洪家慶

每一個有經(jīng)驗的運動員都知道同一牌號的發(fā)動機往往性能很不一致，特別是在制造的批量較小時尤為顯著。很顯然這都是制造質(zhì)量的影響。甚至可以得出這樣的結(jié)論：類型相似的發(fā)動機，它的好壞幾乎全部是由它的制造質(zhì)量來決定的。這些影響遠比有些設計參數(shù)不太一樣的影響要大的多。因此發(fā)動機制造的好壞是決定發(fā)動機質(zhì)量的重要因素，這里我們概括地談談它的工藝性以及制造中的一些關鍵問題。

1.航空模型發(fā)動機的工藝性

工藝性簡單的講就是在保證使用質(zhì)量的情況下盡量使發(fā)動機結(jié)構(gòu)容易制造，盡量減少加工勞動量，使生產(chǎn)部門能高速高質(zhì)量的試制出新型的發(fā)動機來。

工藝性是一個內(nèi)容相當廣泛的問題，從零件材料毛坯選擇一直到零件圖上尺寸及技術條件的標注都應該充分的考慮制造是否容易，特別是大零件，例如發(fā)動機的機匣采用鍛造的毛坯和鑄造的毛坯，對機械加工的勞動量大不相同，鍛造的毛胚幾乎是從一塊鍛造鋁合金上像雕刻象牙一樣的精雕細刻出一個小巧的機匣來，而采用鑄造毛胚許多外表面是不必加工的。材料選擇的不合適也往往會給加工帶來很大的困難，例如我們曾經(jīng)采用過高速鋼作為氣缸的材料，大家知道這種用來作刀具的高合金鋼熱處理及加工都非常困難，而在使用上并沒有特別的優(yōu)點。這里我們特別提出一點就是零件的繼承性，和標準化這一點對保證高速及高質(zhì)量試制很有關系。例如機匣上有四個安裝到飛機發(fā)動機架上的安裝孔，這些孔距在2.5立方公分這一級的發(fā)動機上都相差不多。(例如圖5，MK－12B是34毫米)但設計者往往沒有將這一系列的發(fā)動機安裝孔距設計成相同的尺寸，這就使加工帶來不必要的困難。因為這一組孔(圖14之Φd)常常是工藝師們選作為定位基準的，尺寸不同就不能采用同一套夾具，另外改變基準或再制造一套夾具顯然會對加工帶來困難，延長試制周期。大家都能體會到在臨近比賽的日子里如何使發(fā)動機能提前制造出來是何等重要的事。在這里應強調(diào)說明的是發(fā)動機能否高速制造，許多因素是在設計時就已決定下來了，在試制時的工藝上無法從根本上改變。

從實際的工作中我們體會到設計發(fā)動機與制造發(fā)動機是不可分割的，只有親身參加設計才能提高發(fā)動機的制造質(zhì)量，才能使發(fā)動機日臻完善，才能提出正確合理的技術條件和尋找出多快好省的工藝過程。

2.發(fā)動機的材料選擇及其制造

詳細的談每個航模發(fā)動機零件的材料選擇及制造過程是不必要的，因為它的大多數(shù)零件制造都相當簡單。下面我們只談談氣缸活塞機匣等大件的加工。

1)氣缸的加工：氣缸的種類很多，但總括起來不外如圖11的二種形式，它們都是一個圓筒，A型是用在單邊橫渡式驅(qū)氣的發(fā)動機上，B型是用在噴泉相遇式的發(fā)動機上，對氣缸的主要要求是要氣缸內(nèi)圓ΦA與活塞要能很好的配合，耐磨。為了裝配的正確要求Γ處的圓柱面與端面互相垂直，這就是對氣缸的基本技術要求。為此我們要選用適當?shù)牟牧虾瓦m當?shù)臒崽幚恚箽飧子凶銐虻膹姸茸銐虻挠捕葋淼挚鼓p。

