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模拟缸盖工艺在小排量发动机制造中的应用

来源:荣格 发布时间:2018-02-16 748
汽车制造电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 技术前沿
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在发动机装配过程中,缸体因受到来自缸盖的压力会导致缸孔较大的变形,从而影响发动机的性能和寿命。如何才能有效地解决这一工艺难题?上海大众动力总成有限公司的设计人员为此展开了深入研究后发现,通过对原有的制造工艺进行适当调整,并在确保工艺缸盖螺栓符合技术要求的前提下,利用模拟缸盖工艺可以大大提升缸孔制造质量和加工精度。
在发动机装配线上,由于受到来自缸盖螺栓较大轴向力的影响,在实际装配缸盖后,缸体中的缸孔会产生较大的变形,也会影响各曲轴孔的同轴度。这不仅破坏了原先缸孔与活塞间的配合,使得两者之间的摩擦力增大,而且导致了较高的漏气量和机油损耗。尤其是随着发动机小型化和轻量化的发展趋势,缸盖螺栓的轴向力也在逐渐增大,如何解决这一问题迫在眉睫。为此,公司选择在缸体精加工之前先装配一个硬化的工艺缸盖(也被称为“模拟缸盖”),然后再进行缸孔的精加工、超精加工。经过大量的分析和测试发现,这一措施可以有效地减小整机装配后缸孔的变形,大大提升产品的质量。这一技术也被称为工艺缸盖技术或模拟缸盖工艺。
 
表1 和表2 所示的数据为某4 缸发动机的缸体,在分别装配了真实(也称“标准”)缸盖和模拟缸盖后实施精加工,在缸孔5 个截面所产生的最大变形量。图1 为被测缸孔,鉴于各个缸孔受力情况的不同,所取截面位置也不同。通过对装配真实缸盖和模拟缸盖后缸孔形变量的分析发现:装配模拟缸盖后的变形趋势与装配真实缸盖时的变形趋势相似度很高,所引起的形变量的差异较小。因此,可以采取将模拟缸盖代替真实缸盖进行缸孔的精加工、超精加工。如上所述,在安装了模拟缸盖的情况下,将缸孔加工到产品性能所需的参数要求,在拆除模拟缸盖后,缸孔会出现变形,但在总装线装配真实缸盖后,缸孔又恢复到模拟缸盖拧紧时的应力状态,从而保证了装配后的各项精度。
 
以曲轴孔圆心的偏移为例(缸孔变形的修正原理相同),通过图2 的a-d 简单说明,如何利用模拟缸盖工艺,通过补偿来修正“偏移量”:在a 中,A 表示未安装真实缸盖时缸体曲轴孔圆心位置;b 反映了在安装缸盖后,曲轴圆心位置从A 转移到B;c 表示,为确保此时曲轴圆心位置仍然在未安装缸盖时的A 处,方法是加装一个模拟缸盖,然后如d,对加装了模拟缸盖引起的圆心向相反位置的变化进行补偿,补偿到C、也就是原来的A 点即可,因为AB=AC,大小相等,方向相反。
 
TABLE1
 
表1. 装配真实缸盖时缸孔形变分析/ mm
 
TABLE2
 
表2. 装配模拟缸盖时缸孔形变分析/ mm
 
FIG1
 
图1. 进行缸孔试验时5 个测量截面
 
FIG2
 
图2. 模拟缸盖技术的工艺原理
 
1.执行模拟缸盖工艺时的生产流程
 
以某小型发动机的铝缸体为例,与原先相比,在推行模拟缸盖工艺的生产线上,需增加缸体预清洗、模拟缸盖的拧紧装配、拧松拆卸和清洗,以及模拟缸盖螺栓的清洁5 个工位。具体情况如下:
 
◆ 缸体预清洗工位
该工位主要是针对缸体上平面及缸盖的10 个螺栓孔。如孔内存有杂质,铝屑就会造成螺栓拧紧扭矩异常,甚至会导致螺纹损坏、造成整个工件的报废。而为了避免模拟缸盖安装时损伤缸体上平面,其上应无残留铝屑等杂质。通常采用将缸体倒置,再利用高压喷乳化液,定点地冲洗10 个螺纹孔,使孔内杂质掉下。在缸体旋转复位后,为确保缸体上平面及顶面定位销孔、螺栓孔的洁净,还需用压缩空气机吹干。
 
◆ 模拟缸盖装配工位
该工位既可放在缸孔、曲轴孔粗加工之前,也可放在精加工之前,还可以安排在缸孔、曲轴孔珩磨之前,主要是取决于不同铝缸体的变形量以及设备的性能。但采取先安装模拟缸盖再进行缸孔、曲轴孔精加工的情况居多。而事实上,该工位除了完成将模拟缸盖安装到缸体上的操作外,还将对所采用的工艺缸盖螺栓能否满足小排量发动机的要求进行验证。
 
