某柴油機上曲軸箱直油道脹管工藝方法研究

王東軍 陳建軍 靳峰 王俊杰 劉曄

摘要：某柴油機上曲軸箱在加工過程中，發(fā)現(xiàn)主油道通往主軸承座的直油道存在鑄造缺陷，可能導致雜質進入主軸承破壞潤滑油膜，進一步引發(fā)柴油機燒瓦故障。為了避免這一重大質量隱患，本文開展了直油道脹管工藝方法研究，通過工藝方案設計、脹管工具和試驗工裝設計制造、工藝實驗及驗證，最終確定了合理有效實用可行的工藝規(guī)程。按照此工藝方法對上曲軸箱故障進行了修復，消除了存在的鑄造缺陷，保證了上曲軸箱結構強度和直油道內徑尺寸以及清潔度和密封性，可以為同類零部件故障修復和工藝設計提供技術參考。

關鍵詞：上曲軸箱;脹管;工藝方法

中圖分類號：TK426 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0018-03

0 ?引言

作為柴油機關鍵零部件的上曲軸箱體是整個柴油機的骨架，其支承燃燒室組件、動力傳遞組件和其它各種柴油機部件，使它們保持正常工作的相對位置，同時構成了柴油機的水腔、油道、氣室和各輔助系統(tǒng)的通道，保證冷卻水、燃油、機油和空氣等的正常供給。

某柴油機上曲軸箱在加工過程中，發(fā)現(xiàn)主油道通往主軸承座的直油道存在鑄造缺陷，可能導致雜質進入主軸承破壞潤滑油膜，進一步引發(fā)柴油機燒瓦故障。為了避免這一重大質量隱患，本文開展了直油道脹管工藝方法研究，通過工藝方案設計、脹管工具研發(fā)、試驗工裝設計以及工藝實驗驗證，最終確定了合理有效實用可行的工藝規(guī)程。按照此工藝方法對故障上曲軸箱進行了實物修復，消除了存在的鑄造缺陷，保證了上曲軸箱結構強度和直油道內徑尺寸以及清潔度和密封性，可以為同類零部件故障修復和工藝設計提供技術參考。圖1為上曲軸箱直油道。

1 ?工藝方案研究

上曲軸箱材質為QT500-7，直油道直徑為12mm，根據(jù)結構特點，直油道最大擴孔至15mm;選用的套管外徑為14.97mm，內徑為12.1mm，壁厚為1.5mm，這樣才能使得脹管后不與其它內腔結構發(fā)生干涉;脹管工藝選擇使用分段脹套的方式，通過有限元分析確定初脹、中脹和末脹位置，實現(xiàn)初脹定位、中脹過渡、末脹緊固密封的目的;設計一套脹管工具完成脹管，使套管與直油道實現(xiàn)過盈配合，保證直油道的密封性要求;開展脹管工藝實驗及驗證，確保套管在直油道內不會發(fā)生相互位移，并驗證脹管工具的可行性和可靠性，在此基礎上編制有效可行的工藝規(guī)范。

2 ?工藝實驗及驗證

脹接工藝主要是利用管子的塑性變形和管板的彈性變形來達到密封和緊固，是一種常見的機械連接方法[1]，在各行各業(yè)中都有著廣泛的應用，其中華東理工大學的洪瑛通過分析液壓脹接過程中接頭在加載和卸載工況下的應力狀態(tài)，建立了脹后殘余接觸壓力理論計算公式[2];高升采油廠的趙志輝通過研究脹管整形修復裝置，實現(xiàn)了提高修復套管變形的成功率[3]。從以上研究人員的研究內容中可見，液壓脹管工藝由于其可控、可精準調節(jié)、穩(wěn)定性好以及制造成本低的特點，相比其余脹管技術更加可靠可行。

2.1 液壓脹管工具設計

基于液壓脹管具有脹管速度快，殘余應力小，對管子內壁不產生劃傷以及末脹長度易控制等優(yōu)點[4]，因此本文采用液壓脹管的方式進行實驗研究。

根據(jù)液壓脹管的原理，設計了一套擠壓工具用于加強上曲軸箱直油道的密封性能，該套工具主要是利用液壓控制拉桿直線運動使嵌入的金屬管產生形變擴張，使之與工件進行貼合，從而實現(xiàn)脹管作用。

本文采用的液壓脹套采用高強度鉻鉬合金制作，并且通過熱處理提高其強度，確保在使用過程中不會發(fā)生變形;液壓脹管器夾具夾緊方式采用液壓傳遞動力，手動閥開關控制拉桿往復直線運動，使脹套變大，進而強力擠壓套管，迫使套管發(fā)生塑性變形，使得套管與工件產生過盈配合，以此達到脹管的目的。圖2為液壓脹管工具。