圖11

制造氣缸的復雜不在于此，而在于它是受有熱負荷的。氣缸的頂端與反活塞構(gòu)成了燃燒室，有比較高的溫度。而氣缸下端是在曲軸機匣內(nèi)，它經(jīng)常受到新鮮混合氣的沖洗，溫度很低，因此沿著氣缸軸向的溫度分布相差很大。使得高溫的上面膨脹多，而低溫的下面膨脹少。因此給制造者們提出了一個問題，即按照那一個尺寸來制造氣缸，是否應該考慮這種熱膨脹的影響呢？很明顯無論從設計上及制造上都應該考慮的?？紤]這種膨脹的結(jié)果就使得氣缸工作表面(即內(nèi)表面)不是一個圓柱面，而是一個大體上是錐面的特殊型面了。這就是我們常說的氣缸型面，它對發(fā)動機的功率、起動性能以及工作壽命都很有影響。

常用來做發(fā)動機氣缸的鋼材可以用高碳鋼、低碳合金鋼，滲炭或者氰化，也可以采用高級的氮化鋼如38×МЮА。小發(fā)動機用高炭鋼淬火來制造并沒有太大的缺點。由于零件小，其韌性及強度都足夠；高碳鋼淬火以后硬度也足夠(尺寸小淬透性也沒有問題，只是在加工的過程中熱處理等的變形會大一些。)采用低碳合金鋼滲碳不是太好的辦法，因為滲碳層不能太薄(總要在1毫米左右)，而氣缸筒的厚度也不會超過1.5毫米，許多有驅(qū)氣道排氣口地方還會小于1毫米。滲碳淬火以后材料比較脆，受到反復載荷以后就會斷裂。1958年我們制造“東風一號”模型發(fā)動機時，開始是滲碳處理的，都因為滲炭層太脆而不能使用。滲碳處理時溫度較高變形也較大。因此制造過程不簡單，所以作者認為最好不采用滲碳處理方法。

凡是能夠滲碳的材料一般都能氰化，氰化就是在金屬表面滲入碳原子及氮原子增加硬度及耐磨性。氰化層很薄一般只有0.5毫米以下，這對一些很薄的氣缸筒(單邊橫渡驅(qū)氣式的)特別合適。近來一些2.5立方公分的發(fā)動機氣缸筒厚度最薄處只有0.7毫米左右，如果采用氰化就能夠保持一定的強度和足夠的硬度。氰化時應該特別注意技術安全問題，最好是采用無毒氰化法。制造氣缸筒最好的材料還是氮化鋼，采用氮化處理它不但能達到最高的硬度，同時能提高疲勞強度，在處理的過程中它的變形亦極小。遺憾的是這種處理方法需要很長的時間，甚至達70小時以上。因此其成本相當昂貴，我們并不推薦大家廣泛采用這種材料及處理方法。

除上述幾種材料以外，也可以用合金鑄鐵來作氣缸。捷克有名的“AMA”發(fā)動機的氣缸就是鑄鐵的，還可以用結(jié)構(gòu)鋼如30×ΓCA高頻淬火來作氣缸?？傊茏鳉飧椎牟牧鲜窍喈敹?，應該根據(jù)用途生產(chǎn)的具體條件來選擇并不能一味的追求高級合金鋼。

制造氣缸的簡單過程：模型發(fā)動機的氣缸其毛胚毫無疑問都是棒料，在車床上車制出來。一般說來，在熱處理以前，除氣缸型面以外的表面都加工到最后圖紙尺寸，只將氣缸型面留有少量的余量作研磨用。少數(shù)情況下在熱處理以后還將氣缸的安裝表面再磨一下。這些過程都很簡單，我們只談一下氣缸型面的加工。

