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基于回轉(zhuǎn)面螺線紋理構(gòu)造缺陷的質(zhì)量檢測(cè)模式

朱正德 / 上海大眾動(dòng)力總成有限公司

摘要從回轉(zhuǎn)密封表面微觀結(jié)構(gòu)的形貌特征出發(fā)，對(duì)軸類(lèi)零件回轉(zhuǎn)面的微觀構(gòu)造缺陷有可能引起動(dòng)力總成類(lèi)產(chǎn)品內(nèi)腔的工作介質(zhì)外泄，從而導(dǎo)致因功能失效而造成嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題做了詳細(xì)說(shuō)明，并著重描述了利用精密的表面輪廓儀，簡(jiǎn)單實(shí)用的懸線法以及白光測(cè)量等三種檢測(cè)方案。

關(guān)鍵詞回轉(zhuǎn)密封面的螺旋線構(gòu)造；精密表面輪廓測(cè)量；懸線偏移法；白光干涉測(cè)量；評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

0　引言

一輛乘用車(chē)平均有80個(gè)回轉(zhuǎn)密封部位，這些配合部位在車(chē)輛運(yùn)行中的任何時(shí)刻都有可能發(fā)生因介質(zhì)泄漏而造成功能失效。當(dāng)安裝在回轉(zhuǎn)軸上那由彈性材料制成的密封體的圓弧形密封唇貼緊軸表面時(shí)，其密封效果在很大程度上取決于回轉(zhuǎn)軸表面的構(gòu)造性狀。但多年來(lái)的運(yùn)行實(shí)踐和深入的觀測(cè)、研究顯示，如果表面太粗糙，密封件就會(huì)很快磨損導(dǎo)致泄漏，反之如果過(guò)于光滑則會(huì)因?yàn)槊芊饧o(wú)法正確嵌入工作面同樣引起功能失效。在理想狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)軸表面的組織構(gòu)造應(yīng)處于這樣一種狀態(tài)：允許密封唇存在些許磨損，讓十分微量的液體介質(zhì)進(jìn)入配合部位。事實(shí)上，必須指出的一點(diǎn)是，唇形密封件與軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是在一相當(dāng)于介質(zhì)薄膜的液層上進(jìn)行的，而典型的液膜厚度數(shù)量級(jí)為0.25 μm。固定在缸體一側(cè)的后密封套與曲軸右端法蘭之間的配合就是一個(gè)典型的案例。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩者之間的配合必須能夠有效地形成密封，使腔體內(nèi)的機(jī)油不會(huì)滲出。但實(shí)際情況就如前面介紹過(guò)的情況，明明是由合格零部件組成，裝配后又經(jīng)過(guò)逐道檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)偶爾仍然發(fā)生了機(jī)油滲出的現(xiàn)象。

