汽車軸類零件密封表面螺旋紋的檢測與監控

(舍弗勒貿易(上海)有限公司，上海 201800)

0 概述

在汽車的傳動部件中，采用旋轉軸的油類密封件是非常普遍的。其原理是在回轉軸與彈性密封材料之間，通過唇形密封的形式，允許微量的油液進入旋轉軸與密封件之間，形成非常稀薄的薄膜狀態。在軸進行高速旋轉時，使機油無法滲出。

為保證密封性，在確保零件基本尺寸符合要求外，旋轉軸圓柱表面的組織結構同樣是決定旋轉密封的重要因素[1]。主要影響的參數有表面粗糙度、圓度，以及表面螺旋角等。密封面的粗糙度一般定義在Ra 0.2～0.6、Rz 0.8～3、Rpm 0.5～1.25。圓度一般定義為0.005，螺旋角定義范圍為<±0.05°。

圖1 曲軸軸類零件與密封圈

然而在實際生產過程中，盡管密封軸的尺寸和幾何公差以及粗糙度滿足圖紙要求，卻仍會在旋轉過程中存在與橡膠密封件配合時的漏油風險。圖1為發動機正時側曲軸某旋轉密封件表面和橡膠密封圈旋轉的配合案例。當軸件旋轉面上存在螺旋角超出質量管控范圍時，在軸的高速旋轉過程中就會出現油液泄露風險。

分析表明，軸類零件的圓柱表面影響旋轉密封性能的重要參數在滿足質量要求和質量監控的情況下，表面螺旋線紋理結構即螺旋角的監控往往會被忽視，從而容易引發旋轉密封的泄露問題[2]。本文對實際生產過程中易發生的螺旋紋質量問題進行了成因分析，并對零件生產質量監控測量法進行了介紹。

1 表面螺旋紋的產生及特征

1.1 螺旋紋的成因

軸類零件表面螺旋紋，又稱扭紋，近年來在零件生產過程中開始被關注和研究。為了達到精密的表面微觀質量要求，軸類零件密封表面一般要求精密磨削加工。而磨削過程往往是表面螺旋紋產生的原因。通過零件和砂輪的相對磨削位置會導致螺旋紋的產生。磨削過程中，由于砂輪和零件圓柱中心軸的相對位置控制不好而產生，或由砂輪加工表面而產生。砂輪修整過程中，砂輪表面通常會產生不規整的加工痕跡。

1.2 螺旋紋形貌參數

圓柱表面上的螺旋紋理結構是一種旋轉零件上的周期性標記，可以是連續或間斷的，一般在車削或磨削的加工中更易于出現。利用高精度精密表面形貌掃描儀可以實現對圓柱表面形貌的全覆蓋式微觀形貌檢測[3-4]。表面螺旋紋主要的特征參數有螺旋角、 螺旋紋深度、 螺旋紋數量、理論導向橫截面積、理論導流面積、波長、螺旋紋導程(圖2)。

圖2 螺旋紋理微觀參數示意圖

螺旋角(Dγ)是螺旋紋方向與回轉軸線方向的夾角；螺旋深度(Dt)是螺旋紋理的深度，即波峰和波谷之間的高度；螺旋紋數量(DG)為360°全周的螺旋紋數量；理論導向橫截面積(DF)代表相鄰紋理結構之間的橫截面積；理論導流面積(DFu)是全周內各個紋理面積的總和；波長(DP)為相鄰紋理結構在軸向上的距離；螺旋紋導程(Ls)是360°范圍內螺旋線在軸向上的距離。

2 測量方法

2.1 表面接觸式三維形貌掃描測量

這種量化的表面接觸式測量方法由戴姆勒·查爾斯提出，通過表面接觸式的儀器掃面零件完整的旋轉表面三維形貌。經過不同測量公司對測量系統的建立和優化，可在精密表面粗糙度儀或表面圓度測量儀上建立掃面測量方式和軟件分析系統。

參照Mercedes-Benz公司的工程標準MBN 31007-7, 測量時使用探針探測軸類零件表面接觸區域，并通過掃描記錄一系列母線輪廓形成1個三維面，通過圖形方式展現螺旋紋結構，并計算螺旋紋的特征數據。圖3為精密粗糙度儀實現的螺旋紋測量。

