黃文琴 曹慧建

摘 要：渦輪增壓技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，以較快的發(fā)展速度應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。因發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工況較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更加惡劣，故對(duì)曲軸、增壓器等關(guān)鍵零部件因有更高的性能要求，在檢測(cè)技術(shù)方面提出了更高的要求，如何能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的檢測(cè)對(duì)于批量曲軸生產(chǎn)效率及問(wèn)題響應(yīng)是一項(xiàng)重要的課題。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸;檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U464.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-122-04

Turbo Engine Crankshaft Testing Application Technology

Huang Wenqin， Cao Huijian

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Co.， Ltd.， Guangxi Liuzhou 545007 ）

Abstract： During several tens of years development of Turbo technology， more application in the automobile industry with a rapid speed. Because the internal working conditions of the engine are worse than the traditional engine， so the important parts such as crankshaft， supercharger， due to higher performance requirements， in testing technology give us higher requests， how can we fast and accurate test the supercharged engine crankshaft production efficiency and response for batch is an important topic.

Keywords： Trubo engine; Crankshaft; Testing technology

CLC NO.： U464.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-122-04

1 引言

汽車增壓發(fā)動(dòng)機(jī)需求量的逐步提升，隨之而來(lái)的是增大的零部件需求帶來(lái)的批量質(zhì)量監(jiān)控提出了挑戰(zhàn)。本文以增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為例，一方面對(duì)常規(guī)的檢測(cè)方法進(jìn)行介紹，同時(shí)也對(duì)其現(xiàn)行和尚未大范圍使用的先進(jìn)檢測(cè)方法及設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行探討。

渦輪增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，它本身還是一套機(jī)械裝置，但是其內(nèi)部工況更加惡劣。增壓器廢氣渦輪端的溫度在600度以上，增壓器的轉(zhuǎn)速也非常高。燃燒室及運(yùn)動(dòng)副的工況顯然是會(huì)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更加要求嚴(yán)格。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高，因此對(duì)于部分零部件性能要求更高。像缸體、氣門、曲軸等零部件均在材料性能及強(qiáng)度方面提出了更高的要求。本文主要探討兩種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主要不同之處。

從材料上說(shuō)，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸一般采用鑄造成型工藝，有灰鐵材質(zhì)，有球墨鑄鐵材料。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸則為鋼，主要為碳素結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼。鋼的綜合性能更好，組織更加致密。鍛鋼曲軸制造所需設(shè)備投入成本更高，這是這一成型工藝的缺點(diǎn)，但為了保證更好的耐磨性和耐高溫性。工藝上還對(duì)曲軸各軸徑表面進(jìn)行了感應(yīng)淬火或者表面氮化處理，使其強(qiáng)度及耐磨性極大提升。

2 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸檢測(cè)存在的問(wèn)題

對(duì)于增壓的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，其熱處理方式是通過(guò)各個(gè)線圈對(duì)各軸頸進(jìn)行感應(yīng)淬火，由于多個(gè)線圈的熱處理效果存在差異，需對(duì)所有軸頸進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。曲軸軸頸合計(jì)9個(gè)，按照每個(gè)軸徑四個(gè)測(cè)量部位，需測(cè)量部位36個(gè)，進(jìn)行硬度、金相和有效淬硬層深的檢測(cè)。目前常用的方法是對(duì)整根曲軸進(jìn)行切割取樣，鑲嵌磨拋后進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)切割取樣及檢測(cè)的時(shí)間非常長(zhǎng)。檢測(cè)目的是保證原材料及熱處理工藝（表面淬火及回火）符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。如何提高整個(gè)取樣及檢測(cè)的效率是亟待解決的問(wèn)題。如果檢測(cè)結(jié)果耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)批量生產(chǎn)必定有影響，因此提升制樣及檢測(cè)時(shí)間很有必要。

3 鍛鋼曲軸成型工藝及關(guān)鍵質(zhì)量控制

對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，關(guān)鍵的質(zhì)量控制點(diǎn)也圍繞著容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題點(diǎn)展開，主要質(zhì)量控制點(diǎn)：表面探傷檢測(cè)、抗拉強(qiáng)度、金相及硬度檢測(cè)、外觀質(zhì)量缺陷檢測(cè)、關(guān)鍵尺寸檢測(cè)等。

