3EA113發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工質(zhì)量問(wèn)題的探討

1、EA113發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵曲軸加工質(zhì)量問(wèn)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(duì)EA113發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵曲軸，在加工過(guò)程中出現(xiàn)一些常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)較細(xì)致研究分析，對(duì)癥下藥，采用一系列技術(shù)措施，較好的解決了諸多問(wèn)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(wèn)題 、攻關(guān)解決。一、前言曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中承擔(dān)最大負(fù)荷和全部功率，承受著強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)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(qiáng)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(kāi)始為一汽-大眾公司EA113發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)家供應(yīng)曲軸毛坯，完全實(shí)現(xiàn)曲軸國(guó)產(chǎn)化，其曲軸毛坯質(zhì)量和性能要求非常高，抗拉強(qiáng)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(jí)。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(jiàn)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(shí)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(wèn)題。幾年來(lái)，我們針對(duì)曲軸的加工質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了扎扎實(shí)實(shí)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(wèn)題的研究攻關(guān)（一）、曲軸淬火裂紋問(wèn)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(shí)易出現(xiàn)裂紋。曲軸在汽車行駛過(guò)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(kuò)展，最后可能會(huì)導(dǎo)致斷裂。EA113發(fā)動(dòng)機(jī)的R06A曲軸在供貨初期，曲軸淬火時(shí)連桿軸徑油道孔邊緣產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)裂紋廢品率在40以上，一汽大眾公司對(duì)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(bào)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(zhǎng)度大約在15mm，深度為0.53mm，對(duì)淬火裂紋缺陷進(jìn)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(duì)裂紋件進(jìn)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(hào)球化等級(jí)珠光體球徑（級(jí)）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(duì)

5、裂紋件進(jìn)行化學(xué)成分分析 表2 曲軸化學(xué)成分件號(hào)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(duì)進(jìn)口的德國(guó)(HBH)曲軸進(jìn)行分析

6、. 表3 德國(guó)(HBH)曲軸金相組織 件號(hào)球化等級(jí)球徑滲碳體磷共晶珠光體含量HB硬度淬火HRC11509025558215095269593150902505941509025557 德國(guó)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(jī)理分析. 球化不良、球化等級(jí)低、球徑大、球數(shù)少。由于球化不良，導(dǎo)致曲軸在淬火時(shí)淬火組織相變的應(yīng)力大于組織強(qiáng)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(shí),一般在0.02%以上,對(duì)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(huì)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(dá)5%以上。含磷量愈高，出現(xiàn)的磷共晶也愈多。對(duì)鑄態(tài)球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)，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(shí)沒(méi)有珠光體快，在淬到馬氏體時(shí)，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(qiáng)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(zhǎng)加熱時(shí)間及冷卻時(shí)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(jí)。（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(shí)的1.2-14提高到1.55-165。（2）球化時(shí)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(shí)隨流瞬時(shí)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(hào)材料名稱材料牌號(hào)配比1生鐵Q10（一組、一級(jí)、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(hào)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(cè)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(jìn)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(cè)由原來(lái)的每爐檢一塊光譜樣改為每球化包檢一塊光譜樣。25、加強(qiáng)曲軸爐后金相、硬度的檢驗(yàn)每球化包要做一個(gè)金相和硬度的檢測(cè)外，清理時(shí)每爐曲軸還要做一個(gè)本體的金相和硬度檢測(cè)，加強(qiáng)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(duì)比表檢測(cè)項(xiàng)目球化等級(jí)球徑等級(jí)滲碳體珠光體硬度曲軸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1-3級(jí)5-8級(jí)1%75-95%HB200-270內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)1-2級(jí)6-8級(jí)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(duì)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(shí)，其軸頸內(nèi)部有縮孔或縮松，嚴(yán)重時(shí)縮孔縮松廢品率達(dá)到20，按德國(guó)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(shí)鑄件外形擴(kuò)大有關(guān)，球墨鑄鐵糊狀凝固特性比灰鑄鐵強(qiáng)烈得多，在澆注后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，球

