发动机铝缸盖清洗工艺的研究与改进

1、发动机铝缸盖清洗工艺的研究与改进etngine发m动an机u制fac造turing神龙汽车有限公司/刘裕安发动机铝缸盖清洗工艺的研究与改进近年来,随着世界汽车制造业技术的迅速发展,加工精度环节在市场上暴露的问题逐渐下降,但是,因清洁度问题导致的发动机故障比例却相对上升,成了用户反映的主要质量问题之一.在汽车发动机生产过程中,清洁度是评定汽车发动机质量的重要指标之一,它不仅影响发动机的耐久性与可靠性,最终影响汽车的使用寿命.气缸盖是发动机上的主要零部件之一,内部装有凸轮轴,液压挺杆等运动件,其清洁度的好坏直接影响到发动机的质量.因此,制造过程中,缸盖清洁度的保证措施尤为重要.发动机铝缸盖清洁度要

2、求为保证发动机的良好运行和耐久性,产品规定每个零部件均有严格的清洁度要求,对杂质的重量,杂质颗粒的大小,颗粒数,油污及含水量规定了相应的标准.不同的发动机,其零件的清洁度要求各有差异,以我公司生产的发动机缸盖为例,其清洁度要求是执行psa的标准,标准号为b320400.要求十分严格.8020/og第1i卿mc璃代器部件wwwmc195ocom影响清洗效果的主要因素1.缸盖形状复杂发动机按气缸的排列方式来分,一般可分为直列式,v形式,对置式三种类型的结构.目前生产的tu系列和ew系列发动机属于直列四缸顶置单,双凸轮轴两种类型的结构,缸盖内有四个燃烧室(见图1),其周围分布冷却水套,是一个形状复杂

3、的箱体类零件.:.荽(a)tu5jpk缸盖(b)ew10a缸盖(c)tu5jp4缸盖图1为了分析方便,将缸盖按清洗部位的不同大致分成以下几部分:(1)外表面是指燃烧室面,进气面,排气面,离合面,正时面,凸轮轴罩盖结合面,如图1所示,由于表面外露,便于清洗.(2)润滑油道主要包括上油道,横油道,进州主油道,凸轮轴及挺杆孔润滑油道.润滑油由此直接进入发动机的运动件部位,清洁度要求严格,润滑油道都是加工成形,便于清洗.(3)低压油道区主要是指缸盖上凸轮轴区域,润滑油回油腔区域.该部位铸造成型,形状复杂,区域面积大,清洗难度较大.(4)水套分布在燃烧室周围,铸造成形,形状复杂,属于内部腔道,从剖视图可

4、以看出(见图2),水套弯道及死角多,易沉积和卡住切图2切面i(b)切面(c)屑,清洗难度大.(5)孔系主要是指外表面的安装用螺纹孔,定位孔等通,盲孔.外部暴露,形状单一,便于清洗.2.铝缸盖杂物状况及其特征根据铝缸盖生产过程,其杂质类型主要包括:型砂,切屑,飞边和毛刺,加工过程中的油,水等异物以及外来异物等几部分(油,水异物便于清洗,传统清洗工艺便可达到理想效果).(1)残留型砂缸盖内部型腔是采用砂芯造型铸造而成,如果型砂清理不干净,型砂粘接剂干固后,结成块状的型砂堵塞在水套内,将给缸盖加工后的清洗带来很大难度.因此,毛坯进入切削加工之前,首先应该将型砂清理干净.(2)切削加工过程中产生的切屑

5、由切削原理可知:金属切削过程中,切削刃最前端存在一个滑移变形区,从金属晶体结构角度来看,就是晶粒中的原子沿着滑移平面所进行的滑移.也就是说,被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的作用下,受挤压而产生剪切滑移变形,被切削的金属层通过剪切滑移后变为切屑.该切屑与刀具前刀面接触的一面是平整光滑的,外侧则呈锯齿形或不明显毛茸状.由于铝质材料韧性强,断屑困难,切削过后的边缘易产生飞边毛刺,且因刀具形状的不同而产生各种形状的铝屑.以tu5jp4缸盖为例,从切削加工过程分析和现场收集起来的切屑来看,主要有以下几种类型的铝屑:麻花形状卷屑,片状碗形铝屑,长条状铝屑,环形状铝屑及各种小型铝屑等(见图3).图3加工过

6、程中产生的不同类型铝屑麻花状铝屑主要是在孔的加工过程中产生,铸铝材料韧性好,断屑难,加工过程中产生较长的麻花形卷屑,沿刀具螺旋槽排到孔外.长的铝屑(大干30ram)不易进入缸盖腔道,但有少量折断的,短的卷屑随着冲洗液进入腔道,且容易卡在型腔弯道处.该铝屑可通过优化刀具(如刃口部分开月槽,窄横刃或数控机床断续进给等方法)进行断屑.c形铝屑指在锪弹簧座面和缸盖螺栓孔端面时形成,切削面较宽(35ram),切屑呈c形状,主要存在液压挺杆孔周边的低压油腔和水套,且铝屑一面光,一面齿,在零件水套和低压油腔区的铸造型面内极易卡住,很难清理.较大的铝屑可采用可转位刀片新型断屑槽,带断屑槽的多刃刀具等方式进行断

