分区异化织构缸孔表面形貌表征

康正阳，符永宏，尹必峰，纪敬虎

(1．江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;2．江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)

缸孔－活塞环摩擦副表面润滑、抗磨性能直接影响发动机的燃油耗、机油耗和寿命［1－2］．传统缸孔表面处理通过平台珩磨工艺，去除余量并在孔壁表面形成随机的交叉网纹．近年来，表面织构技术成功应用于缸孔表面的加工，德国格林公司的激光珩磨技术和奥迪公司的UV光子制造技术均已在多款发动机上实现小批量生产．

缸孔表面分区异化织构思想最早由格林公司的激光珩磨技术提出，它仅在上止点区域加工一定尺寸及分布的袋式储油槽，旨在增加上止点贫油区的机油供给，改善润滑状况．值得注意的是，上述分区异化方案中的织构形貌尚且单一，如综合考虑摩擦副工况、磨损、活塞环和缸孔相对速度变化、活塞主次推力面受力差异等因素，分区异化方案将更为复杂．另外，摩擦学研究表明微米尺度的凹腔具有突出的润滑减摩效应［3－6］．因此，分区异化和尺度微纳化是表面织构技术的发展趋势［5］．

实现缸孔表面分区异化织构，特别是产业化应用，具有三个前提条件，一是充分的摩擦学基础研究;二是可行的织构加工技术;三是织构形貌的科学表征与快速测量．目前，前两者已基本实现，而对织构形貌表征的研究则相对较少．李敦桥等［7］发现在交叉纹理表面产生规则凹坑后，表面连通性系数明显增大．刘小君等［8］通过设计形态学分离算法，建立了缸套形貌的多尺度特征与表面功能之间的联系．

为此，本研究介绍缸孔的表面分区异化织构技术，提出分区域表征体系，并通过表征实例进行验证．

1 分区异化织构的实现

1．1 织构工艺

采用单脉冲同点间隔多次工艺［9］，将激光脉冲间隔多次作用于靶材同一位置，在不降低加工效率的同时，最大程度减少了负面热效应，提升了织构质量．图1为脉冲重复次数为3的微凹腔A－F的扫略策略．激光脉冲的发射匹配机构运动，靶材吸收A1脉冲后，当光束再次扫略过该位置时，再吸收A2脉冲，A3脉冲同理．

图1 单脉冲同点间隔多次工艺

1．2 分区异化技术

在缸孔表面进行与润滑减摩要求相匹配的分区异化微织构，需对表1中形貌、径向、轴向、周向参数进行控制．先进的控制技术配合单脉冲同点间隔多次工艺，实现上述控制要求．

表1 控制参数及方法

2 分区异化微凹腔织构表面表征

2．1 织构表面构成

发动机缸孔表面激光织构工艺与机械珩磨工艺密不可分［2］，后者加工出平整、光洁的织构前表面，形成具有平衡润滑油分布作用的浅沟槽;还作为后处理工艺，去除激光加工产生的浮渣、毛刺．激光织构缸孔表面是平台珩磨的随机网纹表面与织构化规则表面的复合．

本研究在对分区异化织构缸孔的表面表征中，两次运用了分区域思想．首先将缸孔表面划分为织构区域和平台珩磨区域，表征分区异化区域;随后针对织构区域的形貌单元，划分凹腔区域，表征凹腔的形貌参数．

2．2 织构区域参数

缸孔壁在圆柱坐标系中表示为

式中:R为缸孔半径;φ为方位角(0～2π);S为高度．定义主推力面活塞销孔指向方位角原点，缸孔顶端为高度原点，如图2所示．

图2 分区异化织构示意图

表2为对异化区域A－C的织构区域位置和范围表征结果．异化区域的位置是通过该区域内一点表征的，该点在区域形状中被标注．因缸孔半径不变，表中所有圆柱坐标系的三维坐标均缺省为二维坐标．

表2 织构区域位置和范围表征结果

2．3 机械珩磨参数

目前缸孔表面普遍使用基于轮廓支撑长度率曲线(Abbott曲线)的表征方法［7］，Abbott曲线与表征参数如图3所示［10］．该方法运用统计学原理从不规则表面中提取出反应表面性能的数值化参数，通过简约峰高Rpk、核心粗糙度深度Rk、简约谷深Rvk、轮廓支撑长度率Mr1和轮廓支撑长度率Mr2等参数对珩磨表面进行表征．Abbott体系的表征原理决定了其无法反映表面形貌的潜在规律，更无法反映表面的摩擦学性能．

图3 Abbott曲线与表征参数

2．4 形貌参数

2．4．1 形貌领域

规则阵列的织构形貌都可以看作为占据着一个大小为m×n的形貌领域，微凹腔领域的示意图如图4所示．

图4 微凹腔领域示意图

2．4．2 直径和相对误差

在试验或理论研究中，凹腔直径是反映织构尺度的关键参数［3，11］．实际凹腔形貌并非正圆，所以并不具有严格的直径概念．以往研究［3－6，11－12］直接给出凹腔直径测量值，而未明确凹腔直径的数学意义，因此测量难免受主观影响．受外接圆和最大内切圆法评定圆度误差方法启发，通过求取凹腔轮廓外接圆直径do和最大内切圆直径di确定凹腔的直径dp，如图5所示．

图5 凹腔轮廓外接圆与最大内切圆

定义凹腔直径dp为

定义凹腔直径dp的相对误差δdp为

在上述定义下，凹腔直径dp具有唯一性，而δdp值越小，说明凹腔形貌与正圆越接近;一定程度上也能反映织构质量．关于任意封闭曲线的最大内切圆和外接圆的求法，早有研究［13］并有明确的结论，本文不再赘述．

