本文分析了缸孔珩磨表面微观构造对汽车发动机性能影响的原因，指出科学地选用、进而确保珩磨表面评定参数及其数值的重要性。强调了随着对机动车节能、减排诸多要求的日趋严苛，企业除了应在产品和工艺上予以跟进外，在质量监控方面也应持续完善、提高。

缸孔表面微观结构影响产品性能

研究表明，在汽车发动机的机械损耗中，由内部摩擦造成的机械损失占到其总机械损失的70%左右。而摩擦损失又包含运动付摩擦、驱动摩擦及流体摩擦等几类，其中的运动付摩擦是内燃机机械损失的最主要的来源。进一步的研究发现，在发动机的多组运动付中，缸孔—活塞环是影响最大的一组摩擦运动付。因此，通过降低这一运动付在工作中的摩擦损失，不但能提高发动机的工作效率，延长发动机的寿命，减少燃料的消耗，而且在使机油耗量下降的同时，还迎合了日益提高的排放要求。

影响上述摩擦运动付工作状态的因素有多项，如：配合表面的硬度、工件的宏观几何精度以及相关表面的微观结构等。其中的最后一项决定了是否有足够的润滑剂在摩擦付表面贮存，达到在运行状态下磨损尽量小的目的。其机理是润滑油由于特殊的工件表面微观形态结构能在表面驻留很长时间，所形成流体动态压力从能使相对运动只存在于润滑层内部，因而不会产生工件的很大磨损。

在国内外发动机制造业，现今缸孔的最终加工工艺主要还是采用珩磨，利用精镗之后的数道珩磨工序对缸孔表面进行加工，使其具备这样两项功能，既具有相当光顺的表面和尽可能多的承载面积，以确保相互运动时的滑动性和耐磨性；同时又形成一个开放性的表面微观结构，用于保障表面的储油能力，即这个表面仍然是“粗糙”的。为了同时能体现出这两项功能，就需要使经珩磨加工的工件表面在相对粗糙的基础上呈现出平台结构的精细的表面形态。从图1可以清晰地看到，这种表面微观构造不但耐磨性，且具有充分的储油能力。

事实上，为了更好地改善配合面的润滑功能，应形成一种更合理的缸孔珩磨表面的微观形貌—平台网纹，即既有平台又有网纹（见图2），由无数个均匀相间交叉的窄又深的沟槽与小平台构成，并且网纹与网纹交错，相互有适当夹角。如前所述，这样的微观结构中通过深谷区存贮机油，而连续交错的网状沟槽则便于机油在整个缸孔表面均匀分布。众多的小平台有利于高强度油膜形成，还具有回油功能，使缸孔—活塞环间形成液体摩擦，这将大大降低摩擦功的损失。

科学地选用和保证珩磨表面评定参数及其数值的重要性

鉴于缸孔经珩磨加工后所形成表面的微观结构对发动机性能的影响很大，故确立和选择能反映珩磨表面特征的评定参数的重要性是显而易见的，为此经历了一个相当长的过程。事实上，直到20世纪80年代末，国内外在评价珩磨后缸孔表面时依然采用Ra、Rz等传统的表面粗糙度参数，尽管为了改善缸壁与活塞环之间的接触状况，无论是汽车厂还是生产设备供应商确实也尽了不少力，意欲通过在表面沟滹贮存的机油及形成的油膜来提升运行质量。但由于缺乏一个科学的表述表面微观结构相应特征的评价体系，故而难以可靠地、稳定地对珩磨后的缸孔表面进行有效的监控。这种情况一直持续到1988年，由德国这一汽车工业强国通过制定标准DIN 4776，率先提出了一组有针对性的全新的粗糙度评定指标。而在之后的若干年中，又很快地被ISO组织和一些工业化国家所接受和引用，中国也不例外。为方便实施，现在又体现在一些相关的标准中，如ISO13565-2：1996、日本的JIS BO671-2：2002等。

