柴油機(jī)缸套變形分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

韓昆朋

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

隨著排放法規(guī)的逐步升級(jí)，為減少內(nèi)燃機(jī)的有害物排放，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)缸套失圓變形的控制。缸套變形對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃油耗、機(jī)油耗、尾氣排放、工作可靠性等性能均有顯著影響[1-4]。缸蓋螺栓的預(yù)緊力、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種機(jī)械載荷、熱負(fù)荷、機(jī)體和缸套的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等都會(huì)對(duì)缸套變形產(chǎn)生影響，缸套變形的研究長(zhǎng)期以來(lái)一直是內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。

缸蓋螺栓的預(yù)緊力、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種機(jī)械載荷、熱負(fù)荷、機(jī)體和缸套的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等都會(huì)對(duì)缸套變形產(chǎn)生影響。當(dāng)前采用軟件仿真進(jìn)行缸套變形研究比較普遍。

文獻(xiàn)[5]用軟件仿真的方法，研究缸蓋螺栓的預(yù)緊力、沉孔深度和位置分布對(duì)缸套變形的影響規(guī)律，并利用測(cè)得的圓度結(jié)果，對(duì)部分計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]采用軟件仿真方式，研究了缸套支撐結(jié)構(gòu)對(duì)缸套變形的影響。文獻(xiàn)[6-8]用軟件仿真的方法研究了熱應(yīng)力、螺栓預(yù)緊力、缸內(nèi)壓力及活塞側(cè)擊力對(duì)缸套變形的影響。文獻(xiàn)[9]研究了機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)缸套變形的影響。文獻(xiàn)[10]采用軟件仿真的方式研究了缸套變形與氣缸竄氣、拉缸之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]等通過(guò)軟件仿真優(yōu)化了活塞型線與缸孔型線，減低了摩擦損失和活塞對(duì)缸套的敲擊。文獻(xiàn)[12]用試驗(yàn)方法研究了缸套加工變形對(duì)缸套在機(jī)體安裝后變形的影響。文獻(xiàn)[13-14]用軟件仿真和試驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了機(jī)體初始變形、機(jī)體缸套配合公差對(duì)缸套變形的影響。

文獻(xiàn)[15]用軟件仿真對(duì)一臺(tái)6缸中重型柴油機(jī)擴(kuò)缸后的缸套變形進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)缸套壁厚和材料的變化有效地控制擴(kuò)缸后的缸套變形。文獻(xiàn)[16]采用模擬缸蓋加工機(jī)體的工藝，控制了缸套的變形，明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量。與軟件仿真的研究相比，在工藝和試驗(yàn)測(cè)量方面對(duì)缸套變形的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[17]通過(guò)優(yōu)化缸孔鏜削工藝提高了珩磨后缸孔尺寸精度、圓度、圓柱度和平臺(tái)網(wǎng)紋的質(zhì)量。

文獻(xiàn)[18]研究了缸孔珩磨加工工藝、珩磨原理及平臺(tái)網(wǎng)紋參數(shù)應(yīng)用與控制方法，通過(guò)公式計(jì)算及圖示分析從根源上分析各網(wǎng)紋參數(shù)間的關(guān)系及網(wǎng)紋角控制措施。

隨著排放法規(guī)的逐步升級(jí)，為減少內(nèi)燃機(jī)的有害物排放，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)缸套失圓變形的控制，內(nèi)燃機(jī)缸孔采用珩磨工藝成為主流技術(shù)趨勢(shì)[19-20]。不少柴油機(jī)制造企業(yè)開始采用“雙珩磨”工藝，即機(jī)體缸孔和缸套內(nèi)孔均采用珩磨工藝。珩磨主要分為普通珩磨、平臺(tái)珩磨、滑動(dòng)珩磨、激光珩磨等，其中平臺(tái)珩磨應(yīng)用較為普遍。珩磨工藝與內(nèi)孔鏜削工藝相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

珩磨時(shí)參與切削的磨粒多，加在每粒磨粒上的切削力非常小，對(duì)缸孔的變形影響??；珩磨切速低（速度僅為砂輪磨削速度的幾十份之一），在珩磨過(guò)程又有大量冷卻液對(duì)工件表面進(jìn)行冷卻，使得加工變形層薄，能得到理想的表面紋理。由于珩磨頭與機(jī)床采用浮動(dòng)連接，能確保珩磨后余量均勻，并能修正前道工序產(chǎn)生的幾何形狀誤差和表面波度誤差，使得最終加工后缸孔變形小。

