模擬缸蓋工藝在現代發動機制造業中的應用

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司）

為推進《中國制造2025》中提出的國家十大重點發展領域之一的“節能與新能源汽車”目標的實現，汽車企業對產品和工藝不斷地進行優化。而在發動機裝配中，缸體因受到來自缸蓋的壓力可能出現缸孔變形較大，由此引起缸孔宏觀尺寸和形位公差的超差，直接影響缸孔-活塞環摩擦運動副的配合，從而降低了發動機的品質和性能。文章提出一種操作性較強的新工藝，通過裝配一個硬化的工藝缸蓋，又稱“模擬缸蓋”，再進行缸孔的后續加工，通過補償變形，從而有效地改進了產品的制造質量。

1 模擬缸蓋工藝介紹

由內部摩擦造成的機械損失要占發動機功率損失的80%左右，而在摩擦損失中，運動副摩擦又是最主要的來源。進一步的研究還發現，在多組運動副中，“缸孔-活塞環”是其中影響最大的一組，約占汽油發動機摩擦損失的30%～40%[1]，因此，盡量降低其在工作中的摩擦損失，是提高發動機燃油效率，實現節能減排目標的有效途徑。

在發動機裝配線中，由于受到來自缸蓋螺栓較大的軸向力影響，實際裝配缸蓋后，缸體中的缸孔將會產生較大的變形，此外各曲軸孔同軸度也會有所變化，這樣就破壞了原缸孔與活塞間的配合，引起缸孔與活塞間的摩擦力增大，導致較高的漏氣量和機油損耗，這將直接影響發動機的性能和壽命。此外，為了適應較高性能和更好的減排效果的設計要求，發動機缸蓋螺栓的軸向力出現了越來越大的趨勢。為此，在缸體精加工前，文章先裝配一個硬化的工藝缸蓋（又稱“模擬缸蓋”）后，如圖1所示，再進行缸孔的精加工、超精加工，目的是有效減小整機裝配后的缸孔變形量。這種裝配了模擬缸蓋后再進行加工，以有效地改進產品制造質量的技術[2]稱為工藝缸蓋技術或模擬缸蓋工藝。

圖1 安裝模擬缸蓋的發動機缸體總成

圖2示出模擬缸蓋的工藝原理。在安裝了模擬缸蓋的情況下，按產品性能所需的參數要求加工缸孔，在拆除模擬缸蓋后，缸孔會出現變形，但在總裝線裝配真實缸蓋后，缸孔又恢復到模擬缸蓋擰緊時的應力狀態，從而保證了裝配后的各項精度。以曲軸孔圓心的偏移為例（缸孔變形的修正原理相同），如圖2所示。在圖2a中，A點表示在沒有安裝真實缸蓋時的缸體曲軸孔圓心位置；圖2b反映了在安裝缸蓋后，曲軸圓心位置從A點轉移到B點；圖2c表示，為了確保此時曲軸圓心位置仍然在未安裝缸蓋時的A點處，加裝一個模擬缸蓋，然后如圖2d所示，對加裝了模擬缸蓋引起的圓心向相反位置的變化進行補償，補償到C點，也就是原來的A點即可，因為AB=AC，大小相等，方向相反。

圖2 模擬缸蓋工藝原理

通過對裝配了真實缸蓋和模擬缸蓋后缸孔變形量的分析發現：裝配模擬缸蓋與裝配真實缸蓋后的缸孔變形趨勢相似度很高，所引起的變形量差異較小。因此，可以采用模擬缸蓋代替真實缸蓋進行缸孔的精加工、超精加工。

2 模擬缸蓋工藝實施前提及螺栓驗證

以輕量化發動機的鋁缸體為例，在推行模擬缸蓋工藝的生產線上，需增加缸體預清洗、模擬缸蓋裝配、模擬缸蓋拆卸、模擬缸蓋清洗及缸蓋螺栓清潔5個工位。

2.1 實施前提

缸體受到缸蓋所施加的壓力后，將會引起缸孔的較大形變及各曲軸孔同軸度的變化，而缸體所受到的載荷本質上就是缸蓋螺栓在擰緊后的軸向力。所以，新技術實際上就是先通過模擬缸蓋裝置來模擬發動機真實的裝機狀態，再進行缸孔的珩磨。而為了實現裝機后缸孔及其他關鍵部位變形量減少的目的，所選用的工藝缸蓋螺栓必須滿足2個條件。

