一种薄型化圆油孔结构钢质油环的制作方法及钢质油环与流程

1.本发明属于内燃机用油环技术领域，具体涉及一种高度在4mm及以下的圆油孔结构i型钢质油环的制作方法及利用该方法制作得到的圆油孔结构钢质油环。


背景技术：

2.在内燃机活塞环设计中，为了提高燃油经济性，同时降低机油消耗，i型钢质油环应用越来越普遍，i型钢质油环具有：对缸壁贴合性好、活塞环加工过程工序少、生产效率高、产品尺寸一致性好、可以采用多种多样的表面处理技术(如氮化、镀铬、复合陶瓷电镀、复合钻石电镀、pvd、dlc)等优点。
3.但目前现有的i型钢质油环结构继承于铸铁环，铸铁环的油环一般采用圆弧铣刀铣削加工方式，加工成的油孔形状为长腰形孔，i型钢质油环油孔沿用了这种长腰形孔设计，由于i型钢质油环油孔采用冲压方式，受到冲孔冲头的强度限制、加工效率、成本等因素，现有的i型钢质油环油孔采用了长腰形孔设计，油孔长度是油孔宽度的3-7倍，油孔间距是油孔长度的2-10倍，这样的油孔结构设计，虽然在线材成型加工时效率提高，但其存在明显的弊端，特别是在薄型化设计的油环中，长腰形油孔设计削弱了环体强度，存在一些缺陷：
4.(1)工作时其环体周向应力分别不均匀，影响了油环对发动机缸孔的贴合性，对机油控制效果产生了不利影响；
5.(2)线材在绕圆时周向会产生不均匀变形，油孔处曲率半径小、非油孔处曲率半径大，外圆形成了类似已“多边形”现象，给后续外圆面加工带来不利影响，导致外圆面珩磨切削量不均匀，大大增加了外圆珩磨余量，且珩磨后外圆面接触带宽窄不一，镀/渗层厚度不均匀，刮油性能及耐久性受到影响；
6.(3)油孔处位置强度弱，在活塞环端面磨削加工时会产生变形，导致端面周向不平，对活塞环端面与活塞槽侧面的密封产生不利影响，最终会增大发动机的机油消耗。
7.在对i型钢质油环进行加工时，需采用刮油刃，传统的i型钢油环刮油刃宽度设计值较大，一般范围0.15-0.40，一般常用设计为0.25mm，为了保证油环外圆与缸壁必要的接触面压，现有的i型油环的切向弹力设计的比较大，以缸径120mm发动机为例，当刮油刃宽度为0.25mm时，油环的切向弹力达48n，这就加大了发动机的摩擦功消耗以及活塞环、缸孔的磨损，降低了发动机的使用寿命。
8.目前现有的i型钢油环一般采用镀铬、氮化、pvd，其缺点包括：
9.(1)耐磨性一般，随着磨损的增加会使发动机的机油消耗不断增加；
10.(2)涂层摩擦系数大，导致活塞环与发动机缸孔摩擦损失大，增加了发动机的燃油消耗；
11.(3)抗拉缸性能差，限制了在润滑条件恶劣条件下的应用，如生物燃料发动机、气体机以及低粘度机油发动机等。
12.由于上述各制作环节中存在的缺陷，因此导致现有钢质油环存在很多缺陷。


技术实现要素：

13.发明目的：为解决采用现有钢质油环制作方法制作得到的钢质油环存在环体强度差、降低发动机使用寿命、耐磨性差等缺点，本发明提出了一种薄型化圆油孔结构工型钢质油环的制作方法及薄型化圆油孔结构工型钢质油环。
14.技术方案：一种薄型化圆油孔结构钢质油环的制作方法，包括以下步骤：
15.s1：对圆钢丝进行酸洗处理，在圆钢丝表面形成一层磷酸锌；
16.s2：对s1处理得到的圆钢丝依次进行拉伸、退火、粗轧制、退火，得到工型线材；所述工型线材包括线材主体和位于线材主体上下两端的刮油刃；
17.s3：采用滚轮对s2处理得到的工型线材进行精轧制，将位于线材主体上下两端的刮油刃的宽度控制在0.03～0.14mm；
18.s4：采用冲压的加工方式，对s3处理得到的工型线材进行冲孔，在工型线材上得到若干圆油孔，得到成型线材；每个圆油孔的直径d范围为
19.s5：对成型线材依次进行淬、回火处理，得到最终用于制作油环的线材；
20.s6：将s5得到的线材加工成螺旋状圆形环体；
21.s7：对s6得到的螺旋状圆形环体依次进行清洗、剖口、热定型、上下端面磨削、清洗、烘干处理；
22.s8：对烘干后的螺旋状圆形环体进行内外圆喷砂处理，在螺旋状圆形环体表面形成凹坑，以及使刮油刃侧面的r角变大，使r角尺寸范围为0.05
±
0.03；
23.s9：对经s8处理得到的环体的外圆进行镀膜，得到耐磨涂层；
