缸體水套開(kāi)口設(shè)計(jì)對(duì)加工影響的實(shí)驗(yàn)分析

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 缸體結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是內(nèi)燃機(jī)的骨架，發(fā)動(dòng)機(jī)的所有零件和附件幾乎都要裝在它上面。機(jī)體的材料，一般采用灰鑄鐵。缸體在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，要承受氣體壓力和慣性力[1]。車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體常采用水冷的冷卻方式，故需要在缸體上設(shè)計(jì)水套?？紤]到鑄造工藝的限制，常在缸體和缸蓋結(jié)合面采用開(kāi)口設(shè)計(jì)。根據(jù)工藝和設(shè)計(jì)的目的不同，開(kāi)口設(shè)計(jì)分為全開(kāi)式和半開(kāi)式。全開(kāi)式鑄造工藝簡(jiǎn)單，清砂效果好；半開(kāi)式鑄造過(guò)程中清砂工藝難度會(huì)增加，但是缸孔區(qū)域的剛度得到提高，在加工過(guò)程中的變形以及合格率得到提高。

缸孔加工工藝為：粗鏜→精鏜→絎磨，鏜孔加工去除余量較多，產(chǎn)生的變形量也相對(duì)較大，絎磨產(chǎn)生的變形量較小。在精鏜過(guò)程中，如果產(chǎn)生的變形量較大，導(dǎo)致缸孔橢圓度過(guò)大，則有可能導(dǎo)致缸孔在最終的絎磨工藝中無(wú)法校正過(guò)來(lái)，進(jìn)而影響了最終成品缸體的質(zhì)量[2]。加工示意圖如圖1所示。

圖1缸孔加工示意圖

1.1 原缸體水套結(jié)構(gòu)

原缸體的水套結(jié)構(gòu)為半開(kāi)式水套（見(jiàn)圖2），在缸體的進(jìn)排氣側(cè)方向沒(méi)有加強(qiáng)筋。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，靠近缸孔頂部的圓度測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。這樣的結(jié)構(gòu)在鑄造過(guò)程中更利于殘余砂的排出，同時(shí)在缸孔頂部由于缺少支撐，剛度在頂部區(qū)域會(huì)有所下降。

1.2 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了提高缸體頂部圓度加工的穩(wěn)定性，考慮在水套開(kāi)口位置增加加強(qiáng)筋，如圖3所示。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的原理是：在缸體的頂部提供額外支撐，提高缸孔頂部區(qū)域的剛度，進(jìn)而減小加工過(guò)程中的變形。

圖2原缸體結(jié)構(gòu)

圖3優(yōu)化后缸體結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證更改效果有效，需要進(jìn)行計(jì)算分析和實(shí)際生產(chǎn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，從而確保優(yōu)化措施有效。

2 計(jì)算分析

2.1 缸孔的變形機(jī)制

一個(gè)系統(tǒng)在受到外力的情況下會(huì)發(fā)生變形，而變形的程度是與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)好，材料強(qiáng)度高，則在受到外力的情況下形變則小。反之亦然。

缸體在加工過(guò)程中，屬于一個(gè)去除材料的過(guò)程。缸孔承受著加工過(guò)程中的切屑力，同時(shí)發(fā)生變形；在加工切屑力去除之后，缸孔的變形會(huì)發(fā)生回彈，殘余的不能回彈的變形量則成了永久變形。缸孔區(qū)域結(jié)構(gòu)的剛度直接關(guān)系到最終成品的缸孔的圓度以及圓柱度。剛性較好的缸體，在加工過(guò)程中的形變較少，最終變形也小；剛性較差的缸體，在加工過(guò)程中的變形交大，剛性也隨之變差。通過(guò)優(yōu)化缸體結(jié)構(gòu)剛度，減小在加工過(guò)程中的變形，能夠提高最終成品的圓度以及圓柱度，進(jìn)而改善了在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的異常磨損，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。

為了評(píng)估兩種結(jié)構(gòu)的缸體對(duì)于缸孔加工過(guò)程中變形的改善，本文采用了有限元分析的方法。步驟如下：（1）首先繪制兩種方案的缸體的數(shù)模；（2）將兩種結(jié)構(gòu)的缸體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；（3）對(duì)缸體網(wǎng)格賦予HT250的材料屬性；（4）對(duì)缸孔加載，模擬加工過(guò)程中的受力情況；（5）求解分析；（6）對(duì)比兩種缸體結(jié)構(gòu)的變形情況。

2.2 分析結(jié)果

本文采用Hypermesh對(duì)缸體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用CTETRA單元，單元數(shù)量為131 023。根據(jù)實(shí)際加緊的方式，對(duì)缸體六個(gè)自由度進(jìn)行約束（見(jiàn)圖4）。對(duì)缸孔施加徑向的力，模擬加工過(guò)程中受力導(dǎo)致變形。定量加載2 000 N的力，評(píng)估不同結(jié)構(gòu)的缸體受力變形的大小。分析結(jié)果如圖5所示。

圖4邊界條件示意圖

圖5分析結(jié)果示意圖

將兩者的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。從圖6曲線可以看到，增加了加強(qiáng)筋的缸體的變形量比沒(méi)有加加強(qiáng)筋的缸體變形量小。這是由于增加了加強(qiáng)筋的缸體提高了系統(tǒng)整體的剛度，故在受力情況下產(chǎn)生的形變較小。由此得知，更改結(jié)構(gòu)后的缸體剛度較好，在受到外力的情況下產(chǎn)生的形變較小。通過(guò)設(shè)計(jì)更改達(dá)到了提高系統(tǒng)剛度提高的目的，下一步需要通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程驗(yàn)證剛度提高對(duì)于圓度的貢獻(xiàn)。

圖6分析結(jié)果對(duì)比

3 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

3.1 生產(chǎn)過(guò)程分析

缸孔圓度設(shè)計(jì)要求為5μm，為了分析圓度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，本文采用過(guò)程統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)125件生產(chǎn)的圓度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估測(cè)量數(shù)據(jù)的均值x軃，以及標(biāo)準(zhǔn)差σ，并計(jì)算過(guò)程能力指數(shù)及過(guò)程性能。

3.2 更改前缸體加工測(cè)量數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)更改前的加工測(cè)量數(shù)據(jù)，分析圖如圖7所示。由數(shù)據(jù)可知x軃為 2.612 μm，6σ 為 4.501.統(tǒng)計(jì)更改后的加工測(cè)量數(shù)據(jù)，分析圖如圖8所示。由數(shù)據(jù)可知x軃為2.395μm，6σ為3.012 7.由數(shù)據(jù)可以得知，通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的更改，改善了最終加工的結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)的Statistical Process Control（統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）分析（表1）可以得知，數(shù)據(jù)的一致性得到了很大的提高，報(bào)廢零件的數(shù)量也得到減少。在更改前，缸孔的圓度沒(méi)有滿(mǎn)足關(guān)鍵質(zhì)量特性Ppk>1.67的要求，通過(guò)結(jié)構(gòu)的更改，達(dá)到了Ppk>1.67的目標(biāo)。

圖7原結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表8優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表1生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)有限元分析與統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制分析相結(jié)合的方法，分析了兩種不同的缸體水套開(kāi)口設(shè)計(jì)對(duì)于加工過(guò)程的影響。通過(guò)分析和實(shí)施加工的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以得知，在水套上增加加強(qiáng)筋能夠提高系統(tǒng)的剛度，從而提高加工的一致性，降低了零件報(bào)廢率。是可以在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中借鑒的方案。

[1]譚正三.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]吳炎庭，袁衛(wèi)平.內(nèi)燃機(jī)噪聲震動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.