1     表麵微觀結構及其在用的珩磨工藝

      在發動機製造業（yè），珩磨是（shì）一種被廣泛應用的工藝方（fāng）法，無論是氣缸體缸孔還是其他一些（xiē）部（bù）位(如連杆大頭孔（kǒng）)，業內現今主（zhǔ）要采用的最終精加工工藝仍是珩磨（mó），通過精（jīng）鏜工序之後的粗珩和（hé）精珩（héng）(有（yǒu）時還會有半精珩這道工序)，在表麵進行宏觀（guān）和微觀幾何加工。作為發動機中一組重要的摩擦副，配合麵的（de）狀態是否符合（hé）要求至關重要，將直接關係到產品的運（yùn）行質量和可靠性。這些影響因素中，除了表麵硬度、宏觀幾何精度外（wài），配合麵的（de）的微觀結構更是往往會決定相關的工藝性能（néng）。工件的表麵形貌包括了粗糙度、波度（dù）和形狀誤差，而表麵微觀結構則主要指前二項，如（rú）圖1所示，它（tā）們均為零件（jiàn）重要的質量監控指標。例如，對於缸孔來說，通常情況下，經過珩磨加工後的工件表麵微觀（guān）結構應同時具備這樣兩項特性（xìng），一方（fāng）麵需要具有很（hěn）光順的表麵和盡可能多的承載麵積，從（cóng）而確保相互運動時的滑動性和耐（nài）磨性（xìng）;另一方麵，又需要一個開放性的表麵（miàn）微觀結構，以保障表麵的儲油能力，即（jí）這個表麵仍然是"粗糙"的。為了同時能體現出這（zhè）兩項功能，就需要使經珩磨加工的工件表麵在相對（duì）粗糙的基礎（chǔ）上呈現（xiàn）出平台結構的精細的（de）表麵形態，如圖2(b)所（suǒ）示。

      在圖2中，利用自最高峰（fēng）頂向下1μm的截線c，分（fèn）別與(a)、(b)表麵微觀（guān）結構相交後的（de）情況可以清晰地看到，後者的耐磨性要（yào）高（gāo）得多，且同時具有相當充分（fèn）的儲油能力。如此的構造，保（bǎo）證了有足夠的潤（rùn）滑劑在（zài）摩擦副表麵（miàn）貯存，潤滑劑能將兩個（gè）摩擦副表（biǎo）麵完全分離，以及做到在任（rèn）何（hé）運（yùn）行狀態下磨損最小。其機理是潤（rùn）滑（huá）油由於（yú）特殊的工件表麵微觀形態結構將能（néng）在表麵駐留很長（zhǎng）時間，並形（xíng）成流體動態壓力。理想狀態下，在潤滑劑和施載體、受載體之（zhī）間因（yīn）粘著力而不會產生相對運（yùn）動。相（xiàng）對運動隻存（cún）在於潤滑層內部，因而不會產生工（gōng）件的很大磨（mó）損。

      由於在加工中，所采用（yòng）油石(砂條\珩磨條)的磨料粒度、濃度、磨粒在磨具中的分布都是隨機的，為了加工出具有不（bú）同要求的工件表麵，隻能通過改變砂條規格(粒度、比例（lì）)和機床的壓力、速度等工作參數來實現，鑒於其中（zhōng）的（de）不可控因素太多，使加工的一致性較差，導致了經珩磨後的工件表麵微觀結構往往難以與所要求的完全一（yī）致（zhì）。就以前麵提到（dào）的缸孔內壁為例，實（shí）際所形成的溝槽深度、寬度、密度等情況同理想（xiǎng）的表（biǎo）麵構造總會有差距，而珩磨條的改進、質量的提高又不可能從根本上（shàng）解決（jué）上述問題。

