新聞主題	柴油機氣缸蓋閥座跳動、圓度及密封線角度檢測技術

 

摘要：氣缸蓋進排氣機構是柴油發(fā)電機進排氣系統(tǒng)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，是缸蓋加工的關鍵工序。由于閥座加工部位的特殊性，加工過程中由于加工系統(tǒng)的振動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)電機廠為了保證缸蓋燃燒室的泄漏量達到要求，除了采用先進的制造工藝外，還采用了大量新的檢測技術和方法來有效監(jiān)控閥座加工質量。本文中先進的檢測技術和質量控制方法有效地監(jiān)控了閥座加工過程中的質量風險，通過過程質量保證了產品質量。

 

      隨著柴油發(fā)電機需求的大幅增加，各個柴油發(fā)電機廠及零部件企業(yè)為了保證缸蓋燃燒室的泄漏量達到產品規(guī)定的要求，不僅采用先進的制造工藝，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個成形面，還采用了大量新的檢測技術和方法來有效監(jiān)控閥座加工質量，如除了對缸蓋閥座的泄漏量進行功能性檢查外，還針對缸蓋閥座加工過程中的閥座角度、密封帶寬度、直線度、圓度、跳動及位置等幾何量參數進行嚴格的質量控制和檢測。先進的檢測技術和質量控制方法有效地監(jiān)控了閥座加工過程中的質量風險，通過過程質量保證了產品質量。在此，康明斯公司結合多年的實踐經驗，總結了柴油發(fā)電機零部件的檢測經驗談談柴油發(fā)電機缸蓋氣門閥座的質量檢測技術的發(fā)展狀況。

一、閥座跳動、圓度檢測技術

 

      閥座跳動是監(jiān)控缸蓋閥座加工質量的一個重要參數，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。由于跳動的檢測方法直觀，成本很低，且容易通過專用夾具實現，普及率很高，幾乎每一個生產缸蓋的企業(yè)都必須配置，因此該項檢測技術發(fā)展很快。

      最初閥座的圓度是通過閥座跳動進行間接控制，只要跳動合格就認為圓度合格，但實踐中發(fā)現仍然有零件發(fā)生泄漏，然后需再用紅丹粉進行圓度定性檢查。后來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。

      最初的閥座跳動專用夾具，其前端采用光滑圓柱芯軸來模擬導管孔軸線，后端用一鋼球接觸到閥座量規(guī)位置，或者直接用杠桿千分表的表頭接觸到閥座量規(guī)位置。轉動檢具將閥座的周向變動量通過鋼球傳遞到千分表上，通過手工旋轉進行測量，觀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。

      此類型檢具的測量精度與模擬導管孔軸線的芯軸的型式和制造精度有很大的關系，最初采用的芯軸為光滑圓柱芯軸，采用分組使用，其誤差主要來源于芯軸與導管孔的配合間隙；后來采用組合芯軸，誤差可適當減小，缺點就是測量時用力過大，之后很容易將芯軸卡死；接著改為結構簡單、使用方便的錐度芯軸，定位誤差比光滑芯軸定位誤差小，缺點是定位誤差與錐度有關，若要提高精度就要減少錐度，從而使芯軸長度增加；再后來有部分企業(yè)開始使用漲緊芯軸。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單、制造容易，其缺點是基準孔本身的幾何精度誤差會降低定位的穩(wěn)定性，產生測量誤差。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模擬導管孔軸線。

      隨著氣動檢測技術的發(fā)展，在20世紀80年代后期，出現了氣動檢測閥座跳動的檢具。最初的氣動閥座跳動檢具僅在導管孔上截面布置1個氣動噴嘴，使用1個氣動傳感器，基準是通過球冠模擬閥座中心和3個φ2mm的小球（其中1個球粘在彈性體上）模擬導管孔下截面中心的連線構建的，利用手動旋轉檢具一周，觀察氣動量儀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個氣動傳感器，同時測量時需要手動旋轉，測量誤差還是較大。后來在導管孔下截面上也布置了1個氣動噴嘴，上下截面噴嘴成180°對向布置，且噴嘴直徑不一樣，采用一個氣動差壓傳感器，測量結果通過電子柱顯示，測量精度有了一定的提高；接著又有在上下截面配置同直徑噴嘴成180°對向布置，采用兩個氣動傳感器，同時在接觸閥座的檢具球冠上裝上了氣動噴嘴，在手柄部位裝上了電動機，利用電動機驅動測頭旋轉，同時采樣點數也大量增加，測量結果通過工控機分析顯示，測量精度和效率大幅度提高。目前，以上三種檢測閥座跳動的氣動檢具仍然在許多柴油發(fā)電機企業(yè)中使用。

