提升零部件制造質量監控手段的應用

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司）

自上世紀90年代起，隨著人們質量意識的不斷加強,以及消費者對產品品質要求的日益提高，企業生產時已不能再僅停留在采用更多的先進制造技術上了。與此同時，還必須認識到推行或強化一些新的質量監控方法的重要性和必要性。事實上，那些大家不太熟悉或者多年以來一直未能引起企業相關部門重視的、主要涉及某些材質或零部件性能的指標，往往會對零部件的功能乃至整個產品的品質產生很大的影響。文章以汽車發動機中的機加工零部件為例，剖析了殘余磁性、清潔度和磨削燒傷等3類有代表性的質量隱患的產生原因，以及對零部件乃至整個汽車產品品質產生的嚴重影響，進而提出了相應的應對措施[1]。事實證明，企業只有在不斷完善所執行的生產工藝，全方位地關注零部件的制造質量，并實施有針對性的檢測方法，才能通過提升零部件的制造質量，為生產出高品質的產品提供可靠的保證。

1 殘磁的危害、成因及檢測

發動機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、尺寸符合公差的規定外，往往對其材質及其他一些物理性能指標也有明確的要求，例如對零件自身帶有的殘余磁性就有明確要求。事實上，零件一旦帶有的磁性過高，不但對那些高靈敏度的電器和電子元件會造成干擾，影響其正常運行，而且還有可能吸附住細小的金屬屑。對于那些配合要求高的部位（如軸承滾道、軸頸、軸瓦等）還會影響其油膜的形成，造成額外的摩擦、磨損，甚至造成零件配合面的拉毛，帶來不可忽視的質量隱患。也正因為如此，為了保證產品質量，必須對一些關鍵零件進行殘磁檢測，連桿就是其中具有代表性的一類。

目前國內外普遍采用的連桿生產工藝，可能會存在較高的磁性，造成一些不良后果。例如：成品下線時，若在其漲斷口處存在較大的磁性，細小的金屬顆粒或者切屑就會吸附在上面，當再次通過連桿螺栓將兩者擰緊時就會無法完全閉合，難以保證連接的可靠性。另外，有著配合關系的連桿大小頭孔表面，一旦粘有金屬細屑，也會直接影響到裝配質量，如圖1所示。當發動機處于高速運轉狀態時，連桿作為核心回轉部件，其允許的配合偏差往往會影響整個發動機的正常運行，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過磁粉探傷，此時被磁化而帶有磁性。2）零件在機加工過程中產生的。利用磨床、車床等加工時，一般都需使用冷卻液，而加工中又會產生大量熱量，這就或多或少地會促使工件內部組織結構發生轉變，導致部分不穩定的組織（如奧氏體）轉變成某種帶有磁性的體心立方的馬氏體，使整個零件出現磁性。而生產線節拍的提升所引起的局部過熱，又進一步增大了產生磁性的風險。3）由于設備的夾具、刀具以及連桿的基體材料都是鐵磁質，它們之間互相磁化，使設備夾具和刀具都會帶有較高磁性，使后續加工的零件也被磁化而產生一定的磁性。實際上，在對設備中的夾具進行實測后也證實了這點。由此可知，在目前的生產工藝條件下，某些重要零件帶有磁性往往是很難避免的。

檢驗工件是否帶有磁性，是通過測試其磁場強弱實現的，而磁感應強度和磁場強度是2個用于表征的物理量。國內企業較多采用磁感應強度作為監控的物理量，目前主要應用于軸承等通用件的殘磁檢測。而在以德國大眾為代表的一些歐美主流汽車企業選用的則是磁場強度。它們雖是不同的物理量，但由于兩者都用于表示同一物質——磁場量值的特征參數，它們之間可以通過一定的公式進行換算[2]。當然，以2種物理量為評價指標的測試設備也有所不同。如上所述，國內常用的測試設備有高斯計和特斯拉計，特斯拉計，如圖2a所示。測量磁場強度時，一種方法是：可以首先測試磁感應強度，然后再根據材料磁導率將其換算成磁場強度；另一種方法是：直接測試磁場強度，磁場強度計，如圖2b所示。

