朱正德

（上海大眾動力總成有限公司）

基于回轉(zhuǎn)密封表面微觀構(gòu)造缺陷所導(dǎo)致的功能失效及其監(jiān)控

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司）

回轉(zhuǎn)軸密封面的微觀構(gòu)造缺陷會引起動力總成類產(chǎn)品內(nèi)腔的工作介質(zhì)外泄，從而因功能失效造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。從回轉(zhuǎn)密封表面微觀結(jié)構(gòu)的形貌特征出發(fā)，對工作介質(zhì)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(zhuǎn)密封面螺線狀態(tài)的測量方法。

1 回轉(zhuǎn)工作表面的微觀構(gòu)造及密封可靠性概述

統(tǒng)計(jì)表明，一輛乘用車平均有80個回轉(zhuǎn)密封部位，這些配合部位在車輛運(yùn)行中的任何時刻都有可能發(fā)生介質(zhì)泄漏而造成功能失效。當(dāng)安裝在回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸表面的構(gòu)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(yùn)行，即會引起與回轉(zhuǎn)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(dǎo)致泄漏，反之若過于光滑則會因?yàn)槊芊饧o法正確嵌入工作面引起功能失效。在理想狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)軸表面的組織構(gòu)造應(yīng)處于這樣一種狀態(tài):允許密封唇存在些許磨損，讓十分微量的液體介質(zhì)進(jìn)入配合部位。事實(shí)上，唇形密封件與軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動在一相當(dāng)于介質(zhì)薄膜的液層上進(jìn)行，而典型的液膜厚度數(shù)量級為0.25μm。固定在缸體一側(cè)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(dāng)發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，兩者之間的配合必須能夠有效形成密封，使腔體內(nèi)的機(jī)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(zhuǎn)軸表面紋理構(gòu)造中的螺旋線結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)過程中設(shè)置了利用壓降法或流量法對總成油腔進(jìn)行的密封性檢驗(yàn)，盡管所利用的介質(zhì)——空氣的粘性系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動機(jī)中的工作介質(zhì)（水、機(jī)油或汽油），然而該種方法是一種靜態(tài)測試，與發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的狀態(tài)有差異，故回轉(zhuǎn)密封面上一旦存在螺線紋理結(jié)構(gòu)時易出現(xiàn)機(jī)油微量外泄的情況。圖2為產(chǎn)品中一個被疏漏的檢測項(xiàng)目（圖中橢圓圈所示），橢圓圈內(nèi)的drallfrei表示螺旋線，這樣標(biāo)注就是告知需進(jìn)行檢測或確認(rèn)其存在。

為便于企業(yè)實(shí)施、掌握對回轉(zhuǎn)軸密封表面微觀構(gòu)造的檢測與評定，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和北美橡膠制造業(yè)協(xié)會（RMA）在2004年和2009年先后推出了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),其中，涉及監(jiān)控參數(shù)的評定值表述見表1。從表1中可見，兩者在指標(biāo)上稍有差別，ISO標(biāo)準(zhǔn)完全不允許存在螺旋線結(jié)構(gòu)，圖2產(chǎn)品中一個被疏漏的檢測項(xiàng)目即螺旋角C=0，然而試驗(yàn)表明，C≤0.03°時造成的影響可忽略不計(jì)。

表1 國際標(biāo)準(zhǔn)推薦的回轉(zhuǎn)密封表面微觀構(gòu)造參數(shù)評定值

2 螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的形成原因

曲軸法蘭類似于軸頭和（主連桿）軸頸，需經(jīng)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(jié)構(gòu)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(dāng)

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(jīng)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(zhí)行砂輪修整過程中，金剛筆平移期間，偶爾在運(yùn)行軌跡中出現(xiàn)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(jī)構(gòu)，見圖3a，直至下一次砂輪修磨過程恢復(fù)正常。

b.機(jī)床安裝調(diào)整不當(dāng)

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

3 螺旋線的微觀構(gòu)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(zhuǎn)密封面進(jìn)行全覆蓋的微觀形貌檢測，以驗(yàn)證螺旋線紋理的存在。實(shí)施該項(xiàng)任務(wù)的前提是必須配備一個精密伺服轉(zhuǎn)臺，以能提供精確的轉(zhuǎn)角進(jìn)給?；剞D(zhuǎn)面微觀形貌的精確測量如圖4所示，測頭沿軸向做直線運(yùn)動，測量長度和采樣密度都事先設(shè)定，當(dāng)完成一次檢測后，轉(zhuǎn)臺會帶動工件轉(zhuǎn)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(diǎn)，若回轉(zhuǎn)面長（寬）度為20mm，意味著將采集2 000點(diǎn)；轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)間隔即進(jìn)給量取5，為了確保全覆蓋，需進(jìn)給73次，即在整個回轉(zhuǎn)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(zhí)行對回轉(zhuǎn)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(shí)例分析，歸納并建立了最能反映這種微觀結(jié)構(gòu)形貌特征的參數(shù)，并研制了專用軟件，既能對回轉(zhuǎn)面形貌的測量結(jié)果進(jìn)行甄別，又可對確認(rèn)存在具有這種微觀構(gòu)造的程度予以評價。

