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[其他] 缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

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发表于 2015-9-21 21:35:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
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针对缸盖座圈密封性的检测,目前汽车发动机厂采用一种适用于车间现场的在线检测方法。本文探讨了奇瑞公司1.6L发动机缸盖使用的专用检具以及缸盖气门座圈泄漏量不合格的部分影响因素及解决方法。
        在缸盖的加工过程中,进、排气门座圈锥面与导管孔的加工是其工艺技术关键。目前我公司该加工工序采用MAPAL的复合镗刀,一次性完成座圈导管的精加工。缸盖气门座圈和导管孔的监测项目有:气门座圈圆度和角度、导管孔直径和圆度、气门座圈相对导管孔的跳动、座圈导管孔位置、凡尔线位置以及座圈的密封性等产品特性。在这些测量项目中,除座圈的密封性外,其他产品特性均可以用三坐标或圆度仪进行测量,而座圈密封性必须使用专用检具才能测量。
          
缸盖气门座圈泄漏量测量方法
        缸盖是发动机的主要零件之一,其精度要求高、加工工艺复杂并且加工质量直接影响发动机整体性能。进、排气门与座圈间配合的密封性直接影响汽车发动机的输出功率、油耗等重要特性。泄漏是缸盖座圈密封面多个因素共同作用的结果,各因素偶发变差不可避免,因此对加工完毕后的缸盖进行座圈密封面的密封性检测十分必要。
        在缸盖的大批量生产过程中,往往需要一些适用于车间现场、能在工序间快速并准确地实施测试的方法。针对在工序间检测气门座圈的密封性,我公司正在推广应用德国尼泊丁泄漏检测专用检具。
        该检具是带环形喷嘴的专用气动塞规,采用的是比较测量方式,配有一组标准件(测试压力0.1MPa,最大泄漏400cc/min,最小泄漏0cc/min),用于对检测系统进行置零、校准。座圈密封性检具标准件及测量如图1、图2所示。
       

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

        座圈密封性检具的测量头与量规直接接触,在接触位置上布置了一个用于测量座圈密封性的环形气动喷嘴,在喷嘴气环的上、下段各加工一个宽度约为0.1mm的理想贴合面,与座圈贴合,气环处于座圈量规直径处,测量头最大程度模拟座圈与气门的装配状态。测量的理想状态是座圈与气环上、下结合面之间完全贴合、无任何间隙,则压缩空气就无法从气环中流出,即绝对密封、无泄漏;而实际测量时,因缸盖座圈圆度、跳动、表面粗糙度以及表面划痕等因素的综合影响,测量头与被测座圈不能完全贴合,会存在一定的间隙或空隙,则必定有一定的压缩空气从气环中流出,即发生泄漏。气流量的大小通过检测传感器转化为数字信号与最大、最小泄漏标准件的数字进行对比,此时通过数字式气动量仪的数值变化(直接显示泄漏量值,如40cc/min)来判断检测部位的泄漏量是否合格,从而直观地反映出座圈加工的质量。
       

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

        图3  座圈粗加工缺陷

        泄漏量不合格的影响因素及解决方法
        在泄漏检测技术中,泄漏与不泄漏只是一个相对的概念,从理论上讲是没有不泄漏的。工件在不同的应用条件下,对密封程度有不同的要求,因此必须根据产品设计的实际要求确定允许泄漏量。我公司1.6L发动机缸盖气门座圈的最大允许泄漏量定义为50cc/min。若加工过程中对气门座圈泄漏量应用SPC统计分析,通过SPC异常判定原则,就能发现异常。当泄漏量出现异常时,需进一步对座圈圆度、跳动及粗糙度等进行检测分析找出工件的变差原因,并采取措施消除异常变差,预防出现座圈泄漏量不合格。
       

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

        在实际生产过程中,这种异常的变差包括刀具、工艺参数、机床精度以及夹紧变形等,均可能导致座圈泄漏量出现不合格。结合奇瑞公司1.6L发动机缸盖气门座圈加工过程中存在泄漏量不合格的失效分析,我们对曾经出现过的上述部分原因及解决方法进行总结:
        1.粗精加工刀具
        一般情况下,我们通常不太关注粗加工刀具的加工情况,认为精加工刀具才是决定产品质量的关键,而粗加工仅仅是为了减少精加工的加工余量,是为了精加工的加工质量而进行的预加工,因此允许的变差大。人们往往较为注重精加工的刀具状况,而忽视粗加工的刀具状况。
       