（1）表面探傷方法有磁粉探傷及超聲波探傷，目前應(yīng)用比較廣發(fā)的是熒磁探傷，利用工件缺陷處的漏磁場(chǎng)與磁粉的相互作用，制品表面和近表面缺陷（如裂紋，夾渣，發(fā)紋等）磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率的差異，磁化后這些材料不連續(xù)處的磁場(chǎng)將發(fā)生崎變，形成部分磁通泄漏處工件表面產(chǎn)生了漏磁場(chǎng)，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積--磁痕，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀，對(duì)這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實(shí)現(xiàn)了磁粉探傷。該方法能夠快速測(cè)出鍛件表面裂紋等缺陷。

（2）金相檢測(cè)主要關(guān)注的項(xiàng)目為本質(zhì)晶粒度，需要對(duì)材料再次進(jìn)行熱處理后進(jìn)行。晶粒過(guò)大或過(guò)小都不好。因此通常希望得到適中的晶粒度。鍛鋼曲軸的本質(zhì)晶粒度需要進(jìn)行前處理，先把鋼加熱到930℃±10℃，保溫8h后的奧氏體晶粒度即為本質(zhì)晶粒度。本質(zhì)晶粒度為1～4級(jí)的鋼被認(rèn)為晶粒長(zhǎng)大傾向大，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼;本質(zhì)晶粒度為5～8級(jí)的鋼被認(rèn)為晶粒長(zhǎng)大傾向小。

（3）硬度能較快反映出材料的力學(xué)性能，檢測(cè)過(guò)程方便快捷，作為常規(guī)質(zhì)量監(jiān)控的手段。

4 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸質(zhì)量控制項(xiàng)目簡(jiǎn)介

鍛鋼曲軸為了為了保證足夠的配合精度及良好的耐磨性及強(qiáng)度，表面需進(jìn)行淬火及溝槽滾壓等強(qiáng)化處理。以下為某機(jī)型成品的控制要求，關(guān)鍵控制淬火后的淬火深度、寬度、硬度及金相組織及外觀表面缺陷。

5 增壓曲軸制樣和檢測(cè)效率提升方法

5.1 切割取樣方法

因?yàn)榍S形狀不規(guī)則，金相或硬度的檢測(cè)前需要切割制樣。按要求對(duì)曲軸9個(gè)軸徑（四缸），切割后對(duì)指定角度進(jìn)行切取小樣、磨拋。

傳統(tǒng)的切割方式為帶鋸床切割，通過(guò)制作專用的曲軸導(dǎo)向夾具，將曲軸各個(gè)切割軸徑固定好后，只需通過(guò)手輪水平移動(dòng)工件到切割部位，可減少重復(fù)裝夾的次數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，使用夾具可提升效率40%左右。

如果不考慮金相檢測(cè)，僅檢測(cè)淬火后深度及寬度及是否淬到滾軋溝槽處。可考慮沿曲軸軸線軸向剖開曲軸。淬火區(qū)域與非淬火區(qū)肉眼可見差異，此方法切割時(shí)間縮短至原切割時(shí)間的10%?？煽焖偻瓿纱慊饏^(qū)域深度寬度測(cè)量。以下切割效果圖為某進(jìn)口帶鋸床的切割效果圖。

5.2 磨拋方法及效率提升介紹

以四缸曲軸所有軸頸測(cè)量為例，有36個(gè)樣品，如人工逐一進(jìn)行磨樣，耗時(shí)較長(zhǎng)且磨拋質(zhì)量一致性不佳。多采取多樣品自動(dòng)磨拋。目前國(guó)內(nèi)外磨拋機(jī)均能獲得較好的磨拋效果。根據(jù)樣品的實(shí)際情況定制不同的夾具，如圖7所示。

從上圖夾具可以看出，要求樣品形狀為一定直徑的圓形規(guī)則樣品，需要在磨拋前對(duì)樣品進(jìn)行鑲嵌處理。當(dāng)然，也可制作固定非規(guī)則樣品的夾具座，如水滴形夾具座，外側(cè)用一顆螺栓固定樣品。

