導管壓裝過程及壓裝力影響因素探析

熊強強 孫慶 柳佳琛 雷沖

摘 要：用伺服壓機進行缸蓋導管閥座壓裝，可以采集整個壓裝過程中的壓裝力-位移曲線。壓裝力是導管壓裝工序中重要監控參數，在壓裝過程中，異常情況都會伴隨出現壓裝力過大或者過小的現象，所以利用壓裝力位移曲線監控壓裝過程中壓裝力變化是保證導管壓裝質量的關鍵。本論文結合壓力位移曲線對導管壓裝過程中各階段進行分析，并通過在不同條件下進行導管壓裝實驗，得出不同條件下最大壓裝力變化情況，總結出過盈量、壓裝前潤滑、壓裝速度對導管壓裝的影響。

關鍵詞：導管；壓裝力；壓力位移曲線；過盈量；壓裝前潤滑；壓裝速度

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0096-04

Abstract： The pressure-displacement curve of cylinder head guide-pipe can be acquired by using servo press during the whole pressure-mounting process. Pressing force is an important monitoring parameter in the pipe pressing process， abnormal conditions will be accompanied by excessive or small pressure loading force， so the use of pressure loading displacement curve to monitor the pressure change in the process of pressure loading is the key to ensure the quality of pipe pressure loading. In this paper， the pressure-displacement curves are used to analyze the different stages of the pressure-fitting process of the pipe， and the maximum pressure-force under different conditions is obtained through the pressure-fitting experiments. The influence of interference， lubrication before pressure-fitting and pressure-loading speed on the pressure-fitting of the pipe is summarized.

Key Words： Guide-pipe； Pressure； Pressure-displacement curve； interference； Lubrication； pressure-loading speed

引言

在氣缸蓋總成加工過程中，導管閥座壓裝是非常關鍵的一道工序。這是因為導管閥座壓裝質量直接影響到精加工工序的加工質量甚至發動機的整體運行性能，極端情況下，導管閥座壓潰、脫落會造成嚴重的發動機故障和交通事故。壓裝力是導管閥座壓裝工序中重要的監控參數，對導管壓裝質量有很大影響。在壓裝導管的過程中，如果壓裝力過大，超過導管所能承受的壓力，會將導管壓潰、壓彎，如果壓裝力過小，可能在發動機運行過程中產生松脫和漏油。為了監控壓裝力，國內許多發動機制造企業開始運用全自動伺服電壓缸進行導管壓裝，可以實時監控壓裝過程中的壓裝力位移曲線。本文將導管壓裝過程大致分為三個階段，對各階段壓裝阻力進行分析，介紹正常壓裝情況下壓力位移曲線的變化，并以我公司一款3缸發動機缸蓋排氣側導管壓裝為例，運用全自動伺服電壓缸進行壓裝實驗，研究過盈量、潤滑、壓裝速度這三個因素對導管壓裝過程中壓裝力的影響。

1 導管壓裝過程及壓裝力-位移曲線分析

由于導管底孔是通孔，其本身結構上無限位。所以目前普遍采用控制位移方式壓裝，通過嚴格控制壓頭的位移來保證壓裝深度合格。

導管壓裝過程中壓力隨位移變化而變化，由壓裝力和位移為坐標軸繪制的曲線稱為壓裝力-位移曲線，如圖1所示。根據導管和缸蓋之間相對位移關系，導管壓裝過程可分為四個階段。

第一階段，導管和缸蓋未接觸，壓頭向下移動一段空行程，壓裝力為零。如圖2所示：

第二階段，導管和缸蓋從未接觸到接觸，開始過盈配合，此階段的壓裝力主要是克服缸蓋對導管的軸向支撐阻力。導管和缸蓋之間過盈量與導管頭部以及缸蓋孔口的倒角大小有關。缸蓋對導管的軸向支撐力隨著過盈量增大急劇變大，如圖3所示：

第三階段，此階段導管和缸蓋之間的接觸面積不斷增大，壓裝力同時克服導管和缸蓋之間的軸向支撐阻力和摩擦力（如圖4所示）。因為軸向阻力在整個過程中基本一定，摩擦力和導管壓入長度成正比，所以此階段壓力曲線基本是一條固定正斜率的直線。

