CN112222781B

CN112222781B - 圆筒内表面处理方法以及通过该方法制造的构件

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Publication number: CN112222781B
Application number: CN202011077751.5A
Authority: CN
Inventors: A·马萨; F·弗雷斯多夫
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2040-10-10
Also published as: CN112222781A

Abstract

本发明涉及一种圆筒内表面处理方法以及一种通过所述方法制造的构件，该方法包括以下步骤：1)对形成在气缸体中的气缸孔进行粗镗孔；2)借助于粗糙化刀具对气缸孔的内表面进行粗糙化处理；其中，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为在0.130mm至0.2mm之间的固定值。通过根据本发明的方法能在圆筒形内表面上形成了均匀的、规则的粗糙化结构；提高了涂层与圆筒形内表面的粘附能力，提高了刀具的使用寿命。并且在大批量生产的情况下提高了产品质量的稳定性。

Description

圆筒内表面处理方法以及通过该方法制造的构件

技术领域

本发明涉及一种圆筒内表面处理方法，尤其是涉及一种对有待进行热喷涂涂层的气缸内表面进行处理的方法。另外，本发明还涉及一种通过所述方法制造的构件。

背景技术

铝合金的发动机缸体取代铸铁缸体已成为一种趋势，然而铝合金缸体的耐磨损性能较差，气缸内壁表面在发动机工作过程中容易磨损并导致活塞与气缸壁之间密封不良。为避免这一问题，较早的解决方案是在铝合金缸体的缸筒上加装铸铁缸套。而近年来则通过对气缸孔内表面进行热喷涂涂层及对应的机械加工处理来取代铸铁缸套。喷涂了涂层后的铝合金缸体是一体式缸体，不会因嵌入一个铸铁缸套而存在缸筒变形问题，也不再有铸铁缸套的热力学缺点，减少了发动机的总体质量，增加了其耐久性并降低了能耗。

在对气缸进行热喷涂涂层之前，通常通过表面处理将缸孔的基体材料的内表面粗糙化，以提高热喷涂涂层的附着性。在现有技术中已经公开了多种对缸孔内表面进行粗糙处理的方法。

例如，在NMRP方法(日产粗糙化加工方法，Nissan Machining RougheningProcess)中通过在气缸内表面上热喷涂铁涂层或低碳钢涂层来取代铸铁气缸套。在该NMRP方法中，首先对在气缸体中已经加工出的气缸孔进行粗镗孔；然后通过粗糙化刀具对气缸孔的内表面进行粗糙化处理，以提高涂层的与缸体内壁的粘附性；最后对粗糙化之后的表面进行保证切削，以防止粗糙化的型面不会过高。最终在气缸内壁上形成由形状不规则的突起间隔开的随机的几何结构(如图1所示)。

另外，现有技术还公开了一种圆筒内表面加工方法，其中，在圆筒内表面上形成粗糙表面之后，将热喷镀膜附着到基体构件的圆筒内表面上。锥形面构造成使轴向端部的内径比缸孔内表面的其它部分的内径大。在形成锥形面之后，搪磨热喷镀膜。在圆筒内表面形成镀层之后对热喷镀膜进行搪磨或其它机械精加工。

然而，前述的NMRP加工方法在大批量生产的过程中还存在一系列问题，例如产品质量的稳定性不够，经常出现刀具由于碰到毛坯中的硬颗粒或氧化物而崩裂的情况，涂层和铝基体之间的黏附强度不够等。这主要是因为NMRP加工过程是基于对铝基体的切削和变形的随机组合，这不是一个确定的过程，并且会导致不确定的表面和刀具负荷。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆筒内表面处理方法，尤其是一种对有待进行热喷涂涂层的气缸内表面进行处理的方法，通过该方法能在气缸内表面上产生特定的几何结构并从而以简单的工序步骤和低成本解决存在于现有技术中的上述技术问题中的一项或多项。

