基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋的技術標準的制作方法

專利名稱：基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋的技術標準的制作方法
技術領域：
本發明涉及技術標準，具體涉及一種基于三維的氣缸套內孔平臺 珩磨網紋的技術標準。
技術背景氣缸套內表面采用珩磨工藝加工成深溝槽與小平臺均勻相間的 交叉網紋表面。同時，對珩磨網紋的表面網紋角度、溝槽深度和數量、 輪廓圖形的偏斜度、輪廓支承長度率以及表面層的加工質量等有一定 的要求。具有這些要求的珩磨表面稱為平臺珩磨網紋表面。平臺珩磨網紋有利于潤滑油的存儲及油膜的形成和保持，并且具 有較高的表面支承率，能夠承受較大載荷，耐磨損，同時由于珩磨速 度低，發熱量很小，工件表面幾乎沒有熱損傷和變質層。平臺珩磨網 紋工藝已成為發動機氣缸套、氣缸孔以及工程機械中重要的液壓缸等 精密偶件孔加工必不可少的工藝技術，在大功率重載、高速類汽車發 動機和中低速船柴發動機中得到普遍重視。氣缸套是發動機的核心零件，而發動機是汽車的心臟，各主機廠 對氣缸套內表面的平臺珩磨網紋都提出了苛刻的要求，遠高于現在的行業標準。平臺網紋特殊的結構和功能要求， 一方面體現在對加工設 備的要求上，另一方面則是平臺網紋結構的正確描述和檢測。關于氣缸套的各種行業標準中，如TB/T1429-2006 、 JB/T5038-2005等，對內表面平臺珩磨網紋的技術要求一般作如下約 定按JB/T9768—1999中的技術規范或產品圖樣規定進行，平臺珩 磨表面粗糙度符合GB/T18778.1-2002規定的濾波方法，支承率曲線 (也稱Abbott曲線)應符合GB/T18778.2-2003的相關規定。隨著汽 車尾氣排放標準以及油耗等要求的不斷加強，隨著國際交流的頻繁、 制造的全球化，不同主機廠和制造廠對氣缸套平臺珩磨表面的要求還 參照了德國DIN4776標準、日本JISD3103標準，對氣缸套的質量提 出了更高的要求。不同主機廠對氣缸套平臺珩磨網紋的要求以及缸套 生產企業執行的技術標準，主要有以下幾點① 網紋形狀的要求網紋清晰，切邊干凈，珩磨表面不得有撕裂 和擠出的材料。表面不得有金屬折疊、尖角、毛刺、亮斑、碎片、裂 紋和夾雜物等缺陷，兩個方向的珩磨網紋均勻一致，在氣缸套中心線方向的夾角135。 ±15° (或缸套內徑的切線方向上45。 ±15° )。② 在4mw長度內，絎磨網紋的溝槽深度大于等于的溝槽數至 少有5個。③ 網紋參數要求如表1(按5點平均值驗收)表1網紋參數要求
參數名稱 參數符號 51
④ 單點網紋要求
每只缸套網紋各測點間的Rz差值二 (Rzn^—R加in) <2//m;
每只缸套網紋各測點間的Rk差值二 (Rk^—Rtoin) <0.4//m; 每只缸套網紋各測點間的Rvk/Rk〉2; 每只缸套網紋各測點間的Rpk《0.32//w 。
⑤ 輪廓偏斜度Rsk=-0.8 -3. O(按5點平均值驗收)。
⑥ Ra值隨缸套直徑的增大而變寬， 一般要求在0.7 1.7/zm范圍內。
從氣缸套平臺珩磨網紋的技術標準上可以知道，各主機廠包括缸 套生產企業對網紋結構都非常重視，其要求都高于現行的行業標準。 但是現在的技術標準和檢測方法還存在一些列的不足之處
①網紋形狀要求及檢測方法的不足。對網紋形狀要求通常的測量 和評定方法為通過特殊制作的薄膜貼制復膜片，再放到顯微鏡下拍攝 復膜照片用于分析。這樣的過程無疑存在兩問題， 一是效率低下，二 是精度受限。復膜片無法反映細微結構特征，正是這些細微結構對氣 缸套的質量存在重要影響，雖然當前的技術要求規定不允許有各種表 面缺陷，但是利用現有的測量方法和手段并沒有把這種缺陷表達清楚。
(3-7) //m
(0.3-0.9)戸 (1.2-2.0)戶
<7% 〉70%
R C^R R M M
度
高度度度
點高深深
5值度值率率
f峰糙谷承承
平的粗的支支
不除心除
觀去核去
微如表面金屬折皺或層疊以及殘留碎片的情況，國外的技術資料中
