發(fā)動機(jī)缸體缸孔涂層工藝技術(shù)講解
時(shí)間：
近年來，我國陸續(xù)頒布了一系列政策法令明確對汽車環(huán)保和節(jié)能的要求，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排，是整個(gè)汽車行業(yè)所面臨的重大挑戰(zhàn)，因而發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)開始朝著輕量化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的鋁合金輕質(zhì)發(fā)動機(jī)。另一方面，產(chǎn)品更新周期越來越短，產(chǎn)品品種不斷增加以及極端的成本壓力是當(dāng)今汽車行業(yè)的主要特點(diǎn)。降低單件成本是全球汽車行業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，汽車廠商逐漸與行業(yè)內(nèi)的裝備供應(yīng)商尋求長期合作以增加核心競爭力。
發(fā)動機(jī)缸孔噴涂這項(xiàng)新技術(shù)，汽車制造行業(yè)的同行應(yīng)該不陌生，目前國內(nèi)的一些汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和制造單位已經(jīng)在開始咨詢和探索這項(xiàng)新工藝。鋁合金的發(fā)動機(jī)缸體取代鑄鐵缸體已成為一種趨勢，然而這也為發(fā)動機(jī)的制造工藝帶來了新的難題。一方面，鋁合金缸體的耐磨損性能較差，造成發(fā)動機(jī)在工作過程中，氣缸壁面容易磨損，以致活塞與氣缸壁間密封不良，在排量及輸出功率不變的情況下，必然導(dǎo)致油耗及尾氣排放的增加;另一方面，鑄鐵和鋁的熱容性特征是不同的，這也直接影響了鋁質(zhì)發(fā)動機(jī)缸體的耐用性。
對此，一項(xiàng)全新的工藝技術(shù)flpACCS.Coated(AdvancedCylinder Coating System)高級缸孔涂層系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。MAG公司與SULZER Metco及Sturm合作，共同開發(fā)了模塊化的缸孔涂層及前后機(jī)械加工處理系統(tǒng)，使鋁合金缸孔涂層工藝和機(jī)械加工完美結(jié)合，組成一套完整的加工系統(tǒng)。噴涂了涂層后的鋁合金缸體依舊是一體式缸體，不再因嵌入一個(gè)灰鑄鐵(GCI)缸套而需要忍受缸筒變形問題，也不再具有灰鑄鐵缸套所有的熱力學(xué)缺點(diǎn)。用等離子熱噴涂缸孔取代灰鑄鐵缸套，不僅減少了發(fā)動機(jī)的總體質(zhì)量，而且增加了其耐久性并降低了能耗。該技術(shù)已在德國大眾的EA211發(fā)動機(jī)、Audi A8油電發(fā)動機(jī)、Vw Lupo 1.4L TSI、GM Opel及韓國雙龍汽車等項(xiàng)目上得到應(yīng)用。
發(fā)動機(jī)缸孔涂層與鑲鑄鐵缸套的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：顯著減小了發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，加強(qiáng)缸孔表面的強(qiáng)度，降低缸孔與活塞的摩擦和磨損，提高熱的傳導(dǎo)，最大承載熱和機(jī)械的負(fù)荷，降低油耗和CO：排放數(shù)量，最適應(yīng)各種新的燃料，防止生銹。
在缸體熱涂層的工藝上，目前有兩大趨勢，一個(gè)是稱為Rsw(PTWA)或是叫APS的工藝，即等離子高速熔焊熱噴涂系統(tǒng)(Atmospheric Plasma Spray CoatingProcess);二是熱絲涂層工藝。
等離子高速熔焊熱噴涂的特點(diǎn)和參數(shù)
涂料粉末：可根據(jù)用戶的要求來選擇(柔性化)。工件的溫度：噴涂前，環(huán)境溫度;噴涂后180*F(82℃)。噴頭旋轉(zhuǎn)速度：可達(dá)200轉(zhuǎn)/分l溫度達(dá)16 000"C。缸孔直徑范圍：40～500mm;長度達(dá)700mm;厚度300¨m。較薄的涂層將提供高的加工精度和少的珩磨余量。ASP涂層的油槽深度可調(diào)整和可固定。噴涂工藝已成功應(yīng)用在汽車及其他領(lǐng)域，如(大眾汽車、斯堪蒂亞載貨汽車、雅馬哈摩托車、一級式方程賽車等)。
APS的工藝過程
(1)涂層前缸孔表面處理。下涂層前缸孔表面機(jī)械處理(燕尾槽結(jié)構(gòu)的加工，見圖1)，采用單軸加工中心及采用瑪帕刀，具有效率高、機(jī)械成本低和可一次性加工完成的特點(diǎn)。
(2)表面清理。去除涂層表面的塵土、油和切削液。
