发动机曲轴生产过程中的检测设备

滨州海得曲轴有限责任公司 （山东 256600） 李永真 张 辉

曲轴工作中主要承受交变弯曲扭转载荷及冲击载荷，这些载荷不仅数值大，而且呈周期性变化。其在工作中主要失效形式有两种：疲劳断裂和轴颈表面磨损。根据曲轴的服役条件，曲轴必须具有足够的强度、抗冲击性能、抗疲劳性能及较好的耐磨性。那么就要求使用完善的检测设备对整个生产过程进行监控，以保证产品质量的稳定性及可靠性。

用于生产曲轴的材质一般是锻钢、球墨铸铁，成分、组织、性能、外观尺寸是衡量产品是否满足图样要求的关键特性指标，本文就曲轴生产过程所需的检测设备分类进行阐述。

一、化学成分检测仪器

性能取决于组织，组织取决于成分，成分由铸造过程所决定。在成分一定的情况下，而组织又取决于化学成分、加工工艺，热处理是改变组织的主要工艺手段。钢类曲轴化学成分、球墨铸铁类曲轴铸造用原材料及炉前铁液化学成分的控制非常重要，可以使用比色计、联测仪、光谱仪等设备进行定量分析（见附表），使之控制在技术要求的范围内。

检测特性指标的设备列表

1.比色计

比色计是通过把被测试样溶解后的溶液与标准溶液颜色的比较进行定量分析的仪器，主要用于对所测材料的颜色、色调、色值进行测定及分析。它是化学分析不可或缺的检测仪器，用于硅、锰、磷、稀土总量、镁、铜、钼等元素的测定，操作简单，准确度高，是光谱仪不能替代的。

2.碳、硫红外联测仪

以热释电传感器为核心，由高频感应燃烧炉和微机控制系统组成，集光、电、计算机、分析技术于一体的智能化红外分析仪器。具有测量值范围宽，抗干扰能力强，操作简单，以及分析结果准确等优势。主要用于炉前原材料、炉前铁液中碳、硫的定量分析。

3.光谱仪

利用光的色散、吸收、散射的现象，激发试样得到与被测试样有关的光谱，通过计算机采集数据从而对其各元素进行定量分析的物理光学仪器。其特点是操作简单，分析速度快，选择性好，灵敏度高，准确性好，可同时检测被设定的所有元素组分含量。像直读光谱仪应用于钢铁曲轴炉前铁液的快速分析，为炉前成分结构的调整提供依据，可杜绝批量废品事故的发生。日本OES－5500、德国GS－1000型直读发射光谱仪等是很好的选择。

二、力学性能试验设备

材料试验室进行铸造、热处理工艺检验应配置的力学性能试验设备，有拉力试验机、硬度计、冲击试验机、疲劳试验机等。

1.拉力试验机

像电子拉力试验机、万能材料试验机等主要用于材料的拉伸、弯曲、剪切等试验，以测定材料最基本的力学性能指标，如屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、抗弯强度等，为合理选材、确定热处理工艺等提供依据。常用的试验机一般分机械式和液压式，比较先进的有电子拉伸试验机和自动试验机。WE－60液压式万能材料试验机、万能电子拉伸试验机都是很好的选择。可根据技术参数如试样直径、最大试验力、试验力测量范围等对试验机作出选择。

2.硬度计

硬度是金属材料力学性能中最常用的性能指标之一，是表征金属在表面局部体积内抵抗变形或破裂的能力，它不仅与材料的静强度、疲劳强度存在近似的经验关系，还与冷成形性、切削性等工艺性能也间接存在某些联系，因此硬度值对于控制材料冷热加工工艺质量有一定的参考意义。常用的硬度计有精度高的台式布氏硬度计、台式洛氏硬度计、维氏硬度计，用于试验室精测；适用于工序检验的有里氏硬度计、便携式洛氏硬度计、便携式布氏硬度计等。

3.冲击试验机

冲击试验机是检测材料脆性或韧性的设备，结构简单，操作方便。冲击试验是为获取试样在冲击试验机上一次冲断单位面积所消耗的功，是表征材料脆性或韧性的性能指标，其数值越大，说明韧性越好，反之脆性大。冲击试验是最容易获取材料动态性能的试验方法，可直接用冲击试验机来测定材料动态断裂韧度或止裂韧度。普通的摆锤式试验机、先进的带有冲击示波装置和电子计算机的冲击试验机，可满足不同的要求。

4.疲劳试验机

疲劳试验机是一种通用的振动试验系统，可用于机械零件的耐久性试验或机械结构振动特性的测量，是综合考量零件的设计、铸造、热处理、机械加工等质量的试验设备。在耐久性试验中，根据被测零件对载荷的要求，系统对试件可施加拉压、弯曲、扭转或弯扭复合载荷，控制回路保持载荷恒定并使系统始终处于共振状态。应用于曲轴弯曲疲劳试验、曲轴扭转试验等，为产品开发、工艺试验提供理论依据。如东风工艺研究所研制的PDC－1、PDC－2电动谐振疲劳试验机已得到广泛应用。

三、显微镜

显微镜是试验室用来进行显微组织分析的仪器，是用光学显微镜或电子显微镜观察金属内部的组成相及组织组成物的类型，以及它们的相对量、大小、形态及分布等特征。显微组织分析是材料及热处理工艺质量检验与控制的重要方法。

