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发表于 2016-2-17 10:38:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
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缸盖气门阀座质量检测技术的发展

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

        图1  缸盖阀座质量检查工艺示意图

        发动机厂及零部件企业为了保证缸盖燃烧室的泄漏量达到产品规定的要求,除了采用先进的制造工艺外,还采用了大量新的检测技术和方法来有效监控阀座加工质量。本文中先进的检测技术和质量控制方法有效地监控了阀座加工过程中的质量风险,通过过程质量保证了产品质量。
        气缸盖进排气机构是发动机进排气系统的主要部分,其阀座的加工精度直接影响发动机的工作性能,是缸盖加工的关键工序。由于阀座加工部位的特殊性,加工过程中由于加工系统的振动等各种原因很容易造成阀座密封带的形状和位置发生偏差,影响燃烧室的气密性。
        随着发动机需求的大幅增加,各个发动机厂及零部件企业为了保证缸盖燃烧室的泄漏量达到产品规定的要求,不仅采用先进的制造工艺,如先用粗镗刀镗其密封带孔,然后再采用精铰复合刀锪铰3个成形面,还采用了大量新的检测技术和方法来有效监控阀座加工质量,如除了对缸盖阀座的泄漏量进行功能性检查外,还针对缸盖阀座加工过程中的阀座角度、密封带宽度、直线度、圆度、跳动及位置等几何量参数进行严格的质量控制和检测,如图1所示。
        先进的检测技术和质量控制方法有效地监控了阀座加工过程中的质量风险,通过过程质量保证了产品质量。在此,笔者结合多年的实践经验,总结了发动机零部件的检测经验谈谈发动机缸盖气门阀座的质量检测技术的发展状况。
       

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

        图2  缸盖阀座跳动、圆度和同轴度气动检具测头布置

        阀座跳动、圆度检测技术的发展
        阀座跳动是监控缸盖阀座加工质量的一个重要参数,它可以综合控制阀座密封带的圆度误差、阀座相对导管孔的方向误差和位置误差。由于跳动的检测方法直观,成本很低,且容易通过专用夹具实现,普及率很高,几乎每一个生产缸盖的企业都必须配置,因此该项检测技术发展很快。
        最初阀座的圆度是通过阀座跳动进行间接控制,只要跳动合格就认为圆度合格,但实践中发现仍然有零件发生泄漏,然后需再用红丹粉进行圆度定性检查。后来有了电感式传感器和大型圆度仪才使得圆度得以准确定量的测量。
        最初的阀座跳动专用夹具,其前端采用光滑圆柱芯轴来模拟导管孔轴线,后端用一钢球接触到阀座量规位置,或者直接用杠杆千分表的表头接触到阀座量规位置。转动检具将阀座的周向变动量通过钢球传递到千分表上,通过手工旋转进行测量,观察检具旋转一周内千分表示值的最大变化量,即为阀座相对于导管孔的跳动误差。这种检具由于成本很低,目前还在相当一部分发动机零部件制造企业中应用。
        此类型检具的测量精度与模拟导管孔轴线的芯轴的型式和制造精度有很大的关系,最初采用的芯轴为光滑圆柱芯轴,采用分组使用,其误差主要来源于芯轴与导管孔的配合间隙;后来采用组合芯轴,误差可适当减小,缺点就是测量时用力过大,之后很容易将芯轴卡死;接着改为结构简单、使用方便的锥度芯轴,定位误差比光滑芯轴定位误差小,缺点是定位误差与锥度有关,若要提高精度就要减少锥度,从而使芯轴长度增加;再后来有部分企业开始使用涨紧芯轴。目前业内企业大都使用的是单边涨紧芯轴,用的比较多的型式有四种:弹簧片式、弹簧钢球式、锥面钢球式和斜面钢球涨块。这几种单边涨紧芯轴结构简单、制造容易,其缺点是基准孔本身的几何精度误差会降低定位的稳定性,产生测量误差。由于汽车发动机缸盖导管孔直径都在φ10mm以下,轿车发动机在φ6mm以下,很少使用全面涨紧芯轴和高精度弹性涨套来模拟导管孔轴线。
       

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

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        图3  缸盖阀座跳动、圆度电感式综合测量仪