圖3 精密粗糙度儀實現的螺旋紋測量

一般情況下，選用的采樣方法為，從零件旋轉面上測量360°的不同位置點集，設備探針為2～5 μm，每間隔5°測量一段長度的線條作為表面一部分。這樣測量72次則可以通過軟件系統形成對整個圓柱面在該取樣長度上的三維形貌描繪。從而通過軟件計算出主要的螺旋角度等參數。圖4為某表面探針接觸式測量儀測量零件表面三維形貌的參數結果，其中螺旋角(Dγ)的測量值為0°，證明零件表面螺旋紋理符合旋轉密封的質量要求。

圖4 某接觸式表面螺旋紋測量結果

2.2 懸重擺線法測量

由精密探針掃描表面三維形貌的檢測雖然精確，但測量耗時較長且設備投資較大。為便于實現對量產零件的質量監控和成本控制，一種簡易的測量方法在經過大量測量分析后被提出。如北美橡膠制造業協會的標準RMA OS-1-1中，旋轉密封表面的螺旋角測量可由懸重擺線測量法進行測量(圖5)。

RMA OS-1-1標準中明確指出，零件由帶旋轉功能的測量設備固定主零件并保持水平狀態，且設定需要滿足以下參數要求：

(1)軸面要求：推薦表面涂油以減小摩擦，并使得懸掛的棉線不得對旋轉中的軸面進行掛卡或纏繞；

(2)懸重及擺線：采用30 g的懸重和長度0.23 mm的棉線；

(3)轉速設定：順時針轉速為60 r/min。

通過測量擺線在整個旋轉測量時間內所沿軸向行走的距離X，間接測量螺旋角的大小。其計算公式為

Φ= Arctan(Xt/πDN)

(1)

式中，Φ為螺旋角(Dγ，單位(°))；D為軸面直徑；X為棉線在軸向的行走距離；t為測量中的旋轉時間；N為旋轉時間內的圈數，若轉速為60 r/min則1 min時間內的圈數為60圈。

圖5 懸重擺線法測量模型

3 實用檢測及監控

由于懸重擺線測量法對設備的要求較低，僅需要1臺主體帶有帶動零件旋轉功能的測量儀和懸重、棉線等輔材，方便設備制取和實現工藝質量監控。在零件的量產中得到廣泛使用，特別是對供應鏈層級多、質量管控復雜的零件，需要保證多方質量監控的有效性和一致性，懸重擺線測量法具有較大的優勢。為保證質量監控和檢測頻次，某工廠將螺旋角的測量寫進控制計劃中。圖6為某工廠實際生產管控中，使用懸重擺線法的測量案例。

需要指出的是，由于懸重擺線測量法與精密表面掃描儀測量相比，在測量過程中人為的影響因素較大，容易造成較大的測量誤差。測量過程中需要注意一些細節及參數的設定，如設備水平調節，需要保證被測零件的旋轉表面的水平，而不僅僅是設備旋轉軸的水平，表面水平可采用打表的方式，一般可保證水平在1∶4 000。另外，不同廠家可根據零件的大小直徑等不同設定內部標準，調整懸重砝碼的質量和旋轉速度等，以更好地使測量過程平穩并得到穩定的測量結果。為保證懸重擺線間接測量法的有效性和精確性，可以在設備設定最初使用更高級精密的測量儀，如三維形貌掃描儀方式，測定懸重擺線測量系統的精確性，通過測量比對完成測量系統的有效性評價。為保證測量參數的一致性，工廠可制定懸重擺線測量法的測量指導書，也保證了多處測量系統的一致性。

圖6 懸重擺線法在工廠零件的測量

4 結語

旋轉軸圓柱表面的組織結構是決定旋轉密封的重要因素，螺旋角的測量和質量監控在生產工程中不容忽視。本文詳細描述了當今可用于檢測螺旋角的常用檢測方法原理和設備，并對量產零件生產工廠質量監控過程中的測量方法進行了介紹，對實際生產質量監控具有現實指導意義。