1 前言
曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零件之一, 其性能的好壞直接影響汽車(chē)質(zhì)量和壽命。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中承擔(dān)最大負(fù)荷和全部功率, 承受著強(qiáng)大的方向不斷變化的彎矩及扭矩, 也承受著高速旋轉(zhuǎn)中長(zhǎng)時(shí)間的磨損。因此, 不但要求曲軸材質(zhì)具有較好的剛性、疲勞強(qiáng)度和良好的耐磨性能, 而且要求曲軸加工后其表面不允許有任何鑄造缺陷。
我廠(chǎng)從2006 年開(kāi)始為一汽一大眾公司E A113發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)家供應(yīng)曲軸毛坯, 完全實(shí)現(xiàn)曲軸國(guó)產(chǎn)化, 其曲軸毛坯質(zhì)量和性能要求非常高, 抗拉強(qiáng)度
7 00 MPa, 伸長(zhǎng)率
3%, 硬度HB250 以上。淬火硬度HRC為55 以上, 曲軸表面粗糙度為Ra6.3 一R a3.2, 曲軸尺寸精度為CT5一CT6 級(jí)。另外, 曲軸加工后其表面質(zhì)量要求很高, 不允許有任何用肉眼能看見(jiàn)的缺陷。在供貨的初期, 曲軸的內(nèi)外廢品率都非常高, 特別是曲軸在一汽一大眾公司加工時(shí)連續(xù)出現(xiàn)淬火裂紋、內(nèi)部縮孔縮松、一連桿石墨析出和軸頸表面渣氣孔等質(zhì)量問(wèn)題。幾年來(lái), 我們針對(duì)曲軸的加工質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了研究和攻關(guān), 并取得較好的效果, 到2010年, 曲軸的內(nèi)廢率控制在1.0% 左右, 外廢率控制在.0 3% 左右, 曲軸的綜合廢品率控制在1.50% 以下。
2 曲軸加工質(zhì)量問(wèn)題的研究攻關(guān)
2.1 曲軸淬火裂紋問(wèn)題
曲軸材質(zhì)因是球墨鑄鐵、組織不均、導(dǎo)電性差, 因此, 曲軸軸徑淬火時(shí)易出現(xiàn)裂紋。曲軸在汽車(chē)行駛過(guò)程中主要承受復(fù)雜的彎曲扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷, 那么曲軸軸徑淬火裂紋易擴(kuò)展, 最后可能會(huì)導(dǎo)致斷裂。EA113 發(fā)動(dòng)機(jī)的R06A 曲軸在供貨初期, 曲軸淬火時(shí)連桿軸徑油道孔邊緣產(chǎn)生裂紋, 嚴(yán)重時(shí)裂紋廢品率在40 % 以上, 一汽一大眾公司對(duì)曲軸的淬火裂紋的檢查要求是, 只要有一件裂紋, 整批曲軸全部報(bào)廢。
2.1.1 曲軸淬火裂紋成因分析
(1)淬火裂紋缺陷特征
在連桿軸徑的油道孔邊緣處, 經(jīng)熒光磁粉探傷后才能發(fā)現(xiàn), 裂紋長(zhǎng)度大約在1 一5mm, 深度為0.5 一3mm, 對(duì)淬火裂紋缺陷進(jìn)行SEM 電子掃描( 能譜分析), 如圖2 所示。對(duì)裂紋件進(jìn)行球化率、珠光體、球徑、滲碳體及硬度分析, 結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 看出, 球化率、珠光體量偏低, 硬度偏低, 球徑偏大。
圖3 為曲軸裂紋區(qū)域金相組織情況: 從金相照片中看出, 該處球徑不規(guī)整、石墨球數(shù)少、球徑大、球化不良。對(duì)裂紋件進(jìn)行化學(xué)成分分析, 見(jiàn)表2。對(duì)進(jìn)口的德國(guó)( HBH ) 曲軸進(jìn)行分析, 結(jié)果見(jiàn)表3。
