发动机气缸套应力产生及消除

王海军 吴福亮 何一鸣

摘 要：发动机气缸套在生产加工以及使用过程中产生的应力会进行释放，对气缸套的使用性能产生极大影响。长时间的应力释放，会造成发动机气缸套内孔径的变形，当发动机气缸套变形到一定程度时，会造成发动机的运行故障，对发动机的使用寿命及机械整体的使用性能均会产生不利影响。因此，研究消除气缸套内应力的方法就显得十分重要。本文对气缸套残余应力的产生、影响及消除措施进行了系统性总结。

关键词：气缸套；残余应力；内应力

中图分类号：TG245 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0043-03

Engine Cylinder Liner Stress Generation and Elimination

WANG Haijun1 WU Fuliang1 HE Yiming2

（1.GKN Zhongyuan Cylinder Liner Company Limited，Jiaozuo Henan 454750；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The engine cylinder liner is released during the process of production and use， and the performance of cylinder liner will have a great influence on the performance of the cylinder liner. Due to long time of stress release， will cause the deformation of the aperture in the engine cylinder liner， when the engine cylinder liner deformation to a certain extent， can cause the operation of the engine failure， the use of the service life of the engine and the overall mechanical performance can produce adverse effect. Therefore， it is very important to study the way to eliminate the internal stress of cylinder liner. In this paper， the generation， influence and elimination of residual stress in cylinder liner were systematically summarized.

Keywords： cylinder liner；residual stress；internal stress

气缸套是发动机的重要组成部分，其在内燃机内承受交变的机械负荷及热负荷，是发动机工作条件最恶劣、最关键的零部件之一[1-2]。随着内燃机向高速、高性能、低油耗、低排放、长寿命方向发展，其性能直接关系到内燃机的性能，甚至影响整车动力性、经济性、安全性等[3-5]。各种加工及生产工艺过程中产生的残余应力，对产品的性能及形状尺寸具有很大影响。同时，过度的残余应力也会导致部件形状改变及破裂等，因此，必须对气缸套的应力进行研究。

1 内应力的产生及影响

气缸套内应力的产生主要有铸造因素和机加工因素两种，即工件浇注的铸造应力切削残余应力。

1.1 铸造因素

由铸造因素产生的内应力主要包含热应力、相变应力和收缩应力。

1.1.1 热应力的产生及影响。由于气缸套各部位的薄厚程度不一样，一般为一端厚，中间次之，另一端则薄，因此浇铸过程中会影响铁液的冷却速度和组织状态。壁面较薄的冷却速度比厚侧的要快，造成壁面薄的一侧收缩大，最终使不同部位的组织状态存在差异。此外，壁厚的一侧受压力作用，而壁薄的一侧受拉力作用。因为纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。由气缸套各个部分的薄厚程度不同、冷却速度不同、塑性变形不均匀产生的压力称为热应力[6]。同时，考虑到气缸套在离心铸造过程中采用雨淋式水冷却，也会造成气缸套同一部位内外壁的冷却差异。

1.1.2 相变应力的产生及影响。气缸套壁厚在1 153℃共晶结晶时，析出石墨，产生体积膨胀。当气缸套温度降低到738℃时，铸铁发生共析转变，从面心立方结构向体心立方结构转变，比容也会增大，在1 153℃和738℃两次相变析出共晶石墨，这个过程产生的内应力称为相变应力。气缸套铸件由于壁面薄厚不同、冷却速度不同所形成的热应力起到主要作用。

1.1.3 收縮应力的产生及影响。固体合金在高于临界温度时处于塑性状态，在较小的应力作用下会产生塑性变形，变形之后应力就会消失；在临界温度以下时，合金呈现弹性状态，此时在应力作用下仅会发生弹性变形，应力不会在变形之后消失。铸铁材料是气缸套加工的常用材料，含碳量在2.8%～3.5%，属于亚共晶铸铁。钢和铸铁的临界温度为620～650℃，因此，在气缸套浇铸后，在逐渐冷却到室温的过程中，由于气缸套壁厚不同，使得中间和小端散热较为容易，冷却速度快。由于大端壁面较厚，造成散热慢，冷却时间长。这就导致中间和小端从塑性变形过渡到弹性变形时，大端由于散热慢，其温度依然很高，仍然处于塑性变形阶段，在缸套中间和小端缩小过程中，缸套大端将会起到阻碍作用，造成气缸套内部产生内应力。在缸套大端从塑性变形过渡到弹性变形的过程中，由于此时缸套大端散热变快，而中间和小端的散热速度随着时间的推移慢慢减缓，这就造成缸套大端收缩快，而中间和小端收缩慢，使得缸套大端的收缩受中间和小端的阻碍[7]。

气缸套大端在收缩过程中受到拉力作用，而中间和小端则受压力作用，形成了相互平衡的状态。此外，同一部位内外壁由于冷却温度的差异也会造成拉应力或压应力。这种气缸套在铸造过程中由于受到外界机械阻碍造成的应力称为机械阻碍（收缩应力）。机械应力是暂时的，在气缸套脱出铸形后会消失。

1.2 机加工因素

1.2.1 切削残余应力的产生及影响。机加工过程中主要产生的是切削残余应力。气缸套毛坯在铸造过程中会产生很大的内应力，这些内应力由于存在相互平衡的关系，不会造成毛坯变形，通过外观无法观察的。当进行机加工时，这些残余应力会得到释放，使零件很快发生变形，影响零件的加工精度。

在机加工过程中，切削的残余应力是由机械阻碍应力和热应力两种外因引起的。工件在切削加工过程中产生的残余应力分为残余张应力和残余压应力。残余张应力与残余压应力对疲劳强度的影响相反，前者对疲劳强度具有降低作用，后者有时会提高工件的疲劳强度。由于切削加工过程产生的残余应力的分布不均，造成工件各部位变形，对工件的尺寸和加工精度产生较大影响。

