提升零部件制造质量监控手段的应用

朱正德

（上海大众动力总成有限公司）

自上世纪90年代起，随着人们质量意识的不断加强,以及消费者对产品品质要求的日益提高，企业生产时已不能再仅停留在采用更多的先进制造技术上了。与此同时，还必须认识到推行或强化一些新的质量监控方法的重要性和必要性。事实上，那些大家不太熟悉或者多年以来一直未能引起企业相关部门重视的、主要涉及某些材质或零部件性能的指标，往往会对零部件的功能乃至整个产品的品质产生很大的影响。文章以汽车发动机中的机加工零部件为例，剖析了残余磁性、清洁度和磨削烧伤等3类有代表性的质量隐患的产生原因，以及对零部件乃至整个汽车产品品质产生的严重影响，进而提出了相应的应对措施[1]。事实证明，企业只有在不断完善所执行的生产工艺，全方位地关注零部件的制造质量，并实施有针对性的检测方法，才能通过提升零部件的制造质量，为生产出高品质的产品提供可靠的保证。

1 残磁的危害、成因及检测

发动机中有不少零部件之间的配合精度很高，为此除了必须保证它们的形状、尺寸符合公差的规定外，往往对其材质及其他一些物理性能指标也有明确的要求，例如对零件自身带有的残余磁性就有明确要求。事实上，零件一旦带有的磁性过高，不但对那些高灵敏度的电器和电子元件会造成干扰，影响其正常运行，而且还有可能吸附住细小的金属屑。对于那些配合要求高的部位（如轴承滚道、轴颈、轴瓦等）还会影响其油膜的形成，造成额外的摩擦、磨损，甚至造成零件配合面的拉毛，带来不可忽视的质量隐患。也正因为如此，为了保证产品质量，必须对一些关键零件进行残磁检测，连杆就是其中具有代表性的一类。

目前国内外普遍采用的连杆生产工艺，可能会存在较高的磁性，造成一些不良后果。例如：成品下线时，若在其涨断口处存在较大的磁性，细小的金属颗粒或者切屑就会吸附在上面，当再次通过连杆螺栓将两者拧紧时就会无法完全闭合，难以保证连接的可靠性。另外，有着配合关系的连杆大小头孔表面，一旦粘有金属细屑，也会直接影响到装配质量，如图1所示。当发动机处于高速运转状态时，连杆作为核心回转部件，其允许的配合偏差往往会影响整个发动机的正常运行，甚至造成失效。

造成连杆带有残磁的原因主要有：1）连杆毛坯本身带有磁性。由于工件毛坯需要经过磁粉探伤，此时被磁化而带有磁性。2）零件在机加工过程中产生的。利用磨床、车床等加工时，一般都需使用冷却液，而加工中又会产生大量热量，这就或多或少地会促使工件内部组织结构发生转变，导致部分不稳定的组织（如奥氏体）转变成某种带有磁性的体心立方的马氏体，使整个零件出现磁性。而生产线节拍的提升所引起的局部过热，又进一步增大了产生磁性的风险。3）由于设备的夹具、刀具以及连杆的基体材料都是铁磁质，它们之间互相磁化，使设备夹具和刀具都会带有较高磁性，使后续加工的零件也被磁化而产生一定的磁性。实际上，在对设备中的夹具进行实测后也证实了这点。由此可知，在目前的生产工艺条件下，某些重要零件带有磁性往往是很难避免的。

检验工件是否带有磁性，是通过测试其磁场强弱实现的，而磁感应强度和磁场强度是2个用于表征的物理量。国内企业较多采用磁感应强度作为监控的物理量，目前主要应用于轴承等通用件的残磁检测。而在以德国大众为代表的一些欧美主流汽车企业选用的则是磁场强度。它们虽是不同的物理量，但由于两者都用于表示同一物质——磁场量值的特征参数，它们之间可以通过一定的公式进行换算[2]。当然，以2种物理量为评价指标的测试设备也有所不同。如上所述，国内常用的测试设备有高斯计和特斯拉计，特斯拉计，如图2a所示。测量磁场强度时，一种方法是：可以首先测试磁感应强度，然后再根据材料磁导率将其换算成磁场强度；另一种方法是：直接测试磁场强度，磁场强度计，如图2b所示。

