超聲波技術在發(fā)動機再制造中的研究與應用★

王連宏， 李 崢， 李曉霞， 張雪冬， 王 剛

（山西柴油機工業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037036）

0 引言

發(fā)動機再制造時，需要對零件表面的硬度和強度進行測量，評估其零件的使用壽命，如曲軸、連桿、凸輪軸、氣缸套、活塞、齒輪等關鍵件，決策是否具有再制造的價值。傳統(tǒng)的硬度測試方法一般采用壓入法、回跳法及刻劃法，如洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、布氏硬度（HB）、維氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、里氏硬度（HL）、莫氏硬度等，這種方法測量后在表面上存在壓痕、計算繁瑣、效率低、測量結果重復性差、不能用于較大件、較薄件及成品件的測量，且測量成本高、測量技術對操作人員的技能要求較高；制造新品過程的強度檢測一般采用樣塊或解剖的方法，對于再制造零件無法經(jīng)濟、快速、全面的完成。因此，制造新品采用的方法很難適用于已經(jīng)成品的發(fā)動機零部件再制造和對測量速度有較高要求的生產(chǎn)場合[1]。本文通過運用超聲波技術，針對發(fā)動機再制造零件的表面硬度和強度進行測量，通過計算機處理，即可讀出根據(jù)頻率變化轉換得到的實際硬度值，實現(xiàn)了對再制造零件表面硬度在現(xiàn)場的無損快速檢測，滿足了發(fā)動機的再制造要求。

1 無損檢測技術來源與優(yōu)勢

傳統(tǒng)的測量方法由于其局限性，如需要較長時間的加載且在試件上留有較大壓痕，已經(jīng)不能勝任現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展對硬度和強度檢測提出的快速、無損、在線的新要求[2]。美國學者C.Kleesattel 博士通過多年研究，于20 世紀60 年代初建立了以“接觸柔順性”來定義硬度的概念，并從此定義出發(fā)，提出了超聲接觸阻抗（UCI）硬度測量方法[3-4]。隨著科學技術的發(fā)展，近幾年利用超聲技術實現(xiàn)硬度和強度的無損、快速檢測均得到了大量的應用。這種超聲實施因施加載荷小、時間短，與傳統(tǒng)測量方法比較具有不損傷零件表面、測量快速，可以實現(xiàn)再制造零件的HV、HB、HRA、HRB、HRC、HSD 的硬度與強度測量，在生產(chǎn)現(xiàn)場具有很高的適用性。

2 發(fā)動機再制造的檢測需求分析

2.1 測量后的表面不能出現(xiàn)痕跡

發(fā)動機再制造時，所有零部件均為成品狀態(tài)，特別是發(fā)動機的曲軸、連桿等關鍵件對表面質量要求很高，再制造過程不得出現(xiàn)任何的表面質量缺陷。而傳統(tǒng)的硬度測量方法，易于造成零件表面產(chǎn)生壓痕導致零件報廢。

2.2 大型、重型零件快捷高效測量

曲軸是發(fā)動機較大較重且關鍵的零件，其硬度高低和強度大小非常關鍵，一般的硬度測量儀無法滿足現(xiàn)場零件再制造時的快捷高效測量，且無法實現(xiàn)強度的分析與評估。

2.3 現(xiàn)場100%全檢的測量

發(fā)動機的再制造零件的硬度或強度要求在現(xiàn)場100%檢驗, 以評估和驗證再制造零件的使用壽命,保證再制造發(fā)動機的質量和可靠性。傳統(tǒng)的測量方法無法滿足發(fā)動機再制造零件的現(xiàn)場快速全檢需求。

3 超聲波技術應用與驗證

超聲波硬度測量技術是利用一定長度的超聲波傳感器桿的諧振頻率（其高于超聲波的振動頻率2×104Hz）隨桿的自由端被固緊的程度（即壓頭與試件表面接觸面積的變化）而變化的特性，通過比較計量的方法來測定試件的硬度[4]。通過利用超聲技術對再制造發(fā)動機的曲軸、連桿、凸輪軸、齒輪、進/排氣門、活塞銷、高強螺栓等殼體類、軸類、盤類等100 余種零部件進行了硬度和強度檢測，取得了滿意的效果。

3.1 薄壁零件的硬度檢測

采用臺式硬度計測量薄壁零件的硬度時，壓痕面積大；不同材料需要更換不同直徑的壓頭，且需要改變試驗力；特別是對于薄空腔及薄壁零件的硬度測量，容易產(chǎn)生彎曲、塌陷變形，造成較大的測量誤差，甚至造成零件報廢。發(fā)動機中薄空腔及薄壁零件較多，如氣缸墊、飛輪殼等，其硬度不僅要求范圍較大，且要求不同的硬度。實踐證明，應用超聲硬度計，在某型號發(fā)動機再制造的氣缸墊、飛輪殼、氣門推桿、氣門座、活塞環(huán)等得到了應用，實現(xiàn)了各種薄空腔及薄壁零件不同硬度的精確測量。

3.2 外形較大零件的硬度和強度檢測

曲軸箱、曲軸等均屬于發(fā)動機的較大形零件，在生產(chǎn)制造過程中均采用試樣法間接測量并驗證，而發(fā)動機再制造的零件屬于成品，無法再取其試樣，且零件外形尺寸較大無法放在臺式硬度計上測量。應用超聲波技術，不僅解決了大型成品零件的硬度測量，而且還同步實現(xiàn)了強度的測量和評估。

