汽车发动机缸孔珩磨表面织构预测建模与工艺参数优化

董 军，何嘉伟，邓雄章，张雪萍，姚振强

(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2. 上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

0 引言

发动机是汽车功能的核心部件，活塞-缸孔是发动机中的关键摩擦副，其摩擦损失占发动机摩擦损失的60%～75%，是影响发动机性能、效率、经济性和环保性的显著因素[1]。缸孔表面平台网纹结构能够提供较大的平台支撑，沟槽能够储存和输运润滑油改善汽车发动机润滑性能，减少摩擦与磨损[2]。基于Abbott-Firestone曲线的表面粗糙度Rk族参数是目前生产领域中广泛应用的缸孔平台珩磨表面评价标准，其较为全面的反映了珩磨表面的磨损摩擦润滑性能[3-4]。国内外研究表明，影响珩磨表面粗糙度的因素有油石线速度、珩磨换向加速度、油石性能与结构、精珩时间等[5-8]。王晓骎等通过正交实验研究了珩磨头转速、粗珩进给率、精珩时间对Abbott-Firestone曲线参数显著性影响，珩磨头转速是影响最为显著的因素，但是未能提供珩磨工艺参数具体选择参考[9]。宣寒玉利用人工神经网络算法建立了珩磨工艺参数智能选择模型，在珩磨工艺参数的选择上优于一般专家经验[10]。胡赤兵等基于粒子群算法构建了加工参数智能选择模型,基于实验数据对珩磨工艺参数进行了优化[11]。该类模型需要大量的样本数据且人工智能算法对操作人员提出较高的数学与编程要求，限制了其在实际生产中的应用。响应面法(Response Surface Methodology, RSM)是数学方法与统计方法结合的产物，用于对感兴趣响应受变量影响的问题进行建模和分析，以优化这个响应[12]。响应面法通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数，由于RSM把仿真过程看成一个黑匣子，能够较为简便地与随机仿真和确定性仿真结合起来，所以得到了非常广泛的应用[13]。单因素响应面设计允许设计者针对单一因子建立最高三阶的模型，因子所需水平数取决于设计者想要估计的多项式阶数。实际生产中操作员选择珩磨工艺参数多凭借经验与试切法，时间长且实验次数较多费用较高。响应面法实验设计具有实验次数少、计算简单、结果直观等优点，能够降低生产成本与对操作员要求不高便于在生产一线中推广应用。

1 缸孔平台珩磨实验设计

采用单因素响应面法实验设计的方法来研究加工参数(珩磨头转速)对于缸孔表面粗糙度影响的规律。缸孔平台珩磨实验中所研究的加工参数珩磨头转速(rpm)选用五水平分别为：150/187.5/225/262.5/300。实验中其余加工参数设定为：粗珩进给率(μm/min)：50、精珩时间(s)：8、网纹角50.3°、加工余量30μm、抛光时间2s。珩磨头转速设置5水平加上重复的两次实验总计需加工7个缸孔，为了减小不同缸孔变形差异的影响确保实验条件的一致，对7台缸体的相同位置缸进行加工，如图1所示。

图1 缸孔表面粗糙度测量方法

图2 缸孔珩磨过程示意

实验在SUNNEN SV-2410型立式珩磨机上进行，并使用配套缸体夹具；珩磨头型号为SUNNEN GT71型双级进给珩磨头；珩磨过程中使用粗-精两组油石，6条粗珩油石，型号为 SUNNEN GT716-GMG57-C油石，粒度为#220；4条精珩油石,型号为SUNNEN GT714- RMG95-C油石，粒度为#500，两组油石均为金属结合剂的金刚石磨粒油石。珩磨工件为某主机厂提供的直列四缸型发动机缸体，缸体材料为灰铸铁HT250。

在加工完成后分别测量每个缸孔4个方位的表面粗糙度并取平均值，如图3所示。测量点距缸体顶面60mm。实验使用三丰(MITUTOYO)SJ210型粗糙度仪测量缸孔表面粗糙度，如图4所示，测量参数如表1所示。

