(南京汽車集團有限公司動力總成技術(shù)支持部，南京 210000)

0 引言

泄漏測試對于所有的發(fā)動機主機廠來說十分重要，泄漏測量方法直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]。但很少有人研究在實際生產(chǎn)過程中，泄漏測試結(jié)果與產(chǎn)品溫差之間的關(guān)系及其實際影響的大致模型和程度。在泄漏測試技術(shù)應(yīng)用上，文獻[2]介紹了一種自制的泄漏測試設(shè)備及相關(guān)原理，文獻[3]介紹了泄漏測試的常見方式和應(yīng)用范圍，文獻[4]介紹了依據(jù)市場反饋的泄漏產(chǎn)品，對泄漏測試設(shè)備的參數(shù)進行調(diào)整，并對參數(shù)控制范圍的作用效果進行逆向研究。以上文獻中均未介紹在泄漏測試設(shè)備可靠的情況下，泄漏結(jié)果與工件溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。本文就某缸體生產(chǎn)線中存在泄漏測試通過率低的問題進行分析。以質(zhì)量流量法測試儀器為基礎(chǔ)研究，通過生產(chǎn)線上的大量數(shù)據(jù)驗證確定溫度因素對測試結(jié)果的影響，并根據(jù)理論計算，給出合適的參數(shù)調(diào)整及硬件降溫方案來達到高效生產(chǎn)的目的。同時，簡單介紹JWF-MFL400系列質(zhì)量流量測試儀的工作原理，并通過實際生產(chǎn)案例重點介紹環(huán)境溫度變化及工件自身溫度變化對泄漏儀器測量結(jié)果的影響，并通過增加溫度控制措施和調(diào)整儀器參數(shù)來實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的快速、穩(wěn)定、精確的產(chǎn)品質(zhì)量控制。

1 常見的影響泄漏測試結(jié)果的因素

1.1 溫度穩(wěn)定性

溫度波動一般視為對產(chǎn)品泄漏測試質(zhì)量影響最為突出的因素。由于常規(guī)工藝規(guī)劃一般是在泄漏測試工序前對工件進行清洗，清洗機溫度的控制及冷卻通道的布置均有可能導(dǎo)致工件在測試前溫度與要求的測量溫度不符。主要表現(xiàn)在機體本身溫度過高或過低、機體表面各密封點溫度不均勻及現(xiàn)場環(huán)境溫度變化過大等。溫度對測量的結(jié)果影響程度也會根據(jù)不同的產(chǎn)品腔體大小而不同，但總的來說為主要影響因素。

1.2 容積穩(wěn)定性

容積波動是指產(chǎn)品被密封后測試腔體變形或密封區(qū)域變形造成的容積變化波動。當(dāng)測試過程中夾具橡膠密封發(fā)生變形而影響腔體內(nèi)部壓力、薄壁件充入氣體壓力過大時產(chǎn)生變形、機床振動導(dǎo)致密封變形等情況均會影響產(chǎn)品的泄漏值。一般通過合理的機床設(shè)計及夾具設(shè)計可以避免容積波動。

1.3 濕度穩(wěn)定性

濕度主要影響產(chǎn)品在測試時的氣體密度和密封性能。當(dāng)產(chǎn)品或環(huán)境濕度過大時，腔體內(nèi)的氣體密度變大，密封件之間及泄漏點之間的空氣流量將會變小，從而使測試結(jié)果偏小。一般可通過局部空間干燥除濕或采用整體廠房空調(diào)系統(tǒng)來很好地控制測試環(huán)境濕度。

1.4 氣路密封穩(wěn)定性

生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)密封件破損且更換不及時，氣缸夾具夾緊力不夠及供氣和測試管路出現(xiàn)泄漏情況，這些情況發(fā)生都將影響測試結(jié)果。一般這些情況下的泄漏值較大且呈上升趨勢，很容易被發(fā)現(xiàn)且修復(fù)。但當(dāng)采用毛坯面密封時，由于毛坯的一致性較差而導(dǎo)致密封性能波動時，密封面泄漏情況難以察覺，對泄漏測試的結(jié)果影響很大。此時需要對堵頭進行不斷調(diào)整。

