一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]缸孔-活塞環(huán)摩擦副是發(fā)動(dòng)機(jī)中典型的摩擦副之一，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能和壽命，而缸孔表面的紋理結(jié)構(gòu)又與發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能息息相關(guān)。以往，發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔加工普遍采用機(jī)械珩磨工藝，通過(guò)降低缸孔粗糙度，形成交叉平臺(tái)網(wǎng)紋，改善缸孔-活塞環(huán)摩擦副間的潤(rùn)滑狀況。近年來(lái)，隨著特種加工，特別是高能激光加工技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了缸孔激光織構(gòu)技術(shù)。它具有節(jié)能減排、高效加工、無(wú)刀具損耗和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，得到產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。
[0003]CN200510116292公開了一種在工件承受摩擦負(fù)載面加工微槽結(jié)構(gòu)的激光珩磨工具。該專利未提出加工前缸孔的表面要求，而事實(shí)上是非常關(guān)鍵的，且該專利激光加工位置的選取并沒有考慮缸孔表面的磨損分布，針對(duì)性不足。此外，該專利中的微槽結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，無(wú)法形成微動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。
[0004]不同于上述激光中提及的激光珩磨技術(shù)，缸孔激光織構(gòu)技術(shù)是在缸孔表面加工大量密度、分布和深度都精確可控的圓形微凹腔陣列。CN201310266008公開了一種缸孔加工方法，該方法包括前處理、表面織構(gòu)、后處理和檢測(cè)。該專利在缸孔表面進(jìn)行分區(qū)域的激光微織構(gòu)加工，然而，其分區(qū)域的設(shè)置并沒有結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況，以及缸孔-活塞環(huán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此該方法中，微凹坑在缸孔的軸向和周向都為均勻分布。
[0005]發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔與活塞環(huán)摩擦副具有顯著的特點(diǎn):一方面，它具有偏磨現(xiàn)象，缸孔不同區(qū)域的磨損狀況是不相同的，在上止點(diǎn)區(qū)域和與活塞裙部接觸的區(qū)域極易發(fā)生磨損而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。再者，它具有變速特性，在不同行程位置，缸孔表面與活塞環(huán)具有不同的相對(duì)速度和加速度，因而受力情況也不盡相同。最后，它還具有溫度場(chǎng)分布不均勻性，在燃燒室和上止點(diǎn)附近，溫度較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，而提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔及其加工方法，解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔表面微凹腔陣列減摩技術(shù)中，加工效率低、易于出現(xiàn)由于表面支撐率下降導(dǎo)致的磨損、排放性能差的問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔，所述缸孔表面分布有凹腔陣列；所述凹腔的尺寸為微米尺度；所述缸孔表面非凹腔的區(qū)域粗糙度Ra值小于或等于0.2 μπι ;
[0008]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連線為所述初始位置線；所述初始位置線與缸孔周向相交所成的角度為偏移角度α，所述偏移角度 a e [30,90]° O
[0009]上述方案中，所述凹腔的輪廓為圓形，所述凹腔的直徑R e [10, 300] ym，所述凹腔的深度H e [2，20] μ m0
[0010]上述方案中，所述凹腔在所述缸孔的分布密度P e [5，20]%;所述分布密度P =31 X [凹腔直徑R]2/[4 X sin偏移角度α X軸向間距NX周向間距Μ] X 100 %。
[0011 ] 上述方案中，所述缸孔表面分為非加工區(qū)域、區(qū)域Α、區(qū)域B和區(qū)域C ;
[0012]所述非加工區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，所述缸孔與活塞環(huán)非接觸區(qū)；
[0013]所述區(qū)域A為上止點(diǎn)線臨近區(qū)域，所述區(qū)域A的長(zhǎng)度匕為所述缸孔總長(zhǎng)L總的5% -15% ；
[0014]所述區(qū)域B為活塞主、次推力面與所述缸孔表面接觸區(qū)域；
[0015]所述區(qū)域C為下止點(diǎn)線與所述區(qū)域A之間除去所述區(qū)域B的區(qū)域；
[0016]所述凹腔在所述區(qū)域Α、所述區(qū)域B和所述區(qū)域C中的分布密度分別為ΡΑ、ΡΒ、P C，大小排列為:P , P P CO
[0017]進(jìn)一步的，所述凹腔在所述區(qū)域Α、所述區(qū)域B和所述區(qū)域C中的分布密度分別為:15%^ Pa^ 20%,10%^ P 15%,5%^ P 10%。
[0018]進(jìn)一步的，所述凹腔的軸向間距N沿所述缸孔軸向遞增，所述凹腔在所述區(qū)域A、所述區(qū)域B或所述區(qū)域C內(nèi)的分布密度從各區(qū)域的上部到下部差值為3% -10%。
[0019]一種所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的加工方法，包括以下步驟:
[0020]S1:前處理，采用機(jī)械珩磨平整加工前表面；
[0021]S2:表面織構(gòu)，采用聚焦激光束在所述缸孔表面加工所述凹腔陣列；
[0022]S3:后處理，采用機(jī)械拋光清潔加工后表面。
[0023]上述方案中，所述步驟SI中機(jī)械?行磨具體工藝為:首先采用金剛石?行磨條去余量，然后采用軟木條平整所述前表面；所述前表面的表面參數(shù)范圍為Rpk < 0.2 μπι，Rk < 0.4 μ m，Rvk < 1.0 μ m。
[0024]上述方案中，所述步驟S2中，所述聚焦激光束的單脈沖能量為0.5-2.5mJ ;
[0025]所述聚焦激光束從所述缸孔上部往下部加工，在所述區(qū)域A、所述區(qū)域B或所述區(qū)域C的初始時(shí)刻，數(shù)控系統(tǒng)記錄首個(gè)激光脈沖作用在所述缸孔表面的軸向及周向位置；
[0026]以相等周向間距M加工完成一行所述凹腔后，數(shù)控系統(tǒng)控制所述聚焦激光束作用在下一行的首個(gè)脈沖作用位置，其軸向位置為上一行首個(gè)脈沖作用軸向位置加上兩行間的軸向間距N，其周向位置為上一行首個(gè)脈沖激光脈沖作用的周向位置加上偏移量，后續(xù)行的所述凹腔陣列的加工邏輯相同；所述偏移量為該行與上一行的軸向間距NX [tan偏移角度α ] ο
[0027]上述方案中，所述步驟S3中后處理的具體工藝為:首先采用金剛石珩磨條去余量，然后采用軟木條平整所述后表面；所述后表面Rpk < 0.3 μπι。
[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明根據(jù)缸孔-活塞環(huán)摩擦副的磨損和速度特性，結(jié)合所述凹腔在所述缸孔軸向和所述缸孔周向分布密度的變化，實(shí)現(xiàn)以最少的所述凹腔形貌的加工，在缸孔表面形成連續(xù)的潤(rùn)滑油膜和微動(dòng)壓潤(rùn)滑效果。
[0030]2、本發(fā)明通過(guò)所述凹腔在所述缸孔軸向和所述缸孔周向分別具有不同的間距，即保持周向間距M不變，增大軸向N間距，從而變化所述缸孔表面的凹腔密度，減少所述凹腔形貌的加工。
[0031]3、本發(fā)明還通過(guò)所述凹腔在所述缸孔軸向的分布密度與缸孔-活塞環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度關(guān)聯(lián)，在高速區(qū)域進(jìn)行高密度的所述凹腔形貌加工，在低速區(qū)域進(jìn)行低密度的所述凹腔形貌加工，使得在P P B彡P(guān) C。
[0032]4、本發(fā)明通過(guò)機(jī)械珩磨加工獲得鏡面缸孔，隨即通過(guò)激光在缸孔表面加工獲得具有特殊均勻分布規(guī)律的、尺寸在微米級(jí)的圓形凹腔陣列；所述凹腔在缸孔-活塞環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，以最少的潤(rùn)滑油損耗，形成連續(xù)的潤(rùn)滑油膜，并發(fā)揮微動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。
[0033]5、本發(fā)明通過(guò)減少所述凹腔形貌的加工量，提高生產(chǎn)效率，減少加工能耗。
[0034]6、本發(fā)明通過(guò)減少所述凹腔在缸孔表面形成的空體體積，進(jìn)而減少缸孔表面的機(jī)油蒸發(fā)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)而言，燃油耗降低4?5%左右，機(jī)油耗降低30?50%左右，最終提升排放性能。
[0035]7、本發(fā)明通過(guò)缸孔表面空體體積的減少，使其表面支撐率大幅上升，減少缸孔表面和活塞環(huán)接觸面的壓強(qiáng)，從而降低磨損。
[0036]8、本發(fā)明中雖然所述凹腔個(gè)數(shù)減少，但是它們對(duì)所述缸孔表面潤(rùn)滑、減摩的效果并沒有顯著減弱。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中缸孔示意圖。
[0038]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中缸孔剖切展平示意圖。
[0039]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中局部凹腔陣列示意圖。
[0040]圖中，1、缸孔；2、缸孔軸向；3、缸孔周向；4、非加工區(qū)域；5、上止點(diǎn)線；6、下止點(diǎn)線；7、區(qū)域A;8、區(qū)域B ;9、區(qū)域C;10、凹腔；11、初始位置線。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0042]圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例中缸孔I示意圖，一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔，所述缸孔I表面分布有凹腔10陣列，所述凹腔10陣列的尺寸為微米尺度，所述缸孔I表面非凹腔10的區(qū)域粗糙度Ra值小于等于0.2 μπι。本發(fā)明所述缸孔I的表面更加平整，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，活塞環(huán)中的油環(huán)刮油效果改善，同時(shí)減少所述缸孔I表面機(jī)油蒸發(fā)引起的整機(jī)機(jī)油耗上升。
[0043]圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例中缸孔I剖切展平示意圖，定義所述缸孔I的圓周方向?yàn)楦卓字芟? ;所述缸孔I的中心軸線方向?yàn)楦卓纵S向2。那么，所述凹腔10陣列在所述缸孔周向3的間距為周向間距Μ，在所述缸孔軸向2的間距為軸向間距N。
[0044]圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例中局部凹腔陣列示意圖，所述缸孔周向3同時(shí)也是所述凹腔10陣列的行方向；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連線為初始位置線11，所述初始位置線11與所述缸孔周向3所成角度為偏移角度α，所述偏移角度 a e [30，90]。ο
[0045]在本實(shí)施例中，所示凹腔10