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[发动机] 发动机曲轴的清洁度改进方案

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发表于 2015-7-27 06:59:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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发动机曲轴的清洁度改进方案

发动机曲轴的清洁度改进方案

        图1  清洗机结构

        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就是曲轴产品的清洁度要求,而清洗是保证曲轴清洁度符合要求的重要环节。
        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。就发动机曲轴的清洁度而言,其清洗质量标准极为严格。要提高曲轴的清洁度,首先要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,全面了解问题产生的原因,并制定相应的措施,落实跟踪,并验证。
       

发动机曲轴的清洁度改进方案

发动机曲轴的清洁度改进方案

        图2  曲轴的清洗工艺

        本文对影响曲轴清洁度的原因及改善方案做了阐述,并对工作中的心得体会、经验及验证结果进行了总结,希望与业内同仁分享。
        曲轴的工作原理及重要性
        曲轴是发动机最重要的机件之一。现有某曲轴用球墨铸铁铸造而成,并由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、心轴端及凸缘端等组成。为提高耐磨性和耐疲劳强度,轴颈表面经精磨加工与各轴颈沟槽滚压加工,以达到表面硬度和表面粗糙度的高要求。它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力,传给底盘的传动机构,同时,驱动配气机构和其他辅助装置,如水泵、起动机等。工作时,曲轴承受气体压力、惯性力及惯性力矩的作用,受力大而且受力复杂,并且承受交变负荷的冲击作用。
       

发动机曲轴的清洁度改进方案

发动机曲轴的清洁度改进方案

        图3  2008年4~9月曲轴清洁度超差频次统计

        另外,由于曲轴还是高速旋转件,因此要求曲轴具有足够的刚度和强度,并且有良好的承受冲击载荷的能力,耐磨损、润滑良好。本文讨论的曲轴也是一种全支承曲轴,主轴颈数比气缸数目多一个,即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。四缸发动机全支承曲轴有五个主轴颈。这种支承曲轴,其强度和刚度都比较好,并且减轻了主轴载荷,减小了磨损。
        曲轴在清洗机中的清洗过程
        1.清洗机工作原理及结构
        曲轴最终清洗机由机体、上料端横移送料装置、下料端横移送料装置、抬起步伐式输送装置、自动封门装置、固定清洗装置、回转清洗装置、升降闷孔清洗装置、回转吹干装置、升降闷孔吹干装置、固定吹干装置、冷却降温装置、清洗液电加热装置、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。分为21个工位,分别由机械手放零件工位、2个零件清洗工位、2个油孔清洗工位、2个零件吹干工位、2个油孔吹干工位、4个零件冷却工位、机械手抓零件工位及7个空工位组成。该清洗机清洗B10D及B11、12D两种型号的曲轴,零件通过一个伺服电动机驱动抬起步进式输送系统进行输送清洗。
        2.清洗工艺
        曲轴的具体清洗工艺及流程如图2所示。
        曲轴清洁度不合格现象
        从图3可以看出:2008年4~9月,曲轴清洁度超差频次平均为5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。在正常的三班生产中,如此繁重的返修任务会影响正常生产和产能的输出,导致曲轴下线FTQ(一次送检合格率)下降,返修费用增加,以及工厂能耗增加等问题。为此,我们对现状进行调查,并确定了目标。
       

发动机曲轴的清洁度改进方案

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        图4  曲轴清洁度超差因素分析

        具体来说,改进前的状态主要表现为:清洗机压力极不稳定,水箱漏水情况严重,极大地降低了清洗机的清洗能力;成品下线后曲轴表面金属粉粒较多;曲轴清洁度超差频繁发生,每次均有500件下线曲轴(班次)需要重新清洗。我们改进的目标是:曲轴清洁度超差发生频次降为每月零次,并将曲轴清洁度控制在清洁度标准的警界线之内进行监控。
        曲轴清洁过程问题分析
        1. 分析曲轴清洁度超差原因
        通过图4对各个环节进行分析,我们得出清洁度超差的初步原因:
        (1)二次污染,送零件的过程,操作工在送检过程中和实验室清洗测量时,造成二次污染;
        (2)喷头堵塞,清洗机的各清洗参数出错,喷头堵塞,造成清洗能力下降;
        (3)撇油器不能正常运转,撇油能力差,造成零件表面含油量增加,吸附异物;
        (4)过滤布袋不及时更换,随着产量的增加,过滤布袋更换不及时会使过滤能力下降,清洗液较脏;
        (5)清洗压力低,水箱漏水造成机床清洗零件清洗压力较低;
        (6)抛丸材料不理想,曲轴毛坯表面质量不好,铁粉过多,也会使清洗难度加大。
       

发动机曲轴的清洁度改进方案

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        图5  布袋过滤器

        2.影响曲轴清洁度因素验证
        从“人、机、料、法、环”方面分析,进行深入的检查和验证,从而确认了曲轴清洁度超差问题产生的原因。
        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;检查布袋过滤器(见图5),发现布袋内铁粉较多,未及时清理和正常更换,会对清洁度超差有一定影响;检查浮油排除装置(见图6),开机后只有10 min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0.3MPa左右,而标准为1.3MPa,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。供应商对曲轴毛坯生产过程进行检查,确认黑色铁粉为抛丸造成。供应商检查抛丸机,确认抛丸能力不足,同时提供改善后的抛丸效果零件并做实验,提高了曲轴毛坯表面清洁度,减少了曲轴表面的黑色铁粉。
        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。
        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;清洗机过滤布袋未及时清理、更换,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。
       

发动机曲轴的清洁度改进方案

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        图6  浮油排除装置

        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:首先,改善毛坯抛丸效果,与供应商沟通,通过改造抛丸机,改善抛丸效果,从而减少曲轴表面铁粉颗粒;其次,定期清理并及时更换过滤布袋;第三,改造撇油器,将撇油器改造成与清洗机同步工作;此外,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0.6~1.0 MPa之间,监控压力为0.5 MPa。
        4.实施效果
        通过一系列改善措施的实施,改善效果十分显著。具体来说,改善前OP140清洗压力为0.3~0.4 MPa,清洗能力很低,当清洗液或零件不干净时即有曲轴清洁度超差的危险;改善后,即更换了清洗头液箱,将清洗压力提到0.8 MPa以上,提高了清洗机的清洗压力,有效降低了清洁度超差的风险。同时,加强了对清洗机清洗压力的监控:改善前,清洗机的清洗压力无系统监控,当出现清洗压力低时,不能及时发现,造成大批量清洗度超差,返修数量1 500个左右。为此,我们在清洗机的清洗管口处增加了压力表和报警功能,以便出现问题能及时抑制。另外,我们改造了曲轴清洗机油水分离器,降低了清洗液的含油量。要知道,曲轴清洗的前一个工位为抛光工位,零件上会有很多抛光油到清洗机中,造成清洗液含油量增加,从而影响清洗能力。
        通过改善,不仅曲轴的清洁度质量有了大幅提高,由改善前的清洁度报告为6.75 mg提高到1.75 mg,而且使曲轴清洁度超差频次逐步降低为零次(见图7)。此外,还为我们带来了极大的经济效益,每年可节约成本30万元。
       

发动机曲轴的清洁度改进方案

发动机曲轴的清洁度改进方案

        图7  改善后曲轴清洁度发生频次

        5.标准化作业
        由于取得了良好的生产效果,最终我们还将改善措施纳入到标准化作业中,即对过滤布袋进行定期更换和清理;通过全员生产维护(TPM)对OP140压力进行监控;通过项目管理(PM)定期检查清洗机喷嘴状况。
        结语
        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。
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