基于回轉密封表面微觀構造缺陷所導致的功能失效及其監控

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司）

基于回轉密封表面微觀構造缺陷所導致的功能失效及其監控

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司）

回轉軸密封面的微觀構造缺陷會引起動力總成類產品內腔的工作介質外泄，從而因功能失效造成嚴重的質量問題。從回轉密封表面微觀結構的形貌特征出發，對工作介質外泄成因做了說明，描述了利用表面輪廓儀、懸線法及白光測量等3種檢測方案用于評定回轉密封面螺線狀態的測量方法。

1 回轉工作表面的微觀構造及密封可靠性概述

統計表明，一輛乘用車平均有80個回轉密封部位，這些配合部位在車輛運行中的任何時刻都有可能發生介質泄漏而造成功能失效。當安裝在回轉軸上由彈性材料制成的密封體圓弧形密封唇貼緊軸表面時（圖1），其密封效果在很大程度上取決于回轉軸表面的構造形狀。以一新安裝的密封功能元件為例，一旦動力軸開始運行，即會引起與回轉軸表面接觸的圓弧形密封唇磨損。若表面太粗糙，密封唇會很快磨損導致泄漏，反之若過于光滑則會因為密封件無法正確嵌入工作面引起功能失效。在理想狀態下，回轉軸表面的組織構造應處于這樣一種狀態:允許密封唇存在些許磨損，讓十分微量的液體介質進入配合部位。事實上，唇形密封件與軸之間的回轉運動在一相當于介質薄膜的液層上進行，而典型的液膜厚度數量級為0.25μm。固定在缸體一側的后密封套與曲軸右端法蘭之間的配合即是一個典型案例，當發動機高速運轉時，兩者之間的配合必須能夠有效形成密封，使腔體內的機油不會滲出。

為了確保配合部件密封功能的可靠性，另一個不可或缺的要素是回轉軸表面紋理構造中的螺旋線結構。在生產過程中設置了利用壓降法或流量法對總成油腔進行的密封性檢驗，盡管所利用的介質——空氣的粘性系數遠遠小于發動機中的工作介質（水、機油或汽油），然而該種方法是一種靜態測試，與發動機高速運轉時的狀態有差異，故回轉密封面上一旦存在螺線紋理結構時易出現機油微量外泄的情況。圖2為產品中一個被疏漏的檢測項目（圖中橢圓圈所示），橢圓圈內的drallfrei表示螺旋線，這樣標注就是告知需進行檢測或確認其存在。

為便于企業實施、掌握對回轉軸密封表面微觀構造的檢測與評定，國際標準化組織（ISO）和北美橡膠制造業協會（RMA）在2004年和2009年先后推出了相應標準,其中，涉及監控參數的評定值表述見表1。從表1中可見，兩者在指標上稍有差別，ISO標準完全不允許存在螺旋線結構，圖2產品中一個被疏漏的檢測項目即螺旋角C=0，然而試驗表明，C≤0.03°時造成的影響可忽略不計。

表1 國際標準推薦的回轉密封表面微觀構造參數評定值

2 螺旋線紋理結構的形成原因

曲軸法蘭類似于軸頭和（主連桿）軸頸，需經過粗加工—車削、精加工—磨削和超精加工—砂帶拋光等3道工序。在造成圓柱形密封面上螺旋紋理結構的諸多原因中，主要有切削刀具和工件在加工中安裝位置的偏差和在磨削工序階段存在的一些問題引起，如下述。

a.砂輪修整不當

利用金剛（石）筆對砂輪修整時所形成的軌跡是螺旋線，在正常情況下經過修整的砂輪工作面很平順，由此加工出來的工件外圓面不會形成帶方向性的螺線紋理。但在執行砂輪修整過程中，金剛筆平移期間，偶爾在運行軌跡中出現一次波動，會造成修磨不均勻，即會在修整后的砂輪上留下一個螺旋形軌跡。此時的砂輪加工零件時就有可能在磨削后的外圓表面引起螺線紋理機構，見圖3a，直至下一次砂輪修磨過程恢復正常。

b.機床安裝調整不當

磨削通過砂輪和工件的相對運動完成，而工件中心線的位置由磨床上裝夾工件的夾持機構決定。當由于安裝、調整問題出現工件中心線與砂輪軸線不平行的情況時，即出現了如圖3b所示的異面直線狀，工件外圓面上也將會出現螺旋線紋理。

3 螺旋線的微觀構造及其精確測量

利用高精度粗糙度測量儀（既表面輪廓儀）可以對工件的回轉密封面進行全覆蓋的微觀形貌檢測，以驗證螺旋線紋理的存在。實施該項任務的前提是必須配備一個精密伺服轉臺，以能提供精確的轉角進給?；剞D面微觀形貌的精確測量如圖4所示，測頭沿軸向做直線運動，測量長度和采樣密度都事先設定，當完成一次檢測后，轉臺會帶動工件轉過一個角度，而返回原位的測頭又開始下一次測量。一般情況下，選用的采樣密度為1/0.01mm。即每10μm采集1點，若回轉面長（寬）度為20mm，意味著將采集2 000點；轉臺的回轉間隔即進給量取5，為了確保全覆蓋，需進給73次，即在整個回轉面上做73次檢測，以獲得微觀形貌的全部信息。對于像曲軸這類長度比較大的軸類零件，除了可以采用圖4的臥式方法（此時還需加一個尾架支承），也可以選用以圓度儀為主體的立式方法。此時其原有功能改變了，已不再用于測圓度，而是與圖4一樣，執行對回轉面形貌的檢測，即測頭只是在軸向完成精密測量。

