1、1内燃机缸体激光精密毛化刻蚀（激光珩磨）技术中国科学院力学研究所 产学研激光毛化技术中心（北京 100080）杨明江一、项目简要介绍在我院具有自主知识产权的 YAG 激光毛化技术基础上，开发出内燃机缸体内壁激光精密刻蚀造形的新型激光珩磨技术，以减小内燃机运行时的摩擦力，达到显著节约燃油，提高使用寿命，减少废气污染物排放的目的，全面提高内燃机性能。最终实现该技术的规模生产应用。二、项目内容（一）立项依据九十年代后期，德国等国开始研发内燃机缸体内壁激光精密刻蚀新技术（也叫“激光珩磨”技术，Laser honing） 。这是继八十年代产生的内燃机缸体激光淬火（即缸体表面激光相变热处理）技术以后，开发
2、的提高发动机综合性能的新一代激光加工技术。众所周知，缸体内壁的激光淬火，就是利用大功率的连续激光对缸体表面材料作相变热处理以提高表面硬度，提高它的耐磨损能力，从而延长发动机使用寿命。内燃机缸体激光珩磨的基本过程是：采用高重复频率、高功率密度的脉冲激光束（每秒数千个光脉冲）对缸体内壁表面进行精细形貌刻蚀，以在缸体表面形成设定分布式的微米尺寸量级的沟槽和微坑结构。这些微沟槽和微坑能有效贮存润滑油，在缸体内壁和活塞环之间形成油膜使其保持良好的边界润滑状态，从而有效减小了这对摩擦付之间的摩擦力，达到减少发动机磨损，延长使用寿命。减小摩擦力还可以达到减小燃料和润滑油消耗，减少燃气污染物排放，降低工作温度
3、，增加发动机功率的综合效果。据德国 1999 年进行的架试验表明，激光珩磨缸体与常规机械搪缸相比，可减小摩擦力 50%以上，减小燃油消耗 40%，增大发动机功率，减少废气排放中的颗粒物 1030%，减少碳氢化合物排放 20%，其综合效益十分明显。因此，缸体激光珩磨技术已引起了汽车、摩托车、内燃机制造厂的极大关注。国内多家汽车厂和企业希望激光毛化中心尽快开发出这项新技术。最近几年，国外材料表面激光精密刻蚀造形以改进润滑、减小摩擦磨损技术的应用发2展很快，主要有：计算机硬盘表面毛化刻蚀，减小磨损；机械泵密封，减少泄漏，增强泵浦能力，提高寿命；燃气轮机延长使用寿命；其它重载部件减少摩擦磨损等等。由于
4、摩擦磨损是引起机械部件失效和增大能源损耗的主要原因，因此材料表面激光精密刻蚀造形减阻技术将在各行业有广阔的应用前景。（二）对国民经济建设的意义2005 年我国汽车产量将达到 500 万辆，汽车工业已成为带动我国经济发展的支柱产业。汽车和 IT 工业也定为北京未来发展的两大支柱产业。激光珩磨技术的开发，对提高我国汽车性能，对减少我国石油进口压力，减少汽车废气污染排放，改善环境状况均有重大社会效益。（三）研究内容及目标材料表面激光精密刻蚀造形减阻技术涉及多学科和多种技术的综合应用。具有高新技术的显著特点。研究内容：1、首先要应用流体力学和摩擦学的知识。研究不同润滑流体在摩擦付表面形成边界润滑的条件
5、。根据摩擦部件运行的实际情况，优化设计材料表面形貌的微细结构，使这些微细结构（尺寸为 10-100m 量级）既能在一定负载情况下形成稳定的润滑油膜，又有一定的磨屑（磨损产生的）容纳和排放能力，减少部件表面划伤。2、为了实现材料表面微细结构造形，研制高质量的脉冲激光器（基模、高重复频率、高能量密度）和特殊的内壁加工的光学传输系统，精密的自动控制和机械系统，形貌刻蚀计算机软件。并根据部件不同部位摩擦磨损状况设计不同形貌的刻蚀参数（沟、坑深度、宽度、密度及角度） 。3、激光刻蚀缸体台架试验（与汽车厂合作进行） ，不断优化刻蚀参数，形成实用加工工艺目标：研制可供生产使用的样机。单头激光刻蚀样机可供众多
6、汽车维修站使用，多头激光并行刻蚀样机可供汽车厂生产线使用。3（四）可行性分析及工作基础1、可行性分析德国的台架试验已经证明了内燃机缸体激光珩磨的技术先进性和可行性。近年来，美、法、以色列等工业发达国家也在进行这项技术开发。我们在 YAG 激光毛化基础上开发激光珩磨，采用离散式分布微坑结构替代国外沟槽交错的表面结构，不仅刻蚀速度快，每个缸（套）可在几分钟内完成，生产效率高。而且离散微坑结构的激光毛化板面经摩擦测定摩擦系数降低了 50%，更易形成一种实用的工业生产工艺。2、工作基础激光毛化技术开发推广中心 1997 年由国家经贸委、中国科学院共同组建，依托单位是中国科学院力学研究所。中心主要从事高