1）在工藝缸蓋螺栓擰緊后所產生的軸向力應與實際裝機產品的缸蓋螺栓的軸向力相同，只有如此，才能減小實際裝配后缸體有關部位，尤其是缸孔的變形。

2）工藝缸蓋螺栓需能多次重復使用，為此，工藝缸蓋螺栓首先需確保在彈性區域內工作，以避免在多次使用后出現塑性變形的現象。其次，在制定螺栓擰緊工藝時，必須采用轉角法進行分步擰緊，這樣才能使軸向力較可靠地保持一致[3]。

2.2 螺栓驗證

相對而言，輕量化的小排量鋁缸體發動機工藝缸蓋螺栓的驗證，因能直接在生產中進行，故會簡單些。

在模擬缸蓋裝配工位，缸體通過輥道進入舉升工位實現缸體定位，機械手抓取模擬缸蓋檢查定位銷是否損壞，若無損壞則安裝落位在缸體上平面；螺栓自動上料機構將10根螺栓準確插入模擬缸蓋螺栓孔內；之后缸體回到輥道上并輸送到裝配擰緊工位。模擬缸蓋裝配工位的功能是通過工藝缸蓋螺栓，把模擬缸蓋與缸體結合在一起。從技術角度，需要保證螺栓的轉矩和角度都處于規定的技術范圍內，對工藝缸蓋螺栓的驗證也就是在這道工序中完成的。擰緊槍是按照設定的擰緊程序和相關參數，完成螺栓自動擰緊，若合格則放行，不合格則自動擰松全部螺栓后，由不合格輥道退出后并報警。再由操作工檢查異常螺栓和螺紋孔，判斷是否可以更換螺栓后返工或直接報廢。在擰緊工位，每個缸體10根螺栓的最終轉矩將被儲存，并記錄是否進行了二次擰緊。一些必要信息，如是否擰緊合格還需寫入缸體的數據芯片。利用這些信息，當缸蓋螺栓安裝異常時，就可追溯（了解）模擬缸蓋是否處于正常狀態。此外，為保證產品的穩定性，還需嚴格控制螺栓擰緊次數。

在工藝缸蓋螺栓選用上存在2種情況：1）選擇真實產品的缸蓋螺栓作為工藝缸蓋螺栓來使用，這種情況主要出現在輕量化中小排量鋁合金汽油發動機上；2）相比用于真實產品的缸蓋螺栓，工藝螺栓應選用性能等級更高的螺栓以勝任這項任務，此類情況多用于鑄鐵缸體的中等排量發動機，如在柴油機上就用得較為普遍。說到底，都要以能滿足模擬缸蓋工藝的需要為前提。

3 注意事項

3.1 缸體

關于何時進行缸體與模擬缸蓋的安裝操作，主要還是取決于不同發動機鋁缸體的變形量以及設備的性能。一般來說，只有專機或造價較高的加工中心才能對帶有模擬缸蓋的缸體進行加工。另外，鑒于鋁合金缸體安裝缸蓋后，會對曲軸孔的同軸度帶來較大影響，因此多數情況下，會采用先安裝模擬缸蓋再進行缸孔、曲軸孔精加工的方法。

3.2 模擬缸蓋

為保證有相似的變形量，在選擇模擬缸蓋的材料時，應盡可能與實際缸蓋相同，其兩端還需設計有定位孔，以便于機械手抓取。模擬缸蓋一般與模擬墊片配合使用，而后者使用壽命有限，故需對使用次數進行統計。解決方案是在其一側安裝數據芯片，在每次安裝時，設備記錄下缸蓋編號以及其墊片的使用次數，并與設定的耐用度進行對比，以及時提醒操作工檢查和更換墊片。為便于實現快速準確安裝，缸體上平面設計有定位孔，與模擬缸蓋設計的定位銷相對應，定位銷可用以固定模擬缸蓋墊片。安裝前需檢測定位銷是否異常，避免造成缸體上平面的壓傷。帶著模擬缸蓋的缸體，在對其缸孔和曲軸孔加工后，才可拆卸掉模擬缸蓋。而它一經拆卸，即進入清洗工序，經過沖洗吹干后，再循環流至模擬缸蓋安裝工位。

