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        柴油機(jī)搖臂與搖臂軸粘連原因分析及改進(jìn)

        2023-02-04 03:34:44張皓鈺
        金屬加工(冷加工) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:工藝故障

        張皓鈺

        重慶濰柴發(fā)動機(jī)有限公司 重慶 402260

        1 序言

        柴油機(jī)搖臂為雙臂杠桿結(jié)構(gòu),將推桿傳來的力改變方向后作用到氣門桿端,打開氣門。由于搖臂的工作狀況,易在搖臂內(nèi)孔處產(chǎn)生磨損,故在設(shè)計時應(yīng)注重摩擦副的潤滑。對于不裝配襯套的搖臂,搖臂內(nèi)孔直接與搖臂軸接觸,更易產(chǎn)生磨損。為保證潤滑油膜的建立,搖臂內(nèi)孔與搖臂軸的加工控制也至關(guān)重要[1]。

        2 故障描述

        2021年上半年,某型中速柴油機(jī)在廠內(nèi)出廠試驗時,接連發(fā)生多臺配氣機(jī)構(gòu)的搖臂內(nèi)孔粘連、搖臂與搖臂軸粘連等故障(見圖1和圖2),直接影響該型柴油機(jī)出廠試驗和完工交付。

        圖1 搖臂內(nèi)孔粘連故障

        圖2 搖臂軸粘連故障

        3 故障原因分析

        該機(jī)型為2008年設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品,已生產(chǎn)銷售上千臺,搖臂與搖臂軸首次發(fā)生這樣的批量粘連故障,應(yīng)排除產(chǎn)品設(shè)計原因,主要從生產(chǎn)過程控制和零部件質(zhì)量上查找原因。為快速查找故障原因,產(chǎn)品設(shè)計協(xié)調(diào)質(zhì)量、工藝、采購和車間共同參與分析、解決。

        (1)零件質(zhì)量檢驗 對故障件及同批次的搖臂、搖臂軸進(jìn)行檢驗確認(rèn),圓柱度、表面粗糙度、尺寸公差和硬度等均符合圖樣要求,沒有發(fā)現(xiàn)問題。測量搖臂端面的垂直度分別為0.107mm和0.134mm,均超出設(shè)計規(guī)范的0.05mm,但是搖臂裝配后的軸向間隙實測值為0.83mm和0.64mm,遠(yuǎn)大于垂直度實測值,因此搖臂端面垂直度超差不是造成粘連的原因。

        (2)飛邊、毛刺排查 排查過程中發(fā)現(xiàn)該批搖臂內(nèi)孔油槽邊緣有飛邊、毛刺(見圖3),懷疑這是搖臂與搖臂軸粘連的原因;但現(xiàn)場返修去飛邊、毛刺后,恢復(fù)裝機(jī)試驗時搖臂與搖臂軸還是粘連,因此排除該原因。

        圖3 搖臂內(nèi)孔油槽邊緣有飛邊、毛刺

        (3)清潔度排查 緊接著排查零件清潔度,在做清潔度檢查時意外發(fā)現(xiàn)搖臂軸油孔中有少量加工殘留的切屑(見圖4),懷疑是切屑造成粘連。但是將搖臂軸油孔清洗干凈后,裝上去試驗還是粘連,因此排除清潔度原因。

        圖4 搖臂軸油孔清理出的切屑

        (4)零部件供方和批次排查 從搖臂和搖臂軸的供方以及批次方面排查,發(fā)現(xiàn):搖臂軸由A供方更換為B供方,還是粘連,因此排除搖臂軸供方原因,同時也可以排除搖臂軸批次原因。我們又將搖臂故障件供方2018年生產(chǎn)的庫存搖臂拿來試驗,未發(fā)現(xiàn)粘連,因此鎖定是搖臂批次差異導(dǎo)致,進(jìn)一步確認(rèn)屬零件質(zhì)量問題。

        (5)搖臂差異對比檢驗 對2018年的庫存搖臂和2021年的故障件搖臂進(jìn)行對比檢驗(見表1),材料化學(xué)成分、內(nèi)孔表面硬度、內(nèi)孔表層組織均合格且差異不大;內(nèi)孔表面粗糙度均合格,且故障件還要高出庫存件2個等級;故障件內(nèi)孔圓柱度合格,而庫存件內(nèi)孔圓柱度超差。因此搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和內(nèi)孔圓柱度都不是粘連的原因。

        表1 庫存搖臂與故障件搖臂對比檢驗結(jié)果

        (6)對表面粗糙度排查 由于表面磷化處理能提高初期磨合,可大大降低初期銷孔與軸咬合的風(fēng)險[2],因此討論決定將搖臂增加磷化處理工藝進(jìn)行試驗。經(jīng)試驗,磷化處理的搖臂沒有粘連(見圖5),磷化工藝確實解決了當(dāng)前面臨的搖臂與搖臂軸初期粘連問題。

