作为发动机的核心部位，缸体缸孔的质量严重影响着发动机的性能。缸孔圆柱度是发动机的关键质量指标之一。

在我公司，EC系列发动机采用直径差和圆柱度的方式来控制缸孔的形状误差，要求缸孔直径差φV-φY和φX-φZ在上、下截面小于12 mm，在中间截面小于21 mm，圆柱度为15 mm。为控制缸孔直径、直径差及圆柱度，我公司采用全闭环控制数控珩磨机加工，带珩后自动测量工位，对珩磨的缸孔进行100%的直径测量以保证加工质量。

问题的提出

EC系列发动机为4缸直列发动机，缸体为铸铁材料，如图1所示。在缸孔珩磨加工过程中极易出现部分零件局部直径差超差的情况，超差主要集中在2、3号缸孔的中间截面，其他的截面没有出现直径差不合格情况。此外，有些零件在珩磨工序测量是合格的，但到下线前最终检测缸孔直径进行装配分级时，发现部分缸体局部直径差超差，这种随机出现的直径差超差问题一直困扰着生产。

原因分析

1.工艺简介

缸孔精镗后珩磨，采用数控珩磨机和金刚石珩磨条；切削液为珩磨油HFN 5LE，由切削油集中过滤供液系统供油，该系统除供本生产线5台设备外还供其他生产线设备。
采用的数控珩磨机分为4个工位，珩前自动塞规检查、粗珩、精珩和自动测量（气动测量，测量4个方向，3个截面的直径，计算直径差、平均值，通过绿、黄和红3色文字区分测量结果在合格区、监控区和超差区）。珩磨机为数控全闭环控制，具有自动测量和自动补偿、自动修正锥度功能，按照程序控制采用多组珩磨工艺参数珩磨零件。

珩磨加工过程为：珩磨头进入缸孔，快速膨胀到一定位置，开始往复运动，中速膨胀接近零件，再定速膨胀工进；如果珩磨力矩达到设定的上限，膨胀停止，继续珩磨，力矩降到设定的最小值后，继续定速膨胀，直至珩磨到设定的尺寸；最后进行平顶珩，完成珩磨加工。

2.对零件测量结果的分析

通过对直径差超差零件的测量分析，900、903缸孔直径差小于0.01 mm，901、902缸孔上下两截面直径差也小于0.01 mm，但中间截面的直径差φV-φY值大且散差大，有些超过0.021 mm，设备测量超差报警；直径差φX-φZ值较大，但没有超差。因4个缸孔都是采用同一个珩磨工艺参数和珩磨头加工的，即加工工艺完全一致。对珩前零件检查，零件圆度为0.005 mm，尺寸合格，质量良好。由此可见，直径差主要是零件珩磨加工变形造成的。

对于珩磨合格的零件，在经过其他工序后到终检分级时，发现有部分零件的901、902缸孔中间截面存在超差情况。同时，检查测量检具都合格，说明测量没有问题。采用同一检具对不同时间点的缸孔直径进行检查，发现缸孔确实存在逐渐释放的变形，经过两个小时后变形基本稳定。这种变形实质为珩磨残余应力释放造成的变形，是有规律的朝直径差恶化的方向变化，通常变大范围为0.003～0.01 mm，导致终检时零件不合格。

3.温度因素造成的直径差变化分析

温度对直径存在一定的影响，珩磨油温度控制在20±5℃，厂房也有一定的温差。这些温差对直径差有多大的影响，我们进行了实验研究。把零件放到加热的清洗液中浸泡到45 ℃，然后测量。随着时间的变化，零件逐渐冷却，测量零件温度由45 ℃变到18 ℃，缸孔直径及直径差的变化随着温度的降低，直径在变小，但直径差变化很小，仅0.002 mm。因加工过程中温度的变化远小于我们试验的温差，所以温度变化对直径差的影响可以忽略。

4.零件结构分析

通过缸体结构图（见图1）和缸体中间部位剖视图（见图2），展开对缸体缸孔的结构分析。

缸套上下截面都与缸体相连，且刚性较好；缸套周围是水套，缸套之间相连，相连部位最小壁厚为5.5 mm，是缸孔较薄的地方，降低了缸套Y方向刚性；因缸套互相连接，相连部相当于一个支撑，大大增强了V方向的刚性。901、902缸套是处于中间部位，两侧面都是与其他缸套连接的，所以他们中间部位V方向刚性最强，Y方向刚性最差，差异最为突出。珩磨时，较大的径向力（膨胀力）会造成缸套刚性差的部位变形，当完成珩磨后，珩磨头收缩，膨胀力消失，缸套弹性变形恢复，造成直径的变化。实际测量发现901、902缸套中间部位一直是φV大于φY，因存在应力释放，随着时间的变化，φY在继续缩小，φV在继续变大，使直径差更大。理论分析和实际吻合。所以，外侧支撑的有无和缸套壁厚不均，造成了缸套不同部位、不同方向刚性差异较大，它是造成直径差超差的内在结构固有的不利因素。产品设计时把中间部位直径差放大，可能也是考虑到该变形因素。缸套的难加工结构使其对珩磨力十分敏感，所以降低珩磨力是解决问题的关键。