2.2 脹管有限元分析

脹管選擇使用分段脹套的方式進行，如何選擇脹套的位置很有研究的必要，本文利用ANSYSY Workbench仿真軟件對脹管在實驗過程的應力應變進行分析，從而確定最佳的脹套位置。

首先，建立與模型同等比例的三維模型，將其導入Workbench中，設置材料為QT500-7，之后進行網格劃分，由于套管為主要的研究目標，對其采用六面體劃分的方式，并設置網格大小為2mm，對外部試驗樣件采用自動劃分的方式，結果如圖3所示。

對脹管內壁施加6MPa的壓力，并將時間設置為5s，求解后的結果如圖4所示。

從圖4中可以看出脹管整體的變形趨勢是呈階梯型的變化，由于選取變形差距過大的位置會引起較大的殘余應力，應避免選取變形最大端（最左端）以及變形最小端（右數(shù)第二段至第三段）。

2.3 樣件實驗及驗證

為了保證工藝的安全性，先對樣件進行脹管實驗，根據(jù)上曲軸箱結構特點，樣件選用直徑為43mm，長度為125mm的球墨鑄鐵棒料，將中心加工成直徑為15.04mm的通孔，保證樣件與上曲軸箱結構一致;將套管裝入試驗樣件的垂直油道孔內;根據(jù)對脹管的仿真結果分析，液壓脹管機在套管深度方向上設置脹套位置時，分別在35mm處設置初脹位置、在80mm處設置中脹位置以及在125mm處設置末脹位置;最后利用液壓控制拉桿直線運動迫使脹套擴張，保證脹管壓力在達到6MPa時保持壓力3-5s，同時旋轉一定角度重復進行脹管3-5次后完成脹管。對完成脹管實驗的樣件進行固持力檢測，經過壓力機檢測，樣件在沒有涂固持膠緊固的情況下，當靜壓力達到3.665kN后發(fā)生相互位移，保持位移持續(xù)壓力為2.551kN。經過實驗驗證證明了液壓脹管工具實用可行，可按制定的工藝方案對上曲軸箱進行脹管工藝方法修復，并在涂抹固持膠緊固后，能夠確保套管在直油道內不會發(fā)生相互位移。圖5為試驗樣件。

3 ?確立工藝規(guī)范

通過對脹管工裝的設計及實驗結果進行分析，可以看出液壓脹管工具能夠保證其可靠性，同時也驗證了脹管方案具有固持強度和可操作性的優(yōu)點。在此基礎上進一步確立合理可行的工藝規(guī)范。圖6為上曲軸箱脹管工藝圖。

①以2-？準25J7定位套孔找正，然后進行補充加工;

②將需要補充加工的油孔位置，擴孔至？準14.3±0.2與主油道貫通;

③將需要補充加工的油孔位置，擴孔至？準14.7±0.1與主油道貫通;

④將需要補充加工的油孔位置，鉸孔至？準15H7（）與主油道貫通;

⑤將加工完成的油孔進行毛刺清理，并用丙酮清洗干凈;

⑥將校正管涂抹均勻固持膠，按工藝圖紙及技術要求裝入至正確位置并校正;

⑦用限位塊固定校正管的位置，然后用滾壓器按工藝圖紙及技術要求滾制校正管;

⑧滾制完成后，當校正管的邊緣高于主油道時，需將凸起部分修平，允許校正管的邊緣低于主油道。

4 ?結論

按照此工藝方法對上曲軸箱進行修復，消除了存在的鑄造缺陷，保證了上曲軸箱結構強度和直油道內徑尺寸以及清潔度和密封性，避免了柴油機燒瓦的重大質量隱患;該脹管工藝方案具有固持強度和可操作性的優(yōu)點，設計制造的液壓脹管工具實用性高可靠性強;該工藝方法可以為同類零部件故障修復和工藝設計提供技術參考。

參考文獻：

[1]田林寶，呂小平.脹管方法綜述[J].鍋爐制造，2000（3）：45-49.

[2]洪瑛，王學生.基于材料雙線性模型的液壓脹管理論計算[J].化工設備與管道，2019，56（3）：20-25.

[3]趙志輝.組合式液壓脹管整形修復技術[J].技術研究，2018（6）：126.

[4]胡其軍，高明.液壓脹管技術模擬研究[J].四川建材，2020，46（5）：231-232.

作者簡介：王東軍（1979-），男，河北豐潤人，工程師，在職研究生，主要從事船用發(fā)動機質量監(jiān)督與檢驗驗收工作。