缸体水套开口设计对加工影响的实验分析

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

1 缸体结构

发动机缸体是内燃机的骨架，发动机的所有零件和附件几乎都要装在它上面。机体的材料，一般采用灰铸铁。缸体在内燃机工作时，要承受气体压力和惯性力[1]。车用发动机缸体常采用水冷的冷却方式，故需要在缸体上设计水套。考虑到铸造工艺的限制，常在缸体和缸盖结合面采用开口设计。根据工艺和设计的目的不同，开口设计分为全开式和半开式。全开式铸造工艺简单，清砂效果好；半开式铸造过程中清砂工艺难度会增加，但是缸孔区域的刚度得到提高，在加工过程中的变形以及合格率得到提高。

缸孔加工工艺为：粗镗→精镗→绗磨，镗孔加工去除余量较多，产生的变形量也相对较大，绗磨产生的变形量较小。在精镗过程中，如果产生的变形量较大，导致缸孔椭圆度过大，则有可能导致缸孔在最终的绗磨工艺中无法校正过来，进而影响了最终成品缸体的质量[2]。加工示意图如图1所示。

图1缸孔加工示意图

1.1 原缸体水套结构

原缸体的水套结构为半开式水套（见图2），在缸体的进排气侧方向没有加强筋。在实际生产过程中，靠近缸孔顶部的圆度测量数据不稳定。这样的结构在铸造过程中更利于残余砂的排出，同时在缸孔顶部由于缺少支撑，刚度在顶部区域会有所下降。

1.2 优化后的结构

根据经验，为了提高缸体顶部圆度加工的稳定性，考虑在水套开口位置增加加强筋，如图3所示。优化结构的原理是：在缸体的顶部提供额外支撑，提高缸孔顶部区域的刚度，进而减小加工过程中的变形。

图2原缸体结构

图3优化后缸体结构

为了验证更改效果有效，需要进行计算分析和实际生产测量统计，从而确保优化措施有效。

2 计算分析

2.1 缸孔的变形机制

一个系统在受到外力的情况下会发生变形，而变形的程度是与系统的结构刚度直接相关的。系统结构好，材料强度高，则在受到外力的情况下形变则小。反之亦然。

缸体在加工过程中，属于一个去除材料的过程。缸孔承受着加工过程中的切屑力，同时发生变形；在加工切屑力去除之后，缸孔的变形会发生回弹，残余的不能回弹的变形量则成了永久变形。缸孔区域结构的刚度直接关系到最终成品的缸孔的圆度以及圆柱度。刚性较好的缸体，在加工过程中的形变较少，最终变形也小；刚性较差的缸体，在加工过程中的变形交大，刚性也随之变差。通过优化缸体结构刚度，减小在加工过程中的变形，能够提高最终成品的圆度以及圆柱度，进而改善了在发动机整机运行过程中的异常磨损，提高了发动机的耐久性。

为了评估两种结构的缸体对于缸孔加工过程中变形的改善，本文采用了有限元分析的方法。步骤如下：（1）首先绘制两种方案的缸体的数模；（2）将两种结构的缸体进行网格划分；（3）对缸体网格赋予HT250的材料属性；（4）对缸孔加载，模拟加工过程中的受力情况；（5）求解分析；（6）对比两种缸体结构的变形情况。

2.2 分析结果

本文采用Hypermesh对缸体进行网格划分，采用CTETRA单元，单元数量为131 023。根据实际加紧的方式，对缸体六个自由度进行约束（见图4）。对缸孔施加径向的力，模拟加工过程中受力导致变形。定量加载2 000 N的力，评估不同结构的缸体受力变形的大小。分析结果如图5所示。

图4边界条件示意图

图5分析结果示意图

将两者的分析结果进行对比分析，如图6所示。从图6曲线可以看到，增加了加强筋的缸体的变形量比没有加加强筋的缸体变形量小。这是由于增加了加强筋的缸体提高了系统整体的刚度，故在受力情况下产生的形变较小。由此得知，更改结构后的缸体刚度较好，在受到外力的情况下产生的形变较小。通过设计更改达到了提高系统刚度提高的目的，下一步需要通过实际生产过程验证刚度提高对于圆度的贡献。

图6分析结果对比

3 实际生产验证

3.1 生产过程分析

缸孔圆度设计要求为5μm，为了分析圆度的生产数据，本文采用过程统计的方法，对125件生产的圆度数据进行统计分析，评估测量数据的均值x軃，以及标准差σ，并计算过程能力指数及过程性能。

3.2 更改前缸体加工测量数据

统计更改前的加工测量数据，分析图如图7所示。由数据可知x軃为 2.612 μm，6σ 为 4.501.统计更改后的加工测量数据，分析图如图8所示。由数据可知x軃为2.395μm，6σ为3.012 7.由数据可以得知，通过系统结构的更改，改善了最终加工的结果。通过数据的Statistical Process Control（统计过程控制）分析（表1）可以得知，数据的一致性得到了很大的提高，报废零件的数量也得到减少。在更改前，缸孔的圆度没有满足关键质量特性Ppk>1.67的要求，通过结构的更改，达到了Ppk>1.67的目标。

图7原结构的生产统计数据

表8优化后结构的生产统计数据

表1生产数据对比表

4 结束语

本文通过有限元分析与统计过程控制分析相结合的方法，分析了两种不同的缸体水套开口设计对于加工过程的影响。通过分析和实施加工的数据统计，可以得知，在水套上增加加强筋能够提高系统的刚度，从而提高加工的一致性，降低了零件报废率。是可以在实际设计过程中借鉴的方案。

[1]谭正三.内燃机构造[M].第2版.北京：机械工业出版社，1990.

[2]吴炎庭，袁卫平.内燃机噪声震动与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.