新聞主題	柴油機氣缸蓋閥座跳動(dòng)、圓度及密封線(xiàn)角度檢測技術(shù)

 

摘要：氣缸蓋進(jìn)排氣機構是柴油發(fā)電機進(jìn)排氣系統的主要部分，其閥座的加工精度直接影響柴油發(fā)電機的工作性能，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(guò)程中由于加工系統的振動(dòng)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)電機廠(chǎng)為了保證缸蓋燃燒室的泄漏量達到要求，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(lái)有效監控閥座加工質(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控了閥座加工過(guò)程中的質(zhì)量風(fēng)險，通過(guò)過(guò)程質(zhì)量保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

 

      隨著(zhù)柴油發(fā)電機需求的大幅增加，各個(gè)柴油發(fā)電機廠(chǎng)及零部件企業(yè)為了保證缸蓋燃燒室的泄漏量達到產(chǎn)品規定的要求，不僅采用先進(jìn)的制造工藝，如先用粗鏜刀鏜其密封帶孔，然后再采用精鉸復合刀锪鉸3個(gè)成形面，還采用了大量新的檢測技術(shù)和方法來(lái)有效監控閥座加工質(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(guò)程中的閥座角度、密封帶寬度、直線(xiàn)度、圓度、跳動(dòng)及位置等幾何量參數進(jìn)行嚴格的質(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控了閥座加工過(guò)程中的質(zhì)量風(fēng)險，通過(guò)過(guò)程質(zhì)量保證了產(chǎn)品質(zhì)量。在此，康明斯公司結合多年的實(shí)踐經(jīng)驗，總結了柴油發(fā)電機零部件的檢測經(jīng)驗談?wù)劜裼桶l(fā)電機缸蓋氣門(mén)閥座的質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展狀況。

一、閥座跳動(dòng)、圓度檢測技術(shù)

 

      閥座跳動(dòng)是監控缸蓋閥座加工質(zhì)量的一個(gè)重要參數，它可以綜合控制閥座密封帶的圓度誤差、閥座相對導管孔的方向誤差和位置誤差。由于跳動(dòng)的檢測方法直觀(guān)，成本很低，且容易通過(guò)專(zhuān)用夾具實(shí)現，普及率很高，幾乎每一個(gè)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(guò)閥座跳動(dòng)進(jìn)行間接控制，只要跳動(dòng)合格就認為圓度合格，但實(shí)踐中發(fā)現仍然有零件發(fā)生泄漏，然后需再用紅丹粉進(jìn)行圓度定性檢查。后來(lái)有了電感式傳感器和大型圓度儀才使得圓度得以準確定量的測量。

      最初的閥座跳動(dòng)專(zhuān)用夾具，其前端采用光滑圓柱芯軸來(lái)模擬導管孔軸線(xiàn)，后端用一鋼球接觸到閥座量規位置，或者直接用杠桿千分表的表頭接觸到閥座量規位置。轉動(dòng)檢具將閥座的周向變動(dòng)量通過(guò)鋼球傳遞到千分表上，通過(guò)手工旋轉進(jìn)行測量，觀(guān)察檢具旋轉一周內千分表示值的最大變化量，即為閥座相對于導管孔的跳動(dòng)誤差。這種檢具由于成本很低，目前還在相當一部分柴油發(fā)電機零部件制造企業(yè)中應用。

      此類(lèi)型檢具的測量精度與模擬導管孔軸線(xiàn)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(lái)源于芯軸與導管孔的配合間隙；后來(lái)采用組合芯軸，誤差可適當減小，缺點(diǎn)就是測量時(shí)用力過(guò)大，之后很容易將芯軸卡死；接著(zhù)改為結構簡(jiǎn)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(cháng)度增加；再后來(lái)有部分企業(yè)開(kāi)始使用漲緊芯軸。目前業(yè)內企業(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構簡(jiǎn)單、制造容易，其缺點(diǎn)是基準孔本身的幾何精度誤差會(huì )降低定位的穩定性，產(chǎn)生測量誤差。由于柴油發(fā)電機缸蓋導管孔直徑都在φ10mm以下，很少使用全面漲緊芯軸和高精度彈性漲套來(lái)模擬導管孔軸線(xiàn)。