12、墨鑄鐵是在一個(gè)強(qiáng)度低的塑性薄殼內(nèi)進(jìn)行凝固的。在凝固時(shí)，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(kuò)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(bǔ)縮冒口起不到補(bǔ)縮作用；12 鐵水澆注溫度過(guò)低（低于1350），有時(shí)也過(guò)高（高于1450以上）；13 殼型粘結(jié)不好，殼型強(qiáng)度不夠，澆注時(shí)產(chǎn)生漲箱；14 個(gè)別時(shí)候曲軸碳硅含量偏低；15 有時(shí)砂箱鐵丸緊實(shí)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(bǔ)縮冒口內(nèi)放置一個(gè)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(shù)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(shí)的收縮性。25 砂箱充填鐵丸時(shí)要添滿，震實(shí)20S以上，確保鐵丸緊實(shí)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(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)黑點(diǎn)廢品率達(dá)到15左右。對(duì)連桿小黑點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)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(guò)熱狀態(tài)。也就是說(shuō)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(shí)過(guò)高，C：3.753.9，Si含量有時(shí)過(guò)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(guò)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(qiáng)鐵丸冷卻速度，減緩生產(chǎn)節(jié)拍，讓鐵丸充填殼型砂箱時(shí)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(guó)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(guó)產(chǎn)曲軸加工后其表面有渣氣孔缺陷存在，嚴(yán)重時(shí)廢品廢品率高達(dá)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(lái)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(lái)。12 鐵水過(guò)濾效果差，鐵水造渣打渣效果不好。13、一噸球化包過(guò)大，四個(gè)澆包澆注，使鐵水降

16、溫過(guò)多。14、平咀澆包澆注時(shí)沒(méi)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(jìn)的有語(yǔ)音提示、數(shù)字顯示并與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)的鐵水測(cè)溫儀，嚴(yán)格控制鐵水溫度。23 進(jìn)行過(guò)濾網(wǎng)試驗(yàn)優(yōu)化。對(duì)泡沫過(guò)慮網(wǎng)、直孔陶瓷過(guò)慮網(wǎng)等不同規(guī)格的過(guò)濾網(wǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，最后選擇直孔陶瓷過(guò)慮網(wǎng)。24 在球化處理時(shí)，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(shí)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(shí)，曲軸的大頭（有發(fā)蘭盤一端）表層約1-2mm厚度脫落下來(lái)，如圖12。脫落下來(lái)的圓圈破壞性很大，將自動(dòng)刀具打壞，如果加工時(shí)沒(méi)有掉下來(lái)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中掉下來(lái)，將把整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)出現(xiàn)二次澆注（補(bǔ)澆）；12、澆注溫度過(guò)低；13、過(guò)濾網(wǎng)孔眼過(guò)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(guò)濾網(wǎng)；24、澆注包烘烤溫度大于700；（六）、曲軸動(dòng)平衡不合格在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)與其轉(zhuǎn)

18、速的平方成正比。振動(dòng)對(duì)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(dòng)增加工作時(shí)的噪音，使零件從總成上松動(dòng)并產(chǎn)生疲勞失效等。對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件進(jìn)行動(dòng)平衡的目的就是消除和減小振動(dòng)。因此，曲軸平衡精度的高低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性及壽命都有很大的影響。動(dòng)平衡是曲軸加工的最后一道工序，如果曲軸因動(dòng)平衡不合格而報(bào)廢將會(huì)導(dǎo)致機(jī)加廠很大的浪費(fèi)，引起強(qiáng)烈抱怨。圖13為動(dòng)平衡不合格曲軸，國(guó)內(nèi)大部分曲軸加工廠家都采用SCHENCK公司的自動(dòng)平衡機(jī)，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(dòng)平衡機(jī)有的沒(méi)有，進(jìn)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(dòng)平衡不合格曲軸 圖14曲軸錯(cuò)型1、 曲軸動(dòng)平衡不合格成因分析11、曲軸在制造過(guò)程中產(chǎn)生較大的變形量，導(dǎo)致曲軸不平衡量過(guò)大。12、曲軸產(chǎn)生較大的錯(cuò)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(diǎn)和夾緊點(diǎn)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(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)。2、解決曲軸動(dòng)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(shí)型殼溫度較高，還沒(méi)有形成一定強(qiáng)度，因此易產(chǎn)生變形。我廠在制殼時(shí)采用了專用粘接板，專用粘接板的特點(diǎn)是根據(jù)曲軸的型殼輪廓做仿形設(shè)計(jì)，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(shí)處在一個(gè)平面，不發(fā)生彎曲變形。另外我們?cè)诓挥绊懮a(chǎn)節(jié)拍的前提下延長(zhǎng)了型殼粘接時(shí)的保壓時(shí)間，進(jìn)一步保證了粘接效果。在型殼的存放環(huán)節(jié)上我們?cè)O(shè)計(jì)了專用存殼車，型殼直立放置而且型殼互不擠壓。這樣每個(gè)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(duì)型殼涂膠槽進(jìn)行了改進(jìn)，采用了凸凹配合式涂膠槽取代了以前的點(diǎn)狀涂膠圈，加大了型殼間的粘接面積和粘接力，通過(guò)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用該涂膠槽后曲軸漲殼量不超過(guò)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?cè)黾恿髓F丸的填充量和緊實(shí)度要求，通過(guò)加強(qiáng)型殼剛度防止曲軸漲殼。2.3、加工定位點(diǎn)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(diǎn)，二三平衡塊為定位點(diǎn)。為了不影響廠家定位，我們對(duì)曲軸所有定位位置進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)