24.s10：对经s9处理得到的环体依次进行珩磨、精修开口和精磨上下端面，得到最终的圆油孔结构钢质油环。
25.进一步的，相邻两圆油孔间的间距为2-10mm。
26.进一步的，在s9中，对经s8处理得到的环体的外圆进行镀膜，得到耐磨涂层，所述耐磨涂层包括pvd涂层。
27.进一步的，所述pvd涂层的厚度为0.015mm～0.035mm。
28.进一步的，在s9中，对经s8处理得到的环体的外圆进行镀膜，得到耐磨涂层，所述耐磨涂层包括dlc涂层。
29.进一步的，所述dlc涂层厚度为0.003mm～0.025mm。
30.进一步的，s4中，所述的采用冲压的加工方式，包括正向冲压和反向冲压交替进行。
31.本发明还公开了一种薄型化圆油孔结构钢质油环，包括具有一缺口的油环本体、多个设置在油环本体环壁上的油孔和设置在油环主体上下端的刮油刃，所述油孔为圆孔结构。
32.进一步的，所述刮油刃的宽度为0.10mm。
33.有益效果：本发明改进油环制作方法，采用该方法制作得到的油环，与现有技术相比，具有以下优点：
34.(1)通过圆孔结构的油环，不削弱环体强度的同时增加油孔数量，工作时环体周向应力分别均匀，提高了油环对发动机缸孔的贴合性，控制机油消耗效果更好；
35.(2)线材在卷曲绕圆时周向变形均匀，解决了“多变形”现象，后序外圆面加工大大
减少外圆加工余量，且周向切削量均匀，珩磨后接触带宽窄一致，镀/渗层厚度均匀，提高了产品一致性，使镀层/渗层的利用率得到提高；
36.(3)活塞环端面磨削加工时油孔处几乎不产生变形，端面周向平度好，使用时活塞环端面与活塞槽侧面的密封效果好，可以降低发动机的机油消耗。
附图说明
37.图1为现有的i型油环结构示意图；
38.图2为现有的长腰形油孔结构示意图；
39.图3为本发明的工型油环结构示意图；
40.图4为本发明的油孔结构示意图；
41.图5为本发明的刮油刃加工机构结构示意图；
42.图6为本发明的刮油刃的尺寸示意图；
43.图7为本发明的油孔加工方式示意图；
44.图8为现有的刮油刃结构示意图；
45.图9为刮油刃的各尺寸示意图；
46.图10为绕圆装置结构示意图；
47.图11为本发明的流程示意图。
具体实施方式
48.现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
49.目前传统的线材油孔设计都是采用长腰形孔，具体可参见图1和图2，其形状及尺寸范围为：宽度w最小至0.5，长度l最小至1.5，间隔p最小至5.0。
50.如图3和图4所示，本发明的油环包括具有缺口的油环主体、多个设置在油环主体上的油孔和设置在油环主体上下两端的刮油刃。
51.现结合图11对本发明的薄型化圆油孔结构钢质油环的制作方法做进一步说明，包括以下步骤：
52.步骤1：酸洗：将直径为基体化学成分中含8％～20％铬元素(cr)的马氏体不锈钢或碳素钢中的任一种圆钢丝进行酸洗处理，在材料表面形成一层磷酸锌，提高防锈效果以及后道拉丝、压延工序的加工性；本步骤中的酸洗处理为线材加工行业常用处理，可采用磷酸溶液进行酸洗。
53.步骤2：拉丝：利用拉丝延伸机对材料进行拉伸延伸，拉丝过程中采用由氢氧化钙、硬脂酸、工业皂、滑石粉、工业碱组成的润滑粉，对拉丝后的圆钢丝进行退火处理，根据需要重复本步骤数次，直到钢丝的直径达到工艺规定的尺寸要求；本步骤中的润滑粉为拉丝工艺中惯用的粉剂，本步骤中的退火处理是拉丝工艺常用的步骤，目的是降低拉丝时产生的材料硬化，使为下一道拉丝做好准备。
54.步骤3：轧制：利用线材辊轧机把得到的圆钢丝粗轧制成所需的工字形，根据不同尺寸的要求需要经过多道轧辊的轧制，粗轧制的线速度为1～3米/分钟；此处得到的工字形结构包括油环主体和设置在油环主体上下两端的刮油刃。
55.步骤4：退火：对完成粗轧制的工字形线材进行退火处理，退火温度820℃，保温
60min。
56.步骤5：精轧：通过连续式轧机对退火处理后的工字形线材进行高精度轧制，轧制的线速度0.5～2.0米/分钟，精轧制至成品尺寸；本步骤的高精度轧制的主要目的是对刮油刃进行加工，来获得稳定的刮油刃宽度。
