汽車發動機缸蓋加工工藝分析

林大明

（上汽通用東岳動力總成有限公司，山東 煙臺 265500）

汽車發動機缸蓋是發動機最關鍵的零件之一，在汽車發動機缸蓋加工過程中，主要生產設備為數控機床，數控機床目前在多種項目領域中應用廣泛[1]。由數控機床產出的發動機缸蓋，主要有以下四種功能：為發動機眾多部件提供基座；可以點燃室內燃油以產生推力；為汽車的各個運作部件提供滑機油；通過冷卻水循環的運行方式冷卻發動機。當前，我國汽車發動機缸蓋的發展面臨很大的壓力，根據汽車發動機制造產業的實際水平，很難滿足當前優質加工汽車發動機缸蓋的迫切需求。西方國家對此項目的研究時間較早，在汽車發動機缸蓋加工工藝領域中，其技術較高[2]。作為汽車的推動部件，發動機中的零件復雜多樣，缸蓋作為其中重要的組成部分之一，加工工藝較為煩瑣，而且對精度結構的要求較高，對發動機最終的表現性能有著決定性影響，如何更好地加工發動機缸蓋，對促進汽車的制造與發展有著重要意義。

1 汽車發動機缸蓋加工工藝

1.1 選擇發動機數控制造工藝

加工汽車發動機缸蓋時，需要依靠數控機床設備進行數控制造[3]。此項工序在整個汽車發動機缸蓋加工過程中的占比較大，耗費時間較長，所需技術水平較高。因此，選擇發動機數控制造工藝時，需考慮尺寸公差、加工尺寸等因素，可以將缸蓋的加工路線分為精銑和粗銑兩個部分。精銑時會去除少部分的余量，主要以手動編程的方式進行切削，對過程中部件尺寸的要求比較嚴格，切削得出的部件剛性較差，不過型面復雜，零件整體較為精細。粗銑則是在缸蓋加工處理大部分余量，其加工出來的零件剛性較好，能形成金屬零件的簡單型面，零件尺寸公差大。精銑和粗銑雖然存在區別，卻也擁有共同點[4]。這兩種加工路線均具備加工程序，整個程序以手動編程為主，借助計算機編程的輔助手段，完成對缸蓋加工工藝路線的選擇。

1.2 確定汽車發動機缸蓋走刀路線

在明確發動機數控制造工藝的基礎上，根據精銑和粗銑的不同加工路線對汽車發動機缸蓋的走刀路線進行進一步確定。常規走刀路線有圓周洗銑與鐵銑兩種。圓周洗銑相對比較簡單，以徑外受力的方式完成缸蓋整體走刀，不過這種方式不適合對金屬形變進行控制。鐵銑的操作方式比較復雜，所需的人力、物力也比較多[5]。針對汽車發動機缸蓋精度差、剛性好的特點，結合人力資源及加工成本進行分析比較發現，圓周洗銑的走刀路線更適合汽車發動機缸蓋的加工。針對粗銑加工路線，需要去除缸蓋表面金屬的較大余量，而為了保障加工效果，需要選擇剛性盡可能優良的刃具切割金屬，最佳刃具為0040 玉米銑刀，其能使加工效率達到最高，去除余量的最大值為20mm。缸蓋中的延伸機匣部分因為其徑向受力的特點，金屬零件容易發生形變，結構復雜，因此采用精銑的加工路線[6]。在選擇走刀路線時，為最大程度上避免金屬的形變，使金屬零件能夠軸向受力，加工延伸機匣部分時，需選擇鐵銑的走刀路線。

1.3 建立汽車發動機缸蓋物理模型

加工汽車發動機缸蓋時，為了簡化分析過程，在創建物理模型過程時簡化了機匣表面的孔，另外，文章所舉的案例沒有涉及機聞表面的加強筋，因此計算結果會比實際工藝過程變形量要大，最終工裝設計強度會比實際情況偏大，在簡化模型的同時，不會產對設計主體生影響，使整體獲得相對合理的簡化過程。對汽車發動機缸蓋物理模型進行網格劃分，相對于四面體占優的網格劃分方法，采用六面體占優的網格劃分方法，能夠獲得更加精確的網格結構[7]。文章所設計的發動機缸蓋物理模型，如圖1 所示。

針對發動機缸蓋物理模型，劃分后的網格節點數為93 627個，其中節點單元數為32 428 個，能完成對汽車發動機缸蓋物理模型的構建。

1.4 分析加工發動機缸蓋過程的載力

通過對汽車發動機缸蓋物理模型的構建，對所建立的物理模型展開載力分析。利用銑刀加工缸蓋中金屬零件時，需要向端面施加一個向內的力，假設此載力為30N，探究此時對發動機缸蓋的靜力影響。文章分析時采用的是ANSYS 優化方法，選取30N ～390N 之間的10 個數據點，研究在不同力的作用下，銑刀對發動機缸蓋產生的形變效果。具體結果，如表1 所示。

表1 銑刀不同載力下的缸蓋應變值

在銑刀的使用下，汽車發動機缸蓋物理模型產生了形變，整個影響趨勢呈正比例上升趨勢，銑刀對缸蓋所產生的載力越大，缸蓋變化的最大值就越大。在銑刀載力下，完成對汽車發動機缸蓋加工。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

為研究汽車發動機缸蓋加工時所產生的扭矩，文章設置對比實驗，驗證所設計的汽車發動機缸蓋加工方法的優勢。實驗開始之前，首先選取3 組相同配置的發動機缸蓋配件，并使用三種方法完成缸蓋加工。缸蓋加工時會產生一定的轉速，根據轉速的不同，扭矩也會發生相應的變化，扭矩相對越大，汽車發動機性能越好，因此將發動機扭矩作為實驗標準，展開對比實驗。

2.2 發動機缸蓋加工時的扭矩測試

布置好實驗背景之后，使用設計方法與兩種傳統缸蓋加工方法同時對配件進行加工，在轉速的影響下，得到的實驗結果，如圖2 所示。

通過圖2 可以發現，在轉速不斷增大的情況下，發動機扭矩也發生了改變，其發動機扭矩均呈下降趨勢。在發動機轉速為900r/min 時，文章設計方法所得的汽車發動機缸蓋扭矩為1 098N·m，傳統缸蓋加工方法1 扭矩為1 009N·m，傳統缸蓋加工方法2 扭矩為891N·m。傳統缸蓋加工方法與文章設計方法相比，最少相差89N·m；發動機轉速為2 100r/min 時，文章設計方法的汽車發動機缸蓋扭矩為872N·m，傳統缸蓋加工方法1 扭矩為776N·m，傳統缸蓋加工方法2 扭矩為753N·m，相比之下，傳統缸蓋加工方法最少差96N·m。綜上所述，文章設計的汽車發動機缸蓋加工方法得到的扭矩更高。

圖2 兩種方法扭矩對比圖

3 結束語

發動機缸蓋的高要求制作，對于整輛汽車的運行來說，具有極其重要的作用。在發動機缸蓋的直接影響下，發動機的工作性能會產生或快或慢的變化，對于汽車建造領域來說，發動機缸蓋的設計存在十分重要的意義。文章依靠汽車發動機缸蓋的設計方法，為發動機缸蓋工藝改進提供了思路，本著優化資源配置、降低成本的設計目標，促進了我國汽車加工技術的自動化發展，在實現人工以及自動化生產的考量中，為制定最具性價比、最為適宜的發動機缸蓋加工工藝方案提供了研究思路。