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曲轴清洁度的检测方法及提升手段
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在曲轴的实际生产加工过程中,除了要保证曲轴切削加工的几何精度尺寸公差和形位公差精度要求之外,还有一项重要的指标要求就是曲轴产品的清洁度要求。清洁 度是曲轴一项严格的清洗质量标准,而清洗是保证曲轴清洁度符合要求的一个重要环节。本文就详细讲述了曲轴清洁度的检测方法及提升手段。

发动机的清洁度是指发动机中被检件被检部位的清洁程度,用规定方法从规定部位采集到的杂质微粒的大小和重量来表示。发动机的可靠性是指在规定的使用条件和寿命期间内,完成规定功能的能力。随着对产品质量和可靠性要求的不断提高,清洁度已成为发动机行业产品的主要质量指标。

曲轴是发动机最重要的机件之一。就曲轴的清洁度而言,其清洗质量标准极为严格。要提高曲轴的清洁度,必须对曲轴的清洗过程进行分析,即要了解何种因素使曲轴的清洁度受到影响,又全面了解问题产生的原因,并制定相应的提升手段。

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曲轴清洁度的检查方法

南汽工厂的曲轴清洁度的要求为8 毫克/根,具体的检查方法和操作流程如下:

1、对清洗池中的曲轴用喷嘴对所有加工表面以及孔进行充分喷射清洗。喷液压力为1.2~1.5bar,喷嘴喷射角度为80°~90°;

2、开启真空泵,通过串联过滤器将清洗液吸出。过滤膜的过滤精度分别为100um 和5um;

3、取出并干燥过滤膜。干燥箱内的温度设定为100℃,烘干时间为1 小时;

4、在干燥器中冷却0.5 小时,并马上用分析天平(显示精度:0.1mg)进行重量测定,该重量就是被测曲轴的清洁度;

5、溶解粘牢的颗粒并转放到已使用的过滤膜上。

曲轴清洗机的工作原理

南汽工厂的曲轴最终清洗机采用的是德国MTM 的回转式清洗机,由机体、回转工作台装置、自动封门装置、固定清洗装置、清洗装置、吹干装置、雾气处理装置、液位控制装置、浮油排除装置、过滤及排屑装置、布袋过滤器、清洗泵组及管路系统、吹干管路系统、维修门、气动系统以及电气系统(人机界面)等主要功能单元组成(见图1),以PLC 编程控制机床动作。它由4 个工位组成:一工位(上、下料)、二工位(喷淋清洗)、三工位(吹气)、四工位(抽湿)。为保证曲轴的清洁度,该设备对曲轴的油孔、法兰端孔、轴承孔、小头端孔等部位通过专用喷嘴实施定点、定位清洗。

影响曲轴清洁度的工艺因素

长期以来南汽工厂的曲轴清洁度一直不太理想,始终在指标线上徘徊,影响曲轴清洁度的工艺因素主要为:

1、曲轴毛坯的铸造方式

曲轴毛坯的铸造方式主要有壳型铸造和砂型铸造两种。砂型铸造就是在砂型中生产铸件的铸造方法。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得,铸型制造简便,对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应,长期以来,一直是铸造生产中的基本工艺。壳型铸造就是用一种遇热硬化的型砂(酚醛树脂覆膜砂)覆盖在加热(180 ~ 280℃)的金属模板上,使其硬化为薄壳(薄壳厚度一般为6 ~12 毫米),再加温固化薄壳,使达到足够的强度和刚度,因此将上下两片型壳用夹具卡紧或用树脂粘牢后,不用砂箱即可构成铸型,浇注铸件金属模板的加热温度一般为300℃左右,使用的型砂为树脂砂。

