超声波技术在发动机再制造中的研究与应用.pdf

技术应用andDevelopmentManagementMechanicalNo.7,20232023年第7 期Total243机械管理开发总第2 43期1.101C50541134/4h20030710D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.105超声波技术在发动机再制造中的研究与应用王连宏，李，李晓霞，张雪冬，王刚（山西柴油机工业有限责任公司，山西大同037036)摘要：根据某型号发动机再制造要求，探讨了再制造零部件的测试方法，分析了超声波技术在测量再制造零件表面硬度和强度方面的影响因素，在超声波技术应用研究与现场验证的基础上，确定了超声波测试精度的措施，保证了再制造零部件质量的正确判定，为再制造发动机的质量保证和可靠性提升奠定了技术基础。关键词：发动机再制造；超声波技术；表面硬度；强度中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0257-030引言发动机再制造时，需要对零件表面的硬度和强度进行测量，评估其零件的使用寿命，如曲轴、连杆、凸轮轴、气缸套、活塞、齿轮等关键件，决策是否具有再制造的价值。传统的硬度测试方法一般采用压入法、回跳法及刻划法，如洛氏硬度（HRA、H R B、H R C）、布氏硬度（HB）、维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、里氏硬度（HL）莫氏硬度等，这种方法测量后在表面上存在压痕、计算繁琐、效率低、测量结果重复性差、不能用于较大件、较薄件及成品件的测量，且测量成本高、测量技术对操作人员的技能要求较高；制造新品过程的强度检测一般采用样块或解剖的方法，对于再制造零件无法经济、快速、全面的完成。因此，制造新品采用的方法很难适用于已经成品的发动机零部件再制造和对测量速度有较高要求的生产场合 。本文通过运用超声波技术，针对发动机再制造零件的表面硬度和强度进行测量，通过计算机处理，即可读出根据频率变化转换得到的实际硬度值，实现了对再制造零件表面硬度在现场的无损快速检测，满足了发动机的再制造要求。1无损检测技术来源与优势传统的测量方法由于其局限性，如需要较长时间的加载且在试件上留有较大压痕，已经不能胜任现代生产发展对硬度和强度检测提出的快速、无损、在线的新要求 2 。美国学者C.Kleesattel博士通过多年研究，于2 0 世纪6 0 年代初建立了以“接触柔顺性”来定义硬度的概念，并从此定义出发，提出了超声接触阻抗(UCI)硬度测量方法 3-4)。随着科学技术的发展,近几年利用超声技术实现硬度和强度的无损、快速检测均得到了大量的应用。这种超声实施因施加载荷小、时间短，与传统测量方法比较具有不损伤零件表面、测量快速，可以实现再制造零件的HV、H B、H R A、HRB、H R C、H S D 的硬度与强度测量,在生产现场具有很高的适用性。2发动机再制造的检测需求分析2.1测量后的表面不能出现痕迹发动机再制造时，所有零部件均为成品状态，特别是发动机的曲轴、连杆等关键件对表面质量要求很高，再制造过程不得出现任何的表面质量缺陷。而传统的硬度测量方法，易于造成零件表面产生压痕导致零件报废。2.2大型、重型零件快捷高效测量曲轴是发动机较大较重且关键的零件,其硬度高低和强度大小非常关键，一般的硬度测量仪无法满足现场零件再制造时的快捷高效测量，且无法实现强度的分析与评估。2.3现场10 0%全检的测量发动机的再制造零件的硬度或强度要求在现场100%检验，以评估和验证再制造零件的使用寿命，保证再制造发动机的质量和可靠性。传统的测量方法无法满足发动机再制造零件的现场快速全检需求。3超声波技术应用与验证超声波硬度测量技术是利用一定长度的超声波传感器杆的谐振频率（其高于超声波的振动频率2 104 Hz)随杆的自由端被固紧的程度(即压头与试件表面接触面积的变化)而变化的特性，通过比较计量的方法来测定试件的硬度 4。