基于有限元分析的柴油機油底殼加工變形研究

左 峰 程敢峰

(中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

機體和油底殼作為柴油機的關(guān)鍵核心零部件之一，其精度的保證，對整個柴油機的組裝運行乃至整個機車的運行至關(guān)重要，其關(guān)鍵尺寸，必須得到保證方能確保柴油機運行過程中的穩(wěn)定性[1-2]。

280系列柴油機油底殼總長接近4 m，由前后端板、中間殼體組焊而成，屬于鋼結(jié)構(gòu)薄壁件。在柴油機組裝時，油底殼前后端面與機體前后端面應(yīng)平齊，并保證機油泵孔中心距，才能滿足密封和齒隙要求，保障柴油機平穩(wěn)運行。

油底殼作為薄壁件，其平面度、長度尺寸、孔系位置度等關(guān)鍵精度一直以來都是難點，尤其是加工過程中的變形對精度的影響，成為關(guān)鍵要素。缺少系統(tǒng)的理論計算、分析，沒有防變形手段和措施[3]。

1 油底殼結(jié)構(gòu)和壓裝分析

1.1 油底殼結(jié)構(gòu)分析

油底殼由自由端板、輸出端板、中間側(cè)板和底板組成(見圖1)，自由端板上機油泵孔主要固定機油泵齒輪，為柴油機供油，自由端板前端面與機體前端面平齊，前端罩殼密封，輸出端板與機體后端面平齊，后端罩殼密封，如圖2所示。油底殼主要精度項點為自由端板內(nèi)機油泵孔、油底殼總長、在中間底板上的定位銷孔和中間底板的平面度。

圖1 油底殼結(jié)構(gòu)圖

圖2 機體與油底殼安裝結(jié)構(gòu)圖

1.2 油底殼關(guān)鍵精度

總長：(3 040±0.05)mm；機油泵孔的位置度：?0.05 mm； 定位銷直線度：0.02 mm；定位銷位置度：?0.05 mm。

2 既有加工工藝精度分析

目前油底殼加工分粗加工和精加工。粗加工在龍門銑床負責(zé)前后端面和上平面及側(cè)邊的加工，落地鏜床負責(zé)機油泵孔粗鏜；精加工在五面體龍門加工中心負責(zé)前后端面、機油泵孔和各螺孔的加工。

精加工環(huán)節(jié)，利用加工過的大平面定位，采用等高塊和壓板在兩頭和中間3個位置處壓裝，左右對稱，共6個壓緊點。加工時前后面和上平面約有4 mm加工余量，采用?200 mm面銑刀加工，每刀切削量控制在2 mm左右。左右機油泵孔單邊約有10 mm加工余量，采用粗鏜刀、半精鏜刀和精鏜刀分次加工，主要刀具切削參數(shù)如表1所示。

表1 主要刀具切削參數(shù)

油底殼加工后，拆除工裝，自由狀態(tài)下對其平面度進行測量，變形較大。為了進一步掌握變形情況，對人工壓裝的壓緊力利用扭矩扳手進行測定，結(jié)果為300 N· m。對油底殼前后端面進行三維仿真分析，最大變形區(qū)域產(chǎn)生在壓裝位置，具體如圖3、圖4所示。

圖3 前端夾緊力矩300 N·m下的變形量

圖4 后端夾緊力矩300 N·m下的變形量

經(jīng)過仿真分析，在壓板位置出現(xiàn)最大變形量，壓裝點位置下凹，兩端位置凸起。仿真計算，前端變形最大約為0.42 mm，后端變形最大約為0.37 mm；現(xiàn)有壓裝位置如圖5所示。

圖5 油底殼壓裝圖

為了保證油底殼的加工精度，必須科學(xué)合理地計算、分析夾緊力和壓裝位置，同時優(yōu)化改善既有工裝和工藝，便于控制工件的變形情況，提高工件加工精度。

3 切削力和夾緊力計算

銑削抗力P用式(1)計算:

(1)

