浅谈模拟缸盖对缸体缸孔加工的影响

刘迎生 王晓伟 丁波 豆刚

摘要：发动机的缸体和缸盖分别单独加工完成，缸体在装配完缸盖后，受到缸盖螺栓力矩作用缸孔发生变形，缸孔变形造成缸孔与活塞、活塞环的贴合度降低，影响发动机的机械效率和机油消耗率，进而影响发动机的经济性、动力性和排放特性，而模拟缸盖工艺通过在发动机缸体上安装模拟缸盖来对缸体施加载荷，模拟缸孔在装配完产品缸盖后缸孔受到的力，再对缸孔进行精加工，从而减小缸体装配缸盖后缸孔发生的变形，目前模拟缸盖工艺已在本公司柴油机一厂2.0L四缸柴油发动机缸体加工线上实行，本文将阐述模拟缸盖工艺的实现过程。

关键词：模拟缸盖工艺；缸孔；机械加工

1 引言

发动机各个零件的制造质量直接影响到发动机的性能水平和可靠性，因此加工质量要求很高，对各零件的加工工艺与设备要求也很高，同时生产方式的确定也直接影响到零件加工工艺的设计，汽车生产往往是大批量生产方式，因此工艺设计时大部分都是流水线方式。发动机零件较多，从质量控制、制造成本和专业化上考虑，发动机主机厂一般主要加工缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆等几个关键零件，而在缸体的加工及装配过程中，对于缸孔变形量的控制是保证发动机性能的关键指标之一，本文将浅析模拟缸盖工艺在2.0L 四缸国Ⅴ柴油发动机缸体加工线上的应用。

2 传统缸体加工中存在的问题

发动机的缸体和缸盖分别单独加工完成，缸体、缸盖主要通过缸盖螺栓连接，在装配完缸盖后，缸体受到缸盖螺栓力矩作用会造成缸孔发生变形，主要是圆柱度变差，缸孔变形造成缸孔与活塞、活塞环的贴合度降低，影响发动机的机械效率和机油消耗率，进而影响发动机的经济性、动力性和排放特性。

3模拟缸盖工艺在缸体加工中的实现

3.1使用模拟缸盖加工的优势

模拟缸盖工艺是通过在发动机缸体上安装模拟缸盖来对缸体施加载荷，以模拟缸孔在装配完产品缸盖后缸孔受到的缸盖螺栓加载的力，安装完模拟缸盖后再对缸孔进行粗镗、精镗、珩磨以及测量打码。

使用模拟缸盖工艺加工后的缸体在装配完产品缸盖后，由于具有与安装模拟缸盖时相似的受力状态，缸体缸孔产生的变形与安装模拟缸盖时相似，与传统加工工艺相比，减小缸体装配缸盖后缸孔发生的变形量，进而影响发动机的经济性、动力性和排放特性等。

3.2 模拟缸盖工艺新增零部件简介

3.2.1 模拟缸盖

模拟缸盖主要用于模拟缸孔在装配完产品缸盖后缸孔受到的缸盖螺栓加载的力，因为安装完模拟缸盖后再对缸孔进行粗镗、精镗、珩磨以及测量打码，同时因缸体结构（如图1所示），在粗镗、精镗、珩磨以及测量过程中，刀具及测量头均需要从缸体顶面进入加工、测量（如图2所示），而产品缸盖顶面并无空间供刀具、测量头穿过以便进入缸孔（如图3所示），所以模拟缸盖无法直接借用产品缸盖，从而对模拟缸盖进行了设计，与产品缸盖区别显著，形状、尺寸、材质等均不同。

1）、形状：模拟缸盖主要为减少装配缸盖后缸孔发生的变形，而缸盖是通过缸盖螺栓与缸体连接的，在模拟缸盖设计时，考虑到制作的便捷性，简化了模拟缸盖的结构，同时便于刀具及测量头对缸孔的加工、测量，在模拟缸盖上设计了比缸孔直径大的孔，位置与缸体缸孔相对应，同时为保证模拟缸盖可以在轨道上自动输送及便于机械手自动抓取，增加了导向槽，为自动监控模拟缸盖螺栓寿命设计了RFID电子标签固定孔，与产品缸盖形状差距明显，如图4所示；