1.5 測量參數(shù)設(shè)定的合適性

泄漏測試的參數(shù)設(shè)定很重要，如測試時間、充氣壓力、測試溫度、補償參數(shù)等。這些參數(shù)隨測試設(shè)備使用年限、環(huán)境變化，以及產(chǎn)品發(fā)生的設(shè)計變更、同系列產(chǎn)品共線生產(chǎn)策略等因素發(fā)生變化而需要重新優(yōu)化。一旦參數(shù)設(shè)置不合理，將會造成泄漏測試結(jié)果失真。因此，泄漏測試參數(shù)在環(huán)境發(fā)生變化或設(shè)計變更后，需要根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化才能讓設(shè)備更高效運行。

2 溫度對泄漏測試的影響

基于南汽某款直列4缸鑄鐵缸體在生產(chǎn)中出現(xiàn)泄漏測試一次通過率低的問題，采用單變量控制方式觀察和統(tǒng)計溫度對泄漏測試過程的影響，并根據(jù)質(zhì)量流量控制原理，利用生產(chǎn)配置的質(zhì)量流量型測試設(shè)備對溫度的影響進行詳細的研究分析。測試儀器經(jīng)運算后采用標(biāo)準泄漏率計量，單位為cm3/min，與產(chǎn)品圖紙中泄漏率單位一致。文中所有泄漏數(shù)據(jù)均以此泄漏率單位進行統(tǒng)計并輸出結(jié)果。

該缸體在驗收后批量投產(chǎn)時，其泄漏測試一次通過率非常低，尤其在夏冬季節(jié)，僅為83%左右；而通過沉水復(fù)檢后發(fā)現(xiàn)，這些不合格產(chǎn)品中有高達91.2%是因為設(shè)備誤判造成的，測試誤判給公司帶來較大的生產(chǎn)效率損失。

2.1 測試設(shè)備原理及狀態(tài)

泄漏測試設(shè)備為JWF公司的MFL400質(zhì)量流量泄漏儀，主要利用質(zhì)量流量計精確測量氣體的瞬時泄漏率，設(shè)備檢測精度為0.001 cm3/min，且具備快速測量的特點，可在最短4 s內(nèi)完成測量。泄漏設(shè)備放在缸體粗加工與精加工之間，缸體經(jīng)過中間清洗后進入泄漏測試設(shè)備。

2.1.1 測試設(shè)備原理

測試過程主要分為7個階段。缸體水道和油道的測試時間與順序不同，其對應(yīng)的閥門開啟階段并非同步發(fā)生。

階段1(測試前儀器平衡階段)：設(shè)備水道和油道雙通道內(nèi)的流量計、管道、儲氣缸連通大氣，與大氣同壓形成平衡狀態(tài)。

階段2(儲氣缸充氣階段)：設(shè)備接通壓縮空氣閥，通過調(diào)壓器設(shè)定壓縮空氣壓力，并向油道和水道的儲氣缸充氣。

階段3(被測工件密封后的氣壓平衡)：密封機構(gòu)對缸體各密封口進行密封，密封后的水道和油道將通過管道和閥門與大氣相通并保持4 s后關(guān)閉，將密封形成的壓力和氣體排出腔體內(nèi)部，確保測量前腔體和管道內(nèi)壓力與大氣壓力相同。

階段4(工件腔體的充氣階段)：儲氣缸同時向油道和水道測試管路充入0.15 MPa的壓縮空氣。其中水道將在后續(xù)的6 s進行充氣平衡，油道需要在隨后水道測量中一直保持0.15 MPa壓力至水道測試結(jié)束。

階段5(水道測量階段)：在水道經(jīng)過6 s充氣平衡后進行泄漏測量，測量時間為4 s。由于此時油道和水道內(nèi)均為0.15 MPa壓力，水道的泄漏結(jié)果不包含水道與油道的互漏。當(dāng)缸體水道出現(xiàn)微泄漏時，儲氣缸將持續(xù)地通過流量計向水道腔體補充氣體，并據(jù)此測得水道的實際泄漏率。此階段油道不參與測量，并保持儲氣缸與油道的0.15 MPa的平衡壓力。

