1、2023年 第12期 冷加工48机床/附件/工装Machine Tool/Accessory/FixtureMAN系列柴油机气缸盖座圈锥面角度检测装置研究梁颖杰，黄月，郑铮毅，王强，张梦东中国重汽集团杭州发动机有限公司浙江杭州311232摘要：通过对MAN 系列柴油机缸盖座圈结构及尺寸进行分析，针对座圈锥面角度的测量方法，除采用常规的尼泊丁气动量仪检测方式外，介绍一种通过杠杆结构设计的自制锥面角度测量检具，实现对座圈减薄设计缸盖等变形机型在试制及小批量生产阶段的座圈锥面角度测量的工艺要求。关键词：MAN系列柴油机；气门座圈；锥面角度；检测1 序言发动机缸盖是汽车动力总成中设计最为紧密复杂的箱体
2、零件1，主要与缸体以及活塞上表面形成燃烧室，完成柴油燃烧、做功及排气等全部工作，新鲜空气与燃烧后产生的废气通过进气门、排气门与座圈之间的间隙完成进、排动作，气门座圈内表面通常由3 个相连接的锥面组成，3 个锥面的角度分别为：进口导向座圈锥面 60，气门密封座圈锥面 90，以及气流内倒角座圈锥面150 2。通过控制相邻锥面上某直径截圆之间的间距和锥面沿轴线剖面的角度，可以保证锥面对气体的导流效果3，使得进气时油气混合充分以及排气顺畅。MAN 系列柴油机进气门锥面角度为120，通过研发中心的缸盖气道涡流比试验结果可知，缸盖进气进口导向座圈锥面 120角度以及 36mm宽度尺寸，对缸盖吸气滚流比的影
3、响最大，因此如何控制进口导向座圈锥面120角度的稳定，改善缸盖在进气工作时气流的平顺及稳定，保证缸盖进气性能一致性，直接影响柴油机运行初期的压缩比、燃烧状况、扭矩、有效功率及起动性能等一系列技术性能指标4。2针对减薄座圈缸盖检测存在的问题MAN 系列柴油机缸盖为四气门布置结构，缸盖和气门座圈局部结构及尺寸如图1 所示。座圈量规检测尺寸深度3.4mm，直径36mm，该尺寸为气门座圈锥面测量基准截面到缸盖端面的距离。进气门座圈锥面角度120，宽度3.13mm，该角度为与进气门锥面的配合角度，与其一起形成密封面，其配合的紧密程度是实现发动机做功的关键，非常重要，需重点检测。现阶段正式量产工艺针对锥面
4、角度采用尼泊丁检具在线测量，实现对缸盖高频次快速测量，检测频次为每10件检测1 件，可以提高及时发现缺陷产品的可能性。针对在国六开发试验过程中，出现的进气座圈磨损异常及售后反馈机油耗偏高等问题，设计端对座圈进行了改进，采用减薄座圈结构，进气a）结构b）尺寸图1缸盖和气门座圈局部结构及尺寸2023年 第12期 冷加工49机床/附件/工装Machine Tool/Accessory/Fixture座圈锥面宽度从3.13mm减小至2.47mm，共减短了0.66mm，锥面角度120保持不变。更改后因现有尼泊丁检具定位点高于座圈锥面而无法准确定位，无法完成锥面角度的测量，需重新设计角度测量检具，改进后的
5、座圈锥面如图2 所示。图2改进后的座圈锥面3检具设计检具整体结构设计：根据上述分析，座圈锥面角度测量检具设计的整体结构如图3 所示，主要包括百分表、百分表用接头、表架、杠杆以及底座等。其中X 轴、Y 轴百分表采用百分表用接头分别与其对应的表架通过 4mm定位销和螺钉固定在测量底座上，X 轴方向上通过X 轴杠杆，其一端2mm圆头部分与座圈锥面紧密贴合，一端与百分表测头贴合。根据尺寸测算可知，锥面120，宽2.47mm尺寸在X 轴方向上极限移动距离约为1.24mm（2.47mmsin30），考虑到调整间隙以及安装误差等，实际移动距离1mm，因此设计采用杠杆结构，进行1 3 比例放大，确保X 轴方向
6、移动测量距离2mm，同时测量杠杆摆动必须灵活。Y 轴表架采用垂直布置，测量表头实时与座圈在量规尺寸线附近接触，整个测量过程仅存在Y 轴方向上下 移动。检具整体通过导向杆座与缸盖导管孔形成间隙配合（7H7/g7）来完成定位，以实现检具在整个Y 轴方向测量过程中上下移动时的稳定性及准确性，同时可通过调整螺钉座、导向销与压缩弹簧的配合来调整和明确测量的起始位置。图3座圈锥面角度测量检具设计的整体结构4检具操作方法（1）校零拧松百分表用接头，将检具整体插入标准缸盖的导管中，通过拧松/预紧调节螺钉上的螺母，使得X 轴杠杆 2mm圆头部分与座圈锥面最上端接触，Y 轴百分表表头与座圈在量规尺寸线附近接触。同
7、时紧固两个百分表用接头，确保X 轴百分2023年 第12期 冷加工50机床/附件/工装Machine Tool/Accessory/Fixture表压缩2 圈以上，Y 轴百分表压缩半圈以上，完成检具校零工作。（2）检测检具校零工作完成后，将发动机缸盖放在平面上，手持检具，将检具心轴的定位轴放入导管孔中5，使X 轴、Y 轴百分表分别与杠杆和座圈量规尺寸线附近接触，同时调整表盘归零位，在压缩弹簧的压缩作用以及导向销的导向作用下，由上到下移动表架，完成整个锥面的测量动作，记录两表的示数，通过公式arctanX 轴百分表示数/（3 Y 轴示数）计算出杠杆座圈锥面角度是否在工艺要求的119.667120
8、。5可重复性与再现性（GR&R）测评使用该检具，对缸盖座圈锥面角度进行测量，组织A、B、C 三名操作人员分别测量10个缸盖，每个缸盖重复测量3 次，共计90组数据，测评数据见 表1。表1可重复性及可再现性数据分析（单位：）检验员 A B C缸盖样品第一次检测数据第二次检测数据第三次检测数据极差R第一次检测数据第二次检测数据第三次检测数据极差R第一次检测数据第二次检测数据第三次检测数据极差R1 119.884 119.884 119.884 0.0000 119.884 119.884 119.884 0.0000 119.884 119.884 119.884 0.00002 119.886
9、119.886 119.886 0.0000 119.886 119.886 119.886 0.0000 119.885 119.885 119.885 0.00003 119.885 119.885 119.884 0.0010 119.885 119.885 119.885 0.0000 119.885 119.885 119.884 0.00104 119.885 119.885 119.884 0.0010 119.884 119.884 119.884 0.0000 119.885 119.885 119.885 0.00005 119.885 119.884 119.885 0.