◆ 模拟缸盖拆卸工位
在这个工位将实施模拟缸盖螺栓拧松,并取下模拟缸盖。具体做法是缸体通过辊道流到定位点,10 根拧紧枪同时拧松螺栓;之后机械手抓取带有螺栓的模拟缸盖至螺栓分离平台,并将缸体放行至下一工位。
 
◆ 模拟缸盖清洗工位
该工位主要是对模拟缸盖,尤其是对其底平面进行清洗,主要是因为该面与缸体上平面接触,需确保清洗后其底平面上已没有残留铝屑或其他杂质,以避免在安装时对下个缸体上平面的损伤。带模拟缸盖的缸体只有在经过缸孔、曲轴孔粗精加工和珩磨,并经拆卸模拟缸盖后,再经过清洗工序才流入下道工序。
 
◆ 缸盖螺栓的清洁工位
模拟缸盖在拆卸后,缸盖螺栓表面会残留乳化液、珩磨液以及螺纹孔拧紧时可能产生的铝屑等,为保证螺栓再一次回用,必须按要求对螺栓进行清洁,可以采用压缩空气沿螺(纹)牙方向脉冲式往复吹扫,使螺栓的螺牙区域能确保无残留铝屑,无残液存留,以避免造成生锈、表面损伤等情况。
 
2. 成功实施的前提及验证
 
◆ 成功实施模拟缸盖工艺的前提通过前面的介绍和分析可知,缸体受到缸盖所施加的压力后,将会引起缸孔的较大形变及各曲轴孔同轴度的变化,而本质上,缸体所受到的载荷就是缸盖螺栓在拧紧后的轴向力(见表3)。所以,执行这一新技术,实际上也就是先通过模拟缸盖装置,模拟发动机真实的装机状态,再进行缸孔的珩磨。而为了能真正降低装机后缸孔及其他关键部位变形的目标,所选用的工艺缸盖螺栓就必须满足以下两个条件:
 
1)在工艺缸盖螺栓拧紧后所产生的轴向力,应与实际装机产品的缸盖螺栓的轴向力相同,只有如此,才能减小实际装配后缸体有关部位、尤其是缸孔的变形;2)工艺缸盖螺栓必须能多次重复使用。为此,工艺缸盖螺栓首先需确保在弹性区域内工作,以避免在多次使用后出现塑性变形的现象。其次,在制定螺栓拧紧工艺时,一般采用转角法进行分步拧紧,以使相应的轴向力较可靠地保持一致。
 
◆ 工艺缸盖螺栓能否满足轻量化小排量高性能发动机要求的验证
 
在模拟缸盖装配工位,缸体通过辊道进入举升工位实现缸体定位,机械手抓取模拟缸盖检查定位销是否损坏,若无损坏则安装落位在缸体上平面;螺栓自动上料机构将10 根螺栓准确插入模拟缸盖螺栓孔内;之后缸体回到辊道上并输送到装配拧紧工位。模拟缸盖装配工位的功能是通过工艺缸盖螺栓,把模拟缸盖与缸体结合在一起。从技术角度来讲,需要保证螺栓的转矩和角度都处于规定的技术范围内,对工艺缸盖螺栓的验证也就是在这道工序中完成的。拧紧枪是按照设定的拧紧程序和相关参数,完成螺栓自动拧紧,若合格则放行。不合格的则在全部螺栓自动拧松后,由不合格辊道退出后并报警,再由操作工检查异常螺栓和螺纹孔,随后决定采取更换螺栓后返工或直接报废。在该工位,每个缸体的10 个螺栓最终扭矩将被储存,并记录是否进行了二次拧紧。一些必要信息,如是否拧紧合格还需写入缸体的数据芯片。至于在安装缸盖螺栓出现异常,又可追溯模拟缸盖是否正常。此外,为了保证产品的稳定性,还需严格控制螺栓拧紧次数。
 
需要指出的是,在工艺缸盖螺栓的选用方面,客观上存在着两种情况:其一,选择真实产品的缸盖螺栓作为工艺缸盖螺栓来使用,这种情况主要用在小排量铝合金汽油发动机上;其二,相比用于真实产品的缸盖螺栓,工艺螺栓应选用性能等级更高的螺栓来完成这项任务,这种情况多用于中等排量铸铁缸体内燃机,如在柴油机上就用得较为普遍。说到底,都要以能满足模拟缸盖工艺的需求为前提。
 
3.为更好执行模拟缸盖工艺,需要注意的事项
 
◆ 缸体
关于何时进行缸体与模拟缸盖的安装操作,主要还是取决于不同发动机铝缸体的变形量以及设备的性能。一般来说,只有专机或造价较高的加工中心才能对带有模拟缸盖的缸体进行加工。另外,鉴于铝合金缸体安装缸盖后,会对曲轴孔的同轴度带来较大影响,多数情况下,会采用先安装模拟缸盖再进行缸孔、曲轴孔的精加工。
 