式中：P為銑削抗力，N；t為銑削深度，mm；sz為每齒進給量，mm；D為銑刀直徑，mm；B為銑削寬度，mm；z為銑刀齒數(shù)。

根據(jù)刀具切削現(xiàn)狀，t=2 mm、D=200 mm、sz=0.06 mm、B=100 mm、z=14，對面銑刀的切削力進行計算，得到銑削抗力P=275.6。

在油底殼現(xiàn)場加工壓裝時，根據(jù)現(xiàn)有夾具、油底殼結(jié)構(gòu)和以往加工經(jīng)驗，采用前后端面靠近尾部區(qū)域支撐和壓緊的方式，壓板位置為左右各2個，壓板到前后端面的距離約為總長度的1/6處，切削區(qū)域中間到支點的距離約150 mm，壓板到支點的距離約為60 mm。

將上式的銑削抗力P計算值代入式(2)，便可計算每塊壓板上所需的夾緊力：

(2)

式中：F0為每塊壓板上所需的夾緊力，kgf；f為工件與支承面間的摩擦因數(shù)；P為銑削抗力，kgf；L為切削合力至支點O的距離，mm；l1、l2、L、ln為各壓板至支點O的距離，mm；M為安全系數(shù)。

M取值1.5，f取值0.15，L取值150，l1+l2+L+ln=60，計算得到每塊壓板所需要的夾緊力F0=89.5 kN。

油底殼的壓緊機構(gòu)是常用的螺桿壓緊形式，而夾緊力又取決于螺母在旋壓過程中對壓板的壓力，而這壓力來自于旋緊螺母的扭矩，該扭矩應(yīng)是一個在一定力值范圍內(nèi)的相對定值，將式(2)的F0每塊壓板上所需的夾緊力代入式(3)，可得：

Mt=K×P0×d×10-3

(3)

式中:K為擰緊力系數(shù)；P0為預(yù)緊力；d為螺紋公稱直徑。

經(jīng)過計算，得到Mt=120 N·m，壓緊螺栓選擇8.8級M24螺栓，查表得到M24螺栓預(yù)緊力可以達到222～254 N·m，滿足現(xiàn)有的預(yù)緊力需求。

4 工藝優(yōu)化設(shè)計

針對計算出的壓緊力，同時結(jié)合人工仿真的300 N·m變形位置，對現(xiàn)有等高墊和壓板的簡易壓緊模式進行了改進設(shè)計。一方面在前后主定位壓裝的基礎(chǔ)上增加中間位置的輔助支撐；同時增加側(cè)面輔助支撐。另一方面在壓板相對前后端面的位置也進行了調(diào)整，優(yōu)化后的工裝設(shè)計如圖6所示。該裝備使用簡便，輔助時間大幅縮短；同時定位可靠，結(jié)合科學(xué)計算的120 N·m壓緊力，利用扭矩扳手，可以防止工件由于壓裝帶來的變形和波動。

圖6 優(yōu)化后的工裝設(shè)計

根據(jù)優(yōu)化工裝、油底殼支撐和夾緊形式、結(jié)構(gòu)、區(qū)域位置以及計算的壓緊力，并針對計算出的120 N·m螺栓壓緊力矩，進行仿真分析。

當(dāng)夾緊力矩為120 N·m時，X方向變形量較大，但僅為0.03 mm,且在自由端板端面處，對油底殼整體關(guān)鍵精度影響不大，滿足組裝需求(見圖7)。

圖7 夾緊力矩120 N·m下X方向變形量

5 結(jié)論

通過定位位置及壓緊力的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了工件變形的精確控制及產(chǎn)品精度的提升。經(jīng)過三坐標檢測，油底殼在自由狀態(tài)的平面度從0.35 mm變?yōu)?.08 mm，滿足了0.1 mm的要求。油底殼上前后兩定位銷孔在3 000 mm長度上的直線度由0.15 mm變?yōu)?.02 mm，滿足要求。工裝、壓緊力等過程參數(shù)進行了工藝固化，目前產(chǎn)品精度穩(wěn)定輸出。