稱為片蓋(sheet cover),這些表面缺陷嚴重影響了平臺珩磨網紋的清 晰度，影響了平臺網紋結構的預期功能，是影響內燃機摩擦副的跑合 性能、初期拉缸甚至燒缸趨勢、初始油耗的主要原因，同時對表面的 石墨裸露率產生影響。
氣缸套在絎磨加工時，由于金屬表層的組織變形不僅導致缸套工 作表面的石墨產生變形或損傷，表面的石墨裸露率的減少將影響缸套 工作表面潤滑和存儲潤滑油的能力，而且變形的結果使表面產生一層 片狀覆蓋物，這些片狀物與基體材料松散連接，在表面呈現出嚴重的 撕裂和存在大量的金屬碎片，并在珩磨網紋溝槽的切削邊緣形成金屬 摺疊，發動機在運轉時首先磨去的是損傷了的材料，從而加長了磨合 時間，往往還是缸套初期拉傷的主要原因。
平臺珩磨中使用金剛石砂條，因其粘接基體為銅，它的自銳性較 差，在珩磨過程中如果要實現深溝槽拉削，則必須通過加大珩磨機的 高壓漲油壓，這樣會導致金屬折皺的加劇；同時細小的顆粒常常與基 體材料脫離，許多細小的顆粒會粘在工件的表面也形成片蓋；國內一 般通過單向的雙進給實現平臺網紋，這樣無法通過自身珩磨砂條清除 網紋溝槽中的金屬折皺，影響網紋溝槽的清晰度及石墨裸露率。
上述的問題實際是平臺網紋珩磨機加工作業中尚未解決的一大問 題，但是利用現有的測量方法和手段并沒有把這種缺陷表達清楚，從 而限制了正品氣缸套的品質。
②內表面粗大峰谷的忽視。通過高精度的測量會發現缸套內表面具有深的凹點狀或小孔狀缺陷，即麻點數，還有可能是尖角或毛刺， 既內表面具有粗大峰和谷。對于平臺網紋珩磨表面來說，以谷深居多， 即麻點。在合金鑄鐵缸套中，較大的鑄造缺陷如夾雜、疏松、孔眼等 是很容易分辨和測量的，標準技術規范中也對他們進行了約定。但是 這種細微表面缺陷，以復膜照片的精度是難以觀察的。我們知道對于 氣缸套來說，必須進行水壓試驗，水壓試驗的一般要求是在全長范 圍內水壓力lMPa、歷時5小時，不得有滲漏、浸潤現象；在距上端 大于活塞行程30%的范圍內，試驗壓力大于裝用機型最高爆發壓力的 1.3倍，保壓時間為5小時，最高試驗壓力可達20MPa，不得有滲漏 現象。麻點缺陷對水壓試驗的滲漏、浸潤現象有重要影響。當麻點呈 密集分布時已使氣缸套的質量無從談起。另外，當發動機高速運轉時， 缸套內表面的微孔狀缺陷還是產生噪聲的源頭之一。
③ 網紋角度測量的不足。同樣網紋角度的測量也只能通過復膜照 片，其效率低下、精度受限。網紋夾角是平臺網紋的一個重要參數。 網紋夾角的大小由珩磨頭回轉速度與上下往復運動速度決定，網紋夾 角的大小和均勻程度決定了缸孔表面油膜的穩定性和機油消耗的大 小，從而影響發動機工作性能及壽命。若過小，儲油能力下降，發動 機活塞與缸孔之間的潤滑狀況變差，在發動機啟動和加速工況下，因 機油不足而加劇活塞環磨損；若過大，影響油膜的均勻性，并且影響 油環刮油效果，造成機油燃燒，而導致機油消耗增加和排放超標。同 時，造成交叉網紋的交叉點切斷長度大，使測量誤差變大。
④ 網紋參數的理論缺陷。在當前技術要求中列出的網紋參數、包括單點網紋要求是參照德國DIN4776標準、日本JISD3103標準制定 的，我國在2003年也參照ISO標準制定了類似的GB/T18778.2-2003
標準。這組參數或標準體系有一項缺點，它僅適用于評定承受高機械 應力表面的工作性能。標準中參數設定的主要依據是一條等效線，有 些地方稱為最小割線或回歸線，等效線用包含40%的被測輪廓點的支 承率曲線的核心區域來計算，依據等效線把輪廓分為峰區、核心區和 谷區三個部分，據此再設定一組評定參數。作為這套評定體系的主要 依據"等效線"是基于經驗的，并沒有嚴密的理論基礎，所以它的應 用范圍很窄，僅對高機械應力表面適用。即使是對缸套珩磨表面這樣 的典型應用，也會出現測量結果的失真，比如輪廓三個區域的兩個分 界線值Mrl、 M^值會完全不合理。同時這種方法本身受到測量儀器 分辨率的影響較大，受測量儀器分辨率影響較大的原因之一就是參數 本身未能反映表面的固有特性。