德國(guó)曲軸的球化率、珠光體、球徑、滲碳體及硬度都比較好。
2.1.2 曲軸淬火裂紋的原因及機(jī)理分析
(1)球化不良、球化等級(jí)低、球徑大、球數(shù)少。由于球化不良, 導(dǎo)致曲軸在淬火時(shí)淬火組織相變的應(yīng)力大于組織強(qiáng)度, 使裂紋產(chǎn)生。
(2) P、S 元素的影響, 當(dāng)鐵水中S 元素的含量較高時(shí), 一般在.0 02 % 以上對(duì)球化就有影響, 主要是S與球化劑中的Mg 起化學(xué)反應(yīng), 生成MgS 夾渣物, 破壞和干擾石墨球的生成等。
根據(jù)有關(guān)資料介紹, 磷在鑄鐵中主要以磷共晶的形態(tài)出現(xiàn), 一般磷量接近0.1% , 就會(huì)出現(xiàn)2% 左右的磷共晶, 鑄鐵熱節(jié)部位, 最容易產(chǎn)生磷共晶, 磷共晶的數(shù)量高達(dá)5% 以上。含磷量越高, 出現(xiàn)的磷共晶也越多。對(duì)鑄態(tài)球墨鑄鐵來(lái)說(shuō), 含磷量偏高, 其塑性和韌性急劇下降。
(3) 珠光體含量低、硬度低。由于鐵素體在奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)沒(méi)有珠光體快, 在淬到馬氏體時(shí), 組織中還有殘留部分鐵素體, 這種奧氏體與鐵素體的混合組織強(qiáng)度不夠, 易被拉裂。另外, 奧氏體不完全,使淬火后的馬氏體硬度不夠, 必須調(diào)高電壓、電流和延長(zhǎng)加熱時(shí)間及冷卻時(shí)間, 使淬火裂紋傾向加大。
2.1.3 解決技術(shù)措施
(1) 球化處理
①用低鎂球化劑( 5% 一6% M g )和中鎂球化劑( 6% 一7% M g ) 代替高鎂球化劑( 8% 一9% M g ), 保證球化反應(yīng)穩(wěn)定, 鐵水一次出完, 球化劑的加人量由高鎂時(shí)的1.2% 一1.4 % 提高到1.5 %一1.65 %。
②球化時(shí)鐵水量要準(zhǔn)確, 使用電子稱(chēng)定量鐵水。
③用石灰脫硫劑和鐵削代替珍珠巖覆蓋球化劑, 保證球化反應(yīng)穩(wěn)定。
④采用三次孕育處理工藝, 球化處理一次孕育, 倒包加二次孕育, 澆注時(shí)隨流瞬時(shí)孕育。
(2) 調(diào)整合金成分
合理調(diào)整曲軸合金成分(見(jiàn)表4 ), 提高C u 、M n 、C r 、Ni 含量, 取消Sn。
(3) 合理調(diào)整爐料
在生產(chǎn)初期, 爐料主要以生鐵為主, 配料見(jiàn)表5。
(4) 增加爐前爐后化學(xué)成分的檢測(cè)及控制
現(xiàn)規(guī)定, 爐前化學(xué)成分不符合工藝規(guī)定, 必須調(diào)整成分, 進(jìn)行復(fù)檢, 復(fù)檢合格后才能出爐澆注。爐后化學(xué)成分的檢測(cè)由原來(lái)的每爐檢一塊光譜樣改為每球化包檢一塊光譜樣。
(5) 加強(qiáng)曲軸爐后金相、硬度的檢驗(yàn)
每個(gè)球化包要做金相和硬度的檢測(cè)外, 清理時(shí)每爐曲軸還要做一個(gè)本體的金相和硬度檢測(cè), 加強(qiáng)金相和硬度的控制。
(6) 制定曲軸化學(xué)成分及金相、硬度內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)
表7 為內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)與曲軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)金相及硬度對(duì)比, 表8 為內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)與曲軸化學(xué)成分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。
