淺談模擬缸蓋對缸體缸孔加工的影響

劉迎生 王曉偉 丁波 豆剛

摘要：發(fā)動機的缸體和缸蓋分別單獨加工完成，缸體在裝配完缸蓋后，受到缸蓋螺栓力矩作用缸孔發(fā)生變形，缸孔變形造成缸孔與活塞、活塞環(huán)的貼合度降低，影響發(fā)動機的機械效率和機油消耗率，進(jìn)而影響發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放特性，而模擬缸蓋工藝通過在發(fā)動機缸體上安裝模擬缸蓋來對缸體施加載荷，模擬缸孔在裝配完產(chǎn)品缸蓋后缸孔受到的力，再對缸孔進(jìn)行精加工，從而減小缸體裝配缸蓋后缸孔發(fā)生的變形，目前模擬缸蓋工藝已在本公司柴油機一廠2.0L四缸柴油發(fā)動機缸體加工線上實行，本文將闡述模擬缸蓋工藝的實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：模擬缸蓋工藝；缸孔；機械加工

1 引言

發(fā)動機各個零件的制造質(zhì)量直接影響到發(fā)動機的性能水平和可靠性，因此加工質(zhì)量要求很高，對各零件的加工工藝與設(shè)備要求也很高，同時生產(chǎn)方式的確定也直接影響到零件加工工藝的設(shè)計，汽車生產(chǎn)往往是大批量生產(chǎn)方式，因此工藝設(shè)計時大部分都是流水線方式。發(fā)動機零件較多，從質(zhì)量控制、制造成本和專業(yè)化上考慮，發(fā)動機主機廠一般主要加工缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿等幾個關(guān)鍵零件，而在缸體的加工及裝配過程中，對于缸孔變形量的控制是保證發(fā)動機性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，本文將淺析模擬缸蓋工藝在2.0L 四缸國Ⅴ柴油發(fā)動機缸體加工線上的應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)缸體加工中存在的問題

發(fā)動機的缸體和缸蓋分別單獨加工完成，缸體、缸蓋主要通過缸蓋螺栓連接，在裝配完缸蓋后，缸體受到缸蓋螺栓力矩作用會造成缸孔發(fā)生變形，主要是圓柱度變差，缸孔變形造成缸孔與活塞、活塞環(huán)的貼合度降低，影響發(fā)動機的機械效率和機油消耗率，進(jìn)而影響發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放特性。

3模擬缸蓋工藝在缸體加工中的實現(xiàn)

3.1使用模擬缸蓋加工的優(yōu)勢

模擬缸蓋工藝是通過在發(fā)動機缸體上安裝模擬缸蓋來對缸體施加載荷，以模擬缸孔在裝配完產(chǎn)品缸蓋后缸孔受到的缸蓋螺栓加載的力，安裝完模擬缸蓋后再對缸孔進(jìn)行粗鏜、精鏜、珩磨以及測量打碼。

使用模擬缸蓋工藝加工后的缸體在裝配完產(chǎn)品缸蓋后，由于具有與安裝模擬缸蓋時相似的受力狀態(tài)，缸體缸孔產(chǎn)生的變形與安裝模擬缸蓋時相似，與傳統(tǒng)加工工藝相比，減小缸體裝配缸蓋后缸孔發(fā)生的變形量，進(jìn)而影響發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放特性等。

3.2 模擬缸蓋工藝新增零部件簡介

3.2.1 模擬缸蓋

模擬缸蓋主要用于模擬缸孔在裝配完產(chǎn)品缸蓋后缸孔受到的缸蓋螺栓加載的力，因為安裝完模擬缸蓋后再對缸孔進(jìn)行粗鏜、精鏜、珩磨以及測量打碼，同時因缸體結(jié)構(gòu)（如圖1所示），在粗鏜、精鏜、珩磨以及測量過程中，刀具及測量頭均需要從缸體頂面進(jìn)入加工、測量（如圖2所示），而產(chǎn)品缸蓋頂面并無空間供刀具、測量頭穿過以便進(jìn)入缸孔（如圖3所示），所以模擬缸蓋無法直接借用產(chǎn)品缸蓋，從而對模擬缸蓋進(jìn)行了設(shè)計，與產(chǎn)品缸蓋區(qū)別顯著，形狀、尺寸、材質(zhì)等均不同。