2．4．3 凹腔深度和底部微观不平整度

实际加工的凹腔形貌的截面轮廓绝非平滑曲线．图6为凹腔轮廓滤波器处理轮廓曲线．图6a为一典型激光织构形貌的截面轮廓，对其进行空间滤波处理，筛选出关键信息．

平滑线性滤波器是低通滤波器的一类，它通过滤波器模板所确定的领域内像素点平均中心高度代替原有高度，将凹腔底部圆滑处理，得到图6b轮廓，其核心思想如下:

3×3矩阵领域Z表示为

其中心高度的计算式为

中心高度Zcnew代替Zc，依次访问各点．

图6b中由n点组成的轮廓曲线c1，深度hpc1为

则对于含有截面轮廓c1－cn的凹腔，凹腔深度hp为

图6 凹腔轮廓滤波器处理轮廓曲线

凹腔底部的平整度直接影响其有效深度、直径和润滑介质在凹腔内的流动路径，一定程度上决定了织构表面润滑减摩效果．通过底部微观不平整度pz表征凹腔底部状况．

原始界面轮廓经高通滤波后，仅保留凹腔底部粗糙度信息，见图6c，其核心思想如下:

对于3×3矩阵领域Z，其中心高度的计算式为

中心高度Z'cnew代替Zc，依次访问各点．

将图6c的凹腔底部轮廓均分为λ个(图中为4个)连续取样长度，定义凹腔底部微观不平整度为

式中:ypi是第i个最大的轮廓峰高;yci是第i个最大的轮廓谷深．

2．4．4 凹腔空体体积

储油能力是零件表面重要性能之一，与表面空体体积直接相关［14］．脉冲激光加工的凹腔截面轮廓近似为抛物线，以此为前提，凹腔空体体积vp的估算式为

2．5 推衍参数

2．5．1 面积占有率和深径比

表面织构在流体润滑和混合润滑条件下，在相互运动的摩擦副表面产生润滑效应．理论及试验研究表明，面积占有率ρ和深径比σ是影响织构减摩润滑性能的关键指标，在不同工况下存在最优的参数组合［3－6，11－12］．ρ和σ分别定义为

2．5．2 织构表面的空体体积

织构表面是珩磨随机沟槽与规则织构的复合．由凹腔空体体积vp和机械珩磨区域的空体体积vx估算织构表面的空体体积vt．

在Abbott曲线表征体系中，机械珩磨表面单位面积的空体体积vx(μm3·μm－2)的估算式为

其中vcore和vvally分别为核心轮廓和谷轮廓单位面积的空体体积．那么，织构表面空体体积 vt(μm3·μm－2)的估算式为

由式(14)可知，随着vx值的减小，vt值的大小逐渐取决于vp值的变化．即通过表面织构工艺精确控制零件表面空体体积是可行的．vx值主要是由简约谷深Rvk和核心粗糙度深度Rk值确定的．

3 表征实例

声光调Q的Nd∶YAG激光器(CEO)，输出波长为532 nm的脉冲激光，脉冲宽度45 ns，单脉冲能量4．8 mJ．采用单脉冲同点间隔多次工艺制备如图7所示的T形激光织构缸套，缸套材料为灰铸铁，表面参数:Rz=1．49 μm，Rk=0．26 μm，Rpk=0．17 μm，Rvk=0．32 μm，Mr1=7．8%，Mr2=88．1%．此分区异化织构方案考虑了表面润滑状况和磨损，上止点A区域织构起驻油和布油作用，使得润滑油膜趋于连续;B和C区域位于行程中部，该区域的缸孔与活塞环相对速度较高，承压大，易于磨损．B和C区域织构的作用是形成动压润滑，降低摩擦功损失和磨损．

采用WYKO－NT1100三维形貌仪，基于分区域表征方法表征缸孔表面，各参数为多次测量取得的平均值．表征结果(见表3)涵盖了分区异化方案、织构工艺质量、摩擦学性能和储油能力．各区域δdp和pz值均较小且基本一致，表明该激光微织构工艺的工艺性和稳定性均较好．

图7 激光微织构缸套

表3 表征参数汇总

本实例中，参数vx的值为0．149，而区域A－C参数vt值增大2～5倍，说明织构表面的储油能力明显提升．需要注意的是，本研究缸孔式样的表面不同于传统平台珩磨表面(Rvk，Rk值较小)．如以传统平台珩磨表面 Rvk=1～2，Rk=0．3 ～1．0 估算，平台珩磨表面空体体积vx2=0．21～0．62．通过上述分析不难发现:缸孔分区异化织构技术能够改变缸孔表面空体体积的分布，使需要减摩润滑区域的空体体积增加，而通过控制平台珩磨表面参数(Rvk，Rk)，缸孔表面空体体积之和保持不变或减少．因此，一方面空体体积的减少将降低发动机机油耗;另一方面润滑油的优化分布及织构形貌产生的动压润滑效应将降低摩擦功的损失，反映在燃油耗和磨损量的降低．

3 结论

1)针对分区异化织构缸孔表面，提出基于分区域表征思想的表征体系;对分区异化织构缸孔进行表征试验，结果表明:表征参数能够客观准确地反映分区异化方案、织构表面性能和织构工艺的优劣．

2)缸孔分区异化织构技术能够改变缸孔表面空体体积的分布．为精确地控制表面空体体积分布，应尽量降低织构工艺前缸孔表面简约谷深和核心粗糙度深度．

3)分区域表征体系解释了激光微织构技术提升发动机性能的机理．后续研究将以本表征体系为基础，进一步探究织构表面空体体积与发动机机油耗、燃油耗间的确切关系，从而确定最佳的分区异化织构方案．

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