7、重频脉冲激光对材料表面加工和改性方面高技术开发与研究。十年来，中心开发的 YAG 激光毛化、刻蚀技术 1997 年获国家专利局与世界知识产权组织联合颁发的“中国专利发明创造金奖”和多种中国科学院及国家级科技成果奖励。中心的激光毛化刻蚀技术已获国家专利 8 项，中心具有自主知识产权。十年来，中心开发的 YAG 激光毛化冷轧辊技术和装备已用于我国十几家钢铁、冶金企业生产，研制的印刷包装行业大型陶瓷网纹辊激光精密刻蚀装备已在广州投入生产运行。中心还开发了刻蚀了图形辊技术，重载石油钻头关键部件表面刻蚀减阻试验。2002 年以来，中心与江苏大学、山东大海集团合作，开展了内燃机缸套激光刻蚀减阻工艺实验，试
8、件已送汽车厂台架试验。中心为开发内燃机缸体（缸套）激光精密刻蚀技术已具备了雄厚的技术实力和经验，其主要有：高质量 YAG 激光器研制能力；特有的高重频激光脉冲波形调制技术（1-20kHz） ；特有的微坑分布二维设定可控毛化技术（定位精度优于 10m） ；长管内壁激光处理特殊光路设计研制；开发了激光高速精密刻蚀图形的计算机软件；研究了微坑改善材料表面润滑的机理和参数优化设计。因此中心在开发内燃机缸体（缸套）激光珩磨技术、加工工艺和装备方面独具优势。（五）完成项目采用方法采用产学研联合开发、装备制造、推广应用4三、项目组织方式项目发起人是中科院力学所激光毛化中心，吸收社会投资和中科院产业化资金，共
9、同形成具有法人资格、独立运营的高科技股份公司负责开发、制造、经营。股份公司中，激光毛化中心的相关技术人员、实验装备等作技术投入，负责项目技术、工艺、样机开发。股份公司中应注意吸收汽车生产厂或其相关单位、个人参股，以保证台架工艺实验顺利开展。四、市场情况全国现有几十家汽车生产厂，2005 年汽车产量将达到 500 万辆，生产的发动机数量将超过这一数字。全国各省市还有数千家汽车维修保养站，还有数十家柴油机厂，都可能是这项技术的用户，它的应用可包括：汽车、机车、舰船、军用车辆、各种泵体的改善润滑，减小摩擦。同时，这种方法在多种易磨损机械部件上都可获得应用，市场前景应是很广阔的。五、技术可行性（一）采
10、用的生产工艺采用高重频脉冲激光离散式分布毛化刻蚀，从缸体“死点”至下，采用变深度、变密度参数刻蚀以针对不同磨损部位改善润滑，减小摩擦。整个加工过程可在计算机软件控制下一次完成。我们的实验表明，这种方法与美、德刻润滑沟槽方法（变角度、变密度）相比，加工速度快数倍，刻蚀参数稳定，而且操作简单。生产效率高，便于实际生产应用。（二）人员、基础设施毛化中心光、机、电、自控、材料学科工程技术人员均配备。中心还有两台激光毛化（刻蚀）装备和各类高重频调制 YAG 激光器，230 平米实验大厅，具备该项目工艺试验和样机设计开发能力。将来装备产业化生产和经营可由股份制公司运作。（三）生产设施比较目前汽车生产厂，均
11、采用国外引进砂条珩磨搪缸，缸体内壁抛光方式，不可能有效降低活塞运动的摩擦力，特别在发动机拉缸以后，发动机油料燃烧不完全，爆发力下降，废气污染物增多。5激光珩磨搪缸可有效改善以上问题，而且据国外预测，激光珩磨装置的整机价位仅稍高于机械搪缸，应有推广前景。六、投资预算（一）投资预算、使用计划投资预算：1500 万元（货币投入）经费使用计划： 单元技术开发（含进口激光器、光纤系统）： 150 万元试验检测费（主要是台架试验）： 200 万元单头激光珩磨样机研制： 150 万元四头并行珩磨样机（生产线用）研制： 500 万元三年开发运行费： 210 万元市场经营费用： 150 万元不可预见费： 140
12、 万元两套样机销售后可收回部份投资。（二）资金结构社会投资+毛化中心技术股（力学所）+院产业化资金投资社会投资可争取山东大海集团（已投入工艺开发资金 15 万） ，广东私人投资（有兴趣） 、汽车行业（首选北京市） ，同时希望能有国外资金投入。力学所毛化中心投入相关开发的激光毛化技术，现有毛化激光装备，还可利用现有实验室条件进行开发。院产业化资金希望能投 500 万元左右，在公司中占有一定股份。资金是影响项目的主要因素，据悉，国内华中理工，山东民营企业也在开发这项技术，但技术基础我们有优势。（三）经营最终以激光珩磨装备与技术作销售产品。合作各方还可适当加大投入，经营项目还可扩大到毛化中心已有的冷轧辊激光毛化装备，印刷包装陶瓷网纹辊激光精密刻蚀装备，军工炮管镀铬层强化技术，热轧板带毛化强化装备，以形成一系列高重频脉冲激光机电一体化新产品，为国民经济多行业部门服务，增强公司竞争实力。