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

        但是实际过程中经常出现的粗加工刀具磨损或者有微小崩口,会导致座圈表面粗糙度值过大或者有台阶、断带等加工缺陷(见图3),这是精加工无法修正的,最终导致座圈泄漏量超差而报废,因此粗加工刀具质量控制不容忽视。刀具的定期检查和强制更换是非常必要的。另外,刀具相关工艺参数同样需要给予关注,如粗精加工刀具的刀尖跳动应控制在0.005mm以内。
        2.工艺参数
        (1)精加工切削余量 一般情况下,粗加工后留给精加工的加工余量为0.3mm。当出现加工座圈泄漏量过大且无其他原因的情况下,改变粗、精加工的余量分布,如减少0.1mm的精加工余量,即降低精加工刀具的切削力,这样可以改善座圈加工的表面质量,从而降低座圈泄漏量。
        (2)切削参数 切削参数的调整是解决问题过程中比较方便的手段,如将精加工的CBN刀具的转速1500r/min提高到1600r/min,座圈泄漏量无明显改变,然后又调整到1800r/min,座圈泄漏量有了明显的降低,但调整刀具进给量的结果无明显改变。
        统计数据如表1所示,从中可知,适量提高转速可以提高座圈的表面质量,降低座圈泄漏量。
        (3)暂停时间 在座圈密封面加工完成后将刀具停留时间设定为0.3s(即G4F0.3),此时在暂停时间内刀具旋转起到研磨作用,在一定程度上可以降低座圈的泄漏量。
       

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

缸盖气门座圈泄漏量测量及质量改进方法

        3.机床精度
        由于气门座圈的加工精度要求非常高,合格的机床精度是保证座圈加工精度的前提条件。在实际生产过程中,机床的抖动对座圈密封面的加工质量有直接影响,尤其是机床B轴或Z轴抖动。机床的抖动往往导致座圈泄漏量出现批量不合格。机床抖动可能的原因是:机械间隙太大、丝杠安装精度差以及闭环反馈与实际校正产生偏差引起位置校正抖动等。消除机床异常抖动后,座圈泄漏量值恢复正常。
        4.切削液浓度
        针对气门导管和座圈的材料特性,在高速切削中,切削液必需具备提供高强度的极压润滑、边界润滑和机械润滑的能力,适当提高切削液使用浓度可以有效地延长刀具使用寿命和工件表面加工质量。若出现切削液浓度偏低或变质等问题,会使加工的座圈密封面的表面粗糙度值过大,从而导致座圈泄漏量超差。根据目前的生产经验,切削液浓度一般控制在8%~13%。
        5.夹紧变形
        (1)工件与夹具干涉 在奇瑞公司1.6 L缸盖调试投产初期,进气侧座圈泄漏量一直大于
        100cc/min。经现场验证,刀具、工艺参数以及切削液均不是导致泄漏量过大的主要原因。在检查夹具定位时,我们发现缸盖前端面与夹具辅助定位板干涉(见图4),经分析可能会导致工件变形。我们通过调整辅助定位板的厚度,解决了缸盖的干涉问题,小批量加工验证座圈泄漏量有了明显降低,均控制在50cc/min 以内。在此案例中,通过改进夹具避免了工件整体变形引起的座圈局部变形,解决了座圈泄漏量超差的问题。
        (2)夹紧点位置偏移 机械加工中,夹具主要是用来保证工件准确定位、防止工件位置变化的。夹紧力的作用点应落在支撑点上或支撑面以内,同时夹紧力作用点应落在工件刚性较好的部位,以减小工件的夹紧变形。
        目前奇瑞公司1.6L缸盖采用一面两销的定位方式,主夹紧油缸采用旋转式油缸,其夹紧机构采用压板和φ16mm压头组成。在实际夹紧过程中φ16mm压头的夹紧位置偏差较大,其中压头的两种位置状态如图5、图6所示。
        图6中压头的夹紧点位置偏向进气侧1#气道,缸盖在此状态下夹紧时经常出现进气侧1#座圈变形,导致加工后进气1#座圈泄漏量比其他座圈的泄漏量偏大,具体数据对比如表2所示。
        从表2可以看出,1#座圈的泄漏量明显比其他座圈泄漏量偏大。为了解决上述变形问题,我们将压板厚度由20mm更改为40mm,同时缩短压头长度至20mm,而压头直径由φ16mm更改为φ20mm,并通过验证该问题得以解决,从而保证了各个座圈泄漏量的一致性。
        另外针对工件夹紧变形量,我们也可以通过检测确定其大小及变形位置。一般情况下要求工件压紧处的工件变形量要求小于0.02mm,其变形量大小在新夹具设计时需要根据产品加工尺寸精度来确定具体要求,某些精加工会有更高的要求。
          
结语
        综上所述,使用缸盖气门座圈密封性检测专用检具并结合SPC统计分析,可及时发现座圈加工存在的异常变差,预防座圈泄漏量不合格缸盖的产生,提升产品品质。
        选择适用的刀具和合理工艺参数、保证合格的机床精度、选择合适的切削液浓度以及实施正确的定位夹紧方案是直接影响缸盖座圈加工质量的重要因素,在生产规划或生产维护优化时应该予以关注。当然,缸盖气门座圈的泄漏量受很多的变差因素影响,这需要工程师不断地探索、总结并优化,提高产品质量,提升产品竞争力。
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