        圖5 磷化處理的搖臂沒有粘連

        經(jīng)對比檢驗,磷化后的搖臂內(nèi)孔表面粗糙度值Ra為0.605μm,庫存不粘連的搖臂內(nèi)孔表面粗糙度值Ra為0.316μm,而故障件搖臂內(nèi)孔表面粗糙度值Ra為0.05μm。表面粗糙度差異是我們在故障分析過程中發(fā)現(xiàn)的一條重要線索,因此懷疑是表面粗糙度值過小、搖臂內(nèi)孔表面的潤滑能力下降而導(dǎo)致的初期粘連。

        聯(lián)系供方做了一批內(nèi)孔表面不做滾壓光整處理的搖臂,表面粗糙度值Ra為0.467~0.891μm,裝機(jī)試驗后進(jìn)行拆檢,發(fā)現(xiàn)搖臂與搖臂軸依然粘連(見圖6),因此表面粗糙度值小(表面質(zhì)量好)并不是粘連的根本原因。

        圖6 降低表面粗糙度要求的搖臂試驗后仍粘連

        (7)對搖臂加工工藝進(jìn)行排查 2018年的庫存搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和圓柱度精度都較差,而2021年的故障件內(nèi)孔表面質(zhì)量都非常好,對于這個問題,經(jīng)與供方工藝人員進(jìn)一步確認(rèn),原先搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和圓柱度經(jīng)常超差,供方于2021年11月對加工工藝進(jìn)行了改進(jìn),內(nèi)孔精加工由珩磨加滾壓改為精鏜加滾壓,工藝改進(jìn)后搖臂內(nèi)孔質(zhì)量達(dá)到圖樣要求。

        搖臂內(nèi)孔這兩種加工工藝究竟有什么本質(zhì)區(qū)別呢?通過查閱相關(guān)資料可知,金屬機(jī)械加工并不改變金屬的物理特性[3],但是從不同加工工藝時搖臂內(nèi)孔100倍放大圖像上可以看出,珩磨的搖臂內(nèi)孔表面形成較深的網(wǎng)狀溝槽(見圖7),這種溝槽能夠儲存潤滑油,非常有利于在搖臂和搖臂軸的運(yùn)動副之間形成潤滑油膜。精鏜的內(nèi)孔表面只有平行且較淺的溝槽(見圖8),這樣的結(jié)構(gòu)不利于儲存潤滑油和形成油膜,因此搖臂與搖臂軸因干摩擦而相互咬合、發(fā)生粘連。磷化處理的搖臂內(nèi)孔表面有一層磷酸鹽多孔薄膜(見圖9),這一多孔薄膜同樣有儲油、減少摩擦的作用,對防止初期咬合粘連有作用,這就解釋了磷化能臨時解決搖臂與搖臂軸粘連的機(jī)理。

        圖7 珩磨內(nèi)孔100倍放大圖

        圖8 精鏜內(nèi)孔100倍放大圖

        圖9 磷化內(nèi)孔100倍放大圖

        4 解決方案

        根據(jù)上述分析,我們鎖定搖臂與搖臂軸粘連的根本原因是搖臂內(nèi)孔加工工藝發(fā)生變化,由珩磨加滾壓改為精鏜加滾壓,搖臂內(nèi)孔失去了珩磨形成的網(wǎng)狀溝槽、喪失了儲存潤滑油的功能,造成搖臂與搖臂軸因干摩擦而相互咬合、發(fā)生粘連[4]。我們聯(lián)系供方將搖臂內(nèi)孔加工工藝恢復(fù)成原來的珩磨加滾壓,通過裝機(jī)進(jìn)行出廠試驗和500h耐久試驗,搖臂與搖臂軸都正常接觸,沒有再發(fā)生咬合、粘連故障(見圖10~圖13)。后我們又與供方一起,重點對搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和圓柱度進(jìn)行工藝攻關(guān),現(xiàn)已滿足圖樣要求。

        圖10 加工工藝恢復(fù)后做完出廠試驗的搖臂內(nèi)孔

        圖11 加工工藝恢復(fù)后做完出廠試驗的搖臂軸

        圖12 加工工藝恢復(fù)后做500h耐久試驗的搖臂內(nèi)孔

        圖13 加工工藝恢復(fù)后做500h耐久試驗的搖臂軸

        綜上,該型柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)搖臂與搖臂軸咬合、粘連問題,通過搖臂內(nèi)孔加工工藝恢復(fù)得以徹底解決。

        5 結(jié)束語

        實施臨時改進(jìn)措施和恢復(fù)搖臂內(nèi)孔加工工藝后問題得以解決,總結(jié)如下。

        1)磷化處理的零件表面會形成一層磷酸鹽多孔薄膜,該結(jié)構(gòu)有儲油、減少摩擦的作用,能夠提高磨合性,對防止鋼件運(yùn)動副初期咬合、粘連有顯著效果。

        2)珩磨加工的零件表面,能形成較深的網(wǎng)狀溝槽,這種溝槽能夠儲存潤滑油,非常有利于在運(yùn)動副之間形成潤滑油膜,能防止運(yùn)動副表面因干摩擦而相互咬合、發(fā)生粘連。

        3)對于成熟的零件,任何一項更改都要充分識別風(fēng)險,不能忽視細(xì)微的差別,一有不慎,后患無窮。

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