這里以某型直列4缸拖拉機(jī)用柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用干式缸套。原始設(shè)計(jì)的機(jī)體缸孔采用鏜削工藝加工，但由于鏜桿和鏜模的限制，加工后易出現(xiàn)缸孔變形導(dǎo)致缸套變形超差，因此需要采取措施對(duì)缸套的變形加以控制。在原設(shè)計(jì)方案的機(jī)體上，對(duì)比了鏜削和平臺(tái)珩磨兩種工藝對(duì)機(jī)體缸孔和缸套內(nèi)孔變形的影響，并分析了預(yù)緊力對(duì)缸套輪廓變形的影響，最后通過(guò)優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采用珩磨工藝的改進(jìn)方案基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)缸套變形的控制。

2 試驗(yàn)樣品及測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)樣品

研究所用機(jī)體缸孔分別采用精鏜工藝、珩磨工藝加工，兩種工藝的主要過(guò)程分別為：缸孔鏜削工藝工序流程：粗鏜缸孔→半精鏜缸孔→精鏜缸孔；缸孔珩磨工藝工序流程：粗鏜缸孔→半精鏜缸孔→精鏜缸孔→珩磨缸孔。精鏜-珩磨缸孔示意圖，如圖1所示。珩磨前（精鏜缸孔后）氣缸孔存在內(nèi)應(yīng)力和讓刀現(xiàn)象，造成氣缸孔中間部位輕微變形，而珩磨后，修正了形狀公差，對(duì)缸孔尺寸控制精度和形狀修正能力要好于鏜削工藝，這也是缸孔珩磨工藝取代精鏜工藝的重要原因。

圖1 精鏜-珩磨缸孔變形示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Fine Bore-Honing Cylinder Hole Deformation

缸套采用硼銅合金鑄鐵材質(zhì)，缸套壁厚1.5mm，缸套外徑的設(shè)計(jì)尺寸為?113±0.015mm。機(jī)體缸孔與缸套采用過(guò)渡配合，最大過(guò)盈量為0.02mm，最大間隙值為0.04mm。

為減少加工精度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，根據(jù)機(jī)體缸孔的測(cè)量值選用缸套進(jìn)行分組裝配，確保各缸套和缸孔名義尺寸一致，裝配過(guò)盈量控制為0。自由狀態(tài)下12只缸套樣品外徑的測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 缸套外徑實(shí)測(cè)值Tab.1 Measured Outer Diameter of Cylinder Sleeve

2.2 測(cè)量設(shè)備及測(cè)試方法

缸孔變形測(cè)量需要使用測(cè)頭觸碰缸套內(nèi)表面測(cè)點(diǎn)獲取其精確的三維空間坐標(biāo)，測(cè)頭將在一個(gè)橫向截面的測(cè)點(diǎn)測(cè)量完畢后，再移動(dòng)到另一橫向截面內(nèi)測(cè)量。

為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，使用GlobalSilver三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（測(cè)量精度≤2μm）測(cè)量機(jī)體缸孔及缸套內(nèi)孔的變形量。

測(cè)量時(shí)遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，以機(jī)體加工基準(zhǔn)面（底面）和兩個(gè)定位銷孔為基準(zhǔn)建立空間測(cè)量坐標(biāo)系。缸孔變形值定義為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)圓半徑（這里為66.5mm）位置的差值。從缸孔頂部向下沿氣缸軸線方向，按間隔10mm 設(shè)置18 個(gè)測(cè)量截面，每個(gè)截面在圓周方向均勻布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)間隔30°），即每個(gè)氣缸有216個(gè)測(cè)點(diǎn)。

測(cè)量環(huán)境：環(huán)境溫度22℃，濕度45%，氣源壓力0.6MPa，氣源濕度＜15%，工作區(qū)域潔凈、無(wú)塵，微正壓。

3 機(jī)體缸孔加工工藝對(duì)缸套變形的影響

3.1 加工工藝對(duì)機(jī)體缸孔變形的影響

首先在不安裝缸套的條件下，研究鏜削工藝和珩磨工藝對(duì)機(jī)體缸孔變形的影響。為便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)試結(jié)果生成缸孔輪廓變形圖。柴油機(jī)4個(gè)缸在兩種不同缸孔加工工藝下的變形規(guī)律大體相同，僅列出兩種工藝下第4缸缸孔的輪廓變形圖，如圖2所示。圖中角度規(guī)定：0°為機(jī)體進(jìn)氣側(cè)，90°為機(jī)體前端。由圖2可以看出：鏜削工藝下的變形呈現(xiàn)出中間大、兩端小的特點(diǎn)，變形量大的區(qū)域出現(xiàn)在距離缸孔頂面（100～150）mm、圓周角（150～180）°和（270～300）°之間，最大變形量為0.03mm；而使用珩磨工藝的氣缸孔也存在一定變形，但沒(méi)有明顯的大變形量區(qū)域，缸孔變形分布相對(duì)均勻，缸孔在為90°、270°方向（機(jī)體縱向）上的變形稍大，最大變形量為0.02mm。