2）、尺寸：总体尺寸与缸体缸垫结合面长度、宽度与产品缸盖相同，高度相差较大，本次应用在柴油机的模拟缸盖高度比产品缸盖低120mm；

3）、材质：考虑到模拟缸盖重复使用，为增加寿命，减少使用中的变形，模拟缸盖材质选择为20A（含碳量0.2%的优质碳素钢），而产品缸盖材质为AC4B铝合金。

3.2.2 模拟缸垫

模拟缸垫（如图5所示）用于装配模拟缸盖时使用，功能与产品缸垫不同，由此在产品缸垫基础上进行了修改，与产品缸垫相比主要有以下3点区别：

1）、模拟缸垫可以重复使用，需要对寿命进行监控，在模拟缸垫表面增加了二维码；

2）、模拟缸垫上下面取消涂层，以便于模拟缸盖自动装配机机械手抓取缸垫；

3）、模拟缸垫螺栓孔增大1.5mm，以便于模拟缸盖自动装配机装配模拟螺栓。

3.2.3 模拟缸盖螺栓

模拟缸盖螺栓（如图6所示）用于安装模拟缸盖时使用，与产品缸盖螺栓不同，主要有以下2点区别：

1）、因模拟缸盖高度尺寸小于产品缸盖，模拟缸盖螺栓旋入缸体长度与产品螺栓相同，模拟螺栓长度小于产品螺栓长度，本次应用在柴油机上的模拟缸盖螺栓长度为117mm，产品螺栓长度为182mm；

2）、为减少成本模拟缸盖螺栓进行重复使用，其机械性能比产品螺栓增大1级，产品螺栓机械性能等级为11.9级，抗拉强度：1100MPa～1220MPa，热处理硬度：32HRC～35HRC，模拟缸盖螺栓机械性能等级为12.9级，抗拉强度≥1200MPa，热处理硬度≥39HRC，其余与产品螺栓相同。

3.3模拟缸盖工艺路线

传统的发动机缸体缸孔加工主要采用粗精镗、珩磨方式加工，缸体在粗精镗后直径加工余量一般为0.05mm，然后再进行珩磨加工网纹，而在使用模拟缸盖工艺后，缸孔加工也是采用相同的方式加工，只是在粗精镗及珩磨前在缸体上装配了模拟缸盖，如下所示。

传统工艺流程：粗镗、精镗缸孔→粗、精珩缸孔→测量打码。

使用模拟缸盖后工艺流程：缸体清洗→装配模拟缸盖→粗镗、精镗缸孔→粗、精珩缸孔→测量打码→拆卸模拟缸盖。

因装配模拟缸盖时，缸体顶面已经精加工，为避免装配模拟缸盖时顶面及缸盖螺栓孔内残留的切屑划伤顶面及损伤螺纹，同时为提升效率及降低操作工作业强度，实现模拟缸盖装配、拆卸自动化，在增加模拟缸盖工艺后，需要增加1台缸体简易清洗機、1台模拟缸盖清洗机、1台模拟缸盖装配拧紧机、1台模拟缸盖拧松拆卸机及相应的辊道和回转台。平面布局如图7所示：其中内围深色线路表示模拟缸盖流转路径，外围浅色路线表示缸体流转路径，工艺中涉及到的零部件主要有缸体、模拟缸盖及缸垫三部分。

3.3.1 缸体简易清洗工序

其主要清洗内容为缸体顶面及缸体顶面的销孔及螺栓孔，避免残留切屑在装配模拟缸盖时对面及孔的损伤，清洗内容较少，因此采用清洗和吹干布置在同一个工位的设计。考虑整体线路布局，设计为通过式清洗机。

清洗过程为：缸体上料→进入清洗工位→经过扫描清洗及定点清洗→翻转倒水→对缸体进行扫描及定点吹干→下料。其中重点保证缸体顶面及顶面销孔和螺栓孔的清洁度，如图8所示深色区域。清洗完成后，缸体沿输送辊道进入模拟缸盖自动安拧紧工序。

3.3.2 模拟缸垫自动安装

缸垫料架上带有定位机构，人工将清洗后的缸垫放置到缸垫料架上，方便缸垫机械手抓取缸垫，模拟缸盖装配拧紧机机械手自动抓取缸垫并放置到缸体上，因为缸垫较薄，因此采用吸盘式机械手来抓取缸垫，放置时主要通过缸垫上与缸体顶面的两个销孔定位，装配过程如图9所示，完成模拟缸垫装配后，缸体在原位等待，下步即进行模拟缸盖的装配。

3.3.3 模拟缸盖自动安装

装有螺栓的模拟缸盖经过模拟缸盖清洗机清洗后，进入模拟缸盖装配拧紧机的待料工位，然后模拟缸盖装配拧紧机机械手通过模拟缸盖两侧面的凸起部分自动抓取，并放置到缸体上，确保螺栓进入螺纹孔即可，后工序再进行自动拧紧，装配前状态及最终状态如图10所示。