        随着气动检测技术的发展,在20世纪80年代后期,出现了气动检测阀座跳动的检具。最初的气动阀座跳动检具仅在导管孔上截面布置1个气动喷嘴,使用1个气动传感器,基准是通过球冠模拟阀座中心和3个φ2mm的小球(其中1个球粘在弹性体上)模拟导管孔下截面中心的连线构建的,利用手动旋转检具一周,观察气动量仪显示表上指针的变化量,测量效率有了明显提高。但由于仅有1个气动传感器,同时测量时需要手动旋转,测量误差还是较大。后来在导管孔下截面上也布置了1个气动喷嘴,上下截面喷嘴成180°对向布置,且喷嘴直径不一样,采用一个气动差压传感器,测量结果通过电子柱显示,测量精度有了一定的提高;接着又有在上下截面配置同直径喷嘴成180°对向布置,采用两个气动传感器,同时在接触阀座的检具球冠上装上了气动喷嘴,在手柄部位装上了电动机,利用电动机驱动测头旋转,同时采样点数也大量增加,测量结果通过工控机分析显示,测量精度和效率大幅度提高。目前,以上三种检测阀座跳动的气动检具仍然在许多发动机企业中使用。
        到21世纪初,阀座跳动的气动检具已发展成如图2所示集跳动、同轴度和圆度测量于一体,通过工控机分析显示图形,且带有SPC统计分析功能,能够做到实时测量监控。该检具气动测头喷嘴配置为:导管部分配2个测量截面和4个独立孔式气动喷嘴,喷嘴180°分布;阀座部分配1个球形接触式气动喷嘴;手柄部分配电动机,驱动测头旋转;配置专用定位板,测量时检具手柄定位在定位板上,测量结果排除人员误差;配置最大/最小值综合校准件,根据零件的圆度和跳动最大公差要求设计制造,用于测头的日常标定以及测量结果的验证。该检具克服了以上3种气动检具的缺点,跳动测量精度和效率得到了进一步提高。
       

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

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        图4  三坐标缸盖阀座跳动零件放置定位

        由于气动测头测量阀座圆度上的局限性,检具供应商又开发了电感式阀座跳动、圆度综合仪(见如图3)。该测量仪系统配置为:导管部分配2个测量截面,下截面有一个弹性体的定位中心点(无传感器),上截面配一个接触式球形电子测头;阀座部分配1个球形接触式球形电子测头;手柄部分配电动机,驱动测头旋转;配置最大/最小值综合校准件,根据零件的圆度和跳动最大公差要求设计制造,用于测头的日常标定以及测量结果的验证。该检具由于采用电感式测量原理,阀座圆度测量精度可达0.1mm,跳动测量精度可达1mm。缺点是由于重量轻,测量时需要人手持手柄,因此测量结果有一定的人为误差;其次是导管下截面采用3个钢球定位,由于钢球是粘在弹性体上,使用不当易造成钢球脱落。
        随着三坐标测量机扫描技术的发展,再加上全尺寸测量的需要,越来越多的用户开始采用三坐标测量缸盖阀座跳动和圆度,其测量原理是首先测量导管孔圆柱,建立基准;测量阀座圆锥,求出量规位置;设置量规圆,将法向按照圆锥矢量设置;进行扫描,分析评价出跳动和圆度。
        在此,以PC.DMIS测量软件为例介绍三坐标扫描测量阀座跳动和圆度的参数设置及阀座跳动评价方法。零件测量时的放置如图4所示,导孔测量参数设置原则为:filter为15upr,测量特征圆3层,每层超过360点,圆柱度将由以上全部点进行计算,并且计算出的圆柱轴线将作为阀座径向跳动的基准。阀座测量处理方法为:首先在阀座上使用基本扫描圆测量3层圆,把这3层圆构造成1个圆锥,中间一层扫描尽量扫在阀座中间位置;使用构造的圆锥作为过滤的理论值,阀座上量规圆处扫描的那层圆作为过滤对象,输入理论值进行调整过滤;将所有点沿圆锥母线方向投影,使所有扫描点处于测量的同一高度;消除机器空间定位带来的点的位置波动,把调整过滤后的特征构造成一个圆特征,也就是量规圆;按照过滤参数要求使用高斯过滤,选择filter 为50upr要求进行过滤,每层截面圆点数大于360点,评价阀座的圆度与跳动。
       

