林大明

（上汽通用東岳動(dòng)力總成有限公司，山東 煙臺 265500）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的零件之一，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工過程中，主要生產(chǎn)設(shè)備為數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床目前在多種項(xiàng)目領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1]。由數(shù)控機(jī)床產(chǎn)出的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，主要有以下四種功能：為發(fā)動(dòng)機(jī)眾多部件提供基座；可以點(diǎn)燃室內(nèi)燃油以產(chǎn)生推力；為汽車的各個(gè)運(yùn)作部件提供滑機(jī)油；通過冷卻水循環(huán)的運(yùn)行方式冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)前，我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的發(fā)展面臨很大的壓力，根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造產(chǎn)業(yè)的實(shí)際水平，很難滿足當(dāng)前優(yōu)質(zhì)加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的迫切需求。西方國家對此項(xiàng)目的研究時(shí)間較早，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工工藝領(lǐng)域中，其技術(shù)較高[2]。作為汽車的推動(dòng)部件，發(fā)動(dòng)機(jī)中的零件復(fù)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(jié)構(gòu)的要求較高，對發(fā)動(dòng)機(jī)最終的表現(xiàn)性能有著決定性影響，如何更好地加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，對促進(jìn)汽車的制造與發(fā)展有著重要意義。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工工藝

1.1 選擇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控制造工藝

加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋時(shí)，需要依靠數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行數(shù)控制造[3]。此項(xiàng)工序在整個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工過程中的占比較大，耗費(fèi)時(shí)間較長，所需技術(shù)水平較高。因此，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控制造工藝時(shí)，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(gè)部分。精銑時(shí)會去除少部分的余量，主要以手動(dòng)編程的方式進(jìn)行切削，對過程中部件尺寸的要求比較嚴(yán)格，切削得出的部件剛性較差，不過型面復(fù)雜，零件整體較為精細(xì)。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(qū)別，卻也擁有共同點(diǎn)[4]。這兩種加工路線均具備加工程序，整個(gè)程序以手動(dòng)編程為主，借助計(jì)算機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋走刀路線

在明確發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控制造工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)精銑和粗銑的不同加工路線對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的走刀路線進(jìn)行進(jìn)一步確定。常規(guī)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(jìn)行控制。鐵銑的操作方式比較復(fù)雜，所需的人力、物力也比較多[5]。針對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋精度差、剛性好的特點(diǎn)，結(jié)合人力資源及加工成本進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，圓周洗銑的走刀路線更適合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(yōu)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(dá)到最高，去除余量的最大值為20mm。缸蓋中的延伸機(jī)匣部分因?yàn)槠鋸较蚴芰Φ奶攸c(diǎn)，金屬零件容易發(fā)生形變，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用精銑的加工路線[6]。在選擇走刀路線時(shí)，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(jī)匣部分時(shí)，需選擇鐵銑的走刀路線。

1.3 建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型

加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋時(shí)，為了簡化分析過程，在創(chuàng)建物理模型過程時(shí)簡化了機(jī)匣表面的孔，另外，文章所舉的案例沒有涉及機(jī)聞表面的加強(qiáng)筋，因此計(jì)算結(jié)果會比實(shí)際工藝過程變形量要大，最終工裝設(shè)計(jì)強(qiáng)度會比實(shí)際情況偏大，在簡化模型的同時(shí)，不會產(chǎn)對設(shè)計(jì)主體生影響，使整體獲得相對合理的簡化過程。對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相對于四面體占優(yōu)的網(wǎng)格劃分方法，采用六面體占優(yōu)的網(wǎng)格劃分方法，能夠獲得更加精確的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[7]。文章所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型，如圖1 所示。

針對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型，劃分后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為93 627個(gè)，其中節(jié)點(diǎn)單元數(shù)為32 428 個(gè)，能完成對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型的構(gòu)建。

1.4 分析加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋過程的載力

通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型的構(gòu)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(shí)，需要向端面施加一個(gè)向內(nèi)的力，假設(shè)此載力為30N，探究此時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的靜力影響。文章分析時(shí)采用的是ANSYS 優(yōu)化方法，選取30N ～390N 之間的10 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，研究在不同力的作用下，銑刀對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋產(chǎn)生的形變效果。具體結(jié)果，如表1 所示。

表1 銑刀不同載力下的缸蓋應(yīng)變值

在銑刀的使用下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋物理模型產(chǎn)生了形變，整個(gè)影響趨勢呈正比例上升趨勢，銑刀對缸蓋所產(chǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工。

2 對比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工時(shí)所產(chǎn)生的扭矩，文章設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工方法的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)開始之前，首先選取3 組相同配置的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋配件，并使用三種方法完成缸蓋加工。缸蓋加工時(shí)會產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，扭矩也會發(fā)生相應(yīng)的變化，扭矩相對越大，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好，因此將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，展開對比實(shí)驗(yàn)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工時(shí)的扭矩測試

布置好實(shí)驗(yàn)背景之后，使用設(shè)計(jì)方法與兩種傳統(tǒng)缸蓋加工方法同時(shí)對配件進(jìn)行加工，在轉(zhuǎn)速的影響下，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2 所示。

通過圖2 可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速不斷增大的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也發(fā)生了改變，其發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩均呈下降趨勢。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900r/min 時(shí)，文章設(shè)計(jì)方法所得的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋扭矩為1 098N·m，傳統(tǒng)缸蓋加工方法1 扭矩為1 009N·m，傳統(tǒng)缸蓋加工方法2 扭矩為891N·m。傳統(tǒng)缸蓋加工方法與文章設(shè)計(jì)方法相比，最少相差89N·m；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100r/min 時(shí)，文章設(shè)計(jì)方法的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋扭矩為872N·m，傳統(tǒng)缸蓋加工方法1 扭矩為776N·m，傳統(tǒng)缸蓋加工方法2 扭矩為753N·m，相比之下，傳統(tǒng)缸蓋加工方法最少差96N·m。綜上所述，文章設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的高要求制作，對于整輛汽車的運(yùn)行來說，具有極其重要的作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的直接影響下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能會產(chǎn)生或快或慢的變化，對于汽車建造領(lǐng)域來說，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)存在十分重要的意義。文章依靠汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋工藝改進(jìn)提供了思路，本著優(yōu)化資源配置、降低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，促進(jìn)了我國汽車加工技術(shù)的自動(dòng)化發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)人工以及自動(dòng)化生產(chǎn)的考量中，為制定最具性價(jià)比、最為適宜的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工工藝方案提供了研究思路。