圖2 第4缸缸孔（無(wú)缸套）內(nèi)表面變形圖Fig.2 Internal Surface Deformation Diagram of the 4th Cylinder Hole（No-Cylinder Sleeve）

從機(jī)體缸孔的變形上看，缸孔加工使用珩磨工藝要優(yōu)于鏜削工藝，原因在于鏜削加工時(shí)刀具切削會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和彈性讓刀現(xiàn)象，而珩磨缸孔時(shí)采用浮動(dòng)主軸磨削加工，因此不產(chǎn)生上述現(xiàn)象。

3.2 加工工藝對(duì)缸套內(nèi)孔變形的影響

將缸套裝入機(jī)體，放置氣缸墊和缸蓋后，將缸蓋螺栓、主軸承螺栓擰緊，以研究?jī)煞N機(jī)體缸孔加工工藝對(duì)缸套變形的影響。第4缸缸套內(nèi)孔輪廓的變形，如圖3所示。

圖3 第4缸缸套內(nèi)孔表面輪廓變形圖Fig.3 Profile Deformation of Surface of Inner Hole of Cylinder 4

由圖3可以看出，缸套裝入機(jī)體并施加預(yù)緊力后，氣缸套都呈“腰鼓狀”（中間大，兩頭?。┳冃?，大變形位置主要出現(xiàn)在截面高度（100～160）mm 之間。采用精鏜缸孔工藝時(shí)，缸套中間部位的最大變形量為（0.04～0.05）mm。而采用缸孔珩磨工藝后，缸套中間部位的大變形區(qū)域明顯減小，最大變形量在（0.03～0.038）mm區(qū)間。與精鏜缸孔工藝相比，珩磨工藝使裝配后缸套內(nèi)孔的最大變形量降低約0.01mm。

為排除隨機(jī)因素的干擾，分別對(duì)3個(gè)鏜削工藝、3個(gè)使用珩磨的機(jī)體，裝入缸套施加預(yù)緊力后，測(cè)量缸套內(nèi)孔輪廓變形量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出缸套各截面的圓度值，6個(gè)裝配機(jī)體第4缸缸套的圓度，如圖4所示。

圖4 第4缸缸套圓度（不同工藝對(duì)比）Fig.4 Cylinder 4th Cylinder Sleeve Roundness（Different Process Comparison）

由圖4可以看出，缸套各截面圓度變化大的區(qū)域主要在距離頂面（40～110）mm的位置，此區(qū)域內(nèi)使用精鏜缸孔工藝的缸套圓度值在（0.035～0.045）mm之間。采用珩磨工藝后，缸套大變形區(qū)域明顯減小，圓度變化大的區(qū)域主要在距離缸套頂面（110～130）mm 的位置，圓度值為（0.02～0.035）mm。與精鏜工藝比，珩磨缸孔工藝使得裝配壓緊后的缸套內(nèi)孔圓度有較大的改善，缸套圓度最大值降低0.01mm。珩磨工藝成為行業(yè)的主流技術(shù)[18-20]。

4 預(yù)緊力對(duì)缸套內(nèi)孔圓度的影響

將缸套分別裝入3個(gè)珩磨鏜削工藝加工的機(jī)體，安裝缸蓋、缸墊、主軸承蓋、缸蓋螺栓、主軸承蓋螺栓等零件，在有、無(wú)缸蓋及主軸承螺栓預(yù)緊力兩種狀態(tài)下，測(cè)量缸套內(nèi)孔圓度。施加預(yù)緊力前后第4缸缸套的圓度，其余3個(gè)缸圓度的變化規(guī)律與第4缸類似，如圖5所示。

圖5 第4缸缸套圓度（有無(wú)預(yù)緊力對(duì)比）Fig.5 Cylinder 4 Cylinder Sleeve Roundness（with Pre-Tension Contrast）

從圖5可以看出，相對(duì)于沒(méi)有預(yù)緊力的狀態(tài)，施加預(yù)緊力后缸套圓度增大量約為（0.015～0.02）mm。缸套圓度最大變化截面位于距離缸套頂面（1/3～1/2）處，圓度增加0.02mm，與沒(méi)有施加預(yù)緊力的狀態(tài)比，圓度最大值增大約80%。機(jī)體剛度直接影響到干式缸套的變形，與無(wú)預(yù)緊時(shí)缸套圓度比，缸蓋螺栓、主軸承螺栓擰緊后，缸套圓度變化大的測(cè)量結(jié)果也反映了機(jī)體原設(shè)計(jì)方案剛度較弱短板，后續(xù)若想要進(jìn)一步降低缸套變形，需提高機(jī)體的結(jié)構(gòu)剛度。