根据本发明的一个方面，上述目的通过一种圆筒内表面处理方法实现，该方法包括以下步骤：

1)对形成在气缸体中的气缸孔进行粗镗孔；

2)借助于粗糙化刀具对气缸孔的内表面进行粗糙化处理；

其中，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为在0.130mm至0.2mm之间的固定值。

根据上述方案，通过恰当地选择固定的切削深度，使得在圆筒内表面上地突起基本上完全由切削形成，不会出现现有技术中的撕裂变形。实验表明，通过将粗糙化处理过程中的切削深度设定在0.130mm至0.20mm之间，在圆筒内表面上获得了高度为0.15mm至0.22mm之间(优选的，高度为0.2mm-0.22mm之间)的形状规则的突起。同时，切削深度减小还导致在单位面积上可以形成更多的突起，这直接导致涂层与铝基体之间的黏附能力的提升。另外，由于相比现有技术减小了切削深度，刀具在粗糙化过程中切削力和碰到硬颗粒或氧化物的几率降低了50％以上，从而大大提升了刀具的使用寿命。

优选地，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的进给量设置在0.23mm/r至0.3mm/r之间。通过恰当地选择粗糙化刀具的进给量，使得最佳地确定突起的厚度，这同样有助于提高涂层与铝基体之间的黏附能力。

根据本发明的一种优选的方案，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的转速设定在大约4500rpm。在此，“大约4500rpm”应从工程学的角度去理解，即，并不精确地限于4500rpm，而是刀具的转速可以围绕这一数值上下波动，优选上下波动±10％。

优选地，在粗镗孔步骤1)中，将粗镗孔的加工直径设定为72.49mm以及在在粗糙化处理步骤2)中采用直径为72.89mm的粗糙化刀具。

优选地，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.2mm，将粗糙化刀具的进给量设定为0.29mm/r以及将其转速设定为4500rpm。实验表明，通过如此恰当地组合加工参数能获得涂层与铝基体之间较佳的黏附能力。

优选地，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.135mm，将粗糙化刀具的进给量设定为0.28mm/r以及将其将转速设定为4500rpm。由此可以获得粗糙化刀具更高的使用寿命。

有利地，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.165mm，将粗糙化刀具的进给量设定为0.265mm/r以及将其转速设定为4500rpm。实验表明，通过如此恰当地组合加工参数能获得涂层与铝基体之间的黏附能力与刀具使用寿命及能耗之间较佳的平衡。

另外，本发明还涉及一种通过根据前述方法的任一种实施形式所制造的构件。本发明还涉及一种圆筒构件，其圆筒内表面上具有高度和形状相同的、高度为0.15mm至0.22mm之间的形状规则的突起。

优选地，该构件是发动机气缸。

优选地，在该构件的内壁表面上能通过电弧丝喷涂技术喷涂一LDS(电弧丝喷涂)涂层。

附图说明

本发明的其它特性和优点由下面的借助于附图的优选实施例描述给出。

图中示出的实施例仅仅是本发明的可能的实施方式，说明书、权利要求以及附图中包含的特征还可以以不同的方式相互组合得到其它不同的方案。应当理解的是，本发明并不限于所描述和示出的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，各个特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定。

附图示出：

图1示出了采用现有的NMRP方法加工获得的气缸内表面结构；

图2示出了采用根据本发明所述的方法加工获得气缸内表面结构；

图3同时示出了采用现有的NMRP方法加工获得的气缸内表面结构和采用根据本发明所述的方法加工获得气缸内表面结构；

图4示出了采用现有的NMRP方法加工以及采用根据本发明的方法的一种实施形式加工在切削深度、切削面积、切削力和碰到硬物几率方面的对比图。

具体实施方式

图1示出了采用现有的NMRP方法加工得到的气缸内表面的微观结构图。图1中上部颜色较深的灰色部分表示涂层1，该涂层1为例如通过电弧丝喷涂工艺形成的LDS涂层。电弧丝喷涂工艺是一种利用两根连续送进的金属丝之间产生的电弧作热源来熔化喷涂丝材，用压缩气体把熔化的丝材雾化，并对雾化的丝材细滴加速使之喷向工件形成涂层的热喷涂技术。该技术已经在现有技术中充分公知，在此不再详述。图1下部颜色较浅的部分是铝基体2。在铝基体2的表层具有由NMRP方法加工出的、由不规则的凸起和凹陷形成的粗糙化结构3。由图1可以清晰看出，其中的凸起和凹陷完全是随机形成的，并且具有断裂或撕裂部。