階段6(水道排氣，油道再充氣階段)：缸體水道及測試管道與大氣連通進行排氣，此時油道腔體內(nèi)再次充氣至0.30 MPa，進行測量前的平衡準備。

階段7(油道測量及互漏測量階段)：采用0.30 MPa的壓力對油道進行測量，由于此時水道已排氣并與大氣相通，油道測量的結(jié)果將包含油道與水道的互漏。測試氣體通過儲氣缸流經(jīng)質(zhì)量流量計向油道腔體進行補充，互漏的氣體通過水道管路中質(zhì)量流量計流向大氣，這樣同時獲得油道泄漏率和互漏率。測試結(jié)束后工件將松開密封機構(gòu)離開設(shè)備，同時各管路閥體開啟至準備狀態(tài)。

2.1.2 測試設(shè)備狀態(tài)

設(shè)備夾具工裝在驗收和生產(chǎn)測試階段已通過多項驗證，其配套的密封件也通過模擬劃傷試驗，在輕微劃傷的情況下仍然具備較好的密封性。產(chǎn)品的容積穩(wěn)定性也在驗收過程中通過數(shù)據(jù)分析控制在較好的范圍內(nèi)。整體來說設(shè)備狀態(tài)和工件狀態(tài)符合批量生產(chǎn)和研究條件。

設(shè)備設(shè)置參數(shù)如表1中所示。

表1 設(shè)備參數(shù)表

表1中水道和油道在測試壓力、充氣策略和充氣壓力上因雙通道的工作時間與順序和測量項目內(nèi)容不同存在一定的差異。為保證水道0.15 MPa測試壓力下的泄漏準確，油道會預(yù)先充入0.15 MPa的壓力進行平衡。

2.2 工件

研究對象是一款排量為1.5 L直列4缸發(fā)動機的鑄鐵缸體，其產(chǎn)品測試要求如表2所示。

表2 缸體泄漏測試要求

表2中顯示缸體水道和油道的測試壓力不同，水道要求在0.15 MPa壓力下測量，油道要求在0.30 MPa壓力下測量。測試設(shè)備采用的是JWF公司的MFL400系列雙通道質(zhì)量流量測量設(shè)備，要求測量節(jié)拍控制在42 s以內(nèi)。

1.5 L發(fā)動機缸體生產(chǎn)線布局采用扁S形布置，泄漏測試設(shè)備放在粗加工與精加工之間，缸體經(jīng)過中間清洗后進入泄漏測試設(shè)備，設(shè)備的測試原理如2.1介紹，泄漏測試要求如表2所示。

缸體產(chǎn)品經(jīng)過經(jīng)清洗后到達泄漏測試設(shè)備前的工件表面溫度在冬夏兩季溫度范圍是3～39 ℃，工件出清洗機后在空氣中平均冷卻時間為100～240 s，工件自身各表面最大溫差波動為0～8 ℃。中間清洗設(shè)備不具備制冷降溫通道，工件的冷卻只能在輥道流轉(zhuǎn)過程中進行冷卻，清洗設(shè)備至泄漏測量設(shè)備間的輥道設(shè)置3個存料工位用于冷卻緩沖。

2.3 工件自身溫度的影響

缸體在進入泄漏測試前，需要經(jīng)過中間清洗機進行清洗，在高溫清洗過程中工件溫度達40～50 ℃。因此，清洗完后的缸體內(nèi)外腔表面因在空氣中冷卻速率不同而造成其各表面溫差過大。隨機抽取10件缸體，進行各表面溫度測量試驗，得到各表面溫度分布，如表3所示。

表3 泄漏測試前缸體各表面溫度分布情況

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，排氣面和后端面的溫差最大，達7 ℃以上。由于密封后的工件水道和油道分別涉及到6個表面的孔系，不同面之間的溫差將會導(dǎo)致腔體內(nèi)部的氣體熱膨脹程度不同，因此局部區(qū)域溫差會造成實際測量流量差異。

在缸體各表面溫度相對穩(wěn)定的情況下，且在保證環(huán)境溫度及濕度相近的時間段內(nèi)，通過控制工件冷卻時間及調(diào)整清洗液溫度和冷卻通風(fēng)溫度來配合溫度監(jiān)控，分別對工件最大溫差進行調(diào)整，并在此基礎(chǔ)上對相應(yīng)的泄漏率進行取樣和統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示。