◆ 模拟缸盖
为保证有相似的变形量,在选择模拟缸盖的材质时,应尽可能与实际缸盖相同,其两端还设计有定位孔,以便于机械手抓取。模拟缸盖一般与模拟垫片配合使用,而后者使用寿命有限,故需对使用次数进行统计。解决方案是在其一侧安装数据芯片,在每次安装时,设备记录下缸盖编号以及其垫片的使用次数,并与设定的耐用度对比,以及时提醒操作工检查和更换垫片。为便于实现快速准确安装,缸体上平面设计有定位孔,与模拟缸盖设计的定位销相对应,定位销可用以固定模拟缸盖垫片。安装前需检测定位销是否异常,避免造成缸体上平面的压伤。带着模拟缸盖的缸体,在对缸孔和曲轴孔加工后,才可拆卸掉模拟缸盖。而它一经拆卸,即进入清洗工序,经过冲洗吹干后,再循环流至模拟缸盖安装工位。
 
◆ 缸盖螺栓
对轻量化的铝缸体发动机,把模拟缸盖或真实缸盖与缸体连接在一起的应该是同一种螺栓,且它们的长度也应相同,故两种缸盖的厚度需要保持一致。而在安装模拟缸盖时,还必须监控螺栓的扭矩,以避免使螺栓进入拉伸屈服区间。而在模拟缸盖拆卸后,缸盖螺栓上还残留少量乳化液及一些从螺纹孔带出的铝屑,因此需对缸盖螺栓进行清洁,确保螺纹无铝屑杂质,符合装配缸盖时对螺栓的要求。经清洗后的螺栓,被摆放在料盒中,并运送至缸盖装配工位。安装标准缸盖时,回用螺栓也同样应按企业确定的规范进行拧紧操作。缸盖螺栓在拧紧时如出现扭矩异常,需及时查看对应螺栓及螺纹孔有无异常,并将拧紧异常的螺栓报废。相比之下,对那些采用铸铁缸体的内燃机,需要面对和解决的问题会更多一些。
 
4.采用模拟缸盖工艺的有效性验证
 
为了验证采用了模拟缸盖工艺后的效果,对高性能的轻量化发动机的铝合金缸体的缸孔进行了相应的测试,具体测试过程如下:
 
◆ 第一步,执行常规工艺时的测试:
 
1)在安装标准缸盖之前,铝缸体需要先完成对4 个缸孔的珩磨;2)再在缸体上安装标准缸盖,并对4 个缸孔的多个截面进行圆度测量,可清楚地看出:实测结果都偏大,其中的缸孔发生超差,见图3 中的红线;
 
◆ 第二步,执行模拟缸盖工艺时的测试:
 
1)按照缸盖螺栓要求的拧紧扭矩,在缸体上装配了模拟缸盖,并在对4 个缸孔经过珩磨加工后,再拆除模拟缸盖;2)将缸盖安装到缸体上,测量缸孔多个截面上的变形量,从图4 所示的实测
结果可以看出,相比采取常规的加工工艺时已大大改善。
 
试验结果表明,缸体在未安装模拟缸盖时,经珩磨后其缸孔尺寸虽然基本处于合格范围,但一旦安装缸盖后就极易发生尺寸偏差,故难以满足技术要求。而采用模拟缸盖工艺,即先安装模拟缸盖再进行缸孔、曲轴孔的精加工(珩磨),就可以大大改善缸孔的制造精度。只是需注意一点,为保护铝合金缸体螺纹结构,并避免工艺缸盖螺栓进入屈服区域,在拧紧螺栓时,形成扭矩的回转角度需要减少90°。从图4 可看到,虽然在安装了标准缸盖后仍有一些轻微形变,但完全能满足技术要求,一般小于5 微米。
 
table3
 
表3
 
fig3
 
图3. 执行常规工艺时,对4 个缸孔多个截面的变形量测试
 
fig4
 
图4. 执行模拟缸盖工艺时,对4 个缸孔多个截面的变形量测试
 
5. 结语
 
模拟缸盖工艺作为一种有效提高发动机制造质量及性能的新技术,可适用于不同类型的发动机,只是在执行时,实施的具体方案有所不同。本文主要以某小排量的铝合金缸体汽油机为例,通过对原有制造工艺的适当调整,并在确保工艺缸盖螺栓符合技术要求的前提下,通过对所推行的模拟缸盖工艺与之前所执行的常规制造工艺后两者测量结果的比对,即可清晰地反映出企业贯彻这项新技术的实际意义。
 
事实上,也正是因为模拟缸盖技术解决了缸体、缸盖在装配时所出现的缸孔变形量偏大这一工艺难题,并能以较小的改造成本有效地提高了产品的制造精度和装配质量,又有很好的通用性和适应性,故这种新颖的加工技术在动力总成领域很有推广价值。
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