7、屑处理.长条状铝屑指在镗液压挺杆孔过程中产生的铝屑,其形状特征是条状的,粗镗由于加工余量大,产生的铝屑细长,较硬,不易进入型腔;精加工engine发动mac造turing余量小,细长条缠绕在一起形成团絮状,也不易进入型腔内,只有部分折断的小铝屑容易进入腔道.环形状铝屑指粗镗液压挺杆孔底端时,由于挺杆孔底端悬空,刀具快接近底端时剩下部分呈环形脱落,环形铝屑一面是加工面,另一面是毛坯面,该铝屑由于呈环形,易套在导管弹簧座面,很难清洗.这种铝屑通过刀具很难达到断屑效果,通常的做法是在零件挺杆孔底端悬空部位设计成缺口型,使刀具加工到该位置时,切屑因毛坯缺口达到自动断屑效果.各种小型铝屑,包括铣削产生的

8、小型c形屑,其他的折断铝屑等,由于它形体小,加工过程中容易随切削液进入零件内腔.缸盖零件清洗效果的好坏,与切屑的形状有直接的关系,加工过程中,如果不能较好地处理这些问题,仅依靠清洗设备将很难达到效果.因此,缸盖工艺的整体设计过程应尽量考虑断屑效果.(3)飞边和毛刺铸铝材料韧性好,切削过程中会产生大量的毛刺和飞边.另外,由于缸盖形状复杂,部分位置(如液压挺杆孔内的小润滑油孔毛刺,弹簧座面毛刺等)很难通过设备上的毛刷方式去除.从大量的质量检查反馈的信息分析来看,飞边和毛刺仍是缸盖清洁度的一大隐患.所以,在缸盖进入清洗之前,首先应该去除零件表面的飞边和毛刺,近年来,国外部分企业在清洗设备内采用高压(

9、水压达48mpa)去毛刺的方式来解决该难题并取得了较好的效果,但该方式设备制造成本高,维护难度mc理代零部件20log第,卿81wi4m1950.engine发m动an机u制fac造turing大.上述杂物状况的改善可以有效降低零件清洗难度.但是,从清洗后的零件来看,经过断屑后的铝屑仍有大量滞留在缸盖复杂型腔中.发动机铝缸盖传统清洗工艺及其优缺点在发动机制造行业,缸盖传统清洗工艺一般采用多工位清洗(我公司一期工程缸盖线的hafroy清洗机就属于该类型清洗方式,如图4所示),主要由喷淋清洗,定点清冼,定点吹气及气幕热风干燥四个工位组成.实践证明这种传统清洗工艺对油污及外表面的清洗效果较好,但对形

10、状复杂,狭小腔道里的切屑很难清理干净,还需采取其他人工补救措施来解决.下面对传统清洗:艺的优缺点进行分析.(1)喷淋清洗在被清洗零件周围平行布置一排或多排喷头,使用清洗液对整个缸盖外露表面进行喷淋式冲洗(或通过缸盖在喷射区旋转进行冲洗),冲洗压力一般在0.5mpa左右(清洗液是碱性,ph值8.8l0,清洗温度(50ioc),常采用圆孔形或扁嘴形喷嘴.优点是被冲洗到的位置,对杂质及油污有很好的清洗效果(如缸盖外表面,低压油腔等);缺点是对盲孔,深孔以及内部型腔的杂物及油污清洗不到,几乎没有效果.(2)定点清洗针对喷淋清洗工位清洗不到的螺纹孔,通/盲孔,毛坯清砂口,出水口,主/横/上油道以及回油腔

11、等特定的位置采用固定喷嘴定点喷射清洗方式,压力一般在0.65mpa左右.优点是对采用喷淋式清洗不到的深孔(如螺纹822010磐11卿理代器部件www.图4传统缸盖清洗方式孔,盲孔,主/横/上油道等)清洗效果较好.缺点是对形状复杂,容积较大的型腔清洗效果不好,主要原因是单方向冲洗,铝屑形状弯曲复杂,且一面光一面有齿,单方向冲洗时很容易将铝屑卡在弯道处,同时也容易造成部分型砂等_fttzl,异物沉积在弯道处.(3)定点吹气定点清洗过的部位采用压缩空气固定喷嘴吹去积水和表面的附着杂质(空气压力一般在0.40.6mpa).优点是对孔系的处理效果很好,不仅能将清洗后的积水吹去,一是对