2.2 曲軸內(nèi)部縮孔縮松
曲軸在大眾公司加工時(shí), 其軸頸內(nèi)部有縮孔或縮松( 見(jiàn)圖4、圖5 ), 嚴(yán)重時(shí)縮孔縮松廢品率達(dá)到20%, 按德國(guó)曲軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 內(nèi)部不允許有縮孔和縮松。
2 2.1 曲軸內(nèi)部縮孔縮松的成因分析
由于球墨鑄鐵形成縮孔和縮松的傾向都很大, 原因是和凝固時(shí)鑄件外形擴(kuò)大有關(guān), 球墨鑄鐵糊狀凝固特性比灰鑄鐵強(qiáng)烈, 在澆注后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi), 球墨鑄鐵是在一個(gè)強(qiáng)度低的塑性薄殼內(nèi)進(jìn)行凝固的。凝固時(shí), 共晶的石墨化膨脹很大, 伴隨產(chǎn)生的共晶膨脹力也很大, 再加上鐵水靜壓力的作用, 很容易使鑄件壁的表殼向外推移, 使鑄件外形擴(kuò)大, 產(chǎn)生縮孔縮松。產(chǎn)生主要原因是: ① 曲軸補(bǔ)縮冒口起不到補(bǔ)縮作用; ②鐵水澆注溫度過(guò)低( 低于1350℃ ), 有時(shí)也過(guò)高( 高于1450 ℃以上) ; ③ 殼型粘結(jié)不好, 殼型強(qiáng)度不夠, 澆注時(shí)產(chǎn)生漲箱; ④個(gè)別時(shí)候曲軸碳硅含量偏低; ⑤有時(shí)砂箱鐵丸緊實(shí)度不夠。
2.2.2 解決曲軸內(nèi)部縮孔縮松的技術(shù)措施
(1) 自行研制生產(chǎn)發(fā)熱保溫冒口和發(fā)熱塊, 在補(bǔ)縮冒口內(nèi)放置一個(gè)發(fā)熱冒口襯或發(fā)熱塊, 發(fā)熱保溫冒口的主要材料組成: 鋁粉、氧化鐵粉、木粉、電廠(chǎng)灰、樹(shù)脂, 冒口如圖6~圖8。
(2) 控制好澆注溫度, 鐵水溫度控制在1380 一1440 ℃ 。
(3) 自行研制生產(chǎn)熱粘結(jié)性能好的熱溶膠, 保證殼型粘結(jié)牢固, 在鐵水的沖擊下不漲箱。
(4) 將C 含量控制3.5% 一3.75 % ,Si 含量控制2.0% 一2.4 %, 減少鐵水凝固時(shí)的收縮性。
(5) 砂箱充填鐵丸時(shí)要添滿(mǎn), 震實(shí)20s以上, 確保鐵丸緊實(shí)度。
2.3 曲軸一連桿軸徑石墨(析出)漂浮
曲軸一連桿軸徑精車(chē)后, 其表面出現(xiàn)成片黑點(diǎn), 嚴(yán)重時(shí)黑點(diǎn)廢品率達(dá)到15%左右。對(duì)連桿小黑點(diǎn)進(jìn)行SEM 電子掃描( 能譜分析), 如圖9~圖10 所示。
S E M 電子掃描( 能譜分析)確認(rèn)連桿小黑點(diǎn)為石墨。
2.3.1 產(chǎn)生原因
曲軸是立(澆底注的澆注工藝系統(tǒng), 曲軸一連桿軸徑在最下面, 處于過(guò)熱狀態(tài)。也就是說(shuō)曲軸一連桿軸徑是最大的熱節(jié), 易出現(xiàn)石墨(析出) 漂浮。
(2) C 含量有時(shí)過(guò)高,C: 3.75%~3.9 % ,Si 含量有時(shí)過(guò)高,Si: .2 3%~2 6%。
(3) 殼型溫度高于80 ℃ 以上( 因鐵丸溫度高100 一130 ℃ , 加熱了殼型溫度)。
(4) 鑄件稀土含量過(guò)高,RE0.04 %~0 07 %。
2 3.2 解決措施
(1)嚴(yán)格控制C、S i含量,C : 3.50%~3.75% ,S i: 2.0%~2.4%
(2)加強(qiáng)鐵丸冷卻速度, 減緩生產(chǎn)節(jié)拍, 讓鐵丸充填殼型砂箱時(shí)溫度低于80 ℃ , 使殼型溫度低于50 ℃.
