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發動機曲軸的失效及修復（圖）
2007-10-15
摘要：分析了發動機曲軸損傷形式、損傷部位及特點，簡述了曲軸技術狀況的檢查方法，給出了修理尺寸法、堆焊、電弧噴涂、電刷鍍和手工電弧焊修復損傷程度不同的發動機曲軸的修復工藝。 關鍵詞：曲軸；失效；修理尺寸法；堆焊；電弧噴涂；刷鍍；焊接 發動機在工作時，曲軸軸頸表面在承受很大的單位壓力的同時且具有很高的滑動摩擦速度，軸頸散熱效果較差，各軸頸表面極易遭受磨料磨損。因此，發動機在大修時必須對曲軸進行檢驗，查明情況，并選擇正確的修理或修復方法，以保證曲軸所要求的疲勞強度和耐磨性。 1、曲軸的損傷形式及檢查 曲軸常見損傷形式有軸頸磨損、裂紋、燒傷、彎曲或斷裂等。 1.1 軸頸的磨損及檢查 軸頸表面的磨損是不均勻的，磨損后的軸頸出現圓度和圓柱度誤差。主軸頸與連桿軸頸的Z大磨損部位相互對應，即各主軸頸的Z大磨損靠近連桿軸頸一側，而連桿軸頸的Z大磨損也靠近主軸頸一側，如圖1。另外，軸頸還有沿軸向的錐形磨損。軸頸的橢圓形磨損是由于作用于軸頸上的力沿圓周方向分布不均勻引起的。發動機工作時，連桿軸頸所受的綜合作用力始終作用在連桿軸頸的內側，方向沿曲柄半徑向外，造成連桿軸頸內側磨損Z大，形成橢圓形。連桿軸頸產生錐形磨損的原因是由于通向連桿軸頸的油道是傾斜的，當曲軸回轉時，在離心力的作用下，潤滑油中的機械雜質聚集在連桿軸頸的一側，使該側軸頸磨損加快，導致磨損呈錐形。此外，連桿彎曲、氣缸中心線與曲軸中心線不垂直等原因都會使軸頸沿軸向受力不均而使磨損偏斜。主軸頸的磨損主要是由于受到連桿、連桿軸頸及曲柄臂離心力的影響，使靠近連桿軸頸的一側與軸承產生的相對磨損較大。
圖1 曲軸軸頸磨損
曲軸軸頸的磨損可用外徑千分尺測量，在每個軸頸上取兩個截面（Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ），在每個截面上取和曲軸平行及其垂直的兩個方向（A-A和B-B），如圖2曲軸軸頸的檢查（略）。然后計算軸頸的磨損量、圓度和圓柱度誤差[1-2]。 1.2 曲軸的彎曲及扭曲 當曲軸的彎曲度超過0.1mm（有的為0.2mm）時，應進行校正。測量時將曲軸主軸頸放置在檢驗平板上兩個等高V型鐵上。將千分表的表盤定在“0”位置并將其觸頭觸及中間主軸頸表面，緩慢轉動曲軸，千分表Z大示值的一半即為曲軸的彎曲度。 扭曲檢查時，曲軸的放置與彎曲檢查相同。檢查時，將曲柄臂置于水平位置，用千分表測量同一平面內缸和Z后一缸的連桿軸頸高度，其差值即為曲軸的扭曲度。 1.3 裂紋檢查 由于應力集中在軸頸圓角部位和油孔周圍易產生裂紋，裂紋的存在會導致曲軸的斷裂。因此，要用探傷儀（如磁粉探傷儀、超聲波探傷儀等）來檢測是否存在裂紋。若有環形裂紋或裂紋長度超過20mm的縱向裂紋，應用鑿子或氣割槍吹掉[3]，經電弧焊補后再采取相應的措施。 此外，軸頸表面還可能出現擦傷與燒傷。擦傷主要是由于機油不清潔引起的。燒傷是由于潤滑不足、機油過稀或油路阻塞等原因造成燒瓦引起的。 2、曲軸軸頸修復工藝 一般來說，軸頸直徑在80mm以下圓度及圓柱度誤差超過0.025mm，或直徑在80mm以上圓度及圓柱度誤差超過0.040mm的曲軸，均應按規定尺寸（修理尺寸）進行修磨。