1）、形狀：模擬缸蓋主要為減少裝配缸蓋后缸孔發(fā)生的變形，而缸蓋是通過缸蓋螺栓與缸體連接的，在模擬缸蓋設(shè)計時，考慮到制作的便捷性，簡化了模擬缸蓋的結(jié)構(gòu)，同時便于刀具及測量頭對缸孔的加工、測量，在模擬缸蓋上設(shè)計了比缸孔直徑大的孔，位置與缸體缸孔相對應(yīng)，同時為保證模擬缸蓋可以在軌道上自動輸送及便于機械手自動抓取，增加了導(dǎo)向槽，為自動監(jiān)控模擬缸蓋螺栓壽命設(shè)計了RFID電子標(biāo)簽固定孔，與產(chǎn)品缸蓋形狀差距明顯，如圖4所示；

2）、尺寸：總體尺寸與缸體缸墊結(jié)合面長度、寬度與產(chǎn)品缸蓋相同，高度相差較大，本次應(yīng)用在柴油機的模擬缸蓋高度比產(chǎn)品缸蓋低120mm；

3）、材質(zhì)：考慮到模擬缸蓋重復(fù)使用，為增加壽命，減少使用中的變形，模擬缸蓋材質(zhì)選擇為20A（含碳量0.2%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼），而產(chǎn)品缸蓋材質(zhì)為AC4B鋁合金。

3.2.2 模擬缸墊

模擬缸墊（如圖5所示）用于裝配模擬缸蓋時使用，功能與產(chǎn)品缸墊不同，由此在產(chǎn)品缸墊基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，與產(chǎn)品缸墊相比主要有以下3點區(qū)別：

1）、模擬缸墊可以重復(fù)使用，需要對壽命進(jìn)行監(jiān)控，在模擬缸墊表面增加了二維碼；

2）、模擬缸墊上下面取消涂層，以便于模擬缸蓋自動裝配機機械手抓取缸墊；

3）、模擬缸墊螺栓孔增大1.5mm，以便于模擬缸蓋自動裝配機裝配模擬螺栓。

3.2.3 模擬缸蓋螺栓

模擬缸蓋螺栓（如圖6所示）用于安裝模擬缸蓋時使用，與產(chǎn)品缸蓋螺栓不同，主要有以下2點區(qū)別：

1）、因模擬缸蓋高度尺寸小于產(chǎn)品缸蓋，模擬缸蓋螺栓旋入缸體長度與產(chǎn)品螺栓相同，模擬螺栓長度小于產(chǎn)品螺栓長度，本次應(yīng)用在柴油機上的模擬缸蓋螺栓長度為117mm，產(chǎn)品螺栓長度為182mm；

2）、為減少成本模擬缸蓋螺栓進(jìn)行重復(fù)使用，其機械性能比產(chǎn)品螺栓增大1級，產(chǎn)品螺栓機械性能等級為11.9級，抗拉強度：1100MPa～1220MPa，熱處理硬度：32HRC～35HRC，模擬缸蓋螺栓機械性能等級為12.9級，抗拉強度≥1200MPa，熱處理硬度≥39HRC，其余與產(chǎn)品螺栓相同。

3.3模擬缸蓋工藝路線

傳統(tǒng)的發(fā)動機缸體缸孔加工主要采用粗精鏜、珩磨方式加工，缸體在粗精鏜后直徑加工余量一般為0.05mm，然后再進(jìn)行珩磨加工網(wǎng)紋，而在使用模擬缸蓋工藝后，缸孔加工也是采用相同的方式加工，只是在粗精鏜及珩磨前在缸體上裝配了模擬缸蓋，如下所示。

