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汽车发动机缸孔珩磨误差分析与精度控制

高罗辉  
【摘要】:发动机是汽车核心部件之一,其质量直接影响汽车动力性能。提高发动机缸孔的加工制造质量,对于改善发动机的燃油效率、降低发动机的摩擦功耗具有直接的作用。珩磨作为发动机缸孔精密加工的重要工序,不仅能去除较大的加工余量,而且在提高零件尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度方面也较其他工艺方法更加有效,常被用作发动机缸体机加工的最终工序。 本文以上汽通用五菱汽车B12型发动机缸体为研究对象,针对发动机缸孔珩磨加工中尺寸与形状误差的一致性控制问题,通过对油石磨粒在缸孔表面的切削轨迹和作用区域的仿真分析,揭示了缸孔不同截面尺寸误差的形成机理;通过分析珩磨切削力、装夹力和缸体结构刚度对珩磨过程中缸孔壁面变形量的影响,揭示了四个缸孔形状误差的变化规律。结合生产现场具体工艺系统状态和误差分布规律,提出了B12型发动机缸孔加工工艺优化方案。本文研究工作具体包括以下三个方面: 首先,进行了油石磨粒在缸孔珩磨加工中运动轨迹分布的重构。通过对磨粒几何轨迹重构以及转换,分析了磨头运动参数对磨粒轨迹分布的影响,推导了磨粒轨迹点数目在缸孔圆周方向和高度方向上的分布曲线表达式,发现了现有珩磨加工中磨粒轨迹分布存在着缺陷,探讨了该缺陷对珩磨尺寸精度的影响。结果表明:油石磨粒轨迹点数目在缸孔圆周方向上分布的均匀性得到了很好的控制;而沿缸孔高度方向上的分布存在着不均,这是导致珩磨过程不同截面尺寸误差不一致的根本原因。 其次,完成了缸孔珩磨过程中的变形仿真。通过缸体建模、受力计算、有限元仿真以及生产加工测量数据分析,揭示了缸体各部位刚度间的差异性分布规律,研究了缸孔表面变形与各力间的变化关系,发现了现有珩磨加工中各缸孔受力变形存在着差异,探讨了变形差异对缸孔圆度、圆柱度的影响。结果表明:缸体结构上的不对称导致了缸体上各部位刚度间的差别,引起了各孔受力变形差异,使得四个缸孔圆度、圆柱度误差不一致。 最后,基于对磨粒几何轨迹分布和缸孔受力变形的分析,结合对缸孔制造工艺的分析与生产加工过程质量控制中的数据处理,提出了珩磨加工中尺寸与形状误差的一致性控制方案。利用缸孔加工前、后工序尺寸匹配设计与珩磨头运动轨迹分布的控制,减小缸孔上、中、下三截面尺寸误差的不一致;利用对缸孔珩磨加工变形的控制与珩磨前道工序(精镗工序)中圆度、圆柱度误差的控制,减小四个缸孔圆度、圆柱度误差间的差异。通过生产测量数据的统计分析,验证了控制方案的可行性与有效性,指导优化并改进了缸孔加工工艺。 研究贡献点在于:1)重构了发动机缸孔珩磨加工珩磨头磨粒轨迹点的分布,研究了轨迹分布规律及其对珩磨加工尺寸误差的影响;2)建立了发动机缸孔加工变形的数值仿真模型,探讨了各力与缸孔变形间的关系,研究了加工变形对珩磨加工圆度、圆柱度误差的影响;3)设计了缸孔珩磨加工中尺寸与形状误差的一致性控制方案,对缸孔加工工艺的优化起到了指导作用,为提高汽车发动机缸孔加工质量提供了理论依据和技术基础。


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