⑤ 輪廓算術平均偏差RJ直不合理。在缸套內表面的技術要求中， 特別是早期的缸套檢測中都會有輪廓算術平均偏差Rj直的要求，這 個參數的應用同樣也具有一定的問題。就輪廓算術平均偏差Ra而言， 它僅表示表面輪廓的平均粗糙程度，它對這種平臺加深溝槽的特殊結 構的描述顯然是不全面的，它的數值大小不能代表珩磨表面的精度等 級，往往會導致加工要求過高，其性能反而下降的情況。而且輪廓算 術平均偏差Ra和網紋參數中的高度參數Rpk、 Rk、 Rvk重復，并且沒 有它們描述的細致。建議取消。
⑥ 二維參數的失真。上述技術要求中量化參數都有一個共同的致命缺陷，平臺網紋結構所表現出來的優良性能，只有在面上才能夠體 現，平臺與網紋都是建立在一定面積的區域上，再長的輪廓都不能反 映其本質特征，僅僅用基于二維輪廓的參數想要準確描述整個面上的 特征顯然是不夠的。同時零件的加工過程是個隨機過程，表面具有大 量隨機的、雜亂的尖峰與結構，即使是周期性較強的規則表面，也會 包含不同程度的隨機量，傳統的表面質量評定僅基于一段二維輪廓，
從統計的觀點看可靠性很差，由于信息量的限制導致二維參數的測量
值存在較大的偏差。

發明內容
本發明的目的在于提供一種基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網 紋的技術標準，采用三維粗糙度測量儀對表面進行三維分析。技術標 準的三維參數是從區域表面而非輪廓軌跡獲得，3D分析提取的統計 信息更具魯棒性和可靠性，具有統計特性好、誤差小等優點，使參數 值能夠反映表面真實的狀態。平臺網紋技術標準在給實際表面做出完 整、準確評價之后，能夠反饋到加工工藝過程和工藝參數，具有較對 應的可操作性， 一個完善的技術標準實質上是行業和企業的綜合制造 水平和檢測水平的體現。
本發明的技術解決方案是采用接觸式或非接觸式三維粗糙度測 量儀對氣缸套內孔平臺珩磨網紋進行檢測，采集二維及三維掃描圖 形，讀出三維參數數值形成技術標準，依技術標準評價平臺珩磨網紋。
技術標準的三維參數包括評定表面缺陷參數、網紋角度、功能參 數、三維表面偏斜度和表面的三維均方根偏差，其中，評定表面缺陷參數有單位面積的金屬片蓋數和單位面積的粗大峰谷數，其中，功能 參數有表面支承指數、中心液體滯留指數和谷區液體滯留指數。
本發明的基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋的技術標準中，單
位面積mm2的金屬片蓋數《12，單位面積mm2的粗大峰谷參數《6; 氣缸套中心線方向的夾角135±15° ，或缸套內徑的切線方向夾角45 ±15。;表面支承指數0.608〈Sbi〈1.20，中心液體滯留指數(XSci <1.5，谷區液體滯留指數0.12〈Svi〈2.0;三維表面偏斜度-0.9〈Ssk <-3.2;表面的三維均方根偏差0.9〃w<Sq<2.1//m。
本發明的基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋的技術標準中，采 集的三維參數如下
1、表面缺陷的評定要求網紋清晰，具體指標以單位面積(mm2) 的金屬片蓋數量SIMp不超過允許值，單位面積(mm2)的粗大峰谷 SIMe不超過允許值約定。
雖然當前的技術要求規定不允許有各種表面缺陷，但現有加工技 術并不能杜絕，同時現有復膜測量由于精度的限制也不能準確描述， 而正是這些細微結構對氣缸套的質量存在重要影響。在具備較高精度 測量手段時，我們可以明確觀察并描述這類缺陷，同時根據使用要求 確定其量化指標，顯然是合理的。
對于平臺珩磨網紋而言，通過表面掃描的圖形可知，表面缺陷的 主要形式為片蓋和粗大峰谷。設定片蓋數量SIMp指標是因為片蓋 實際是表層的組織變形、金屬折皺、層疊、夾雜物以及殘留碎片等缺
陷的綜合。設定粗大峰谷SIMe指標是因為粗大峰谷實際是表面深的凹點、小孔、尖角或毛刺等缺陷的綜合。
2、 網紋角度的要求兩個方向的珩磨網紋均勻一致，在氣缸套 中心線方向的夾角135。 ±15° ，或缸套內徑的切線方向夾角45。 ± 15° 。對照表面二維圖形的等高圖，只要作出標準要求的角度及其允 許范圍，就可以很方便的對網紋角度合格與否做出判斷。