      隨著(zhù)氣動(dòng)檢測技術(shù)的發(fā)展，在20世紀80年代后期，出現了氣動(dòng)檢測閥座跳動(dòng)的檢具。最初的氣動(dòng)閥座跳動(dòng)檢具僅在導管孔上截面布置1個(gè)氣動(dòng)噴嘴，使用1個(gè)氣動(dòng)傳感器，基準是通過(guò)球冠模擬閥座中心和3個(gè)φ2mm的小球（其中1個(gè)球粘在彈性體上）模擬導管孔下截面中心的連線(xiàn)構建的，利用手動(dòng)旋轉檢具一周，觀(guān)察氣動(dòng)量?jì)x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(gè)氣動(dòng)傳感器，同時(shí)測量時(shí)需要手動(dòng)旋轉，測量誤差還是較大。后來(lái)在導管孔下截面上也布置了1個(gè)氣動(dòng)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(gè)氣動(dòng)差壓傳感器，測量結果通過(guò)電子柱顯示，測量精度有了一定的提高；接著(zhù)又有在上下截面配置同直徑噴嘴成180°對向布置，采用兩個(gè)氣動(dòng)傳感器，同時(shí)在接觸閥座的檢具球冠上裝上了氣動(dòng)噴嘴，在手柄部位裝上了電動(dòng)機，利用電動(dòng)機驅動(dòng)測頭旋轉，同時(shí)采樣點(diǎn)數也大量增加，測量結果通過(guò)工控機分析顯示，測量精度和效率大幅度提高。目前，以上三種檢測閥座跳動(dòng)的氣動(dòng)檢具仍然在許多柴油發(fā)電機企業(yè)中使用。

      到21世紀初，閥座跳動(dòng)的氣動(dòng)檢具已發(fā)展成如圖2所示集跳動(dòng)、同軸度和圓度測量于一體，通過(guò)工控機分析顯示圖形，且帶有SPC統計分析功能，能夠做到實(shí)時(shí)測量監控。該檢具氣動(dòng)測頭噴嘴配置為：導管部分配2個(gè)測量截面和4個(gè)獨立孔式氣動(dòng)噴嘴，噴嘴180°分布；閥座部分配1個(gè)球形接觸式氣動(dòng)噴嘴；手柄部分配電動(dòng)機，驅動(dòng)測頭旋轉；配置專(zhuān)用定位板，測量時(shí)檢具手柄定位在定位板上，測量結果排除人員誤差；配置最大/最小值綜合校準件，根據零件的圓度和跳動(dòng)最大公差要求設計制造，用于測頭的日常標定以及測量結果的驗證。該檢具克服了以上3種氣動(dòng)檢具的缺點(diǎn)，跳動(dòng)測量精度和效率得到了進(jìn)一步提高。

      由于氣動(dòng)測頭測量閥座圓度上的局限性，檢具供應商又開(kāi)發(fā)了電感式閥座跳動(dòng)、圓度綜合儀。該測量?jì)x系統配置為：導管部分配2個(gè)測量截面，下截面有一個(gè)彈性體的定位中心點(diǎn)（無(wú)傳感器），上截面配一個(gè)接觸式球形電子測頭；閥座部分配1個(gè)球形接觸式球形電子測頭；手柄部分配電動(dòng)機，驅動(dòng)測頭旋轉；配置最大/最小值綜合校準件，根據零件的圓度和跳動(dòng)最大公差要求設計制造，用于測頭的日常標定以及測量結果的驗證。該檢具由于采用電感式測量原理，閥座圓度測量精度可達0.1mm，跳動(dòng)測量精度可達1mm。缺點(diǎn)是由于重量輕，測量時(shí)需要人手持手柄，因此測量結果有一定的人為誤差；其次是導管下截面采用3個(gè)鋼球定位，由于鋼球是粘在彈性體上，使用不當易造成鋼球脫落。

      隨著(zhù)三坐標測量機掃描技術(shù)的發(fā)展，再加上全尺寸測量的需要，越來(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始采用三坐標測量缸蓋閥座跳動(dòng)和圓度，其測量原理是首先測量導管孔圓柱，建立基準；測量閥座圓錐，求出量規位置；設置量規圓，將法向按照圓錐矢量設置；進(jìn)行掃描，分析評價(jià)出跳動(dòng)和圓度。

