基于Analysis缸孔珩磨形變分析及夾具優(yōu)化

唐 恒，屈 猛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

1 缸孔珩磨工藝

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制造過程中，珩磨是缸孔最后的加工工序，可得到圖紙要求的最終尺寸、幾何形狀和表面粗糙度，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起著決定性的作用[1-4]。目前的珩磨工藝一般分為三道工序，分別為粗珩、半精珩以及平臺珩。粗珩的作用是去除余量，控制加工節(jié)拍在設(shè)備要求范圍之內(nèi)，并在加工表面拉出網(wǎng)紋，便于后工序珩磨；半精珩的作用是進(jìn)一步去除余量，保證最終的幾何形狀并控制表面粗糙度。一般情況下，如果需要得到較好的圓度，即缸孔幾何形狀，必須控制半精珩的珩磨參數(shù)。平臺珩的作用則是為了得到缸孔的最終尺寸，并去除已加工表面的波峰，獲得較好的表面粗糙度。

2 問題現(xiàn)狀

因水冷發(fā)動(dòng)機(jī)需要水進(jìn)行循環(huán)冷卻，缸孔內(nèi)壁四周環(huán)繞了很多水道腔，以至于缸孔內(nèi)壁連接強(qiáng)度較小。缸孔在珩磨過程中內(nèi)壁受力產(chǎn)生較大形變，影響缸孔最終的幾何形狀。目前國內(nèi)外珩磨機(jī)廠家設(shè)計(jì)的珩磨機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)一般為四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)（如圖1所示）或環(huán)繞缸孔的環(huán)形夾緊機(jī)構(gòu)（如圖2所示）。

圖1 美國Nagel珩磨機(jī)四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)

圖2 德國格林珩磨機(jī)頂面環(huán)形夾緊機(jī)構(gòu)

珩磨機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)工件夾緊時(shí)限位工件的位置，保證加工時(shí)工件不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。目前不論是四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)還是環(huán)繞缸孔的環(huán)形夾緊機(jī)構(gòu)，國內(nèi)外幾乎所有的珩磨機(jī)都存在下列問題：

（1）珩磨機(jī)夾具無法消除珩磨時(shí)缸孔產(chǎn)生的形變，導(dǎo)致缸孔圓度的易超差；

（2）珩磨頭砂條未正常收回造成缸孔直徑加工超差，導(dǎo)致工件報(bào)廢；

（3）現(xiàn)有夾緊機(jī)構(gòu)無法解決因珩磨頭擺幅過大導(dǎo)致的缸孔崩角問題，另外珩磨漲刀軸可能存在異常故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致工件掉落；

（4）珩磨機(jī)使用磁分離機(jī)構(gòu)去除鐵泥，導(dǎo)致珩磨頭帶磁性，每班次需清潔砂條上所附著的鐵泥，影響珩磨機(jī)產(chǎn)量輸出。

如果對珩磨缸孔的加工質(zhì)量不加以控制，那么有缺陷的缸孔就會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)有排放超標(biāo)、串氣、異響等潛在失效風(fēng)險(xiǎn)，對客戶的滿意度有很大的影響。嚴(yán)重情況下，珩磨缸孔質(zhì)量異常造成批量報(bào)廢可能導(dǎo)致售后拉回，更會(huì)影響企業(yè)的品牌價(jià)值。因珩磨缸孔質(zhì)量極難控制，各珩磨機(jī)供應(yīng)商目前都缺乏有效的解決措施，所以珩磨機(jī)也成為了各發(fā)動(dòng)機(jī)工廠的瓶頸工位。

3 缸孔珩磨形變分析及夾具優(yōu)化方法

為解決珩磨缸孔質(zhì)量問題，柳州某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠成立了攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過收集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對缸孔珩磨進(jìn)行形變分析及采用夾緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化的方案，建立了2種夾緊機(jī)構(gòu)模型。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)通過數(shù)據(jù)分析，確定了缸孔各截面的形變分布，并預(yù)測了各夾緊機(jī)構(gòu)的缸孔形變漸變線。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)針對不同材料的夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行Analysis受力分析，找出了最優(yōu)的夾緊機(jī)構(gòu)，其具體過程為（如圖3所示）。

