發動機平衡軸清潔度超差問題分析與解決

徐曄

（大眾一汽發動機（大連）有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

平衡軸是發動機的組成元件，在發動機中曲軸通過鏈傳動的方式帶動平衡軸高速運轉。在此款四缸直列發動機中平衡軸的轉速是發動機轉速的2倍，其作用是降低發動機在行駛中的振動，從而提升整車的舒適性。在對平衡軸的質量監控中，清潔度是非常重要的質量監控指標[1]，因為平衡軸清潔度的嚴重超差可能會造成發動機的異響，以及相關接觸件的磨損，這會直接影響整車的性能和使用壽命。

2005年德國汽車行業協會出版了VDA 19清潔度檢測標準，該標準成為了全球范圍內車企廣泛使用的檢測標準[2]。為了進一步分析雜質顆粒的屬性，可通過EDX（X射線能量分析光譜儀）獲得雜質的成分信息，確認污染物的來源和產生的原因，制定相應的解決措施來改善平衡軸的清潔度。為了提高發動機的可靠性, 延長汽車發動機的使用壽命，控制好清潔度，防止發動機零部件的清潔度超差，成為了各大發動機廠的重中之重。

1 清潔度超差及分析

在對平衡軸成品的清潔度常規批量生產抽檢中發現有若干超過600 μm大小的金屬顆粒存在，超出了最多只允許3個600 ～1000 μm量級大小的硬質顆粒規定，直接導致平衡軸清潔度的顆粒度超差。殘留物的主體是固體金屬顆粒，它們對產品性能的影響是最大的[3]。

按照實驗室的清潔度報告統計，發現濾膜上收集到的大顆粒主要有3種不同的類型：團狀顆粒，黑色顆粒和絲狀顆粒。找到這些顆粒的來源是解決清潔度超差問題的關鍵。

1.1 平衡軸加工工藝

平衡軸的主要加工工藝流程為：毛坯→AF200（銑兩端、鉆中心孔、車削主軸頸→AF220（淬火、回火）→AF240（校直）→AF10（磨削主軸頸）→AF20（拋光）→AF30（終清洗）→AF40（終測量）→AF50（齒輪、鏈輪、軸套等小件壓裝）→成品[4]。

1.2 清洗工藝

平衡軸清洗機是由德國Silberhorn廠家制造的，采用的是水清洗，在水中添加化學清洗劑。清洗機總共有3個循環過濾水箱，水箱1里的清洗液主要用于對工件的灌洗，對工件進行粗清洗，其過濾袋精度為40 μm；水箱2里的清洗液用于對工件的噴射清洗，對工件進行精清洗，其過濾袋精度為25 μm；水箱3里的清洗液用于對工件的再次精清洗和提高工件的防銹性能，其過濾袋精度為10 μm。3個水箱均具備自動補液功能，在水箱1中還裝有用于撇油功能的油水分離器。清洗過程為：1）將裝有工件的料筐通過輸送料道、堆垛機構及送料機構送入清洗室中；2）對平衡軸工件表面及加工孔等進行灌洗、超聲波清洗、噴射清洗、定點定位清洗及熱風干燥；3）通過料道將工件輸送到冷卻工位進行降溫冷卻，完成整個清洗過程。為了保證碎屑及其他雜質不會殘留在工件內部，在清洗過程中平衡軸工件料筐是不斷旋轉擺動的，以確保噴嘴能夠對平衡軸整體進行無死角清洗，保證無殘留雜質。

1.3 清潔度影響因素

影響清潔度的因素是多方面的。從人、機、料、法、環方面分析，導致平衡軸成品清潔度超差的污染源可能來自于以下幾個方面[5]。

1）人。操作工可能會在工件清潔度的抽檢和送測的過程中對工件造成二次污染。

2）機。傳輸料道、工位器具、機床內部殘留的雜質可能會形成污染源。在工件的加工過程中產生的各種雜質，例如在工件切削過程中產生的鐵屑、淬火形成的氧化皮、壓裝形成的毛刺等都可能會殘留在工件的表面。此外關于清洗機還要重點排查以下幾點：各個水箱的過濾袋有沒有及時更換，清洗液的濃度是否超差，噴嘴有無偏移或堵塞。這些都會直接影響到清洗機的清洗能力。

