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生變形，缸孔變形造成缸孔與活塞、活塞環的貼合度降低，影響發動機的機械效率和機油消耗率，進而影響發動機的經濟性、動力性和排放特性，而模擬缸蓋工藝通過在發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品缸蓋后缸孔受到的力，再對缸孔進行精加工，從而減小缸體裝配缸蓋后缸孔發生的變形，目前模擬缸蓋工藝已在本公司柴油機一廠2.0L四缸柴油發動機缸體加工線上實行，本文將闡述模擬缸蓋工藝的實現過程。

關鍵詞：模擬缸蓋工藝；缸孔；機械加工

1 引言

發動機各個零件的制造質量直接影響到發動機的性能水平和可靠性，因此加工質量要求很高，對各零件的加工工藝與設備要求也很高，同時生產方式的確定也直接影響到零件加工工藝的設計，汽車生產往往是大批量生產方式，因此工藝設計時大部分都是流水線方式。發動機零件較多，從質量控制、制造成本和專業化上考慮，發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動機性能的關鍵指標之一，本文將淺析模擬缸蓋工藝在2.0L 四缸國Ⅴ柴油發動機缸體加工線上的應用。

2 傳統缸體加工中存在的問題

發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、活塞環的貼合度降低，影響發動機的機械效率和機油消耗率，進而影響發動機的經濟性、動力性和排放特性。

3模擬缸蓋工藝在缸體加工中的實現

3.1使用模擬缸蓋加工的優勢

模擬缸蓋工藝是通過在發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品缸蓋后，由于具有與安裝模擬缸蓋時相似的受力狀態，缸體缸孔產生的變形與安裝模擬缸蓋時相似，與傳統加工工藝相比，減小缸體裝配缸蓋后缸孔發生的變形量，進而影響發動機的經濟性、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行粗鏜、精鏜、珩磨以及測量打碼，同時因缸體結構（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入加工、測量（如圖2所示），而產品缸蓋頂面并無空間供刀具、測量頭穿過以便進入缸孔（如圖3所示），所以模擬缸蓋無法直接借用產品缸蓋，從而對模擬缸蓋進行了設計，與產品缸蓋區別顯著，形狀、尺寸、材質等均不同。

1）、形狀：模擬缸蓋主要為減少裝配缸蓋后缸孔發生的變形，而缸蓋是通過缸蓋螺栓與缸體連接的，在模擬缸蓋設計時，考慮到制作的便捷性，簡化了模擬缸蓋的結構，同時便于刀具及測量頭對缸孔的加工、測量，在模擬缸蓋上設計了比缸孔直徑大的孔，位置與缸體缸孔相對應，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，增加了導向槽，為自動監控模擬缸蓋螺栓壽命設計了RFID電子標簽固定孔，與產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合面長度、寬度與產品缸蓋相同，高度相差較大，本次應用在柴油機的模擬缸蓋高度比產品缸蓋低120mm；

3）、材質：考慮到模擬缸蓋重復使用，為增加壽命，減少使用中的變形，模擬缸蓋材質選擇為20A（含碳量0.2%的優質碳素鋼），而產品缸蓋材質為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，功能與產品缸墊不同，由此在產品缸墊基礎上進行了修改，與產品缸墊相比主要有以下3點區別：

1）、模擬缸墊可以重復使用，需要對壽命進行監控，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，與產品缸蓋螺栓不同，主要有以下2點區別：

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

2）、為減少成本模擬缸蓋螺栓進行重復使用，其機械性能比產品螺栓增大1級，產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，其余與產品螺栓相同。

3.3模擬缸蓋工藝路線

傳統的發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，然后再進行珩磨加工網紋，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，缸體頂面已經精加工，為避免裝配模擬缸蓋時頂面及缸蓋螺栓孔內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強度，實現模擬缸蓋裝配、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的輥道和回轉臺。平面布局如圖7所示：其中內圍深色線路表示模擬缸蓋流轉路徑，外圍淺色路線表示缸體流轉路徑，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，清洗內容較少，因此采用清洗和吹干布置在同一個工位的設計?？紤]整體線路布局，設計為通過式清洗機。

清洗過程為：缸體上料→進入清洗工位→經過掃描清洗及定點清洗→翻轉倒水→對缸體進行掃描及定點吹干→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所示深色區域。清洗完成后，缸體沿輸送輥道進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，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過模擬缸蓋清洗機清洗后，進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面的凸起部分自動抓取，并放置到缸體上，確保螺栓進入螺紋孔即可，后工序再進行自動擰緊，裝配前狀態及最終狀態如圖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，擰緊軸按照設定的擰緊工藝自動擰緊模擬缸蓋螺栓，需要保證螺栓的轉矩在規定的技術范圍內，本產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，在此狀態下進行后續缸孔的粗精鏜、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，在進行缸體加工及測量時需要考慮機床進出口高度、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品缸蓋螺栓的擰緊力矩實施，需要進行驗證確認最佳力矩，以最大限度的減少裝配產品缸蓋后缸孔的變形。為了確認模擬缸蓋螺栓擰緊力矩及模擬缸蓋工藝的效果，制定了驗證方案進行驗證，具體如下：

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

結論：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。從檢測數據可以看出模擬缸蓋擰緊力矩為110Nm時，裝配產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

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要求，但是安裝了產品缸蓋后產生了較大的變形，已經不滿足技術要求。而使用了模擬缸蓋工藝加工后的缸體，在安裝了產品缸蓋后缸孔也發生了變形，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 結束語

采用模擬缸蓋工藝加工能有效減小缸孔發生的變形，減少因機油竄入燃燒室導致的發動機顆粒排放水平差，不符合國家排放法規要求的狀況，同時可提升新品開發進度及降低批產投放市場后三包維護費，進一步提升產品競爭力。

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

參考文獻：

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