基于有限元分析的柴油机油底壳加工变形研究

左 峰 程敢峰

(中车戚墅堰机车有限公司 江苏 常州 213011)

0 引言

机体和油底壳作为柴油机的关键核心零部件之一，其精度的保证，对整个柴油机的组装运行乃至整个机车的运行至关重要，其关键尺寸，必须得到保证方能确保柴油机运行过程中的稳定性[1-2]。

280系列柴油机油底壳总长接近4 m，由前后端板、中间壳体组焊而成，属于钢结构薄壁件。在柴油机组装时，油底壳前后端面与机体前后端面应平齐，并保证机油泵孔中心距，才能满足密封和齿隙要求，保障柴油机平稳运行。

油底壳作为薄壁件，其平面度、长度尺寸、孔系位置度等关键精度一直以来都是难点，尤其是加工过程中的变形对精度的影响，成为关键要素。缺少系统的理论计算、分析，没有防变形手段和措施[3]。

1 油底壳结构和压装分析

1.1 油底壳结构分析

油底壳由自由端板、输出端板、中间侧板和底板组成(见图1)，自由端板上机油泵孔主要固定机油泵齿轮，为柴油机供油，自由端板前端面与机体前端面平齐，前端罩壳密封，输出端板与机体后端面平齐，后端罩壳密封，如图2所示。油底壳主要精度项点为自由端板内机油泵孔、油底壳总长、在中间底板上的定位销孔和中间底板的平面度。

图1 油底壳结构图

图2 机体与油底壳安装结构图

1.2 油底壳关键精度

总长：(3 040±0.05)mm；机油泵孔的位置度：ø0.05 mm； 定位销直线度：0.02 mm；定位销位置度：ø0.05 mm。

2 既有加工工艺精度分析

目前油底壳加工分粗加工和精加工。粗加工在龙门铣床负责前后端面和上平面及侧边的加工，落地镗床负责机油泵孔粗镗；精加工在五面体龙门加工中心负责前后端面、机油泵孔和各螺孔的加工。

精加工环节，利用加工过的大平面定位，采用等高块和压板在两头和中间3个位置处压装，左右对称，共6个压紧点。加工时前后面和上平面约有4 mm加工余量，采用ø200 mm面铣刀加工，每刀切削量控制在2 mm左右。左右机油泵孔单边约有10 mm加工余量，采用粗镗刀、半精镗刀和精镗刀分次加工，主要刀具切削参数如表1所示。

表1 主要刀具切削参数

油底壳加工后，拆除工装，自由状态下对其平面度进行测量，变形较大。为了进一步掌握变形情况，对人工压装的压紧力利用扭矩扳手进行测定，结果为300 N· m。对油底壳前后端面进行三维仿真分析，最大变形区域产生在压装位置，具体如图3、图4所示。

图3 前端夹紧力矩300 N·m下的变形量

图4 后端夹紧力矩300 N·m下的变形量

经过仿真分析，在压板位置出现最大变形量，压装点位置下凹，两端位置凸起。仿真计算，前端变形最大约为0.42 mm，后端变形最大约为0.37 mm；现有压装位置如图5所示。

图5 油底壳压装图

为了保证油底壳的加工精度，必须科学合理地计算、分析夹紧力和压装位置，同时优化改善既有工装和工艺，便于控制工件的变形情况，提高工件加工精度。

3 切削力和夹紧力计算

铣削抗力P用式(1)计算:

(1)

式中：P为铣削抗力，N；t为铣削深度，mm；sz为每齿进给量，mm；D为铣刀直径，mm；B为铣削宽度，mm；z为铣刀齿数。

根据刀具切削现状，t=2 mm、D=200 mm、sz=0.06 mm、B=100 mm、z=14，对面铣刀的切削力进行计算，得到铣削抗力P=275.6。

在油底壳现场加工压装时，根据现有夹具、油底壳结构和以往加工经验，采用前后端面靠近尾部区域支撑和压紧的方式，压板位置为左右各2个，压板到前后端面的距离约为总长度的1/6处，切削区域中间到支点的距离约150 mm，压板到支点的距离约为60 mm。

将上式的铣削抗力P计算值代入式(2)，便可计算每块压板上所需的夹紧力：

(2)

式中：F0为每块压板上所需的夹紧力，kgf；f为工件与支承面间的摩擦因数；P为铣削抗力，kgf；L为切削合力至支点O的距离，mm；l1、l2、L、ln为各压板至支点O的距离，mm；M为安全系数。

M取值1.5，f取值0.15，L取值150，l1+l2+L+ln=60，计算得到每块压板所需要的夹紧力F0=89.5 kN。

油底壳的压紧机构是常用的螺杆压紧形式，而夹紧力又取决于螺母在旋压过程中对压板的压力，而这压力来自于旋紧螺母的扭矩，该扭矩应是一个在一定力值范围内的相对定值，将式(2)的F0每块压板上所需的夹紧力代入式(3)，可得：

Mt=K×P0×d×10-3

(3)

式中:K为拧紧力系数；P0为预紧力；d为螺纹公称直径。

经过计算，得到Mt=120 N·m，压紧螺栓选择8.8级M24螺栓，查表得到M24螺栓预紧力可以达到222～254 N·m，满足现有的预紧力需求。

4 工艺优化设计

针对计算出的压紧力，同时结合人工仿真的300 N·m变形位置，对现有等高垫和压板的简易压紧模式进行了改进设计。一方面在前后主定位压装的基础上增加中间位置的辅助支撑；同时增加侧面辅助支撑。另一方面在压板相对前后端面的位置也进行了调整，优化后的工装设计如图6所示。该装备使用简便，辅助时间大幅缩短；同时定位可靠，结合科学计算的120 N·m压紧力，利用扭矩扳手，可以防止工件由于压装带来的变形和波动。

图6 优化后的工装设计

根据优化工装、油底壳支撑和夹紧形式、结构、区域位置以及计算的压紧力，并针对计算出的120 N·m螺栓压紧力矩，进行仿真分析。

当夹紧力矩为120 N·m时，X方向变形量较大，但仅为0.03 mm,且在自由端板端面处，对油底壳整体关键精度影响不大，满足组装需求(见图7)。

图7 夹紧力矩120 N·m下X方向变形量

5 结论

通过定位位置及压紧力的优化设计，实现了工件变形的精确控制及产品精度的提升。经过三坐标检测，油底壳在自由状态的平面度从0.35 mm变为0.08 mm，满足了0.1 mm的要求。油底壳上前后两定位销孔在3 000 mm长度上的直线度由0.15 mm变为0.02 mm，满足要求。工装、压紧力等过程参数进行了工艺固化，目前产品精度稳定输出。