圖3 缸孔珩磨形變分析及夾緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化流程

3.1 數(shù)據(jù)收集

柳州某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠某型直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體在生產(chǎn)后過程中，美國Nagel珩磨機(jī)的缸孔珩磨圓度頻繁超差，且缸孔直徑加工超差的報(bào)廢件數(shù)居高不下，一直都排在該發(fā)動(dòng)機(jī)工廠工廢清單的前3位。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)通過對該發(fā)動(dòng)機(jī)工廠的珩磨缸孔圓度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)缸孔圓度超差集中在缸體中間的#002及#003缸孔，形變截面主要分布在P3和P4截面（如圖4和圖5所示）。另缸孔直徑異常超差時(shí)，團(tuán)隊(duì)檢查發(fā)現(xiàn)珩磨頭上附著有很多鐵泥，影響砂條收漲，導(dǎo)致部分砂條無法正常收回。

圖4 缸孔圓度測量截面

圖5 珩磨機(jī)缸孔圓度數(shù)據(jù)

團(tuán)隊(duì)在研究珩磨頭會(huì)附著鐵泥的過程中，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)珩磨頭和夾具有磁化現(xiàn)象。分析原因?yàn)殓衲C(jī)采用的是4NEW供應(yīng)商提供的磁分離機(jī)構(gòu)。這種磁分離機(jī)構(gòu)采用的是永磁鐵，當(dāng)珩磨液經(jīng)過磁分離機(jī)構(gòu)時(shí)，珩磨液中微小的鐵粉會(huì)被磁分離的永磁鐵磁化并相互吸引堆積。珩磨液重新循環(huán)使用時(shí)被磁化的鐵粉吸附在珩磨頭上，長時(shí)間作用下磁力逐漸增強(qiáng)，影響珩磨頭砂條收漲（如圖6和圖7所示）。

圖6 珩磨機(jī)夾具已完全磁化能吸附回形針

圖7 珩磨液中帶磁性的顆粒相互吸引的過程

3.2 形變分析

3.2.1 四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)三維建模及受力分析

團(tuán)隊(duì)為解決珩磨缸孔頻繁超差問題及缸孔直徑異常導(dǎo)致缸體報(bào)廢的問題，對美國Nagel珩磨機(jī)的四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)及夾緊后的缸體進(jìn)行受力分析。使用UG對四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)建模，并模擬加工時(shí)的情況（如圖8和圖9所示）。

圖8 四點(diǎn)夾緊三維模型建立

圖9 四點(diǎn)夾緊三維模型建立效果

在加工過程中，因?yàn)楦左w底部只有兩側(cè)有定位面支撐，類似橋梁結(jié)構(gòu)。所以在受力分析時(shí)，可將缸體看作橋梁式受力。在珩磨中間兩個(gè)缸孔過程中，缸體受到珩磨頭的拉力，會(huì)有類似上下擾動(dòng)的情況，所以缸孔中上部位（P3和P4截面）的形變最大，圓度極易超差。團(tuán)隊(duì)在分析過程中發(fā)現(xiàn)，其實(shí)每個(gè)缸孔在珩磨過程中都是受到這種力的作用，只是因?yàn)?01和004缸孔空的支撐剛性比較大，可抵消一部分力的作用。所以#001和#004缸孔超差較少，之前收集的數(shù)據(jù)也證明了這種現(xiàn)象（如圖10所示）。

3.2.2 整體式夾緊機(jī)構(gòu)三維建模受力分析

為解決四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)無法消除缸孔在珩磨過程中產(chǎn)生形變的問題，使用UG對整體式夾緊機(jī)構(gòu)建立了模型，并模擬珩磨缸孔的實(shí)際情況（如圖11和圖12所示）。

圖12 整體式夾緊三維模型建立效果

經(jīng)過分析，如采用整體式面與面接觸的夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)會(huì)對缸體頂面幾乎所有的點(diǎn)施加壓力。在缸孔珩磨過程中，因?yàn)橛姓w式夾緊機(jī)構(gòu)的壓力作用，所有限位了缸孔向上的擾動(dòng)，以至于缸孔中上截面（P3和P4截面）的形變得到了大幅度的改善，從而提高了缸孔圓度能力（如圖13所示）。