当确定了检测方式和选定了设备后，首先应该确定合理的测试位置，选择那些会严重影响产品性能的部位。以连杆为例，鉴于其涨断面及大小头孔处的残磁一旦超差，就会带来很大的质量隐患。由于磁通量的分布是立体的，故在磁性测试过程中，稍稍挪动位置，由于穿过设备感应头的磁通量的改变，使显示的读数也会有所变化。为了控制零件磁性，通常需要监控的是磁性的最大值，一般是在测试位置处，稍作移动，取读数最大值（即磁性的最大值），以此作为评价时的依据。连杆磁性检测位置示意图，如图3所示。图3中标注的1～6处是残磁较大的位置，故测点按图3所示选定。

2 控制产品清洁度的重要性、方法与复杂性

清洁度对产品品质有很大的影响，以发动机出现的异响缺陷为例，经拆卸、解析，发现由于细小的铝屑颗粒混杂在液压挺柱配合面之间，如图4a所示，使运动受卡造成了因摇臂无法充分抬起，其上的滚轮与凸轮间出现的间隙引起了凸轮轴转动时不时发出如敲击般的异响。另一例分析结果则是与曲轴主轴颈相配合的上下2片主轴瓦中混合了固体颗粒状杂物，造成轴瓦表面被拉毛，如图4b所示。

清洁度是一项“历史悠久”的质量指标，随着企业的质量理念、质量意识的转变，尤其是进入21世纪后，随着社会对生态、环境保护意识的不断加强和对机动车安全性、环保、节能等要求的日趋严苛，清洁度这项与产品质量和性能密切相关的指标受到了越来越多的关注。清洁度测试的评定指标仍主要以残余物质量为主。近年，随着一系列国内外标准的贯彻、推行，对零部件清洁度技术要求也提高了。评定指标除残留物质量外，还增加了最大颗粒尺寸（指颗粒的最大线性长度），评价对象是金属或非金属。某些国外的主流汽车集团，把对颗粒度的统计分析也列为发动机零部件清洁度的一项技术指标。清洁度测试主要包括工件表面残留污染物、杂质的萃取、制样，以及对它们进行分析、评定。为了适应近年来对发动机零部件清洁度技术要求的不断提升，必须不断地提高对检出残留物的分析、评定的能力，主要体现在国内汽车制造业中高性能颗粒度分析仪器应用的日趋普及[3]。现今的颗粒度测试仪已成为一个相当完善的清洁度自动分析系统，通过配置的自动载物台、明/暗场观测光学系统、PC机以及相应的功能软件，其自动化程度较高，并具有很好的重复性、再现性。另外，还可以按不同企业的需求，根据国内外清洁度标准预先进行选择和设置，利用一切的可编辑性进行有针对性的分析和评定。图5示出仪器系统对萃取试样的分析。图5反映了仪器系统对萃取试样的分析过程，利用颗粒对光反射的不同，即可确认视野中的白色颗粒是金属（颗粒），而数量更多的黑色颗粒乃是非金属。在此基础上再对它们进行最大颗粒尺寸和相应的数量统计分析。此外，通过对试样整体区域的图像拼接，还能自动生成按某个标准要求而做的分析报告。

尽管所有较重要的、有清洁度指标要求的生产线都设置了清洗工位，并且清洗机的功能、效率也在不断提高，但决定成品清洁度水平的决不只是由清洗工序、即有没有把它“洗干净”那么简单，它是整个工艺过程的综合反映。在很多情况下，在技术改进措施实施的同时，还必须考虑到经济性及制造成本，这往往会与提升清洁度水平的愿望相悖。以曲轴为例，经清洁度试验后发现，工件产生的杂质、残渣主要来自3处：1）非加工面的毛坯面；2）油孔；3）轴颈等加工面。而其中经历的环节和影响因素众多，单就毛坯而言，在曲轴毛坯中铸件多于锻件，尤其对中小排量发动机，在国内采用以“砂型”为主的铸造工艺，较少采用“壳型”。虽然后者形成的工件表面质量明显要好于前者，但因“一次性”的壳型工艺成本高，故企业倾向于选择砂型铸造。当然，为改善毛坯面质量还可以增加一道“喷丸硬化”工序，但会增加制造成本。实践表明，虽然在生产线中设置了清洗工位，但毛坯的制造工艺和工件表面质量对曲轴的最终清洁度仍有较大影响。国外一些知名汽车厂商已为关键工件的毛坯设定了清洁度控制值，如曲轴毛坯为50 mg（残留物的质量），但在国内推行时会遇到困难。由此可清楚地看到控制产品清洁度的重要性和复杂性。