通过利用超声技术对再制造发动机的曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮、进/排气门、活塞销、高强螺栓等壳体类、轴类、盘类等10 0 余种零部件进行了硬度和强度检测,取得了满意的效果。3.1薄壁零件的硬度检测采用台式硬度计测量薄壁零件的硬度时，压痕面积大；不同材料需要更换不同直径的压头，且需要改变试验力；特别是对于薄空腔及薄壁零件的硬度测量，容易产生弯曲、塌陷变形，造成较大的测量误差，甚至造成零件报废。发动机中薄空腔及薄壁零件较收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 6基金项目：发动机机械试验装置研制技术服务（PK2110P024)第一作者简介：王连宏（19 6 4一），男，高级工程师，主要从事发动机先进制造工艺技术研究。258第3 8 卷机械管理开发多，如气缸垫、飞轮壳等，其硬度不仅要求范围较大，且要求不同的硬度。实践证明，应用超声硬度计，在某型号发动机再制造的气缸垫、飞轮壳、气门推杆、气门座、活塞环等得到了应用，实现了各种薄空腔及薄壁零件不同硬度的精确测量。3.2外形较大零件的硬度和强度检测曲轴箱、曲轴等均属于发动机的较大形零件，在生产制造过程中均采用试样法间接测量并验证，而发动机再制造的零件属于成品，无法再取其试样，且零件外形尺寸较大无法放在台式硬度计上测量。应用超声波技术，不仅解决了大型成品零件的硬度测量，而且还同步实现了强度的测量和评估。3.3精密零件的硬度检测三大精密偶件和活塞销等,均属于发动机的精密零件，这些零件的有效价值较高，再制造意义非常重要。而采用一般的压入法测量该种零件的硬度，容易在原有表面出现压痕，破坏高精度的表面完整性，造成零件报废。应用超声波技术测量精密零件时，不仅压痕几乎为“零”，而且原来的配合精度不会破坏，零件的再利用率大幅提升。3.4大长径比零件的硬度检测凸轮轴等轴类零件属于发动机大长径比非圆性关键件，用台式硬度计测轴颈硬度时易起，即使采用支架夹具，测量误差也比较大。应用超声硬度计可直接在凸轮顶部、轴颈任何部位进行测量，且测量的硬度值误差较小。结果表明，凸轮轴检测速度和生产效率不仅大大提高，而且未对零件表面造成破坏，极大地降低了再制造成本。同时现场使用的适宜性高，可实现硬度的10 0%检测，有利于提升再制造发动机可靠性。凸轮轴无损测量见图1。3.5较小直径的杆类零件硬度检测高强度螺栓、气门、拔叉轴、摇臂轴等属于发动机再制造的重要零件，再制造率10 0%。由于此种零件的杆部直径较小，采用台式硬度计测量时，不仅使其表面产生压痕，而且需要按相关标准对硬度值进行修正，测试结果分散度较大。应用超声检测技术是实现较小直径的杆类零件硬度检测最有效方法之一。3.6带有弧面的复杂零件的硬度检测气门摇臂和气门推杆的头部圆柱面等，均属于发图1凸轮表面硬度测量动机再制造带有弧面的复杂零件。采用传统的压入法测量前需要将圆弧面打磨平整，导致零件报废。实践证明采用超声波技术测量弧面硬度不仅方便、快捷，而且在保证零件完好的情况下，可实现现场100%测量。4景影响超声测量精度的因素分析通过对某型号发动机再制造，发现影响超声测量精度的因素主要有被测零件表面粗糙度、探头与被测零件之间的倾角、探测头力值以及被测零件的尺寸因素等。4.1被测零件表面粗糙度的影响将气门杆部分别加工成表面粗糙度Ra为0.4m、0.8 m、2.0 m和3.2 m四组零件,测量结果见表1。当零件表面粗糙度Ra2.0m时，多次硬度测量结果的重复性偏差较大。数据分析表明：零件表面质量越低，对超声振杆压头的受阻就越大，谐振频率就越高，导致硬度测量误差相对增加。表1表面粗糙度对测量值的影响表面粗糙度Ra/m气门硬度检测方法0.40.82.03.2(HRC)8次平均测值35.235.335.634.135重复性偏差0.20.30.60.98次平均测值52.252.452.551.152重复性偏差0.20.40.50.98次平均测值62.162.362.461.662重复性偏差0.10.30.40.64.2测量头与被测零件之间倾角的影响超声波硬度计的测量机理是利用带有超声传感器杆的探头与被测零件表面接触时，其谐振频率随零件硬度改变的特性得出实际硬度的测量值，谐振频率的敏感性与探头摆放位置的正确性有很大关系。