汽車軸類零件密封表面螺旋紋的檢測(cè)與監(jiān)控

(舍弗勒貿(mào)易(上海)有限公司，上海 201800)

0 概述

在汽車的傳動(dòng)部件中，采用旋轉(zhuǎn)軸的油類密封件是非常普遍的。其原理是在回轉(zhuǎn)軸與彈性密封材料之間，通過(guò)唇形密封的形式，允許微量的油液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)軸與密封件之間，形成非常稀薄的薄膜狀態(tài)。在軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，使機(jī)油無(wú)法滲出。

為保證密封性，在確保零件基本尺寸符合要求外，旋轉(zhuǎn)軸圓柱表面的組織結(jié)構(gòu)同樣是決定旋轉(zhuǎn)密封的重要因素[1]。主要影響的參數(shù)有表面粗糙度、圓度，以及表面螺旋角等。密封面的粗糙度一般定義在Ra 0.2～0.6、Rz 0.8～3、Rpm 0.5～1.25。圓度一般定義為0.005，螺旋角定義范圍為<±0.05°。

圖1 曲軸軸類零件與密封圈

然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，盡管密封軸的尺寸和幾何公差以及粗糙度滿足圖紙要求，卻仍會(huì)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中存在與橡膠密封件配合時(shí)的漏油風(fēng)險(xiǎn)。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)側(cè)曲軸某旋轉(zhuǎn)密封件表面和橡膠密封圈旋轉(zhuǎn)的配合案例。當(dāng)軸件旋轉(zhuǎn)面上存在螺旋角超出質(zhì)量管控范圍時(shí)，在軸的高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)油液泄露風(fēng)險(xiǎn)。

分析表明，軸類零件的圓柱表面影響旋轉(zhuǎn)密封性能的重要參數(shù)在滿足質(zhì)量要求和質(zhì)量監(jiān)控的情況下，表面螺旋線紋理結(jié)構(gòu)即螺旋角的監(jiān)控往往會(huì)被忽視，從而容易引發(fā)旋轉(zhuǎn)密封的泄露問(wèn)題[2]。本文對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中易發(fā)生的螺旋紋質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了成因分析，并對(duì)零件生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控測(cè)量法進(jìn)行了介紹。

1 表面螺旋紋的產(chǎn)生及特征

1.1 螺旋紋的成因

軸類零件表面螺旋紋，又稱扭紋，近年來(lái)在零件生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)始被關(guān)注和研究。為了達(dá)到精密的表面微觀質(zhì)量要求，軸類零件密封表面一般要求精密磨削加工。而磨削過(guò)程往往是表面螺旋紋產(chǎn)生的原因。通過(guò)零件和砂輪的相對(duì)磨削位置會(huì)導(dǎo)致螺旋紋的產(chǎn)生。磨削過(guò)程中，由于砂輪和零件圓柱中心軸的相對(duì)位置控制不好而產(chǎn)生，或由砂輪加工表面而產(chǎn)生。砂輪修整過(guò)程中，砂輪表面通常會(huì)產(chǎn)生不規(guī)整的加工痕跡。

1.2 螺旋紋形貌參數(shù)

圓柱表面上的螺旋紋理結(jié)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)零件上的周期性標(biāo)記，可以是連續(xù)或間斷的，一般在車削或磨削的加工中更易于出現(xiàn)。利用高精度精密表面形貌掃描儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱表面形貌的全覆蓋式微觀形貌檢測(cè)[3-4]。表面螺旋紋主要的特征參數(shù)有螺旋角、 螺旋紋深度、 螺旋紋數(shù)量、理論導(dǎo)向橫截面積、理論導(dǎo)流面積、波長(zhǎng)、螺旋紋導(dǎo)程(圖2)。

圖2 螺旋紋理微觀參數(shù)示意圖

螺旋角(Dγ)是螺旋紋方向與回轉(zhuǎn)軸線方向的夾角；螺旋深度(Dt)是螺旋紋理的深度，即波峰和波谷之間的高度；螺旋紋數(shù)量(DG)為360°全周的螺旋紋數(shù)量；理論導(dǎo)向橫截面積(DF)代表相鄰紋理結(jié)構(gòu)之間的橫截面積；理論導(dǎo)流面積(DFu)是全周內(nèi)各個(gè)紋理面積的總和；波長(zhǎng)(DP)為相鄰紋理結(jié)構(gòu)在軸向上的距離；螺旋紋導(dǎo)程(Ls)是360°范圍內(nèi)螺旋線在軸向上的距離。

2 測(cè)量方法

2.1 表面接觸式三維形貌掃描測(cè)量

這種量化的表面接觸式測(cè)量方法由戴姆勒·查爾斯提出，通過(guò)表面接觸式的儀器掃面零件完整的旋轉(zhuǎn)表面三維形貌。經(jīng)過(guò)不同測(cè)量公司對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的建立和優(yōu)化，可在精密表面粗糙度儀或表面圓度測(cè)量?jī)x上建立掃面測(cè)量方式和軟件分析系統(tǒng)。

參照Mercedes-Benz公司的工程標(biāo)準(zhǔn)MBN 31007-7, 測(cè)量時(shí)使用探針探測(cè)軸類零件表面接觸區(qū)域，并通過(guò)掃描記錄一系列母線輪廓形成1個(gè)三維面，通過(guò)圖形方式展現(xiàn)螺旋紋結(jié)構(gòu)，并計(jì)算螺旋紋的特征數(shù)據(jù)。圖3為精密粗糙度儀實(shí)現(xiàn)的螺旋紋測(cè)量。

