提升零部件制造質(zhì)量監(jiān)控手段的應(yīng)用

朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司）

自上世紀(jì)90年代起，隨著人們質(zhì)量意識(shí)的不斷加強(qiáng),以及消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求的日益提高，企業(yè)生產(chǎn)時(shí)已不能再僅停留在采用更多的先進(jìn)制造技術(shù)上了。與此同時(shí)，還必須認(rèn)識(shí)到推行或強(qiáng)化一些新的質(zhì)量監(jiān)控方法的重要性和必要性。事實(shí)上，那些大家不太熟悉或者多年以來(lái)一直未能引起企業(yè)相關(guān)部門重視的、主要涉及某些材質(zhì)或零部件性能的指標(biāo)，往往會(huì)對(duì)零部件的功能乃至整個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。文章以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)加工零部件為例，剖析了殘余磁性、清潔度和磨削燒傷等3類有代表性的質(zhì)量隱患的產(chǎn)生原因，以及對(duì)零部件乃至整個(gè)汽車產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，進(jìn)而提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施[1]。事實(shí)證明，企業(yè)只有在不斷完善所執(zhí)行的生產(chǎn)工藝，全方位地關(guān)注零部件的制造質(zhì)量，并實(shí)施有針對(duì)性的檢測(cè)方法，才能通過(guò)提升零部件的制造質(zhì)量，為生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品提供可靠的保證。

1 殘磁的危害、成因及檢測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)中有不少零部件之間的配合精度很高，為此除了必須保證它們的形狀、尺寸符合公差的規(guī)定外，往往對(duì)其材質(zhì)及其他一些物理性能指標(biāo)也有明確的要求，例如對(duì)零件自身帶有的殘余磁性就有明確要求。事實(shí)上，零件一旦帶有的磁性過(guò)高，不但對(duì)那些高靈敏度的電器和電子元件會(huì)造成干擾，影響其正常運(yùn)行，而且還有可能吸附住細(xì)小的金屬屑。對(duì)于那些配合要求高的部位（如軸承滾道、軸頸、軸瓦等）還會(huì)影響其油膜的形成，造成額外的摩擦、磨損，甚至造成零件配合面的拉毛，帶來(lái)不可忽視的質(zhì)量隱患。也正因?yàn)槿绱?，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)一些關(guān)鍵零件進(jìn)行殘磁檢測(cè)，連桿就是其中具有代表性的一類。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的連桿生產(chǎn)工藝，可能會(huì)存在較高的磁性，造成一些不良后果。例如：成品下線時(shí)，若在其漲斷口處存在較大的磁性，細(xì)小的金屬顆粒或者切屑就會(huì)吸附在上面，當(dāng)再次通過(guò)連桿螺栓將兩者擰緊時(shí)就會(huì)無(wú)法完全閉合，難以保證連接的可靠性。另外，有著配合關(guān)系的連桿大小頭孔表面，一旦粘有金屬細(xì)屑，也會(huì)直接影響到裝配質(zhì)量，如圖1所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，連桿作為核心回轉(zhuǎn)部件，其允許的配合偏差往往會(huì)影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，甚至造成失效。

造成連桿帶有殘磁的原因主要有：1）連桿毛坯本身帶有磁性。由于工件毛坯需要經(jīng)過(guò)磁粉探傷，此時(shí)被磁化而帶有磁性。2）零件在機(jī)加工過(guò)程中產(chǎn)生的。利用磨床、車床等加工時(shí)，一般都需使用冷卻液，而加工中又會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這就或多或少地會(huì)促使工件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致部分不穩(wěn)定的組織（如奧氏體）轉(zhuǎn)變成某種帶有磁性的體心立方的馬氏體，使整個(gè)零件出現(xiàn)磁性。而生產(chǎn)線節(jié)拍的提升所引起的局部過(guò)熱，又進(jìn)一步增大了產(chǎn)生磁性的風(fēng)險(xiǎn)。3）由于設(shè)備的夾具、刀具以及連桿的基體材料都是鐵磁質(zhì)，它們之間互相磁化，使設(shè)備夾具和刀具都會(huì)帶有較高磁性，使后續(xù)加工的零件也被磁化而產(chǎn)生一定的磁性。實(shí)際上，在對(duì)設(shè)備中的夾具進(jìn)行實(shí)測(cè)后也證實(shí)了這點(diǎn)。由此可知，在目前的生產(chǎn)工藝條件下，某些重要零件帶有磁性往往是很難避免的。