      2激光造型的基本（běn）原理及其在缸孔精加（jiā）工中的應用（yòng）

      激光造型作為一種新工（gōng）藝（yì），直到本世（shì）紀初才在其誕生地（dì）---汽車（chē）工業強國德（dé）國的少數企業得到實際應用，但在用於發動機氣缸體缸孔和連杆大頭孔精加工（gōng）等關鍵工序的實踐中，通過其改善配合麵的工藝性能、有效提升產品的質（zhì）量和（hé）可（kě）靠性（xìng），已經充分（fèn）顯示了這種先進技術的很大優越性。近年來，這一先進的製造技術在歐洲汽車發動機（jī）業界的（de）應用日益增多，並自2009年開始，進入了國內的主流汽車發動機生產企業，展現（xiàn）了它十分廣（guǎng）闊的市場前景（jǐng）。

      簡單（dān）地說（shuō），這（zhè）項新技術就是利用激光頭所發出（chū）的數控激光束在被（bèi）加工表麵製（zhì）作出符合事先設定要求的表（biǎo）麵微（wēi）觀結構的一種工藝方法。在實（shí）施表麵造型的加工過程中，高能量的光束將有部分被工件表麵反射、有部分則被吸收，被吸收的光（guāng）束能（néng）在瞬間將材料加熱並使之達到氣（qì）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、開關時間和進給速度等。由於溫度升高是瞬間產生的（de），並且具有很（hěn）高的能量聚集（jí）密度，因此光束隻在一個有限的局部做瞬間切削，工件材質的特性不會（huì）由此而產生變化。另一方麵，粘結（jié）在工件表麵（miàn）上的冷卻劑（jì）殘餘物將被（bèi）蒸發或（huò）燃燒，也不會影響到激光束切削的質（zhì）量。激光（guāng）造型設備的數控係（xì）統能驅使（shǐ）用於（yú）缸孔精加工(如（rú）圖3所示)的激光頭（tóu）做上下和旋轉（zhuǎn）運動，並對激光束的開關時間和能量進行相應的（de）控製，從而可獲得有（yǒu）著不（bú）同要求的工件內表麵的微觀結構。因此，用戶利用這種先進的製造技術就能在工件表麵產生可控的微觀形貌。   

      但對於缸孔精加工而（ér）言，在引入了（le）這項新技術後，並未就（jiù）此摒棄了之前采用的（de）珩磨（mó）工藝。事實上，此時的精加工將由三道工序組成:粗珩（héng）;激光造型;精珩。粗珩（héng）的目的是使孔的形狀和尺（chǐ）寸達到一定的精度，以能滿足（zú）進行下道工序的要求，這之後才執行激光造型。經（jīng）過（guò）這一道新（xīn）工藝（yì）精加工（gōng）後，由於往（wǎng）往會使（shǐ）表麵（miàn）形成的溝槽兩側存在明顯的熔堆，而為了去（qù）除這些衍生的粘接熔堆和氧化（huà）物，以獲得一個較高（gāo）光潔度的平台結構表麵（miàn），這樣就必須再有一道精珩加工，以能最終得（dé）到一個理想（xiǎng）的表麵構造。在缸孔內表（biǎo）麵精加工中引入激光造型工藝的（de）根本目的是為了得到一個（gè）可控的、適（shì）量而又充足（zú）的微觀結構，以（yǐ）使機油有較長的駐留時間和良好的流體動態（tài）壓力。為此，一般選擇采用規整、均勻的溝槽方案（àn），具有交（jiāo）錯斷續或交叉點坑（kēng）的分布特征（zhēng）。圖4是常選的三種溝槽構造（zào）形式（shì）:袋狀(a);杯狀(b);塊狀(c)。上（shàng）述結構的一個共同（tóng）點是無交叉、不連通，各溝槽相互之（zhī）間沒有（yǒu）任何聯（lián）係，能有效存儲潤滑油而不易流（liú）失，便於（yú）形成均勻油膜，使摩擦副處於流體潤滑狀（zhuàng）態。由（yóu）此，既保（bǎo）證了足夠的（de）潤滑，又阻（zǔ）止了過多的機油竄入燃燒室，還可減少應力影響，對改善摩（mó）擦性能有很大好處。相比之下，傳統珩（héng）磨工藝在缸孔內表麵形（xíng）成的往往就是相互（hù）連通的網狀溝槽結構，且（qiě）表麵粗糙度又（yòu）"粗"，導致儲油量偏（piān）多。而采取激光造型工藝的結果是使潤滑（huá）油的消耗量會有較大幅度的減少，關係到環保的（de）指標，如（rú）顆粒物排放和油粒排放則有（yǒu）明顯降低。圖5是采用這項新（xīn）穎工藝加（jiā）工的缸孔的實況，從圖中可（kě）見，真正實施激光造型的隻是位於承受高負載的缸孔上（shàng）死（sǐ）點附近進行的區域，以保證活塞環在該（gāi）區域受到高負荷（hé）時的良好潤滑。圖5其實是汽車已運行十多萬公裏再拆解後的（de）缸壁表麵情況，在圖中，無論是造型形成的規則溝槽，還是下部（bù）珩磨加工的網紋都（dōu）清晰可見（jiàn）。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（jī）的使用（yòng）壽命。