5.珩磨机理探讨

珩磨工具是属于自锐自修整工具，发动机缸体的珩磨大都采用金刚石珩磨条，优点是寿命长、加工质量稳定；因采用金属结合剂，珩磨条强度高，可以实现高效珩磨。对于珩磨头，除新换上珩磨条需要修磨保证磨头的圆柱度较好外，使用过程中不再修磨，通过磨料自脱粒保证其切削刃的锐利和磨头的圆柱度。

金刚石珩磨条珩磨，主要依靠凸出金属结合剂基体的金刚石磨粒，对金属表面进行加工。从微观上探讨，一个磨粒就是一个刀刃，珩磨条就是由这一个个刀刃组成的刀具，刀刃的切削状况决定着珩磨条的加工性能。磨粒棱角锐利，磨粒凸出铜合金基体，磨粒棱角磨损后能及时的脱粒让位于新的磨粒，这是保证较好磨削的基础。磨粒不锐利或被积屑瘤包裹，则不能很好地参与切削，就会造成切削效率低、切削力大等加工问题。磨粒的大小、磨粒的单位体积的数量（浓度）都对切削效率和切削力有很大的影响，保证较高的珩磨效率，对大量生产模式的发动机行业来说是必须的，它严重影响制造成本，同时磨料的粒度对珩磨表面质量影响巨大，受质量的限制，精珩磨磨料粒度选择首先考虑质量，其次考虑效率，在保证质量的前提下，尽量大些。磨粒浓度，对表面质量和效率有很大的影响，如Ar要求就靠它保证，但浓度高，珩磨条成本高，所以珩磨条的选择是一个多目标的优化，在保证质量和效率的条件下，有一个合适的寿命才是经济可行的。

切削液是机械加工中的重要要素，切削液的冷却、清洗和润滑三大功能，对加工的影响是巨大的，合适的切削液也是珩磨工艺必须的。传统的珩磨采用珩磨油，随着技术的发展进步，珩磨液已经得到广泛使用，使用成本方面大幅降低，在冷却、清洗和润滑性能上得到提高，因而得到大量使用。

通过分析可知，要想通过改进珩磨工艺来解决缸孔珩磨变形的问题，只能在珩磨参数、珩磨条、珩磨头和珩磨液等工艺要素方面进行优化、改进试验。

珩磨参数，如粗/精珩工艺的选择、余量的分配以及每一阶段的珩磨头转速、往返速度、膨胀速度和膨胀力等，都会影响到珩磨力、珩磨质量及珩磨效率。为保证质量，防止珩磨变形和加工硬化，需要较小的珩磨力；但为了保证效率，需要较大的珩磨加工参数，也就产生了较大的珩磨力。为此，只能通过试验找到两者兼顾的平衡点。

珩磨头的结构，如珩磨条的长度和宽度尺寸也很重要，它决定了珩磨行程的长度及珩磨条与工件的接触面积，这都可能影响到珩磨力和珩磨效率。

问题的解决

1.珩磨参数优化试验

珩磨参数对珩磨力变化影响巨大。减小膨胀力，降低膨胀速度，控制膨胀力达到一定的程度就停止膨胀。这样确实可以降低切削力，减小变形量，能够达到直径差小于0.022 mm的要求。但是效率也大幅降低，一个缸孔珩磨时间为40～60 s，节拍严重超时。

跟踪缸孔珩磨后的零件，经过一段时间后再测量，前10 min变形很快，30 min以后变化趋缓，直至2h后稳定，直径差还是变大0.002～0.008 mm。珩磨后测量直径差合格件，下线时有可能不合格，从而造成一定的不合格率。这种珩磨后存在残余应力释放造成的变形难以控制。

粗珩变形对精珩有一定的影响。因粗珩珩磨条磨料粒度粗，磨削效率高，为提高效率，粗珩给精珩的珩磨留量尽量小。这样又产生粗珩的珩磨变形对精珩影响较大，因此粗珩珩磨力也不能过大，珩磨效率也受限。

