新聞主題	柴油機(jī)氣缸蓋閥座跳動、圓度及密封線角度檢測技術(shù)

 

摘要：氣缸蓋進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)是柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的主要部分，其閥座的加工精度直接影響柴油發(fā)電機(jī)的工作性能，是缸蓋加工的關(guān)鍵工序。由于閥座加工部位的特殊性，加工過程中由于加工系統(tǒng)的振動等各種原因很容易造成閥座密封帶的形狀和位置發(fā)生偏差，影響燃燒室的氣密性。柴油發(fā)電機(jī)廠為了保證缸蓋燃燒室的泄漏量達(dá)到要求，除了采用先進(jìn)的制造工藝外，還采用了大量新的檢測技術(shù)和方法來有效監(jiān)控閥座加工質(zhì)量。本文中先進(jìn)的檢測技術(shù)和質(zhì)量控制方法有效地監(jiān)控了閥座加工過程中的質(zhì)量風(fēng)險，通過過程質(zhì)量保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

 

      隨著柴油發(fā)電機(jī)需求的大幅增加，各個柴油發(fā)電機(jī)廠及零部件企業(yè)為了保證缸蓋燃燒室的泄漏量達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的要求，不僅采用先進(jìn)的制造工藝，如先用粗鏜刀鏜其密封帶孔，然后再采用精鉸復(fù)合刀锪鉸3個成形面，還采用了大量新的檢測技術(shù)和方法來有效監(jiān)控閥座加工質(zhì)量，如除了對缸蓋閥座的泄漏量進(jìn)行功能性檢查外，還針對缸蓋閥座加工過程中的閥座角度、密封帶寬度、直線度、圓度、跳動及位置等幾何量參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢測。先進(jìn)的檢測技術(shù)和質(zhì)量控制方法有效地監(jiān)控了閥座加工過程中的質(zhì)量風(fēng)險，通過過程質(zhì)量保證了產(chǎn)品質(zhì)量。在此，康明斯公司結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗，總結(jié)了柴油發(fā)電機(jī)零部件的檢測經(jīng)驗談?wù)劜裼桶l(fā)電機(jī)缸蓋氣門閥座的質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

一、閥座跳動、圓度檢測技術(shù)

 

      閥座跳動是監(jiān)控缸蓋閥座加工質(zhì)量的一個重要參數(shù)，它可以綜合控制閥座密封帶的圓度誤差、閥座相對導(dǎo)管孔的方向誤差和位置誤差。由于跳動的檢測方法直觀，成本很低，且容易通過專用夾具實現(xiàn)，普及率很高，幾乎每一個生產(chǎn)缸蓋的企業(yè)都必須配置，因此該項檢測技術(shù)發(fā)展很快。

      最初閥座的圓度是通過閥座跳動進(jìn)行間接控制，只要跳動合格就認(rèn)為圓度合格，但實踐中發(fā)現(xiàn)仍然有零件發(fā)生泄漏，然后需再用紅丹粉進(jìn)行圓度定性檢查。后來有了電感式傳感器和大型圓度儀才使得圓度得以準(zhǔn)確定量的測量。

      最初的閥座跳動專用夾具，其前端采用光滑圓柱芯軸來模擬導(dǎo)管孔軸線，后端用一鋼球接觸到閥座量規(guī)位置，或者直接用杠桿千分表的表頭接觸到閥座量規(guī)位置。轉(zhuǎn)動檢具將閥座的周向變動量通過鋼球傳遞到千分表上，通過手工旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測量，觀察檢具旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)千分表示值的最大變化量，即為閥座相對于導(dǎo)管孔的跳動誤差。這種檢具由于成本很低，目前還在相當(dāng)一部分柴油發(fā)電機(jī)零部件制造企業(yè)中應(yīng)用。

      此類型檢具的測量精度與模擬導(dǎo)管孔軸線的芯軸的型式和制造精度有很大的關(guān)系，最初采用的芯軸為光滑圓柱芯軸，采用分組使用，其誤差主要來源于芯軸與導(dǎo)管孔的配合間隙；后來采用組合芯軸，誤差可適當(dāng)減小，缺點(diǎn)就是測量時用力過大，之后很容易將芯軸卡死；接著改為結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的錐度芯軸，定位誤差比光滑芯軸定位誤差小，缺點(diǎn)是定位誤差與錐度有關(guān)，若要提高精度就要減少錐度，從而使芯軸長度增加；再后來有部分企業(yè)開始使用漲緊芯軸。目前業(yè)內(nèi)企業(yè)大都使用的是單邊漲緊芯軸，用的比較多的型式有四種：彈簧片式、彈簧鋼球式、錐面鋼球式和斜面鋼球漲塊。這幾種單邊漲緊芯軸結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，其缺點(diǎn)是基準(zhǔn)孔本身的幾何精度誤差會降低定位的穩(wěn)定性，產(chǎn)生測量誤差。由于柴油發(fā)電機(jī)缸蓋導(dǎo)管孔直徑都在φ10mm以下，很少使用全面漲緊芯軸和高精度彈性漲套來模擬導(dǎo)管孔軸線。