在标准DIN EN ISO4287中，引入了特性值“轮廓材料比Rmr（C）”（Roughness profile material ratio）和负荷曲线、又称“材料比例曲线”（Material ratio curve）的概念，如图3所示。在图3b所示的负荷曲线中，其高度相当于最高峰顶线和最低谷底线之间的垂直距离，即Rt，也就是国标中的Ry；从两者对材料比例的占有来看，正好是0和100%。而特性值Rmr（C）则为：

显然，差异很大的表面微观结构将对应不同的负荷曲线。图4所示为缸孔内壁粗糙度的示意图，从图中可见，用于珩磨后缸孔表面微观结构特征的评定的指标有5项（不计那些传统的评定参数），分别为：Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2。整个评定过程建立在前面介绍过的负荷曲线、即材料比例曲线的基础上，图4中的Mr是用百分比表示的轮廓支承长度率，其含义与前面引入的特性值“轮廓材料比Rmr（C）”是一致的。但从之后的介绍可知，作为粗糙度评定参数，只采用有特定含义的Mr1和Mr2。处理方式为：以一段支承长度率为40%的直线，沿着负荷曲线的中段移动，直到与曲线的拟合程度最好且斜率为最小时为止，然后把直线向两端延长，从而获得最重要的一项评定参数Rk。从图4可知，由对应于Rk的两截止线，也就是决定Rk高度的两平行线与负荷曲线的交点，可得到Mr1和Mr2。再通过这2点分别“左斜向上”、“右斜向下”，形成2个直角三角形，它们的顶点就决定了参数Rpk和Rvk。以深色阴影表示的两个三角形的面积应与负荷曲线被截的面积相等。在这些评定参数中，Rk称为中心区峰谷高度，又称有效负荷粗糙度。从其形成的机制来看，相对于给定的一个值，它对应最大的轮廓支承长度率。故Rk的实质是这部分的中心区深度将在高负载运行中被磨损掉，但又能最大程度地达到耐磨性。Rpk是超过中心区峰谷高度的轮廓波峰平均高度，又被称为初期磨损高度，而Rvk是从中心区下限到有实体材料的轮廓波谷的平均深度，它反映了润滑油的储存深度，体现了摩擦付在高负载工况下的失灵保护。Mr1和Mr2分别为波峰、波谷轮廓支承长度率，由轮廓中心区上、下截止线决定，其实Mr1表示了表面的初期磨损负荷率，而Mr2则为长期磨损负荷率。

1989年12月，我国颁布了一部关于发动机平台网纹的国家专业标准，即“ZBJ92011-89 内燃机气缸套平台珩磨网纹技术规范及检测方法”。调查表明，众多发动企业自从执行了上述有针对性的表面特征评定参数的标准后，对确保珩磨后缸孔表面状态的一致性、提高发动机产品的质量发挥了很大的作用。而随着珩磨加工设备技术水平的提高，很多企业又进一步改善了制造质量。经实践证明，平台网纹的缸孔与普通网纹的缸孔相比，工作寿命提高了40%以上，转矩提高了20%左右，而机油消耗则降低了近60%，并且基本上避免了发动机工作过程中的拉缸、积碳和活塞环抱死等不良情况的发生，从而有效地提升了发动机的运行水平。

下面例举了两组有代表性的发动机缸孔内壁的粗糙度特征评定参数的实际值：

某型柴油机缸套内壁粗糙度特征评定参数的指标：Rk为0.3～1.2，Rpk为0～0.3，Rvk为1.0～2.0，Mr1为0～7%，Mr2＞70%。此外，还采用了传统粗糙度评定参数对缸壁表面进行监控，主要为：Rz为3.0～7.0。

而来自某一汽车发动机厂的小排量汽油发动机缸孔表面的特征评定参数指标值：Rk为0.35～1.5，Rpk为0.15～0.5，Rvk为0.3～1.5，Mr1为0～ 10%，Mr2为80～92%。同样情况，也还采用了一项传统粗糙度评定参数参与对缸壁表面进行监控，即：Rz为1.2～4.0。