氣缸型面的準確度相當高，它的橢圓度要求甚至比一級準確度還高，也就是高于一般的活塞式航空發(fā)動機了。氣缸沿著軸線的直徑是變化的、應該滿足的要求為在工作時氣缸與活塞是有間隙的其間隙的大小等于潤滑油膜的厚度(這個厚度能近似計算出來)。顯然在冷態(tài)時也就是制造時應該是上小下大的即在冷運轉(zhuǎn)時活塞與氣缸上部是有緊度Φ1是小于活塞直徑的，下部是有間隙的，ΦA等于活塞直徑加上間隙大小(如圖12所示)。這些間隙與緊度的大小及軸向位置對起動時發(fā)動機是否有彈性，對工作壽命影響很大；橢圓度的大小對開車是否容易影響特別顯著。對一批發(fā)動機作過一次試驗發(fā)現(xiàn)當橢圓度大于某一值后起動就極端困難，發(fā)動機長期使用以后的報廢常常就是因為橢圓度過大這個原因。

圖12制造汽缸時尺寸的注法

氣缸型面的加工，目前都是由有經(jīng)驗的鉗工用研磨進行的。因此生產(chǎn)率不高也不容易保證準確度。在產(chǎn)量較大時建議采用帶有靠模機械裝置來研磨。在研磨的最后應該采用綠色的ЮИ膏來研磨，禁止采用粗粒度的金鋼砂作最后研磨。因為這樣會形成畫痕，影響發(fā)動機的工作壽命。氣缸制造以后，特別是帶有螺紋的氣缸，要用磁流檢驗是否有裂紋，細小的裂紋常常是淬火和磨削造成的，這些都是發(fā)動機發(fā)生事故的隱患。必須防止。

活塞是與氣缸筒相配的零件，表面一般是做成圓柱面，對表面的光滑度要求很高。除此以外就是要求活塞銷孔與活塞軸線的垂直度。不垂直會造成磨損的不均勻以及連桿的工作情況。對活塞而言比較重要的是材料的選擇，要求它的熱膨脹系數(shù)與氣缸的膨脹系數(shù)相適應，否則會造成熱卡死和漏氣，使發(fā)動機得不到最大功率。另外由于活塞是作往復運動的零件，因此盡量希望它能輕一些，一般也應該使活塞硬度比氣缸低一些。換一個活塞比氣缸是要容易的多。一般活塞用鑄鐵制造比較好，鑄鐵活塞比鋼活塞也要輕一些。鋼活塞與鋼氣缸相配，摩擦系數(shù)大，容易熱死，假如工作時不卡死，冷時間隙會過大又不好起動了。也有用輕合金制造活塞的，不過這時候要裝上活塞環(huán)?；钊耐獗砻鏅E圓度等的要求也與氣缸是一樣的，其準確度的保證也是用研磨來達到的。

2)機匣的加工：機匣是發(fā)動機上最大的零件，其材料大多都是用鋁合金或鎂合金。毛胚的獲得可以是鑄造也可以是鍛造。但是應該指明除了單件試制以外采用鍛造毛胚是不合理的，因為鑄造毛胚的強度就綽綽有余。理想的毛胚是由壓鑄而成的，其次是鋼模鑄造的，砂型也只有用在小量生產(chǎn)時才是合適的。

對機匣而言，加工主要問題是位置準確度，也就是各個安裝孔的相對位置垂直度、平行度。如圖13所示ΦA，ΦC應該互相垂直，而ΦBΦC應該同心，將來ΦB上安裝旋板時還要與旋板中心同心。只有同心才能保證曲軸在里面協(xié)調(diào)的運動。為了保證它們的同心度主要是依靠定位基準選擇的合適，用夾具來保證。如圖14選擇孔Φd及平面y是合適的，用這一組基準，ΦAΦBΦC都可以用同一組基準加工，這樣自然就提高了相對位置的準確度。這也是在前面我們強調(diào)應該將Φd及尺寸D標準化的原因。機匣制造的基本問題就是這些。

圖13

圖14

3.曲軸的制造：曲軸是在極高轉(zhuǎn)速下工作的零件，因此要求極高的疲勞強度，這一點對曲軸作活門時更加重要。它采用的材料一般是中碳鋼或者是中碳合金鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。