第四階段，導管頭部伸出缸蓋，軸向支撐阻力消失，壓裝力主要克服導管和缸蓋之間的摩擦力。在此階段壓裝力會因為軸向阻力消失變小，后因溫度變化等原因導致缸蓋對導管的單位面積壓力增大，摩擦力會慢慢增大，直至壓裝到位；如圖 5所示。

本文中第2部分中監控的壓裝力是整個壓裝過程中的最大壓力。

2 導管壓裝力影響因素探析

2.1 過盈量對導管壓裝力的影響

過盈量是常溫壓裝導管閥座的關鍵參數，對于鋁合金材質缸蓋和粉末冶金材質導管，壓裝過盈量通常控制在0.03mm-0.07mm。

實驗1：選擇同一批次缸蓋和不同批次特制導管進行實驗，實驗前測量導管底孔直徑和導管外徑，計算過盈量分別為0.032mm、0.042mm、0.052mm、0.062mm，壓裝實驗后數據統計如圖6及表1所示：

實驗結果證明，缸蓋導管底孔與導管配合過盈量是導致壓裝力變化的主要原因之一，過盈量越大，所需壓裝力越大。

2.2 潤滑對導管壓裝的影響

導管制造過程中有油浸工序，導管表面有一層防銹油，具有一定的潤滑效果，但為了保證壓裝質量，壓裝前潤滑仍是導管閥座常溫壓裝工藝的必要步驟，一般采用對導管外圓周面或者導管底孔內圓周面進行噴涂潤滑油的方式實現。

實驗2：選取同一批次缸蓋、導管和三種不同型號潤滑油進行實驗。

三種潤滑油的運動粘度在40℃時分別為68cSt、86cSt、156cSt；在100℃時分別為8.6cSt、10.8cSt、18cSt。運動粘度值高代表潤滑性能好。

保證壓裝過程中其它因素相同，分別完成導管底孔內孔噴涂后進行壓裝，實驗數據統計如圖7及表2所示：

實驗結果證明，缸蓋導管底孔與導管之間的潤滑是導致壓裝力變化的主要原因之一，潤滑效果越好，所需壓裝力越小。

2.3 壓裝速度對導管壓裝的影響

壓裝速度也是導管壓裝工序中重要的控制參數，對工序節拍、壓頭壽命以及壓裝質量都會產生影響。

實驗3：選取同一批次缸蓋和導管進行壓裝試驗。通過調整伺服電壓缸壓裝速度，觀察導管壓裝力分別在5mm/s、15mm/s、20mm/s、30mm/s壓裝速度下的變化情況，實驗數據統計如圖8及表3所示：

如表3所示，隨著伺服電壓缸壓裝速度變化，壓裝力并無明顯差異且無規律實驗結果證明正常區間內的，壓裝速度不是導致壓裝力變化的主要原因。

以上3種影響因素，我司導管過盈量控制在0.038-0.045 mm之間，選用粘度為156cSt的潤滑油，壓裝速度為15mm/s，壓裝力監測在10KN以下，壓裝過程穩定。

3 結論

本文首先通過對導管閥座壓裝三個階段的壓裝力進行分析，解釋了導管閥座正常壓裝情況下壓力-位移曲線各階段的變化。然后通過實驗研究了導管壓裝過程中過盈量、壓裝前涂油潤滑、壓裝速度對壓裝力的影響。實驗結果表明，過盈量和壓裝前涂油潤滑是影響導管壓裝力的主要因素，而壓裝速度對導管壓裝力影響并不明顯。當然，影響導管閥座壓裝力還有其它因素，包括導管及導管底孔結合面摩擦系數、導管和缸蓋結合面面積、導管和缸蓋彈性模量等。由于試驗條件有限，目前只是從以上幾方面進行了驗證，其他影響因素有待廣大同仁進一步研究驗證。本文兩部分內容能為判斷導管壓裝過程是否正常提供依據，能為解析壓裝力異常問題指明方向，為更加快速的解決壓裝問題，恢復生產，提升開動率提供幫助。

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