發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套應(yīng)力產(chǎn)生及消除

王海軍 吳福亮 何一鳴

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套在生產(chǎn)加工以及使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)進(jìn)行釋放，對(duì)氣缸套的使用性能產(chǎn)生極大影響。長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力釋放，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套內(nèi)孔徑的變形，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套變形到一定程度時(shí)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行故障，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命及機(jī)械整體的使用性能均會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此，研究消除氣缸套內(nèi)應(yīng)力的方法就顯得十分重要。本文對(duì)氣缸套殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、影響及消除措施進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。

關(guān)鍵詞：氣缸套；殘余應(yīng)力；內(nèi)應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG245 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

氣缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)承受交變的機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件最惡劣、最關(guān)鍵的零部件之一[1-2]。隨著內(nèi)燃機(jī)向高速、高性能、低油耗、低排放、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，其性能直接關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的性能，甚至影響整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等[3-5]。各種加工及生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品的性能及形狀尺寸具有很大影響。同時(shí)，過度的殘余應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致部件形狀改變及破裂等，因此，必須對(duì)氣缸套的應(yīng)力進(jìn)行研究。

1 內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及影響

氣缸套內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生主要有鑄造因素和機(jī)加工因素兩種，即工件澆注的鑄造應(yīng)力切削殘余應(yīng)力。

1.1 鑄造因素

由鑄造因素產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力主要包含熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和收縮應(yīng)力。

1.1.1 熱應(yīng)力的產(chǎn)生及影響。由于氣缸套各部位的薄厚程度不一樣，一般為一端厚，中間次之，另一端則薄，因此澆鑄過程中會(huì)影響鐵液的冷卻速度和組織狀態(tài)。壁面較薄的冷卻速度比厚側(cè)的要快，造成壁面薄的一側(cè)收縮大，最終使不同部位的組織狀態(tài)存在差異。此外，壁厚的一側(cè)受壓力作用，而壁薄的一側(cè)受拉力作用。因?yàn)榭v向收縮差大，因而產(chǎn)生的拉壓也大。由氣缸套各個(gè)部分的薄厚程度不同、冷卻速度不同、塑性變形不均勻產(chǎn)生的壓力稱為熱應(yīng)力[6]。同時(shí)，考慮到氣缸套在離心鑄造過程中采用雨淋式水冷卻，也會(huì)造成氣缸套同一部位內(nèi)外壁的冷卻差異。

1.1.2 相變應(yīng)力的產(chǎn)生及影響。氣缸套壁厚在1 153℃共晶結(jié)晶時(shí)，析出石墨，產(chǎn)生體積膨脹。當(dāng)氣缸套溫度降低到738℃時(shí)，鑄鐵發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，從面心立方結(jié)構(gòu)向體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，比容也會(huì)增大，在1 153℃和738℃兩次相變析出共晶石墨，這個(gè)過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。氣缸套鑄件由于壁面薄厚不同、冷卻速度不同所形成的熱應(yīng)力起到主要作用。

1.1.3 收縮應(yīng)力的產(chǎn)生及影響。固體合金在高于臨界溫度時(shí)處于塑性狀態(tài)，在較小的應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生塑性變形，變形之后應(yīng)力就會(huì)消失；在臨界溫度以下時(shí)，合金呈現(xiàn)彈性狀態(tài)，此時(shí)在應(yīng)力作用下僅會(huì)發(fā)生彈性變形，應(yīng)力不會(huì)在變形之后消失。鑄鐵材料是氣缸套加工的常用材料，含碳量在2.8%～3.5%，屬于亞共晶鑄鐵。鋼和鑄鐵的臨界溫度為620～650℃，因此，在氣缸套澆鑄后，在逐漸冷卻到室溫的過程中，由于氣缸套壁厚不同，使得中間和小端散熱較為容易，冷卻速度快。由于大端壁面較厚，造成散熱慢，冷卻時(shí)間長(zhǎng)。這就導(dǎo)致中間和小端從塑性變形過渡到彈性變形時(shí)，大端由于散熱慢，其溫度依然很高，仍然處于塑性變形階段，在缸套中間和小端縮小過程中，缸套大端將會(huì)起到阻礙作用，造成氣缸套內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在缸套大端從塑性變形過渡到彈性變形的過程中，由于此時(shí)缸套大端散熱變快，而中間和小端的散熱速度隨著時(shí)間的推移慢慢減緩，這就造成缸套大端收縮快，而中間和小端收縮慢，使得缸套大端的收縮受中間和小端的阻礙[7]。

