发动机气缸套内孔圆度测量分析

刘春梅 王海军

(河南中原吉凯恩气缸套有限公司)

1 气缸套内孔圆度对发动机的影响

气缸套是内燃机的关键零件之一，圆度形状对发动机工作过程中活塞环与缸套之间的窜油、串气会有很大影响。随着内燃机向高速、高性能、低油耗、低排放、长寿命方向发展，各发动机厂家对气缸套的尺寸精度及形状精度提出更高的要求，特别是气缸套的内孔，其配合精度、形状精度、表面纹理对发动机的性能影响很大，目前对气缸套内孔圆度滤波器选用缺乏相应的标准。气缸套内孔圆度根据国际、国家、行业标准只有精度要求，对圆度仪的滤波没有作规定，但是在实际使用中滤波器的选用对检测结果有一定的影响。我们根据气缸套内孔珩磨的典型特征结合圆度测量中滤波器的使用，解决了气缸套内孔圆度检测滤波器的使用问题。

2 圆度检测过程中的影响因素

圆度轮廓轮是由各种类型的不平度叠加在一起的复杂的表面轮廓结构，不同的加工方法形成的表面纹理轮廓各不相同，我们在测量圆度时不仅要考虑到这些表面的粗糙度轮廓形状，同时还要考虑到不同滤波对圆度值的影响，准确的评价出气缸套内孔的圆度。气缸套内孔由于应用特殊的平台珩磨，粗糙度轮廓其实是一个畸变的形状，同时气缸套直径又有所不同，还得考虑到直径与每转波数upr之间的关系，甚至清洁度也必须考虑。

2.1 粗糙度截止波长的选取

由于工件表面的轮廓形状是由各种类型的不平度叠加在一起的复杂的表面轮廓结构，如果要客观的分析零件表面的形状误差，必须考虑到表面粗糙度对形状误差的影响，目前气缸套内孔网纹大都采用平台珩磨网纹，平台珩磨网纹由于采用特殊的珩磨工艺，轮廓偏斜度Sk一般控制在－0.8～－3.0，也就是说气缸套内孔的粗糙度轮廓分布是一个畸变的形状，与车削加工与磨削加工有较大差别。由于在珩磨过程中砂条与气缸套内孔表面作用的过程实际是一个动态的过程，砂条磨粒随着珩磨进程逐渐脱落，实际检测的粗糙度各参数变差较大，如果按照GB/T10610根据表面粗糙度Ra及Rz选取截止波长的话，测量评价长度较短，不利于客观的评价珩磨网纹，所以除了较老的珩磨网纹要求选用截止波长0.8mm之外，一般的珩磨网纹都选用较长的截止波长2.5mm，测量长度12.5，所以对于平台珩磨网纹，粗糙度截止波长我们建议按没有平顶之前的Rz对应国家标准选取，一般选2.5mm的截止波长。

2.2 不同的滤波对圆度值的影响

在圆度测量中使用不同的滤波器，对检测结果有相应的影响，但是目前我们在圆度检测中没有一个统一的标准，特别是对于某一特定的零件，行业内也没有统一的要求，除非是客户要求必须按什么滤波检测。气缸套作为汽车发动机的关键零部件，气缸套内孔圆度的大小，对发动机性能影响很大，欧Ⅴ、欧Ⅵ排放标准要求的气缸套，内孔的圆度要求大都提高到0.01mm，这样当测量结果在圆度要求公差边界时，很容易造成误判与漏判。根据GB/T7234在圆度测量中，滤波器对圆度轮廓的影响是根据每转波数upr来定义的，即工件旋转一周所包含的完整的正弦波的数量，而滤波时的圆周波长就是零件圆周长除以每转波数μpr，圆度仪为我们提供了可选择的滤波器档，如1－15upr、1－50upr、1－150upr、1－500upr，在实际检测中我们可以根据缸径的大小，结合粗糙度滤波截止波长计算出对应的每转波数upr，再选取不同的档位，如当检测缸径为100mm的缸套时，每转波数upr=100×3.14/2.5=125.6，所以我们检测圆度时选1－150upr档位。