1.2.2 切削残余应力的产生因素。切削残余应力的产生原因主要有以下几种情况。

1.2.2.1 熱塑变形。在零件加工过程中，金属发生塑性变形，由于变形会产生变形热。在切削过程中，刀具和工件表面的摩擦会产生摩擦热，使工件表面的温度较高，而工件内部的温度则较低。由于表面的温度高，内部温度低，造成表面收缩量大，内部收缩量小，从而使得表层在收缩过程中会受到工件内部的限制，造成工件表面形成张应力，工件内部形成压应力。

1.2.2.2 工件内部金属的弹性变形。工件在加工后，表面温度高，处于空气接触状态，散热快，表面形成塑性变形；金属内部的温度较低，很快就进入弹性变形状态。工件的表面塑性变形将处于工件内部金属弹性变形的前提下进行，这就造成工件表面收缩到一定程度后，由于受到内部弹性变形的限制，表面形成应力。

1.2.2.3 切削过程中表面金属由于切削热发生相变。在切削过程中，由于切削速度和切削深度过大，在加上摩擦生热，可以使得刀具和工件表面的温度达到600～800℃，使工件的表层金属有机会相变，工件金属表层出现压应力，而里层金属将存在张应力。

2 残余应力的消除方式

2.1 避免内应力的产生

在浇铸过程中，采取“同时凝固原则”，尽量减小铸件浇铸过程中各个部位的温差，使铸件达到同时冷却凝固。此外，在机加工过程中，对每次的进刀深度和加工余量进行控制，做到不同加工余量对应不同的进刀深度。还需要控制涨套的气压。

2.2 残余应力的消除措施

2.2.1 自然时效。作为最古老的时效方法，自然时效法是将铸造完成的毛坯缸套存放在室外一段时间，根据壁厚的不同，存放时间存在差异，通过自然因素给部件造成多次反复的温度应力。在温度应力形成的过程中，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。

自然时效对降低部件残余应力的作用不大，但对部件的松弛刚度有所提高，使部件尺寸的稳定性较好。自然时效法的优点是不需要投入设备和资金，简单易行。但其也存在生产周期长，需要占用较大场地，不容易管理，且不能及时发现部件内部的缺陷等问题，已经逐渐被淘汰。

2.2.2 人工时效。人工时效主要包含热处理时效、敲击时效、振动时效、超声波冲击时效和爆炸时效。该时效方法适合消除铸造过程中产生的热应力、机加工过程中产生的冷应力。

2.2.2.1 低温回火时效。低温回火时效在目前气缸套的生产行业中应用得比较广泛。其是将气缸套半成品放在退火炉中缓慢加热到500～560℃，并保温一段时间，然后缓慢冷却到200℃出炉，进行空冷到室温。该方法的优点是热处理效果好，能够消除气缸套内部50%～80%的残余应力，处理周期短，成本低。其也存在诸多缺点，如果加热温度高于570℃或保温时间过长，则会引起石墨化，气缸套的硬度和强度均会降低；如果升温速度过快，且在壁薄处升温速度比壁厚处快得多，则各部分会产生附加的温度应力；附加的温度应力与本身的应力之和如果大于强度极限，将会造成气缸套开裂；如果热时效降温不当，会造成时效效果降低，可能会残留在部件中，从而破坏已经取得的热时效效果。

2.2.2.2 振动时效。振动时效是在激振器的周期性外力（激振力）作用下，使得部件自身产生共振，进而使其内部歪曲的晶格产生滑移而恢复平衡，提高缸套的松弛刚度，消除并均化残余应力，使其尺寸稳定，振动时效可以消除20%～50%的残余应力。振动时效是唯一可以进行二次时效的工艺，其优点是减小及均化工件的残余应力，提高产品材料的抗变形能力，保证工件的尺寸精度，同时，还具有节约能源、降低生产加工成本、提高产品的尺寸精度及降低工作强度等优点。

2.2.2.3 超声波冲击。超声波冲击是利用超声波在高频、高效和聚焦下的大能量，推动冲击工具以高频率冲击物体表面，使其表层产生较大的压缩塑性变形，同时改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。该方法占用的场地少，不会受工件材料性能、形状结构及重量等因素的限制，使用灵活方便；对环境的影响较低，节约能源、无污染，对产品的疲劳性能具有较大的提高作用。由于超声波冲击工艺是点冲击接触的“面效应”型应力工艺，工作范围具有很大的局限性，工作效率也偏低。

3 结语

本文总结了气缸套残余应力的产生及影响因素，对如何消除残余应力的方法进行了总结，并对各方法的优缺点进行分析，以便于选取更为合适的消除方式，生产合格的气缸套。

参考文献：

[1]刘凯飞，马爱华，曾应鸽.乘用车气缸套加工工艺优化研究[J].内燃机与配件，2017（8）：62-63.

[2]李艳丽，严方，曾慧敏.气缸套的“绿色”生产—应力控制浅谈[J].内燃机与配件，2014（12）：32-33.

[3]徐强.气缸套内应力的产生及消除[J].金属加工（热加工），2009（5）：65-68.

[4]李本林.表面残余应力对气缸套耐磨性的影响[J].机械工艺师，1997（11）：9-10，1.

[5]О.М.Елархин，石云山.热处理时铸铁气缸套宏观几何形状的稳定化[J].国外机车车辆工艺，1990（6）：25-28.

[6]吕凌，叶志花，徐强.气缸套运行失效之断台分析[J].金属加工（热加工），2016（21）：11-13.

[7]阎涛，王海军.发动机气缸套应力检测研究[J].内燃机与配件，2014（8）：34-35，38.