提高動力總成類產(chǎn)品清潔度控制要求的重要性

（大眾動力總成（上海）有限公司，上海201807）

提高動力總成類產(chǎn)品清潔度控制要求的重要性

朱正德
（大眾動力總成（上海）有限公司，上海201807）

清潔度作為產(chǎn)品一項重要的質量指標，其重要性已受到越來越大的關注。從清潔度試驗設備和其評定指標的完善等兩個方面對如何提升清潔度指標做了闡述，指出了這對監(jiān)控、保證產(chǎn)品質量所具有的意義。同時分析了隨著產(chǎn)品制造技術的發(fā)展、演化，不同的工藝方法也會給確保產(chǎn)品的清潔度帶來一些新的情況，這也是相關專業(yè)人員需要認真對待的問題。

產(chǎn)品清潔度指標加工工藝切削液

1 前言

產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中被粘上那些外來的、或由工藝過程所生成的有害物質，通常被稱為污染物，不但自身并不需要，而且會對其之后正常的工作、可靠性和壽命產(chǎn)生不利影響。作為一項有著悠久歷史的質量指標，清潔度就是一個用來控制產(chǎn)品上污染物數(shù)量（主要是固體顆粒量）的質量特性值，并通過規(guī)范的試驗方法進行評定。在那些以批量方式生產(chǎn)的動力總成類產(chǎn)品制造業(yè)里，凡重要零部件的生產(chǎn)線中，一般都設置有借助高效專用設備進行清洗作業(yè)的工序，以確保產(chǎn)品的清潔度。此外，在很多企業(yè)里還建立了專業(yè)的清潔度試驗室，通過規(guī)范的方法和確定的指標予以驗證。但縱然如此，多年來，行業(yè)對清潔度這項質量指標的重視還是不夠的，除了反映在工藝規(guī)劃中對清洗設備的投資上，主要還可從那些延續(xù)多年的簡陋的清潔度試驗設備和單一不變的評定指標這2方面看出，尤其是后一點。

然而，近年來隨著人們質量理念和質量意識的提高，尤其是出于對產(chǎn)品安全性、可靠性方面的考慮，以及對其環(huán)保和節(jié)能方面的更高要求，使得昔日往往被忽視的一些環(huán)節(jié)得到了極大的重視，“清潔度”即是一例。事實上由于清潔度的原因而引起的故障、缺陷過去也有，只是關注程度不夠，尤其是象水泵、機油泵、內燃機、變速器等部件，典型例子就是對引起發(fā)動機異響這一缺陷原因的探索。伴隨著消費者自我保護意識的不斷加強，以及企業(yè)的市場承諾和對產(chǎn)品責任性的提高，即使是這樣過去被忽視的缺陷也一樣以十分認真的態(tài)度對待。經(jīng)過對發(fā)動機進行解析，發(fā)現(xiàn)既有因為液壓挺柱卡死，致使搖臂無法抬起，造成搖臂上的滾輪與凸輪間出現(xiàn)間隙而造成的，也由于曲軸上、下軸瓦中混入了固體顆粒狀雜物，既拉毛了軸瓦表面，又引起了發(fā)動機的異響，見圖1。而進一步的拆卸、分析也表明，前一例的液壓挺柱的卡死其實也是由于細小的鋁屑顆粒混雜在配合面間隙中造成的。而如果追根溯源，所有這一切，又都是由于發(fā)動機總成或零部件的清潔度的控制尚有欠缺而引起的，產(chǎn)品清潔度的重要性由此可見。

圖1 雜物造成軸瓦表面拉毛

2 清潔度指標的提升和實施

由前所述的清潔度含義可知，這一質量特性值的定量表述必然是與產(chǎn)品所帶的雜質，即殘留物的量相關。事實上，很多年以來，清潔度也確實是以殘留物的重量（以mg為計量單位）作為評定指標的，而被稱量的殘留在濾紙上的雜質又主要以固體顆粒物為主。至于對顆粒物大小的監(jiān)控，迄止本世紀前10年中期，國內外在執(zhí)行的標準中都只是提到“在有要求時，應對顆粒的尺寸和種類進行測試，可優(yōu)先選擇沉積在100 μm濾紙上的殘留物”。顯然，這里的雜質大小乃是指最大顆粒，一般就利用普通的光學顯微鏡通過人工目測方式完成，但這種狀況在近年也發(fā)生了很大的轉變。