图2示出了采用按本发明的圆筒内表面处理方法加工得到的气缸内表面的微观结构图。与图1类似地，图2上部灰色部分表示LDS涂层1，下部颜色较浅的部分是铝基体2。在铝基体2的表层形成有锯齿状的粗糙化结构3。在此，该粗糙化结构3由几何结构规则的凸起和凹陷形成。

为便于比较，图3同时示出了采用现有的NMRP方法加工获得的气缸内表面结构和采用根据本发明所述的方法加工获得气缸内表面结构。通过比较可以直观看出，采用本发明所述方法获得的结构是规则的，并且切削深度仅为采用NMRP方法加工时的一半左右。

为了验证本发明的技术效果，申请人以不同的参数组合对气缸进行加工并对加工好的气缸内壁进行LDS涂层，之后就涂层与气缸壁的附着效果进行所谓的涂层附着力实验(Ply Adhesion Test)，并得出相应的PAT值来。

首先，将总共300个气缸体毛坯件分成六组，每五十个毛坯件一组；然后分别以不同的参数组合对这五组毛坯件进行加工，加工形成粗糙化结构之后在气缸体内壁表面通过电弧丝喷涂技术喷涂LDS涂层。最后，对LDS涂层与铝质缸体内壁之间的粘附力进行涂层附着力实验(Ply Adhesion Test)，并测量相应的PAT值。最后将每组中的各个构件中测得的PAT值进行平均，得出PAT均值。

在对六组毛坯件的加工过程中，所采用的刀具和步骤完全相同，区别仅在于参数设定。相应的布骤大致如下：首先对已经形成在气缸体毛坯件上的气缸孔进行粗镗孔；接下来采用下表中所给出的参数组合以粗糙化刀具对气缸孔的内部进行粗糙化处理；然后对气缸孔内壁表面喷涂LDS涂层。

下表中共示例性地给出了六组参数组合及对应的PAT均值。

如以上表格所示，当在粗糙化处理步骤中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.130mm，将刀具进给量设定为0.23mm/r以及将转速设定为4500rpm时，则所获得的表示LDS涂层与铝基体之间的附着效果的PAT均值为48.0Mpa。此时所获得的附着效果较好，切削深度也相应较低，也意味着能耗及刀具负荷都相应较低，刀具碰到硬颗粒和/或氧化物的几率降低，刀具寿命提高；进给量较小，加工耗时相对较多。

当在粗糙化处理步骤中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.135mm，将刀具进给量设定为0.28mm/r以及将转速设定为4500rpm时，则所获得的表示LDS涂层与铝基体之间的附着效果的PAT均值为39.1Mpa。此时所获得的附着效果相对较低，但切削深度也相应较低，也意味着能耗及刀具负荷都相应较低，刀具碰到硬颗粒和/或氧化物的几率降低，刀具寿命提高。

当在粗糙化处理步骤中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.135mm，将刀具进给量设定为0.265mm/r以及将转速设定为4500rpm时，表示LDS涂层与铝基体之间的附着效果的PAT均值为41.4Mpa。

当在粗糙化处理步骤中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.165mm，将刀具进给量设定为0.28mm/r以及将转速设定为4500rpm时，表示LDS涂层与铝基体之间的附着效果的PAT均值为47.1Mpa。