      3     連杆大頭孔的激光造型加（jiā）工

      不同於上述活塞環（huán）-缸壁(缸孔內壁或缸套內壁)這組摩擦副，在（zài）發動機的活塞-連杆-曲軸運動機構中，與曲軸中的連杆軸頸組成（chéng）運動摩擦（cā）副的（de），並非直接是連杆大頭孔的內壁，而是一對(兩半組成)軸瓦。因此，連杆大頭孔不同於之前研究的缸孔，其內壁和軸瓦乃是緊緊地貼合在一（yī）起，兩者之間不僅沒有高頻次（cì）的相對運動，而（ér）且還（hái）要求在傳遞（dì）高（gāo）負荷的扭矩時竭力避免出現（xiàn）滑動，哪怕是很小的錯移，以免影響發動機的運行。為此，長期以來在產品結構和工藝上，采取了分（fèn）別在兩片軸瓦和分體的兩半連杆體上加工止口的（de）方法，以防（fáng）止產（chǎn）生滑移現象。這已是很成熟的製造技術，沿用至今。但近年來（lái），汽車發動機業界出於種種考慮，不斷改進產品結（jié）構和改進工藝，上述連杆軸瓦止口限位工藝已在一些（xiē）企業的（de）新產品中被取消，且這（zhè）種情況逐漸在增多。顯然，這種簡化了的結構和工藝直接帶（dài）來了對連杆大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會提出更高的要求（qiú），最基本的一點（diǎn）就是:被緊緊壓入孔中（zhōng）的軸瓦與孔壁必須有足夠（gòu）的摩擦力，以確保（bǎo）發動機（jī）在高速運轉中軸瓦不會有滑移。而這（zhè）一點也隻能（néng）由連杆大頭孔內壁的有特定要求的（de）表麵微觀結構來實現和保證。

      在發（fā）動機生產企業，雖然缸孔和連杆大頭孔最後一道精加工都是采用珩（héng）磨工藝，但從前麵介紹可知，兩（liǎng）者的被加工麵所（suǒ）應具有的工藝性能大相逕庭，完全不同。正因為如此，在引入激（jī）光造型這一新（xīn）工藝的方（fāng）式上，以及對"按需定製"，即所期望形成（chéng）的表（biǎo）麵微觀結構上，連杆大頭孔與之前描述的缸孔的情況有著很大的差別，如表1所（suǒ）示。

      從表1可見，相比缸體中的缸（gāng）孔（kǒng），連杆大頭孔在引（yǐn）入這項新的製造技術後，原來的精加工工藝（yì）發生了根本變化（huà），激（jī）光造型（xíng）完全取代了之前的珩磨（mó）而成為精加工（gōng）中（zhōng）的最後一道工序。圖6是連杆大頭（tóu）孔激光造型設備的主體部分，從圖中（zhōng）可見，該設備有一個很大的回轉工作台，其上擁有"上下（xià）料"和"加工"等二個工位。在加工工位，對向設（shè）置的兩個旋轉激光頭在完（wán）全封閉的環境下，完成（chéng）了（le）對工件（jiàn）大（dà）頭（tóu）孔圓周的4個矩形表麵的燒蝕造型。經仔（zǎi）細觀察（chá）後可以清晰地從圖7中看到，那四個箭頭所指（zhǐ）處的局部陰影區域即是（shì）。那每一塊（kuài）造型區域又有多大呢? 