12、复杂形状的型腔清洁效果不好,同时也有助于孔内异物的清理.缺点其主要原因也是单方向作用,易造成铝屑卡死在弯道处;二是只对局部位置进行定点吹风,容易造成其他部位的二次污染.(4)气幕热风干燥主要是使用热风对整个零件吹去表面积水和杂物,蒸发掉剩余的水分,优点是可以较好地清洁零件外露表面水分和异物,同时有利于改善定点吹风造成的二次污染.缺点是零件表面温度升高,对后面的密封检测工序造成影响,易造成零件泄漏误判.从上述分析可以看出,传统的清洗工艺并不完善,不可能解决铝屑被单向卡死在复杂型腔内的问题.同行业清洗工艺现状及发展简况近几年,随着我国汽车业的迅猛发展,世界各着名企业纷纷以合资或独资形式进入我国,形

13、成了汽车制造,销售竞争的主战场,与此同时,汽车制造技术也同步进入,现阶段国内汽车业的制造水平具有一定的国际代表性.对国内多家着名合资企业的清洗设备进行调研(如与日本,韩国,美国,德国以及法国的合资企业)后发现,他们虽然在传统工艺的基础上有所改进,但清洗工艺都存在单向性卡死铝屑的问题.虽然产品形状和标准存在差异,受其影响的程度不同,大部分企业不得不在清洗后采取补救措施,浪费大量人力,物力.比如有的在清洗后增加人工工位,用压缩空气反复吹;也有的增加振动工位,将卡住的铝屑振松之后再人工用压缩空气吹,尽管如此,还是存在质量可靠性风险.目前,汽车发动机制造企业对缸盖的清洗难题越来越受到关注.德国部分企业

14、在传统清洗工艺的基础上,用紊流清洗取代了传统清洗工艺中的喷淋清洗.紊流清冼也叫湍流清洗,企业内形象地称之为浪涌清洗,它是将零件浸泡在清洗液中,清洗箱中安装有两排喷管,通过零件顺时钟旋转和液体的异向流动,使清洗液和缸盖之间的界面运动产生强烈的无规则流动(紊流),即湍流效应,对零件进行全方位(包括内腔)冲洗.其优点是对零件外表面杂质及油污有很好的清洗效果,尤其是对开放式回油腔比喷淋清洗有利,对内腔的去油污效果也较好(喷淋式清洗只能清洗到外表面,对内腔几乎没有效果).缺点则由于紊流没有方向性,型腔内脱离附着体后的铝屑有部分随着清洗液的排出,部分铝屑仍滞留在其中(如螺纹孔,油道孔及水道),无法彻底洗干

15、净.部分日本企业也有采用真空干燥取代了传统的热风干燥.真空干燥是指对未清理干净的少量积水进行真空(真空度:一0.impa)低压汽化抽出.其优点是干燥效果比较好,尤其对螺纹孔的处理比气幕热风干燥更有效果,不会对零件造成二次污染.同时低压气化能带走热量,从而降低清洗后的零件温度,有助后面的密封检测工序.法国部分企业对发动机缸盖的清洗方式也进行了改进,在传统清洗工艺的基础上增加了高压清洗,压力达48mpa,其主要目的是:一方面用高压水对零件毛刺及飞边进行清理.另一方面,在高压水流的作用下有利于清理卡死在型腔弯道处的铝屑.但也存在单向性问题,清洁复杂形状的水道还有困难.发动机铝缸盖清洗工艺的改进1.优

16、化传统清洗工艺从上述的分析可以看到,国外同行企业的紊流清洗和真空干燥工艺,明显优于传统工艺中的喷淋清洗和气幕热风干燥.因此,我们在新的缸盖线设计过程中,通过引进了自主消化,德国的紊流清洗和日本的真空干燥技术,优化了传统工艺(见图5).优化后的工艺虽然取得了明显效果,但综合各个清洗工位来看,不难发现,单向性清洗问题依然存在.从清洗后的缸盖可以看到,水套内仍有铝屑卡在其中无法满足n5二期工程使用的改进型清洗工艺产品要求.因此,清洗工艺针对单向性问题有待进一步改进.2启行研制并实施气流双向脉冲吹吸工艺针对改进型缸盖清洗工艺中存在单向性的问题,我们设计了气流双向脉冲吹吸工位.该工艺方法是一种全新的缸盖