2.1 清潔度指標控制值的提高

不可否認，工件在清洗后殘留物的質量（mg）仍然是一項主要的評定指標，但近年來其控制值已有明顯的提高，以某一知名品牌系列的小排量發(fā)動機的主要零件為例，其主要自制件缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸和連桿的殘留物近5年來已下降了40%～100%，這是與企業(yè)自身對產(chǎn)品質量要求的提高，以及發(fā)動機產(chǎn)品技術的發(fā)展和進步緊密相關的。另一方面，為了使清潔度試驗后獲得的結果能真實地反映出產(chǎn)品的情況，同時也為了企業(yè)相互之間測試結果的更具可比性，在試驗工作的第一道、也是最基礎的一道清洗工序中所采用的設備品質也在提高，圖2是一種代表性的設備。

從圖中可見，該機的清洗區(qū)為一密封區(qū)域，不存在傳統(tǒng)“開放水池式”操作產(chǎn)生的洗液飛濺乃至往往降低沖洗壓力的情況。該設備還帶一套自動再生裝置，不但確保了昂貴的清洗液持續(xù)、可靠地反復利用，而且在保證其品質的同時更加“環(huán)?！?。也正因為在進行清潔度試驗時能有效地保證250～300 kPa的沖洗壓力等參數(shù)，使試驗結果更加可信。

圖2 先進的清潔度試驗設備

2.2 清潔度指標項的增加

用于反映產(chǎn)品清潔度的指標，現(xiàn)今相較多年來單一的“殘留物質量”又增加了多項，從而對產(chǎn)品的清潔度提出了更為嚴格的要求。

（1）殘留物中最大顆粒尺寸。這一指標之前只是一個“選項”，但如今已成為必檢項目。其關鍵是建立了相應的標準，從而有了判別的依據(jù)。而相應的檢測手段，目前有多種，除了傳統(tǒng)的光學顯微鏡外，也有采用金相分析時的體視顯微鏡，或后面將談到的更為先進的“清潔度分析系統(tǒng)”。

（2）殘留物的物理特性。前面曾提到，殘留物的主體是固體金屬顆粒，它們對產(chǎn)品的影響是最大的。但事實上總還是會有些非金屬殘余物存在，如油污、纖維物等等，一部分知名企業(yè)對此規(guī)定了“最大纖維長度”這一指標。但大部分主流發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)還是更為關注金屬顆粒的危害，作出了以下判別原則：殘留物中不能含有鋁制顆粒。而鑒別的方式是比較簡單的，采用強力磁鐵接近已烘干的殘留固體顆粒物即可。圖3就是采用先進的“清潔度分析系統(tǒng)”對一個樣品的殘留物進行分析的結果，圖3對其中的金屬顆粒及非金屬雜質和纖維中“最大”和“次大”的提供了形象、定量的描述。

（3）殘留物中固體顆粒大小的統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析指的是試驗工件清洗后的雜質按顆粒粒徑在不同區(qū)間的分布情況[1]。例如，以下就是一種典型的評定表格（見表1），額定值可以根據(jù)實際情況設置，表中數(shù)據(jù)只是一個示例。

上例中該項指標被分成了AA、A和B等3個級別，但一般情況下企業(yè)往往只設置一個“合格”門檻。另外，有的情況下還可以每個“粒徑區(qū)間”設定不同的“加權系數(shù)”，以更迎合被檢產(chǎn)品的情況。各個企業(yè)據(jù)此就能設計出既滿足自身需求又具有相應特征的測試報告格式。