5.3 硬度檢測(cè)方法

5.3.1 表面洛氏硬度檢測(cè)

一般的表面洛氏硬度計(jì)，需要樣品是規(guī)則形狀的平面或圓柱面。曲軸形狀不規(guī)則，為了不對(duì)曲軸進(jìn)行切割就進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，需要制作專用夾具固定住曲軸，目前國(guó)內(nèi)在這塊的應(yīng)用較少，無(wú)成熟的應(yīng)用。以下為目前已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可進(jìn)行測(cè)試的硬度檢測(cè)方案。

5.3.2 傳統(tǒng)有效淬硬層深檢測(cè)及效率提升

有效淬硬層深的檢測(cè)，有金相法和硬度法。傳統(tǒng)硬度法為在淬火區(qū)表面垂直打序列點(diǎn)，通過(guò)硬度值及各點(diǎn)距離表面距離值，計(jì)算出有效淬硬層深值。此方法要求對(duì)樣品鑲嵌及磨拋處理。另一方法為金相法，通過(guò)磨拋樣品后觀察其淬火區(qū)域的組織變化來(lái)測(cè)量淬硬層深度。目前采用較多的為硬度法。

樣品較多的情況下，可以采用多樣品臺(tái)夾具座，可在最初就設(shè)定好所有的打點(diǎn)位置等參數(shù)，后續(xù)由設(shè)備自動(dòng)序列打點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于一次可完成所有樣品的設(shè)置，后續(xù)工作由設(shè)備自動(dòng)完成，有效的避免了樣品逐一設(shè)置帶來(lái)的中間等待時(shí)間，對(duì)于批量樣品檢測(cè)效率提高非常有效。多樣品臺(tái)夾具座如下圖所示。

5.3.3 無(wú)損或超聲波有效淬硬層深檢測(cè)

國(guó)內(nèi)對(duì)于有效淬硬層深的檢測(cè)方法目前大多采用傳統(tǒng)的金相法或硬度法。國(guó)外目前有幾種檢測(cè)方式，一種是超聲波檢測(cè)技術(shù)，其工作原理：當(dāng)高頻超聲波通過(guò)耦合劑進(jìn)入材料淬火層時(shí)，由于淬火層是馬氏體組織，晶粒比較小，超聲波能量衰減較小，當(dāng)高頻超聲波進(jìn)入淬火層分界線區(qū)域時(shí)，未淬火區(qū)域晶粒較粗大，高頻超聲波發(fā)生明顯散射，散射波倍超聲波轉(zhuǎn)換器接收，在熒光屏上顯示散射回波，由輸入脈沖波峰和散射回波波峰只檢的距離就能確定淬火層深度。該方法測(cè)量準(zhǔn)確性受人員操作熟練度影響較大，且設(shè)備花費(fèi)成本高。但測(cè)量效率高，在不對(duì)零件進(jìn)行切割等各項(xiàng)處理就可以直接進(jìn)行測(cè)量，方便快捷。

另一種淬硬層深檢測(cè)的載體為硬度計(jì)，可進(jìn)行硬度測(cè)試，也可進(jìn)行淬硬層深檢測(cè)。設(shè)備能在試驗(yàn)力施加過(guò)程中對(duì)壓頭深入的深度（或硬度）進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。并將施加載荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，獲得硬度和載荷的實(shí)時(shí)曲線，通過(guò)軟件計(jì)算可獲得硬化層深度值。該設(shè)備可在3分鐘內(nèi)完成測(cè)量，不破壞試樣，做到100%檢驗(yàn)。要求樣品淬硬層深范圍在0.4-2.8 mm，如果淬硬層深超出這個(gè)范圍，?則測(cè)量的準(zhǔn)確性無(wú)法保證。

6 結(jié)束語(yǔ)

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，眾所周知，產(chǎn)品質(zhì)量主要考生產(chǎn)設(shè)備保證，但檢驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)的重要手段。而本文主要針對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸檢測(cè)部

位多，檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，提出了一些優(yōu)化和改進(jìn)的方法。但由于部分檢測(cè)設(shè)備成本較高，有些方案無(wú)法得以實(shí)施，需要在檢驗(yàn)和成本中獲得平衡點(diǎn)，再加以改進(jìn)。

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