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        缸體水套開口設計對加工影響的實驗分析

        2015-02-20 13:47:20
        裝備制造技術 2015年7期
        關鍵詞:水套圓度加強筋

        (上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)

        1 缸體結構

        發(fā)動機缸體是內燃機的骨架,發(fā)動機的所有零件和附件幾乎都要裝在它上面。機體的材料,一般采用灰鑄鐵。缸體在內燃機工作時,要承受氣體壓力和慣性力[1]。車用發(fā)動機缸體常采用水冷的冷卻方式,故需要在缸體上設計水套??紤]到鑄造工藝的限制,常在缸體和缸蓋結合面采用開口設計。根據工藝和設計的目的不同,開口設計分為全開式和半開式。全開式鑄造工藝簡單,清砂效果好;半開式鑄造過程中清砂工藝難度會增加,但是缸孔區(qū)域的剛度得到提高,在加工過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,產生的變形量也相對較大,絎磨產生的變形量較小。在精鏜過程中,如果產生的變形量較大,導致缸孔橢圓度過大,則有可能導致缸孔在最終的絎磨工藝中無法校正過來,進而影響了最終成品缸體的質量[2]。加工示意圖如圖1所示。

        圖1缸孔加工示意圖

        1.1 原缸體水套結構

        原缸體的水套結構為半開式水套(見圖2),在缸體的進排氣側方向沒有加強筋。在實際生產過程中,靠近缸孔頂部的圓度測量數據不穩(wěn)定。這樣的結構在鑄造過程中更利于殘余砂的排出,同時在缸孔頂部由于缺少支撐,剛度在頂部區(qū)域會有所下降。

        1.2 優(yōu)化后的結構

        根據經驗,為了提高缸體頂部圓度加工的穩(wěn)定性,考慮在水套開口位置增加加強筋,如圖3所示。優(yōu)化結構的原理是:在缸體的頂部提供額外支撐,提高缸孔頂部區(qū)域的剛度,進而減小加工過程中的變形。

        圖2原缸體結構

        圖3優(yōu)化后缸體結構

        為了驗證更改效果有效,需要進行計算分析和實際生產測量統(tǒng)計,從而確保優(yōu)化措施有效。

        2 計算分析

        2.1 缸孔的變形機制

        一個系統(tǒng)在受到外力的情況下會發(fā)生變形,而變形的程度是與系統(tǒng)的結構剛度直接相關的。系統(tǒng)結構好,材料強度高,則在受到外力的情況下形變則小。反之亦然。

        缸體在加工過程中,屬于一個去除材料的過程。缸孔承受著加工過程中的切屑力,同時發(fā)生變形;在加工切屑力去除之后,缸孔的變形會發(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)域結構的剛度直接關系到最終成品的缸孔的圓度以及圓柱度。剛性較好的缸體,在加工過程中的形變較少,最終變形也小;剛性較差的缸體,在加工過程中的變形交大,剛性也隨之變差。通過優(yōu)化缸體結構剛度,減小在加工過程中的變形,能夠提高最終成品的圓度以及圓柱度,進而改善了在發(fā)動機整機運行過程中的異常磨損,提高了發(fā)動機的耐久性。

        為了評估兩種結構的缸體對于缸孔加工過程中變形的改善,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模;(2)將兩種結構的缸體進行網格劃分;(3)對缸體網格賦予HT250的材料屬性;(4)對缸孔加載,模擬加工過程中的受力情況;(5)求解分析;(6)對比兩種缸體結構的變形情況。

        2.2 分析結果

        本文采用Hypermesh對缸體進行網格劃分,采用CTETRA單元,單元數量為131 023。根據實際加緊的方式,對缸體六個自由度進行約束(見圖4)。對缸孔施加徑向的力,模擬加工過程中受力導致變形。定量加載2 000 N的力,評估不同結構的缸體受力變形的大小。分析結果如圖5所示。

        圖4邊界條件示意圖

        圖5分析結果示意圖

        將兩者的分析結果進行對比分析,如圖6所示。從圖6曲線可以看到,增加了加強筋的缸體的變形量比沒有加加強筋的缸體變形量小。這是由于增加了加強筋的缸體提高了系統(tǒng)整體的剛度,故在受力情況下產生的形變較小。由此得知,更改結構后的缸體剛度較好,在受到外力的情況下產生的形變較小。通過設計更改達到了提高系統(tǒng)剛度提高的目的,下一步需要通過實際生產過程驗證剛度提高對于圓度的貢獻。

        圖6分析結果對比

        3 實際生產驗證

        3.1 生產過程分析

        缸孔圓度設計要求為5μm,為了分析圓度的生產數據,本文采用過程統(tǒng)計的方法,對125件生產的圓度數據進行統(tǒng)計分析,評估測量數據的均值x軃,以及標準差σ,并計算過程能力指數及過程性能。

        3.2 更改前缸體加工測量數據

        統(tǒng)計更改前的加工測量數據,分析圖如圖7所示。由數據可知x軃為 2.612 μm,6σ 為 4.501.統(tǒng)計更改后的加工測量數據,分析圖如圖8所示。由數據可知x軃為2.395μm,6σ為3.012 7.由數據可以得知,通過系統(tǒng)結構的更改,改善了最終加工的結果。通過數據的Statistical Process Control(統(tǒng)計過程控制)分析(表1)可以得知,數據的一致性得到了很大的提高,報廢零件的數量也得到減少。在更改前,缸孔的圓度沒有滿足關鍵質量特性Ppk>1.67的要求,通過結構的更改,達到了Ppk>1.67的目標。

        圖7原結構的生產統(tǒng)計數據

        表8優(yōu)化后結構的生產統(tǒng)計數據

        表1生產數據對比表

        4 結束語

        本文通過有限元分析與統(tǒng)計過程控制分析相結合的方法,分析了兩種不同的缸體水套開口設計對于加工過程的影響。通過分析和實施加工的數據統(tǒng)計,可以得知,在水套上增加加強筋能夠提高系統(tǒng)的剛度,從而提高加工的一致性,降低了零件報廢率。是可以在實際設計過程中借鑒的方案。

        [1]譚正三.內燃機構造[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,1990.

        [2]吳炎庭,袁衛(wèi)平.內燃機噪聲震動與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

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