圖3 殘留物顆粒物理性分析

表1 顆粒尺寸統(tǒng)計分布監(jiān)控示例

2.3 油品清潔度分析

對汽車動力總成來講，作為工作介質的機油，嚴格來講也是其重要“組件”之一，同樣也存在清潔度問題。事實上，已有國際標準（如ISO 4406、ISO 4407等）明確了流體介質的清潔度要求，不但指明了測試方法，而且把上述殘留物顆粒大小的統(tǒng)計分析確定為評價指標[1]。近幾年來，不少發(fā)動機總成廠在貫徹這一標準時，逐漸提升了硬件——檢測設備的檔次，過去通常借助普通的光學顯微鏡，采用人工方式進行檢驗，勞動強度高、效率低；目前則利用先進的清潔度分析儀，這種儀器是通過光機電結合的檢測系統(tǒng)，自動對清潔后濾紙表面的所有殘渣顆?？焖賿呙?，同時對粒子大小和按規(guī)定的分類間隔進行測量和統(tǒng)計，最后按設定的門檻值或不同等級對工件的這一清潔度指標做出判斷，如圖4所示。這種儀器不僅可用于油品清潔度分析，同樣還可以用于工件清潔度的測試。需要指出的一點是，近年來雖然油品分析在不少零部件廠及包括變速器等總成廠已有所執(zhí)行，不過在作為汽車心臟的發(fā)動機制造中，對其采用機油的清潔度分析則剛剛開始。這也表明了對這一檢測項目及指標的認知和重視。

3 控制產(chǎn)品清潔度的復雜性

毋庸置疑，把產(chǎn)品的清潔度控制在額定范圍之內的基礎是產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。盡管幾乎所有較重要的、有清潔度指標要求的生產(chǎn)線都設置了清洗工位，且清洗機的功能、效率也由于制造廠商的努力而在不斷提高，但事實是控制好產(chǎn)品的清潔度還是有相當?shù)膹碗s性。原因何在呢？主要還是由主導生產(chǎn)過程的工藝方法決定的。以本文前面曾提到的發(fā)動機中的典型零件曲軸為例，對其清潔度質量指標要求的提高就是一個十分艱難的過程。

圖4 一種先進的清潔度殘留物分析儀器

實踐表明，一件成品的最終清潔度不只是取決于最后一道清洗工序，而是整個工藝過程控制的綜合反映。而很多既要體現(xiàn)技術進步，又要考慮經(jīng)濟性、制造成本的措施，往往會與這一“目標愿望”相悖。仍以曲軸為例，上述復雜性就體現(xiàn)在諸多方面。

曲軸經(jīng)清潔度試驗后產(chǎn)生的雜質、殘渣主要有三處：非加工面的毛坯面——扇形板、油孔和軸頸等加工面，而其中的影響因素眾多。

3.1 毛坯

在中、小排量發(fā)動機中，尤其是汽油機，曲軸毛坯多采用鑄件。而在國內采用的鑄造工藝以“砂型”方法為主，較少采用“殼型”。雖然后者形成的工件表面狀態(tài)明顯要好于前者，但因“一次性”的殼型工藝成本高，故企業(yè)傾向于選擇砂型鑄造。當然，為改善毛坯面質量還可以增加一道“噴丸硬化”工序，但這又會增加制造成本。實踐表明，雖然在生產(chǎn)線中設置了清洗工位，但毛坯的制造工藝和形成的工件表面質量，對于曲軸的最終清潔度仍有較大影響。在國外一些知名生產(chǎn)廠商，已為關鍵工件的毛坯設定清潔度控制值，如曲軸毛坯為50 mg（殘留物的質量），且可以由上家在必要時適當調整，但在國內推行起來時會遇到些困難。不過，必須指出的一點是在鋁制件的毛坯生產(chǎn)廠情況就完全不同，需方（用戶）會對關鍵鋁制件的毛坯制定明確的清潔度門檻值，主要是那些涉及有運動部件的工件，如缸蓋、水泵殼、機油泵等。有些工件的清潔度指標還不只是殘留物的重量，像對缸蓋毛坯這類關鍵件還進一步提出了對顆粒度分析的要求。對此，即使是國內的毛坯供貨廠也會堅決執(zhí)行。

3.2 鉆孔——曲軸油孔加工

長期以來，國內外曲軸油孔加工采取的鉆孔工藝均為“槍鉆”，但近年來已逐步改為深孔鉆（如硬質合金直柄麻花鉆）。從制造成本和工效等多方面來講，新的工藝要合理得多。自本世紀初以來，在新建的生產(chǎn)線中采用“槍鉆”工藝的比例已明顯減少，這種情況在中、小排量發(fā)動機生產(chǎn)線中尤甚。但從另一方面來講，由于執(zhí)行新工藝時采取的是微量潤滑，相比槍鉆工藝邊加工邊以壓力達到80 MPa的高壓切削油沖洗，無疑利用后者的方式對清除鉆孔后的切屑及其他殘留物的效果較之前者要強得多。

