3EA113發(fā)動機曲軸加工質(zhì)量問題的探討

1、EA113發(fā)動機球鐵曲軸加工質(zhì)量問題的探討一汽鑄造公司特種鑄造廠 高廣闊 摘要：本文主要介紹我廠針對EA113發(fā)動機球鐵曲軸，在加工過程中出現(xiàn)一些常見的質(zhì)量問題，通過較細(xì)致研究分析，對癥下藥，采用一系列技術(shù)措施，較好的解決了諸多問題，有效的降低了曲軸加工廢品率。關(guān)鍵詞：曲軸加工、 質(zhì)量問題 、攻關(guān)解決。一、前言曲軸是汽車發(fā)動機上的關(guān)鍵零件之一，其性能的好壞直接影響汽車質(zhì)量和壽命。曲軸在發(fā)動機中承擔(dān)最大負(fù)荷和全部功率，承受著強大的方向不斷變化的彎矩及扭矩，也承受著高速旋轉(zhuǎn)中長時間的磨損，因此，不但要求曲軸材質(zhì)具有較好的剛性、疲勞強度和良好的耐磨性能，而且，也要求曲軸加工后其表面不允許有任何鑄造缺

2、陷。我廠從2006年開始為一汽-大眾公司EA113發(fā)動機獨家供應(yīng)曲軸毛坯，完全實現(xiàn)曲軸國產(chǎn)化，其曲軸毛坯質(zhì)量和性能要求非常高，抗拉強度b700Mpa，延伸率3%，硬度HB250以上。淬火硬度為HRC55以上，曲軸表面粗糙度為Ra6.3Ra3.2，曲軸尺寸精度為CT5CT6級。另外，曲軸加工后其表面質(zhì)量要求很高，不允許有任何用肉眼能看見的缺陷。在供貨的初期，曲軸的內(nèi)外廢品率都非常高，特別是曲軸在一汽-大眾公司加工時連續(xù)出現(xiàn)淬火裂紋、內(nèi)部縮孔縮松、一連桿石墨析出和軸頸表面渣氣孔等質(zhì)量問題。幾年來，我們針對曲軸的加工質(zhì)量問題進行了扎扎實實的研究和攻關(guān)，并取得較好的效果，到2010年,曲軸的內(nèi)廢率控制

3、在1.0%左右，外廢率控制在03%左右，曲軸的綜合廢品率控制在150%以下。 二、 曲軸加工質(zhì)量問題的研究攻關(guān)（一）、曲軸淬火裂紋問題曲軸材質(zhì)因是球墨鑄鐵、組織不均、導(dǎo)電性差，因此，曲軸軸徑淬火時易出現(xiàn)裂紋。曲軸在汽車行駛過程中主要承受復(fù)雜的彎曲扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，那么曲軸軸徑淬火裂紋就擴展，最后可能會導(dǎo)致斷裂。EA113發(fā)動機的R06A曲軸在供貨初期，曲軸淬火時連桿軸徑油道孔邊緣產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時裂紋廢品率在40以上，一汽大眾公司對曲軸的淬火裂紋的檢查要求是，只要有一件裂紋，整批曲軸全部報廢。 . 1. 曲軸淬火裂紋成因分析 1.1、淬火裂紋缺陷特征 在連桿軸徑的油道孔邊緣處，經(jīng)熒光磁粉

4、探傷后才能發(fā)現(xiàn)，裂紋長度大約在15mm，深度為0.53mm，對淬火裂紋缺陷進行SEM電子掃描（能譜分析），其圖像如圖2。 圖1 淬火裂紋缺陷 圖2 SEM電子掃圖像12、對裂紋件進行球化率、珠光體、球徑、滲碳體及硬度分析： 表1 球化率、珠光體、球徑、滲碳體及硬度件號球化等級珠光體球徑（級）滲碳體磷共晶硬度HB淬火硬HRC12855223557238050.522851347051217474385612254853856024059 從上表看出，球化率，珠光體量偏低，硬度偏低，球徑偏大。 圖3 曲軸裂紋區(qū)域金相組織情況從金相照片中看出，該處球徑不規(guī)整，石墨球數(shù)少，球徑大，球化不良。13、 對