3 磨削烧伤

3.1 成因与危害

磨削烧伤是工件在磨削加工后发生在其表面的一种隐性缺陷，是因工艺处置失当导致了在很高的磨削温度作用下，由于工件表层金相组织的改变所造成的。由此而产生的残余应力和硬度的变化将会影响零件的使用性能，若表面的残余应力呈现为拉应力的态势，且幅值又较大，就埋下了质量隐患。磨削烧伤大多数发生于旋转类零件，如转向节、传动轴阀杆、泵、凸轮轴、曲轴、气门，以及轴承、齿轮等通用类零件。这些零件大多在交变载荷的环境下工作，对工件的表面质量有很高的要求。以凸轮轴为例，其工作（凸轮）表面硬度的下降会直接影响凸轮轴的使用性能，而经磨削后的工件表层存在较大的残余（拉）应力，虽然在它的幅值小于材料的强度极限时并不会使表面开裂，但形成的磨削裂纹在交变载荷作用下很容易扩展，从表面的少数细纹扩展为网状裂纹以至于相互连接，最终造成工件表面的剥落。凸轮轴一旦失效，将直接危及运行中的发动机[4]。

3.2 磁弹法

传统的磨削烧伤检查方法，如目测法、酸蚀法等均有很大的局限性，且难以对磨削烧伤程度做出定量的说明，现今大多数企业并未将该项参数列入监控范围，因此在物理学Barkhansen效应的基础上诞生了较适用的磁弹法（BN法）。磁弹法是一种新颖、高效的磨削烧伤检测方法，并据此开发出相应的仪器，有效地对磨削烧伤进行测试。

磨削烧伤主要是因为工作表面金相组织结构变化而引起的，产生的回火层会引起硬度的下降，并在表面出现残余（力）应力，如图6所示。检测仪器对它们都有敏感的反映。图6a中的横坐标表示硬度值，而纵坐标表示输出的信号幅值。随着被检工件表面硬度值由高向低的变化，检测仪器输出的相应信号幅值将由小到大，即硬度低对应的检测信号高，硬度高对应的检测信号低。仪器对表面残余应力的反应，如图6b所示，可见当残余应力由小到大，即由负（压应力）向正（拉应力）变化时，检测仪器输出的相应信号的幅值将由低向高变化。

上述由仪器产生的检测信号，是磁弹法效应的一种量化表达，它与被测工件表面的变异状态，如残余应力成比例，其数值能在仪器的屏幕上显示、输出。这种方式虽然属于比较测量的性质，但只要解决了“定标”就能实现准确的定量描述。图7示出仪器输出的一个典型报告，图7中的曲线清晰地反映了实测结果。

3.3 磨削烧伤检测及预防措施

目前，以磁弹法为基础研制的新型磨削烧伤检测仪器已产品化，并成功地应用在汽车行业内。针对不同被测工件的特征和用户的需要，这类新型检测仪器可设计、制造成不同的样式，如有逐点测量的静态方式，也有连续动态测量方式。对于凸轮这样的承重件，由于凸轮圆周曲率半径不同的特点，一般采取后者。零部件厂还可以采用较简单的手持式仪器，其经济性更好。在检测了工件磨削表面的金相组织变化以及初步了解了现今企业所采用的生产工艺后发现：表面残余应力呈现为拉应力隐患的原因主要还是因冷却不当造成的。众所周知，磨削过程中的冷却有3种形式：1）风冷，即采用干磨时的自然冷却；2）水基冷却液；3）油基冷却液。当采取第1和第3种冷却方式时，工件表面将呈现为压应力，此时可能存在硬度下降的风险。长期以来，由于水基的冷却效果明显地优于油基，环保处理也简单，使用成本要比油基低得多，因此应用十分普遍[1]。但也隐含着另一种风险，即鉴于采用水基磨削液后的冷却速度快，表面产生的二次淬火马氏体会增多，晶格变化、体积缩小，而它的下层则因冷却缓慢成为硬度较低的回火组织，从而增大了工件表面产生残余拉应力的倾向。当形成的拉应力一旦超过了材料的强度极限，表面就会出现裂纹。

随着越来越多企业在凸轮轴、曲轴等零件的加工中采用CBN磨削技术，上述隐患正在不断减小。CBN磨料与其他磨料相比，有着更高的硬度和强度，切削锋利且耐磨，因而具备了优化各种磨削参数的条件。另外，从21世纪起，部分主流发动机企业在进行轴类零件的磨削加工时已采用了由油基冷却液逐渐取代水基冷却液的方法，还有些企业采用干磨工艺。综上，只要不断完善、改进加工工艺，就可降低工件表面磨削烧伤而产生的风险。