汽车轴类零件密封表面螺旋纹的检测与监控

(舍弗勒贸易(上海)有限公司，上海 201800)

0 概述

在汽车的传动部件中，采用旋转轴的油类密封件是非常普遍的。其原理是在回转轴与弹性密封材料之间，通过唇形密封的形式，允许微量的油液进入旋转轴与密封件之间，形成非常稀薄的薄膜状态。在轴进行高速旋转时，使机油无法渗出。

为保证密封性，在确保零件基本尺寸符合要求外，旋转轴圆柱表面的组织结构同样是决定旋转密封的重要因素[1]。主要影响的参数有表面粗糙度、圆度，以及表面螺旋角等。密封面的粗糙度一般定义在Ra 0.2～0.6、Rz 0.8～3、Rpm 0.5～1.25。圆度一般定义为0.005，螺旋角定义范围为<±0.05°。

图1 曲轴轴类零件与密封圈

然而在实际生产过程中，尽管密封轴的尺寸和几何公差以及粗糙度满足图纸要求，却仍会在旋转过程中存在与橡胶密封件配合时的漏油风险。图1为发动机正时侧曲轴某旋转密封件表面和橡胶密封圈旋转的配合案例。当轴件旋转面上存在螺旋角超出质量管控范围时，在轴的高速旋转过程中就会出现油液泄露风险。

分析表明，轴类零件的圆柱表面影响旋转密封性能的重要参数在满足质量要求和质量监控的情况下，表面螺旋线纹理结构即螺旋角的监控往往会被忽视，从而容易引发旋转密封的泄露问题[2]。本文对实际生产过程中易发生的螺旋纹质量问题进行了成因分析，并对零件生产质量监控测量法进行了介绍。

1 表面螺旋纹的产生及特征

1.1 螺旋纹的成因

轴类零件表面螺旋纹，又称扭纹，近年来在零件生产过程中开始被关注和研究。为了达到精密的表面微观质量要求，轴类零件密封表面一般要求精密磨削加工。而磨削过程往往是表面螺旋纹产生的原因。通过零件和砂轮的相对磨削位置会导致螺旋纹的产生。磨削过程中，由于砂轮和零件圆柱中心轴的相对位置控制不好而产生，或由砂轮加工表面而产生。砂轮修整过程中，砂轮表面通常会产生不规整的加工痕迹。

1.2 螺旋纹形貌参数

圆柱表面上的螺旋纹理结构是一种旋转零件上的周期性标记，可以是连续或间断的，一般在车削或磨削的加工中更易于出现。利用高精度精密表面形貌扫描仪可以实现对圆柱表面形貌的全覆盖式微观形貌检测[3-4]。表面螺旋纹主要的特征参数有螺旋角、 螺旋纹深度、 螺旋纹数量、理论导向横截面积、理论导流面积、波长、螺旋纹导程(图2)。

图2 螺旋纹理微观参数示意图

螺旋角(Dγ)是螺旋纹方向与回转轴线方向的夹角；螺旋深度(Dt)是螺旋纹理的深度，即波峰和波谷之间的高度；螺旋纹数量(DG)为360°全周的螺旋纹数量；理论导向横截面积(DF)代表相邻纹理结构之间的横截面积；理论导流面积(DFu)是全周内各个纹理面积的总和；波长(DP)为相邻纹理结构在轴向上的距离；螺旋纹导程(Ls)是360°范围内螺旋线在轴向上的距离。

2 测量方法

2.1 表面接触式三维形貌扫描测量

这种量化的表面接触式测量方法由戴姆勒·查尔斯提出，通过表面接触式的仪器扫面零件完整的旋转表面三维形貌。经过不同测量公司对测量系统的建立和优化，可在精密表面粗糙度仪或表面圆度测量仪上建立扫面测量方式和软件分析系统。

参照Mercedes-Benz公司的工程标准MBN 31007-7, 测量时使用探针探测轴类零件表面接触区域，并通过扫描记录一系列母线轮廓形成1个三维面，通过图形方式展现螺旋纹结构，并计算螺旋纹的特征数据。图3为精密粗糙度仪实现的螺旋纹测量。

