1     表麵微觀結構及其在用的珩磨工藝

      在發動機製造業，珩磨是一種被廣泛應用的工（gōng）藝方法，無論是氣缸（gāng）體缸孔還是其（qí）他一些部位(如連（lián）杆大（dà）頭孔)，業內現今主要采用的最終（zhōng）精加工工藝仍是珩磨，通（tōng）過精鏜工序之後的粗珩和（hé）精珩(有時還會有半精珩這道工序)，在表麵進行宏觀和微（wēi）觀（guān）幾何加工。作（zuò）為發動機中一組重要的（de）摩擦（cā）副（fù），配合麵的狀態是否符合要求至關重要，將直接（jiē）關係到產品的運（yùn）行質（zhì）量和可（kě）靠性。這些影響因素（sù）中，除了表麵硬度、宏觀幾何精度外（wài），配合麵的的微觀結構（gòu）更是往往會決定（dìng）相關的工藝性能。工件的表（biǎo）麵形貌包括了粗糙度、波度（dù）和形（xíng）狀誤差，而表（biǎo）麵（miàn）微（wēi）觀結構則主要（yào）指前二項，如圖1所示，它們均為零件重要的質量監控指標（biāo）。例如，對於缸（gāng）孔來說（shuō），通常情況下，經過珩磨加工後的（de）工件表麵微觀結構應同（tóng）時具備（bèi）這樣兩項（xiàng）特性，一（yī）方麵需要具（jù）有很光順的表麵和（hé）盡可能多的（de）承載（zǎi）麵積（jī），從而確保相互運動時的滑動性和耐磨性;另一方麵，又需要一個開放性的表麵微觀結構，以保障表麵的儲（chǔ）油能力（lì），即這個表麵仍然是"粗糙"的。為了同時能體現出這兩項功能，就需要（yào）使經（jīng）珩磨加工的工件表麵在相對粗糙的基礎上呈（chéng）現出平台結構的精細的表麵形態，如圖2(b)所（suǒ）示。

      在圖2中，利用自最（zuì）高峰（fēng）頂向下1μm的截線c，分別與（yǔ）(a)、(b)表麵微觀結構相交後的情況可以清晰地看到，後者的耐磨性要高得多，且同時具（jù）有相當充分的儲油（yóu）能（néng）力。如此的構造，保證了有足夠（gòu）的潤滑劑在摩擦副表麵貯存，潤滑劑能將兩個摩擦副表麵（miàn）完全分離，以及做到在任何運行狀態下磨損最小。其機理是潤滑油由於特殊的工件（jiàn）表麵微觀形（xíng）態結構（gòu）將（jiāng）能（néng）在表（biǎo）麵駐留很長時間，並（bìng）形成流體動態壓力。理想狀態下，在潤（rùn）滑（huá）劑和施載體、受（shòu）載體之間因粘著力而不會產（chǎn）生（shēng）相對運（yùn）動。相對運動隻存在於潤滑層內部，因而（ér）不會產生工件的很大磨損。

      由於在加工中，所（suǒ）采用油石(砂條\珩磨條)的磨料粒度、濃度、磨粒在磨具（jù）中的分布都（dōu）是隨機的，為了加工出具有不同要求的工件表麵，隻（zhī）能通過改變砂條規格(粒度、比例（lì）)和機床的壓力、速（sù）度等工作參數來實（shí）現，鑒於其中的不可控因素太多，使（shǐ）加工的一致性較（jiào）差，導致了經珩磨後的（de）工件表麵微觀（guān）結構（gòu）往往難以與（yǔ）所（suǒ）要求的完全一致。就以前麵提到的缸孔內壁為例（lì），實際所形（xíng）成的溝槽深度、寬度、密度等（děng）情況同理想的表麵（miàn）構造總會有差距，而珩磨（mó）條的改進（jìn）、質量的（de）提高又不可能從根本上解決上述問題。