      在此，以PC.DMIS測量軟件為例介紹三坐標掃描測量閥座跳動(dòng)和圓度的參數設置及閥座跳動(dòng)評價(jià)方法。零件測量時(shí)的放置如圖4所示，導孔測量參數設置原則為：filter為15upr，測量特征圓3層，每層超過(guò)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(xiàn)將作為閥座徑向跳動(dòng)的基準。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層圓構造成1個(gè)圓錐，中間一層掃描盡量掃在閥座中間位置；使用構造的圓錐作為過(guò)濾的理論值，閥座上量規圓處掃描的那層圓作為過(guò)濾對象，輸入理論值進(jìn)行調整過(guò)濾；將所有點(diǎn)沿圓錐母線(xiàn)方向投影，使所有掃描點(diǎn)處于測量的同一高度；消除機器空間定位帶來(lái)的點(diǎn)的位置波動(dòng)，把調整過(guò)濾后的特征構造成一個(gè)圓特征，也就是量規圓；按照過(guò)濾參數要求使用高斯過(guò)濾，選擇filter 為50upr要求進(jìn)行過(guò)濾，每層截面圓點(diǎn)數大于360點(diǎn)，評價(jià)閥座的圓度與跳動(dòng)。

 

氣缸蓋閥座的氣密性檢測設備結構圖

 

二、閥座密封線(xiàn)角度綜合檢具測量

 

1、圓度儀測量閥座跳動(dòng)技術(shù)

      首先通過(guò)導管孔對工件進(jìn)行調平調心，然后測量導管孔圓柱，建立基準；再在閥座圓錐面上進(jìn)行掃描，最后分析計算閥座跳動(dòng)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0.1mm。測量跳動(dòng)的精度受調平調心精度的影響，其特點(diǎn)是需要專(zhuān)用測量支架將導管孔軸線(xiàn)與圓度儀軸線(xiàn)放置基本平行，然后再利用自動(dòng)調平調心功能將導管軸線(xiàn)調到與圓度儀軸線(xiàn)完全平行，否則將影響其跳動(dòng)測量精度。

 

零件直線(xiàn)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(gè)貼合面，寬度約為0.1?mm，閥座下邊緣布置1個(gè)氣動(dòng)測量球； 測量時(shí)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(guò)球測頭位移反應來(lái)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，兩次的測量結果之和即為全角；當閥座角度增大時(shí)，球的位移量減??；反之，如果閥座角度減小時(shí)，球的位移量增大。

3、閥座直線(xiàn)度和密封帶寬度檢測技術(shù)

      檢具配有高精度直線(xiàn)導軌，導軌上配有直線(xiàn)電動(dòng)機，驅動(dòng)導軌上的測頭延閥座方向移動(dòng)，測頭為2?μm的氣動(dòng)噴嘴，氣動(dòng)噴嘴的精度為0.2?μm。

      具體測量原理為：測頭以導管孔及閥座定位，閥座沿母線(xiàn)方向布置特殊檔板式氣動(dòng)噴嘴，由電動(dòng)機驅動(dòng)沿閥座母線(xiàn)方向爬行，爬行過(guò)程中，接觸時(shí)氣動(dòng)測頭以200點(diǎn)/s的掃描頻率掃描閥座面，測量方式類(lèi)似于輪廓度儀；直線(xiàn)導軌的行程約為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?xún)?，可以使用一把檢具共用于進(jìn)、排氣閥座測量；當測頭爬行經(jīng)過(guò)閥座的下邊緣時(shí)，程序開(kāi)始計算閥座的寬度和直線(xiàn)度，當測頭爬行經(jīng)過(guò)閥座的上邊緣時(shí)，程序終止計算，同時(shí)給出閥座直線(xiàn)度、寬度的計算結果。檢具可以在寬度、角度校準件中模擬測量，并與計量給定的標準計量值比對，用于日常確認檢具的精度和測量結果的準確性。

  

缸蓋閥座質(zhì)量測量示意圖

 

三、結語(yǔ)

 

      由于缸蓋氣門(mén)閥座的制造質(zhì)量非常重要，各個(gè)柴油發(fā)電機制造廠(chǎng)都規定了嚴格的質(zhì)量監控頻次，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可根據設備能力，適當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(gè)綜合性能檢具，當測量閥座密封性時(shí)，發(fā)現零件泄漏量偏大或超差，應采取如下質(zhì)量控制與改進(jìn)措施：

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

（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)電機的磨合能起到一定的作用。

      如果以上工藝參數都符合要求，則需要從微觀(guān)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(xiàn)度檢具測量閥座微觀(guān)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(guò)分析異常原因并實(shí)施改進(jìn)，確保缸蓋閥座加工質(zhì)量。

 

 

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