3.3.4 模拟缸盖自动拧紧

模拟缸盖安装完成后，工件放行至第二工位即拧紧工位。拧紧机为2轴，拧紧轴按照设定的拧紧工艺自动拧紧模拟缸盖螺栓，需要保证螺栓的转矩在规定的技术范围内，本产品拧紧时要求拧紧力矩为110Nm。擰紧合格放行，拧紧不合格报警。拧紧后如图11所示，在此状态下进行后续缸孔的粗精镗、珩磨以及测量打码。

3.3.5 缸孔粗精镗、珩磨、测量打码

缸体装配好模拟缸盖后即进入缸孔的粗精镗、珩磨、测量打码，需要注意的是因为装配了模拟缸盖，工件高度增加，如图12所示，在进行缸体加工及测量时需要考虑机床进出口高度、刀具行程、量具行程等因素是否满足要求。

3.4 模拟缸盖工艺拧紧力矩确认及效果验证

3.4.1 模拟缸盖工艺验证方案

因为模拟缸盖与产品缸盖存在差异，所以在模拟缸盖装配时螺栓的拧紧力矩不可直接按产品缸盖螺栓的拧紧力矩实施，需要进行验证确认最佳力矩，以最大限度的减少装配产品缸盖后缸孔的变形。为了确认模拟缸盖螺栓拧紧力矩及模拟缸盖工艺的效果，制定了验证方案进行验证，具体如下：

1）对不安装模拟缸盖的缸体进行缸孔粗精镗、珩磨，检测缸孔的圆柱度，然后装配产品缸盖，检测缸孔的圆柱度，样本量6台，采用双样本t检验分析；

结论：P值=0，装真实缸盖对缸孔圆柱度有显著影响，缸孔圆柱度变大。

2）安装模拟缸盖与不安装模拟缸盖的缸体进行缸孔粗精镗、珩磨，各加工6台，然后装配产品缸盖，检测缸孔的圆柱度，采用双样本t检验分析；

结论：P值=0，安装模拟缸盖（拧紧力矩暂定120Nm）与不安装模拟缸盖加工的缸体，装配产品缸盖检测缸孔圆柱度有显著差异，即安装模拟缸盖加工的缸体装配产品缸盖检测缸孔圆柱度比不安装模拟缸盖加工的缸体装配产品缸盖检测缸孔圆柱度小。

3）对使用不同拧紧力矩安装了模拟缸盖的缸体，进行缸孔粗精镗、珩磨，检测缸孔的圆柱度，之后拆除模拟缸盖，然后装配产品缸盖，检测缸孔的圆柱度。样本量6台，拧紧力矩分别为100、110、120、130、140、150Nm，采用回归分析；

结论：P值=0.016<0.05，模拟缸盖不同拧紧力矩对缸孔圆柱度有显著影响。从检测数据可以看出模拟缸盖拧紧力矩为110Nm时，装配产品缸盖检测缸孔的圆柱度最小。

3.4.2 模拟缸盖工艺验证总结

通过对比验证，未安装模拟缸盖的缸体粗精镗、珩磨后其缸孔尺寸及表面粗糙度要求符合技术要求，但是安装了产品缸盖后产生了较大的变形，已经不满足技术要求。而使用了模拟缸盖工艺加工后的缸体，在安装了产品缸盖后缸孔也发生了变形，但变形量比未安装模拟缸盖的小，而且不同的螺栓拧紧力矩产生了不同程度的改善，其中拧紧力矩为110Nm时，缸孔圆柱度变化最小，由此确定模拟缸盖螺栓拧紧力矩为110Nm。

4 结束语

采用模拟缸盖工艺加工能有效减小缸孔发生的变形，减少因机油窜入燃烧室导致的发动机颗粒排放水平差，不符合国家排放法规要求的状况，同时可提升新品开发进度及降低批产投放市场后三包维护费，进一步提升产品竞争力。

另外，模拟缸盖工艺作为一种有效提高发动机质量及性能的方法，对于不同的发动机生产线，具体的实施方案可能有所不同，需要根据实际情况，采用不同的工艺，通过清洗、拧紧及检测等设备的相互配合，才能保证发动机缸孔的加工质量。

参考文献：

[1]白恩霖、谢书文、杨清太、张建安 采用模拟缸盖技术缸孔变形的数值分析与试验研究 汽车实用技术 2014 No.1；

[2]陈国友 发动机缸孔变形试验及工艺分析 现代零部件 2010年 第8月；

[3]陈家瑞 《汽车构造》 机械工业出版社 2009年6月。