一種解決曲軸油道孔清潔問題的工藝設(shè)計(jì)

周長華

（上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，上海201401）

1 前言

曲軸作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)5C（關(guān)鍵） 部件之一，其質(zhì)量的好環(huán)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及使用壽命是至關(guān)重要的。大家都知道，曲軸除了尺寸精度、粗糙度、表面硬度等要求外，還有另外一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)：曲軸清潔度。曲軸清潔程度的好壞，直接與發(fā)動(dòng)機(jī)的油路是否暢通、運(yùn)動(dòng)副的潤滑磨損情況密切相關(guān)。曲軸清潔不好，輕則損傷部件，性能下降，重則造成發(fā)動(dòng)機(jī)燒損，甚至報(bào)廢。

上海日野公司P11C型柴油機(jī)為6缸11L排量，其曲軸油孔的清潔度規(guī)格值：異物量≤18mg，要求非常高。本文謹(jǐn)以如何實(shí)現(xiàn)曲軸油孔清潔為中心來作詳細(xì)闡述，分析一種新的柴油機(jī)曲軸油孔清潔的工藝方法，并與大家一起探討。

2 影響曲軸油孔清潔度的因素及形成原因

要解決P11C型柴油機(jī)曲軸油孔清潔度的問題，首先要了解影響到曲軸油孔清潔的“異物”種類，以及其產(chǎn)生的可能環(huán)節(jié)與機(jī)理。首先明確了這些，再采取相應(yīng)工藝措施，才能達(dá)到目的。

2.1 鐵屑

鐵屑，主要來自于機(jī)加工過程中刀具切削而產(chǎn)生的切屑。在這里我們把P11C型柴油機(jī)曲軸油道孔內(nèi)存在的鐵屑形態(tài)分為以下三類。

第一類是油道貫通孔處的毛刺，該處毛刺與工件本體粘連在一起，似掉非掉，若不徹底清除掉，在以后發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中很容易發(fā)生質(zhì)量隱患。

第二類是“浮”著在油孔內(nèi)的可活動(dòng)切屑。此類切屑與工件本體分離，“浮”在工件表面。

第三類是粘附在油孔內(nèi)表面的微小切屑，與第一類類似，與工件本體似離非離。但區(qū)別在于前者大而明顯，一眼就能看出來，而后者細(xì)小，脫落后成粉末狀。第三類切屑產(chǎn)生的主要原因是由刀具從工件表面“搓”起來的，尤其是當(dāng)?shù)毒呷锌阝g化時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。這種“微小切屑”在國內(nèi)可能還沒有引起廣泛的注意。

以上三類鐵屑，第二類鐵屑往往比較好清除，但第一類與第三類，由于是與工件本體“粘連”在一起，僅用一般的沖洗方式是很難徹底清除的。

2.2 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物主要來源于切削油（液）中的污垢、淬火后的燒結(jié)物，以及探傷后的磁粉殘留等等。另外，在清洗過程中，若過濾工具及清洗介質(zhì)的選擇不當(dāng)，也會(huì)造成在最后的清潔度檢查時(shí)，其過濾物中能找到非金屬夾雜物。

3 曲軸清潔工藝的分析對比

3.1 幾種清潔工藝的比較與選擇

曲軸的清潔往往包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：曲軸外表面清潔、曲軸油孔清潔。一般來說，要在工藝上保證后者（油孔）清潔的難度要遠(yuǎn)超過前者（外表面清潔）。在我國，當(dāng)前用來實(shí)現(xiàn)汽車零部件清潔的工藝方法有很多，如超聲波清洗法、浪涌法、大流量沖洗法等等。這些方法都是很傳統(tǒng)的清洗工藝方式，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。如超聲波法，對于光學(xué)鏡片、太陽能硅片類小型零件就很適用，且清洗設(shè)備的體積可以做得比較小。但對體積較大，內(nèi)腔深且復(fù)雜的工件，用超聲波法實(shí)施起來就復(fù)雜多了，其最終的清洗效果也值得商榷。同時(shí)，以上方法對于相互貫通油道孔的清洗，都面臨一個(gè)貫通處毛刺很難清除干凈的問題。根據(jù)上海日野P11C型柴油機(jī)曲軸的實(shí)際情況，在其加工過程中選擇了電解法去除毛刺與高壓清洗等工藝相結(jié)合，再輔以油孔刷的方式，實(shí)現(xiàn)了清潔油道孔的目的，同時(shí)也減少了工藝裝備的投入和使用成本。