      2激光（guāng）造型（xíng）的基本原理（lǐ）及其在缸（gāng）孔精加工中（zhōng）的（de）應用

      激光造型作為一種新工藝（yì），直到本世（shì）紀初（chū）才在其誕生地（dì）---汽車工業強國德國的少數企業得到實際（jì）應（yīng）用，但在用於發動機（jī）氣（qì）缸體缸孔和連杆（gǎn）大頭孔精（jīng）加工（gōng）等關鍵工序的實踐中，通過其改善配合（hé）麵的工藝性能、有效提升產品的質量和可靠性（xìng），已經充分顯示了這種先進技術的很大優越性。近年來（lái），這一先進的製（zhì）造技術在歐洲汽車發（fā）動機業界的應用日益增多，並自（zì）2009年開始（shǐ），進入了國內的主流（liú）汽車發動機生產企業，展現了它十分廣闊的市場前景。

      簡單地說，這項新技術就是利用（yòng）激光頭所發出的數控激光束在被加工表麵製作出符合事（shì）先設定要求的（de）表麵微觀結構的一種工藝方法。在實施表麵造型的加工過程中，高能量的光束（shù）將有部（bù）分被工（gōng）件（jiàn）表麵反射、有部分則被吸收，被吸收的光（guāng）束能在瞬間將材料加熱（rè）並使之達到氣化狀態。這種"激光刀"產生的光束的切削能力取決於脈衝頻率、功率、開關時間（jiān）和進給速度等。由於溫度升高是瞬間產生的，並且具有很高（gāo）的能量聚集密度，因此光束隻在一個有限的局部做瞬（shùn）間切削，工件材質的特性不會由此而產生變（biàn）化。另一方麵，粘結在工件表麵上的冷卻（què）劑殘餘物將被蒸發或燃燒（shāo），也不會影響到激光束切削的質量。激光造型設備的（de）數控係統能驅使（shǐ）用於缸孔精加工(如圖3所示（shì）)的激光頭做上（shàng）下和旋轉運動（dòng），並對激光（guāng）束的開關時間和能量進行相應的控（kòng）製，從而可獲得有著不同要（yào）求的工件內表麵的微觀結構。因此，用戶（hù）利用這種先進的製造技術（shù）就能在工件表麵產生可控（kòng）的微觀形貌。   

      但對於缸孔精加工而言，在引入了這項新技術後，並未就此摒（bìng）棄了之前采用的珩磨工（gōng）藝（yì）。事（shì）實上，此時的精加工將由（yóu）三道工序組成:粗珩;激（jī）光造型;精珩。粗珩的目的是使孔的形狀和尺寸達到一定的（de）精（jīng）度，以能滿足進行下道工（gōng）序的要求，這之後才執行激光造型。經過（guò）這一道新工藝精加工後，由於往往會使表麵形成（chéng）的溝槽兩側（cè）存在明顯的熔堆，而為了去除這些衍生的粘接熔堆和氧化物，以獲得一個較高光潔度的平台結構表麵，這樣就必須再（zài）有一道精珩加工（gōng），以能最終得到一個理想的（de）表麵構造。在缸孔內表麵精加工中引入（rù）激光造型工藝的根（gēn）本目的是（shì）為了得到一個可控的、適量而又充（chōng）足的微觀結構，以使機油有較長（zhǎng）的駐留時間和良好（hǎo）的（de）流體動態壓力。為此，一般選擇采用規整、均勻的溝（gōu）槽方案，具（jù）有交錯斷續或交叉點坑的分布特征（zhēng）。圖4是常選的三種（zhǒng）溝槽構造形式（shì）:袋狀(a);杯狀(b);塊狀(c)。上述結構的一個共同（tóng）點是無交叉、不連通，各溝槽相互（hù）之間沒有任何聯係，能（néng）有效存儲潤滑油而（ér）不易流（liú）失，便（biàn）於形成均勻油膜，使（shǐ）摩擦副處於流體潤（rùn）滑狀（zhuàng）態。由此，既保證了足夠的潤（rùn）滑，又（yòu）阻止了過多（duō）的機油竄入燃燒室，還可（kě）減少應力影響，對改善摩（mó）擦性能有（yǒu）很大好處。相比之下，傳統珩磨工藝（yì）在缸孔內表麵形成的往往就是相互連（lián）通的網（wǎng）狀溝槽結構，且（qiě）表麵粗糙度又"粗"，導致儲油（yóu）量偏多。而采取（qǔ）激光造（zào）型工藝的結果是使潤滑油的消耗量會有較大（dà）幅度的減少，關係到環保的指標，如顆粒物排放和（hé）油粒排放則有明顯降低。圖5是采用這項新穎工藝加工的缸孔的實況，從（cóng）圖中可見，真正實施（shī）激光造型的隻是位於承受高負載的缸孔上死點（diǎn）附近進（jìn）行的區域，以保證活塞環在該區域受到高負荷時的良好潤滑。圖5其（qí）實是（shì）汽車已運行十多萬公裏再拆解後的缸壁表麵情況，在圖（tú）中，無論是造型形成的規則溝槽，還是下部珩磨加工（gōng）的網紋都清晰可見。這也說明了利用激光造型技術可使磨損大幅度降低，從而延長發動機的使用壽命。

