缸體水套開口設計對加工影響的實驗分析

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 缸體結構

發動機缸體是內燃機的骨架，發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。考慮到鑄造工藝的限制，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，剛度在頂部區域會有所下降。

1.2 優化后的結構

根據經驗，為了提高缸體頂部圓度加工的穩定性，考慮在水套開口位置增加加強筋，如圖3所示。優化結構的原理是：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計，從而確保優化措施有效。

2 計算分析

2.1 缸孔的變形機制

一個系統在受到外力的情況下會發生變形，而變形的程度是與系統的結構剛度直接相關的。系統結構好，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，同時發生變形；在加工切屑力去除之后，缸孔的變形會發生回彈，殘余的不能回彈的變形量則成了永久變形。缸孔區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，進而改善了在發動機整機運行過程中的異常磨損，提高了發動機的耐久性。

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，本文采用過程統計的方法，對125件生產的圓度數據進行統計分析，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，通過系統結構的更改，改善了最終加工的結果。通過數據的Statistical Process Control（統計過程控制）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原結構的生產統計數據

表8優化后結構的生產統計數據

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計，可以得知，在水套上增加加強筋能夠提高系統的剛度，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：機械工業出版社，1990.

[2]吳炎庭，袁衛平.內燃機噪聲震動與控制[M].北京：機械工業出版社，2005.