發(fā)動機(jī)的微粒物排放與機(jī)油消耗量密切相關(guān)，而發(fā)動機(jī)的機(jī)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(diǎn)在於降低機(jī)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(jī)氣缸筒的最終加工幾乎無一例外地都是采用珩磨工藝進(jìn)行的。根據(jù)工件的幾何形狀和刀具運(yùn)動學(xué)的特點(diǎn)，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(yùn)動和移動運(yùn)動疊加在一起，這種疊加的刀具運(yùn)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(jìn)行的珩磨加工（金剛砂珩磨）具有一系列優(yōu)點(diǎn)：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(guān)）。但其糟糕的切削特性（負(fù)的切削角、會發(fā)生倒圓）表現(xiàn)為：接近表面的石墨片（保護(hù)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(diǎn)：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(jī)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(xì)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(jìn)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(jī)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(jī)油的袋子，它們隨機(jī)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(jī)油泄漏量的一種度量。隨著Rxx數(shù)值的升高，機(jī)油泄漏量增加。減少初始機(jī)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(jī)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(jī)油消耗量大幅度地下降（見圖1）。
圖1 汽缸筒表面的機(jī)油儲存和機(jī)油輸送機(jī)理
相互溝通的溝槽系統(tǒng)和微型壓力室系統(tǒng)對機(jī)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(qiáng)制性地往燃燒室方向輸送機(jī)油的作用也不同。相互溝通的溝槽系統(tǒng)使得機(jī)油很容易進(jìn)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(jī)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(jī)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(chǔ)上實(shí)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(shí)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(hù)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(xì)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(dāng)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(jī)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(qiáng)烈的清潔作用，能夠采用粒度為D15的極其精細(xì)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(dá)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(hù)罩而重又發(fā)生起鱗皮的現(xiàn)象，因?yàn)榫衲サ牡毒咧豁氁獙飧淄脖砻媸┘右粋€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(jī)油消耗量
金剛砂珩磨FG法在發(fā)動機(jī)行業(yè)中的應(yīng)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(chǔ)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(chǔ)上達(dá)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(xué)和經(jīng)濟(jì)方面來看比陶瓷珩磨更高一籌。這種新方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，減少機(jī)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(jī)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(jìn)行的分析證實(shí)了上述方法在客戶運(yùn)行中的有效性。