圖1 工件自身表面最大溫差對泄漏率的影響

由圖1可見，工件自身溫差與泄漏率存在一定的正相關(guān)關(guān)系。在研究的產(chǎn)品對象中，水道泄漏率趨向于一次方程式：

y=0.094 2x+0.187 6

(1)

油道泄漏率也趨向于一次方程式：

y=0.000 9x+0.427 5

(2)

整體上看，油道由于腔體較小，工件表面溫差的變化對其泄漏結(jié)果影響有限，整體泄漏率的偏離在允許測量誤差范圍內(nèi)。水道由于腔體較大，工件表面溫差較大時，整個腔體內(nèi)的氣體溫度差異較大，導(dǎo)致泄漏率的偏差較大。當(dāng)工件自身溫度不均勻性在7 ℃左右時，水道的泄漏率偏差達到了0.65 cm3/min，占到測量目標(biāo)值(2.5 cm3/min)的26%，已經(jīng)遠遠超出系統(tǒng)允許的測量誤差，使測量結(jié)果產(chǎn)生嚴重的偏離。需要采取措施對工件自身溫差進行平衡，以達到減少泄漏測試結(jié)果誤差的目的。

2.4 工件與環(huán)境之間溫差的影響

經(jīng)過清洗機后除了工件本身溫差不均勻外，工件自身溫度與環(huán)境溫度也會存在差異。在清洗過程中工件的整體溫度會升高，進入測試時工件溫度下降至環(huán)境溫度或是允許的溫差范圍內(nèi)。工件與環(huán)境之間溫差不僅隨著一天的時間有變化并且在一年中的每個季節(jié)都有變化，一般在冬天和夏天這種變化最明顯。為了單獨研究工件與環(huán)境之間溫差對泄漏率的影響，選擇濕度和環(huán)境溫度變化不大的秋季且室溫為(21±2) ℃的時間段內(nèi)采集數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計，通過調(diào)整清洗機溫度來人為影響工件的溫度，其影響情況如圖2。

由圖2可見，工件與環(huán)境之間的溫差對缸體水道和油道都有較大的影響，且溫差越大，泄漏率越大。其中溫差對水道泄漏率影響近似于一次函數(shù)：

y=0.169x-0.240

(3)

圖2 工件與環(huán)境之間溫差對泄漏率的影響

溫差對油道的泄漏率影響也近似于一次函數(shù)：

y=0.124x+1.683

(4)

當(dāng)工件與環(huán)境之間的溫差達到5 ℃時，水道的泄漏率測量偏差將達到0.61 cm3/min，油道的泄漏率測量偏差也達到2.30 cm3/min，分別占到對應(yīng)目標(biāo)泄漏率的24.4%和57.5%。在實際生產(chǎn)過程中將會帶來泄漏率測量值偏離，由此也會造成大量的誤判。

3 優(yōu)化措施

基于以上分析，并結(jié)合現(xiàn)場實際狀態(tài)，可以判定溫度變化是造成產(chǎn)品泄漏結(jié)果誤判的主要原因。缸體在實際生產(chǎn)過程中自然冷卻時間很短，很難使其各表面的溫度冷卻均勻，同時也很難使工件與環(huán)境之間的溫差保持在一定的范圍內(nèi)。

3.1 溫度影響的解決方案

前面分析中涉及到溫度變化有兩大方面，一是工件材質(zhì)的不均勻?qū)е虏煌牟课坏臒醾鲗?dǎo)差異較大，最終體現(xiàn)在工件自身局部溫差較大，二是工件清洗后自身溫度與生產(chǎn)環(huán)境溫度之間的差異變化較大，尤其在夏冬2個季節(jié)更為突出。以上兩大因素造成的測試結(jié)果均超出系統(tǒng)所能接受的誤差范圍，因此僅對其中一個方面進行優(yōu)化并不能解決泄漏結(jié)果偏差的問題。

通過綜合考慮，最終確定通過增加冷卻通道長度來延長工件從清洗機后到測試設(shè)備的時間，通過增加空冷時間和增強散熱來減小溫度的變化。冷卻方式采用自然鼓風(fēng)冷卻，保持工件溫度與環(huán)境溫度的相對統(tǒng)一。