5 優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減小缸套內(nèi)孔變形

從缸套的變形來(lái)看，機(jī)體缸孔采用珩磨工藝優(yōu)于精鏜工藝，但珩磨工藝對(duì)缸套變形改善有限，還需從優(yōu)化機(jī)體設(shè)計(jì)加強(qiáng)剛度方面著手，才能更好地控制缸套變形。

5.1 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)缸套變形的影響

為控制缸套變形，對(duì)原柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

（1）增加氣缸筒外壁厚度，更改兩缸之間過(guò)水區(qū)域尺寸；

（2）增加機(jī)體頂板厚度，更改螺栓孔尺寸；

（3）優(yōu)化進(jìn)、排氣側(cè)結(jié)構(gòu)（推桿室、機(jī)冷安裝處），提高機(jī)體整體強(qiáng)度；

（4）改進(jìn)機(jī)體水套結(jié)構(gòu)，優(yōu)化冷卻能力。

采用快速成型鑄造工藝試制改進(jìn)方案機(jī)體2臺(tái)，研究機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后缸套內(nèi)孔變形量的變化。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的機(jī)體缸孔采用珩磨工藝加工，將缸套裝入機(jī)體并施加缸蓋螺栓預(yù)緊力和主軸承螺栓預(yù)緊力，原始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案第4缸缸套內(nèi)孔輪廓變形，如圖6所示。

圖6 機(jī)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后缸套（第4缸）內(nèi)孔變形對(duì)比Fig.6 The Inner Hole Deformation Comparison Between the Front and Rear Cylinder Sleeve（Cylinder 4）

由圖6可以看出，機(jī)體改設(shè)計(jì)后，施加預(yù)緊力狀態(tài)下氣缸套變形呈“腰鼓狀”（中間大，兩頭?。┑囊?guī)律不變。原設(shè)計(jì)的機(jī)體，缸套變形主要出現(xiàn)在距離頂面（100～130）mm 位置，該區(qū)域變形值大部分在（0.035～0.04）mm之間；改進(jìn)方案的機(jī)體，缸套的大變形位置基本不變，此區(qū)域的變形值大部分在（0.025～0.03）mm 之間。機(jī)體改進(jìn)設(shè)計(jì)后，缸套內(nèi)孔輪廓變形量明顯減小，最大變形量下降0.01mm，減少了25%。

5.2 機(jī)體改進(jìn)方案量產(chǎn)后的試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)后的柴油機(jī)已經(jīng)通過(guò)了臺(tái)架性能試驗(yàn)和1000h可靠性試驗(yàn)測(cè)試，并已經(jīng)批量生產(chǎn)。為驗(yàn)證改進(jìn)方案對(duì)缸孔圓度控制的穩(wěn)定性，從生產(chǎn)線上隨機(jī)挑選50臺(tái)機(jī)體，每個(gè)缸選擇上、中、下3個(gè)截面，用內(nèi)徑表測(cè)量的方式獲得各個(gè)截面的圓度，50臺(tái)機(jī)體共600個(gè)截面圓度統(tǒng)計(jì)值，如表2所示。

表2 50臺(tái)機(jī)體缸孔的截面圓度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Cross-Section Roundness of 50 Body Cylinder Holes

設(shè)計(jì)要求氣缸孔圓度為Ф0.006mm，由統(tǒng)計(jì)表可以看出，機(jī)體量產(chǎn)后缸孔對(duì)理論圓的偏差數(shù)值基本控制在0.005mm以內(nèi)，只有23個(gè)截面圓度出現(xiàn)超差，圓度總體合格率96.17%。相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案的機(jī)體缸孔0.015mm的圓度，改進(jìn)方案對(duì)批產(chǎn)后缸孔圓度控制是有效且穩(wěn)定的。

6 結(jié)論

與精鏜缸孔工藝相比，柴油機(jī)的機(jī)體缸孔加工采用珩磨工藝后，缸孔變形和裝配后的缸套內(nèi)孔變形均有一定程度的改善，但改善程度仍不能滿足產(chǎn)品升級(jí)的要求。缸蓋螺栓、主軸承螺栓預(yù)緊力對(duì)缸套孔的圓度影響重大，相對(duì)于沒(méi)有預(yù)緊力的狀態(tài)，施加預(yù)緊力后缸套圓度最大值增大約80%。使用優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和缸孔珩磨工藝的改進(jìn)方案，使得機(jī)體缸孔的圓度j基本上控制在Ф 0.006mm以內(nèi)，從而使得裝配后的缸套內(nèi)孔變形得到明顯改善。