圖13 整體式夾緊珩磨加工時(shí)缸孔形變分析

3.2.3 整體式夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)預(yù)測分析的結(jié)果，采用面與面整體式接觸的夾緊機(jī)構(gòu)可以限位缸體的位移，改善缸孔的圓度能力。為了減少珩磨頭上附著的鐵泥，避免珩磨頭砂條無法正常收漲導(dǎo)致缸孔直徑異常的情況，可采用珩磨液對正在加工的珩磨頭進(jìn)行沖洗。因?yàn)榧庸r(shí)的珩磨頭砂條會(huì)擴(kuò)張出來，這時(shí)沖洗效果最好。因缸孔圓度只有#002和#003的圓度頻繁超差，為了減少制造成本，所以只在#002和#003夾緊機(jī)構(gòu)處設(shè)計(jì)噴淋孔。通過三維建模對整體式夾緊板上的噴淋孔管路進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對珩磨頭刀具的精確大流量沖洗，徹底解決了鐵泥導(dǎo)致的砂條收漲不到位的問題，提高了漲刀精度。另外針對擺幅過大導(dǎo)致珩磨頭撞工件的問題，只要在各缸孔區(qū)域開有導(dǎo)向倒角，使珩磨頭更能順利地進(jìn)入缸孔中，就可避免因珩磨頭擺幅過大導(dǎo)致和缸體相撞，產(chǎn)生報(bào)廢缸體（如圖14所示）。所以整體式夾緊板設(shè)計(jì)了20°倒角，對珩磨頭入孔時(shí)起導(dǎo)向作用，避免擺幅過大撞擊缸孔導(dǎo)致工件報(bào)廢。

圖14 整體式夾緊板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.3 夾具優(yōu)化

3.3.1 Analysis建模單元化

為了證明以上分析，使用Analysis對改進(jìn)后的整體式夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。使用UG導(dǎo)出CAD模型并添加到Analysis軟件中劃分單元（如圖15和圖16所示）。

圖15 CAD建模

圖16 Anaysis建模單元化

在Analysis軟件添加夾緊壓力和夾緊機(jī)構(gòu)的材料特性等條件。并對各夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力、各夾緊機(jī)構(gòu)下的缸體位移，各夾緊機(jī)構(gòu)的位移進(jìn)行分析。

3.3.2 Analysis材料特性選用

其相關(guān)材料及特性如表1所示。

表1 改進(jìn)的整體式夾緊機(jī)構(gòu)的材料屬性

3.3.3 Analysis受力分析

因?yàn)樵诟卓诅衲ミ^程中，珩磨刀具作上下往返和旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，所以缸孔內(nèi)壁會(huì)受到間歇性的向上的拉力或向下的推力。而夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊點(diǎn)在缸體的頂面，所以當(dāng)珩磨刀具做向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)也會(huì)受到來自缸體頂面的力的作用，導(dǎo)致產(chǎn)生細(xì)微的形變。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集及對比，在Analysis軟件分析中得到以下結(jié)果：四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)變最大為2.125E-03，尼龍整體式夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)變最大為2.291E-03，#45整體式夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)變最大為9.548E-04，由此可知，尼龍整體式夾緊機(jī)構(gòu)所受的應(yīng)變最大。因?yàn)槟猃垶樗苄圆牧希诟卓准庸み^程中受力時(shí)，產(chǎn)生的形變也是最大的。而四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)和#45整體式夾緊機(jī)構(gòu)都為剛性材料，在缸孔加工過程中不容易變形，所以產(chǎn)生的形變也較小，也是理所當(dāng)然。而整體式夾緊機(jī)構(gòu)因?yàn)槭敲婧兔娼佑|，力基本上分散到整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)上，所以形變比四點(diǎn)夾緊機(jī)構(gòu)的小。所以夾具受力應(yīng)變情況為：尼龍整體式夾緊應(yīng)變＞四點(diǎn)夾緊應(yīng)變＞#45整體式夾緊應(yīng)變。從而可知#45鋼板的整體式夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)果最優(yōu)，如圖17～圖28所示。

