模擬缸蓋工藝在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用

朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司）

為推進(jìn)《中國(guó)制造2025》中提出的國(guó)家十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一的“節(jié)能與新能源汽車”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，汽車企業(yè)對(duì)產(chǎn)品和工藝不斷地進(jìn)行優(yōu)化。而在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中，缸體因受到來自缸蓋的壓力可能出現(xiàn)缸孔變形較大，由此引起缸孔宏觀尺寸和形位公差的超差，直接影響缸孔-活塞環(huán)摩擦運(yùn)動(dòng)副的配合，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)和性能。文章提出一種操作性較強(qiáng)的新工藝，通過裝配一個(gè)硬化的工藝缸蓋，又稱“模擬缸蓋”，再進(jìn)行缸孔的后續(xù)加工，通過補(bǔ)償變形，從而有效地改進(jìn)了產(chǎn)品的制造質(zhì)量。

1 模擬缸蓋工藝介紹

由內(nèi)部摩擦造成的機(jī)械損失要占發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的80%左右，而在摩擦損失中，運(yùn)動(dòng)副摩擦又是最主要的來源。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，在多組運(yùn)動(dòng)副中，“缸孔-活塞環(huán)”是其中影響最大的一組，約占汽油發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的30%～40%[1]，因此，盡量降低其在工作中的摩擦損失，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的有效途徑。

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中，由于受到來自缸蓋螺栓較大的軸向力影響，實(shí)際裝配缸蓋后，缸體中的缸孔將會(huì)產(chǎn)生較大的變形，此外各曲軸孔同軸度也會(huì)有所變化，這樣就破壞了原缸孔與活塞間的配合，引起缸孔與活塞間的摩擦力增大，導(dǎo)致較高的漏氣量和機(jī)油損耗，這將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。此外，為了適應(yīng)較高性能和更好的減排效果的設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的軸向力出現(xiàn)了越來越大的趨勢(shì)。為此，在缸體精加工前，文章先裝配一個(gè)硬化的工藝缸蓋（又稱“模擬缸蓋”）后，如圖1所示，再進(jìn)行缸孔的精加工、超精加工，目的是有效減小整機(jī)裝配后的缸孔變形量。這種裝配了模擬缸蓋后再進(jìn)行加工，以有效地改進(jìn)產(chǎn)品制造質(zhì)量的技術(shù)[2]稱為工藝缸蓋技術(shù)或模擬缸蓋工藝。

圖1 安裝模擬缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體總成

圖2示出模擬缸蓋的工藝原理。在安裝了模擬缸蓋的情況下，按產(chǎn)品性能所需的參數(shù)要求加工缸孔，在拆除模擬缸蓋后，缸孔會(huì)出現(xiàn)變形，但在總裝線裝配真實(shí)缸蓋后，缸孔又恢復(fù)到模擬缸蓋擰緊時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，從而保證了裝配后的各項(xiàng)精度。以曲軸孔圓心的偏移為例（缸孔變形的修正原理相同），如圖2所示。在圖2a中，A點(diǎn)表示在沒有安裝真實(shí)缸蓋時(shí)的缸體曲軸孔圓心位置；圖2b反映了在安裝缸蓋后，曲軸圓心位置從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)；圖2c表示，為了確保此時(shí)曲軸圓心位置仍然在未安裝缸蓋時(shí)的A點(diǎn)處，加裝一個(gè)模擬缸蓋，然后如圖2d所示，對(duì)加裝了模擬缸蓋引起的圓心向相反位置的變化進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)紺點(diǎn)，也就是原來的A點(diǎn)即可，因?yàn)锳B=AC，大小相等，方向相反。

圖2 模擬缸蓋工藝原理

通過對(duì)裝配了真實(shí)缸蓋和模擬缸蓋后缸孔變形量的分析發(fā)現(xiàn)：裝配模擬缸蓋與裝配真實(shí)缸蓋后的缸孔變形趨勢(shì)相似度很高，所引起的變形量差異較小。因此，可以采用模擬缸蓋代替真實(shí)缸蓋進(jìn)行缸孔的精加工、超精加工。