為了確保配合環(huán)節(jié)密封功能的可靠性，還有另一個(gè)不可或缺的要素，即回轉(zhuǎn)軸表面紋理構(gòu)造中的螺旋線結(jié)構(gòu)。雖然這類(lèi)表面形貌有宏觀和微觀兩種情況，但此處著重關(guān)注的是作為回轉(zhuǎn)軸表面微觀結(jié)構(gòu)特征之一的“微觀螺旋線構(gòu)造”，不同于宏觀形態(tài)，它具有高頻的特征。而正是這種螺線紋理結(jié)構(gòu)才造成了機(jī)油滲出的問(wèn)題，其過(guò)程就如同人們熟悉的螺旋輸送機(jī)構(gòu)將細(xì)碎的物料帶出一般?？稍诂F(xiàn)今的多數(shù)企業(yè)中，雖然均對(duì)帶有回轉(zhuǎn)密封面零件的相關(guān)部位，如曲軸法蘭等有較高的質(zhì)量要求，所規(guī)定的尺寸、形位公差和表面粗糙度等都十分明確，但往往就是缺失了對(duì)螺線結(jié)構(gòu)的監(jiān)控。至于在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)置了利用壓降法或流量法對(duì)總成油腔進(jìn)行的密封性檢驗(yàn)，盡管所利用的介質(zhì)——空氣的黏性系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作介質(zhì)（水，機(jī)油或汽油），因此作為檢漏方式而言，在靈敏度上完全適合。然而這種方法從本質(zhì)上講乃是一種靜態(tài)測(cè)試，與發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)有差異，故回轉(zhuǎn)密封面上一旦存在螺線紋理結(jié)構(gòu)時(shí)，出現(xiàn)機(jī)油微量外泄的情況就成為可能。其實(shí)把回轉(zhuǎn)面螺旋線紋理結(jié)構(gòu)作為一較重要的檢測(cè)項(xiàng)目，已在一些主流企業(yè)的產(chǎn)品（零件）圖上有了十分明確的規(guī)定，圖1為典型例子（見(jiàn)圖中黑圈所示）。黑圈內(nèi)的drallfrei是德語(yǔ)，對(duì)應(yīng)的英語(yǔ)為twist，含義為“螺旋線狀”，這樣標(biāo)注意味需進(jìn)行檢測(cè)。為便于企業(yè)實(shí)施、掌握對(duì)回轉(zhuǎn)軸密封表面微觀構(gòu)造的檢測(cè)與評(píng)定，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和北美橡膠制造業(yè)協(xié)會(huì)（RMA）在2004年和2009年先后推出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中，涉及監(jiān)控參數(shù)的評(píng)定值的表述參見(jiàn)表1。從表中可見(jiàn)，兩者在指標(biāo)上稍有差別，如ISO標(biāo)準(zhǔn)完全不允許存在螺線結(jié)構(gòu)，即螺旋角C = 0，然而實(shí)驗(yàn)已表明，事實(shí)上，當(dāng)螺旋角C等于或小于±0.03°時(shí)，就基本屬于檢測(cè)“死區(qū)”，所造成的影響也可忽略不計(jì)。

圖1　產(chǎn)品中一個(gè)被疏漏的檢測(cè)項(xiàng)目

表1　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦的回轉(zhuǎn)密封表面微觀構(gòu)造參數(shù)評(píng)定值

1　螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的成因

圖2　螺線紋理結(jié)構(gòu)的成因示意

2　螺旋線的微觀構(gòu)造及其準(zhǔn)確測(cè)量

近年來(lái)，通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)和新穎材料的應(yīng)用，已提高了密封結(jié)構(gòu)的工作壽命和可靠性，但如何對(duì)車(chē)輛動(dòng)力軸關(guān)鍵密封部位的回轉(zhuǎn)面進(jìn)行有針對(duì)性的監(jiān)控，依然是一個(gè)必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。事實(shí)表明，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)面對(duì)當(dāng)今回轉(zhuǎn)軸較為光滑的表面結(jié)構(gòu)，以及對(duì)密封部位所提出更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊笠巡辉倌苓m應(yīng)。

圖3　回轉(zhuǎn)面微觀形貌的準(zhǔn)確測(cè)量

利用高精度粗糙度測(cè)量?jī)x即表面輪廓儀，可以對(duì)工件的回轉(zhuǎn)密封面進(jìn)行全覆蓋的微觀形貌檢測(cè)，以驗(yàn)證螺線紋理存在與否。實(shí)施這項(xiàng)任務(wù)的前提是，必須配備一個(gè)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，以能提供精確的轉(zhuǎn)角進(jìn)給。圖3是一個(gè)實(shí)例，測(cè)頭沿軸向做直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)量長(zhǎng)度和采樣密度都是事先設(shè)定的，當(dāng)完成一次檢測(cè)后，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，而返回原位的測(cè)頭又開(kāi)始下一次的測(cè)量。一般情況下，選用的采樣密度為1/0.01 mm，即每10 μm 采集1點(diǎn)。若回轉(zhuǎn)面的長(zhǎng)（寬）度為20 mm，就意味著將采集2 000點(diǎn)；轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)間隔，即進(jìn)給量取5°，而為了確保全覆蓋的實(shí)現(xiàn)，需進(jìn)給73次，即在整個(gè)回轉(zhuǎn)面上做73次檢測(cè)，以獲得微觀形貌的全部信息。當(dāng)然，對(duì)于像曲軸這類(lèi)較長(zhǎng)的軸類(lèi)零件，除了可以采用臥式方法外，也可以選用以圓度儀為主體的立式方法。