图3 精密粗糙度仪实现的螺旋纹测量

一般情况下，选用的采样方法为，从零件旋转面上测量360°的不同位置点集，设备探针为2～5 μm，每间隔5°测量一段长度的线条作为表面一部分。这样测量72次则可以通过软件系统形成对整个圆柱面在该取样长度上的三维形貌描绘。从而通过软件计算出主要的螺旋角度等参数。图4为某表面探针接触式测量仪测量零件表面三维形貌的参数结果，其中螺旋角(Dγ)的测量值为0°，证明零件表面螺旋纹理符合旋转密封的质量要求。

图4 某接触式表面螺旋纹测量结果

2.2 悬重摆线法测量

由精密探针扫描表面三维形貌的检测虽然精确，但测量耗时较长且设备投资较大。为便于实现对量产零件的质量监控和成本控制，一种简易的测量方法在经过大量测量分析后被提出。如北美橡胶制造业协会的标准RMA OS-1-1中，旋转密封表面的螺旋角测量可由悬重摆线测量法进行测量(图5)。

RMA OS-1-1标准中明确指出，零件由带旋转功能的测量设备固定主零件并保持水平状态，且设定需要满足以下参数要求：

(1)轴面要求：推荐表面涂油以减小摩擦，并使得悬挂的棉线不得对旋转中的轴面进行挂卡或缠绕；

(2)悬重及摆线：采用30 g的悬重和长度0.23 mm的棉线；

(3)转速设定：顺时针转速为60 r/min。

通过测量摆线在整个旋转测量时间内所沿轴向行走的距离X，间接测量螺旋角的大小。其计算公式为

Φ= Arctan(Xt/πDN)

(1)

式中，Φ为螺旋角(Dγ，单位(°))；D为轴面直径；X为棉线在轴向的行走距离；t为测量中的旋转时间；N为旋转时间内的圈数，若转速为60 r/min则1 min时间内的圈数为60圈。

图5 悬重摆线法测量模型

3 实用检测及监控

由于悬重摆线测量法对设备的要求较低，仅需要1台主体带有带动零件旋转功能的测量仪和悬重、棉线等辅材，方便设备制取和实现工艺质量监控。在零件的量产中得到广泛使用，特别是对供应链层级多、质量管控复杂的零件，需要保证多方质量监控的有效性和一致性，悬重摆线测量法具有较大的优势。为保证质量监控和检测频次，某工厂将螺旋角的测量写进控制计划中。图6为某工厂实际生产管控中，使用悬重摆线法的测量案例。

需要指出的是，由于悬重摆线测量法与精密表面扫描仪测量相比，在测量过程中人为的影响因素较大，容易造成较大的测量误差。测量过程中需要注意一些细节及参数的设定，如设备水平调节，需要保证被测零件的旋转表面的水平，而不仅仅是设备旋转轴的水平，表面水平可采用打表的方式，一般可保证水平在1∶4 000。另外，不同厂家可根据零件的大小直径等不同设定内部标准，调整悬重砝码的质量和旋转速度等，以更好地使测量过程平稳并得到稳定的测量结果。为保证悬重摆线间接测量法的有效性和精确性，可以在设备设定最初使用更高级精密的测量仪，如三维形貌扫描仪方式，测定悬重摆线测量系统的精确性，通过测量比对完成测量系统的有效性评价。为保证测量参数的一致性，工厂可制定悬重摆线测量法的测量指导书，也保证了多处测量系统的一致性。

图6 悬重摆线法在工厂零件的测量

4 结语

旋转轴圆柱表面的组织结构是决定旋转密封的重要因素，螺旋角的测量和质量监控在生产工程中不容忽视。本文详细描述了当今可用于检测螺旋角的常用检测方法原理和设备，并对量产零件生产工厂质量监控过程中的测量方法进行了介绍，对实际生产质量监控具有现实指导意义。