3）料。由二級供應商提供的平衡軸毛坯、齒輪、鏈輪、墊片等金屬零件自身殘留的顆粒或在運輸過程中由于磕碰造成的顆粒脫落，都會影響清潔度的結果。

4）法。終檢操作工沒有按要求及時更換手套，清洗后的工件沒有及時包裝或與其他雜物混放在一起。

5）環。在生產線區域內的施工過程中，車間門、窗沒有關閉都會帶入雜質。車間內的溫度和濕度異常會加快工件生銹速度，工件的除銹和返修將會帶來二次污染，從而產生清潔度的問題[6]。

2 解決措施

為了找到金屬顆粒的來源，在實驗室對這3種金屬顆粒的組成成分進行了EDX檢測，通過分析元素含量所占比例得出了3種顆粒的主要來源。

2.1 團狀顆粒分析與解決

如圖1所示，團狀顆粒的組成成分為平衡軸本體材質，大小主要分 布 在300 ～650 μm之間，它殘留在平衡軸毛坯的表面，具有一定的附著力，不容易被清洗掉。在和平衡軸毛坯廠家共同分析確認后，發現在對平衡軸毛坯表面進行強化和清潔處理時，使用的是0.8～1.0 mm的小鋼球進行拋丸，部分小鋼球已磨損，沒有及時更換，該團狀顆粒應該是在廠家拋丸時產生的。在將拋丸小鋼球全部更換成新的，并將拋丸時間延長5 min后，經檢測這種團狀顆粒在平衡軸表面已經大幅度減小并且其剩余顆粒大小也基本控制在200～400 μm之間，滿足了產品清潔度對顆粒大小的要求。

圖1 團狀顆粒

2.2 黑色顆粒分析與解決

這種黑色顆粒（如圖2）經過檢測含有鐵的氧化物成分，通過對平衡軸生產過程工藝的分析，淬火工序在平衡軸軸頸的沉割溝槽內通常會形成少部分的黑色氧化物（黑皮）殘留。為了能夠盡量減少黑皮的數量及在后面的清洗過程中有效地去除黑皮，進行了下面這些優化：1）將淬火機的淬火功率能量值適當降低，減少黑皮的形成；2）在淬火前車床加工沉割溝槽時將進刀速度放慢，使溝槽加工變得更平滑，減小黑皮黏附的摩擦力，這樣能夠降低清洗機清洗黑皮的難度；3）在清洗工序中將灌洗平衡軸時的超聲波振蕩時間延長了60 s，這樣在精清洗時可以使黑皮更容易脫落；4）優化了清洗機的沖洗噴嘴結構，將沖洗壓力提高了0.2 MPa，以達到更好的沖洗效果；5）在清洗黑皮位置時，將清洗機的定位洗時間延長了75 s，使黑皮能夠被去除得更徹底。

圖2 黑色顆粒

通過上述一系列優化措施，雖然增加了清洗機的加工節拍，但單件的加工節拍仍然控制在規定范圍內。平衡軸成品中已經沒有殘留黑皮存在。

2.3 絲狀顆粒分析與解決

對于燃油系零部件，長條形的顆粒往往比方形的顆粒危害更大[7]。按照生產經驗，平衡軸的齒輪壓裝機床在壓裝過程中通常可能會產生大于1000 μm的長條形絲狀毛刺（如圖3）。平衡軸的壓裝機床是由匈牙利廠家Alprosys制造的。包括平衡軸光軸上料、齒輪壓裝、壓裝角度測量、打二維碼、下料等，總共有8個工位，組成了一個圓形工作轉臺。在壓裝工位，平衡軸光軸豎直固定在支架的夾具上面，夾爪夾緊齒輪后移動到平衡軸軸頭中心線正上方，齒輪被感應線圈迅速加熱到180 ℃，在壓裝力和位移曲線的監控下，壓頭將齒輪壓到規定的位置上。