(3)在曲軸一連桿軸徑易出現(xiàn)石墨漂浮的位置放置冷鐵塊 加速鐵水凝固速度
(4)使用低稀土的球化劑,RE小于1.5 %。
2.4 曲軸軸頸加工表面渣氣孔
德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定曲軸軸頸加工后不允許有任何缺陷, 但我廠(chǎng)國(guó)產(chǎn)曲軸加工后其表面有渣氣孔缺陷存在(見(jiàn)圖11), 嚴(yán)重時(shí)廢品廢品率高達(dá)8 % 左右。
2 4.1 產(chǎn)生原因
(1) 鐵水出爐溫度偏低1470~1500 ℃ 。導(dǎo)致球化處理后鐵水澆注溫度偏低1330 一1370 ℃ 。鐵水中的一次細(xì)渣及二次反應(yīng)渣來(lái)不及上浮到表面, 鐵水就凝固, 使其微小渣孔殘留在鑄件加工深度2~4 m m 的范圍內(nèi), 加工便暴露出來(lái)。
(2) 鐵水過(guò)濾效果差, 鐵水造渣打渣效果不好。
(3) 一噸球化包過(guò)大, 四個(gè)澆包澆注, 使鐵水降溫過(guò)多。
(4) 平咀澆包澆注時(shí)沒(méi)有擋渣效果。
(5) 爐料銹蝕及表面不干凈。
2.4.2 解決措施
(1) 提高鐵水出爐溫度1510 一1550℃，提高澆注溫度1380 一1450℃ 。
(2) 采用先進(jìn)的有語(yǔ)音提示、數(shù)字顯示并與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)的鐵水測(cè)溫儀, 嚴(yán)格控制鐵水溫度。
(3) 進(jìn)行過(guò)濾網(wǎng)試驗(yàn)優(yōu)化。對(duì)泡沫過(guò)濾網(wǎng)、直孔陶瓷過(guò)濾網(wǎng)等不同規(guī)格的過(guò)濾網(wǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果, 最后選擇直孔陶瓷過(guò)濾網(wǎng)。
(4) 在球化處理時(shí), 在球化劑上覆蓋脫硫劑, 這樣起到造渣脫硫效果。特別可使鐵水的硫含量由0.025% 降到0.008%。
(5) 球化處理后及時(shí)采用高效聚渣劑造渣打渣。
(6) 采用50Okg 球化包, 澆包采用茶壺咀, 嚴(yán)格控制爐料質(zhì)量。
2.5 曲軸加工表層脫離
曲軸在加工時(shí), 曲軸的大頭( 有發(fā)蘭盤(pán)一端) 表層約1~2mm 厚度脫落下來(lái), 如圖12。脫落下來(lái)的圓圈破壞性很大, 將自動(dòng)刀具打壞, 如果加工時(shí)沒(méi)有掉下來(lái), 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中掉下來(lái), 將把整發(fā)動(dòng)機(jī)破壞, 該缺陷出現(xiàn)的幾率約為0.02%。雖然缺陷幾率很小, 但是破壞性非常大。
2 .5.1 產(chǎn)生原因
澆注時(shí)出現(xiàn)二次澆注( 補(bǔ)澆), 澆注溫度過(guò)低, 過(guò)濾網(wǎng)孔眼過(guò)細(xì), 第一澆注包烘烤溫度不夠。
2 .5 2 解決措施
提高澆注溫度, 避免二次澆注, 采用較大孔眼的過(guò)濾網(wǎng), 澆注包烘烤溫度大于70 ℃ 。
2.6 曲軸動(dòng)平衡不合格
在發(fā)動(dòng)機(jī)中曲軸是高速回轉(zhuǎn)零件, 曲軸由于不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。振動(dòng)對(duì)導(dǎo)致軸承承受的負(fù)荷增加、消耗的功率增加并降低軸承的壽命; 振動(dòng)增加工作時(shí)的噪音, 使零件從總成上松動(dòng), 易產(chǎn)生疲勞失效等。對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件進(jìn)行動(dòng)平衡的目的就是消除和減小振動(dòng)。因此, 曲軸平衡精度的高低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性及壽命都有很大的影響。動(dòng)平衡是曲軸加工的最后一道工序, 如果曲軸因動(dòng)平衡不合格而報(bào)廢將會(huì)導(dǎo)致機(jī)加廠(chǎng)很大的浪費(fèi)。圖13 為動(dòng)平衡不合格曲軸, 國(guó)內(nèi)大部分曲軸加工廠(chǎng)家都采用SCHENCK公司的自動(dòng)平衡機(jī), 但是每種曲軸不平衡量( 最小為10gcm、最大30gcm )要求不一樣, 所以各家的平衡能力有所差異, 而且有的廠(chǎng)家配備手動(dòng)平衡機(jī), 有的沒(méi)有, 進(jìn)一步加劇了平衡能力的差異。因此我廠(chǎng)必須保證曲軸毛坯的質(zhì)量。
2.6.1 曲軸動(dòng)平衡不合格成因分析
(1) 曲軸在制造過(guò)程中產(chǎn)生較大的變形量, 導(dǎo)致曲軸不平衡量過(guò)大。
(2) 曲軸產(chǎn)生較大的錯(cuò)型, 如圖14。
(3) 曲軸由于漲殼造成連桿頸及主軸頸粗細(xì)不一, 影響加工定位。
(4) 曲軸清理不到位, 定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)有凸起物引起定位偏差。
