汽車發(fā)動機缸孔珩磨表面織構預測建模與工藝參數(shù)優(yōu)化

董 軍，何嘉偉，鄧雄章，張雪萍，姚振強

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

發(fā)動機是汽車功能的核心部件，活塞-缸孔是發(fā)動機中的關鍵摩擦副，其摩擦損失占發(fā)動機摩擦損失的60%～75%，是影響發(fā)動機性能、效率、經(jīng)濟性和環(huán)保性的顯著因素[1]。缸孔表面平臺網(wǎng)紋結構能夠提供較大的平臺支撐，溝槽能夠儲存和輸運潤滑油改善汽車發(fā)動機潤滑性能，減少摩擦與磨損[2]?；贏bbott-Firestone曲線的表面粗糙度Rk族參數(shù)是目前生產(chǎn)領域中廣泛應用的缸孔平臺珩磨表面評價標準，其較為全面的反映了珩磨表面的磨損摩擦潤滑性能[3-4]。國內外研究表明，影響珩磨表面粗糙度的因素有油石線速度、珩磨換向加速度、油石性能與結構、精珩時間等[5-8]。王曉骎等通過正交實驗研究了珩磨頭轉速、粗珩進給率、精珩時間對Abbott-Firestone曲線參數(shù)顯著性影響，珩磨頭轉速是影響最為顯著的因素，但是未能提供珩磨工藝參數(shù)具體選擇參考[9]。宣寒玉利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立了珩磨工藝參數(shù)智能選擇模型，在珩磨工藝參數(shù)的選擇上優(yōu)于一般專家經(jīng)驗[10]。胡赤兵等基于粒子群算法構建了加工參數(shù)智能選擇模型,基于實驗數(shù)據(jù)對珩磨工藝參數(shù)進行了優(yōu)化[11]。該類模型需要大量的樣本數(shù)據(jù)且人工智能算法對操作人員提出較高的數(shù)學與編程要求，限制了其在實際生產(chǎn)中的應用。響應面法(Response Surface Methodology, RSM)是數(shù)學方法與統(tǒng)計方法結合的產(chǎn)物，用于對感興趣響應受變量影響的問題進行建模和分析，以優(yōu)化這個響應[12]。響應面法通過近似構造一個具有明確表達形式的多項式來表達隱式功能函數(shù)，由于RSM把仿真過程看成一個黑匣子，能夠較為簡便地與隨機仿真和確定性仿真結合起來，所以得到了非常廣泛的應用[13]。單因素響應面設計允許設計者針對單一因子建立最高三階的模型，因子所需水平數(shù)取決于設計者想要估計的多項式階數(shù)。實際生產(chǎn)中操作員選擇珩磨工藝參數(shù)多憑借經(jīng)驗與試切法，時間長且實驗次數(shù)較多費用較高。響應面法實驗設計具有實驗次數(shù)少、計算簡單、結果直觀等優(yōu)點，能夠降低生產(chǎn)成本與對操作員要求不高便于在生產(chǎn)一線中推廣應用。

1 缸孔平臺珩磨實驗設計

采用單因素響應面法實驗設計的方法來研究加工參數(shù)(珩磨頭轉速)對于缸孔表面粗糙度影響的規(guī)律。缸孔平臺珩磨實驗中所研究的加工參數(shù)珩磨頭轉速(rpm)選用五水平分別為：150/187.5/225/262.5/300。實驗中其余加工參數(shù)設定為：粗珩進給率(μm/min)：50、精珩時間(s)：8、網(wǎng)紋角50.3°、加工余量30μm、拋光時間2s。珩磨頭轉速設置5水平加上重復的兩次實驗總計需加工7個缸孔，為了減小不同缸孔變形差異的影響確保實驗條件的一致，對7臺缸體的相同位置缸進行加工，如圖1所示。

圖1 缸孔表面粗糙度測量方法

圖2 缸孔珩磨過程示意

實驗在SUNNEN SV-2410型立式珩磨機上進行，并使用配套缸體夾具；珩磨頭型號為SUNNEN GT71型雙級進給珩磨頭；珩磨過程中使用粗-精兩組油石，6條粗珩油石，型號為 SUNNEN GT716-GMG57-C油石，粒度為#220；4條精珩油石,型號為SUNNEN GT714- RMG95-C油石，粒度為#500，兩組油石均為金屬結合劑的金剛石磨粒油石。珩磨工件為某主機廠提供的直列四缸型發(fā)動機缸體，缸體材料為灰鑄鐵HT250。

在加工完成后分別測量每個缸孔4個方位的表面粗糙度并取平均值，如圖3所示。測量點距缸體頂面60mm。實驗使用三豐(MITUTOYO)SJ210型粗糙度儀測量缸孔表面粗糙度，如圖4所示，測量參數(shù)如表1所示。

表1 三豐SJ210型粗糙度儀設置參數(shù)