圖3 團狀顆粒

在實驗室的毛刺成分分析中，發現含有鐵、錳、硅、鉻4種主要組成元素。按照材料牌號標準，各元素的含量與齒輪材料含量相符，毛刺應該源自于齒輪。為了進一步驗證這個結論，對封存的平衡軸成品進行了逐一檢查，發現絲狀壓裝毛刺存在于齒輪和平衡軸壓裝縫隙中。為了找到相關規律，對有壓裝毛刺的工件進行了相關統計后，發現有毛刺的平衡軸和轉臺的各個支架無關聯，而毛刺存在的點位都在時鐘的6點鐘方位。為了更好地分析整個壓裝過程，對帶有大毛刺的平衡軸成品做好毛刺位置標記后進行了切割，發現在齒輪的內表面有明顯劃痕，經過測量后發現劃痕的長度、寬度同毛刺的尺寸大小基本相符，并且劃痕產生的位置也都在6點鐘方向。在通過各項測量后，排除了批量平衡軸和齒輪尺寸對壓裝的影響。由此可見，齒輪在和平衡軸壓裝的過程中沒有定位在同一中心軸線上，在6點鐘方向出現了干涉。由于平衡軸的淬火硬度遠高于齒輪的硬度，所以在壓裝時平衡軸會將齒輪劃傷，從而擠壓出毛刺。在找出問題后，開始對壓裝機床進行機械上的調整。

在平衡軸校準軸和齒輪樣件分別裝夾在支架和夾爪上后，通過測量表測出平衡軸校準軸的中心線和齒輪的中心線沒有重合，齒輪的夾爪中心線相對于校準軸的中心線在12點鐘方向有30 μm的偏差，超出了10 μm的規定范圍。齒輪的夾爪機構是通過擋塊螺栓前后調整的。調整擋塊螺栓，將夾爪往6點鐘方向移動30 μm后，再次打表測量，兩中心線已經重合。經過小批量生產觀察后，已經沒有壓裝毛刺再出現。重新送測的兩組平衡軸成品清潔度也均為合格。

恢復批量生產后，為了能夠更及時地發現壓裝毛刺，快速地解決問題，制定了如下措施：1）臨時增加平衡軸成品的清潔度抽檢頻次，觀察期為2個月；2）在終檢目視處安裝放大鏡（如圖4），對每根平衡軸成品的齒輪壓裝處進行毛刺檢察。

圖4 放大鏡檢測壓裝毛刺

2.4 改善效果

通過數月的觀察，在上述這一系列清潔度管控措施實施之后，平衡軸清潔度的問題得到了顯著改善，沒有再次出現超差的現象。通過對平衡軸清潔度監控曲線分析，整體走勢比較穩定，平衡軸成品清潔度的顆粒質量被控制在2 mg以內（質量標準要求為最重不超7 mg），最大顆粒的數量和大小控制為最多只存在1個600 μm大小量級的顆粒。

3 清潔度持續管控和優化

清潔度控制是需要不斷提升、改善并持之以恒的過程。從影響清潔度的各個環節出發，要有針對性的防范措施[8]，具體優化方案如下：1）成立清潔度專家小組，對相關人員進行培訓，提升員工清潔度的質量意識；2）將齒輪夾爪和平衡軸中心線位置的檢查列入TPM保養計劃，每周進行檢測；3）在清洗機的2號和3號清洗水箱中也添加了油水分離器，降低了清洗液中的含油量，提高了平衡軸在精清洗過程中的清洗能力；4）加強對外購件的包裝和平衡軸毛坯拋丸環節的管控，在毛坯入庫時進行提前檢驗；5）通過形態和成分分析，對清潔度報告中的顆粒類型進行分類、匯總，形成顆粒圖譜并找到其相應來源，做到分類管理；6）對每次的清潔度結果按照不同的顆粒等級進行統計，觀察平衡軸清潔度水平的趨勢，將清潔度控制在預警線內進行監控；7）繼續落實生產現場的5S管理，提高車間內的空氣質量；8）防止工件在流轉過程中使用的工位器具對工件產生新的污染顆粒，對物流器具進行及時清洗。

每一次優化都是一個PDCA（計劃、執行、檢查、改進）循環過程，都是生產線各種能力持續提升的過程[9]。

4 結語

產品清潔度質量控制是一項綜合的系統工程，其質量水平代表了一個公司或工廠的技術和管理水平[10]。通過對平衡軸成品清潔度中的金屬顆粒的成分分析，找到了金屬顆粒來源，并給出了解決問題的具體措施。通過在生產過程中對各個環節的持續管控和優化，使平衡軸清潔度超差的問題得到了明顯改善。在發動機生產過程中對各個零部件的清潔度進行有效的管控，才能提高發動機生產的安全性及穩定性，最終達到提升汽車壽命和舒適性的目的。這對其他發動機廠家的此類問題有一定的借鑒意義。