3.2 幾種傳統(tǒng)去毛刺工藝的優(yōu)劣分析

如何去除油孔內(nèi)的毛剌是難點(diǎn)。去除毛刺最原始最常用的方法乃是機(jī)械法，即直接用硬物，如鉆頭等對毛刺進(jìn)行物理清除。但這種清除方法對于油孔內(nèi)部的毛刺，由于不直觀，其去除效果很不可靠，會(huì)給曲軸質(zhì)量留下隱患。如圖1所示，軸瓦上的劃痕即為殘留鐵屑造成的質(zhì)量問題。

另外，業(yè)內(nèi)還有一種高壓流體（一般35MPa以上）去毛刺法。但這種方法也有一定的局限性，如毛刺去除仍不夠徹底。原因是毛刺具有可塑性，在沖擊力面前，變個(gè)方向，如順著流體方向，受力可能就小了，也就難以被沖刷掉了。特別當(dāng)留下一些似掉非掉的毛刺時(shí)，在以后的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)震動(dòng)及潤滑油沖刷過程中，仍有脫落的可能性，存在著質(zhì)量隱患。另外，這種高壓去毛刺設(shè)備本身的制造費(fèi)用也很昂貴，從而還會(huì)造成單件曲軸的加工成本居高不下。

4 上海日野公司曲軸清潔工藝

4.1 電解去毛刺法

電解去毛刺在國內(nèi)很多零部件上也有應(yīng)用，但將電解法應(yīng)用在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的清潔工藝上卻是國內(nèi)首次，是一種全新的應(yīng)用方式。

其實(shí)，這種電解裝置的原理比較簡單，其原理如圖2所示。電極棒細(xì)節(jié)上的一些設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。圖中電極棒為中空，可使電解液從中間通過，再從油孔貫通處流出。電解液經(jīng)收集槽收集后，再利用水泵進(jìn)行循環(huán)使用。電極棒上接電源線與電解液收集槽中電源線經(jīng)電解液、曲軸、金屬支撐一起形成電流回路。電解化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電流從電極棒經(jīng)電解液流經(jīng)曲軸（毛刺）的過程中。毛刺在電解化學(xué)反應(yīng)中不斷受到損耗而最終被消除或從曲軸本體上脫落。

從切割曲軸油孔剖面后的檢查結(jié)果來看，這種電解去毛刺方式達(dá)到了預(yù)期的效果。圖3所示為P11C型柴油機(jī)曲軸第6主軸頸電解后的切割剖面視圖，圖中示樣已著色，所以顏色較深。

從以上圖片中可以看到，3個(gè)油道孔相貫處，已經(jīng)沒有了毛刺。另外，在放置電極的油道中段孔口處（離電極較近的部位），甚至還有明顯被電解后形成的細(xì)小鈍角現(xiàn)象。

使用電解法要掌握好3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：電解液濃度、電流（電壓）大小、電解時(shí)間。表1為以上3個(gè)參數(shù)的常用范圍，具體數(shù)值應(yīng)因曲軸油孔（電極）大小差異而定，加工中要實(shí)行嚴(yán)格的過程控制。

以上參數(shù)若選擇不當(dāng)，可能會(huì)造成毛刺去除不干凈或電蝕程度過重，對工件油道孔表面造成超出設(shè)計(jì)允許范圍的破壞。

4.2 高壓清洗法

目前國內(nèi)的曲軸油孔清洗技術(shù)多采用中低壓，但其清洗效果并不理想，且其清洗效果的穩(wěn)定性也要打折扣。

上海日野公司工藝設(shè)計(jì)中要求對P11C型柴油機(jī)曲軸油孔采用的清洗壓力是10MPa，并與大連智云公司合作開發(fā)了一臺(tái)曲軸高壓清洗機(jī)，專門用于曲軸油道的清洗。噴頭上的噴嘴1與噴嘴2分別用于直油孔的清洗與斜油道孔的清洗；油孔的座標(biāo)位置及角度分別由YAMAHA伺服系統(tǒng)（xyz）與歐姆龍伺服系統(tǒng)（回轉(zhuǎn)）進(jìn)行控制，如圖4所示。