圖3 珩磨缸孔表面粗糙度測量位置

圖4 珩磨缸孔表面粗糙度測量裝置

2 平臺珩磨表面粗糙度預測模型

按單因素響應面法設計進行實驗并測量得到響應(Rpk,Rk,Rvk,Mr1,Mr2)關于珩磨頭的實驗數(shù)據(jù)，見表2。

表2 珩磨的單因素響應面實驗數(shù)據(jù)表

采用Design-Expert8.05對表2進行分析，并對回歸模型的顯著性進行檢驗，結果如表3，表4所示?；貧w模型顯著性分析表明，表面粗糙度參數(shù)(Rk,Rvk,Mr2)關于珩磨頭轉速r(rpm)的預測模型是顯著的，表面粗糙度參數(shù)(Rpk,Mr1)關于珩磨頭轉速r(rpm)的預測模型是不顯著的。采用單因素響應面實驗設計方法，建立缸孔珩磨表面支撐率曲線參數(shù)與珩磨工藝參數(shù)關聯(lián)規(guī)律的預測模型；通過方差分析，揭示出與缸孔-活塞環(huán)跑合特性相關的紋理參數(shù)與珩磨頭轉速和徑向切深關聯(lián)度較??；建立了缸孔-活塞環(huán)正常磨損特性參數(shù)及缸孔表面的最小儲油參數(shù)與珩磨工藝參數(shù)的關系式。

表3 回歸系數(shù)的方差分析表

表4 回歸模型的顯著性檢驗表

用Design-Expert8.05對表2中的實驗數(shù)據(jù)進行處理，可以得到表面粗糙度參數(shù)(Rk,Rvk,Mr2)關于珩磨頭轉速的回歸方程，將編碼空間轉換到自然空間，整理后得到表面粗糙度參數(shù)(Rk,Rvk,Mr2)關于珩磨頭轉速r(rpm)擬合的多項式為：

Rk=162.20800-3.01966r+0.020742r2-
6.18264×10-5r3+6.76030×10-8r4

(1)

圖5 Rk-轉速擬合多項式曲線

Rvk=-390.12550+7.14734r-0.047786r2+1.39011×10-4r3+(-1.48901)×10-7r4

(2)

圖6 Rvk-轉速擬合多項式曲線

Mr2=-20.03+1.59r-7.27×10-3r2+1.07×10-5r3

(3)

圖7 Mr2-轉速擬合多項式曲線

3 基于響應面法的工藝參數(shù)優(yōu)化及實驗驗證

某主機廠的發(fā)動機缸孔珩磨表面粗糙度標準如表5所示。

表5 某型汽車發(fā)動機缸孔珩磨表面粗糙度質量標準

圖8 Rk-轉速r取值范圍

(4)

圖9 Rvk-轉速r取值范圍

(5)

圖10 Mr2-轉速r取值范圍

(6)

根據(jù)建立的表面粗糙度參數(shù)(Rk,Rvk,Mr2)關于珩磨頭轉速r(rpm)的預測模型，采用Design-Expert8.05中的優(yōu)化模塊可以快速選取符合實際生產(chǎn)中標準的珩磨工藝參數(shù)(珩磨頭轉速)范圍。由式(4)～式(6)及圖7～圖9可得符合生產(chǎn)標準的轉速范圍為：

150≤r≤156∪262≤r≤300

(7)

驗證實驗是在SUNNEN SV-2410型立式珩磨機和配套缸體夾具上完成的。在式(2)中表示的缸孔珩磨表面粗糙度預測模型珩磨頭轉速適用范圍內，選取的珩磨頭轉速為270rpm，其他珩磨工藝參數(shù)采用表6所示進行實驗。

表6 缸孔珩磨工藝參數(shù)設定

實驗數(shù)據(jù)見表7。由表7的實驗數(shù)據(jù)可以得出以下結論：

(1)用Design-Expert計算的珩磨頭轉速(270rpm)進行實驗，實測的表面粗糙度參數(shù)實驗值與預測值的誤差在5%之內；

(2)基于單因素響應面法的單因素珩磨工藝參數(shù)選取方法是行之有效的，分析結果與實驗結果相近。

表7 預測值與實驗值的對比表(r=270rpm)

4 結論

本文將單因素響應面法引入汽車發(fā)動機缸孔珩磨表面織構參數(shù)預測模型的建立中，形成了“實驗-理論-實驗”的工藝設計方法。該方法對于預測一定條件下受某一最顯著因素影響的工藝的加工質量以及對優(yōu)化顯著影響因素的工藝參由理論分析及實驗驗證可知，基于單因素響應法的汽車發(fā)動機缸孔珩磨表面織構參數(shù)預測模型是可靠的，預測精度可達95%；基于單因素響應面法的分析可以針對平臺珩磨工藝參數(shù)，快速確定符合發(fā)動機缸孔珩磨表面質量標準的珩磨轉速范圍為150≤r≤156∪262≤r≤300(rpm)為實際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。