通過對大量具有螺旋線紋理特征表面的實例分析，歸納并建立了最能反映這種微觀結構形貌特征的參數，并研制了專用軟件，既能對回轉面形貌的測量結果進行甄別，又可對確認存在具有這種微觀構造的程度予以評價。

圖5以三維形貌顯示了對某一回轉面的檢測結果,但圖5中反映的只是從被測回轉面截取下來的一小塊，其水平方向代表工件圓柱面的軸向，垂直方向代表回轉面沿圓周方向展開后的情況。高低起伏的程度，既能從形狀予以定性判別，又可從色澤進行定量估計。圖6是回轉面螺旋線紋理結構的特征參數示意圖，其中，特征參數a為波長，a1是第一波的波長，a2為第二波的波長；b為螺旋線的導程；c為螺旋角；d為螺旋紋理結構的深度；e表示微觀構造法向截面中的凹谷，相當于螺旋輸送機構。

4 懸錘/線偏移法

上一節所介紹的測量方法雖然很精確，依據螺旋線構造特征進行的評定也很規范，但完成一次回轉密封面的檢測需要耗去1～2 h，且還得配備相應的各種手段，在大批量生產時有很大的局限性。在大量實踐和試驗基礎上，一種既簡單又易于操作被稱為懸錘/線偏移法（簡稱懸線法）的方法被提出，這一方法在由北美橡膠制造業協會推出的標準RMA OS-1-1rev.2004中有具體描述。一些主流汽車企業則從自身企業和產品的實際情況出發，專門為此編制了相關標準。懸錘、懸線如圖7所示。

以下的操作要點來自某汽車企業的內部標準:

a.懸錘可以采用砝碼，其質量應為100 g；

b.懸掛懸錘的線應是棉紗線，其粗細為40支；

c.帶重錘懸掛線的工作狀態見圖7，由此可確定懸線長度；

d.為確保試驗結果的正確性，棉紗線只能一次性使用；

e.用于測試的工件必須經過清洗。

在利用懸線法對曲軸法蘭進行回轉密封面螺旋線紋理構造檢測時，除了前面已提到的要求外，對于半自動試驗裝置的主機也有2項要求:驅動工件回轉的電機轉速需要調到60 r/min；儀器需在開始測試前調平，可以采取簡單的打表法，使被檢密封面母線的水平保持在1:4 000。在工件正轉、反轉各1次，每次持續1min期間，掛在回轉密封面上的懸錘系統棉線均不得產生超過7mm的左、右偏移。為便于辨別，可在試驗前先在懸線兩側劃上兩道較明顯的印記作為判斷界限。而相關裝置既可放在測量室對定時送檢工件進行測量，也可置于現場執行較高頻次的抽檢。該方法也有一些不足，最主要的2點為:當回轉密封表面呈錐形和球形時無法檢測；該方法本質上完成的只是一種定性判別，不可能獲得與螺旋線紋理結構相關的一些參數數值，如螺旋角、高（深）度等。

5 利用光學干涉測量原理的快速檢測

用光學干涉方法進行表面粗糙度測量在技術上已比較成熟。運用同樣原理也可對回轉軸密封面的螺旋線微觀結構做檢測，只是實施時所取的對象為回轉面的母線。專門研制的儀器是手持式的，十分適宜用于車間現場的在線、快速測量。該儀器因帶有特殊設計的光學濾波器，在最后獲得的檢測結果中，與表面粗糙度相關的那部分信號已被分離、過濾掉了，僅針對螺旋線微觀結構有規律的、周期性性狀作出反映。而為了便于生產企業一線操作人員使用，儀器制造廠商采取了依據不同表面狀態會形成相應的條紋式光斑這一原理，既可直觀、清晰地做出判斷，又能在儀器已經定標的情況下，根據顯示條紋的數量、間距對被測面螺旋線微觀結構一些主要參數的數值，如螺旋角、高（深）度等做定量估算。利用上述儀器對處于2種不同被測表面情況下的工件測得結果顯示，左邊的光斑呈單一條紋狀，表明此時被測的回轉軸密封面上不存在螺旋線微觀紋理結構，而右邊的多條紋光斑則意味著被測表面有不允許出現的螺旋線構造存在。

6 結束語

回轉軸密封面上的螺旋線紋理結構作為一種特殊的表面形貌構造，其特征并未在通常的粗糙度測量結果中反映出來。因此，按圖紙要求和工藝規定加工出來的回轉密封面，雖然其圓度等形位公差和表面粗糙度可能合格，但由于呈現明顯的、且較為嚴重的螺旋線紋理結構，存在導致動力總成類產品嚴重質量問題的風險。現在，認識到螺旋線構造這個細節是造成隱患的根源，是產品技術和制造技術上的一個很大進步。

1 SO 6194-1:2009（E）Rotary Shaft Lip-Type Seals Incorporating Elastomeric Sealing Elements.

2朱正德標準體系的完善提升了汽車零部件的粗糙度檢測水平，汽車標準化，2009，5.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年8月1日。

Functional Failure Caused by Micro-texture Defect on Rotary Sealing Surface and Monitoring

Zhu Zhengde
（Shanghai Volkswagen Powertrain Co.,Ltd）

The micro-texture defect on rotary sealing surface will lead to leak of working media from inner cavity of powertrain,causing serious quality problem as a result of function failure.This paper firstly introduces morphological features of micro-texture of the rotary sealing surface,explains the cause of working media leakage,describes the measurement method which uses three inspection methods,i.e.surface profiler,string method,white light measurement to evaluate spiral state of the rotary sealing surface.

Rotary sealing surface,Surface profile measurement,String method,White light interferometry,Evaluation standard

回轉密封面表面輪廓測量懸線偏移法白光干涉測量評定標準

U462.3

A

1000-3703（2014）09-0031-03