傳統(tǒng)工藝流程：粗鏜、精鏜缸孔→粗、精珩缸孔→測量打碼。

使用模擬缸蓋后工藝流程：缸體清洗→裝配模擬缸蓋→粗鏜、精鏜缸孔→粗、精珩缸孔→測量打碼→拆卸模擬缸蓋。

因裝配模擬缸蓋時，缸體頂面已經(jīng)精加工，為避免裝配模擬缸蓋時頂面及缸蓋螺栓孔內(nèi)殘留的切屑劃傷頂面及損傷螺紋，同時為提升效率及降低操作工作業(yè)強度，實現(xiàn)模擬缸蓋裝配、拆卸自動化，在增加模擬缸蓋工藝后，需要增加1臺缸體簡易清洗機、1臺模擬缸蓋清洗機、1臺模擬缸蓋裝配擰緊機、1臺模擬缸蓋擰松拆卸機及相應(yīng)的輥道和回轉(zhuǎn)臺。平面布局如圖7所示：其中內(nèi)圍深色線路表示模擬缸蓋流轉(zhuǎn)路徑，外圍淺色路線表示缸體流轉(zhuǎn)路徑，工藝中涉及到的零部件主要有缸體、模擬缸蓋及缸墊三部分。

3.3.1 缸體簡易清洗工序

其主要清洗內(nèi)容為缸體頂面及缸體頂面的銷孔及螺栓孔，避免殘留切屑在裝配模擬缸蓋時對面及孔的損傷，清洗內(nèi)容較少，因此采用清洗和吹干布置在同一個工位的設(shè)計。考慮整體線路布局，設(shè)計為通過式清洗機。

清洗過程為：缸體上料→進(jìn)入清洗工位→經(jīng)過掃描清洗及定點清洗→翻轉(zhuǎn)倒水→對缸體進(jìn)行掃描及定點吹干→下料。其中重點保證缸體頂面及頂面銷孔和螺栓孔的清潔度，如圖8所示深色區(qū)域。清洗完成后，缸體沿輸送輥道進(jìn)入模擬缸蓋自動安擰緊工序。

3.3.2 模擬缸墊自動安裝

缸墊料架上帶有定位機構(gòu)，人工將清洗后的缸墊放置到缸墊料架上，方便缸墊機械手抓取缸墊，模擬缸蓋裝配擰緊機機械手自動抓取缸墊并放置到缸體上，因為缸墊較薄，因此采用吸盤式機械手來抓取缸墊，放置時主要通過缸墊上與缸體頂面的兩個銷孔定位，裝配過程如圖9所示，完成模擬缸墊裝配后，缸體在原位等待，下步即進(jìn)行模擬缸蓋的裝配。

3.3.3 模擬缸蓋自動安裝

裝有螺栓的模擬缸蓋經(jīng)過模擬缸蓋清洗機清洗后，進(jìn)入模擬缸蓋裝配擰緊機的待料工位，然后模擬缸蓋裝配擰緊機機械手通過模擬缸蓋兩側(cè)面的凸起部分自動抓取，并放置到缸體上，確保螺栓進(jìn)入螺紋孔即可，后工序再進(jìn)行自動擰緊，裝配前狀態(tài)及最終狀態(tài)如圖10所示。

3.3.4 模擬缸蓋自動擰緊

模擬缸蓋安裝完成后，工件放行至第二工位即擰緊工位。擰緊機為2軸，擰緊軸按照設(shè)定的擰緊工藝自動擰緊模擬缸蓋螺栓，需要保證螺栓的轉(zhuǎn)矩在規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)，本產(chǎn)品擰緊時要求擰緊力矩為110Nm。擰緊合格放行，擰緊不合格報警。擰緊后如圖11所示，在此狀態(tài)下進(jìn)行后續(xù)缸孔的粗精鏜、珩磨以及測量打碼。

3.3.5 缸孔粗精鏜、珩磨、測量打碼

缸體裝配好模擬缸蓋后即進(jìn)入缸孔的粗精鏜、珩磨、測量打碼，需要注意的是因為裝配了模擬缸蓋，工件高度增加，如圖12所示，在進(jìn)行缸體加工及測量時需要考慮機床進(jìn)出口高度、刀具行程、量具行程等因素是否滿足要求。