就曲轴毛坯的表面状态而言,壳型铸造件明显要好于砂型铸造件,但因“一次性”的壳型工艺成本高,故多数企业倾向于选择砂型铸造,目前南汽工厂使用的曲轴毛坯已由“砂型铸造件”取代了原先的“壳型铸造件”。当然,为改善毛坯面质量,我们的毛坯供应商在铸造生产线的末端增加一道“表面喷丸”工序。实践表明,虽然我们在曲轴生产线中设置了清洗工序,但毛坯的制造工艺和形成的工件表面质量,对于曲轴的最终清洁度仍有较大影响。

2、曲轴油孔的加工工艺

长期以来,国内外曲轴油孔加工采取的钻孔工艺均为“枪钻”,但近年来已逐步改为深孔钻(如硬质合金直柄麻花钻)。从制造成本和工效等多方面来讲,新的工艺要合理得多,因此,在新建的生产线中采用“枪钻”工艺的比例已明显减少,这种情况在中、小排量发动机生产线尤甚。但从另一方面来讲,由于执行新工艺时采取的是MQL 微量润滑,相比传统的切削冷却方式,MQL 系统利用高速喷出的压缩空气将具有润滑作用的切削油精确地喷在切削刃口和产生摩檫的部位,在刀具和工件之间形成油膜,尽可能减少应力集中的形变和摩檫产生的热量,高速的压缩空气将热量和碎屑带走。无疑利用后者的方式对清除钻孔后的切屑及其他残留物的效果较之前者要强得多。南汽工厂是通过“深孔钻”来加工曲轴油孔,运用MQL 冷却技术, 采用了热胀刀柄,配有ARTIS(CTM-DTA模块) 刀具监控系统。

3、在磨削过程中切削液的选择

切削液起着冷却、润滑、清洗排屑和防锈等重要作用,实践证明,作为整个切削加工系统的一个组成部分,切削液必须正确选择和使用才能发挥相应的作用。以磨削为例,曾在汽车行业轴类零件加工中广泛使用的是刚玉类砂轮,但近年来随着对制造质量和生产效率等要求的不断提高,在诸如曲轴轴颈的磨削工艺中,选用CBN 砂轮的比例在不断提高,由于此时的转速、负荷有了明显提高,因此选用的切削液也必须从原来的“水基切削液”改为“油基切削液”。后者虽对被加工件也有一定的清洗效果,尤其当采取高压供给时,其清洗性能会更好,但相比含油表面活性剂的水基切削液,两者还是有较大差距。

表面活性剂一方面能吸附各种固体微粒(切削、铁粉和磨削等)和油泥等残留物,并在工件表面形成一层吸附膜,阻止粒子和油泥粘附在工件、砂轮上;另一方面能渗入到粒子和油污粘的界面上,把它们与界面分离,并随着切削液带走,从而起到清洗作用。显然,在改变了磨削方式和切削液之后,虽然可有效地提升曲轴的加工质量和生产率,而且采用油基切削液也更有利于工件的防锈,但相比前者,清洗排屑的效果会有所降低,这也是一个不争的事实。因此,在进行工艺规划、工艺调整时,应适当关注是否会对工件的清洁度产生影响。我们厂的曲轴的磨削加工均采用的是油基冷却液。

4、关于曲轴清洗工序

曲轴生产线的清洗工序对确保产品符合清洁度要求起着极大的作用,但是从工艺规划来考虑,该工序有两点值得关注:

(1)取消中间清洗工序,只设最终清洗工序。以曲轴生产线为例,过去部分企业会在粗加工(包括“钻孔”工序)、热处理(中频感应淬火)之后设立一道“中间清洗工序”,但近年来此种工艺布置方式已十分少见。这当然也与实际需要以及出于经济性的考虑有关,我们厂的曲轴生产线就取消了中间清洗工序。

(2)清洗机选用的清洗液。与切削液相似,清洗液也有油基和水基之分,但长期以来,水基的清洗液占了极大部分,不过这一状况也在近年有所改变。在曲轴生产线终端的最终清洗工序,我们厂与大多数汽车发动机厂一样,选择“油基”清洗液,特别是在采用CBN 砂轮磨削工序中。毫无疑问,就如同加工中选用切削油一样,清洗过程若通过油基清洗液进行,对工件的防锈会带来很大帮助。但就清洗效果来看,肯定不如水基清洗液。