3、 功能參數要求包括三種基于三維的功能參數，表面支承指
數Sbi、中心液體滯留指數Sei和谷區液體滯留指數Svi。這三個參數和
原使用的網紋參數有強烈的延續性，都是基于Abbott曲線，并把測 量區域分成三段。甚至還有完全對應的三維的減小的峰高度Spk、中 心粗糙度深度Sk、減小的谷高度Svk等參數。這組功能參數沒有二維 網紋參數的理論缺陷，二維網紋參數中由等效線確定的兩個臨界點支 承率Mn、 M。變為三維支承面積為5。/。和80。/。兩個確定值，在滿足缸 套網紋要求的同時更具普遍性。僅選用此三種功能參數，是為了減少 參數數量，防止參數爆炸。三個參數可直接由三維粗糙度測量儀讀出。 其中，表面支承指數Sbi，該參數用于表示表面的支承性能，它 定義為均方根偏差對支承面積為5%的表面高度的比率，即
S - & 一 1
Wo.05 "0.05
式中7。.。5——5%的支承面積的表面高度；A。。5——支承面積為5% 時，表面支承指數的倒數。
表面支承指數大，表明支承性能好。 一般地，對于高斯 表面，^約為0.608;對于大多數工程表面，這個指數在0.3 2之間。
其中，中心液體滯留指數Sei，該參數反映在表面的中心區域液體滯留的性能，它被定義為在中心區域每單位面積上的空體體積對
RMS偏差的比率，即
式中K(&。5),rv"。8)——分別表示支承面積為5%和80%時的表面形 貌空體體積。
Sci大，表明表面中心區域的液體滯留性能好。對于高斯表面， Sei約為1.56， 一般地，對于大部分表面，有
0<S。 <0.95U08)
式中/z。.8——支承面積為80%時，表面支承指數的倒數。
其中，谷區液體滯留指數Svi， Svi表示表面在低谷區域液體的滯
留性能，它被定義為在谷區內單位面積上的空體體積對RMS偏差的 比率
<formula>formula see original document page 12</formula>
Svi數值大，表明表面在谷區內的液體滯留能力強。對于高斯表面，
Svi的典型值約為0.11。當表面在從未磨損到磨損的過程中，這個指
數通常相對穩定。 一般地，對于所有類型表面，有
0<S < 0.02(H)
式中U——支承面積為100%時，表面支承指數的倒數。
4、三維表面偏斜度Ssk要求三維表面偏斜度是衡量幅度分布曲 線相對于中性面不對稱性的一種評定參數，它簡單實用，可直接與使 用性能發生聯系。如果偏斜度為0，則表示幅度分布對稱均勻，如高斯曲線;如果偏斜度小于0 ，它可能是具有較多深谷的優質表面；如 果偏斜度大于0 ,它可能是一個具有較多尖峰的表面。顯然， 一個好 的加工表面，其偏斜度應為負值，此時其表面支承長度率比其為正值 時要大得多，零件耐磨性好、使用壽命長。
5、表面的三維均方根偏差Sq要求選用三維均方根偏差Sq而 不是三維算術平均偏差Sa的原因是Sq即數理統計中常用的標準偏 差，它更符合統計規律，它起統計方法和隨機過程之間的連接作用。 Sa是用取絕對值平均法，Sq是用均方根平均法，Sq的優點是顯而易 見的。
本發明具有以下優點
①淘汰傳統的復膜檢驗，使用三維粗糙度測量儀，改變網紋形狀 檢測方法效率低下、精度受限的狀況，通過對細微結構特征如片蓋、 粗大峰谷等的量化要求，實現氣缸套質量的嚴格控制；
② 使用三維功能參數，在保證和原使用網紋參數延續性的同時， 杜絕了原二維網紋參數的理論缺陷，在滿足缸套網紋要求的同時更具 普遍性；
③ 使用三維參數，對應平臺網紋結構優良性能建立在一定面積的 區域上的特征，同時改變原二維參數統計性差、測量值存在較大偏差 的不足。


圖l為平臺珩磨網紋二維照片。 圖2為平臺珩磨網紋三維照片。
具體實施例方式
下面結合具體的實施例，進一步詳細地描述本發明。應理解，實 施例只是為了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的范圍。