因為曲軸工作時負荷大，又容易與外界碰撞。所以設計及制造時都應當考慮這個問題，從準確度上看最重要的是ΦK及ΦL的平行度，二者不平行就會使連桿活塞工作時卡死。為了使曲軸疲勞強度提高，需要提高曲軸非工作表面及內(nèi)腔(空心軸)的光滑度，特別注意圓角如R1、R2、R3，圓角過小沒有拋光，殘留有細小的裂紋都會使曲軸斷裂。目前設計的曲軸其安全系數(shù)不高，制造的不好就會使它容易斷裂。曲軸頭部的螺紋不能淬火，否則會斷掉。因此有人將曲軸設計成如圖15所示的方案，將陽螺紋改成陰螺紋。實際上這并不是好辦法，陰螺紋只有用絲錐來加工，其準確度不很高，當然錐用鈍時容易產(chǎn)生裂紋，淬火時保護不好就發(fā)生裂紋了。使用上也不方便，互換性不好。需要一個特制的長螺釘。一般還是少用的。

圖15

發(fā)動機另件我們就介紹這三個。

此外提一下裝配。將制造合格的單個零件裝配成一臺發(fā)動機乃是最后、最重要的工序，裝配以前應該將各個另件洗滌干凈，裝配時應按裝配要求挨個檢查尺寸、配合間隙，裝配好后應打上印記以便以后分解后重新裝配時不會搞錯。裝配的好壞主要在于正確的組合零件，組合不好常常會使許多加工得很好的零件終身被埋沒，發(fā)動機亦不能發(fā)生足夠的功率。發(fā)動機的調(diào)整和試車亦是一項饒有興趣且很復雜的工作，限于篇幅這兒不談了。

曲軸前段用陰螺紋圖16

在結(jié)束本文的時候，想對活塞式航空模型發(fā)動機的發(fā)展方向提供一點看法。假如內(nèi)燃機不進行根本的改革很有被淘汰的可能，因為現(xiàn)在工業(yè)上已出現(xiàn)了高效能的蓄電池及小電機在功率重量體積上都有可能代替航空換型用內(nèi)燃機、并且有一系列的優(yōu)點，內(nèi)燃機用在航空模型上有近三十年的歷史了，壓燃式的采用也將近十五年了，但是以2.5立方公分發(fā)動機的發(fā)展為例，近十年來功率的提高僅僅只有50%，也就是每年的上升率不到百分之五，從類型及燃料上幾乎沒有什么改變，根本沒有采用新型的低閃點的高能燃料，也沒有尋求出高效率的潤滑抗爆附加劑，實際上這是大有潛力可挖的，因為航空模型發(fā)動機是用于比賽，它的經(jīng)濟性限制不像在國民經(jīng)濟領域中工作的動力裝置那樣重要?？梢哉f在原理上及新型燃料試驗上所作的工作是極不夠的。還有極遼闊的領域等待開墾。

從發(fā)動機的構(gòu)造及機構(gòu)上看，目前在世界上有不少先進的形式，如旋轉(zhuǎn)活塞式凸輪式發(fā)動機?？傊浞较蚴侨サ糇魍鶑瓦\動的零件，只有這樣才能使發(fā)動機的工作連續(xù)起來，這些都能用在小發(fā)動機上來，同時采用增壓器的要求也愈來愈迫切了，因為不少的模型都需要在一千米以上的天空去創(chuàng)造高度紀錄，這就需要它的“心臟”能在高空工作。所有這些都是擺在航空模型發(fā)動機的設計家和工藝師面前的光榮任務。我們用了不到十年的時間已使我國的航空模型運動水平追上了世界水平，創(chuàng)造了不上一次的世界紀錄。相信今后在黨的領導下我們能大搞群眾運動按著土洋結(jié)合以土為主的方針，高速更高速地將我國航空模型發(fā)動機的水平推向世界的最頂端。

(全文完)