圖3 精密粗糙度儀實(shí)現(xiàn)的螺旋紋測(cè)量

一般情況下，選用的采樣方法為，從零件旋轉(zhuǎn)面上測(cè)量360°的不同位置點(diǎn)集，設(shè)備探針為2～5 μm，每間隔5°測(cè)量一段長(zhǎng)度的線條作為表面一部分。這樣測(cè)量72次則可以通過(guò)軟件系統(tǒng)形成對(duì)整個(gè)圓柱面在該取樣長(zhǎng)度上的三維形貌描繪。從而通過(guò)軟件計(jì)算出主要的螺旋角度等參數(shù)。圖4為某表面探針接觸式測(cè)量?jī)x測(cè)量零件表面三維形貌的參數(shù)結(jié)果，其中螺旋角(Dγ)的測(cè)量值為0°，證明零件表面螺旋紋理符合旋轉(zhuǎn)密封的質(zhì)量要求。

圖4 某接觸式表面螺旋紋測(cè)量結(jié)果

2.2 懸重?cái)[線法測(cè)量

由精密探針掃描表面三維形貌的檢測(cè)雖然精確，但測(cè)量耗時(shí)較長(zhǎng)且設(shè)備投資較大。為便于實(shí)現(xiàn)對(duì)量產(chǎn)零件的質(zhì)量監(jiān)控和成本控制，一種簡(jiǎn)易的測(cè)量方法在經(jīng)過(guò)大量測(cè)量分析后被提出。如北美橡膠制造業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)RMA OS-1-1中，旋轉(zhuǎn)密封表面的螺旋角測(cè)量可由懸重?cái)[線測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量(圖5)。

RMA OS-1-1標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，零件由帶旋轉(zhuǎn)功能的測(cè)量設(shè)備固定主零件并保持水平狀態(tài)，且設(shè)定需要滿足以下參數(shù)要求：

(1)軸面要求：推薦表面涂油以減小摩擦，并使得懸掛的棉線不得對(duì)旋轉(zhuǎn)中的軸面進(jìn)行掛卡或纏繞；

(2)懸重及擺線：采用30 g的懸重和長(zhǎng)度0.23 mm的棉線；

(3)轉(zhuǎn)速設(shè)定：順時(shí)針轉(zhuǎn)速為60 r/min。

通過(guò)測(cè)量擺線在整個(gè)旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)間內(nèi)所沿軸向行走的距離X，間接測(cè)量螺旋角的大小。其計(jì)算公式為

Φ= Arctan(Xt/πDN)

(1)

式中，Φ為螺旋角(Dγ，單位(°))；D為軸面直徑；X為棉線在軸向的行走距離；t為測(cè)量中的旋轉(zhuǎn)時(shí)間；N為旋轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)的圈數(shù)，若轉(zhuǎn)速為60 r/min則1 min時(shí)間內(nèi)的圈數(shù)為60圈。

圖5 懸重?cái)[線法測(cè)量模型

3 實(shí)用檢測(cè)及監(jiān)控

由于懸重?cái)[線測(cè)量法對(duì)設(shè)備的要求較低，僅需要1臺(tái)主體帶有帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)功能的測(cè)量?jī)x和懸重、棉線等輔材，方便設(shè)備制取和實(shí)現(xiàn)工藝質(zhì)量監(jiān)控。在零件的量產(chǎn)中得到廣泛使用，特別是對(duì)供應(yīng)鏈層級(jí)多、質(zhì)量管控復(fù)雜的零件，需要保證多方質(zhì)量監(jiān)控的有效性和一致性，懸重?cái)[線測(cè)量法具有較大的優(yōu)勢(shì)。為保證質(zhì)量監(jiān)控和檢測(cè)頻次，某工廠將螺旋角的測(cè)量寫(xiě)進(jìn)控制計(jì)劃中。圖6為某工廠實(shí)際生產(chǎn)管控中，使用懸重?cái)[線法的測(cè)量案例。

需要指出的是，由于懸重?cái)[線測(cè)量法與精密表面掃描儀測(cè)量相比，在測(cè)量過(guò)程中人為的影響因素較大，容易造成較大的測(cè)量誤差。測(cè)量過(guò)程中需要注意一些細(xì)節(jié)及參數(shù)的設(shè)定，如設(shè)備水平調(diào)節(jié)，需要保證被測(cè)零件的旋轉(zhuǎn)表面的水平，而不僅僅是設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸的水平，表面水平可采用打表的方式，一般可保證水平在1∶4 000。另外，不同廠家可根據(jù)零件的大小直徑等不同設(shè)定內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整懸重砝碼的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度等，以更好地使測(cè)量過(guò)程平穩(wěn)并得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。為保證懸重?cái)[線間接測(cè)量法的有效性和精確性，可以在設(shè)備設(shè)定最初使用更高級(jí)精密的測(cè)量?jī)x，如三維形貌掃描儀方式，測(cè)定懸重?cái)[線測(cè)量系統(tǒng)的精確性，通過(guò)測(cè)量比對(duì)完成測(cè)量系統(tǒng)的有效性評(píng)價(jià)。為保證測(cè)量參數(shù)的一致性，工廠可制定懸重?cái)[線測(cè)量法的測(cè)量指導(dǎo)書(shū)，也保證了多處測(cè)量系統(tǒng)的一致性。

圖6 懸重?cái)[線法在工廠零件的測(cè)量

4 結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)軸圓柱表面的組織結(jié)構(gòu)是決定旋轉(zhuǎn)密封的重要因素，螺旋角的測(cè)量和質(zhì)量監(jiān)控在生產(chǎn)工程中不容忽視。本文詳細(xì)描述了當(dāng)今可用于檢測(cè)螺旋角的常用檢測(cè)方法原理和設(shè)備，并對(duì)量產(chǎn)零件生產(chǎn)工廠質(zhì)量監(jiān)控過(guò)程中的測(cè)量方法進(jìn)行了介紹，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。