表1 三丰SJ210型粗糙度仪设置参数

图3 珩磨缸孔表面粗糙度测量位置

图4 珩磨缸孔表面粗糙度测量装置

2 平台珩磨表面粗糙度预测模型

按单因素响应面法设计进行实验并测量得到响应(Rpk,Rk,Rvk,Mr1,Mr2)关于珩磨头的实验数据，见表2。

表2 珩磨的单因素响应面实验数据表

采用Design-Expert8.05对表2进行分析，并对回归模型的显著性进行检验，结果如表3，表4所示。回归模型显著性分析表明，表面粗糙度参数(Rk,Rvk,Mr2)关于珩磨头转速r(rpm)的预测模型是显著的，表面粗糙度参数(Rpk,Mr1)关于珩磨头转速r(rpm)的预测模型是不显著的。采用单因素响应面实验设计方法，建立缸孔珩磨表面支撑率曲线参数与珩磨工艺参数关联规律的预测模型；通过方差分析，揭示出与缸孔-活塞环跑合特性相关的纹理参数与珩磨头转速和径向切深关联度较小；建立了缸孔-活塞环正常磨损特性参数及缸孔表面的最小储油参数与珩磨工艺参数的关系式。

表3 回归系数的方差分析表

表4 回归模型的显著性检验表

用Design-Expert8.05对表2中的实验数据进行处理，可以得到表面粗糙度参数(Rk,Rvk,Mr2)关于珩磨头转速的回归方程，将编码空间转换到自然空间，整理后得到表面粗糙度参数(Rk,Rvk,Mr2)关于珩磨头转速r(rpm)拟合的多项式为：

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

(1)

图5 Rk-转速拟合多项式曲线

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

(2)

图6 Rvk-转速拟合多项式曲线

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

(3)

图7 Mr2-转速拟合多项式曲线

3 基于响应面法的工艺参数优化及实验验证

某主机厂的发动机缸孔珩磨表面粗糙度标准如表5所示。

表5 某型汽车发动机缸孔珩磨表面粗糙度质量标准

图8 Rk-转速r取值范围

(4)

图9 Rvk-转速r取值范围

(5)

图10 Mr2-转速r取值范围

(6)

根据建立的表面粗糙度参数(Rk,Rvk,Mr2)关于珩磨头转速r(rpm)的预测模型，采用Design-Expert8.05中的优化模块可以快速选取符合实际生产中标准的珩磨工艺参数(珩磨头转速)范围。由式(4)～式(6)及图7～图9可得符合生产标准的转速范围为：

150≤r≤156∪262≤r≤300

(7)

验证实验是在SUNNEN SV-2410型立式珩磨机和配套缸体夹具上完成的。在式(2)中表示的缸孔珩磨表面粗糙度预测模型珩磨头转速适用范围内，选取的珩磨头转速为270rpm，其他珩磨工艺参数采用表6所示进行实验。

表6 缸孔珩磨工艺参数设定

实验数据见表7。由表7的实验数据可以得出以下结论：

(1)用Design-Expert计算的珩磨头转速(270rpm)进行实验，实测的表面粗糙度参数实验值与预测值的误差在5%之内；

(2)基于单因素响应面法的单因素珩磨工艺参数选取方法是行之有效的，分析结果与实验结果相近。

表7 预测值与实验值的对比表(r=270rpm)

4 结论

本文将单因素响应面法引入汽车发动机缸孔珩磨表面织构参数预测模型的建立中，形成了“实验-理论-实验”的工艺设计方法。该方法对于预测一定条件下受某一最显著因素影响的工艺的加工质量以及对优化显著影响因素的工艺参由理论分析及实验验证可知，基于单因素响应法的汽车发动机缸孔珩磨表面织构参数预测模型是可靠的，预测精度可达95%；基于单因素响应面法的分析可以针对平台珩磨工艺参数，快速确定符合发动机缸孔珩磨表面质量标准的珩磨转速范围为150≤r≤156∪262≤r≤300(rpm)为实际生产提供参考依据。