如果探头与被测零件之间产生一定角度，造成测量误差增大。压头轴线倾角与硬度示值偏差的关系见图2。由图2 可知，测量头与被测零件之间倾角 3时，偏差较小。0.50.0HRC64.4-0.50.50.0-0.5HRC50.1-1.00.50.0-0.5HRC38.8-1.0012345压头轴线与试件法线倾角）图2压头轴线倾角与硬度示值偏差的关系g上拉第2 5 6 页）.259.王连宏，等：超声波技术在发动机再制造中的研究与应用2023年第7 期4.3测量头力值大小的影响针对HRC45的标准件进行硬度测量试验，采用不同的测量头力值检测零件表面硬度，测量结果见表2。由表2 数据分析可知，测量头力值越大，其硬度测量误差就越大。实践所得，手握测量头接触到被检零件表面即可。表2力值对测量结果的影响多次平均硬度多次平均硬度测量头力测量头力测值(HRC)偏测值(HRC)值N值(HRC)差(HRC)偏差12.036.1-4.011.044.8-0.511.540.3-3.210.845.3+0.311.244.2-1.810.545.1+0.24.4被测零件的尺寸因素对于质量较小和厚度较薄的零件，测量时因产生振动而导致测量精度不准确。根据实际检测分析，因振动引起的硬度（HRC）测量误差最大可达10。5提高测量精度的措施1)测量前对再制造零件的表面进行抛光处理，表面必须干净，没有油、油脂以及灰尘。尽量使零件表面粗糙度Ra1.6m，且保证零件表面各处组织具有一定的均匀性，否则通过多点、多次测量取其平均值。2)在直接测量零件时，要可靠且平稳地握住探头，将探头接触到零件表面上并保持与零件表面之间 3，不要晃动，然后用10 N的力把探头压到零件表面上，时间长短以显示出稳定的硬度读数值为准。3)测量前应采用标准块对硬度计进行校准，对于所测的数值精度和重复性精度超过规定范围时，应重新进行标定。4)对于质量1kg、厚度3mm的零件可直接测量；对于质量 1kg、厚度 3mm的零件时，应将零件放置在固定的平台或底座上，以避免共振或者共振震荡，降低测量精度。5)对于直径5 mm的盲孔或凹槽等狭小空间时可直接测量；对于直径 5 mm的狭窄或较深凹槽时，测量前应取下硬度计探头的保护帽，且测量时请勿快速向下按探头，以避免测量精度出现误差和损坏硬度计的金刚石压头等。6结语本文通过开展超声波技术在发动机再制造中的研究与应用，不仅实现了再制造零件硬度和强度在现场的大批量10 0%检验，而且提高了再制造零件的检测质量和效率，为提升再制造发动机的可靠性奠定了坚实基础。参考文献1蔡鹏，程玉华.超声波技术用于零件表面硬度无损检测的研究J.工具技术,2 0 0 7(2)：8 5-8 9.2韦江宇.机械零部件表面硬度无损检测的研究 J.黑龙江科技信息,2 0 0 7(11):2 6.3骆嘉龄，安明江.硬度的超声无损测量 J.试验技术与试验机，1996(1):3-7.4蔡鹏，张涛，谢驰，等.超声波应用于零件表面硬度检测的研究.机械设计与制造，2 0 0 7（5）：12 4-12 6.（编辑：贾娟）Research and Application of Ultrasonic Technology in Engine RemanufacturingWang Lianhong,Li Zheng,Li Xiaoxia,Zhang Xuedong,Wang GangWang Lianhong,Li Zheng,Li Xiaoxia,Zhang Xuedong,Wang Gang(Shanxi Diesel Engine Industry Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037036,China)Abstract:Based on the remanufacturing requirements of a certain model of engine,the testi