5、裂紋件進行化學(xué)成分分析 表2 曲軸化學(xué)成分件號CSiMnSPCuSnCrNiMg13.752.100.180.0200.0500.420.0300.0150.0050.03523.681.980.210.0290.0580.0450.0280.0120.0060.02833.732.150.220.0280.0600.0480.0350.0110.0080.02943.672.120.230.0230.0520.0430.0320.0150.0080.03153.622.210.210.0240.0620.0450.0380.0120.0090.03014、 對進口的德國(HBH)曲軸進行分析

6、. 表3 德國(HBH)曲軸金相組織 件號球化等級球徑滲碳體磷共晶珠光體含量HB硬度淬火HRC11509025558215095269593150902505941509025557 德國曲軸的球化率、珠光體、球徑、滲碳體及硬度都比較好。. 15、 曲軸淬火裂紋的原因及機理分析. 球化不良、球化等級低、球徑大、球數(shù)少。由于球化不良，導(dǎo)致曲軸在淬火時淬火組織相變的應(yīng)力大于組織強度，使裂紋產(chǎn)生。. P、S元素的影響，當(dāng)鐵水中S元素的含量較高時,一般在0.02%以上,對球化就有影響，主要是S與球化劑中的Mg起化學(xué)反應(yīng)，生成MgS夾渣物，破壞和干擾石墨球的生成等。根據(jù)有關(guān)資料介紹，磷在鑄鐵中主要以磷共

7、晶的形態(tài)出現(xiàn)，一般磷量接近01%，就會出現(xiàn)2%左右的磷共晶，鑄鐵熱節(jié)部位，最容易產(chǎn)生磷共晶，磷共晶的數(shù)量高達5%以上。含磷量愈高，出現(xiàn)的磷共晶也愈多。對鑄態(tài)球墨鑄鐵來說，含磷量偏高，其塑性和韌性急劇下降。 （3）、珠光體含量低、硬度低。由于鐵素體在奧氏體轉(zhuǎn)變時沒有珠光體快，在淬到馬氏體時，組織中還有殘留部分鐵素體，這種奧氏體與鐵素體的混合組織強度不夠，易被拉裂，另外，奧氏體不完全，使淬火后的馬氏體硬度不夠，必須調(diào)高電壓、電流和延長加熱時間及冷卻時間，使淬火裂紋傾向加大。2、 采取技術(shù)措施：21、 改善曲軸的球化效果，提高曲軸球化等級。（1）用低鎂球化劑（5-6%Mg）和中鎂球化劑（6-7%Mg

8、）代替高鎂球化劑（8-9%Mg），保證球化反應(yīng)穩(wěn)定，鐵水一次出完，球化劑的加入量由高鎂時的1.2-14提高到1.55-165。（2）球化時鐵水量要準(zhǔn)確，使用電子稱定量鐵水。（3）用石灰脫硫劑和鐵削代替珍珠巖覆蓋球化劑，保證球化反應(yīng)穩(wěn)定。（4） 采用三次孕育處理工藝，球化處理一次孕育，倒包加二次孕育，澆注時隨流瞬時孕育。22、 合理調(diào)整曲軸合金成分，提高Cu、Mn、Cr、Ni含量，取消Sn 表4 曲軸合金成分（）成分CSiMnSPCuSnCrNi調(diào)整前35-3.8019-2.30.20-0300.020.060.30-050003-0050.01-0020.01-002調(diào)整后35-3.7520-

9、2.250.40-0550.020.060.50-0700.010.07-010.070-0123、合理調(diào)整爐料在生產(chǎn)初期，爐料主要以生鐵為主。表5 配料工藝序號材料名稱材料牌號配比1生鐵Q10（一組、一級、一類）50552廢鋼205103回爐料QT600340454電解銅Cu1 Cu20.60.85錫Sn1 Sn20.030.05 目前，曲軸的爐料還在不斷的優(yōu)化，但基本上是以廢鋼加增碳劑為主體的爐料工藝，具體配料工藝如下： 表6 配料工藝序號材料名稱技術(shù)條件配比1打包廢鋼C：0.150.23045220廢鋼C：0.20.310253增碳劑C：97991.534回爐料QT60034050 24