3.4 模擬缸蓋工藝擰緊力矩確認(rèn)及效果驗證

3.4.1 模擬缸蓋工藝驗證方案

因為模擬缸蓋與產(chǎn)品缸蓋存在差異，所以在模擬缸蓋裝配時螺栓的擰緊力矩不可直接按產(chǎn)品缸蓋螺栓的擰緊力矩實施，需要進(jìn)行驗證確認(rèn)最佳力矩，以最大限度的減少裝配產(chǎn)品缸蓋后缸孔的變形。為了確認(rèn)模擬缸蓋螺栓擰緊力矩及模擬缸蓋工藝的效果，制定了驗證方案進(jìn)行驗證，具體如下：

1）對不安裝模擬缸蓋的缸體進(jìn)行缸孔粗精鏜、珩磨，檢測缸孔的圓柱度，然后裝配產(chǎn)品缸蓋，檢測缸孔的圓柱度，樣本量6臺，采用雙樣本t檢驗分析；

結(jié)論：P值=0，裝真實缸蓋對缸孔圓柱度有顯著影響，缸孔圓柱度變大。

2）安裝模擬缸蓋與不安裝模擬缸蓋的缸體進(jìn)行缸孔粗精鏜、珩磨，各加工6臺，然后裝配產(chǎn)品缸蓋，檢測缸孔的圓柱度，采用雙樣本t檢驗分析；

結(jié)論：P值=0，安裝模擬缸蓋（擰緊力矩暫定120Nm）與不安裝模擬缸蓋加工的缸體，裝配產(chǎn)品缸蓋檢測缸孔圓柱度有顯著差異，即安裝模擬缸蓋加工的缸體裝配產(chǎn)品缸蓋檢測缸孔圓柱度比不安裝模擬缸蓋加工的缸體裝配產(chǎn)品缸蓋檢測缸孔圓柱度小。

3）對使用不同擰緊力矩安裝了模擬缸蓋的缸體，進(jìn)行缸孔粗精鏜、珩磨，檢測缸孔的圓柱度，之后拆除模擬缸蓋，然后裝配產(chǎn)品缸蓋，檢測缸孔的圓柱度。樣本量6臺，擰緊力矩分別為100、110、120、130、140、150Nm，采用回歸分析；

結(jié)論：P值=0.016<0.05，模擬缸蓋不同擰緊力矩對缸孔圓柱度有顯著影響。從檢測數(shù)據(jù)可以看出模擬缸蓋擰緊力矩為110Nm時，裝配產(chǎn)品缸蓋檢測缸孔的圓柱度最小。

3.4.2 模擬缸蓋工藝驗證總結(jié)

通過對比驗證，未安裝模擬缸蓋的缸體粗精鏜、珩磨后其缸孔尺寸及表面粗糙度要求符合技術(shù)要求，但是安裝了產(chǎn)品缸蓋后產(chǎn)生了較大的變形，已經(jīng)不滿足技術(shù)要求。而使用了模擬缸蓋工藝加工后的缸體，在安裝了產(chǎn)品缸蓋后缸孔也發(fā)生了變形，但變形量比未安裝模擬缸蓋的小，而且不同的螺栓擰緊力矩產(chǎn)生了不同程度的改善，其中擰緊力矩為110Nm時，缸孔圓柱度變化最小，由此確定模擬缸蓋螺栓擰緊力矩為110Nm。

4 結(jié)束語

采用模擬缸蓋工藝加工能有效減小缸孔發(fā)生的變形，減少因機油竄入燃燒室導(dǎo)致的發(fā)動機顆粒排放水平差，不符合國家排放法規(guī)要求的狀況，同時可提升新品開發(fā)進(jìn)度及降低批產(chǎn)投放市場后三包維護(hù)費，進(jìn)一步提升產(chǎn)品競爭力。

另外，模擬缸蓋工藝作為一種有效提高發(fā)動機質(zhì)量及性能的方法，對于不同的發(fā)動機生產(chǎn)線，具體的實施方案可能有所不同，需要根據(jù)實際情況，采用不同的工藝，通過清洗、擰緊及檢測等設(shè)備的相互配合，才能保證發(fā)動機缸孔的加工質(zhì)量。

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