鋁合金缸蓋在導(dǎo)管閥座壓裝中的變形與對策

卓學(xué)

（一汽海馬動(dòng)力有限公司，?？?570216）

0 引言

在鋁合金氣缸蓋的制造過程中，目前導(dǎo)管閥座的裝配一般采取室溫裝壓工藝，采用這種工藝可以省去液氮冷卻閥座的繁瑣和降低成本，導(dǎo)管閥座的壓裝精度靠底孔嚴(yán)格的公差控制來保證。在采用這種工藝時(shí)導(dǎo)管閥座與氣缸蓋的配合都是過盈配合，而缸蓋的材料鋁合金具有比較好的塑性，因此變形是無法避免的。當(dāng)變形超過一定程度時(shí)，往往會(huì)影響缸蓋的質(zhì)量，對燃燒室面的加工精度、導(dǎo)管閥座加工精度、裝配精度都會(huì)帶來不利的影響。如何來描述和衡量變形的大小，并在加工中要采取什么樣的措施來減少變形所產(chǎn)生的負(fù)面影響，是采用室溫裝壓工藝要解決的問題。

1 缸蓋變形微觀機(jī)理及其描述

缸蓋毛坯材料為多晶體合金，多晶體的塑性變形除了滑移和孿生（室溫和低溫）以外，還有晶界滑動(dòng)和遷移（高溫），以及點(diǎn)缺陷的定向擴(kuò)散（擴(kuò)散性蠕變），鋁合金缸蓋的塑性變形在大多數(shù)情況下是這些變形微觀方式的復(fù)合[1]。

圖1 晶體滑移示意圖

目前對缸蓋變形的描述都是利用有限元分析的方法，將缸蓋施加邊界條件來進(jìn)行應(yīng)力分析，這種描述變形的方式主要是應(yīng)用在缸蓋的設(shè)計(jì)中[2-3]，而對于鋁合金缸蓋在加工過程的變形描述還是比較少。

2 變形的宏觀表現(xiàn)及衡量參數(shù)

雖然在壓裝力的作用下變形在微觀的表現(xiàn)為晶格的滑移和孿晶，但在宏觀上，由于缸蓋具有復(fù)雜的型腔，要精確描述變形幾乎是無法做到的，我們只需要設(shè)定幾個(gè)參數(shù)來衡量這個(gè)變形的大小。下面以HM474氣缸蓋作為研究對象，分別設(shè)定幾個(gè)參數(shù)來衡量壓裝的變形量，根據(jù)這些參數(shù)來采取措施減輕變形所產(chǎn)生的負(fù)面影響。

圖2 晶體孿生示意圖

圖3 進(jìn)氣側(cè)導(dǎo)管壓裝前后位置度的對比

2.1 閥座導(dǎo)管孔的位置度變化量ΔY、ΔZ

在導(dǎo)管閥座壓裝前，需要加工出導(dǎo)管閥座底孔，底孔的位置度是靠高精度的加工中心來保證，過程能力基本能達(dá)到Cpk≥1.67。通過三坐標(biāo)測量壓裝前后導(dǎo)管閥座前后（OP30和OP80）的位置度，并把這些位置度描點(diǎn)繪制在同一張圖中，進(jìn)氣側(cè)如圖3所示，排氣側(cè)如圖4所示。

通過壓裝前后導(dǎo)管位置度的測量和比較，可以明顯看出壓裝后導(dǎo)管的位置度向負(fù)方向移動(dòng)（即伸長的方向），這表明，由于導(dǎo)管閥座的過盈配合的擠壓作用，缸蓋的進(jìn)排氣側(cè)都會(huì)沿著長度方向拉長（如圖5），由此推斷位置度的變化是系統(tǒng)性的，因此用位置度變化量ΔY、ΔZ來作為描述變形的一個(gè)參數(shù)是可行的。

圖4 排氣側(cè)導(dǎo)管壓裝前后的對比

圖5 缸蓋壓裝前后導(dǎo)管位置

從以上的測量對比看出，排氣側(cè)位置度的變化離散率較小，而進(jìn)氣側(cè)的離散度較大。進(jìn)氣側(cè)氣道的形狀復(fù)雜和布置許多噴油器孔，進(jìn)氣側(cè)變形的情況更為復(fù)雜，而對于排氣側(cè)，由于排氣側(cè)是一個(gè)平面，變形幾乎具有很好的規(guī)律性。但對于某個(gè)單一的孔，位置度的變化趨勢是一致的。由此可知，對某個(gè)孔或平面的孔系，通過測量壓裝前后孔或孔系的位置度的變化量ΔY、ΔZ，可衡量變形的程度。

2.2 燃燒室面的平面度

在缸蓋加工過程之中將燃燒室面定義為100面，燃燒室面是缸蓋與缸體配合形成燃燒室的面，要具有很好的平面度才能保證良好的密封性和保證燃燒室的容積。在壓裝時(shí)，導(dǎo)管的壓裝是靠壓桿支撐在閥座面上的，可能會(huì)對燃燒室面造成一定程度的扭曲，因此測量壓裝前后燃燒室面（100面）的平面度，可以作為描述壓裝變形的一個(gè)參數(shù)。圖6、圖7是HM474缸蓋用蔡司三座標(biāo)掃描取點(diǎn)的方式測量的壓裝前后的平面度。