氣缸套大端在收縮過程中受到拉力作用，而中間和小端則受壓力作用，形成了相互平衡的狀態(tài)。此外，同一部位內(nèi)外壁由于冷卻溫度的差異也會(huì)造成拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。這種氣缸套在鑄造過程中由于受到外界機(jī)械阻礙造成的應(yīng)力稱為機(jī)械阻礙（收縮應(yīng)力）。機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)的，在氣缸套脫出鑄形后會(huì)消失。

1.2 機(jī)加工因素

1.2.1 切削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響。機(jī)加工過程中主要產(chǎn)生的是切削殘余應(yīng)力。氣缸套毛坯在鑄造過程中會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力由于存在相互平衡的關(guān)系，不會(huì)造成毛坯變形，通過外觀無法觀察的。當(dāng)進(jìn)行機(jī)加工時(shí)，這些殘余應(yīng)力會(huì)得到釋放，使零件很快發(fā)生變形，影響零件的加工精度。

在機(jī)加工過程中，切削的殘余應(yīng)力是由機(jī)械阻礙應(yīng)力和熱應(yīng)力兩種外因引起的。工件在切削加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分為殘余張應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。殘余張應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響相反，前者對(duì)疲勞強(qiáng)度具有降低作用，后者有時(shí)會(huì)提高工件的疲勞強(qiáng)度。由于切削加工過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的分布不均，造成工件各部位變形，對(duì)工件的尺寸和加工精度產(chǎn)生較大影響。

1.2.2 切削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生因素。切削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因主要有以下幾種情況。

1.2.2.1 熱塑變形。在零件加工過程中，金屬發(fā)生塑性變形，由于變形會(huì)產(chǎn)生變形熱。在切削過程中，刀具和工件表面的摩擦?xí)a(chǎn)生摩擦熱，使工件表面的溫度較高，而工件內(nèi)部的溫度則較低。由于表面的溫度高，內(nèi)部溫度低，造成表面收縮量大，內(nèi)部收縮量小，從而使得表層在收縮過程中會(huì)受到工件內(nèi)部的限制，造成工件表面形成張應(yīng)力，工件內(nèi)部形成壓應(yīng)力。

1.2.2.2 工件內(nèi)部金屬的彈性變形。工件在加工后，表面溫度高，處于空氣接觸狀態(tài)，散熱快，表面形成塑性變形；金屬內(nèi)部的溫度較低，很快就進(jìn)入彈性變形狀態(tài)。工件的表面塑性變形將處于工件內(nèi)部金屬?gòu)椥宰冃蔚那疤嵯逻M(jìn)行，這就造成工件表面收縮到一定程度后，由于受到內(nèi)部彈性變形的限制，表面形成應(yīng)力。

1.2.2.3 切削過程中表面金屬由于切削熱發(fā)生相變。在切削過程中，由于切削速度和切削深度過大，在加上摩擦生熱，可以使得刀具和工件表面的溫度達(dá)到600～800℃，使工件的表層金屬有機(jī)會(huì)相變，工件金屬表層出現(xiàn)壓應(yīng)力，而里層金屬將存在張應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的消除方式

2.1 避免內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生

在澆鑄過程中，采取“同時(shí)凝固原則”，盡量減小鑄件澆鑄過程中各個(gè)部位的溫差，使鑄件達(dá)到同時(shí)冷卻凝固。此外，在機(jī)加工過程中，對(duì)每次的進(jìn)刀深度和加工余量進(jìn)行控制，做到不同加工余量對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)刀深度。還需要控制漲套的氣壓。