57.为了延长活塞环的使用寿命，在活塞环外圆面会设有耐磨层，一般常用的耐磨层有镀铬、氮化、进一步为pvd、dlc等涂层，由于涂层硬度高的特性，将刮油刃的宽度加工至过小(0.1mm)，特别是边缘r角的加工，均存在加工难度大的问题，而传统的工艺是采用车削或磨削对刮油刃进行加工，但该类加工工艺无法得到稳定的刮油刃宽度t及r角，加工尺寸无法保证，进而导致耐磨层在活塞环外圆上的结合力受到影响，可能会带来活塞环使用过程中耐磨层脱落，带来严重的发动机故障。
58.在步骤5中，本发明采用特殊的加工方法来获得稳定的刮油刃宽度t及r角，如图5所示，采用与线材尺寸规格相对应的滚轮对线材进行轧制，获得图6示出的形状，其中刮油刃的宽度控制要求为0.03～0.14mm，优选0.08～0.12，一般可设计为0.10mm。
59.步骤6：冲孔：对精轧后的线材进行冲孔加工，得到圆油孔，圆油孔的直径d最小至具体范围为优选圆孔间隔p最小至2.0mm，具体范围为2-10mm，优选3-7mm，可确保每片油环上可以有40-160个油孔。
60.每次完成3个孔型的加工，冲压方向为从u形槽一侧冲向半圆形槽一侧(见图9虚线箭头方向所示)，冲压频率200-400次/分钟，冲压时为了减少毛刺、延长模具寿命，冲孔上下模加入润滑油。
61.本发明将油孔加工为圆孔，可以大大减少油孔处环体强度的削弱，同时可以将单位长度内油孔数量大大增加，在后续绕圆工序中，由于采用了圆油孔，使得环体周向变形差异变小，避免了长腰形孔设计产生的多边形问题。由于解决了长腰形孔设计产生的多边形问题，在后面工序加工中珩磨余量更小，这一点对镀层薄的pvd\dlc环设计尤为重要，珩磨后珩磨带宽度散差小。采用圆油孔的油环在工作时，环体周向应力均匀，提高了油环环体对发动机缸孔的贴合性。
62.本发明采用冲压的加工方式在油环主体上形成上述结构和尺寸的油孔，摒弃了传统采用机械切屑加工钻孔的方式，传统切屑加工钻孔的方式加工油孔时，油孔的大小及数量会受到限制，故油环的性能发挥也受到限制，简言之，采用传统切屑加工钻孔的方式进行油孔加工，无法确保在每片油环上最多可形成160个油孔，一般来讲，现有油环上的油孔数量在48个左右，最多形成80个油孔。而本发明的油孔采用冲压的加工方式，其油孔直径可以加工的更小，每片油环上的油孔数量更多。
63.具体的油孔加工方式如图7所示，通过冲孔下模1和冲孔上模2对钢线3进行固定，采用冲压机构4对钢线3进行油孔加工，在冲孔工序中通过改变冲孔上下模的形状及尺寸，来达到本发明的设计要求的油孔形状及尺寸。
64.步骤7：热处理：利用淬、回火炉对成型线材进行淬、回火处理，淬火温度900～1100℃，回火温度450～650℃，线材在热处理炉中通过的速度约1.0～3.0米/分钟，根据需要可以采用油回火的方式。
65.步骤8：根据需求，将完成加工的线材涂覆防锈油，按一定重量要求整齐排线在包装纸卷上，外部包裹防锈包装纸。
66.步骤9：绕圆：将通过上述步骤得到的成型线材通过3对送料轮，在0.2～0.5mpa的压紧力下送料至绕圆轮处，送料线速度0.1～0.4米/秒，通过图10所示的绕圆装置将线材加工成螺旋状圆形环体；该绕圆装置主要包括：导线轮91、中心轮92、弯曲轮93、拉钩94和送料轮95；导线轮91设置在中心轮92上方，且中心轮92的入料端位于送料轮95的出料端，弯曲轮93设置在中心轮92的一侧，拉钩94设置在中心轮92下半圆的左侧。
67.步骤10：清洗：在碳氢清洗液作用下去除材料表面防锈油；
68.步骤11：剖口：将整筒螺旋状圆形环体装入夹具，用1.0-1.5mm的砂轮进行剖口，砂轮转速2800rpm，进给速度0.05-0.20米/秒；
69.步骤12：热定型：将剖口后环装入一定直径的筒中，加热至400～500℃，保温1小时，使环体获得需要的自由开口，同时消除环体翘曲；
70.步骤13：磨上下端面：采用上下端面同时磨削的方式对上下端面进行磨削加工，得到规定的高度尺寸；