2 模擬缸蓋工藝實(shí)施前提及螺栓驗(yàn)證

以輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁缸體為例，在推行模擬缸蓋工藝的生產(chǎn)線上，需增加缸體預(yù)清洗、模擬缸蓋裝配、模擬缸蓋拆卸、模擬缸蓋清洗及缸蓋螺栓清潔5個(gè)工位。

2.1 實(shí)施前提

缸體受到缸蓋所施加的壓力后，將會(huì)引起缸孔的較大形變及各曲軸孔同軸度的變化，而缸體所受到的載荷本質(zhì)上就是缸蓋螺栓在擰緊后的軸向力。所以，新技術(shù)實(shí)際上就是先通過模擬缸蓋裝置來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的裝機(jī)狀態(tài)，再進(jìn)行缸孔的珩磨。而為了實(shí)現(xiàn)裝機(jī)后缸孔及其他關(guān)鍵部位變形量減少的目的，所選用的工藝缸蓋螺栓必須滿足2個(gè)條件。

1）在工藝缸蓋螺栓擰緊后所產(chǎn)生的軸向力應(yīng)與實(shí)際裝機(jī)產(chǎn)品的缸蓋螺栓的軸向力相同，只有如此，才能減小實(shí)際裝配后缸體有關(guān)部位，尤其是缸孔的變形。

2）工藝缸蓋螺栓需能多次重復(fù)使用，為此，工藝缸蓋螺栓首先需確保在彈性區(qū)域內(nèi)工作，以避免在多次使用后出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象。其次，在制定螺栓擰緊工藝時(shí)，必須采用轉(zhuǎn)角法進(jìn)行分步擰緊，這樣才能使軸向力較可靠地保持一致[3]。

2.2 螺栓驗(yàn)證

相對(duì)而言，輕量化的小排量鋁缸體發(fā)動(dòng)機(jī)工藝缸蓋螺栓的驗(yàn)證，因能直接在生產(chǎn)中進(jìn)行，故會(huì)簡(jiǎn)單些。

在模擬缸蓋裝配工位，缸體通過輥道進(jìn)入舉升工位實(shí)現(xiàn)缸體定位，機(jī)械手抓取模擬缸蓋檢查定位銷是否損壞，若無損壞則安裝落位在缸體上平面；螺栓自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)將10根螺栓準(zhǔn)確插入模擬缸蓋螺栓孔內(nèi)；之后缸體回到輥道上并輸送到裝配擰緊工位。模擬缸蓋裝配工位的功能是通過工藝缸蓋螺栓，把模擬缸蓋與缸體結(jié)合在一起。從技術(shù)角度，需要保證螺栓的轉(zhuǎn)矩和角度都處于規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)，對(duì)工藝缸蓋螺栓的驗(yàn)證也就是在這道工序中完成的。擰緊槍是按照設(shè)定的擰緊程序和相關(guān)參數(shù)，完成螺栓自動(dòng)擰緊，若合格則放行，不合格則自動(dòng)擰松全部螺栓后，由不合格輥道退出后并報(bào)警。再由操作工檢查異常螺栓和螺紋孔，判斷是否可以更換螺栓后返工或直接報(bào)廢。在擰緊工位，每個(gè)缸體10根螺栓的最終轉(zhuǎn)矩將被儲(chǔ)存，并記錄是否進(jìn)行了二次擰緊。一些必要信息，如是否擰緊合格還需寫入缸體的數(shù)據(jù)芯片。利用這些信息，當(dāng)缸蓋螺栓安裝異常時(shí)，就可追溯（了解）模擬缸蓋是否處于正常狀態(tài)。此外，為保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，還需嚴(yán)格控制螺栓擰緊次數(shù)。

在工藝缸蓋螺栓選用上存在2種情況：1）選擇真實(shí)產(chǎn)品的缸蓋螺栓作為工藝缸蓋螺栓來使用，這種情況主要出現(xiàn)在輕量化中小排量鋁合金汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上；2）相比用于真實(shí)產(chǎn)品的缸蓋螺栓，工藝螺栓應(yīng)選用性能等級(jí)更高的螺栓以勝任這項(xiàng)任務(wù)，此類情況多用于鑄鐵缸體的中等排量發(fā)動(dòng)機(jī)，如在柴油機(jī)上就用得較為普遍。說到底，都要以能滿足模擬缸蓋工藝的需要為前提。

