汽车发动机缸体加工变形分析及精度控制探析

郭晓亮

摘 要：发动机缸体属于壁薄多孔的箱体类零件，该零件的加工对各道工序的要求较高，其加工质量对发动机性能的发挥具有直接影响。本文主要对缸体加工变形因素进行分析，并提出了提高缸体加工精度的几项控制策略。

关键词：缸体；加工变形；精度控制

0 引言

发动机是汽车中技术含量较高的部件之一，其加工质量对汽车的实用性能和经济性能具有重要影响，缸体作为发动机的重要组成部件，其制造的精度对发动机的性能有着至关重要的作用。因此，要提升发动机的性能，必须对发动机的关键零件制造工艺进行严格的控制，确保其加工精度符合实际需要的标准。

1 发动机缸体加工

1.1 缸体加工介绍

发动机缸体是箱体类零件，内部为壁薄多孔的复杂结构，因此在加工过程中极易发生变形，这就对加工精度提出了极为苛刻的要求。目前，发动机缸体加工生产是在由数控加工中心组成的柔性生产线上完成的，该生产线的自动化程度较高，且生产成本低，但对生产线的每一个环节要求都极高，否则难以达到缸体加工工艺标准的要求。

1.2 缸体加工工艺流程

1.2.1 缸体表面加工 缸体表面加工由平面加工和孔系加工组成，其中平面加工主要由端面铣削完成，例如顶面、底面、前后端面的加工就属于此类；而孔系加工则需要镗削、珩磨、钻、铰和攻等加工工艺，如水套孔、安装孔、活塞缸孔、油孔、连接孔、曲轴孔以及销孔等。

1.2.2 缸体加工工序流程 缸体加工工序由四道工序组成，分别是主要型面加工工序组、主要孔柱加工工序、清洗检测工序组、辅助结构加工工序组组成，不同工序的定位基准不同。如部分工序采取粗基准3-2-1完全定位方式、部分工序采取一面两销完全定位方式，而定位面也有底面或端面的区别。在整个缸体生产线工序中，对缸体后端面和底面的加工工序是最为关键的工序。

1.2.3 缸体加工阶段划分 缸体生产线分为两个模块，每个模块分为两部分，整个生产线可划分为若干个粗加工单元、半精加工单元和精加工单元三类。

2 缸体加工变形影响因素

2.1 工艺系统方面的影响因素

2.1.1 机床引起的误差 机床引起的误差主要来自于主轴回转、导轨产生的误差以及传动误差等。如主轴回转过程中产生的误差对端面的加工形状和位置的精度影响较大。

2.1.2 夹具引起的误差 夹具误差有定位误差和夹紧误差两类，定位误差可采用3-2-1完全定位方式消除，而夹紧力误差则可通过夹紧力大小的调整进行控制。

2.1.3 刀具引起的误差 现有的缸体生产线工艺中，刀具的刀柄锥面和端面同时与机床主轴形成紧密的配合，定位精度较高，可适用于高速切削，因此刀具安装误差和振动误差对缸体加工变形的影响可忽略不计。但随着刀具加工的工件数目逐渐增多时，刀具由于磨损造成了垂直误差，引起了加工变形。

2.1.4 工件原因分析 发动机缸体属于薄壁箱体类加工零件，在对缸体端面切削加工过程中产生的热变形和力变形，同样会造成加工误差。热变形可通过高压冷却液和刀具的内冷功能进行消除；而力变形包括夹力变形和切削变形，前者属于静态力，后者属于动态力。研究表明，在工件加工过程中，切削力对表面误差的影响要大于夹紧力的影响，因此铣削力过大就成为影响工件加工误差的主要原因。

2.2 工艺过程方面的影响因素

2.2.1 加工工艺分析 加工工艺主要从刀具路径、加工工序和切削参数三方面考虑，刀具路径对缸体表面加工形貌影响较大，加工参数对缸体表面加工变形有直接影响，切削参数对缸体表面加工质量影响显著。在粗加工阶段，切削力和毛坯自身的内应力导致工件产生较大变形；半精加工时刀具磨损产生过大的铣削力，影响工件精度；两个阶段的效应累积造成加工工序对缸体加工精度的影响较大。

2.2.2 过程调整分析 发动机生产线在运行过程中，仅对加工设备进行维修调整，或者是在工艺方案允许的前提下，对设备参数进行微调，对工件的加工不产生显著影响。

2.2.3 结果测量 缸体加工中的垂直度测量为在线测量，使用三坐标仪的测量精度可达到0.001mm，满足精度设计要求，因此结果测量误差对加工精度的影响可忽略。

3 缸体加工变形和精度控制

3.1 缸体加工变形和加工精度的关系

缸体加工变形影响了缸体的加工精度，而加工精度则直接反应了缸体加工变形程度，二者之间是彼此影响，密不可分的关系。因此，提高缸体的加工精度，就是减少和控制缸体加工变形问题。

3.2 缸体加工精度控制策略

3.2.1 直接减少或消除原始误差 直接法应用较为广泛，该法是在对加工误差的影响因素进行明确的基础上，采取有效措施直接消除或减少误差的方法。如刀具加工工件数目达到一定值时，更换新刀具，可消除垂直误差。

3.2.2 误差补偿法 误差补偿法是通过人为方式制造一种新的原始误差，从而抵消工艺系统中存在的固有误差。人为误差与原始误差之间是大小相等，方向相反的关系，互相抵消后可提高工件的加工精度。

3.2.3 误差均衡法 误差均衡法是指在加工工序中，加工内容设置不当引起的误差累积，可通过前后工序内容平衡来减少误差的方法。如粗加工和半精加工在同一工序中完成时，就会导致粗加工中的误差累积到半精加工中，导致缸体后端面与底面垂直度误差偏大，若将两道工序分离操作，将前道工序与本道工序加工内容进行调整，可减少误差。

3.2.4 误差转移法 误差转移法是工艺系统中的误差转移到不影响加工精度的方向上去，可转移的误差包括几何误差、受力变形和热变形等。如缸体后端面曲轴密封面产生接刀痕时可改变走刀路径，使刀痕转移到后端面沟槽中，消除道行对密封面的影响。

4 结语

缸体内部结构复杂，对加工工艺要求较高，缸体在加工过程中，受多种因素的影响，不可避免的产生加工误差，导致加工工件的变形，影响了缸体和发动机的实用性能，因此，了解缸体加工变形的影响因素，采取有效的控制措施减少缸体加工误差，提高工件加工的精度是每个企业应该解决的关键问题。

参考文献：

[1]雷锋杰.汽车发动机缸体加工变形分析与精度控制研究[D].上海交通大学，2012.

[2]毛護国.发动机缸体加工定位误差分析[D].华中科技大学，2014.