3.3 磨削過程中切削液因素的影響

切削液起著冷卻、潤滑、清洗排削、防銹等重要作用，對加工過程的正常進行有很大的幫助。生產(chǎn)實踐表明，作為整個切削加工系統(tǒng)的一個組成部分，切削液必須正確選擇和使用才能發(fā)揮相應的作用[2]。以磨削為例，剛玉類砂輪曾廣泛用于軸類零件加工，但近年來隨著對制造質量和生產(chǎn)效率等要求的不斷提高，在諸如曲軸軸頸的磨削工藝中，選用CBN砂輪的比例在增加，由于此時的轉速、負荷有了明顯提高，因此選用的切削液往往從原來的“水基切削液”改為“油基切削液”。后者雖對被加工件也有一定的清洗效果，尤其當采取高壓供給時，其清洗性能會更好，但相比含有表面活性劑的水基切削液，二者還是有較大差距。表面活性劑一方面能吸附各種固體微粒（切削、鐵粉、磨削等）和油泥等殘留物，并在工件表面形成一層吸附膜，阻止粒子和油泥粘附在工件、砂輪（刀具）上，另一方面能滲入到粒子和油污粘的界面上，把它們與界面分離，并隨著切削液帶走，從而起到清洗作用。顯然，在改變磨削方式和切削液之后，雖然可有效地提升曲軸的加工質量和生產(chǎn)效率，而且采用油基切削液也更有利于工件的防銹，但相比選用水基切削液，清洗排削的效果會有所降低，這也是一個不爭的事實。因此如何在進行工藝規(guī)劃、工藝調整時，對此可能會引起的工件清潔度的影響給予適當?shù)年P注，有時候還是必要的。

3.4 關于清洗工位

設置在生產(chǎn)線中的清洗工位對確保產(chǎn)品清潔度要求起著極大的作用，但這同樣由工藝部門綜合考慮后決定。近年來以下2個趨勢值得關注：

（1）取消中間清洗工位，只設生產(chǎn)線終端一個清洗工位。以曲軸線為例，過去部分企業(yè)會在粗加工（包括“鉆孔”工序）、熱處理之后設立一道中間“清洗”，但近年來此種工藝布置方式已十分少見，這當然也是與實際需要以及出于經(jīng)濟性的考慮有關。

（2）選用油基清洗液。與切削液相似，清洗液也有油基和水基之分，但長期以來，水基的清洗液占了極大部分，不過這一狀況也在近年有所改變。仍以曲軸線終端的清洗工序為例，越來越多的企業(yè)選擇了油基清洗液，特別是那些在磨削工序中采用CBN砂輪，選擇了切削油的企業(yè)。毫無疑問，就如同加工中選用切削油一樣，清洗過程若通過油基清洗液進行，對工件的防銹會帶來很大的幫助。然而，也如同一柄雙刃劍，與此同時，就清洗的效果來看，肯定不如水基的清洗液，其內在原因與前面闡述的去除作用機理完全相同。

4 結束語

綜上所述，可清楚地看到控制產(chǎn)品清潔度的重要性和復雜性，事實也真是如此，決定產(chǎn)品最終清潔度水平的不僅是清洗工序，或是清潔度實驗室的試驗方法和程序，而是整個工藝過程綜合作用的結果。因此這方面一旦發(fā)生問題，或者面臨要求提升清潔度的指標門檻值時，也必須綜合性地逐項、逐道分析。曲軸作為發(fā)動機總成中一個重要零件，其清潔度雖然只是一個個案，但涉及到方方面面的要素，也可引伸到其他零部件。

1 ISO4407-2002利用顯微鏡通過計數(shù)法測定液體中殘留物的顆粒

2達世亮.汽車制造切削加工系統(tǒng)工程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

Importance of Cleanness Control for Powertrain

Zhu Zhengde
（Volkswagen Powertrain(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201807,China）

Cleanness is an important quality index,and is getting greater attention.How to improve product cleanness is elaborated both in cleaning equipment and perfection of cleanness assessment,which is significant for controlling and ensuring product quality.New issues of product cleanness triggered by the development and evolution of manufacturing technology and by different manufacturing processes are analyzed.

product,cleanness,index,machining process,cutting coolant

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.011

來稿日期：2011-01-08

朱正德（1945－），男，教授級高級工程師，主要研究方向為計量與檢測。