當確定了檢測方式和選定了設備后，首先應該確定合理的測試位置，選擇那些會嚴重影響產品性能的部位。以連桿為例，鑒于其漲斷面及大小頭孔處的殘磁一旦超差，就會帶來很大的質量隱患。由于磁通量的分布是立體的，故在磁性測試過程中，稍稍挪動位置，由于穿過設備感應頭的磁通量的改變，使顯示的讀數也會有所變化。為了控制零件磁性，通常需要監控的是磁性的最大值，一般是在測試位置處，稍作移動，取讀數最大值（即磁性的最大值），以此作為評價時的依據。連桿磁性檢測位置示意圖，如圖3所示。圖3中標注的1～6處是殘磁較大的位置，故測點按圖3所示選定。

2 控制產品清潔度的重要性、方法與復雜性

清潔度對產品品質有很大的影響，以發動機出現的異響缺陷為例，經拆卸、解析，發現由于細小的鋁屑顆粒混雜在液壓挺柱配合面之間，如圖4a所示，使運動受卡造成了因搖臂無法充分抬起，其上的滾輪與凸輪間出現的間隙引起了凸輪軸轉動時不時發出如敲擊般的異響。另一例分析結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“歷史悠久”的質量指標，隨著企業的質量理念、質量意識的轉變，尤其是進入21世紀后，隨著社會對生態、環境保護意識的不斷加強和對機動車安全性、環保、節能等要求的日趨嚴苛，清潔度這項與產品質量和性能密切相關的指標受到了越來越多的關注。清潔度測試的評定指標仍主要以殘余物質量為主。近年，隨著一系列國內外標準的貫徹、推行，對零部件清潔度技術要求也提高了。評定指標除殘留物質量外，還增加了最大顆粒尺寸（指顆粒的最大線性長度），評價對象是金屬或非金屬。某些國外的主流汽車集團，把對顆粒度的統計分析也列為發動機零部件清潔度的一項技術指標。清潔度測試主要包括工件表面殘留污染物、雜質的萃取、制樣，以及對它們進行分析、評定。為了適應近年來對發動機零部件清潔度技術要求的不斷提升，必須不斷地提高對檢出殘留物的分析、評定的能力，主要體現在國內汽車制造業中高性能顆粒度分析儀器應用的日趨普及[3]。現今的顆粒度測試儀已成為一個相當完善的清潔度自動分析系統，通過配置的自動載物臺、明/暗場觀測光學系統、PC機以及相應的功能軟件，其自動化程度較高，并具有很好的重復性、再現性。另外，還可以按不同企業的需求，根據國內外清潔度標準預先進行選擇和設置，利用一切的可編輯性進行有針對性的分析和評定。圖5示出儀器系統對萃取試樣的分析。圖5反映了儀器系統對萃取試樣的分析過程，利用顆粒對光反射的不同，即可確認視野中的白色顆粒是金屬（顆粒），而數量更多的黑色顆粒乃是非金屬。在此基礎上再對它們進行最大顆粒尺寸和相應的數量統計分析。此外，通過對試樣整體區域的圖像拼接，還能自動生成按某個標準要求而做的分析報告。

盡管所有較重要的、有清潔度指標要求的生產線都設置了清洗工位，并且清洗機的功能、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、即有沒有把它“洗干凈”那么簡單，它是整個工藝過程的綜合反映。在很多情況下，在技術改進措施實施的同時，還必須考慮到經濟性及制造成本，這往往會與提升清潔度水平的愿望相悖。以曲軸為例，經清潔度試驗后發現，工件產生的雜質、殘渣主要來自3處：1）非加工面的毛坯面；2）油孔；3）軸頸等加工面。而其中經歷的環節和影響因素眾多，單就毛坯而言，在曲軸毛坯中鑄件多于鍛件，尤其對中小排量發動機，在國內采用以“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量明顯要好于前者，但因“一次性”的殼型工藝成本高，故企業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，但會增加制造成本。實踐表明，雖然在生產線中設置了清洗工位，但毛坯的制造工藝和工件表面質量對曲軸的最終清潔度仍有較大影響。國外一些知名汽車廠商已為關鍵工件的毛坯設定了清潔度控制值，如曲軸毛坯為50 mg（殘留物的質量），但在國內推行時會遇到困難。由此可清楚地看到控制產品清潔度的重要性和復雜性。