      對於一（yī）台小排量轎車的發動機，其連杆大頭孔的（de）外徑一般不超過50mm，厚度不超過20mm，則取高（gāo）(軸向)為13～15mm，寬(圓周（zhōu）向（xiàng）)度、既弧長則稍大些，但一般不用長度單位mm表示（shì），而（ér）采用對應的角度標注，約（yuē）在35°左右。

      如前所述，缸孔激光造型（xíng）乃是在粗珩後的表麵上加工（gōng）出（chū）規則、均勻的溝槽。而（ér）對於（yú）連杆大頭孔，則是（shì）在精鏜後的圓周麵上完成較均勻的凸（tū）峰狀造型，無疑兩者是不一樣的，所產生微觀結構的均勻程度也是不同的，後者更（gèng）為困難。圖8是經過激光造型後的（de）表麵構造三維圖。從前麵的介紹（shào）可知，由於連杆大頭孔珩磨後要求體現的工（gōng）藝性能就是確保與軸瓦間有足夠的摩擦力，因此規則、均勻的程度，以及燒蝕造型過程中珩生的一些粘結熔堆和（hé）氧化（huà）物不會影響其工藝效果。通過在缸體缸（gāng）孔（kǒng）精加工工序中引入激光（guāng）造（zào）型工藝，能明顯地提升發動機的產品質量和性能，但（dàn）是，把這（zhè）項新的製造技術真正在（zài）企業中用於實際生產的都首先（xiān）是連杆大頭孔。主（zhǔ）要原因就是這樣做直接帶來了"在確保產品質量的同（tóng）時，降低（dī）了（le）製造成本"的效果。相（xiàng）比（bǐ）傳統的（de）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（shè）備要便宜得多，僅為前者的幾（jǐ）分之一。而（ér）且，采（cǎi）用（yòng）這一新工（gōng）藝（yì）後運行費用也會更低，原因是既不再（zài）需要像珩磨頭那樣複雜又昂貴的（de）機床（chuáng）附件，更不涉及到油石（shí）(珩磨條)、乳化液等消耗品。再有一點，由於無論設備本身還是牽涉的輔助器（qì）具都（dōu）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（yě）相應降低（dī），而這正是企業所期望的。唯一要引起注意的是必須使設備周圍（wéi）的油汙、乳化液應遠離工作區，一旦激光頭"光束發射（shè）空"被堵塞，或（huò）反射鏡片被弄（nòng）髒（zāng），將會導（dǎo）致嚴（yán）重的質量問題。

      4     結論

      作為一種新技術，激光造型工（gōng）藝有著廣闊的應用前景，用於上述（shù）發（fā）動機中的缸體缸孔和（hé）連杆大頭孔（kǒng）的精加工僅是兩個典（diǎn）型（xíng）案例。其他可以采用這一新工藝的場合還有很多，如連杆大頭孔及其端麵的精加工等。

      但盡管如此，激光（guāng）造型（xíng）的推廣應用也（yě）還有較漫長（zhǎng）的路程要走（zǒu），主要還是受製於投（tóu）入，即製（zhì）造成本。缸孔造型雖然有較明顯的提升產品（pǐn）性能、質量的效果，但為增添設備，必然會（huì）增加生產成本，這也是一個不爭的（de）事實。此外，就完成加工之後（hòu）的檢測、評定來看，也存在效（xiào）率偏低的弱點。目前（qián）企（qǐ）業正在考（kǎo）慮選用（yòng）更（gèng）高效、可行的光學（xué）掃描方式（shì）。這也說明，對產品性能、質量要（yào）求的不斷提高，孕育（yù）、促進（jìn）了先進製造（zào）工藝的誕生，而由此對評估、驗證提出的新的需（xū）求，又推動了測量技術的發（fā）展。