      3     連杆大頭孔的激光造型加工

      不同於上述活塞環-缸壁(缸孔內壁或（huò）缸套內壁)這組摩擦副，在發動機的活塞（sāi）-連杆-曲軸運動機構中，與曲（qǔ）軸中的連杆軸頸組成運動摩擦副的，並非直接（jiē）是連杆大（dà）頭孔的內（nèi）壁，而是（shì）一對(兩半組成)軸（zhóu）瓦。因此，連（lián）杆大頭孔不同於之前研究的缸（gāng）孔，其內壁和軸瓦乃是緊（jǐn）緊地貼合在一起（qǐ），兩者之間不僅沒有高頻次的相對運動，而且還要求在傳遞高負荷的扭矩時竭力避免出（chū）現（xiàn）滑動，哪怕（pà）是（shì）很小的錯移，以（yǐ）免影（yǐng）響發動機的運（yùn）行。為此（cǐ），長期以來（lái）在產品結構和（hé）工藝上（shàng），采取了分別（bié）在兩片軸（zhóu）瓦和分體的兩半連杆體上加工止口（kǒu）的方法，以防止產生滑移現象。這已是很成熟的製造技術，沿用至今（jīn）。但近年來（lái），汽車發動機業界出於種種考慮，不（bú）斷改進產品結（jié）構和（hé）改進工藝，上（shàng）述連杆軸瓦止口限位工藝已在一（yī）些企業的新產品中被取消，且這種情況逐漸在增（zēng）多（duō）。顯然，這種簡（jiǎn）化了的結構和工藝直接帶來了對連杆大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會（huì）提出更高的要求，最基本（běn）的一（yī）點就是:被緊緊壓入孔中的（de）軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力，以確保發動機在（zài）高速運轉（zhuǎn）中軸瓦不會有滑移。而這一點也隻能由連杆大頭孔內壁的有特定要求的表麵微觀結構來實現和保證。

      在發動機（jī）生（shēng）產企業，雖（suī）然缸孔和連杆大頭（tóu）孔最後一道精加工都是采用（yòng）珩磨工藝，但從前麵介紹可（kě）知，兩者（zhě）的被加工麵所應具有的工藝性能（néng）大（dà）相逕庭，完全不同。正因為如此，在引（yǐn）入（rù）激光造型這一新工藝的方式上，以及對"按需（xū）定製"，即所期望（wàng）形成的表麵微觀（guān）結構上，連杆大頭（tóu）孔與之前描述的缸孔（kǒng）的（de）情況有著很大的差別，如表1所示。

      從表1可見，相比缸體（tǐ）中的缸（gāng）孔，連杆大頭孔在引入這項新的（de）製（zhì）造技術後（hòu），原來（lái）的精加工工藝發生了根本變化，激光造型（xíng）完（wán）全取代了之前（qián）的珩磨而成為精（jīng）加工中（zhōng）的最後一（yī）道工序。圖6是連杆大頭孔激（jī）光造型設備的（de）主體部分，從圖中可見，該設（shè）備有一個很大的回轉工作台，其上擁有"上（shàng）下料"和"加工"等二個工位。在加工工位，對向設置的兩個旋轉激（jī）光（guāng）頭在完全封閉的環境下，完成了對工（gōng）件大頭孔圓周的4個矩形表麵的燒蝕造（zào）型（xíng）。經仔細（xì）觀察後可（kě）以清晰地（dì）從圖7中看到，那四（sì）個箭頭（tóu）所（suǒ）指處的局部陰影區域即是。那（nà）每一（yī）塊造型區域又有多大呢? 

