模擬缸蓋工藝對(duì)無缸套機(jī)體缸孔變形影響分析

齊偉，云峰，李連升，趙文彬，楊燕楠

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061)

0 引言

近年來汽車工業(yè)飛速發(fā)展，隨著排放法規(guī)不斷升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔變形問題愈發(fā)突出。缸孔工作環(huán)境苛刻，變形大會(huì)導(dǎo)致機(jī)油消耗大、活塞漏氣量大，摩擦功損失變大，并加快缸內(nèi)磨損[1-2]，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等指標(biāo)，因此控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔變形尤為重要。

對(duì)于輕型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，采用模擬缸蓋加工缸孔工藝，通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)的狀態(tài)，進(jìn)行缸孔加工珩磨以改善缸孔變形，已有較多應(yīng)用。朱正德[3]介紹了模擬缸蓋工藝，并在小排量汽油機(jī)鋁制缸體和柴油機(jī)鑄鐵缸體上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過模擬缸蓋工藝可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)的缸孔變形。劉建華[4]通過測(cè)試-分析-設(shè)計(jì)-分析-測(cè)試完成工藝缸蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化，使用工藝缸蓋珩磨減小缸孔圓柱度及缸孔變形量，提升缸孔質(zhì)量。

本文以某中型四缸無缸套柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元方法建立機(jī)體-缸墊-缸蓋仿真模型，進(jìn)行缸孔變形的模擬計(jì)算。通過與真實(shí)缸蓋下變形結(jié)果對(duì)比，來設(shè)計(jì)模擬缸蓋工裝，制定模擬缸蓋加工工藝。最后試驗(yàn)測(cè)量不同工藝下缸孔變形的結(jié)果，分析模擬缸蓋加工工藝對(duì)缸孔變形的影響。

1 缸孔加工工藝研究現(xiàn)狀

普通的機(jī)體加工工藝，在缸孔自由狀態(tài)下進(jìn)行加工，加工過程中缸孔不受機(jī)械負(fù)荷的約束，得到滿足產(chǎn)品圖樣要求的機(jī)體(如圖1所示)。但這樣加工的機(jī)體，在自由狀態(tài)時(shí)缸孔滿足要求，裝配缸蓋按照擰緊規(guī)范把合缸蓋螺栓后，缸孔就會(huì)在不同高度和截面上發(fā)生一定的彈性變形，一般稱為裝配變形或冷態(tài)變形。

圖1 傳統(tǒng)加工工藝示意圖

為了消除缸孔冷態(tài)變形對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不良影響，可采用模擬缸蓋加工工藝(如圖2所示)，缸孔精加工前裝配模擬缸蓋工裝，使缸孔產(chǎn)生裝配變形，然后再進(jìn)行缸孔精鏜、珩磨等加工工序，將裝配變形通過加工去除材料消除。加工完成后拆下模擬缸蓋，雖然缸孔會(huì)產(chǎn)生一定的變形，但是當(dāng)再次裝配缸蓋后，缸孔的形狀將恢復(fù)到接近安裝模擬缸蓋加工后的狀態(tài)。

圖2 模擬缸蓋加工工藝示意圖

2 缸孔變形仿真計(jì)算

2.1 建立有限元模型

某中型四缸無缸套柴油機(jī)，設(shè)計(jì)最高爆發(fā)壓力25 MPa，為保證產(chǎn)品可靠性，機(jī)體、缸蓋均采用了蠕墨鑄鐵材料。缸孔變形有限元計(jì)算模型如圖3所示，該模型包括機(jī)體、缸墊、缸蓋、缸蓋螺栓、齒輪室、飛輪殼等。

圖3 缸孔變形計(jì)算模型

有限元計(jì)算分兩步進(jìn)行加載：

第一步：在缸蓋螺栓上施加小位移，使模型建立穩(wěn)定的接觸關(guān)系；

第二步：施加平均螺栓預(yù)緊力，模擬計(jì)算裝配工況下的缸孔變形。

2.2 缸孔變形評(píng)價(jià)方法

對(duì)缸孔變形的評(píng)價(jià)，可以采用圓度、圓柱度、同軸度等參數(shù)[5]，表征缸孔綜合變形大小。而目前應(yīng)用較多的具有實(shí)際工程意義的方法是對(duì)缸孔變形在極坐標(biāo)下進(jìn)行傅里葉變換，將復(fù)雜的不規(guī)則變形分解成一組有規(guī)則的缸孔變形輪廓[6-7]。在極坐標(biāo)系下缸孔變形量的傅里葉級(jí)數(shù)展開可表示為下式(1)形式：

ΔR=A0+A1cosα+A2cos2α+…+Aicosiα
+B1sinα+B2sin2α+…+Bisiniα

(1)

式中，Ai，Bi表示傅里葉展開式的系數(shù)，i表示傅里葉展開式的階數(shù)。

傅里葉變換下的各階次缸孔變形示意圖如圖4所示，對(duì)不同階次的缸孔變形進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以判定產(chǎn)生缸孔變形的主要原因[8]：0階表示由于加工工藝造成的缸孔沿同心圓直徑方向的膨脹或收縮；一階表示由加工工藝和磨損引起的相對(duì)理想孔中心的偏移；二階表示螺栓軸力和熱應(yīng)力導(dǎo)致的相對(duì)理想孔中心的橢圓變形；三階表示相對(duì)于理想孔中心的三角花瓣變形，一般認(rèn)為由加工工藝、螺栓軸力、磨損等綜合影響；四階及以上表示相對(duì)于理想孔中心的多角花瓣變形，主要受螺栓軸力影響。0階和一階截面形狀仍為圓形，可以通過活塞環(huán)徑向伸縮很好的適應(yīng)缸孔，而階次高的花瓣密，變形量相對(duì)較小，因此通常主要關(guān)注二階到六階變形。