圖17 四點(diǎn)夾緊應(yīng)變

圖18 尼龍整體式夾緊應(yīng)變

圖19 #45整體式夾緊應(yīng)變

在力學(xué)中，因?yàn)閼?yīng)力和應(yīng)變同時(shí)存在。同一個(gè)物體，受到的應(yīng)變越大，那么受到的應(yīng)力肯定也越大。從Analysis軟件分析得到以下結(jié)果，四點(diǎn)夾緊夾具的應(yīng)力最大為3.805E+02，尼龍整體式夾緊夾具的應(yīng)力最大為4.103E+02，#45整體式夾緊夾具的應(yīng)力最大為1.710E+02，所以夾具受力的應(yīng)力：尼龍整體式夾緊應(yīng)力＞四點(diǎn)夾緊應(yīng)力＞#45整體式夾緊應(yīng)力。

3.3.4 Analysis受力分析——夾具位移

作為夾緊機(jī)構(gòu)的位移情況，只有在珩磨刀具作向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)才受到來自缸體頂面的力的作用，這時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)在微觀上也會(huì)有細(xì)微的位移。從Analysis軟件分析得到以下結(jié)果，四點(diǎn)夾緊夾具的位移最大為5.772E-01，尼龍整體式夾緊夾具的位移最大為1.058E+00，#45整體式夾緊夾具的位移最大為4.290E-01，所以夾具的位移：尼龍整體式夾緊夾具位移＞四點(diǎn)夾緊夾具位移＞#45整體式夾緊夾具位移。

圖20 四點(diǎn)夾緊應(yīng)力

圖21 尼龍整體式夾緊應(yīng)力

圖22 #45整體式夾緊應(yīng)力

圖23 四點(diǎn)夾緊位移

圖24 尼龍整體式夾緊位移

圖25 #45整體式位移

3.3.5 Analysis受力分析——缸體位移

以上分析都為夾緊機(jī)構(gòu)的受力情況，從分析結(jié)果來看，#45整體式夾緊機(jī)構(gòu)的受力情況最好，在缸孔珩磨過程中的形變最小。但是對于需要解決的缸孔形變來說，更需要對珩磨過程中的缸孔進(jìn)行受力分析。所以在Analysis軟件中分析珩磨缸孔時(shí)的位移情況為，四點(diǎn)夾緊夾具的位移最大為7.224E-02，尼龍整體式夾緊夾具的位移最大為6.434E-02，#45整體式夾緊夾具的位移最大為2.425E-01，所以四點(diǎn)夾緊缸體位移＞尼龍整體式夾緊缸體位移＞#45整體式夾緊缸體位移。結(jié)合以上分析可以得出，#45整體式夾緊機(jī)構(gòu)不論在夾緊機(jī)構(gòu)本身受力情況是最好的，也是三種方案中缸孔形變最小的。

圖26 四點(diǎn)夾緊缸體位移

圖27 尼龍整體式缸體位移

圖28 #45鋼整體式缸體位移

4 成果展示

通過安裝#45整體式夾緊機(jī)構(gòu)并跟蹤缸孔加工質(zhì)量，減小了珩磨時(shí)缸孔產(chǎn)生的形變，改善了缸孔圓度（如圖29和圖30所示）最終結(jié)果為：①使用Analysis有限元軟件對夾具進(jìn)行受力分析，夾具剛性提高了55%；②對噴淋孔管路進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了珩磨刀具的自清潔功能，提高了漲刀精度提高了25%；③對夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了20°的導(dǎo)向倒角，穩(wěn)定性增加了12%。

圖29 珩磨機(jī)整體式夾緊機(jī)構(gòu)

圖30 安裝整體式夾緊機(jī)構(gòu)缸孔圓度數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

通過對珩磨缸孔的形變分析，并基于缸孔形變的漸近線使用Analysis對夾具進(jìn)行了改進(jìn)。通過實(shí)際驗(yàn)證，這種整體式的夾緊機(jī)構(gòu)可改善珩磨缸孔的圓度及解決缸孔直徑異常超差導(dǎo)致缸體報(bào)廢的問題，對生產(chǎn)線的的效率提升具有重大意義。