10、0010 119.885 119.885 119.885 0.0000 119.884 119.885 119.884 0.00106 119.888 119.888 119.889 0.0010 119.888 119.888 119.888 0.0000 119.888 119.888 119.888 0.00007 119.885 119.885 119.885 0.0000 119.885 119.885 119.885 0.0000 119.884 119.885 119.885 0.00108 119.888 119.888 119.888 0.0000 119.888 119.8
11、89 119.889 0.0010 119.889 119.888 119.888 0.00109 119.883 119.883 119.883 0.0000 119.883 119.883 119.883 0.0000 119.884 119.884 119.884 0.000010 119.881 119.881 119.881 0.0000 119.882 119.882 119.882 0.0000 119.882 119.882 119.881 0.0010合计 1198.850 1198.849 1198.849 0.004 1198.850 1198.851 1198.851
12、0.001 1198.850 1198.851 1198.848 0.005平均值 119.8849 0.0007 119.8851 0.0002 119.8850 0.0009重复性 1K R E V）（）（nr E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&（1）再现性1K R E V）（）（nr E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&（2）零件变差 1K R E V）（）（nr
13、E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&（3）总变差1K R E V）（）（nr E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&（4）可重复性及可再现性1K R E V）（）（nr E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&（5）式中，R 为极差；EV 为重复性；1K R E V）（
14、）（nr E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&为3 组数据极差均值的平均；K1为常数，取0.5908；AV 为再现性；2023年 第12期 冷加工51机床/附件/工装Machine Tool/Accessory/Fixture1K R E V）（）（nr E V K X A V D I F E/-2 223 pK R P V 2 2&P V R R T V）（T V R R R G R/&1 0 0&为3 组数据均值的极差；K2为常数，取0.5231；n 为样本数量；r 为试验次数；
15、PV 为零件变差；RP为均值极差；K3为常数，取0.3146；TV 为总波动；R&R 为测量系统的波动。根据评测数据分析计算可知：EV 0.000197，AV 0.000060，PV 0.002132，TV 0.002142，GR&R 9.61%，测量系统状况良好。6 结束语该专用检具具有结构简单紧凑，使用方便可靠等特点，能够快速、准确地测量出缸盖气门座圈锥面角度，提高检测效率和检测精度，同时通过对缸盖座圈锥面角度检具的设计开发研究，也解决了传统角度尺无法对座圈锥面进行测量的问题，弥补了在产品开发试制及小批量阶段，仅能通过三坐标这种检验频次及效率较低的检测方式来检测角度而带来的质量风险，为后续
16、座圈锥面角度测量的方案设计提供了宝贵经验。参考文献：1 金镭，廖慧阳，陈勇.缸盖气门座圈及气门导管粗精加工方案研究J.制造技术与机床，2018（2）：39-41.2 左杨，翁雪军.关于缸盖座圈60锥面宽度控制方法的研究J.装备制造技术，2012（7）：10-12.3 张伟.发动机缸盖气门座圈相邻锥面截圆间距测量检具开发J.工具技术，2021，55（4）：101-105.4 邢海军.气缸盖气门座圈和导管孔的加工工艺研 究D.天津：天津大学，2003 5 饶雄，李俭，唐茂，等.发动机缸盖气门座圈深度测量专用检具设计J.工具技术，2018，52（6）：129-131.20231009金属加工视频号开通了，欢迎关注！金属加工视频号是装备制造业领域的专业视频号，由创刊于1950年的金属加工（包括冷加工和热加工两刊）和金属加工在线（）共同运营，开通以来陆续形成系列栏目，包括金属加工要闻、金属加工对话、金属加工快讯、金属加工在线论坛、加工真奇妙和金粉小讲堂等。扫描二维码，关注金属加工视频号