2.3 清洁度对圆度的影响

由于现在气缸套内孔圆度要求越来越高，圆度数值越来越小，内孔的清洁度对圆度也影响较大，在圆度检测之前必须用不脱毛的擦拭纸蘸取酒精或丙酮，对气缸套内孔表面进行仔细擦拭，去除内孔铁屑及其它杂质对圆度的影响，在分析圆度图形时如果观察到异常突变点，必须重新进行擦拭检测，最大限度的提供真实的检测结果。

3 气缸套内孔圆度形状评价

对气缸套内孔圆度只作精度要求，不能全面反映圆度的好坏，还需要我们对圆度的形状进行分析，一般的评价方法有两种，一是圆度窗口理论，主要是分析在气缸套内孔整个圆度范围内，在某一固定窗口内圆度的变化情况。当圆度图形呈规则变化时，窗口理论不能正确的反映圆度形状的优略，这时我们就需要用到正多边形理论对圆度进行客观评价。

3.1 窗口理论DFTC

要正确判定气缸套内孔圆度形状的优略，不仅要考虑到滤波对圆度值的影响，还要考虑圆度形状对发动机性能的影响，当圆度形状梯度变化较大时，能够造成发动机的串油、串起、活塞环对口等。在圆度测量时一般选取一个10°—30°的窗口对圆度图形进行圆周扫描，在扫描窗口内最大的变化数值即DFTC，如下图所示:

3.2 正多边形理论分析

当气缸套内孔圆度形状呈规则分布时，窗口理论不能全面反映圆度的优劣。一般来说缸套内孔圆度会呈现3—15边形的形状，正多边形理论就是甄别缸套内孔是否存在规则多边形，并且针对不同的正多边形制定出相应的验收标准，下图纸典型的规则多边形图形:

上图所示的典型圆度图形，如果连接每一正弦波的起止点，可以得到一个近似的正多边形，对某一缸径的缸套内孔来说，如果内孔存在不同的正弦波个数就会得到不同的正多边形，如果我们作这个正多边形的最小外接圆与最大内切圆，就会得到两个同心圆，如果我们以正多边形的个数为横坐标，这两个同心圆之间的半径差为纵坐标，就可以得到一个典型缸径缸套内孔圆度形状分布曲线图，我们根据这个曲线结合圆度值要求就可以制定出圆度形状验收标准。下图是我们根据直径100mm的缸径，通过理论计算出的正多边形个数与最小外接圆与最大内切圆差值分布图，并且我们添加了最佳拟合曲线。

假定某一气缸套内孔的圆度要求小于10um，那么我们就可以理论计算出各规则多边形相对于理论椭圆时的圆度要求，对于气缸套来说我们一般只关注3－15棱的多边形，所以当缸套内孔圆度分布呈3－15规则多边形时，波峰波谷高度要求分别为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 正多边形理论在气缸套内孔圆度检测中的应用

气缸套内孔圆度图形千差万别，通过人为分析是否规则多边形，判定是否合格难度较大，所以我们与圆度仪厂家结合开发了多边形分析软件，能够对圆度图形进行分析。软件原理是用不同的等角度射线对圆度图形进行分割，每一个射线与理想圆及圆度图形有一个交点，计算出两交点相对值的最大算术平均值。下图是我们连续统计的某气缸套内孔圆度形状分布图，虽然缸套有5边形与7边形趋势但是各多边形的最大算术平均值小于3.2多边形要求，所以缸套形状符合要求。这里需要强调的是，判断圆度图形是否合格的关键是，首先确定是否规则多边形，然后再对照标准各多边形要求判定是否合格。

4 结论

圆度对发动机气缸套性能影响很大，客观的评价内孔圆度非常重要，我们根据气缸圆度测量过程中的影响因素，制定了圆度检测的滤波要求，我们根据正多边形理论对气缸套内孔圆度进行了分析，并制定了相应的检测要求，对客观正确评价气缸套内孔圆度进行了粗步探讨，本文的一些观点主观因素较多，恳请同行及专家共同进行探讨。

〔1〕叶宗茂.对圆度测量中滤波使用统一的探讨，轻型汽车技术2006(6):21－23.

〔2〕梁晋文，几何量实用测试手册，1987