高壓清洗機(jī)在工序上分為預(yù)清洗與油道清洗前后2個(gè)工位。設(shè)預(yù)清洗工位的目的主要是為了縮短生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)也是為了防止油道孔清洗完后，曲軸外表面的臟物重新污染油道孔。

P11C型柴油機(jī)曲軸油孔分成三組進(jìn)行清洗，清洗參數(shù)如表2所示。

清洗液噴射夾角的選擇很重要，噴射夾角過大會(huì)造成油孔表面實(shí)際受到的噴射壓力不夠，清洗效果會(huì)受到影響；噴射夾角過小，射流直接從孔中間通過，對孔壁沒有多少清洗的作用。上海日野公司選擇清洗噴射夾角為10°左右，同時(shí)在清洗后段（直油孔時(shí)），采用噴嘴邊清洗邊后退的方式，以期提高清洗效果。

4.3 油孔刷

對于淬火后油孔內(nèi)的燒結(jié)物，以及前面所述的第三類油孔內(nèi)表面的微小切屑，由于是附著在孔內(nèi)壁，有一定的粘結(jié)力，這是難以徹底被沖洗掉的，需要借助外力將其先松動(dòng)后，再在清洗時(shí)才能將其沖刷掉。使用油孔刷的目的就是為了取得這樣的效果。油孔刷工藝裝備的形式如圖5所示。裝備主要由三部份組成：管道刷、氣動(dòng)轉(zhuǎn)槍、噴液過濾循環(huán)系統(tǒng)。本工序一些相關(guān)的加工參數(shù)如表3所示。

5 新工藝清潔效果的驗(yàn)證

采用新的清潔工藝后，曲軸油孔的清潔度保持穩(wěn)定，圖6是上海日野公司連續(xù)4周的曲軸清潔度的檢測結(jié)果。

6 結(jié)束語

實(shí)際上在實(shí)施的過程中，影響到曲軸油孔清潔度的因素很多。在曲軸加工的工藝流程中，對各工藝參數(shù)的選擇，以及清洗介質(zhì)的優(yōu)劣、濃度配比也是非常重要的。如過濾精度、高壓泵流量選擇、高壓噴嘴直徑與結(jié)構(gòu)形式、清洗方式、清洗液濃度，以及油道刷直徑與刷毛硬度的選擇等等，都與清洗效果有著密切的關(guān)系，最終都會(huì)反映到清潔度測量數(shù)據(jù)上。

另外，關(guān)于電解去毛刺的工藝，由于電解后也會(huì)帶來一些問題，如曲軸易生銹、與電極相聯(lián)的金屬支撐點(diǎn)易損壞曲軸表面等等，所以電解工藝在整個(gè)曲軸加工流程中安排在什么位置也是非常重要的。合理的工藝安排可以將以上問題帶來的負(fù)面影響降至最低。

為了確認(rèn)磁性物體對曲軸清潔的影響，我們曾做過這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)，人為地將磁鐵粉末撒入油道孔內(nèi)，然后進(jìn)行高壓清洗。最后發(fā)現(xiàn)絕大部份的磁粉末已沖掉，但油孔出口處（射流穿過曲軸后的出口），總會(huì)吸附著少量的磁粉末沖洗不掉。由此可見磁性對曲軸清潔是有一定影響的（無論是曲軸本身帶有磁性，還是臟物帶有磁性）。所以，避免磁性物質(zhì)，尤其是曲軸做過磁化后，如磁粉探傷，一定要切實(shí)做好對曲軸的消磁工作，這是很重要的。

由上可見，實(shí)現(xiàn)“曲軸油孔清潔”是一個(gè)綜合的過程，不是單單靠哪一道工序或哪一臺(tái)設(shè)備就能完成得了的，而需要在曲軸加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，對各工序過程進(jìn)行目的明確的質(zhì)量控制，最終才能達(dá)到真正實(shí)現(xiàn)曲軸油道孔清潔度要求的目的。