当在粗糙化处理步骤中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.165mm，将刀具进给量设定为0.265mm/r以及将转速设定为4500rpm时，表示LDS涂层与铝基体之间的附着效果的PAT均值为52.6Mpa。

当在粗糙化处理步骤中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.2mm，将刀具进给量设定为0.29mm/r以及将转速设定为4500rpm时，表示LDS涂层与铝基体之间的附着效果的PAT均值为53.2Mpa。也就是说，在六组参数组合中，该组参数组合获得的附着效果最好。

图4示出了采用根据本发明的方法的一种实施方式加工以及采用现有的NMRP方法加工在切削深度、切削面积、切削力和碰到硬物几率方面的对比图。在根据本发明的方法中，将切削深度设定为0.2mm，而在NMRP加工方法中切削深度为0.4mm。两种加工方法在具体加工步骤和所采用的刀具方面相同。

由图4可以清楚地看出，在根据本发明的方法的实施形式中，切削深度为现有NMRP方法中的切削深度的50％，切削面积和切削力都分别下降60％以上，而刀具在切削过程中碰到坯件中的硬质颗粒或氧化物颗粒的几率下降约50％。与现有的NMRP方法相比，根据本发明的方法能大大降低刀具的负荷以及在加工过程中碰到硬质颗粒或氧化物的几率，由此提高了刀具的使用寿命并降低了能耗。其次，由于在根据本发明的方法中所产生的粗糙结构是确定的，完全由切削刀具形成，提高了LDS涂层与铝基体之间的黏附能力。

总体来说，在根据本发明的方法中，通过恰当地设定各个加工参数，如粗糙化刀具的进给量、切削深度和转速获得了出人意料的技术效果，这些技术效果包括在圆筒形内表面上形成了均匀的、规则的粗糙化结构；提高了涂层与圆筒形内表面的粘附能力，提高了刀具的使用寿命。并且在大批量生产的情况下提高了产品质量的稳定性。通过根据本发明的方法，能在确保短期过程能力指数CPK大于1.33的情况下获得至少大于20Mpa的PAT值。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的设计而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种圆筒内表面处理方法，该方法包括以下步骤：

1)对形成在铝合金的气缸体中的气缸孔进行粗镗孔；

2)借助于粗糙化刀具对气缸孔的内表面进行粗糙化处理；

其特征在于，

在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的进给量设置在0.265mm/r至0.3mm/r之间；将粗糙化刀具的转速设定在4050rpm至4950rpm之间；将粗糙化刀具的切削深度设定为在0.130mm至0.2mm之间的固定值，使得在所述气缸孔的内表面上获得了完全由切削形成的、高度和形状相同的高度为0.15mm至0.22mm之间的形状规则的突起。

2.如权利要求1所述的圆筒内表面处理方法，其特征在于，在粗镗孔步骤1)中，将粗镗直径设定为72.49mm以及在在粗糙化处理步骤2)中采用直径为72.89mm的粗糙化刀具。

3.如权利要求1或2所述的圆筒内表面处理方法，其特征在于，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.2mm，将刀具进给量设定为0.29mm/r以及将转速设定为4500rpm。

4.如权利要求1或2所述的圆筒内表面处理方法，其特征在于，在粗糙化处理步骤2)中，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.135mm，将粗糙化刀具的进给量设定为0.28mm/r以及将将转速设定为4500rpm。

5.如权利要求1或2所述的圆筒内表面处理方法，其特征在于，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.165mm，将粗糙化刀具的进给量设定为0.265mm/r以及将转速设定为4500rpm。

6.如权利要求1或2所述的圆筒内表面处理方法，其特征在于，将粗糙化刀具的切削深度设定为0.130mm，将粗糙化刀具的进给量设定为0.230mm/r以及将转速设定为4500rpm。

7.一种通过根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造的构件。

8.根据权利要求7所述的构件，其特征在于，该构件是发动机气缸。

9.根据权利要求7或8所述的构件，其特征在于，在所述构件的内壁表面具有LDS涂层。