至于对上述这些粗糙度特征参数的检测，已完全可通过现今国内外的高性能的触针式粗糙度测量仪（也被称为“电动轮廓仪”）实现。而事实上，20世纪90年代起，制造厂商已经把它们列入其仪器产品的功能范围中了。如德国Hommel公司的一款近年在汽车行业应用较多的型号T8000粗糙度测量仪，就是通过在仪器中采用自行开发的PCMS技术，以及相应的控制技术便捷地予以解决了。

不过，在前一节介绍平台网纹微观结构时，特别提到网纹乃是由均匀相间交叉的沟槽与小平台构成，并且相互以适当的夹角交错（见图2），即所谓的网纹角。虽然它也是一项表征所要求的珩磨表面的特征参数，可又与上述那些粗糙度类参数有着根本区别，但是同样也必须予以测量、监控。因为网纹角的大小和均匀程度会直接关系到发动机缸孔表面所生成油膜的稳定性和机油消耗的多少，进而影响发动机的工作性能及气缸套（现今，大多数柴油机和汽油机、包括轿车用的小排量汽油发动机，都采用了镶套结构）的使用寿命。若网纹角过大，贮油能力会下降，致使发动机中的活塞与缸孔之间的润滑状况变差，当发动机处于启动和加速的工况时，就会因机油不足而加剧活塞环的磨损；若网纹角过小，则会影响所形成油膜的均匀性，并且影响到油环的刮油效果，这样就会造成机油过度燃烧，从而造成机油消耗增加和排放超标。一般情况下，网纹角应该控制在30°～60°为宜。如在上面的两例中，后一个的网纹角即为45°～65°。但尽管其公差的要求看起来并不是很高，可如何进行有针对性的测量呢？采取专用的光学测量仪是最佳方式，不但效率高、操作使用方便，而且检测精度很高，然而因为价格较昂贵，故在企业里应用并不太广泛。事实上，在生产实践中使用最多的还是“拓印法”，然后再利用量角器把结果以手工方式测出，鉴于网纹角公差较大，故问题不大。

提升缸孔珩磨表面微观形貌的检测和监控水平

众所周知，自21世纪初以来，当今世界对于由机动车给生态环境、能源消耗和安全性所带来影响的关注度在不断提高，各国乃至多个国际组织出台了一系列强制性标准，而且随着时间的推移，对环保、节能和安全等方面的要求不断提高。这种趋势在近几年还在加强，无论是现代汽车的诞生地、公认的制造强国德国，还是几年前已成为第一汽车生产大国的中国，为应对、适应和满足现今对环保和节能等方面越来越严苛的要求，除了在产品开发中引入了更多的有效措施和新技术外，在所采用的制造工艺和质量监控方面也有了不少新举措。而既然发动机缸孔珩磨表面的状况对燃油的消耗和排放都有影响，故受到关注、重视完全可以理解。由前面的介绍可知，迄止上世纪末，业界已做了卓有成效的工作，并覆盖了包括中国在内的所有相关企业。

以德国为代表的汽车制造业，并未停留在之前已较成熟的工艺与检测技术上，而是在这一领域提出、实践了可进一步提升缸孔珩磨表面微观形貌质量水平的新要求、新方法。归纳起来，有如下两条看似“平行”的路线：一是设立与珩磨表面功能特性相关的新的评定参数，并配备相应的高效、专用测量仪器；二是借助实验室的高效能的测试设备，通过比对的方式，定性（严格讲属半定量）地进行评价。