前面提到的曲軸法蘭密封面雖然只是個(gè)案，但很有代表性，其回轉(zhuǎn)密封面上形成螺線紋理結(jié)構(gòu)的機(jī)制也有普遍意義。眾所周知，曲軸法蘭類(lèi)似于軸頭和（主連桿）軸頸，需經(jīng)過(guò)粗加工—車(chē)削、精加工—磨削和超精加工—砂帶拋光等三道工序。在造成圓柱形密封面上螺旋紋理結(jié)構(gòu)的諸多原因中，主要由切削刀具和工件在加工中安裝位置的偏差和在磨削工序階段存在的一些問(wèn)題而引起的。

1）由于砂輪修整不當(dāng)

砂輪修整是磨削加工過(guò)程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)確保工件的制造質(zhì)量有很大影響。在機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)這類(lèi)大批量連續(xù)生產(chǎn)的行業(yè)中，砂輪修磨的頻次往往很高。利用金剛（石）筆對(duì)砂輪修整時(shí)所形成的軌跡是螺旋線，在正常情況下經(jīng)過(guò)修整的砂輪工作面是很平順的，由此加工出來(lái)的工件外圓面不會(huì)形成帶方向性的螺線紋理。但若在執(zhí)行砂輪修整過(guò)程中，金剛筆平移期間，偶爾在運(yùn)行軌跡中出現(xiàn)一次波動(dòng)，造成修磨的不均勻，就會(huì)在修整后的砂輪上留下一個(gè)螺旋形“遺跡”。此時(shí)的砂輪拿去加工零件，就有可能在磨削后的外圓表面引起螺線紋理機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖2（a），直至下一次的砂輪修磨過(guò)程恢復(fù)正常。

2）由于機(jī)床安裝調(diào)整不當(dāng)引起的

磨削是通過(guò)砂輪和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成的，而工件中心線的位置是由磨床上裝夾工件的夾持機(jī)構(gòu)決定的。當(dāng)由于安裝、調(diào)整的失措，出現(xiàn)了工件中心線與砂輪軸線不平行的情況時(shí)，即出現(xiàn)了如圖2（b）所示的異面直線狀，工件的外圓面上也將會(huì)出現(xiàn)螺線紋理。

通過(guò)對(duì)大量具有螺旋線紋理特征表面的實(shí)例分析，歸納并建立了最能反映這種微觀結(jié)構(gòu)形貌特征的幾個(gè)參數(shù)，并研制了專(zhuān)用的軟件，既能就回轉(zhuǎn)面形貌的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行甄別，又可對(duì)確認(rèn)了存在具有這種微觀構(gòu)造的“程度”予以評(píng)價(jià)。當(dāng)然，就如前面已經(jīng)提到過(guò)的，不同的企業(yè)集團(tuán)可以借鑒、參照現(xiàn)有的那些標(biāo)準(zhǔn)，也可制定自己的門(mén)檻值——評(píng)定指標(biāo)。圖4是一個(gè)實(shí)例，以三維形貌圖形顯示了對(duì)某一回轉(zhuǎn)面的檢測(cè)結(jié)果。但圖中反映的只是從被測(cè)回轉(zhuǎn)面截取下來(lái)的一小塊，其水平方向代表了工件圓柱面的軸向，也即最下方的截形是測(cè)頭在檢測(cè)了一條母線后獲得的，而垂直方向則代表了回轉(zhuǎn)面沿圓周方向展開(kāi)后的情況。至于高低起伏的程度，則既能從形狀予以定性判別，又可從色澤進(jìn)行定量的估計(jì)。圖5是回轉(zhuǎn)面螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)示意圖，特征參數(shù)DF、DP、DY、Dt的含義：DF為波長(zhǎng)（但需指出：螺旋線紋理構(gòu)造類(lèi)似于宏觀的螺紋形貌，也有單頭、雙頭甚至多頭之分）；DP為螺旋線的導(dǎo)程；DY為螺旋角；Dt為螺旋紋理結(jié)構(gòu)的深度。