71.步骤14：清洗、烘干，为了提高外圆涂层的结合力，需对烘干后的环体进行内外圆喷砂处理，使材料表面形成凹坑，同时使刮油刃侧面的r角变大，达到r0.05的工艺要求(如图8所示)，这个是保证0.10mm刮油刃下耐磨层不发生脱落的关键，喷砂的材料为200目三氧化二铝砂粒，压缩空气压力为0.15～0.25mpa，喷射夹角为30～45
°
，喷砂循环为2个往复。
72.步骤15：镀膜加工：根据需要再外圆镀上一层pvd或dlc涂层，优选dlc处理，一般pvd层厚度0.015～0.035，优选0.02；dlc涂层厚度0.003～0.025，优选0.02；本发明外圆面采用dlc涂层技术，大大提高了活塞环耐磨性，降低了因活塞环磨损带来的发动机的机油消耗的增加，以及该涂层摩擦系数极低，减少了活塞环与发动机缸孔的摩擦损失，降低了发动机的燃油消耗，同时具有良好的抗拉缸性能，可以轻松应对润滑条件恶劣条件，在生物燃料、气体燃料(cng/lpg/lng等)以及使用低粘度机油的发动机上。
73.步骤16：珩磨：内圆安装弹簧，安装弹簧的目的是，通过弹簧的圆周方向的压缩，使环体与研磨缸套的接触压力更大，缩短珩磨时间，安装弹簧后再装入与一定直径的缸套中，加入磨料，上下往复进行外圆研磨，一般上下往复频率120次/分钟，珩磨时间约60秒，珩磨结束后取出弹簧，用于下一批环体的珩磨；
74.步骤17：精修开口：将环体送入一定直径的模套中，通过砂轮对开口量侧面进行磨削加工，保证油环环体在规定直径的环规中具有一定的间隙尺寸；
75.步骤18：精磨端面：采用上下端面同时磨削的方式对上下端面进行磨削加工，得到成品最终高度尺寸；
76.步骤19：氧化或磷化处理：根据需要对环体进行氧化或磷化处理，达到提高防锈能力的目的；
77.步骤20：检验、包装：对产品的外观、高度尺寸、闭口间隙等尺寸进行检测，合格的产品包装入库。
78.现通过对比例来说明本发明方法与现有方法的优势。
79.通过采用上述油环制造，小圆油孔对环体的强度基本没有削弱，且油孔数量大大增加，因此在绕圆工序中，环体周向变形差异小，解决了传统长腰形孔设计产生的多边形问题，具体对比如表1。
80.表1为本发明油环与现有油环的各项参数对比。
[0081][0082][0083]
由表1可知，本发明油环在后面工序加工中珩磨余量更小，这一点对镀层薄的pvd\dlc环设计尤为重要，大大减少了加工过程带来的涂层厚度损失，提高了涂层利用率，且珩磨加工后后珩磨带宽度散差很小。
[0084]
如图8和图9所示，现有技术的工型油环的切向弹力设计值大，传统的刮油刃尺寸为：宽度t：0.15～0.40mm，侧面r角：0.10～0.20，侧面角度α：10
°
～25
°
，侧面角度β：5
°
～25
°
。以缸径120mm发动机为例，当刮油刃宽度为0.25mm时，油环的切向弹力约为48n，过大的活塞环张力会增加发动机摩擦损失，燃油消耗增加，同时增加活塞环及发动机缸孔的磨损，降低了发动机的使用寿命。
[0085]
如图6所示，本发明的刮油刃宽度t设计在0.03～0.14mm，优选0.08～0.12，一般可设计为0.10mm；刮油刃侧面r角为0.05
±
0.03，刮油刃外侧面角度α：10
°
～30
°
，优选15
°
～25
°
，刮油刃内侧角度β：5
°
～25
°
，优选10
°
～20
°
；以缸径120mm发动机为例，当刮油刃宽度为0.10mm时，油环的切向弹力计算值为19.2n，比传统设计降低了60％，大大降低了活塞环的张力，且保证油环外圆与缸壁必要的接触面压，降低了发动机摩擦损失，减少了发动机燃油消耗，同时降低了活塞环及发动机缸孔的磨损，提高了发动机的使用寿命。
[0086]
表2为本发明刮油刃与现有刮油刃的各项参数对比
[0087][0088]
经镀铬或氮化处理后，硬度一般在700-1200hv，摩擦系数0.2-0.5；本发明采用的pvd涂层硬度1200-200hv，摩擦系数0.15-0.20；dlc硬度1500-3500hv，摩擦系数0.05-0.12。
本发明通过采用具有更高的硬度、更低的摩擦性的涂层，在同等发动机试验条件下，耐久后磨损量更小，具体参见下表。
[0089]
表3为本发明涂层与现有表面处理的各项参数对比
[0090]