对于反映珩磨表面微观构造的二维粗糙度评定参数在之前已有了全面的介绍，然而，在几年前刚推出的国际标准ISO 25178中，出现了众多用于描述表面微观构造的三维参数，既有类似于二维粗糙度参数的，如Sa、Sz、Sk、Spk和Svk等，其单位还是微米。也有该标准新推出的如Vvc和Vvv等参数，它们所涉及的是三维微体积计算，其单位是mm3/mm2。相比三维粗糙度参数，它们显然能更确切地对珩磨后表面的“理想”程度作出评价。图5为Vvc和Vvv定义的示意说明，上、下两桢图反映了实际贮油情况有所不同的两种表面微观状态。图6是为此专门开发的一种高性能缸孔表面测量仪，近几年已在一些欧洲的汽车发动机厂得到实际应用，并于2012年初首先在国内的上海大众动力总成获得应用，之后又推行到另几家大众系统的主流厂。该仪器采用一种称为多孔共聚焦光学测量技术，除了能提供清晰的表面微观形貌图象外，更可同时测出多组参数。图6是一个实例，其中包含多项三维粗糙度参数、网纹角和功能特性参数Vvc、Vvv。后两项是图样规定必须在缸孔的4个截面的指定位置进行检测的内容。对参数Vvc、Vvv的表述为：Vvc+Vvv的值应控制在0.2～0.35mm3/mm2（在距端面15mm处），0.2～0.45mm3/mm2（在距端面45mm、90mm和110mm处）。整个测量过程为全自动，约在10min内完成。如果再在工件与仪器间加上一个数控工作台，就能一次性地完成对发动机缸体的所有缸孔的检测。

但客观地讲，现今包括德国大众汽车在内的一些主流企业，更倾向于采取后一种评定方式。虽然相比前者对工件的直接测量，后者不但效率低，而且必须以破坏方式切割取样，过程繁琐。尤其还因为所采用的检测仪器，乃是反射式扫描电镜这种很多企业并不配备的昂贵且操作十分复杂的实验室设备，即使企业拥有它并不能熟练运用，完成一次测试也需耗去好几小时。这种情况下的检验频次当然是较低的，最多就1次/周。而若委外（连上海大众动力总成也如此），不但费用很高，且频次只能1次/月。

但因其他表征表面微观形貌的评定参数检测便捷、频率也高，且能很好地反映出表面状态的一致性，故尽管上述测试的频次低，却还是能很好地体现了这种监控方法的完善、全面和清晰、形象的优点。

在具体实施时，需先有一块“合格”试样，作为与被测工件上12个取样（位于4个缸孔中的3个深度）比对的依据。简单地说，需对以下5项进行评定：一是平台形态，包括合适的大小（相比“试样“）、均匀性等；二是平台网纹沟道的构造（见图7），主要考虑其宽度0.01～0.03mm，以及畅通程度，不应有堵塞；珩磨表面的洁净程度，包括粘在表面的杂质以及不应存在的一些堆积物；四是表面的挤压鱼鳞（见图8）， 即那些由珩磨加工在表面造成的皱褶。虽然完全消除这种现象不可能，但数量上需控制，图8a为可以接受的，一般就以“合格”试样为准，图8b则是被测实际状态；五是总体印象，指的是从事评价的专业人员把被检件表面与“合格”试样进行比较后形成的总的感觉。再加上了利用前述方式求得的网纹角共6个评定项，逐个对12个样品分别按“好、可以、勉强、差（不合格）”这个四等级，量化地打分。然后求取各个缸孔的3个位置取样评价结果的平均值，再从中挑出最差的一个作为最终的评定依据，即以此认作所测的那个缸体的缸孔珩磨表面微观形貌的评价值。

为什么那些汽车工业强国的主流生产企业更青睐后一种以定性为主的这一半定量评定方法呢？这是鉴于前一种方法从本质上讲仍然只反映、评价了珩磨后表面构造的贮油能力，相比之前那些二维粗糙度参数作用是一样的，只是更直观和精确而已。而利用反射式扫描电镜进行的全面探测，能发现出一些不可忽视的影响因素，如网纹沟道的构造，显然如果有严重堵塞情况存在，就会带来不良后果。

结语

综上所述，可见尽管珩磨加工是一种成熟且经济合理的工艺，当其应用于缸孔加工时，在表面所形成的平台网纹微观形貌能相当有效地提升内燃机的性能。然而，为了确保缸孔表面的实际状态能符合要求，还必须强调以一系列评定参数对珩磨表面的监控，通过验证其是否合乎标准来做出判断。