      到21世紀初，閥座跳動的氣動檢具已發(fā)展成如圖2所示集跳動、同軸度和圓度測量于一體，通過工控機分析顯示圖形，且?guī)в蠸PC統(tǒng)計分析功能，能夠做到實時測量監(jiān)控。該檢具氣動測頭噴嘴配置為：導管部分配2個測量截面和4個獨立孔式氣動噴嘴，噴嘴180°分布；閥座部分配1個球形接觸式氣動噴嘴；手柄部分配電動機，驅動測頭旋轉；配置專用定位板，測量時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種氣動檢具的缺點，跳動測量精度和效率得到了進一步提高。

      由于氣動測頭測量閥座圓度上的局限性，檢具供應商又開發(fā)了電感式閥座跳動、圓度綜合儀。該測量儀系統(tǒng)配置為：導管部分配2個測量截面，下截面有一個彈性體的定位中心點（無傳感器），上截面配一個接觸式球形電子測頭；閥座部分配1個球形接觸式球形電子測頭；手柄部分配電動機，驅動測頭旋轉；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，跳動測量精度可達1mm。缺點是由于重量輕，測量時需要人手持手柄，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。

      隨著三坐標測量機掃描技術的發(fā)展，再加上全尺寸測量的需要，越來越多的用戶開始采用三坐標測量缸蓋閥座跳動和圓度，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(guī)位置；設置量規(guī)圓，將法向按照圓錐矢量設置；進行掃描，分析評價出跳動和圓度。

      在此，以PC.DMIS測量軟件為例介紹三坐標掃描測量閥座跳動和圓度的參數設置及閥座跳動評價方法。零件測量時的放置如圖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360點，圓柱度將由以上全部點進行計算，并且計算出的圓柱軸線將作為閥座徑向跳動的基準。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濾的理論值，閥座上量規(guī)圓處掃描的那層圓作為過濾對象，輸入理論值進行調整過濾；將所有點沿圓錐母線方向投影，使所有掃描點處于測量的同一高度；消除機器空間定位帶來的點的位置波動，把調整過濾后的特征構造成一個圓特征，也就是量規(guī)圓；按照過濾參數要求使用高斯過濾，選擇filter 為50upr要求進行過濾，每層截面圓點數大于360點，評價閥座的圓度與跳動。

 

氣缸蓋閥座的氣密性檢測設備結構圖

 

二、閥座密封線角度綜合檢具測量

 

1、圓度儀測量閥座跳動技術

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

 

零件直線度表示方法

零件圓度表示方法

 

2、角度測量技術

      測頭上在閥座上邊緣處布一個貼合面，寬度約為0.1?mm，閥座下邊緣布置1個氣動測量球； 測量時放置在被測零件的閥座上，被測零件的角度發(fā)生變化是通過球測頭位移反應來測量閥座角度的；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，球的位移量減小；反之，如果閥座角度減小時，球的位移量增大。

3、閥座直線度和密封帶寬度檢測技術

      檢具配有高精度直線導軌，導軌上配有直線電動機，驅動導軌上的測頭延閥座方向移動，測頭為2?μm的氣動噴嘴，氣動噴嘴的精度為0.2?μm。

      具體測量原理為：測頭以導管孔及閥座定位，閥座沿母線方向布置特殊檔板式氣動噴嘴，由電動機驅動沿閥座母線方向爬行，爬行過程中，接觸時氣動測頭以200點/s的掃描頻率掃描閥座面，測量方式類似于輪廓度儀；直線導軌的行程約為10?mm，如果被測零件的進、排氣閥座角度一致，且直徑在可爬行范圍以內，可以使用一把檢具共用于進、排氣閥座測量；當測頭爬行經過閥座的下邊緣時，程序開始計算閥座的寬度和直線度，當測頭爬行經過閥座的上邊緣時，程序終止計算，同時給出閥座直線度、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。

  

缸蓋閥座質量測量示意圖

 

三、結語

 

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

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

（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度檢具測量閥座微觀輪廓，判斷閥座表面是否有刀具磨損等原因造成的加工缺陷。通過分析異常原因并實施改進，確保缸蓋閥座加工質量。

 

 

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