方案選定后必須結(jié)合泄漏測試設(shè)備的自身溫度補償能力及參數(shù)的計算確定控制范圍。根據(jù)經(jīng)驗和設(shè)備自身的補償能力最終確定工件各表面溫差應(yīng)控制在2 ℃內(nèi)，工件與環(huán)境的溫差應(yīng)控制在3 ℃內(nèi)。通過計算并綜合考慮現(xiàn)場場地空間，最終確定增加10個大功率冷風(fēng)機組成U型通道，保證工件到達泄漏測試前溫度到達目標(biāo)控制范圍。優(yōu)化后，通道長度由原來的2.8 m增加至15 m, 工件冷卻時間由原來240 s增加至720 s。

圖3為增加冷卻措施后工件表面溫度情況。由圖3可見，增加冷卻措施后，工件冷卻效果明顯，表面溫度差幅度最小減少了3.8 ℃，最大減少了6 ℃，同時工件與環(huán)境之間的溫差減少了5～7 ℃。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，采用冷卻措施后工件與環(huán)境之間的溫差及工件自身溫差都能控制在3 ℃和2 ℃之內(nèi)，同時生產(chǎn)線上的泄漏測試結(jié)果十分精確且穩(wěn)定。

圖3 改進措施實施前后工件溫度的對比

3.2 恒定溫差影響的解決方案

上述措施能有效控制工件自身的溫差及工件與環(huán)境之間的溫差，但環(huán)境與工件之間始終存在一個恒定的溫差，約為3 ℃。該恒定溫差因季節(jié)不同會略微有變化，根據(jù)生產(chǎn)的統(tǒng)計，全年工件與環(huán)境之間的恒定溫差在0～3 ℃(含冬夏季數(shù)據(jù))。

針對恒定溫差的影響，可采取設(shè)置溫度補償系數(shù)、偏離值設(shè)置等措施。隨機抽取5 000個以上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進行離散點分析。首先，使用標(biāo)準泄漏儀進行初始偏離值設(shè)置，并在對大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上對溫度補償系數(shù)進行初始修正；然后，在溫度補償系數(shù)修正過程中分多段進行修正，以獲得最佳的生產(chǎn)狀態(tài)。如圖4～5所示為無溫度補償和有溫度補償對缸體泄漏測試結(jié)果的影響情況。

圖4 無溫度補償對缸體泄漏測試結(jié)果的影響情況

圖5 溫度補償對缸體泄漏測試結(jié)果的影響情況

由圖4～5可見，在穩(wěn)定的系統(tǒng)溫差下，當(dāng)工件與環(huán)境之間溫差控制在3 ℃內(nèi)，經(jīng)過標(biāo)準泄漏儀設(shè)置偏置后溫差對系統(tǒng)整體泄漏率的影響≤1 cm3/min，且呈現(xiàn)較強的線性關(guān)系。在經(jīng)過溫度補償修正后，可修正其偏離幅度，減少測量的波動及環(huán)境溫度對泄漏測量結(jié)果的影響。當(dāng)工件與環(huán)境溫差≤3 ℃時，其總體泄漏率波動值穩(wěn)定在0.3 cm3/min可接受的偏差范圍內(nèi)。因此修正溫度補償參數(shù)可有效地減少誤判率，提升一次通過率。

4 結(jié)論

1)通過對生產(chǎn)過程中實際產(chǎn)品的研究，量化溫度因素對質(zhì)量流量泄漏儀測試結(jié)果的影響，為同類產(chǎn)品在制定泄漏測試工藝方案時提供參考。

2)從工件自身溫差和工件與環(huán)境之間的溫差2個方面跟蹤和測量，得出這2種因素對泄漏測試結(jié)果影響的程度，為同類型產(chǎn)品在冷卻環(huán)節(jié)設(shè)計和工件溫度平衡上提供參考。

3)通過實際的措施，有效地解決了生產(chǎn)線一次泄漏測試合格率低的問題，使泄漏測試一次合格率由批產(chǎn)后的83%提升至98.5%以上。