圖4 傅里葉級(jí)數(shù)缸孔變形示意圖

2.3 缸孔變形計(jì)算

裝配真實(shí)缸蓋，計(jì)算各缸在裝配工況下的變形，作為后續(xù)模擬缸蓋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通過傅里葉變換，各缸裝配工況下各階次的缸孔變形見表1。

表1 原始模型各階次缸孔變形

各缸各階次的最大變形量與相應(yīng)限值的折線圖如圖5所示，可以直觀地看出各缸的四階和六階變形量超出對(duì)應(yīng)的限值，說明在最高設(shè)計(jì)爆發(fā)壓力25 MPa下螺栓軸力增大，缸孔在螺栓軸力作用下產(chǎn)生了較大變形。

圖5 真實(shí)缸蓋缸孔變形仿真結(jié)果折線圖

為減小四階和六階變形，在機(jī)體結(jié)構(gòu)不變的前提下，可以采用模擬缸蓋加工缸孔，減小螺栓軸力引起的缸孔變形，因此需要設(shè)計(jì)合適的模擬缸蓋加工工藝和工裝。

3 模擬缸蓋工藝、工裝設(shè)計(jì)及仿真

為保證與真實(shí)缸蓋裝配后產(chǎn)生的變形相一致，設(shè)計(jì)模擬缸蓋加工工藝：模擬缸蓋工裝+產(chǎn)品缸墊+產(chǎn)品缸蓋螺栓+產(chǎn)品缸蓋螺栓把合工藝。將模擬缸蓋工藝與實(shí)際產(chǎn)品的差異集中到一個(gè)點(diǎn)：模擬缸蓋工裝。

設(shè)計(jì)2種模擬缸蓋工裝，結(jié)果如圖6所示，方案1為與產(chǎn)品缸蓋等厚度結(jié)構(gòu)，方案2為底板+螺栓頂柱+頂板的等剛度結(jié)構(gòu)。

圖6 模擬缸蓋工裝結(jié)構(gòu)

分別計(jì)算裝配工裝后的缸孔變形，提取其在傅里葉變換下的各階次缸孔變形，結(jié)果見表2。從表2數(shù)值分析可看出，2個(gè)方案變形趨勢(shì)及大小與真實(shí)缸蓋基本相同。

表2 模擬缸蓋各階次缸孔變形

各階次真實(shí)缸蓋缸孔變形與模擬缸蓋缸孔變形差值見表3。從表中可以看出，方案2與真實(shí)產(chǎn)品缸蓋缸孔變形的相對(duì)差異更小，最大偏差在2.5 μm之內(nèi)，因此方案2是一種更優(yōu)的選擇。

表3 真實(shí)缸蓋與模擬缸蓋各階次缸孔變形差值

4 模擬缸蓋工藝實(shí)施驗(yàn)證

首先加工2件沒有裝配模擬缸蓋工裝的機(jī)體，編號(hào)1#、2#，然后再采用模擬缸蓋工藝加工2件機(jī)體，編號(hào)3#、4#。

使用V-INCOMETER內(nèi)徑測(cè)量?jī)x，圓度精度1 μm，直線度精度1.5 μm，測(cè)量直徑范圍65～200 mm，軸向測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)200 mm，如圖7所示。

圖7 V-INCOMETER內(nèi)徑測(cè)量?jī)x

分別測(cè)量4個(gè)樣件機(jī)體裝配產(chǎn)品缸蓋狀態(tài)下的缸孔圓柱度，及傅里葉變換后各缸各階次的最大變形量，結(jié)果見表4。

表4 樣件缸孔圓柱度及變形量

圓柱度測(cè)量數(shù)據(jù)柱狀圖如圖8所示，可以看出采用模擬缸蓋工藝加工的3#、4#機(jī)體圓柱度改善明顯，由30 μm左右降至10 μm左右。

圖8 圓柱度數(shù)據(jù)對(duì)比柱狀圖

排除各缸機(jī)體結(jié)構(gòu)差異對(duì)缸孔變形的影響，將每一缸的缸孔變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。采用模擬缸蓋工藝加工的3#、4#機(jī)體各缸缸孔變形量均明顯減小，尤其是四階和六階變形，解決了1#、2#機(jī)體超出限值問題。

圖9 各缸缸孔變形量折線圖

5 結(jié)論

針對(duì)某中型蠕鐵材料無缸套機(jī)體，采用仿真方法設(shè)計(jì)模擬缸蓋工裝，制定模擬缸蓋加工工藝，最后通過對(duì)模擬缸蓋工藝與普通加工工藝對(duì)缸孔變形進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)爆壓升高，螺栓軸力增大，缸孔在螺栓軸力作用下易產(chǎn)生四階和六階變形超限。

(2)為保證模擬缸蓋工藝更貼近實(shí)際產(chǎn)品，可以采用產(chǎn)品缸墊、產(chǎn)品螺栓及螺栓把合工藝。通過有限元仿真計(jì)算方法，可以指導(dǎo)模擬缸蓋工裝設(shè)計(jì)，確保模擬缸蓋與真實(shí)缸蓋對(duì)缸孔變形的影響一致。

(3)對(duì)于中型蠕鐵材料無缸套機(jī)體，采用模擬缸蓋工藝加工缸孔，能有效的改善缸孔圓柱度，減小缸孔變形量，尤其是缸蓋螺栓軸力引起的高階次的變形。