17、清洗技术,已在公司engin粼ring缸盖生产线成功应用.首先将缸盖水套密封起来,再在缸盖两端布设吹,吸器,形成半封闭压缩空气流系统,两端吹,吸器通过脉冲频繁切换,压缩空气在腔内产生双向振荡气流,气流反复振松直至吹起卡在弯道处的铝屑,同时通过吹吸器的排气口排出腔外,流入铝屑回收装置.(1)基本工作原理和主要结构首先介绍气射流,气射流的卷吸作用和附壁效应.在压力作用下从喷嘴喷射出来的气流称为气射流.当压缩空气从喷射嘴中射出后即形成气射流,由气射流的基本理论知道:气射流里面的空气质点会与周围静止的空气质点碰撞,由于气射流中的质点运动速度极高,就会夹带(卷吸)着周围静止的空气一起向前运动,同时稍近处

18、的空气又不断地向其中补充,这就是气射流的附加卷吸流动.附加卷吸流动强度与射流束距物体表面距离有关,距离越小,附加卷吸流动越强.当距离小到一定程度时,附加卷吸流动形成真空,迫使气射流沿着物体表面流动,形成了气射流的附壁效应.卷吸作用和附壁效应迫使物体表面的异物随气射流向前运动,从而达到清洁物体的目的.但是,对于被单向卡在复杂型腔内的铝屑,单方向气射流也无能为力.为此,我们利用气射流的卷吸现象,附壁效应设计成双向脉冲吹吸系统装置来解决该问题.气流双向脉冲吹吸法的基本工作原理图如图6所示,它主要由气源部分,吹/吸部分,杂质回收部分,控制部分以及工作区构成.气源使用厂房的压缩空气(气压ic瑗代零部件2

19、010g第11期83engii图6气流双向脉冲吹吸工艺原理图0.4mpa),包括气体三联件.吹/吸部分主要由吹吸器和管道组成,其中吹吸器3,4,5是系统的核心元件,具有吹气和吸气的双重功能.它有一端是压缩空气进气口,一端是排气口,进气口是吹,吸共用的吹吸口.排气口与消声回收装置用软管连接.工作时,吹吸口的吹和吸由与其连接的截止阀切换,吹气时截止阀合上,压缩空气清扫工件表面;吸气时截止阀打开,压缩空气在吹吸口形成负压,吸起脱离工件表面的切屑.消声回收装置主要用来回收切屑和消除气流产生的噪声,其中设有单向阀防止切屑回流.控制部分由电磁换向阀实现;工作区由工件(缸盖)和夹

20、具(包括密封部分)组成.工作过程:左吹吸器(3)上截止阀合上,右吹吸器(4,5)上截止阀打开,同时左吹吸器吹气,右吹吸器吸气,左吹吸器喷嘴吹起切屑,右吹吸器吸走切屑,切屑再通过胶管送到消声回收装置中;反过来,右吹吸器上的截止阀合上,左吹吸器上截止阀打开,同时右吹吸器吹气,左吹吸器吸气,右吹吸器喷嘴吹起切屑,左吹吸器吸走切屑并通过胶管送到消声回收装置中.频繁脉冲交替切换,使吹入的84201眸劳期mc瑗代霹部件空气形成振荡气流,如此循环,反复振荡,便可振松卡住的切屑直至吹起切屑,从而有效地清除气缸盖腔体内的残留铝屑.(2)吹吸器基本结构及设计事项如图7所示,它是由进气口,

21、排气口,吹吸口和管路上的截止阀组成.根据零件的不同,可以将吹吸器并接成多口式结构(见图8).设计吹吸器时应注意事项如下:通道必须有足够的直径让铝屑通过,以免堵塞.并选择直径相对应的截止阀.吹,吸气交替切换应有合适的时间(脉冲时间),该时间根据零件型腔的长度,型腔的复杂程度确定(通过调试设定).前道工序尽量保证零件无水无油,可使零件清洁度更好,该工位一般放置在清洗工位之后.合理设置吹,吸时间节点,启动时先吸后吹,停止图7吹吸器图8时先停吹,后停吸,这样避免产生气阻现象.利用气流双向脉冲吹吸工艺,可以有效解决传统工艺中因单向喷水,单向吹气造成铝屑单向卡死的问题.图9是该工艺在公司缸盖1线的使用情况

22、,大量铝屑被吹吸到收集箱中,有效解决了铝屑单向卡死问题.图9气流双向脉冲吹吸工艺使用情况3.新型发动机铝缸盖多工位清洗工艺在缸盖传统清洗工艺的基础上,经过自行消化,应用国外先进的紊流清洗和真空干燥技术,再综合自行设计的气流双向脉冲吹吸工艺,研制了整套新型发动机铝缸盖多工位清洗工艺(见图1o).紊流清洗定点清洗定点吹风气流双向脉冲吹风真空干燥,>=1门/叨h上iii揖l口口i1.rn一,一睦i缝iilli.i1.,ll,岛i痢.圈m二4l1l冒il露蔽l1l的企_业墨件流向,j图1o新型多工位铝缸盖清洗工艺这是传统缸盖清洗工艺的一个突破性的改进,它采用气射流进行正,反吹吸交替切换的方式,将卡住的