發動機氣缸套內孔圓度測量分析

劉春梅 王海軍

(河南中原吉凱恩氣缸套有限公司)

1 氣缸套內孔圓度對發動機的影響

氣缸套是內燃機的關鍵零件之一，圓度形狀對發動機工作過程中活塞環與缸套之間的竄油、串氣會有很大影響。隨著內燃機向高速、高性能、低油耗、低排放、長壽命方向發展，各發動機廠家對氣缸套的尺寸精度及形狀精度提出更高的要求，特別是氣缸套的內孔，其配合精度、形狀精度、表面紋理對發動機的性能影響很大，目前對氣缸套內孔圓度濾波器選用缺乏相應的標準。氣缸套內孔圓度根據國際、國家、行業標準只有精度要求，對圓度儀的濾波沒有作規定，但是在實際使用中濾波器的選用對檢測結果有一定的影響。我們根據氣缸套內孔珩磨的典型特征結合圓度測量中濾波器的使用，解決了氣缸套內孔圓度檢測濾波器的使用問題。

2 圓度檢測過程中的影響因素

圓度輪廓輪是由各種類型的不平度疊加在一起的復雜的表面輪廓結構，不同的加工方法形成的表面紋理輪廓各不相同，我們在測量圓度時不僅要考慮到這些表面的粗糙度輪廓形狀，同時還要考慮到不同濾波對圓度值的影響，準確的評價出氣缸套內孔的圓度。氣缸套內孔由于應用特殊的平臺珩磨，粗糙度輪廓其實是一個畸變的形狀，同時氣缸套直徑又有所不同，還得考慮到直徑與每轉波數upr之間的關系，甚至清潔度也必須考慮。

2.1 粗糙度截止波長的選取

由于工件表面的輪廓形狀是由各種類型的不平度疊加在一起的復雜的表面輪廓結構，如果要客觀的分析零件表面的形狀誤差，必須考慮到表面粗糙度對形狀誤差的影響，目前氣缸套內孔網紋大都采用平臺珩磨網紋，平臺珩磨網紋由于采用特殊的珩磨工藝，輪廓偏斜度Sk一般控制在－0.8～－3.0，也就是說氣缸套內孔的粗糙度輪廓分布是一個畸變的形狀，與車削加工與磨削加工有較大差別。由于在珩磨過程中砂條與氣缸套內孔表面作用的過程實際是一個動態的過程，砂條磨粒隨著珩磨進程逐漸脫落，實際檢測的粗糙度各參數變差較大，如果按照GB/T10610根據表面粗糙度Ra及Rz選取截止波長的話，測量評價長度較短，不利于客觀的評價珩磨網紋，所以除了較老的珩磨網紋要求選用截止波長0.8mm之外，一般的珩磨網紋都選用較長的截止波長2.5mm，測量長度12.5，所以對于平臺珩磨網紋，粗糙度截止波長我們建議按沒有平頂之前的Rz對應國家標準選取，一般選2.5mm的截止波長。

2.2 不同的濾波對圓度值的影響

在圓度測量中使用不同的濾波器，對檢測結果有相應的影響，但是目前我們在圓度檢測中沒有一個統一的標準，特別是對于某一特定的零件，行業內也沒有統一的要求，除非是客戶要求必須按什么濾波檢測。氣缸套作為汽車發動機的關鍵零部件，氣缸套內孔圓度的大小，對發動機性能影響很大，歐Ⅴ、歐Ⅵ排放標準要求的氣缸套，內孔的圓度要求大都提高到0.01mm，這樣當測量結果在圓度要求公差邊界時，很容易造成誤判與漏判。根據GB/T7234在圓度測量中，濾波器對圓度輪廓的影響是根據每轉波數upr來定義的，即工件旋轉一周所包含的完整的正弦波的數量，而濾波時的圓周波長就是零件圓周長除以每轉波數μpr，圓度儀為我們提供了可選擇的濾波器檔，如1－15upr、1－50upr、1－150upr、1－500upr，在實際檢測中我們可以根據缸徑的大小，結合粗糙度濾波截止波長計算出對應的每轉波數upr，再選取不同的檔位，如當檢測缸徑為100mm的缸套時，每轉波數upr=100×3.14/2.5=125.6，所以我們檢測圓度時選1－150upr檔位。