檢驗(yàn)工件是否帶有磁性，是通過(guò)測(cè)試其磁場(chǎng)強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)的，而磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度是2個(gè)用于表征的物理量。國(guó)內(nèi)企業(yè)較多采用磁感應(yīng)強(qiáng)度作為監(jiān)控的物理量，目前主要應(yīng)用于軸承等通用件的殘磁檢測(cè)。而在以德國(guó)大眾為代表的一些歐美主流汽車企業(yè)選用的則是磁場(chǎng)強(qiáng)度。它們雖是不同的物理量，但由于兩者都用于表示同一物質(zhì)——磁場(chǎng)量值的特征參數(shù)，它們之間可以通過(guò)一定的公式進(jìn)行換算[2]。當(dāng)然，以2種物理量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試設(shè)備也有所不同。如上所述，國(guó)內(nèi)常用的測(cè)試設(shè)備有高斯計(jì)和特斯拉計(jì)，特斯拉計(jì)，如圖2a所示。測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，一種方法是：可以首先測(cè)試磁感應(yīng)強(qiáng)度，然后再根據(jù)材料磁導(dǎo)率將其換算成磁場(chǎng)強(qiáng)度；另一種方法是：直接測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)，如圖2b所示。

當(dāng)確定了檢測(cè)方式和選定了設(shè)備后，首先應(yīng)該確定合理的測(cè)試位置，選擇那些會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能的部位。以連桿為例，鑒于其漲斷面及大小頭孔處的殘磁一旦超差，就會(huì)帶來(lái)很大的質(zhì)量隱患。由于磁通量的分布是立體的，故在磁性測(cè)試過(guò)程中，稍稍挪動(dòng)位置，由于穿過(guò)設(shè)備感應(yīng)頭的磁通量的改變，使顯示的讀數(shù)也會(huì)有所變化。為了控制零件磁性，通常需要監(jiān)控的是磁性的最大值，一般是在測(cè)試位置處，稍作移動(dòng)，取讀數(shù)最大值（即磁性的最大值），以此作為評(píng)價(jià)時(shí)的依據(jù)。連桿磁性檢測(cè)位置示意圖，如圖3所示。圖3中標(biāo)注的1～6處是殘磁較大的位置，故測(cè)點(diǎn)按圖3所示選定。

2 控制產(chǎn)品清潔度的重要性、方法與復(fù)雜性

清潔度對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有很大的影響，以發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的異響缺陷為例，經(jīng)拆卸、解析，發(fā)現(xiàn)由于細(xì)小的鋁屑顆?；祀s在液壓挺柱配合面之間，如圖4a所示，使運(yùn)動(dòng)受卡造成了因搖臂無(wú)法充分抬起，其上的滾輪與凸輪間出現(xiàn)的間隙引起了凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不時(shí)發(fā)出如敲擊般的異響。另一例分析結(jié)果則是與曲軸主軸頸相配合的上下2片主軸瓦中混合了固體顆粒狀雜物，造成軸瓦表面被拉毛，如圖4b所示。

清潔度是一項(xiàng)“歷史悠久”的質(zhì)量指標(biāo)，隨著企業(yè)的質(zhì)量理念、質(zhì)量意識(shí)的轉(zhuǎn)變，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)、環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)和對(duì)機(jī)動(dòng)車安全性、環(huán)保、節(jié)能等要求的日趨嚴(yán)苛，清潔度這項(xiàng)與產(chǎn)品質(zhì)量和性能密切相關(guān)的指標(biāo)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。清潔度測(cè)試的評(píng)定指標(biāo)仍主要以殘余物質(zhì)量為主。近年，隨著一系列國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的貫徹、推行，對(duì)零部件清潔度技術(shù)要求也提高了。評(píng)定指標(biāo)除殘留物質(zhì)量外，還增加了最大顆粒尺寸（指顆粒的最大線性長(zhǎng)度），評(píng)價(jià)對(duì)象是金屬或非金屬。某些國(guó)外的主流汽車集團(tuán)，把對(duì)顆粒度的統(tǒng)計(jì)分析也列為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件清潔度的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。清潔度測(cè)試主要包括工件表面殘留污染物、雜質(zhì)的萃取、制樣，以及對(duì)它們進(jìn)行分析、評(píng)定。為了適應(yīng)近年來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件清潔度技術(shù)要求的不斷提升，必須不斷地提高對(duì)檢出殘留物的分析、評(píng)定的能力，主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)中高性能顆粒度分析儀器應(yīng)用的日趨普及[3]?，F(xiàn)今的顆粒度測(cè)試儀已成為一個(gè)相當(dāng)完善的清潔度自動(dòng)分析系統(tǒng)，通過(guò)配置的自動(dòng)載物臺(tái)、明/暗場(chǎng)觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、PC機(jī)以及相應(yīng)的功能軟件，其自動(dòng)化程度較高，并具有很好的重復(fù)性、再現(xiàn)性。另外，還可以按不同企業(yè)的需求，根據(jù)國(guó)內(nèi)外清潔度標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先進(jìn)行選擇和設(shè)置，利用一切的可編輯性進(jìn)行有針對(duì)性的分析和評(píng)定。圖5示出儀器系統(tǒng)對(duì)萃取試樣的分析。圖5反映了儀器系統(tǒng)對(duì)萃取試樣的分析過(guò)程，利用顆粒對(duì)光反射的不同，即可確認(rèn)視野中的白色顆粒是金屬（顆粒），而數(shù)量更多的黑色顆粒乃是非金屬。在此基礎(chǔ)上再對(duì)它們進(jìn)行最大顆粒尺寸和相應(yīng)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析。此外，通過(guò)對(duì)試樣整體區(qū)域的圖像拼接，還能自動(dòng)生成按某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求而做的分析報(bào)告。