(3)涂膜。目的是建立一穩(wěn)定的涂層，在孔的表面30mm的距離噴射燃燒而形成t通過襯套伸入到缸孔內(nèi)。襯套要控制等離子空氣束使之噴涂均勻和涂層不過量。
(4)噴涂。燃燒頭點(diǎn)燃和進(jìn)給(旋轉(zhuǎn)燃燒頭，距離為45mm)。采用雙工作頭的話，涂22 j皇車工藝曩2016年第6期www.aut01 950.com層厚度300I，tm，節(jié)拍為90～120S。噴涂裝置包括：控制機(jī)構(gòu)，燃燒技術(shù)，粉末材料的供給和管理，氫氣供應(yīng)和劑量控制，氬氣供應(yīng)系統(tǒng)，灰塵收集系統(tǒng)，夾具夾緊裝置，機(jī)械手上下料，安全及隔噪離聲及防塵防護(hù)等。
(5)消膜和強(qiáng)力清理。將缸孔表面溫度降至80℃，通過高壓水、刷子和CO：進(jìn)行清理。
(6)缸孔上下面倒角。
(7)精鏜缸孔。
(8)缸孔珩磨?？稍诩庸ぶ行纳线M(jìn)行。
采用該工藝的優(yōu)點(diǎn)
(1)不會給工件帶來熱量的積累，如采用隨行托盤工藝的話，工件不需要將托盤脫離。
(2)設(shè)備占地面積較少，不需要大面積占地的工件散熱(冷卻)滾道。
(3)涂層的表面孔間隙小，減少表面的摩擦。
(4)通過精鏜，減少了缸孔珩磨的余量。
(5)可在加工中心上實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾進(jìn)行缸孔精鏜和珩磨(不需重新定位和更換夾具)，可獲得更好的加工質(zhì)量。
最早的生產(chǎn)線建成于2001—2003年，每天可加工4 000個(gè)孔。
熱絲涂層工藝
另一種工藝稱為ACCS.TWS(Thermal Wire Sprayer)，即熱絲涂層工藝。它是通過一旋轉(zhuǎn)噴頭通過導(dǎo)向進(jìn)入缸孔內(nèi)，將加熱融化的焊絲經(jīng)過多次的往復(fù)移動涂在缸孔內(nèi)。該工藝由MAG和Strum公司共同開發(fā)。
熱絲涂層工藝的涂料是由成卷的焊絲供料，焊絲直徑1.6mm。幾乎所有的導(dǎo)體都可以作為涂層的原料，這使得涂層的特性有很大的選擇余地。通過陰極和陽極在尖部不斷產(chǎn)生電弧融化并霧化焊絲，再通過超聲等離子噴射頭將霧化的涂料分子噴涂在缸孔壁上。在等離子霧化的初始，通過在噴頭周圍集中噴入一束強(qiáng)大的壓縮空氣或氮?dú)?，將這股霧狀的涂料分子束噴射到缸孔壁上，而高動能使涂料分子顆粒深深地附著在經(jīng)過粗加工的缸孔表面上。涂料粒子與發(fā)動機(jī)缸體間的熱傳導(dǎo)使得涂層迅速凝固。顆粒彼此堆積，形成一個(gè)極度耐磨的表面。工藝流程如圖2所示。
涂層工藝
(1)工件上料。通過機(jī)器人將工件放入托盤隨行夾具。
(2)工件輸送。桁架機(jī)械手抓取托盤夾具，放入加工中心單元。桁架機(jī)械手帶有溫度測量裝置。
(3)缸孔表面預(yù)加工。SPECHT3/I]工中心，帶有刀刃檢驗(yàn)功能。
(4)清理。一個(gè)吹空氣和真空裝置。
(5)在線檢測。通過帶三個(gè)傳感器的光學(xué)檢測儀檢查表面粗糙度和溝槽的深度和寬度。
(6)SPC檢測。檢驗(yàn)孔的直徑和截面。
(7)噴涂。三軸，帶交換托盤;西門子840D控制系統(tǒng);缸孔直徑72～90mm，單極燃燒器(150A);對于4缸發(fā)動機(jī)直徑為80mm的缸孔，高度為130mm，參考節(jié)拍為158s(見圖3)。
(8)工件冷卻。將工件放在滾道上，溫度降至室溫。
(9)檢驗(yàn)。用光學(xué)檢驗(yàn)儀檢驗(yàn)涂層面的密度和氧化物。該檢驗(yàn)儀采用非接觸式檢測，可集成到生產(chǎn)線中，也可單獨(dú)作為檢驗(yàn)設(shè)備?？赏ㄟ^涂層前和涂層后檢驗(yàn)直徑差來計(jì)算涂層的厚度。
(10)缸孔精加工。通過加工中心鏜孔，預(yù)留珩磨余量，珩磨缸孔。
(11)清洗。機(jī)器人上下料，在水中旋轉(zhuǎn)，真空干燥。
(12)最終檢驗(yàn)。通過線外檢具、三坐標(biāo)等檢驗(yàn)幾何尺寸(直徑，位置等)。MAG用于大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線2014年建成，節(jié)拍54s(見圖4)。
結(jié)語
上面介紹的兩種缸孔涂層工藝，各有優(yōu)缺點(diǎn)。用戶可根據(jù)具體情況如產(chǎn)量、投資、生產(chǎn)線的柔性、材料消耗成本、設(shè)備占地面積等綜合情況來選擇。
同時(shí)，還需要指出的是，由于涂層工藝對涂層前和涂層后的加工條件要求較為特殊，所采用的加工設(shè)備要具有很好的剛性。目前，對生產(chǎn)測試中所使用的刀具還處于消耗成本高的狀態(tài)，還需要在測試中對刀具進(jìn)行不斷的改進(jìn)。
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