從取點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以明顯的看出，100面的變形是兩端凸起，中間下凹的（如圖10），通過平面度的比較，可以從宏觀上認(rèn)識變形的另一方面，檢測壓裝后的燃燒室平面度，使平面度保持在一定的范圍內(nèi)對燃燒室容積加工是十分重要的。

圖6 壓裝前燃燒室面的平面度

圖7 壓裝后燃燒室面的平面度

圖8 壓裝前100面的平面度0.0087

圖9 壓裝后100面的平面度0.0443

圖10 100面變形趨勢示意圖

3 導(dǎo)管閥座壓裝變形的影響及對策

3.1 壓裝變形對配合銷孔的影響及對策

通過以上的2個(gè)參數(shù)來衡量壓裝的變

形，就可以看出變形的大致趨勢，由于缸蓋壓裝過后伸長導(dǎo)致缸蓋與缸體的配合銷孔之間的距離變大，由于伸長，缸蓋螺栓安裝孔相對于基準(zhǔn)的位置度也會(huì)發(fā)生變化，這就會(huì)導(dǎo)致缸蓋難以安裝，如圖11所示。

這些孔都是在導(dǎo)管閥座壓裝之前的工序加工的，如果按照最終的尺寸加工，經(jīng)過壓裝這些孔的尺寸就有可能超差，導(dǎo)致以上的問題發(fā)生，因此要采取一定的對策來消除這個(gè)影響。通過測量這些孔系的位置度變化量ΔZ，并繪制出這個(gè)參數(shù)與孔距基準(zhǔn)值Z的關(guān)系（圖12）

圖11 缸蓋壓裝示意圖

可以看出壓裝前后位置度變化量ΔZ與孔距基準(zhǔn)值Z幾乎是具有很好的線性，也就是離基準(zhǔn)越遠(yuǎn)，壓裝后的伸長量就越大，通過擬合，可以得出變形經(jīng)驗(yàn)公式：Z=0.003 886+0.000 273 Z。

圖12 ΔZ與Z擬合曲線

通過這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式我們可以在加工的NC程序里對各個(gè)孔進(jìn)行補(bǔ)償，而不必要對每個(gè)孔進(jìn)行壓裝前后的測量。圖13是對補(bǔ)償后的161、162孔之間的距離的50個(gè)工件的統(tǒng)計(jì)值，從分布來看都是在尺寸（350±0.05）mm范圍內(nèi)，而且分布的狀態(tài)相對較穩(wěn)定，說明措施是有效的。

圖13 補(bǔ)償后的161、162孔之間的距離統(tǒng)計(jì)

而Y方向上由于比較狹窄，變形量不到0.01 mm（如圖3、圖4），這個(gè)變形量對于0.2 mm的位置度公差是可以忽略不計(jì)的，因此不對參數(shù)ΔY進(jìn)行分析和采取補(bǔ)償措施。

對于閥座導(dǎo)管的加工，同樣由于壓裝過后閥座導(dǎo)管相對于定位基準(zhǔn)的位置度的改變，會(huì)使導(dǎo)管閥座的加工余量不均，從而導(dǎo)致刀具壽命減少、加工精度下降等不良后果。對此，我們對比壓裝前后的導(dǎo)管位置度，采用修改導(dǎo)管閥座壓裝機(jī)的伺服滑臺來進(jìn)行補(bǔ)償（相當(dāng)于將圖12所示的擬合直線繞原點(diǎn)逆使得遠(yuǎn)端的變形縮小。

圖14 伺服滑臺補(bǔ)償后的ΔZ與Z擬合曲線圖

3.2 壓裝變形對燃燒室面的影響及對策

從上面的測量（如圖6、圖7）可以看出，壓裝后燃燒室的平面度從0.008 mm增加到0.044 mm左右，而且兩端凸起中間凹陷，雖然平面度相比于最終的產(chǎn)品要求并沒有超出公差0.05 mm的要求，但這樣可能會(huì)對燃燒室的容積的保證帶來不利，因此要采取一定的措施來保證燃燒室的容積，我們采用了測量平面度，調(diào)整加工中心B軸的方法來實(shí)現(xiàn)。先用探頭測量燃燒室面的4個(gè)點(diǎn)，根據(jù)這4個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算B軸的調(diào)整量，消除壓裝過程導(dǎo)致的平面度的變化，從而很好地保證了燃燒室面最終的平面度。

圖15 機(jī)床夾具B軸的調(diào)整示意圖

以下為調(diào)整程序：

4 結(jié)語

通過分析缸蓋導(dǎo)管閥座的壓裝過程的形式及其影響，并建立變形的描述參數(shù)：壓裝前后孔系位置度的變化量和燃燒室的平面度，用這些參數(shù)來衡量變形，再采取工藝措施對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來減輕變形所產(chǎn)生的負(fù)面影響是有效的：1）通過對加工NC程序的各個(gè)孔進(jìn)行補(bǔ)償，可以抵消孔系由于壓裝造成的偏移，從而保證孔系的尺寸要求。2)根據(jù)壓裝前后導(dǎo)管閥座的位置度變化量來調(diào)整壓裝機(jī)的伺服滑臺，可以在一定程度上減輕變形的偏移。3)采用調(diào)整B軸的方法來監(jiān)控壓裝后燃燒室的平面度，能夠很好地保證燃燒室容積。

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