發(fā)動機的微粒物排放與機油消耗量密切相關，而發(fā)動機的機油消耗量很大程度上是由氣缸筒和活塞環(huán)之間的泄漏量決定的。氣缸筒的表面質(zhì)量對此具有重要的影響。德國大眾汽車公司借助於金剛砂-液體噴射-精整珩磨法（簡稱金剛砂-FG法）開發(fā)了一種新型加工方法，其主要優(yōu)點在於降低機油消耗量以及減少活塞環(huán)和氣缸筒的磨損量。
氣缸筒加工工藝水平現(xiàn)狀
汽車發(fā)動機氣缸筒的最終加工幾乎無一例外地都是采用珩磨工藝進行的。根據(jù)工件的幾何形狀和刀具運動學的特點，氣缸筒加工工藝涉及到一種長行程-內(nèi)部-圓周珩磨。在這種工藝中，刀具的回轉(zhuǎn)運動和移動運動疊加在一起，這種疊加的刀具運動在氣缸筒表面上產(chǎn)生了很特殊的十字交叉溝槽結(jié)構(gòu)。
利用金剛砂切削劑進行的珩磨加工（金剛砂珩磨）具有一系列優(yōu)點：特別高的刀具壽命、工件的尺寸穩(wěn)定性和較低的刀具成本（與工件有關）。但其糟糕的切削特性（負的切削角、會發(fā)生倒圓）表現(xiàn)為：接近表面的石墨片（保護罩）的破碎以及氣缸筒表面上的鱗片狀生成物。
利用碳化硅作為切削劑的珩磨（陶瓷珩磨）工藝加工出來的氣缸筒上較少出現(xiàn)石墨片發(fā)生破碎的情況，并且在表面上有附著的金屬微粒物（金屬屑）。但與采用金剛砂相比，采用碳化硅時，氣缸筒使用壽命明顯地縮短了。
這兩種珩磨方法都有一個共同的特點：由于十字交叉溝槽結(jié)構(gòu)的緣故，都形成了一個相互溝通的溝槽系統(tǒng)，促成了在氣缸筒表面上輸送機油的過程。
金剛砂珩磨FG法
1. 對材料的要求
大眾汽車公司為氣缸體的制造制訂了基于GG-25的珠光體灰鑄鐵的詳細技術(shù)要求。這種珠光體灰鑄鐵與其競爭對手不同，利用確定的鈦含量（0.04%）進行了合金化。鈦與氮和碳生成氮化鈦和碳化鈦，它們以有棱邊的生成物（棱邊長＜5μm）的形式鑲嵌在鑄件的組織中。氮化鈦和碳化鈦在混合摩擦中減少摩擦系數(shù)，并且因其非金屬的特性而能夠抑制粘附傾向。此外在機械加工過程中，氮化鈦和碳化鈦會使氣缸筒內(nèi)壁形成許多罐狀的溶洞，如同一個儲存機油的袋子，它們隨機分布在氣缸筒的表面上，并且從總體上說形成一個微型壓力室系統(tǒng)。
2. 筒壁表面物理量
粗糙度特性系數(shù)Rk、Rpk和Rvk（按照DIN 4776）是對于機油泄漏量的一種度量。隨著Rxx數(shù)值的升高，機油泄漏量增加。減少初始機油消耗量和微粒物排放的最重要的先決條件之一是，明顯地降低對機油消耗量具有決定性意義的粗糙度系數(shù)Rpk（＜0.3μm）、Rk（＜0.6μm）和Rvk（＜0.8μm）。然而，只有在確保行駛了10萬公里以后還有充足的液體動力潤滑，而且相互溝通的溝槽系統(tǒng)最大程度上被微型壓力室系統(tǒng)所替代的情況下，才能使機油消耗量大幅度地下降（見圖1）。
圖1 汽缸筒表面的機油儲存和機油輸送機理