3.3 精密零件的硬度檢測

三大精密偶件和活塞銷等，均屬于發(fā)動機的精密零件，這些零件的有效價值較高，再制造意義非常重要。而采用一般的壓入法測量該種零件的硬度，容易在原有表面出現(xiàn)壓痕，破壞高精度的表面完整性，造成零件報廢。應用超聲波技術測量精密零件時，不僅壓痕幾乎為“零”，而且原來的配合精度不會破壞，零件的再利用率大幅提升。

3.4 大長徑比零件的硬度檢測

凸輪軸等軸類零件屬于發(fā)動機大長徑比非圓性關鍵件，用臺式硬度計測軸頸硬度時易撅起，即使采用支架夾具，測量誤差也比較大。應用超聲硬度計可直接在凸輪頂部、軸頸任何部位進行測量，且測量的硬度值誤差較小。結果表明，凸輪軸檢測速度和生產(chǎn)效率不僅大大提高，而且未對零件表面造成破壞，極大地降低了再制造成本。同時現(xiàn)場使用的適宜性高，可實現(xiàn)硬度的100%檢測，有利于提升再制造發(fā)動機可靠性。凸輪軸無損測量見圖1。

圖1 凸輪表面硬度測量

3.5 較小直徑的桿類零件硬度檢測

高強度螺栓、氣門、撥叉軸、搖臂軸等屬于發(fā)動機再制造的重要零件，再制造率100%。由于此種零件的桿部直徑較小，采用臺式硬度計測量時，不僅使其表面產(chǎn)生壓痕，而且需要按相關標準對硬度值進行修正，測試結果分散度較大。應用超聲檢測技術是實現(xiàn)較小直徑的桿類零件硬度檢測最有效方法之一。

3.6 帶有弧面的復雜零件的硬度檢測

氣門搖臂和氣門推桿的頭部圓柱面等，均屬于發(fā)動機再制造帶有弧面的復雜零件。采用傳統(tǒng)的壓入法測量前需要將圓弧面打磨平整，導致零件報廢。實踐證明采用超聲波技術測量弧面硬度不僅方便、快捷，而且在保證零件完好的情況下，可實現(xiàn)現(xiàn)場100%測量。

4 影響超聲測量精度的因素分析

通過對某型號發(fā)動機再制造，發(fā)現(xiàn)影響超聲測量精度的因素主要有被測零件表面粗糙度、探頭與被測零件之間的傾角、探測頭力值以及被測零件的尺寸因素等。

4.1 被測零件表面粗糙度的影響

將氣門桿部分別加工成表面粗糙度Ra 為0.4 μm、0.8 μm、2.0 μm 和3.2 μm四組零件，測量結果見表1。當零件表面粗糙度Ra＞2.0 μm 時，多次硬度測量結果的重復性偏差較大。數(shù)據(jù)分析表明：零件表面質量越低，對超聲振桿壓頭的受阻就越大，諧振頻率就越高，導致硬度測量誤差相對增加。

表1 表面粗糙度對測量值的影響

4.2 測量頭與被測零件之間傾角的影響

超聲波硬度計的測量機理是利用帶有超聲傳感器桿的探頭與被測零件表面接觸時，其諧振頻率隨零件硬度改變的特性得出實際硬度的測量值，諧振頻率的敏感性與探頭擺放位置的正確性有很大關系。如果探頭與被測零件之間產(chǎn)生一定角度，造成測量誤差增大。壓頭軸線傾角與硬度示值偏差的關系見圖2。由圖2 可知，測量頭與被測零件之間傾角＜3°時，偏差較小。

圖2 壓頭軸線傾角與硬度示值偏差的關系

4.3 測量頭力值大小的影響

針對HRC45 的標準件進行硬度測量試驗，采用不同的測量頭力值檢測零件表面硬度，測量結果見表2。由表2 數(shù)據(jù)分析可知，測量頭力值越大，其硬度測量誤差就越大。實踐所得，手握測量頭接觸到被檢零件表面即可。

表2 力值對測量結果的影響

4.4 被測零件的尺寸因素

對于質量較小和厚度較薄的零件，測量時因產(chǎn)生振動而導致測量精度不準確。根據(jù)實際檢測分析，因振動引起的硬度（HRC）測量誤差最大可達10。

5 提高測量精度的措施

1）測量前對再制造零件的表面進行拋光處理，表面必須干凈，沒有油、油脂以及灰塵。盡量使零件表面粗糙度Ra＜1.6 μm，且保證零件表面各處組織具有一定的均勻性，否則通過多點、多次測量取其平均值。

2）在直接測量零件時，要可靠且平穩(wěn)地握住探頭，將探頭接觸到零件表面上并保持與零件表面之間＜3°，不要晃動，然后用10 N 的力把探頭壓到零件表面上，時間長短以顯示出穩(wěn)定的硬度讀數(shù)值為準。

3）測量前應采用標準塊對硬度計進行校準，對于所測的數(shù)值精度和重復性精度超過規(guī)定范圍時，應重新進行標定。

4）對于質量≥1 kg、厚度≥3 mm 的零件可直接測量；對于質量＜1 kg、厚度＜3 mm 的零件時，應將零件放置在固定的平臺或底座上，以避免共振或者共振震蕩，降低測量精度。

5）對于直徑≥5 mm 的盲孔或凹槽等狹小空間時可直接測量；對于直徑＜5 mm 的狹窄或較深凹槽時，測量前應取下硬度計探頭的保護帽，且測量時請勿快速向下按探頭，以避免測量精度出現(xiàn)誤差和損壞硬度計的金剛石壓頭等。

6 結語

本文通過開展超聲波技術在發(fā)動機再制造中的研究與應用，不僅實現(xiàn)了再制造零件硬度和強度在現(xiàn)場的大批量100%檢驗，而且提高了再制造零件的檢測質量和效率，為提升再制造發(fā)動機的可靠性奠定了堅實基礎。