3 注意事項(xiàng)

3.1 缸體

關(guān)于何時(shí)進(jìn)行缸體與模擬缸蓋的安裝操作，主要還是取決于不同發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸體的變形量以及設(shè)備的性能。一般來說，只有專機(jī)或造價(jià)較高的加工中心才能對(duì)帶有模擬缸蓋的缸體進(jìn)行加工。另外，鑒于鋁合金缸體安裝缸蓋后，會(huì)對(duì)曲軸孔的同軸度帶來較大影響，因此多數(shù)情況下，會(huì)采用先安裝模擬缸蓋再進(jìn)行缸孔、曲軸孔精加工的方法。

3.2 模擬缸蓋

為保證有相似的變形量，在選擇模擬缸蓋的材料時(shí)，應(yīng)盡可能與實(shí)際缸蓋相同，其兩端還需設(shè)計(jì)有定位孔，以便于機(jī)械手抓取。模擬缸蓋一般與模擬墊片配合使用，而后者使用壽命有限，故需對(duì)使用次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。解決方案是在其一側(cè)安裝數(shù)據(jù)芯片，在每次安裝時(shí)，設(shè)備記錄下缸蓋編號(hào)以及其墊片的使用次數(shù)，并與設(shè)定的耐用度進(jìn)行對(duì)比，以及時(shí)提醒操作工檢查和更換墊片。為便于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確安裝，缸體上平面設(shè)計(jì)有定位孔，與模擬缸蓋設(shè)計(jì)的定位銷相對(duì)應(yīng)，定位銷可用以固定模擬缸蓋墊片。安裝前需檢測(cè)定位銷是否異常，避免造成缸體上平面的壓傷。帶著模擬缸蓋的缸體，在對(duì)其缸孔和曲軸孔加工后，才可拆卸掉模擬缸蓋。而它一經(jīng)拆卸，即進(jìn)入清洗工序，經(jīng)過沖洗吹干后，再循環(huán)流至模擬缸蓋安裝工位。

3.3 缸蓋螺栓

對(duì)輕量化的鋁缸體發(fā)動(dòng)機(jī)而言，把模擬缸蓋或真實(shí)缸蓋與缸體連接在一起的是同一種螺栓，且它們的長(zhǎng)度也相同，故2種缸蓋的厚度也保持一致。而在安裝模擬缸蓋時(shí)，還必須監(jiān)控螺栓的轉(zhuǎn)矩，以避免使螺栓進(jìn)入拉伸屈服區(qū)間。而在模擬缸蓋拆卸后，缸蓋螺栓上還殘留少量乳化液及一些從螺紋孔帶出的鋁屑，因此需對(duì)缸蓋螺栓進(jìn)行清潔，確保螺紋無鋁屑雜質(zhì)、不帶毛刺，即符合裝配缸蓋時(shí)對(duì)螺栓的要求。經(jīng)清洗后的螺栓被擺放在料盒中，并運(yùn)送至缸蓋裝配工位。安裝標(biāo)準(zhǔn)缸蓋時(shí)，回用螺栓也同樣應(yīng)按企業(yè)確定的規(guī)范進(jìn)行擰緊操作。缸蓋螺栓在擰緊時(shí)如出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩異常[4]，需及時(shí)查看對(duì)應(yīng)螺栓及螺紋孔有無異常，并將擰緊異常的螺栓報(bào)廢。相比之下，采用鑄鐵缸體的內(nèi)燃機(jī)需要面對(duì)和解決的問題會(huì)更多一些。

4 模擬缸蓋工藝的有效性驗(yàn)證

4.1 輕量化小排量發(fā)動(dòng)機(jī)

為了驗(yàn)證模擬缸蓋工藝的效果，對(duì)高性能的輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體的缸孔進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 小排量發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體缸孔變形量測(cè)試結(jié)果

執(zhí)行常規(guī)工藝時(shí)，在安裝標(biāo)準(zhǔn)缸蓋之前，需要先完成對(duì)鋁缸體4個(gè)缸孔的珩磨，再在缸體上安裝標(biāo)準(zhǔn)缸蓋，并對(duì)4個(gè)缸孔的多個(gè)截面進(jìn)行變形量檢測(cè)。從圖3a可清楚地看出，實(shí)測(cè)結(jié)果都偏大，其中的缸孔2發(fā)生超差（＞5 μm）。