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生在其表面的一種隱性缺陷，是因工藝處置失當導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。由此而產生的殘余應力和硬度的變化將會影響零件的使用性能，若表面的殘余應力呈現為拉應力的態勢，且幅值又較大，就埋下了質量隱患。磨削燒傷大多數發生于旋轉類零件，如轉向節、傳動軸閥桿、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境下工作，對工件的表面質量有很高的要求。以凸輪軸為例，其工作（凸輪）表面硬度的下降會直接影響凸輪軸的使用性能，而經磨削后的工件表層存在較大的殘余（拉）應力，雖然在它的幅值小于材料的強度極限時并不會使表面開裂，但形成的磨削裂紋在交變載荷作用下很容易擴展，從表面的少數細紋擴展為網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，將直接危及運行中的發動機[4]。

3.2 磁彈法

傳統的磨削燒傷檢查方法，如目測法、酸蝕法等均有很大的局限性，且難以對磨削燒傷程度做出定量的說明，現今大多數企業并未將該項參數列入監控范圍，因此在物理學Barkhansen效應的基礎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方法，并據此開發出相應的儀器，有效地對磨削燒傷進行測試。

磨削燒傷主要是因為工作表面金相組織結構變化而引起的，產生的回火層會引起硬度的下降，并在表面出現殘余（力）應力，如圖6所示。檢測儀器對它們都有敏感的反映。圖6a中的橫坐標表示硬度值，而縱坐標表示輸出的信號幅值。隨著被檢工件表面硬度值由高向低的變化，檢測儀器輸出的相應信號幅值將由小到大，即硬度低對應的檢測信號高，硬度高對應的檢測信號低。儀器對表面殘余應力的反應，如圖6b所示，可見當殘余應力由小到大，即由負（壓應力）向正（拉應力）變化時，檢測儀器輸出的相應信號的幅值將由低向高變化。

上述由儀器產生的檢測信號，是磁彈法效應的一種量化表達，它與被測工件表面的變異狀態，如殘余應力成比例，其數值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。這種方式雖然屬于比較測量的性質，但只要解決了“定標”就能實現準確的定量描述。圖7示出儀器輸出的一個典型報告，圖7中的曲線清晰地反映了實測結果。

3.3 磨削燒傷檢測及預防措施

目前，以磁彈法為基礎研制的新型磨削燒傷檢測儀器已產品化，并成功地應用在汽車行業內。針對不同被測工件的特征和用戶的需要，這類新型檢測儀器可設計、制造成不同的樣式，如有逐點測量的靜態方式，也有連續動態測量方式。對于凸輪這樣的承重件，由于凸輪圓周曲率半徑不同的特點，一般采取后者。零部件廠還可以采用較簡單的手持式儀器，其經濟性更好。在檢測了工件磨削表面的金相組織變化以及初步了解了現今企業所采用的生產工藝后發現：表面殘余應力呈現為拉應力隱患的原因主要還是因冷卻不當造成的。眾所周知，磨削過程中的冷卻有3種形式：1）風冷，即采用干磨時的自然冷卻；2）水基冷卻液；3）油基冷卻液。當采取第1和第3種冷卻方式時，工件表面將呈現為壓應力，此時可能存在硬度下降的風險。長期以來，由于水基的冷卻效果明顯地優于油基，環保處理也簡單，使用成本要比油基低得多，因此應用十分普遍[1]。但也隱含著另一種風險，即鑒于采用水基磨削液后的冷卻速度快，表面產生的二次淬火馬氏體會增多，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生殘余拉應力的傾向。當形成的拉應力一旦超過了材料的強度極限，表面就會出現裂紋。

隨著越來越多企業在凸輪軸、曲軸等零件的加工中采用CBN磨削技術，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度，切削鋒利且耐磨，因而具備了優化各種磨削參數的條件。另外，從21世紀起，部分主流發動機企業在進行軸類零件的磨削加工時已采用了由油基冷卻液逐漸取代水基冷卻液的方法，還有些企業采用干磨工藝。綜上，只要不斷完善、改進加工工藝，就可降低工件表面磨削燒傷而產生的風險。