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

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        图5  阀座密封性检具

        圆度仪测量阀座跳动的步骤是,首先通过导管孔对工件进行调平调心,然后测量导管孔圆柱,建立基准;再在阀座圆锥面上进行扫描,最后分析计算阀座跳动和圆度。圆度仪测量阀座圆度是最通用的方法,其圆度测量精度可达0.1mm。测量跳动的精度受调平调心精度的影响,其特点是需要专用测量支架将导管孔轴线与圆度仪轴线放置基本平行,然后再利用自动调平调心功能将导管轴线调到与圆度仪轴线完全平行,否则将影响其跳动测量精度。
        阀座密封性和角度测量技术的发展
        仅测量阀座的圆度、跳动误差,有时还很难准确判断阀座是否会发生泄漏,因此还需要检测阀座的密封性和阀座角度。阀座密封性的专用检具如图5所示,可检测的项目为阀座密封性和阀座角度。检具侧头配置为带环形喷嘴的专用气动塞规,测量阀座的密封性;带2个180°对称分布的球形喷嘴的专用气动塞规,测量阀座的角度。
        密封性检具测量原理为:阀座密封性测头与量规直径接触位置上布置一个环形气动喷嘴测量阀座的密封性,在喷嘴气环的上、下端各加工一个宽度约为0.1mm的理想贴合面与阀座贴合,气环处于阀座量规直径处,测头最大程度模拟阀座与气门的装配状态。如果与阀座与气环上、下贴合之间完全密封,则压缩空气无法从气环中流出;反之,如果零件的阀座圆度和跳动、表面粗糙度等工艺参数不合格,或存在断带等加工缺陷时,都会造成气环中存在一定的气流量。气流量的大小可通过与最大、最小泄漏标准件的比对测量,得出被测阀座的泄漏量,从而直观地反映出阀座加工的质量。
       

缸盖气门阀座质量检测技术的发展

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        图6  阀座直线度、带宽检具测量

        气动阀座角度检具测量原理为:靠近阀座上边缘加工一条宽度约为0.1mm的环形定位面,靠近阀座下边缘处180°对称布置2个球形接触式气动喷嘴测量阀座的角度,当阀座的角度变化时,球形气动喷嘴的位移量也会随之发生变化,将变化量与角度标准件比对测量,可以得出被测阀座的角度值。气动测量角度有两个局限性,一是必须要标准件;二是柔性很差,需要固定角度。如果进排气阀座角度不一致,就需要两套检具来完成。后来发展的电感式阀座角度测量检具就完全克服了这两个缺点,而且提高了角度测量精度。
        阀座直线度和密封带宽度检测技术的发展
        阀座直线度和密封带宽度也是影响缸盖阀座产品质量的两个因素,必须进行质量监控,因此,阀座直线度和密封带宽度必须能够准确测量。原来只能在电感式的轮廓仪上进行测量评定,测量效率较低,不适合大批量生产方式的质量控制,现在可以利用电感测量技术进行测量,阀座直线度和带宽检具测量如图6所示,可检测项目有:阀座直线度、阀座密封带宽度和角度。检具配置高精度直线导轨,导轨上配有直线电动机,驱动导轨沿阀座方向移动,配置圆弧半径为2 mm金刚石测针,固定在直线导轨上,另一端连在电感传感器上。
        测量时将此检具放入带测量的阀座和导管孔内后,检具本体以导管孔和阀座粗定位,按下启动按钮后,电动机开始驱动直线导轨沿阀座母线方向滑动,滑动过程中,接触式气动测点以200点/s的扫描频率扫描阀座素线,测量方式类似轮廓度仪;直线导轨的总行程达10mm;当测点爬过下边缘时,程序开始计算阀座的角度、直线度及宽度;当爬过上边缘后程序中止计算,同时给出阀座的角度、直线度和宽度计算结果,并且可以以图形方式直观显示。
        结语
        由于缸盖气门阀座的制造质量非常重要,各个发动机制造厂都规定了严格的质量监控频次,因此,在实际生产中可根据设备能力,适当加大阀座密封性的检测频次。密封性检具是模拟装配的一个综合性能检具,当测量阀座密封性时,发现零件泄漏量偏大或超差,应采取如下质量控制与改进措施:使用跳动和圆度检具测量阀座,判断阀座圆度和跳动是否超差,阀座圆度对于泄漏的影响最大,其次是阀座跳动;再使用角度检具测量阀座角度,阀座角度对于密封性的影响较小,但对于日后发动机的磨合能起到一定的作用。如果以上工艺参数都符合要求,则需要从微观角度分析原因,主要是考虑阀座表面的粗糙度和波纹度以及是否有断带,因此需再使用阀座带宽和直线度检具测量阀座微观轮廓,判断阀座表面是否有刀具磨损等原因造成的加工缺陷。通过分析异常原因并实施改进,确保缸盖阀座加工质量。
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