试验证明，珩磨参数的优化能减少珩磨变形，基本保证珩磨质量，但存在一定的不合格率，特别是无法保证珩磨效率，因此还必须采取其他方法继续改进。

2.珩磨条优化试验

通过对不同的磨料粒度、粘合剂和浓度的组合，我们设计了多种珩磨条配方方案进行试验。通过不断地优化、改进，先后共试验了10多种珩磨条，最终选出了一组粗、精珩磨条，它能很好地保证表面粗糙度、支承率质量；通过控制珩磨力，减小珩磨变形，也能基本保证保证直径差合格。加工一个缸孔40～50 s的节拍，虽有所改善但还是与目标相差甚远，而且因珩磨力量大而由内应力产生的缸孔变形问题也还存在。

珩磨条的优化对缸孔珩磨直径差和珩磨效率有一定的改善，但并没有解决珩磨局部变形问题，需要继续改进。

3.珩磨头改进试验

因生产线原有的2台珩磨机使用了十几年，供应商已经停产，缺少控制系统备件，设备不能稳定工作，故障率高，特别是加工效率低、节拍长。为此，公司决定更新1台，并继续利用原有的珩磨油集中过滤系统。为解决问题，对珩磨头进行了新的设计，吸收其他生产线的经验，珩磨条长度由89 mm改到80 mm，试图减小珩磨膨胀力。通过试验，没有明显效果，新设备加工情况和老设备一致，直径差大，加工节拍长，问题没有改善。

4.珩磨液优化试验

工艺参数优化、珩磨条优化、设备及珩磨头的更新都没有成效，以前忽略的认为没有问题的切削液成为改进工作的重点研究对象。

首先，加强加工区的冷却、清洗和润滑。在新设备上进行改进，不但珩磨头带切削液喷嘴，在导向套也增加了多个喷嘴，大流量的珩磨油冲洗珩磨头和缸孔，保证珩磨油十分充分，珩磨头得到很好的清洗。通过试切，有轻微的改善，但没有明显的
效果。

我公司珩磨采用的切削液有两种，一种是珩磨油，一种是合成的珩磨液ECOCOOL RM838。珩磨液用在珩磨机自带的切削液过滤系统上，用到一定程度对质量有影响就更换。珩磨油是大系统集中处理后长期使用，因为是全油，所以一直是补充消耗的珩磨油。

把使用珩磨液和珩磨油的珩磨条进行比较，对珩磨条进行放大检查（见图3）。使用珩磨液的没有铸铁的黏附，可清晰的看到铜基和突出的金刚石颗粒，以及脱粒时在铜基体上的划痕；而使用珩磨油的珩磨条上黏附的铸铁较多，表面十分粗糙，看不清铜基和金刚石。切削液的极压性是重要性能指标，极压性差，被加工零件材料熔焊黏附到刀具上，会严重降低刀具的切削性能，我们使用的珩磨油或因使用的时间极长，极压性较合成珩磨液差，从而造成珩磨条因熔焊黏附铸铁屑，使金刚石被包裹，不能很好的参与切削。金刚石磨粒不能正常切削应该是造成切削力大、应力大和切削效率低的主要原因。

为进行验证，我们移来一台独立磨削液过滤系统，接到珩磨机上，采用合成珩磨液进行试验。加工参数不变，加工效率明显提高，加工变形有了显著改善。通过加工一批零件跟踪试验，采用珩磨液加工一个缸孔约需23 s，切削力小，缸孔变形也很小，变形最大的901、902缸孔中间部位直径差约0.01 mm，远低于0.022 mm的要求，至于珩磨应力释放产生的变形也只有0.001 mm左右，节拍和质量都得到了保证。

试验证明，珩磨油问题是造成珩磨质量和效率问题的主要因素。通过增加独立的切削液过滤系统，采用珩磨液很好地解决了新设备的加工质量和节拍问题，加工时间由95 s降到65 s。

结语

针对缸孔珩磨直径差的超差问题，我们总结了以下三点：

1. 精加工的切削力控制十分重要。特别是对于结构特殊的易变形件，必须防止切削力、应力等导致零件的变形；要控制切削力必须全要素地分析改进，不但要关注工艺参数、刀具、夹具和设备，也要关注使用的切削液等所有影响切削的因素。

2. 金刚石珩磨条的金刚石磨粒是珩磨零件的刀刃，保持其在珩磨条中的良好状态十分重要。珩磨质量和效率就是由金刚石伸出铜基的高度、数量和锋锐度来决定的。及时的冲洗珩磨条，保证金刚石磨粒很好的参与切削，保证它不被积屑包裹，是保证珩磨质量和效率的关键。

3. 珩磨切削液的极压性很重要，它是避免铁屑熔焊黏附到珩磨条上的关键性能指标。珩磨油集中处理，使用时间过长后，极压性不足，而且成本高，安全要求高，已经不适合于现代汽车工业。水剂珩磨液有着很好的冷却、冲屑和极压性能，是取代珩磨油极佳的选择。