3.3 缸蓋螺栓

對輕量化的鋁缸體發動機而言，把模擬缸蓋或真實缸蓋與缸體連接在一起的是同一種螺栓，且它們的長度也相同，故2種缸蓋的厚度也保持一致。而在安裝模擬缸蓋時，還必須監控螺栓的轉矩，以避免使螺栓進入拉伸屈服區間。而在模擬缸蓋拆卸后，缸蓋螺栓上還殘留少量乳化液及一些從螺紋孔帶出的鋁屑，因此需對缸蓋螺栓進行清潔，確保螺紋無鋁屑雜質、不帶毛刺，即符合裝配缸蓋時對螺栓的要求。經清洗后的螺栓被擺放在料盒中，并運送至缸蓋裝配工位。安裝標準缸蓋時，回用螺栓也同樣應按企業確定的規范進行擰緊操作。缸蓋螺栓在擰緊時如出現轉矩異常[4]，需及時查看對應螺栓及螺紋孔有無異常，并將擰緊異常的螺栓報廢。相比之下，采用鑄鐵缸體的內燃機需要面對和解決的問題會更多一些。

4 模擬缸蓋工藝的有效性驗證

4.1 輕量化小排量發動機

為了驗證模擬缸蓋工藝的效果，對高性能的輕量化發動機鋁合金缸體的缸孔進行了相應測試，測試結果，如圖3所示。

圖3 小排量發動機鋁合金缸體缸孔變形量測試結果

執行常規工藝時，在安裝標準缸蓋之前，需要先完成對鋁缸體4個缸孔的珩磨，再在缸體上安裝標準缸蓋，并對4個缸孔的多個截面進行變形量檢測。從圖3a可清楚地看出，實測結果都偏大，其中的缸孔2發生超差（＞5 μm）。

執行模擬缸蓋工藝時，按照缸蓋螺栓要求的擰緊轉矩，在缸體上裝配模擬缸蓋，并在對4個缸孔進行珩磨加工后，再拆除模擬缸蓋；將缸蓋安裝到缸體上，測量缸孔多個截面上的變形量。從圖3b可以看出，相比采取常規的加工工藝，缸孔變形量已大大改善。

試驗結果表明，缸體在還未裝配模擬缸蓋時，經過珩磨后其缸孔尺寸雖然基本上都處于合格范圍，但一旦安裝缸蓋后極易發生超差，從而難以滿足技術要求。而采用模擬缸蓋工藝，即先安裝模擬缸蓋再進行缸孔、曲軸孔的精加工（珩磨），將大大改善缸孔的制造精度。

只是需注意一點，為保護鋁合金缸體螺紋結構，并避免工藝缸蓋螺栓進入屈服區域，在擰緊螺栓時，形成轉矩的回轉角度需要減少90°。從圖3b可看到，雖然在安裝了標準缸蓋后仍有一些輕微形變，但完全能滿足小于5 μm的技術要求。

4.2 中等排量鑄鐵缸體內燃機

以某中等排量鑄鐵缸體柴油機為例，所采取的試驗方法與輕量化汽油發動機相似，只是在選擇的內容上有些不同[5]。表1和表2分別示出2種工藝的鑄鐵缸體柴油機缸孔變形量。

表1 鑄鐵缸體柴油機缸孔變形量（常規工藝） μm

表2 鑄鐵缸體柴油機缸孔變形量（模擬缸蓋工藝） μm

在表1和表2中，1～4缸數列并非是指缸孔的多個截面，傅里葉階次對應于工件的某種加工狀態，如“6階次”就意味著，此時的缸蓋已按照擰緊規范與缸體裝配完畢，測量結果的性質與圖3相同。而2～5階次則對應于某道工序完成后的狀態，故它們所允許的偏差（限值）是不同的。按照常規工藝生產的標準產品缸孔變形量，如表1所示；執行模擬缸蓋工藝，按照60 N·m+140°+90°的擰緊規范，通過工藝螺栓將其裝配在缸體上，重復上述測量步驟得到的缸孔變形量，如表2所示。

從表1和表2的對比結果可以看出，采用模擬缸蓋與缸體擰緊后再進行珩磨的新技術后，缸體在完成產品裝配后，缸孔變形量得到了明顯改善，同樣也能很好地滿足技術要求。

5 結語

模擬缸蓋工藝作為一種有效提高發動機制造質量及性能的新技術，可適用于不同類型的發動機，只是在執行時，實施的具體方案有所不同。文章主要以小排量輕量化鋁合金缸體汽油機為例，對原有制造工藝進行了適當調整，并在確保工藝缸蓋螺栓符合技術要求的前提下，對所實行模擬缸蓋工藝與常規制造工藝后缸孔變形量的測量結果進行了對比。因為模擬缸蓋技術解決了缸體、缸蓋在裝配時所出現的缸孔變形量偏大這一工藝難題，并能以較小的改造代價有效提高產品的制造精度和裝配質量，且具有很好的通用性和適應性，故該加工技術在動力總成領域具有良好的推廣價值。