      隨著氣動檢測技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了氣動檢測閥座跳動的檢具。最初的氣動閥座跳動檢具僅在導(dǎo)管孔上截面布置1個氣動噴嘴，使用1個氣動傳感器，基準(zhǔn)是通過球冠模擬閥座中心和3個φ2mm的小球（其中1個球粘在彈性體上）模擬導(dǎo)管孔下截面中心的連線構(gòu)建的，利用手動旋轉(zhuǎn)檢具一周，觀察氣動量儀顯示表上指針的變化量，測量效率有了明顯提高。但由于僅有1個氣動傳感器，同時測量時需要手動旋轉(zhuǎn)，測量誤差還是較大。后來在導(dǎo)管孔下截面上也布置了1個氣動噴嘴，上下截面噴嘴成180°對向布置，且噴嘴直徑不一樣，采用一個氣動差壓傳感器，測量結(jié)果通過電子柱顯示，測量精度有了一定的提高；接著又有在上下截面配置同直徑噴嘴成180°對向布置，采用兩個氣動傳感器，同時在接觸閥座的檢具球冠上裝上了氣動噴嘴，在手柄部位裝上了電動機(jī)，利用電動機(jī)驅(qū)動測頭旋轉(zhuǎn)，同時采樣點(diǎn)數(shù)也大量增加，測量結(jié)果通過工控機(jī)分析顯示，測量精度和效率大幅度提高。目前，以上三種檢測閥座跳動的氣動檢具仍然在許多柴油發(fā)電機(jī)企業(yè)中使用。

      到21世紀(jì)初，閥座跳動的氣動檢具已發(fā)展成如圖2所示集跳動、同軸度和圓度測量于一體，通過工控機(jī)分析顯示圖形，且?guī)в蠸PC統(tǒng)計分析功能，能夠做到實時測量監(jiān)控。該檢具氣動測頭噴嘴配置為：導(dǎo)管部分配2個測量截面和4個獨(dú)立孔式氣動噴嘴，噴嘴180°分布；閥座部分配1個球形接觸式氣動噴嘴；手柄部分配電動機(jī)，驅(qū)動測頭旋轉(zhuǎn)；配置專用定位板，測量時檢具手柄定位在定位板上，測量結(jié)果排除人員誤差；配置最大/最小值綜合校準(zhǔn)件，根據(jù)零件的圓度和跳動最大公差要求設(shè)計制造，用于測頭的日常標(biāo)定以及測量結(jié)果的驗證。該檢具克服了以上3種氣動檢具的缺點(diǎn)，跳動測量精度和效率得到了進(jìn)一步提高。

      由于氣動測頭測量閥座圓度上的局限性，檢具供應(yīng)商又開發(fā)了電感式閥座跳動、圓度綜合儀。該測量儀系統(tǒng)配置為：導(dǎo)管部分配2個測量截面，下截面有一個彈性體的定位中心點(diǎn)（無傳感器），上截面配一個接觸式球形電子測頭；閥座部分配1個球形接觸式球形電子測頭；手柄部分配電動機(jī)，驅(qū)動測頭旋轉(zhuǎn)；配置最大/最小值綜合校準(zhǔn)件，根據(jù)零件的圓度和跳動最大公差要求設(shè)計制造，用于測頭的日常標(biāo)定以及測量結(jié)果的驗證。該檢具由于采用電感式測量原理，閥座圓度測量精度可達(dá)0.1mm，跳動測量精度可達(dá)1mm。缺點(diǎn)是由于重量輕，測量時需要人手持手柄，因此測量結(jié)果有一定的人為誤差；其次是導(dǎo)管下截面采用3個鋼球定位，由于鋼球是粘在彈性體上，使用不當(dāng)易造成鋼球脫落。

      隨著三坐標(biāo)測量機(jī)掃描技術(shù)的發(fā)展，再加上全尺寸測量的需要，越來越多的用戶開始采用三坐標(biāo)測量缸蓋閥座跳動和圓度，其測量原理是首先測量導(dǎo)管孔圓柱，建立基準(zhǔn)；測量閥座圓錐，求出量規(guī)位置；設(shè)置量規(guī)圓，將法向按照圓錐矢量設(shè)置；進(jìn)行掃描，分析評價出跳動和圓度。

