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[其他] 提高动力总成清洁度的监控水平

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发表于 2016-3-28 22:03:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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提高动力总成清洁度的监控水平

提高动力总成清洁度的监控水平

        图1  导致异响的液压挺柱与轴瓦

        清洁度作为产品一项重要的质量指标,其重要性已受到越来越多的关注。本文从两个方面对如何提高动力总成产品的清洁度水平做了阐述,指出了其对确保产品质量所具有的意义,同时分析了随着产品制造技术的发展、演化,不同的工艺方法还会带来一些新的清洁度问题。
        发动机缺陷带来的启示
        清洁度作为一项质量指标是用来控制产品上污染物数量(主要是固体颗粒量)的质量特性值,可通过规范的试验方法来进行评定。在那些批量生产的汽车、轴承、内燃机和工程机械等行业里,凡是重要零部件的生产线中,一般都设置有借助高效专用设备进行清洗作业的工序,以确保产品的清洁度。此外,很多企业还建立了专业的清洁度试验室,通过规范的方法和确定的指标予以验证。尽管如此,多年来,行业对清洁度这项质量指标的重视程度还是不够,除了反映在工艺规划中对清洗设备的投资上,还可从那些延续多年的简陋的清洁度试验设备和单一不变的评定指标这两方面看出,尤其是后一点。事实上,这两方面相辅相成,正因为这项质量特性值被适用了很多年,所以企业才不会去考虑提升硬件的水平。
        近年来,随着人们质量理念和意识的变化,尤其是对轿车类产品的安全性、可靠性,以及对其环保和节能方面的更高要求,使得昔日被忽视的一些环节得到了极大的重视,“清洁度”即是一例。事实上,因为清洁度的原因而引起的故障、缺陷过去也有,只是关注程度不够,如水泵、机油泵、发动机和变速器等动力总成部件,典型例子就是对引起轿车发动机异响这一缺陷原因的探索。经对发动机进行解析,发现既有因为液压挺柱卡死,致使摇臂无法抬起,造成摇臂上的滚轮与凸轮间出现间隙的情况,如图1a所示;也还有由于与曲轴主轴颈相配合的上、下两片轴瓦中混合了固体颗粒状杂物,既拉毛了轴瓦表面(见图1b),又引起了异响。而进一步的拆卸、分析也表明,前一例的液压挺柱的卡死其实也是由于细小的铝屑颗粒混杂在配合面间隙造成的。追根溯源,所有这一切,都是因为总成或零部件的清洁度控制方面尚有欠缺而引起的,产品清洁度的重要性由此可见。
       

提高动力总成清洁度的监控水平

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        图2  先进的清洁度试验设备

        清洁度指标的提升和实施
        从前文所述的清洁度含义可知,这一质量特性值的定量表述必然与产品所带的杂质,即残留物的量相关。事实上,多年以来,清洁度也确实是以残留物的质量(以mg为计量单位)作为评定指标的,而被称量的残留在滤纸上的杂质又主要以固体颗粒物为主。至于对颗粒物大小的监控,迄止21世纪前10年中期,国内外在执行的标准中都只是提到“在有要求时,应对颗粒的尺寸和种类进行测试,可优先选择沉积在100mm滤纸上的残留物”。显然,这里的杂质大小乃是指最大颗粒,一般就利用普通的光学显微镜通过人工目测方式完成,但这种状况在近年发生了很大的转变。
        1.清洁度指标控制值的提高
        不可否认,工件在清洗后残留物的质量(mg)仍然是一项主要的评定指标,但近年来其控制值已有明显的提高,以某一知名品牌小排量轿车发动机的主要零件为例,其主要自制件缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆的指标近5年来已压缩了40%~100%,这是与企业自身对产品质量的苛求,以及发动机产品技术的发展紧密相关的。另一方面,为了使清洁度试验后获得的结果能真实地反映出产品的情况,同时也为了企业相互之间的测试结果更具可比性,在试验工作的第一道、也是最基础的一道清洗工序中所采用的设备品质也在提高。图2所示是一种代表性的设备,该机的清洗区为一密封区域,不存在传统“开放水池式”操作产生的洗液飞溅乃至降低冲洗压力的情况。该设备还带一套自动再生装置,不但确保了昂贵的清洗液持续、可靠地反复利用,而且在保证其品质的同时更加“环保”,在进行清洁度试验时能有效地保证0.25~0.3 MPa的冲洗压力等参数,使试验结果更可信。
       

提高动力总成清洁度的监控水平

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        图3  残留物颗粒物理性分析

        2.清洁度指标项的增加
        用于反映产品清洁度的指标,现今相较多年来单一的“残留物质量”又增加了多项,从而对产品的清洁度提出了更为严格的要求。
        (1)残留物中最大颗粒尺寸。这一指标之前只是一个“选项”,但如今已成为必检项目,关键是建立了相应的标准,从而有了判别的依据。而相应的检测手段,除了传统的光学显微镜外,也有采用金相分析时的体视显微镜,以及更为先进的“清洁度分析系统”。
        (2)残留物的物理特性。残留物的主体是固体金属颗粒,它们对产品的影响是最大的。但事实上总还是会有些非金属残余物存在,如油污、纤维物等。部分企业对此还规定了“最大纤维长度”这一指标。但极大部分主流发动机生产企业还是更关注金属颗粒的危害,做出了以下判别原则:残留物中不能含有铝制颗粒。鉴别方式比较简单,采用强力磁铁接近已烘干的残留固体颗粒物即可。图3是采用先进的“清洁度分析系统”对一个样品的残留物的分析结果,对其中的三类:金属颗粒、非金属杂质和纤维中“最大”和“次大”的提供了形象、定量的描述。
        (3)工件残留物中固体颗粒粒径(大小)的统计分析。统计分析指的是试验工件清洗后的杂质按颗粒粒径在不同区间的分布情况。例如,如表所示,这是一种典型的评定表格,额定值可以根据实际情况设置。该项指标被分成了AA、A和B等三个级别,但一般情况下企业往往只设置一个“合格”门槛。另外,有的情况下还可以在每个“粒径区间”设定不同的“加权系数”,以更迎合被检产品的情况。各个企业据此就能设计出既满足自身需求又具有相应特征的测试报告格式。
       