2.2 殘余應(yīng)力的消除措施

2.2.1 自然時(shí)效。作為最古老的時(shí)效方法，自然時(shí)效法是將鑄造完成的毛坯缸套存放在室外一段時(shí)間，根據(jù)壁厚的不同，存放時(shí)間存在差異，通過自然因素給部件造成多次反復(fù)的溫度應(yīng)力。在溫度應(yīng)力形成的過程中，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。

自然時(shí)效對(duì)降低部件殘余應(yīng)力的作用不大，但對(duì)部件的松弛剛度有所提高，使部件尺寸的穩(wěn)定性較好。自然時(shí)效法的優(yōu)點(diǎn)是不需要投入設(shè)備和資金，簡(jiǎn)單易行。但其也存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要占用較大場(chǎng)地，不容易管理，且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)部件內(nèi)部的缺陷等問題，已經(jīng)逐漸被淘汰。

2.2.2 人工時(shí)效。人工時(shí)效主要包含熱處理時(shí)效、敲擊時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、超聲波沖擊時(shí)效和爆炸時(shí)效。該時(shí)效方法適合消除鑄造過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、機(jī)加工過程中產(chǎn)生的冷應(yīng)力。

2.2.2.1 低溫回火時(shí)效。低溫回火時(shí)效在目前氣缸套的生產(chǎn)行業(yè)中應(yīng)用得比較廣泛。其是將氣缸套半成品放在退火爐中緩慢加熱到500～560℃，并保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻到200℃出爐，進(jìn)行空冷到室溫。該方法的優(yōu)點(diǎn)是熱處理效果好，能夠消除氣缸套內(nèi)部50%～80%的殘余應(yīng)力，處理周期短，成本低。其也存在諸多缺點(diǎn)，如果加熱溫度高于570℃或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)引起石墨化，氣缸套的硬度和強(qiáng)度均會(huì)降低；如果升溫速度過快，且在壁薄處升溫速度比壁厚處快得多，則各部分會(huì)產(chǎn)生附加的溫度應(yīng)力；附加的溫度應(yīng)力與本身的應(yīng)力之和如果大于強(qiáng)度極限，將會(huì)造成氣缸套開裂；如果熱時(shí)效降溫不當(dāng)，會(huì)造成時(shí)效效果降低，可能會(huì)殘留在部件中，從而破壞已經(jīng)取得的熱時(shí)效效果。

2.2.2.2 振動(dòng)時(shí)效。振動(dòng)時(shí)效是在激振器的周期性外力（激振力）作用下，使得部件自身產(chǎn)生共振，進(jìn)而使其內(nèi)部歪曲的晶格產(chǎn)生滑移而恢復(fù)平衡，提高缸套的松弛剛度，消除并均化殘余應(yīng)力，使其尺寸穩(wěn)定，振動(dòng)時(shí)效可以消除20%～50%的殘余應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效是唯一可以進(jìn)行二次時(shí)效的工藝，其優(yōu)點(diǎn)是減小及均化工件的殘余應(yīng)力，提高產(chǎn)品材料的抗變形能力，保證工件的尺寸精度，同時(shí)，還具有節(jié)約能源、降低生產(chǎn)加工成本、提高產(chǎn)品的尺寸精度及降低工作強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2.3 超聲波沖擊。超聲波沖擊是利用超聲波在高頻、高效和聚焦下的大能量，推動(dòng)沖擊工具以高頻率沖擊物體表面，使其表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，同時(shí)改變了原有的應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，并使被沖擊部位得以強(qiáng)化。該方法占用的場(chǎng)地少，不會(huì)受工件材料性能、形狀結(jié)構(gòu)及重量等因素的限制，使用靈活方便；對(duì)環(huán)境的影響較低，節(jié)約能源、無污染，對(duì)產(chǎn)品的疲勞性能具有較大的提高作用。由于超聲波沖擊工藝是點(diǎn)沖擊接觸的“面效應(yīng)”型應(yīng)力工藝，工作范圍具有很大的局限性，工作效率也偏低。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了氣缸套殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響因素，對(duì)如何消除殘余應(yīng)力的方法進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)各方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，以便于選取更為合適的消除方式，生產(chǎn)合格的氣缸套。

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