      對於一台小排量轎車的發動機，其連杆大頭孔（kǒng）的外徑一般不超過50mm，厚度不（bú）超過20mm，則取高(軸向)為13～15mm，寬(圓周向)度、既弧長（zhǎng）則（zé）稍大些，但一般不用長度單位mm表示，而采用對應的角度標注，約在35°左右（yòu）。

      如前（qián）所述，缸孔激光造型乃是在粗珩後的表麵上加工出規則、均勻的溝槽。而對（duì）於連杆大頭孔，則（zé）是在精鏜後的圓周麵上完成較均勻的凸峰狀造型，無疑兩（liǎng）者是不（bú）一樣的，所產生微觀結構的均勻程度也是不同的，後者更為困難。圖8是經過激（jī）光造型後的表麵（miàn）構造三維圖。從前麵的介紹可知，由（yóu）於連杆大頭孔珩磨後要求體現的工藝（yì）性能就是確保與軸瓦間有足夠的摩擦力，因（yīn）此規則、均勻的程度（dù），以（yǐ）及燒蝕造型過（guò）程中珩生的一些粘結熔堆和氧化物不會影響其工藝效果。通（tōng）過在缸體缸孔精加工工序中引入激光造（zào）型工藝，能明顯地（dì）提升發動機的產品質量和性能，但是，把這（zhè）項新的製造技術真正在企（qǐ）業中用於實際生產的都首先是連杆大頭孔。主要原因就是這樣做直接帶來了（le）"在確保產品質量的同時，降低了製造成本"的（de）效果（guǒ）。相比傳統（tǒng）的一條珩磨短線(含有粗珩、在線檢測、精珩、在線檢測等多個工位)，圖6所示的設備（bèi）要便宜得多，僅為前者的幾分（fèn）之（zhī）一。而且，采用這一新工藝後運行費用也會更低，原（yuán）因是既不再需要像珩磨（mó）頭那樣複雜又昂貴的機床（chuáng）附件，更（gèng）不涉及到油石(珩磨條)、乳化液等消耗品。再有一點，由於無論（lùn）設備本身還是牽涉的輔助器具都很簡單，這就決定了運行中的故障率大大降低，使維護成本也相應降低，而這正是企業所期望的。唯一要引起注（zhù）意（yì）的是必須使（shǐ）設備周（zhōu）圍的油汙、乳化液應遠（yuǎn）離工作區，一旦（dàn）激光頭"光束發射（shè）空"被堵塞，或反射鏡片被（bèi）弄髒，將會導致嚴重的質（zhì）量問題。

      4     結論

      作（zuò）為一種新技術，激光造型工藝有著廣闊的應用前景，用於上述發（fā）動機中的缸體缸孔和連杆大頭孔的精加工僅是兩個典型案例。其（qí）他可以采用這一新（xīn）工藝的場合還有很多（duō），如連杆大頭孔（kǒng）及（jí）其端麵的精加工等。

      但盡管如此，激光造型的推廣應用也還有較漫長的路程要走，主要還是受製於投入，即製造（zào）成本（běn）。缸孔造型雖然（rán）有較明（míng）顯（xiǎn）的提升產品（pǐn）性（xìng）能、質量的效果，但為增添設備，必然會增（zēng）加生產成本，這也是一個不爭的事實（shí）。此外，就完成加工之後（hòu）的檢測、評（píng）定來看，也存在效（xiào）率偏低的弱點。目前企業正在考（kǎo）慮選用更高效、可行的光學掃描方式。這也說明，對產品性能、質量要求的（de）不斷提高，孕育、促進了先進製造工藝的誕生，而（ér）由此對評估、驗證提出的（de）新的需求，又推動了測量技術的發展。