1.光学显微镜及图像分析仪

光学显微镜是分析显微组织最简单、最常用的重要仪器，是靠光学透镜——物镜及目镜，获得显微组织放大成像的检测仪器。

光学显微镜可配图像分析仪，自动图像分析仪可利用计算机处理图像信息，包括几何信息如尺寸、数量、形态、位置及色彩等，还可直接计算出三维组织特征参量，并自动完成数据的统计处理。图像分析仪测量速度快，测定项目多，还可避免人为误差，测量精确度高。

图像分析常进行的项目有：第二相的体积分数；各类夹杂物数量、形状、大小及分布；碳化物的质量分数等。因此，为提高图像分析仪的测量精度，除配备分辨率高的显微镜外，还应保证良好的制样质量。

2.扫描电镜

扫描电子显微镜是进行曲轴断口分析的有力工具。扫描电镜是利用扫描线圈使经聚焦的电子束在试样表面上扫描，引起二次电子发射，经过接收、放大输入显像管。对显像管进行调整，使显像管荧光屏上形成二次电子图像。其特点是可以直接观察较大的样品，放大倍数可连续增大，清晰显示断口凹凸形貌，测定样品微区化学成分，以及确定晶体取向等，用途宽泛。有的扫描电镜还可兼作电子衍射仪和电子探针等方面的工作。

四、测量仪

1.曲轴综合测量仪

用于在线抽检和试验室精测，一次装卸就能够快速、准确对曲轴进行综合测量，同时对所测的数据进行统计、输出和打印。曲轴的检测主要是对主轴颈的开档面和两类轴颈的测量，测量项目包括：直径、半径、圆度、圆柱度、直线度、轮廓度等，全尺寸的检验，快速、高效、精确，1h内能精确测量四缸曲轴10～15根。例如ADCOLE公司生产的曲轴、凸轮轴综合测量机，该设备采用立式顶尖定位零件，机械接触式测量，回转主轴角向定位精度可达到1″，主轴径向圆跳动可达0.25μm，径向测量精度可达0.5μm，轴向直线精度可达0.5μm/50mm，每周采点数为3600点，测量精度高，重复性好，是曲轴制造业不可或缺的在线抽检及终检设备。

2.表面粗糙度测量仪

对曲轴表面粗糙度进行检测的仪器，结构简单，由主机和传感器两部分组成。测量工件表面粗糙度时，将传感器放在工件被测面上，由仪器内部的驱动机构带动传感器沿被测表面作等速滑行，传感器通过内置的锐利触针感受被测表面的粗糙度，此时工件被测表面的粗糙度引起触针产生位移，该位移使传感器电感线圈的电感量发生变化，从而在整流器的输出端产生与被测表面粗糙度成比例的模拟信号，该信号经过放大及转换后进入数据采集系统，进行数字滤波和参数计算，测量结果出现在显示器上。

表面粗糙度仪按功能分为表面粗糙度仪、粗糙度形状测量仪、表面粗糙度轮廓仪。可应用于生产现场，测量曲轴的表面粗糙度，以便于精加工工序的质量控制。

五、无损检测设备

在铸造、热处理、机加工过程造成的近表面缺陷如裂纹、发纹、气孔、折叠及夹杂物等严重影响曲轴的性能，使得其会在低于本身的疲劳强度的情况下产生早期疲劳断裂，那么采用无损检测技术可有效地控制缺陷对曲轴甚至发动机产生的风险，且能保持曲轴的完好。

1.磁粉无损检测仪

磁粉无损检测仪是金属加工业广泛应用的检测手段，是将待测磁性金属工件加以磁化，借助于磁粉显示铁磁性材料漏磁场的分布，从而发现材料表面及近表面缺陷如裂纹、发纹、气孔、折叠及夹杂物的一种无损检测技术，其操作简单，不损伤工件，灵敏性好，效率高。

用于曲轴最后的成品检验，保证其在经过铸造、机械加工、热处理后，在表面上不产生缺陷；也可用于半成品，如感应淬火或氮碳共渗前的检验，以发现原来就存在的缺陷，并由此为下道工序出现的质量问题制订预防措施。

2.音频无损检测仪

音频无损检测仪检测缺陷的基本原理是根据敲击被测件发出声音的频率，通过声波收集器收集声波，经模拟器分析声波的共振频率，再与标样录取的共振频率比较，计算机自动判断识别Pass或Fail。音频无损检测，采用计算机自动控制，准确率高，是一种经济、有效、可靠的无损检测技术，适用于大批量曲轴生产的无损检测。

六、结语

随着汽车行业的发展，同行业竞争也日趋激烈。曲轴作为发动机的重要零部件，它的质量控制越来越严格，检测手段越来越先进。检测设备作为曲轴生产制造的质量控制手段，也代表企业的技术水平。

有的曲轴生产厂家，引进日本或德国产的检测设备，以提升自己的技术竞争力。检测设备应按化学成分检测、力学性能试验、金相分析、全尺寸检测、表面无损检测等种类配备，设备应具有先进、高效、精确等特点，以便于曲轴关键特性指标的有效控制，更有利于曲轴乃至汽车行业的发展。

（20121105）