使用美國ADE公司生產的MicroXAMTM非接觸式表面三維形貌 儀對正品氣缸套掃描，得到圖l、圖2所示的平臺珩磨網紋二維和三 維圖像，測量條件設定為物鏡放大倍數IOX、掃描高度80/zm、掃描 范圍857pmX637〃m。
通過三維形貌儀讀出如下三維參數數值
1、 評定表面缺陷參數(取三處平均值)標準是網紋清晰，單位
面積(mm2)的金屬片蓋數量SIMp不超過允許值12，單位面積(mm2) 的粗大峰谷數量SIMe不超過允許值6;實測結果為網紋清晰，SIMp 為10、 SIMe為5，如圖中A區域及O中亮點所示，符合要求。
2、 網紋角度的要求在氣缸套中心線方向的夾角135° ±15° ， 或缸套內徑的切線方向上45。 ±15° ;
如圖中Z符號所指示，網紋角度合格。
3、 功能參數(取三處平均值)表面支承指數Sbi的標準0.608 <Sbi<1.20，實測結果為(0.707+0.719+0.721 )/3=0.716，符合要求；
中心液體滯留指數Sd的標準0<Sd<1.5，實測結果為
(1.30+1.31+1.25)/3=1.29，符合要求；谷區液體滯留指數Svi的標準 0.12<Svi<2，實測結果為(0.155+0.182+0.176) /3=0.171，符合要 求；
4、 三維表面偏斜度Ssk的標準(取三處平均值)-0.9<Ssk<-3. 2，實測結果為[(-0.777) +(國0.807)+(國1.70)]/3= (-1.095)，符合要求。
5、表面的三維均方根偏差Sq的標準(取三處平均值)0.9//m <Sq<2. 1//m，實測結果為(1.04+1. 12+1. 07)/3=1.08//m，符合要求。
本發明是建立在三維粗糙度理論和三維粗糙度測量的基礎之上， 對于企業來說還有一個認知的過程，具體參數數值可根據制造企業的 設備水平和主機廠的要求進行調整，但是基于三維的氣缸套內孔平臺 珩磨網紋的技術標準及檢測是發展的必然趨勢。
權利要求
1.基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋的技術標準，其特征在于采用接觸式或非接觸式三維粗糙度測量儀對氣缸套內孔平臺珩磨網紋進行檢測，采集二維及三維掃描圖形，讀出三維參數數值形成技術標準，依技術標準評價平臺珩磨網紋，技術標準的三維參數包括評定表面缺陷參數、網紋角度、功能參數、三維表面偏斜度和表面的三維均方根偏差；其中，評定表面缺陷參數有單位面積的金屬片蓋數和單位面積的粗大峰谷數；其中，功能參數有表面支承指數、中心液體滯留指數和谷區液體滯留指數。
2. 根據權利要求1所述的基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋 的技術標準，其特征在于單位面積皿2的金屬片蓋數《12，單位 面積mn^的粗大峰谷參數《6;氣缸套中心線方向的夾角135±15° 或缸套內徑的切線方向夾角45±15° ;表面支承指數0.608〈Sbi〈 1.20，中心液體滯留指數0〈Sci〈1.5，谷區液體滯留指數0.12〈Svi<2.0;三維表面偏斜度-0.9〈Svk〈-3.2;表面的三維均方根偏差〈Sq〈2.1戶。
全文摘要
本發明公開了基于三維的氣缸套內孔平臺珩磨網紋的技術標準，采用接觸式或非接觸式三維粗糙度測量儀對氣缸套內孔平臺珩磨網紋進行檢測，提供二維及三維掃描圖形，并讀出三維參數數值形成技術標準，依技術標準評價平臺珩磨網紋，技術標準的三維參數包括評定表面缺陷參數、網紋角度、功能參數、三維表面偏斜度和表面的三維均方根偏差，三維參數的使用改變原二維參數的理論缺陷，在滿足缸套網紋要求的同時更具普遍性。本發明淘汰傳統的復膜檢驗，使用三維粗糙度測量儀，改變網紋形狀檢測方法效率低下、精度受限的狀況，通過對細微結構特征如片蓋、粗大峰谷等的量化要求，實現氣缸套質量的嚴格控制。
文檔編號F16J10/04GK101319721SQ20081012321
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者李伯奎 申請人:淮陰工學院