當軸頸磨損嚴重，采用修理尺寸法不能達到修理效果時，應采用涂層技術修復后再磨削至規定的尺寸或修理尺寸。 2.1修理尺寸法 修理尺寸法是修復配合副零件磨損的一種常用方法，他是將待修配合副中的一個零件利用機械加工的方法使其恢復正確形狀并獲得新的修理尺寸，然后選配具有相應尺寸的另一個零件與之相配，恢復配合性質的一種修理方法。對于磨損量不大的曲軸，可采用磨削的方法使其達到修理尺寸[3]。 對具有彎曲變形的曲軸，在磨削前，必須先進行校正。曲軸的磨削通常在曲軸磨床上進行的。曲軸的磨削除了軸頸表面尺寸精度和表面粗糙度符合技術要求外，還必須達到形位公差的要求：磨削曲軸時必須保證主軸頸和連桿軸頸各軸心線的同軸度以及兩軸心線間的平行度，限制曲柄半徑誤差并保證連桿軸頸相互位置夾角的精度。 對于連桿軸頸可采用偏心磨削法和同心磨削法。同心磨削法就是磨削后保持連桿軸頸的軸線位置不變，即曲柄半徑和分配角不變。柴油機曲軸磨削時常采用同心法。偏心磨削法是按磨損后的連桿軸頸表面來定位磨削的。這時軸頸的中心線位置和曲柄半徑均發生了變化，一般磨削后曲柄半徑大于原曲柄半徑，使壓縮比增大，而且各缸變化不均勻，同時使整個曲軸的質量中心不處于曲軸主軸頸中心線上，引起曲軸不平衡，造成轉動時的附加動載荷。因此，在連桿軸頸磨削時，應盡量減少曲柄半徑的增加量，保證同位連桿軸頸軸心線的同軸度誤差不大于±0.10mm，以保證曲軸運轉中的平衡。 2.2振動堆焊修復 堆焊是在金屬材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蝕等特殊合金層的一種工藝方法。當曲軸軸頸磨損超限，不能按Z后一級修理尺寸磨削修理時，可采用振動堆焊的方法增補磨損表面后再磨削。 堆焊修復曲軸前，對待修復曲軸軸頸表面進行清洗、檢查、磨削和預熱等準備工作，可極大地提高修復質量。 （1） 清洗 用煤油、汽油或堿液煮洗，然后用砂布打磨待修復軸頸以除去油污和銹跡，必要時可采用火焰烘烤曲軸以去除滲入到曲軸內部的油污。 （2） 檢查 檢查曲軸是否有彎曲、扭曲、裂紋及磨損情況。 （3） 磨削 磨削主要是用以去除軸頸表層變質金屬以避免堆焊層產生裂紋和氣孔。另外磨削可將偏磨部分磨圓以保證堆焊層厚度均勻。 （4） 曲軸保護 仔細清除油孔和油道里的油污，然后用碳棒或石墨膏堵塞油孔。 （5） 預熱 曲軸堆焊前，適當的預熱可避免跨焊道的縱向裂紋和堆焊層氣孔的產生，改善堆焊層與基體金屬的熔合。預熱時垂直吊放曲軸以免產生變形。預熱溫度一般為150℃~350℃。 （6）堆焊 選取φ1.6mm的50CrVA、30CrMnSiA或高碳鋼絲，在NU—300振動堆焊設備上按以下工藝參數進行堆焊：堆焊速度，460~560mm/min；送絲速度，2mm/min；堆焊螺距，3.6~4mm/r；工作電壓，21~23V；工作電流，150~180A。在堆焊時要注意以下幾點： ① 為了防止曲軸圓角處應力集中，在距曲柄2~2.5mm處不堆焊； ② 在堆焊靠近圓角處開始或終了兩圈焊道時不澆注冷卻液； ③ 為了防止開始堆焊的地方有焊不透等缺陷，堆焊時應叢曲柄臂的前側方向起焊且圓角處不焊，如圖3；