提升曲轴清洁度的案例介绍

1、现象调查

2014 年4 ~9 月,曲轴清洁度超差频次平均为3 次/ 月。每次均有500 件的下线零件需要重新清洗,甚至还需要返修第三次,而批量大、返修频次高的问题,极大地增加了返修工作难度。

2、原因分析

从“人、机、料、法、环”方面分析,进行深入的检查和验证,从而最终确认曲轴清洁度超差的原因:

首先从“人”的方面入手,针对曲轴在送检和测量过程中可能造成的二次污染,进行原因排除:检查当天曲轴清洗样本报告发现超差;送检与曲轴同一时间下线的零件,清洁度样本也超差。由于清洁度样本的黑色铁粉较多,因此判定不是人为原因造成的。

针对“机”的方面,检查喷嘴堵塞或者损害情况,均正常;检查过滤布袋使用情况,该过滤布袋已经国产化,与原先使用的进口过滤布袋相比,过滤报警次数较少原来每周1 ~2 次,现在每月只有1-2 次,说明国产过滤布袋的过滤精度不够;检查浮油排除装置,开机后只有10min 撇油时间,就停止工作,对清洁度超差有较大影响;检查水箱,发现水箱漏水,压力为15bar 左右,而标准为25bar,影响很大。

在“料”的方面,检查上线前曲轴表面,发现与之前曲轴相比,曲轴表面黑色铁粉较多,这会对曲轴清洁度超差有较大影响。供应商对曲轴毛坯的生产过程进行检查,确认黑色铁粉为抛丸造成。我们要求供应商针对性地优化曲轴喷丸的工艺参数,通过提高曲轴毛坯表面清洁度,达到减少黑色铁粉的目的。

在“法”的方面,检查清洗液浓清度ph 值和清洗机的各清洗液参数,均正常。

在“环”的方面,检查在制品料道和成品料架,表面有少许的灰尘,对曲轴的清洁度有影响。

从以上所述的几个方面,我们确认了清洁度超差的根本原因为:曲轴毛坯抛丸效果不好,造成曲轴表面黑色铁粉较多,清洗不干净;清洗机过滤布袋的过滤精度偏低,造成过滤能力不足;清洗机浮油排除装置里的撇油器撇油能力不足,使曲轴表面含油量增加;清洗机的水箱漏水,造成清洗压力不足;在制品料道和成品料架因日常保养不善,表面有灰尘,造成曲轴表面被污染。

3、解决办法

针对问题产生的原因,我们采取了以下有效措施:

(1) 与毛坯供应商沟通,通过延长喷丸机(见图3)的喷丸时间、减小喷丸直径等措施,改善抛丸效果,从而减少曲轴表面铁粉颗粒;

(2) 将清洗机过滤布袋(见图4)的过滤精度由5um 修改为3um;

(3) 改造撇油器,将撇油器改造成与清洗机同步工作;

(4) 提高清洗压力,进行压力监控,重新设计水箱,将清洗压力提高到25-30bar之间,监控压力为20MPa;

(5) 定期对在制品料道和成品料架进行清洁和保养。

4、效果检查

通过上述措施的实施,曲轴的清洁度由改善前的8 毫克/根,提高到改善后的6.5 毫克/根,曲轴清洁度的超差频次逐步降低为零。此外,还为南汽工厂带来了可观的经济效益,每年可节约成本约25 万元。

总结

清洁度是发动机行业面临的重要问题,现将影响曲轴清洁度的原因及改善措施与业内同仁分享,希望能够对发动机整机清洁度起到一些启示作用,可以推广到发动机其他零部件的清洁度控制。作为发动机可靠性的重要影响因素,清洁度的质量日益受到行业的关注,希望与业内同仁共同努力,从而推动汽车行业更好地发展。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/9/2015)
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