盡管所有較重要的、有清潔度指標(biāo)要求的生產(chǎn)線都設(shè)置了清洗工位，并且清洗機(jī)的功能、效率也在不斷提高，但決定成品清潔度水平的決不只是由清洗工序、即有沒(méi)有把它“洗干凈”那么簡(jiǎn)單，它是整個(gè)工藝過(guò)程的綜合反映。在很多情況下，在技術(shù)改進(jìn)措施實(shí)施的同時(shí)，還必須考慮到經(jīng)濟(jì)性及制造成本，這往往會(huì)與提升清潔度水平的愿望相悖。以曲軸為例，經(jīng)清潔度試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，工件產(chǎn)生的雜質(zhì)、殘?jiān)饕獊?lái)自3處：1）非加工面的毛坯面；2）油孔；3）軸頸等加工面。而其中經(jīng)歷的環(huán)節(jié)和影響因素眾多，單就毛坯而言，在曲軸毛坯中鑄件多于鍛件，尤其對(duì)中小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，在國(guó)內(nèi)采用以“砂型”為主的鑄造工藝，較少采用“殼型”。雖然后者形成的工件表面質(zhì)量明顯要好于前者，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(dāng)然，為改善毛坯面質(zhì)量還可以增加一道“噴丸硬化”工序，但會(huì)增加制造成本。實(shí)踐表明，雖然在生產(chǎn)線中設(shè)置了清洗工位，但毛坯的制造工藝和工件表面質(zhì)量對(duì)曲軸的最終清潔度仍有較大影響。國(guó)外一些知名汽車廠商已為關(guān)鍵工件的毛坯設(shè)定了清潔度控制值，如曲軸毛坯為50 mg（殘留物的質(zhì)量），但在國(guó)內(nèi)推行時(shí)會(huì)遇到困難。由此可清楚地看到控制產(chǎn)品清潔度的重要性和復(fù)雜性。

3 磨削燒傷

3.1 成因與危害

磨削燒傷是工件在磨削加工后發(fā)生在其表面的一種隱性缺陷，是因工藝處置失當(dāng)導(dǎo)致了在很高的磨削溫度作用下，由于工件表層金相組織的改變所造成的。由此而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和硬度的變化將會(huì)影響零件的使用性能，若表面的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力的態(tài)勢(shì)，且幅值又較大，就埋下了質(zhì)量隱患。磨削燒傷大多數(shù)發(fā)生于旋轉(zhuǎn)類零件，如轉(zhuǎn)向節(jié)、傳動(dòng)軸閥桿、泵、凸輪軸、曲軸、氣門，以及軸承、齒輪等通用類零件。這些零件大多在交變載荷的環(huán)境下工作，對(duì)工件的表面質(zhì)量有很高的要求。以凸輪軸為例，其工作（凸輪）表面硬度的下降會(huì)直接影響凸輪軸的使用性能，而經(jīng)磨削后的工件表層存在較大的殘余（拉）應(yīng)力，雖然在它的幅值小于材料的強(qiáng)度極限時(shí)并不會(huì)使表面開(kāi)裂，但形成的磨削裂紋在交變載荷作用下很容易擴(kuò)展，從表面的少數(shù)細(xì)紋擴(kuò)展為網(wǎng)狀裂紋以至于相互連接，最終造成工件表面的剝落。凸輪軸一旦失效，將直接危及運(yùn)行中的發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

