斜度是衡量幅度分布曲线相对于中性面不对称性的一种评定参数，它简单实用，可直接与使用性能发生联系。如果偏斜度为0，则表示幅度分布对称均匀，如高斯曲线；如果偏斜度小于0，它可能是具有较多深谷的优质表面；如果偏斜度大于0，它可能是一个具有较多尖峰的表面。显然，一个好的加工表面，其偏斜度应为负值，此时其表面支承长度率比其为正值时要大得多，零件耐磨性好、使用寿命长。

5、表面的三维均方根偏差Sq要求：选用三维均方根偏差Sq而不是三维算术平均偏差Sa的原因是：Sq即数理统计中常用的标准偏差，它更符合统计规律，它起统计方法和随机过程之间的连接作用。Sa是用取绝对值平均法，Sq是用均方根平均法，Sq的优点是显而易见的。

本发明具有以下优点：

①淘汰传统的复膜检验，使用三维粗糙度测量仪，改变网纹形状检测方法效率低下、精度受限的状况，通过对细微结构特征如片盖、粗大峰谷等的量化要求，实现气缸套质量的严格控制；

②使用三维功能参数，在保证和原使用网纹参数延续性的同时，杜绝了原二维网纹参数的理论缺陷，在满足缸套网纹要求的同时更具普遍性；

③使用三维参数，对应平台网纹结构优良性能建立在一定面积的区域上的特征，同时改变原二维参数统计性差、测量值存在较大偏差的不足。

附图说明

图1为平台珩磨网纹二维照片。

图2为平台珩磨网纹三维照片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，进一步详细地描述本发明。应理解，实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

使用美国ADE公司生产的MicroXAM^TM非接触式表面三维形貌仪对正品气缸套扫描，得到图1、图2所示的平台珩磨网纹二维和三维图像，测量条件设定为物镜放大倍数10×、扫描高度80μm、扫描范围857μm×637μm。

通过三维形貌仪读出如下三维参数数值：

1、评定表面缺陷参数(取三处平均值)：标准是网纹清晰，单位面积(mm²)的金属片盖数量SIM_p不超过允许值12，单位面积(mm²)的粗大峰谷数量SIM_c不超过允许值6；实测结果为网纹清晰，SIM_p为10、SIM_c为5，如图中△区域及○中亮点所示，符合要求。

2、网纹角度的要求：在气缸套中心线方向的夹角135°±15°，或缸套内径的切线方向上45°±15°；

如图中∠符号所指示，网纹角度合格。

3、功能参数(取三处平均值)：表面支承指数S_bi的标准：0.608＜S_bi＜1.20，实测结果为：(0.707+0.719+0.721)/3＝0.716，符合要求；中心液体滞留指数S_ci的标准：0＜S_ci＜1.5，实测结果为：(1.30+1.31+1.25)/3＝1.29，符合要求；谷区液体滞留指数S_vi的标准：0.12＜S_vi＜2，实测结果为：(0.155+0.182+0.176)/3＝0.171，符合要求；

4、三维表面偏斜度S_sk的标准(取三处平均值)：-0.9＜S_sk＜-3.2，实测结果为：[(-0.777)+(-0.807)+(-1.70)]/3＝(-1.095)，符合要求。

5、表面的三维均方根偏差Sq的标准(取三处平均值)：0.9μm＜Sq＜2.1μm，实测结果为：(1.04+1.12+1.07)/3＝1.08μm，符合要求。

本发明是建立在三维粗糙度理论和三维粗糙度测量的基础之上，对于企业来说还有一个认知的过程，具体参数数值可根据制造企业的设备水平和主机厂的要求进行调整，但是基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的技术标准及检测是发展的必然趋势。

Claims (1)

1.基于三维的气缸套内孔平台珩磨网纹的检测评价方法，该检测评价方法首先是采用接触式或非接触式三维粗糙度测量仪对气缸套内孔平台珩磨网纹进行检测，采集二维及三维扫描图形，读出三维参数数值；其次是依三维参数数值评价平台珩磨网纹，所述的三维参数包括评定表面缺陷参数、网纹角度、功能参数、三维表面偏斜度和表面的三维均方根偏差；其中，评定表面缺陷参数有单位面积的金属片盖数和单位面积的粗大峰谷数；其中，功能参数有表面支承指数、中心液体滞留指数和谷区液体滞留指数；其特征在于：单位面积mm²的金属片盖数≤12，单位面积mm²的粗大峰谷参数≤6；气缸套中心线方向的夹角135±15°或缸套内径的切线方向夹角45±15°；表面支承指数0.608＜S_bi＜1.20，中心液体滞留指数0＜S_ci＜1.5，谷区液体滞留指数0.12＜S_vi＜2.0；三维表面偏斜度-0.9＜S_vk＜-3.2；表面的三维均方根偏差0.9μm＜Sq＜2.1μm。

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