執(zhí)行模擬缸蓋工藝時(shí)，按照缸蓋螺栓要求的擰緊轉(zhuǎn)矩，在缸體上裝配模擬缸蓋，并在對(duì)4個(gè)缸孔進(jìn)行珩磨加工后，再拆除模擬缸蓋；將缸蓋安裝到缸體上，測(cè)量缸孔多個(gè)截面上的變形量。從圖3b可以看出，相比采取常規(guī)的加工工藝，缸孔變形量已大大改善。

試驗(yàn)結(jié)果表明，缸體在還未裝配模擬缸蓋時(shí)，經(jīng)過珩磨后其缸孔尺寸雖然基本上都處于合格范圍，但一旦安裝缸蓋后極易發(fā)生超差，從而難以滿足技術(shù)要求。而采用模擬缸蓋工藝，即先安裝模擬缸蓋再進(jìn)行缸孔、曲軸孔的精加工（珩磨），將大大改善缸孔的制造精度。

只是需注意一點(diǎn)，為保護(hù)鋁合金缸體螺紋結(jié)構(gòu)，并避免工藝缸蓋螺栓進(jìn)入屈服區(qū)域，在擰緊螺栓時(shí)，形成轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)角度需要減少90°。從圖3b可看到，雖然在安裝了標(biāo)準(zhǔn)缸蓋后仍有一些輕微形變，但完全能滿足小于5 μm的技術(shù)要求。

4.2 中等排量鑄鐵缸體內(nèi)燃機(jī)

以某中等排量鑄鐵缸體柴油機(jī)為例，所采取的試驗(yàn)方法與輕量化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相似，只是在選擇的內(nèi)容上有些不同[5]。表1和表2分別示出2種工藝的鑄鐵缸體柴油機(jī)缸孔變形量。

表1 鑄鐵缸體柴油機(jī)缸孔變形量（常規(guī)工藝） μm

表2 鑄鐵缸體柴油機(jī)缸孔變形量（模擬缸蓋工藝） μm

在表1和表2中，1～4缸數(shù)列并非是指缸孔的多個(gè)截面，傅里葉階次對(duì)應(yīng)于工件的某種加工狀態(tài)，如“6階次”就意味著，此時(shí)的缸蓋已按照擰緊規(guī)范與缸體裝配完畢，測(cè)量結(jié)果的性質(zhì)與圖3相同。而2～5階次則對(duì)應(yīng)于某道工序完成后的狀態(tài)，故它們所允許的偏差（限值）是不同的。按照常規(guī)工藝生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品缸孔變形量，如表1所示；執(zhí)行模擬缸蓋工藝，按照60 N·m+140°+90°的擰緊規(guī)范，通過工藝螺栓將其裝配在缸體上，重復(fù)上述測(cè)量步驟得到的缸孔變形量，如表2所示。

從表1和表2的對(duì)比結(jié)果可以看出，采用模擬缸蓋與缸體擰緊后再進(jìn)行珩磨的新技術(shù)后，缸體在完成產(chǎn)品裝配后，缸孔變形量得到了明顯改善，同樣也能很好地滿足技術(shù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

模擬缸蓋工藝作為一種有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造質(zhì)量及性能的新技術(shù)，可適用于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，只是在執(zhí)行時(shí)，實(shí)施的具體方案有所不同。文章主要以小排量輕量化鋁合金缸體汽油機(jī)為例，對(duì)原有制造工藝進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，并在確保工藝缸蓋螺栓符合技術(shù)要求的前提下，對(duì)所實(shí)行模擬缸蓋工藝與常規(guī)制造工藝后缸孔變形量的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。因?yàn)槟M缸蓋技術(shù)解決了缸體、缸蓋在裝配時(shí)所出現(xiàn)的缸孔變形量偏大這一工藝難題，并能以較小的改造代價(jià)有效提高產(chǎn)品的制造精度和裝配質(zhì)量，且具有很好的通用性和適應(yīng)性，故該加工技術(shù)在動(dòng)力總成領(lǐng)域具有良好的推廣價(jià)值。