3.2 磁彈法

傳統(tǒng)的磨削燒傷檢查方法，如目測(cè)法、酸蝕法等均有很大的局限性，且難以對(duì)磨削燒傷程度做出定量的說(shuō)明，現(xiàn)今大多數(shù)企業(yè)并未將該項(xiàng)參數(shù)列入監(jiān)控范圍，因此在物理學(xué)Barkhansen效應(yīng)的基礎(chǔ)上誕生了較適用的磁彈法（BN法）。磁彈法是一種新穎、高效的磨削燒傷檢測(cè)方法，并據(jù)此開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的儀器，有效地對(duì)磨削燒傷進(jìn)行測(cè)試。

磨削燒傷主要是因?yàn)楣ぷ鞅砻娼鹣嘟M織結(jié)構(gòu)變化而引起的，產(chǎn)生的回火層會(huì)引起硬度的下降，并在表面出現(xiàn)殘余（力）應(yīng)力，如圖6所示。檢測(cè)儀器對(duì)它們都有敏感的反映。圖6a中的橫坐標(biāo)表示硬度值，而縱坐標(biāo)表示輸出的信號(hào)幅值。隨著被檢工件表面硬度值由高向低的變化，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)信號(hào)幅值將由小到大，即硬度低對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)高，硬度高對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)低。儀器對(duì)表面殘余應(yīng)力的反應(yīng)，如圖6b所示，可見(jiàn)當(dāng)殘余應(yīng)力由小到大，即由負(fù)（壓應(yīng)力）向正（拉應(yīng)力）變化時(shí)，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)信號(hào)的幅值將由低向高變化。

上述由儀器產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，是磁彈法效應(yīng)的一種量化表達(dá)，它與被測(cè)工件表面的變異狀態(tài)，如殘余應(yīng)力成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。這種方式雖然屬于比較測(cè)量的性質(zhì)，但只要解決了“定標(biāo)”就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量描述。圖7示出儀器輸出的一個(gè)典型報(bào)告，圖7中的曲線清晰地反映了實(shí)測(cè)結(jié)果。

3.3 磨削燒傷檢測(cè)及預(yù)防措施

目前，以磁彈法為基礎(chǔ)研制的新型磨削燒傷檢測(cè)儀器已產(chǎn)品化，并成功地應(yīng)用在汽車行業(yè)內(nèi)。針對(duì)不同被測(cè)工件的特征和用戶的需要，這類新型檢測(cè)儀器可設(shè)計(jì)、制造成不同的樣式，如有逐點(diǎn)測(cè)量的靜態(tài)方式，也有連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量方式。對(duì)于凸輪這樣的承重件，由于凸輪圓周曲率半徑不同的特點(diǎn)，一般采取后者。零部件廠還可以采用較簡(jiǎn)單的手持式儀器，其經(jīng)濟(jì)性更好。在檢測(cè)了工件磨削表面的金相組織變化以及初步了解了現(xiàn)今企業(yè)所采用的生產(chǎn)工藝后發(fā)現(xiàn)：表面殘余應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力隱患的原因主要還是因冷卻不當(dāng)造成的。眾所周知，磨削過(guò)程中的冷卻有3種形式：1）風(fēng)冷，即采用干磨時(shí)的自然冷卻；2）水基冷卻液；3）油基冷卻液。當(dāng)采取第1和第3種冷卻方式時(shí)，工件表面將呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，此時(shí)可能存在硬度下降的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于水基的冷卻效果明顯地優(yōu)于油基，環(huán)保處理也簡(jiǎn)單，使用成本要比油基低得多，因此應(yīng)用十分普遍[1]。但也隱含著另一種風(fēng)險(xiǎn)，即鑒于采用水基磨削液后的冷卻速度快，表面產(chǎn)生的二次淬火馬氏體會(huì)增多，晶格變化、體積縮小，而它的下層則因冷卻緩慢成為硬度較低的回火組織，從而增大了工件表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的傾向。當(dāng)形成的拉應(yīng)力一旦超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋。

隨著越來(lái)越多企業(yè)在凸輪軸、曲軸等零件的加工中采用CBN磨削技術(shù)，上述隱患正在不斷減小。CBN磨料與其他磨料相比，有著更高的硬度和強(qiáng)度，切削鋒利且耐磨，因而具備了優(yōu)化各種磨削參數(shù)的條件。另外，從21世紀(jì)起，部分主流發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)在進(jìn)行軸類零件的磨削加工時(shí)已采用了由油基冷卻液逐漸取代水基冷卻液的方法，還有些企業(yè)采用干磨工藝。綜上，只要不斷完善、改進(jìn)加工工藝，就可降低工件表面磨削燒傷而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。