10、、增加爐前爐后化學(xué)成分的檢測及控制。 現(xiàn)規(guī)定，爐前化學(xué)成分不符合工藝規(guī)定，必須調(diào)整成分，進行復(fù)檢，復(fù)檢合格后才能出爐澆注。爐后化學(xué)成分的檢測由原來的每爐檢一塊光譜樣改為每球化包檢一塊光譜樣。25、加強曲軸爐后金相、硬度的檢驗每球化包要做一個金相和硬度的檢測外，清理時每爐曲軸還要做一個本體的金相和硬度檢測，加強金相和硬度的控制。26、制定曲軸化學(xué)成分及金相、硬度內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。 表7 內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)與曲軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)金相及硬度對比表檢測項目球化等級球徑等級滲碳體珠光體硬度曲軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1-3級5-8級1%75-95%HB200-270內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)1-2級6-8級05%85-95%HB240-270表8 內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)與曲軸

11、化學(xué)成分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比表（）成分CSiMnSPCuCrNi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)3.4-4.01.9-2.60.80.020.11.00.10.1內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)3.5-3.7520-240.4-0.550.0150.060.5-0.70.07-0.10.07-0.1 （二）、曲軸內(nèi)部縮孔縮松曲軸在大眾公司加工時，其軸頸內(nèi)部有縮孔或縮松，嚴(yán)重時縮孔縮松廢品率達到20，按德國曲軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部不允許有縮孔和縮松。 圖4曲軸加工后內(nèi)部縮孔 圖5曲軸大頭內(nèi)部縮孔1、曲軸內(nèi)部縮孔縮松的成因分析 由于球墨鑄鐵形成縮孔和縮松的傾向都很大，原因是和凝固時鑄件外形擴大有關(guān)，球墨鑄鐵糊狀凝固特性比灰鑄鐵強烈得多，在澆注后較長時間內(nèi)，球

12、墨鑄鐵是在一個強度低的塑性薄殼內(nèi)進行凝固的。在凝固時，共晶的石墨化膨脹很大，伴隨產(chǎn)生的共晶膨脹力也很大，再加上鐵水靜壓力的作用，就很容易使鑄件壁的表殼向外推移，使鑄件外形擴大，因而產(chǎn)生縮孔縮松。因此，就曲軸而言，其縮孔縮松的產(chǎn)生主要原因是： 1 1 曲軸補縮冒口起不到補縮作用；12 鐵水澆注溫度過低（低于1350），有時也過高（高于1450以上）；13 殼型粘結(jié)不好，殼型強度不夠，澆注時產(chǎn)生漲箱；14 個別時候曲軸碳硅含量偏低；15 有時砂箱鐵丸緊實度不夠；2、 解決曲軸內(nèi)部縮孔縮松的技術(shù)措施21 自行研制生產(chǎn)發(fā)熱保溫冒口和發(fā)熱塊，在補縮冒口內(nèi)放置一個發(fā)熱冒口襯或發(fā)熱塊，發(fā)熱保溫冒口的主要材料

13、組成：鋁粉、氧化鐵粉、木粉、電廠灰、樹脂，冒口如下圖； 圖6柱型發(fā)熱保溫冒口 圖7球型發(fā)熱保溫冒口 圖8發(fā)熱塊22 控制好澆注溫度，鐵水溫度控制在13801440；2 3自行研制生產(chǎn)熱粘結(jié)性能好的熱溶膠，保證殼型粘結(jié)牢固，在鐵水的沖擊下不漲箱；2 4 將C含量控制3.53.75，Si含量控制2.02.4,減少鐵水凝固時的收縮性。25 砂箱充填鐵丸時要添滿，震實20S以上，確保鐵丸緊實度。（三）、曲軸一連桿軸徑石墨（析出）漂浮 曲軸一連桿軸徑精車后，其表面出現(xiàn)成片黑點，嚴(yán)重時黑點廢品率達到15左右。對連桿小黑點進行SEM電子掃描（能譜分析）如圖9-10。 圖9 500倍電子掃描照片 圖10 10

