В этой статье мы рассмотрим различные варианты обработки поверхности цилиндра, методы измерения соответствующих параметров и последующий анализ результатов замеров. А также расскажем про оптимальные значения этих параметров, в зависимости от конкретного метода обработки.

Эволюция методов обработки поверхности цилиндров

Исторически сложилось так, что рабочая поверхность цилиндра "создавалась" с помощью хонингования - то есть специальной обработки: за счет комбинированного (вращательного и возвратно-поступательного) движения инструмента – хонинговальной головки, с закрепленными на ней специальными абразивными брусками. В результате на рабочей поверхности цилиндра получался особый микропрофиль поверхности – совокупность рисок определенной глубины и пересекающихся под определенным углом - своего рода  единой фактуры по всей поверхности. Далее, после сборки и последующей обкатки двигатель уже сам «доводил» поверхность цилиндра, когда поршень с поршневыми кольцами сглаживал пики на вершинах рисок, оставляя после этого участки «плато». Поверхность после такого хонингования показана вверху рис. 1.

В 1980-е годы прошлого века новые требования по экономии топлива и сокращению вредных выбросов привели к созданию более эффективных двигателей, которые должны были соответствовать этим, более жестким, нормативам. Что, в свою очередь, заставило применить иную технологию получения более "ровной" поверхности цилиндра уже при изготовлении двигателя, вместо расчета на то, что детали цилиндро-поршневой группы приработаются при обкатке. С этой целью стали применять платохонингование - обработку в два этапа, когда после первичного хонингования, цилиндр "доводился" с помощью других брусков и при этом сглаживались вершины рисок. «Уплощенная» таким образом поверхность цилиндра показана на средней схеме на рис.1.

Современные высоконагруженные двигатели (гоночные, турбодизельные и т. п.) в ряде случаев могут требовать еще более точного и "тонкого" хонингования для работы с менее вязкими маслами и, в некоторых случаях, из-за очень короткого расчетного срока службы (ресурса) мотора, для которого обкатка вовсе не предусмотрена.  Профиль такой "суперхонингованной" поверхности показан внизу на рис. 1.

Рисунок 1. Три вида микропрофиля поверхности цилиндра.

Платохонингование

Поверхность цилиндра в современном моторе должна обеспечивать оптимальный баланс при решении двух, взаимоисключающих, функций: обеспечивать отличное уплотнение, выдерживая при этом большие нагрузки, и, в то же время, не создавать повышенного трения. Поэтому микропрофиль поверхности обычно представляет собой что-то вроде горного пейзажа, где вершины "гор" срезаны и образуют плато, но разделены "ущельями" довольно значительной глубины (рис.2).

Прорезает эти самые «ущелья» первичное или черновое хонингование, а затем в них удерживается масло и собираются микрочастицы, которые образуются при износе поверхности.

"Срезание горных вершин", или "ровные участки - плато" получаются при повторной обработке или чистовом хонинговании. Его также называют плосковершинным или платохонингованием. Поверхности этих "плато" дают хороший контакт с поршневыми кольцами, что сокращает прорыв газов из камеры сгорания и уменьшает расход масла на угар. Ну и, разумеется, потери на трение тоже гораздо меньше.

Такая поверхность цилиндра обеспечивают нужный баланс качеств: достаточно большую площадь для "плотного" контакта поршневых колец и цилиндра, что обеспечивает эффективное уплотнение и держит высокие нагрузки, и соответствующего объема рисок-впадин, необходимых для получения хорошей масляной пленки и сбора продуктов износа.

Рисунок 2. Профиль поверхности после платохонингования - плоские "плато" сверху и глубокие «ущелья» под ними.

Измерение шероховатости поверхности, то есть - получение параметров микропрофиля

В большинстве случаев измерение шероховатости поверхности цилиндра выполняется с помощью специального прибора - профилометра, щуп которого перемещается по рабочей поверхности цилиндра и снимает характеристики профиля поверхности на нужных участках (см. рис. 3).

Результаты подобных замеров в графической форме и приведены на рис.1 и 2.

В процессе измерений прибор определяет разные виды неровностей: от шероховатости до волнистости. При обработке сигнала прибор использует несколько фильтров, сначала - для отделения очень коротких волн (обычно это просто помехи при замере), затем - для разделения оставшихся данных на соответствующие профили - шероховатости и волнистости. В последнюю очередь идет анализ профилей шероховатости - для определения параметров обработанной поверхности.

Рис. 3. Вид на рабочую поверхность цилиндра после хонингования. Во врезке: сверху - трехмерное увеличенное изображение участка поверхности; снизу - график, показывающий микропрофиль поверхности.

Параметры поверхности зеркала цилиндра

Для оценки разных типов поверхности, показанных на рис.2, используются различные параметры шероховатости поверхности.

При обычном хонинговании

Поверхность, подвергнутая однократному хонингованию, состоит как из выступов, так и из впадин различной высоты и глубины. Во время первоначальной обкатки поршневые кольца будут снимать самый высокие выступы, тем самым превращая их в "плато".

Для контроля такой поверхности обычно достаточно традиционных параметров шероховатости: таких как Ra (среднее арифметическое отклонение профиля), Rz (высота неровностей профиля по десяти точкам) и Rmr (материальный коэффициент профиля) (рис.3). Когда поверхность изнашивается и на ней становится больше плато, наиболее заметно изменяется Ra, поскольку больше точек оказывается на плато. В то же время Rz скорее связан с «ущельями», поскольку они оказывают большее влияние на разницу между "плато" и глубиной впадин. Rmr (определяется на заданной глубине) описывает соотношение между плато и впадинами на определенной глубине.

Введенные в практику более 80 лет назад, Ra, Rz и Rmr по-прежнему остаются удобным средством оценки шероховатости поверхностей с широким разбросом пиков, впадин и промежуточных высот.

Семейство параметров Rk

Когда стали использовать платохонингование, стало очевидно, что Ra, Rz и Rmr не позволяют точно оценить шероховатость полученной поверхности. Поверхности после второго и третьего хонингования имели сходные значения этих параметров, не очень отличающийся от результатов однопроходного хонингования.

Для более точной оценки поверхности с плато исследователи разработали семейство параметров «Rk», которые основаны на кривой Эббота. Этот график показывает процент поверхности, которая заполнена материалом, по сравнению с пустым пространством, в зависимости от величины замера (рис. 4).

Отдельные параметры (Rk, Rpk, Rmr1, Rvk, Rmr2) количественно определяют соотношение "пиков", впадин и материала под базовой поверхностью. Эти характеристики позволяют лучше оценить шероховатость хонингованных поверхностей, поскольку они определяют геометрию "ущелий", врезающихся в поверхность.

Параметры типа Rk хорошо работают в случаях платохонингования не средней точности, где не требуется высокая степень "выравнивания" и, соответственно, получается очень низкая шероховатость.

В группу деталей, которые обрабатываются таким платохонингованием попадают не только цилиндры, но и шестерни, подшипники, отдельные узлы трансмиссий и многие другие поверхности, обеспечивающие определенный уровень сочетания уплотнения, нагрузки и/или трения.

Рисунок 4. Традиционных параметров замеров достаточно для оценки шероховатости после однопроходного хонингования.

Рисунок 5. Параметры Rk лучше подходят для проверки поверхностей после платохонингования.