(5) 加工廠(chǎng)設(shè)備平衡能力不足及缺乏動(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)。
2.6.2 解決曲軸動(dòng)平衡不合格措施
(1) 防止曲軸變形
防止曲軸變形首先要防止型殼發(fā)生變形, 由于制殼時(shí)型殼溫度較高, 沒(méi)有形成一定強(qiáng)度, 易產(chǎn)生變形。我廠(chǎng)在制殼時(shí)采用了專(zhuān)用粘接板, 根據(jù)曲軸的型殼輪廓做仿形設(shè)計(jì), 下粘接板布置高度一致的頂桿, 上粘接板布置彈簧頂桿, 保證型殼在粘接時(shí)處在一個(gè)平面, 不發(fā)生彎曲變形。另外, 在不影響生產(chǎn)節(jié)拍的前提下, 延長(zhǎng)了型殼粘接時(shí)的保壓時(shí)間, 進(jìn)一步保證了粘接效果。在型殼的存放環(huán)節(jié)上, 我們?cè)O(shè)計(jì)了專(zhuān)用存殼車(chē), 型殼直立放置而且型殼互不擠壓。確保每個(gè)環(huán)節(jié)都有效地防止了型殼變形。
(2) 保證曲軸軸頸一致性
為了防止曲軸漲殼, 對(duì)型殼涂膠槽進(jìn)行了改進(jìn), 采用了凸凹配合式涂膠槽取代了以前的點(diǎn)狀涂膠圈, 加大了型殼間的粘接面積和粘接力。通過(guò)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用該涂膠槽后曲軸漲殼量不超過(guò)0.5mm , 既保證了曲軸軸頸尺寸的一致性, 又降低了清理曲軸飛邊的難度。在型殼裝箱環(huán)節(jié)我們?cè)黾恿髓F丸的填充量和緊實(shí)度要求, 通過(guò)加強(qiáng)型殼剛度防止曲軸漲殼。
(3) 加工定位點(diǎn)位置
曲軸加工廠(chǎng)家的定位方式都基本一樣, 曲軸一五主軸頸為夾緊點(diǎn), 二三平衡塊為定位點(diǎn)。為了不影響廠(chǎng)家定位, 我們對(duì)曲軸所有定位位置進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān), 不允許有任何凸起物和其它影響定位的缺陷, 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題全部進(jìn)行返修。
(4) 加工方面
目前各加工廠(chǎng)加工曲軸都采用幾何定心工藝, 定心工序是后序加工的基礎(chǔ)。幾何定心較質(zhì)量定心的缺點(diǎn)就是幾何中心和質(zhì)量中心肯定不能重合, 而且往往偏差較大, 曲軸在動(dòng)平衡處理時(shí)由于其不平衡量過(guò)大而無(wú)法平衡。型殼工藝生產(chǎn)的曲軸一致性較砂型較差, 這方面的問(wèn)題更為明顯。鑒于幾何定心的特點(diǎn), 在加工曲軸中心孔時(shí), 會(huì)采取一些預(yù)檢和預(yù)調(diào)措施。通常的做法是連續(xù)抽取10根完成粗加工的曲軸, 進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試, 當(dāng)不平衡量超過(guò)100gcm 時(shí), 對(duì)定心機(jī)床的打中心孔刀頭進(jìn)行微調(diào)。通過(guò)以上以上補(bǔ)償措施可以有效的提高曲軸動(dòng)平衡的一次合格率, 當(dāng)然實(shí)施這項(xiàng)操作的前提是該批曲軸狀態(tài)一致, 如同一模具號(hào)、同一批次號(hào)等。另外手動(dòng)平衡機(jī)也是曲軸加工廠(chǎng)不可缺少的重要設(shè)備, 它是自動(dòng)平衡機(jī)的一個(gè)補(bǔ)充, 在手動(dòng)平衡機(jī)操作者可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)去重孔的數(shù)量、位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整, 平衡率可達(dá)到98 %左右。有的廠(chǎng)家不僅不根據(jù)曲軸批次特點(diǎn)進(jìn)行中心孔位置微調(diào), 也不配備手動(dòng)平衡機(jī), 因此動(dòng)平衡合格率較低, 對(duì)毛坯廠(chǎng)和加工廠(chǎng)都造成很大的損失。
3 結(jié)束語(yǔ)
大眾公司轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸質(zhì)量要求非常高。幾年來(lái), 在曲軸國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中, 我們?cè)诮鉀Q曲軸質(zhì)量方面做了很多的工作, 一邊研究和完善殼型鑄造工藝方法, 一邊探討和解決曲軸質(zhì)量問(wèn)題, 通過(guò)不懈的努力, 使得我廠(chǎng)曲軸殼型鑄造工藝方法更加成熟穩(wěn)定, 曲軸質(zhì)量不斷改善提高,2010 年EA113 發(fā)動(dòng)機(jī)R06A曲軸在一汽一大眾公司加工外廢率和內(nèi)廢率如下圖15。
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