圖4　螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的三維形貌

由圖5可見(jiàn)，在上述紋理的微觀構(gòu)造中，正因?yàn)榇嬖谥菥€狀凹谷，才發(fā)揮了相當(dāng)于螺旋輸送機(jī)構(gòu)的作用。事實(shí)上，專(zhuān)用的螺線紋理測(cè)量軟件另一項(xiàng)功能是，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖5所示的三維形貌進(jìn)行自動(dòng)修正，即起一個(gè)“光順”的作用，只有在這基礎(chǔ)上才能求取相應(yīng)的特征量，以便于做出準(zhǔn)確的判斷。

圖5　螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)

3　懸錘/線偏移法——回轉(zhuǎn)密封面螺線紋理構(gòu)造的快速、實(shí)用檢測(cè)方法

上一節(jié)所介紹的測(cè)量方法雖然準(zhǔn)確，依據(jù)螺線構(gòu)造的特征進(jìn)行的評(píng)定也很規(guī)范，但完成一次檢測(cè)往往得耗去一、二個(gè)小時(shí)，且還得配備相應(yīng)的各種手段。為適應(yīng)大批量生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控的需要，在大量實(shí)踐和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，一種被稱(chēng)為“懸錘/線偏移法”的既簡(jiǎn)單且易于操作的方法被提了出來(lái)。這一方法在本文前面提到的、由北美橡膠制造業(yè)協(xié)會(huì)推出的標(biāo)準(zhǔn)RMA OS-1-1 rev.2004中有著十分詳細(xì)、具體的描述。但必須指出的是，一些注重產(chǎn)品質(zhì)量的主流機(jī)動(dòng)車(chē)生產(chǎn)企業(yè)則從自身企業(yè)和產(chǎn)品的實(shí)際情況出發(fā)，甚至專(zhuān)門(mén)為此編制了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。雖然相比前述RMA OS-1-1 rev.2004，在采用的方法和手段上完全一樣，均是以一臺(tái)能帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)的測(cè)量?jī)x作為主體，再加上“懸錘”組成的，但在具體操作上，則有所不同。事實(shí)上，作為一種臺(tái)式檢測(cè)裝置，無(wú)論是較簡(jiǎn)單的軸類(lèi)零件偏擺儀還是通用型或?qū)Ｓ玫木C合性檢測(cè)設(shè)備，在發(fā)動(dòng)機(jī)廠都是較多配備的。而在這項(xiàng)試驗(yàn)中，僅利用其簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)功能即可，而所謂的懸錘、懸線則如圖6所示。以下的操作要點(diǎn)就是來(lái)自一個(gè)知名企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，并在其中明確指出，試驗(yàn)中應(yīng)具備以下要素：

1）懸錘可以采用砝碼，其質(zhì)量應(yīng)為100 g；

2）懸掛懸錘的線應(yīng)該是棉紗線，其粗細(xì)為40支；

3）帶重錘懸掛線的工作狀態(tài)見(jiàn)圖6，由此可確定線長(zhǎng)；

4）為確保試驗(yàn)結(jié)果的正確性，棉紗線只能一次性使用；

5）用于測(cè)試的工件必須經(jīng)過(guò)清洗。

在真正利用“懸線法”對(duì)曲軸法蘭進(jìn)行回轉(zhuǎn)密封面螺線紋理構(gòu)造檢測(cè)時(shí)，除了前面已提到的關(guān)于懸錘部分的要求外，對(duì)于半自動(dòng)試驗(yàn)裝置的主機(jī)也有兩項(xiàng)要求：一是驅(qū)動(dòng)工件回轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速需要調(diào)到60 r·min-1；二是儀器需在開(kāi)始測(cè)試前調(diào)平，可以采取簡(jiǎn)單的打表法，使被檢密封面母線的水平保持在1∶4 000。利用“懸線法”測(cè)試回轉(zhuǎn)密封面的螺旋線紋理構(gòu)造，雖然從本質(zhì)上講乃是一種間接的、模擬的方式，但它不僅簡(jiǎn)單易行，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)也很明確、直觀：在工件正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)各一次，每次持續(xù)1 min期間，掛在回轉(zhuǎn)密封面上的懸錘系統(tǒng)的棉線均不得產(chǎn)生超過(guò)7 mm的左、右偏移。為便于辨別，可在試驗(yàn)前先在懸線兩側(cè)劃上兩道較明顯的印記，作為判斷的界限。而相關(guān)裝置既可放在測(cè)量室對(duì)定時(shí)送檢工件進(jìn)行測(cè)量，也可置于現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行較高頻次的抽檢。當(dāng)然，這種實(shí)用方法也有一些不足，最主要的兩點(diǎn)為：1）當(dāng)回轉(zhuǎn)密封表面呈錐形和球形時(shí)，就無(wú)法檢測(cè)了；2）該方法本質(zhì)上完成的只是一種定性的判別，而不可能獲得與螺旋線紋理結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的數(shù)值，如螺旋角、高（深）度等。