2.3 清潔度對圓度的影響

由于現在氣缸套內孔圓度要求越來越高，圓度數值越來越小，內孔的清潔度對圓度也影響較大，在圓度檢測之前必須用不脫毛的擦拭紙蘸取酒精或丙酮，對氣缸套內孔表面進行仔細擦拭，去除內孔鐵屑及其它雜質對圓度的影響，在分析圓度圖形時如果觀察到異常突變點，必須重新進行擦拭檢測，最大限度的提供真實的檢測結果。

3 氣缸套內孔圓度形狀評價

對氣缸套內孔圓度只作精度要求，不能全面反映圓度的好壞，還需要我們對圓度的形狀進行分析，一般的評價方法有兩種，一是圓度窗口理論，主要是分析在氣缸套內孔整個圓度范圍內，在某一固定窗口內圓度的變化情況。當圓度圖形呈規則變化時，窗口理論不能正確的反映圓度形狀的優略，這時我們就需要用到正多邊形理論對圓度進行客觀評價。

3.1 窗口理論DFTC

要正確判定氣缸套內孔圓度形狀的優略，不僅要考慮到濾波對圓度值的影響，還要考慮圓度形狀對發動機性能的影響，當圓度形狀梯度變化較大時，能夠造成發動機的串油、串起、活塞環對口等。在圓度測量時一般選取一個10°—30°的窗口對圓度圖形進行圓周掃描，在掃描窗口內最大的變化數值即DFTC，如下圖所示:

3.2 正多邊形理論分析

當氣缸套內孔圓度形狀呈規則分布時，窗口理論不能全面反映圓度的優劣。一般來說缸套內孔圓度會呈現3—15邊形的形狀，正多邊形理論就是甄別缸套內孔是否存在規則多邊形，并且針對不同的正多邊形制定出相應的驗收標準，下圖紙典型的規則多邊形圖形:

上圖所示的典型圓度圖形，如果連接每一正弦波的起止點，可以得到一個近似的正多邊形，對某一缸徑的缸套內孔來說，如果內孔存在不同的正弦波個數就會得到不同的正多邊形，如果我們作這個正多邊形的最小外接圓與最大內切圓，就會得到兩個同心圓，如果我們以正多邊形的個數為橫坐標，這兩個同心圓之間的半徑差為縱坐標，就可以得到一個典型缸徑缸套內孔圓度形狀分布曲線圖，我們根據這個曲線結合圓度值要求就可以制定出圓度形狀驗收標準。下圖是我們根據直徑100mm的缸徑，通過理論計算出的正多邊形個數與最小外接圓與最大內切圓差值分布圖，并且我們添加了最佳擬合曲線。

假定某一氣缸套內孔的圓度要求小于10um，那么我們就可以理論計算出各規則多邊形相對于理論橢圓時的圓度要求，對于氣缸套來說我們一般只關注3－15棱的多邊形，所以當缸套內孔圓度分布呈3－15規則多邊形時，波峰波谷高度要求分別為7.849um、4.598 um、2.998 um、2.103 um、1.555 um、1.195 um、0.947 um、0.768 um、0.638 um、0.535 um、0.456 um、0.394 um、0.343 um。

3.3 正多邊形理論在氣缸套內孔圓度檢測中的應用

氣缸套內孔圓度圖形千差萬別，通過人為分析是否規則多邊形，判定是否合格難度較大，所以我們與圓度儀廠家結合開發了多邊形分析軟件，能夠對圓度圖形進行分析。軟件原理是用不同的等角度射線對圓度圖形進行分割，每一個射線與理想圓及圓度圖形有一個交點，計算出兩交點相對值的最大算術平均值。下圖是我們連續統計的某氣缸套內孔圓度形狀分布圖，雖然缸套有5邊形與7邊形趨勢但是各多邊形的最大算術平均值小于3.2多邊形要求，所以缸套形狀符合要求。這里需要強調的是，判斷圓度圖形是否合格的關鍵是，首先確定是否規則多邊形，然后再對照標準各多邊形要求判定是否合格。

4 結論

圓度對發動機氣缸套性能影響很大，客觀的評價內孔圓度非常重要，我們根據氣缸圓度測量過程中的影響因素，制定了圓度檢測的濾波要求，我們根據正多邊形理論對氣缸套內孔圓度進行了分析，并制定了相應的檢測要求，對客觀正確評價氣缸套內孔圓度進行了粗步探討，本文的一些觀點主觀因素較多，懇請同行及專家共同進行探討。

〔1〕葉宗茂.對圓度測量中濾波使用統一的探討，輕型汽車技術2006(6):21－23.

〔2〕梁晉文，幾何量實用測試手冊，1987