圖5以三維形貌顯示了對某一回轉(zhuǎn)面的檢測結(jié)果,但圖5中反映的只是從被測回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行定量估計(jì)。圖6是回轉(zhuǎn)面螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)示意圖，其中，特征參數(shù)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(dǎo)程；c為螺旋角；d為螺旋紋理結(jié)構(gòu)的深度；e表示微觀構(gòu)造法向截面中的凹谷，相當(dāng)于螺旋輸送機(jī)構(gòu)。

4 懸錘/線偏移法

上一節(jié)所介紹的測量方法雖然很精確，依據(jù)螺旋線構(gòu)造特征進(jìn)行的評定也很規(guī)范，但完成一次回轉(zhuǎn)密封面的檢測需要耗去1～2 h，且還得配備相應(yīng)的各種手段，在大批量生產(chǎn)時有很大的局限性。在大量實(shí)踐和試驗(yàn)基礎(chǔ)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(yè)協(xié)會推出的標(biāo)準(zhǔn)RMA OS-1-1rev.2004中有具體描述。一些主流汽車企業(yè)則從自身企業(yè)和產(chǎn)品的實(shí)際情況出發(fā)，專門為此編制了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。懸錘、懸線如圖7所示。

以下的操作要點(diǎn)來自某汽車企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn):

a.懸錘可以采用砝碼，其質(zhì)量應(yīng)為100 g；

b.懸掛懸錘的線應(yīng)是棉紗線，其粗細(xì)為40支；

c.帶重錘懸掛線的工作狀態(tài)見圖7，由此可確定懸線長度；

d.為確保試驗(yàn)結(jié)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(jīng)過清洗。

在利用懸線法對曲軸法蘭進(jìn)行回轉(zhuǎn)密封面螺旋線紋理構(gòu)造檢測時，除了前面已提到的要求外，對于半自動試驗(yàn)裝置的主機(jī)也有2項(xiàng)要求:驅(qū)動工件回轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速需要調(diào)到60 r/min；儀器需在開始測試前調(diào)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)各1次，每次持續(xù)1min期間，掛在回轉(zhuǎn)密封面上的懸錘系統(tǒng)棉線均不得產(chǎn)生超過7mm的左、右偏移。為便于辨別，可在試驗(yàn)前先在懸線兩側(cè)劃上兩道較明顯的印記作為判斷界限。而相關(guān)裝置既可放在測量室對定時送檢工件進(jìn)行測量，也可置于現(xiàn)場執(zhí)行較高頻次的抽檢。該方法也有一些不足，最主要的2點(diǎn)為:當(dāng)回轉(zhuǎn)密封表面呈錐形和球形時無法檢測；該方法本質(zhì)上完成的只是一種定性判別，不可能獲得與螺旋線紋理結(jié)構(gòu)相關(guān)的一些參數(shù)數(shù)值，如螺旋角、高（深）度等。

5 利用光學(xué)干涉測量原理的快速檢測

用光學(xué)干涉方法進(jìn)行表面粗糙度測量在技術(shù)上已比較成熟。運(yùn)用同樣原理也可對回轉(zhuǎn)軸密封面的螺旋線微觀結(jié)構(gòu)做檢測，只是實(shí)施時所取的對象為回轉(zhuǎn)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(xiàn)場的在線、快速測量。該儀器因帶有特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)濾波器，在最后獲得的檢測結(jié)果中，與表面粗糙度相關(guān)的那部分信號已被分離、過濾掉了，僅針對螺旋線微觀結(jié)構(gòu)有規(guī)律的、周期性性狀作出反映。而為了便于生產(chǎn)企業(yè)一線操作人員使用，儀器制造廠商采取了依據(jù)不同表面狀態(tài)會形成相應(yīng)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(jīng)定標(biāo)的情況下，根據(jù)顯示條紋的數(shù)量、間距對被測面螺旋線微觀結(jié)構(gòu)一些主要參數(shù)的數(shù)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(jié)果顯示，左邊的光斑呈單一條紋狀，表明此時被測的回轉(zhuǎn)軸密封面上不存在螺旋線微觀紋理結(jié)構(gòu)，而右邊的多條紋光斑則意味著被測表面有不允許出現(xiàn)的螺旋線構(gòu)造存在。

6 結(jié)束語

回轉(zhuǎn)軸密封面上的螺旋線紋理結(jié)構(gòu)作為一種特殊的表面形貌構(gòu)造，其特征并未在通常的粗糙度測量結(jié)果中反映出來。因此，按圖紙要求和工藝規(guī)定加工出來的回轉(zhuǎn)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(xiàn)明顯的、且較為嚴(yán)重的螺旋線紋理結(jié)構(gòu)，存在導(dǎo)致動力總成類產(chǎn)品嚴(yán)重質(zhì)量問題的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)在，認(rèn)識到螺旋線構(gòu)造這個細(xì)節(jié)是造成隱患的根源，是產(chǎn)品技術(shù)和制造技術(shù)上的一個很大進(jìn)步。

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

2朱正德標(biāo)準(zhǔn)體系的完善提升了汽車零部件的粗糙度檢測水平，汽車標(biāo)準(zhǔn)化，2009，5.

（責(zé)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(zhuǎn)密封面表面輪廓測量懸線偏移法白光干涉測量評定標(biāo)準(zhǔn)

U462.3

A

1000-3703（2014）09-0031-03