相互溝通的溝槽系統(tǒng)和微型壓力室系統(tǒng)對機油消耗量的影響的差別在于，由于氣缸筒表面的溝槽特徵（相互溝通作用）不同，強制性地往燃燒室方向輸送機油的作用也不同。相互溝通的溝槽系統(tǒng)使得機油很容易進入燃燒室；與此相反，氣缸筒表面孤立的凹坑或者不連貫的溝槽（微型壓力室系統(tǒng)）只是一個基本上封閉的系統(tǒng)，只有有限的物質(zhì)交換。另一個差別是，在相互溝通的系統(tǒng)中，潤滑油會在活塞環(huán)的壓力下以側(cè)向從珩磨溝槽中擠出來，因而難免會發(fā)生某種程度的混合摩擦。與此相反，機油不可能從微型壓力袋中擠出來，由于緩沖作用的緣故，活塞環(huán)會發(fā)生“懸浮”或者“滑移”，因而使發(fā)生混合摩擦的可能性下降，同時意味著較少的摩擦損失和發(fā)動機功率的上升傾向。
3. 加工原理
金剛砂液體噴射精整珩磨系統(tǒng)能夠在含鈦的GG25鑄鐵氣缸體的基礎上實現(xiàn)微型壓力室系統(tǒng)。這種方法是緊跟著常見的兩階段金剛砂珩磨之后實施的。
圖2 圖3 圖4
圖2 液體噴射和精整珩磨之前的兩階段金剛砂珩磨
圖3 液體噴射之后的兩階段金剛砂珩磨
圖4 液體噴射和精整珩磨之后的兩階段金剛砂珩磨
液體噴射階段：氣缸筒表面的保護罩-金屬屑通過高壓的液體噴射（噴射介質(zhì)為珩磨工藝所采用的冷卻液經(jīng)過最精細的過濾所得）而被沖洗干凈，于是涂上了潤滑劑的珩磨溝槽以及由于合金化技術(shù)造成的物質(zhì)溶洞得以顯露出來。噴射壓力大約為120巴。
物質(zhì)溶洞的數(shù)量通過鈦含量而加以控制。當鈦含量為0.04%左右時，每平方公分大約有40個物質(zhì)溶洞。這些物質(zhì)溶洞的直徑大約為30至50μm，這個尺寸明顯地減小了表面特性系數(shù)Rxx，能夠確保氣缸筒表面上充足的機油儲存量。此外，表面輪廓的突起部分和殘馀的金屬屑也被清除掉了。
精整珩磨階段：由于液體噴射產(chǎn)生的強烈的清潔作用，能夠采用粒度為D15的極其精細的金剛砂珩磨條在最短的時間內(nèi)（小于10秒鐘）完成精整珩磨。在這個加工階段中發(fā)生的物質(zhì)剝離量最大為3μm，大大地降低了珩磨條的污染程度，使珩磨條達到了極佳的使用壽命（＞5萬個氣缸筒）。同時，還避免了氣缸筒由此生成保護罩而重又發(fā)生起鱗皮的現(xiàn)象，因為精整珩磨的刀具只須要對氣缸筒表面施加一個極小的壓力就行了。
為了限制這種擠壓作用，將精整珩磨條分成五段，每一段都固定在一個加了彈簧的珩磨條托架上。因而使得精整珩磨條能夠跟隨著可能出現(xiàn)的氣缸形狀缺陷而變動。
圖5 通過采用金剛砂-液體噴射-精整珩磨而降低機油消耗量
金剛砂珩磨FG法在發(fā)動機行業(yè)中的應用
借助于這種液體噴射-珩磨原理，德國大眾汽車公司第一次在大批量生產(chǎn)的條件下，在金剛砂珩磨的基礎上獲得了與昂貴的陶瓷珩磨同等質(zhì)量水平的氣缸筒表面。從發(fā)展趨勢來看，對于在表面清洗的基礎上達到的質(zhì)量還可以評估得更高一些。考慮到珩磨條不同的使用壽命，上述的金剛砂珩磨FG法從摩擦學和經(jīng)濟方面來看比陶瓷珩磨更高一籌。這種新方法的主要優(yōu)點是，減少機油消耗量和微粒物排放。
目前大眾汽車公司已經(jīng)將全部柴油機氣缸筒加工工藝轉(zhuǎn)換成了上述的珩磨法。對現(xiàn)有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行的分析證實了上述方法在客戶運行中的有效性。