      在此，以PC.DMIS測量軟件為例介紹三坐標(biāo)掃描測量閥座跳動和圓度的參數(shù)設(shè)置及閥座跳動評價方法。零件測量時的放置如圖4所示，導(dǎo)孔測量參數(shù)設(shè)置原則為：filter為15upr，測量特征圓3層，每層超過360點(diǎn)，圓柱度將由以上全部點(diǎn)進(jìn)行計算，并且計算出的圓柱軸線將作為閥座徑向跳動的基準(zhǔn)。閥座測量處理方法為：首先在閥座上使用基本掃描圓測量3層圓，把這3層圓構(gòu)造成1個圓錐，中間一層掃描盡量掃在閥座中間位置；使用構(gòu)造的圓錐作為過濾的理論值，閥座上量規(guī)圓處掃描的那層圓作為過濾對象，輸入理論值進(jìn)行調(diào)整過濾；將所有點(diǎn)沿圓錐母線方向投影，使所有掃描點(diǎn)處于測量的同一高度；消除機(jī)器空間定位帶來的點(diǎn)的位置波動，把調(diào)整過濾后的特征構(gòu)造成一個圓特征，也就是量規(guī)圓；按照過濾參數(shù)要求使用高斯過濾，選擇filter 為50upr要求進(jìn)行過濾，每層截面圓點(diǎn)數(shù)大于360點(diǎn)，評價閥座的圓度與跳動。

 

氣缸蓋閥座的氣密性檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

 

二、閥座密封線角度綜合檢具測量

 

1、圓度儀測量閥座跳動技術(shù)

      首先通過導(dǎo)管孔對工件進(jìn)行調(diào)平調(diào)心，然后測量導(dǎo)管孔圓柱，建立基準(zhǔn)；再在閥座圓錐面上進(jìn)行掃描，最后分析計算閥座跳動和圓度。圓度儀測量閥座圓度是最通用的方法，其圓度測量精度可達(dá)0.1mm。測量跳動的精度受調(diào)平調(diào)心精度的影響，其特點(diǎn)是需要專用測量支架將導(dǎo)管孔軸線與圓度儀軸線放置基本平行，然后再利用自動調(diào)平調(diào)心功能將導(dǎo)管軸線調(diào)到與圓度儀軸線完全平行，否則將影響其跳動測量精度。

 

零件直線度表示方法

零件圓度表示方法

 

2、角度測量技術(shù)

      測頭上在閥座上邊緣處布一個貼合面，寬度約為0.1?mm，閥座下邊緣布置1個氣動測量球； 測量時放置在被測零件的閥座上，被測零件的角度發(fā)生變化是通過球測頭位移反應(yīng)來測量閥座角度的；每次測量的是閥座的半角，若要測量全角，檢具需要分兩次成180°放置在被測零件的閥座上，兩次的測量結(jié)果之和即為全角；當(dāng)閥座角度增大時，球的位移量減小；反之，如果閥座角度減小時，球的位移量增大。

3、閥座直線度和密封帶寬度檢測技術(shù)

      檢具配有高精度直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上配有直線電動機(jī)，驅(qū)動導(dǎo)軌上的測頭延閥座方向移動，測頭為2?μm的氣動噴嘴，氣動噴嘴的精度為0.2?μm。

      具體測量原理為：測頭以導(dǎo)管孔及閥座定位，閥座沿母線方向布置特殊檔板式氣動噴嘴，由電動機(jī)驅(qū)動沿閥座母線方向爬行，爬行過程中，接觸時氣動測頭以200點(diǎn)/s的掃描頻率掃描閥座面，測量方式類似于輪廓度儀；直線導(dǎo)軌的行程約為10?mm，如果被測零件的進(jìn)、排氣閥座角度一致，且直徑在可爬行范圍以內(nèi)，可以使用一把檢具共用于進(jìn)、排氣閥座測量；當(dāng)測頭爬行經(jīng)過閥座的下邊緣時，程序開始計算閥座的寬度和直線度，當(dāng)測頭爬行經(jīng)過閥座的上邊緣時，程序終止計算，同時給出閥座直線度、寬度的計算結(jié)果。檢具可以在寬度、角度校準(zhǔn)件中模擬測量，并與計量給定的標(biāo)準(zhǔn)計量值比對，用于日常確認(rèn)檢具的精度和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

  

缸蓋閥座質(zhì)量測量示意圖

 

三、結(jié)語

 

      由于缸蓋氣門閥座的制造質(zhì)量非常重要，各個柴油發(fā)電機(jī)制造廠都規(guī)定了嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控頻次，因此，在實際生產(chǎn)中可根據(jù)設(shè)備能力，適當(dāng)加大閥座密封性的檢測頻次。密封性檢具是模擬裝配的一個綜合性能檢具，當(dāng)測量閥座密封性時，發(fā)現(xiàn)零件泄漏量偏大或超差，應(yīng)采取如下質(zhì)量控制與改進(jìn)措施：

（1）使用跳動和圓度檢具測量閥座，判斷閥座圓度和跳動是否超差，閥座圓度對于泄漏的影響最大，其次是閥座跳動。

（2）再使用角度檢具測量閥座角度，閥座角度對于密封性的影響較小，但對于日后柴油發(fā)電機(jī)的磨合能起到一定的作用。

      如果以上工藝參數(shù)都符合要求，則需要從微觀角度分析原因，主要是考慮閥座表面的粗糙度和波紋度以及是否有斷帶，因此需再使用閥座帶寬和直線度檢具測量閥座微觀輪廓，判斷閥座表面是否有刀具磨損等原因造成的加工缺陷。通過分析異常原因并實施改進(jìn)，確保缸蓋閥座加工質(zhì)量。

 

 

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