14、0倍電子掃描照片SEM電子掃描（能譜分析）確認(rèn)連桿小黑點為石墨。1、 產(chǎn)生原因：11 曲軸是立澆底注的澆注工藝系統(tǒng)，曲軸一連桿軸徑在最下面，處于過熱狀態(tài)。也就是說曲軸一連桿軸徑是最大的熱節(jié)，易出現(xiàn)石墨（析出）漂浮。12 C含量有時過高，C：3.753.9，Si含量有時過高，Si：2.32.6。 13 殼型溫度高于80以上（因鐵丸溫度高100130，加熱了殼型溫度）。14 鑄件稀土含量過高，Re：0.040.07。2、 解決措施：2.1 嚴(yán)格控制C、Si含量，C：3.503.75，Si：202.422 加強鐵丸冷卻速度，減緩生產(chǎn)節(jié)拍，讓鐵丸充填殼型砂箱時溫度低于80。使殼型溫度低于50。23 在

15、曲軸一連桿軸徑易出現(xiàn)石墨漂浮的位置放置冷鐵塊，加速鐵水凝固速度。2.4 使用低稀土的球化劑，Re小于1.5。（四）、曲軸軸頸加工表面渣氣孔德國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定曲軸軸頸加工后不允許有任何缺陷，但我廠國產(chǎn)曲軸加工后其表面有渣氣孔缺陷存在，嚴(yán)重時廢品廢品率高達8左右。 圖11曲軸軸頸加工表面渣氣孔 1 、產(chǎn)生原因1 1 鐵水出爐溫度偏低14701500。導(dǎo)致球化處理后鐵水澆注溫度偏低13301370。鐵水中的一次細(xì)渣及二次反應(yīng)渣來不及上浮到表面，鐵水就凝固。使其微小渣孔殘留在鑄件加工深度24mm的范圍內(nèi)，加工便暴露出來。12 鐵水過濾效果差，鐵水造渣打渣效果不好。13、一噸球化包過大，四個澆包澆注，使鐵水降

16、溫過多。14、平咀澆包澆注時沒有擋渣效果。1. 5 爐料銹蝕及表面不干凈。2、 解決措施：21提高鐵水出爐溫度15101550。提高澆注溫度13801450。22 采用先進的有語音提示、數(shù)字顯示并與微機聯(lián)網(wǎng)的鐵水測溫儀，嚴(yán)格控制鐵水溫度。23 進行過濾網(wǎng)試驗優(yōu)化。對泡沫過慮網(wǎng)、直孔陶瓷過慮網(wǎng)等不同規(guī)格的過濾網(wǎng)生產(chǎn)試驗。通過對比試驗結(jié)果，最后選擇直孔陶瓷過慮網(wǎng)。24 在球化處理時，在球化劑上覆蓋脫硫劑，這樣起到造渣脫硫效果。特別可使鐵水的硫含量由0.025降到0.008。25 球化處理后及時采用高效聚渣劑造渣打渣。26 采用500公斤球化包，澆包采用茶壺咀，嚴(yán)格控制爐料質(zhì)量。（五）、曲軸加工表層