提高动力总成清洁度的监控水平

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        图4  一种先进的清洁度残留物分析仪器

        3.关于油品清洁度分析
        对汽车总成零件来讲,作为工作介质的机油,严格来讲也是其重要“组件”之一,同样有着清洁度问题。事实上,早有规范的标准(如ISO4406、ISO4407等)明确了流体介质的清洁度要求,不但指明了测试方法,而且把上述残留物颗粒大小的统计分析确定为评价指标。近几年来,不少总成厂在贯彻这一标准时,逐渐提升了硬件——检测设备的档次,从只能借助普通的光学显微镜,发展到利用清洁度分析系统(见图4)。这种先进仪器是通过光机电结合的检测系统,自动地对清洁后滤纸表面的所有残渣颗粒快速扫描,同时对粒子大小和按规定的分类间隔进行测量和统计,最后按设定的门槛值或不同等级对工件的这一清洁度指标做出判断。显然这种仪器不仅可用于油品清洁度分析,还同样用于前述工件的这一指标的测试。需要指出的一点是近年来,虽然油品分析在不少零部件厂及包括变速器等总成厂已有所执行,但在作为汽车心脏的发动机制造中,对其应用的机油的清洁度分析则刚刚开始。这也表明了对这一检测项目及指标的认知和重视。
        工艺因素对控制产品清洁度的影响
        毋庸置疑,把产品的清洁度控制在额定范围之内的基础是产品的生产过程。尽管几乎所有较重要的、有清洁度指标要求的生产线都设置了清洗工位,且清洗机的功能、效率也由于制造厂商的努力而在不断提高,但事实是,控制好产品的清洁度仍是相当复杂的工作。这主要还是由主导生产过程的工艺方法决定的。以发动机中的典型零件曲轴为例,对其清洁度质量指标要求的提高就是一个十分艰难的过程。
        实践表明,一件成品的清洁度水平的决定因素绝不只是最后一道清洗工序有没有把它“洗干净”那么简单,它是整个工艺过程的综合反映。而很多既要体现技术进步,又要考虑经济性、制造成本的措施,往往会与这一“目标愿望”相悖。仍以曲轴为例,上述复杂性就体现在诸多方面。
       

提高动力总成清洁度的监控水平

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        图5   表面活性剂的清洗、去污作用

        曲轴经清洁度试验后产生的杂质、残渣主要出自三处:非加工面的毛坯面——扇形板、油孔和轴颈等加工面。而其中的影响因素众多:
        1.毛坯
        铸件在曲轴毛坯中多于锻件,尤其在中、小排量发动机中,而国内采用的铸造工艺以 “砂型”方法为主,较少采用“壳型”。虽然后者形成的工件表面状态明显要好于前者,但因“一次性”的壳型工艺成本高,故企业倾向于选择砂型铸造。当然,为改善毛坯面质量还可以增加一道“喷丸硬化”工序,但这又会增加制造成本。实践表明,虽然在生产线中设置了清洗工位,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。而铝制件的毛坯生产厂情况就完全不同,需方(用户)会对关键铝制件的毛坯制定明确的清洁度门槛值,主要是那些涉及有运动部件的工件,如缸盖、水泵壳和机油泵等。有些件的清洁度指标还不只是残留物的重量,像对缸盖毛坯这类关键件还进一步提出了对颗粒度分析的要求。
        2.钻孔——曲轴油孔加工
        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微量润滑,相比枪钻工艺边加工边以80MPa压力的高压切削油冲洗,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。
       

提高动力总成清洁度的监控水平

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        3.磨削过程中切削液因素的影响
        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(刀具)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。图5是这一过程的原理示意。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。
        4.关于清洗工位
        设置在生产线中的清洗工位对确保产品符合清洁度要求起着极大的作用,但这同样由工艺部门综合考虑后决定。近年来以下两个倾向值得关注:
        (1)取消中间清洗工位,只设生产线终端那一个。以曲轴线为例,过去部分企业会在粗加工(包括“钻孔”工序)、热处理之后设立一道中间“清洗”环节,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。
        (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。在曲轴线终端的清洗工序,越来越多的汽车发动机厂选择“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。
        结语
        综上所述,可清楚地看到控制产品清洁度的重要性和复杂性,决定产品最终清洁度水平的绝不是清洗工序,或是清洁度实验室的试验方法/程序,它是整个工艺过程综合作用的结果。因此一旦发生这方面的问题,或者面临要求提升清洁度的指标门槛值时,也必须综合性地逐项分析。曲轴作为发动机总成中一个关键部件,其清洁度虽然只是一个个案,但涉及到方方面面的要素,也可引申到其他产品。另外,不同企业对产品的质量要求客观上还是有一定差异的,本文提到的一些指标明显处于较高水平,因此在本文里会把遭遇到的一些问题的严重性、复杂性提升到较高程度,但笔者也相信,无论把产品清洁度的重要性放到多高的位置都不为过。
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