圖6　“懸錘偏移法”中的懸錘系統(tǒng)

4　利用光學(xué)干涉測(cè)量原理的快速檢測(cè)

用光學(xué)干涉方法進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量已有多年歷史，且在技術(shù)上也已比較成熟。運(yùn)用同樣的原理，也可對(duì)回轉(zhuǎn)軸密封面的螺旋線微觀結(jié)構(gòu)做檢測(cè)，只是實(shí)施時(shí)所取的對(duì)象為回轉(zhuǎn)面的母線。專(zhuān)門(mén)研制的儀器是手持式的，十分適宜用于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的在線、快速測(cè)量。需要指出的是，該儀器因帶有特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)濾波器，因此在最后獲得的檢測(cè)結(jié)果中，與表面粗糙度相關(guān)的那部分信號(hào)已被分離、過(guò)濾掉了，僅針對(duì)螺旋線微觀結(jié)構(gòu)有規(guī)律的、周期性性狀作出反映。而為了便于生產(chǎn)企業(yè)一線操作人員使用，儀器制造廠商采取了依據(jù)不同表面狀態(tài)會(huì)形成相應(yīng)的條紋式光斑這一原理，既可直觀、清晰地做出判斷，又能在儀器已經(jīng)定標(biāo)的情況下，可根據(jù)顯示條紋的數(shù)量、間距對(duì)被測(cè)面螺旋線微觀結(jié)構(gòu)一些主要參數(shù)的數(shù)值，如螺旋角、高（深）度等做定量估算。根據(jù)儀器顯示屏上對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果的條紋式光斑狀況即可做出相應(yīng)的判斷，而圖7就是利用上述儀器對(duì)處于兩種不同被測(cè)表面情況下的工件測(cè)得結(jié)果的顯示。左邊的光斑呈單一條紋狀，表明此時(shí)被測(cè)的回轉(zhuǎn)軸密封面上不存在螺旋線微觀紋理結(jié)構(gòu)，而右邊的多條紋光斑則意味著被測(cè)表面有不允許出現(xiàn)的螺旋線構(gòu)造存在。

圖7　STT 光學(xué)測(cè)量?jī)x的顯示表述

5　結(jié)語(yǔ)

回轉(zhuǎn)軸密封面上的螺線紋理結(jié)構(gòu)作為一種特殊的表面形貌構(gòu)造，其特征并未在通常的粗糙度測(cè)量結(jié)果中反映出來(lái)。因此，按圖紙要求和工藝規(guī)定加工出來(lái)的回轉(zhuǎn)密封面，雖然其圓度等形位公差和表面粗糙度可能都是合格的，但由于呈現(xiàn)明顯的、且較為嚴(yán)重的螺線紋理結(jié)構(gòu)，就會(huì)存在導(dǎo)致動(dòng)力總成類(lèi)產(chǎn)品嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)今，能認(rèn)識(shí)到螺線構(gòu)造這個(gè)之前不為人們注意和重視的細(xì)節(jié)正是造成隱患的根源，確實(shí)是產(chǎn)品技術(shù)和制造技術(shù)上的一個(gè)很大進(jìn)步。

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Research on the monitoring mode of surface microtexture caused by the defect of rotary sealing surface

Zhu Zhengde

（Shanghai VOLKSWAGEN Powertrain Co.,Ltd）

Abstract:It is possible to lead to leak of the powertrain products caused by the defect of microtexture of rotary sealing surface and serious quality problem. This article explains the forming reason of surface twist texture, and introduces the measurement methods making use of precise surface profile instrument, practical string method, white light interferometry. Finally the article declares a way about how to evaluate the rotary sealing surface of twist texture.

Key words:rotary sealing surface of twist texture; measurement; precise surface profile instrument; practical string method; white light interferometry; evaluation standard