17、脫離曲軸在加工時，曲軸的大頭（有發(fā)蘭盤一端）表層約1-2mm厚度脫落下來，如圖12。脫落下來的圓圈破壞性很大，將自動刀具打壞，如果加工時沒有掉下來，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)中掉下來，將把整個發(fā)動機破壞，該缺陷出現(xiàn)的幾率約為0.02%。雖然缺陷幾率很小，但是破壞性非常大。 圖12曲軸加工表層脫離1、產(chǎn)生原因11、澆注時出現(xiàn)二次澆注（補澆）；12、澆注溫度過低；13、過濾網(wǎng)孔眼過細(xì)；14、第一澆注包烘烤溫度不夠；2、解決措施：21、提高澆注溫度；22、避免二次澆注；23、采用較大孔眼的過濾網(wǎng)；24、澆注包烘烤溫度大于700；（六）、曲軸動平衡不合格在發(fā)動機中曲軸是高速回轉(zhuǎn)另件，而曲軸由于不平衡產(chǎn)生的振動與其轉(zhuǎn)

18、速的平方成正比。振動對導(dǎo)致軸承承受的負(fù)荷增加、消耗的功率增加并降低軸承的壽命；振動增加工作時的噪音，使零件從總成上松動并產(chǎn)生疲勞失效等。對高速轉(zhuǎn)動的零件進行動平衡的目的就是消除和減小振動。因此，曲軸平衡精度的高低對發(fā)動機的振動、運行平穩(wěn)性及壽命都有很大的影響。動平衡是曲軸加工的最后一道工序，如果曲軸因動平衡不合格而報廢將會導(dǎo)致機加廠很大的浪費，引起強烈抱怨。圖13為動平衡不合格曲軸，國內(nèi)大部分曲軸加工廠家都采用SCHENCK公司的自動平衡機，但是每種曲軸不平衡量（最小為10gcm、最大30gcm）要求不一樣，所以各家的平衡能力有所差異，而且有的廠家配備手動平衡機有的沒有，進一步加劇了平衡能力的

19、差異。因此我廠必須保證曲軸毛坯的質(zhì)量。 圖13動平衡不合格曲軸 圖14曲軸錯型1、 曲軸動平衡不合格成因分析11、曲軸在制造過程中產(chǎn)生較大的變形量，導(dǎo)致曲軸不平衡量過大。12、曲軸產(chǎn)生較大的錯型，如圖14。14、曲軸由于漲殼造成連桿頸及主軸頸粗細(xì)不一，影響加工定位。15、曲軸清理不到位，定位點和夾緊點有凸起物引起定位偏差。16、加工廠設(shè)備平衡能力不足及缺乏動平衡經(jīng)驗。2、解決曲軸動平衡不合格措施：2.1、防止曲軸變形防止曲軸變形首先要防止型殼發(fā)生變形，由于制殼時型殼溫度較高，還沒有形成一定強度，因此易產(chǎn)生變形。我廠在制殼時采用了專用粘接板，專用粘接板的特點是根據(jù)曲軸的型殼輪廓做仿形設(shè)計，下粘接

20、板布置高度一致的頂桿，上粘接板布置彈簧頂桿。這樣就可以保證型殼在粘接時處在一個平面，不發(fā)生彎曲變形。另外我們在不影響生產(chǎn)節(jié)拍的前提下延長了型殼粘接時的保壓時間，進一步保證了粘接效果。在型殼的存放環(huán)節(jié)上我們設(shè)計了專用存殼車，型殼直立放置而且型殼互不擠壓。這樣每個環(huán)節(jié)都有效地防止了型殼變形。2.2、保證曲軸軸頸一致性為了防止曲軸漲殼，我們對型殼涂膠槽進行了改進，采用了凸凹配合式涂膠槽取代了以前的點狀涂膠圈，加大了型殼間的粘接面積和粘接力，通過工藝試驗發(fā)現(xiàn)采用該涂膠槽后曲軸漲殼量不超過0.5mm，既保證了曲軸軸頸尺寸的一致性又降低了清理曲軸飛邊的難度。在型殼裝箱環(huán)節(jié)我們增加了鐵丸的填充量和緊實度要求，通過加強型殼剛度防止曲軸漲殼。2.3、加工定位點位置曲軸加工廠家的定位方式都基本一樣，曲軸一五主軸頸為夾緊點，二三平衡塊為定位點。為了不影響廠家定位，我們對曲軸所有定位位置進行嚴(yán)格把關(guān)