④ 為避免曲軸變形，堆焊時先堆焊連桿軸頸，后堆焊主軸頸，且從中間向兩邊堆焊； （7） 后處理 為了減小曲軸變形和消除內應力，堆焊后將其放在100℃~200℃的保溫箱內保溫1~2h，隨爐冷卻，然后鉆通各油孔，并檢查有無缺陷，必要時進行焊接修復。然后再磨削。 2.3電弧噴涂修復 熱噴涂技術是近年來在機械制造和設備維修中廣泛應用的一項表面工程技術。它是將熔融狀態的噴涂材料通過高速氣流使其霧化噴射在零件表面，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。目前，它已廣泛地應用于制造各種功能性涂層和機械零部件的修復中[4-5]。 待噴涂曲軸的清洗、檢查、磨削方法與堆焊相同。為了使噴涂層與基體獲得良好的結合，對待修復軸頸進行砂粗化處理，噴砂工藝參數為：噴砂壓力取0.65MPa，噴砂角度85°，噴砂距離為180~200mm。然后堵塞油孔并用銅皮對所要噴涂軸頸的鄰近軸頸進行遮蔽保護。 選用CMD—AS—1620電弧噴涂設備。先用鎳—鋁復合絲噴涂打底層。然后選用φ2mm的3Cr13噴涂絲進行電弧噴涂，噴涂工藝參數為：電壓38～40V，電流110～130A，壓縮空氣壓力0.65MPa。為獲得致密的涂層，在噴涂時要連續噴涂，中間不應有較長時間的停頓，否則會影響結合強度。噴涂厚度一般以留出0.8~1mm的加工余量為宜。 噴涂后要檢查噴涂層與軸頸基體是否結合緊密，如不夠緊密，則除掉重噴。如檢查合格，可對曲軸進行磨削加工。磨削進給量以0.05～0.10mm為宜。磨削后，用砂條對油道孔研磨，經清洗后將其浸入80～100℃的潤滑油中煮8～10h，待潤滑油充分滲入涂層后，即可裝車使用。 2.4電刷鍍修復 電刷鍍具有鍍層與基體的結合強度高，鍍層硬度高，耐磨、耐蝕性好，鍍后工件不變形，沉積速度快，鍍層種類多，應用范圍廣等優點，已廣泛地應用于零件的磨損修復、表面防腐、減摩、裝飾等。電刷鍍修復曲軸的一般工藝為： （1） 表面準備 先進行磨削加工，消除軸頸的橢圓度，用油石或刮刀將油孔邊緣倒成45°角，防止應力集中而降低鍍層與基體金屬的結合強度及劃破陽極包套。用煤油、汽油、堿液煮洗或火焰烘烤等去除表層及滲入到曲軸內部的油污，然后用木楔堵塞油孔。 （2） 電凈 使用電凈液TGY—1，工件接電源負極，電壓調定在12~18V之間，工件與鍍筆相對運動速度為12~18m/min，時間約40~80s，至水膜均勻攤開，然后用清水沖洗工件表面。 （3） 活化 先使用THY—2活化液，工件接電源正極，電壓調定在6~12V之間，工件與鍍筆的相對速度為12~18m/min，至表面呈黑灰色，用水沖洗工件表面。然后再使用THY—3活化液，工件接電源正極，電壓調定在8~12V之間，工件與鍍筆的相對速度為12~18m/min，至表面呈現銀灰色，然后用清水沖洗工件表面。 （4） 去除多余活化液 由于疏松處缺陷里吸附著活化液，為此先用脫脂棉球把疏松處周圍的活化液吸附干凈，再用脫脂棉球蘸上過鍍層鍍液涂在疏松處。 （5） 刷過鍍層 用特殊鎳TDY—101作過鍍層的鍍液，先無電擦拭10~20s，然后把工件接入電源負極，電壓調定在12~15v之間，工件與鍍筆的相對速度為12~18m/min。過鍍層厚度一般為0.002mm。 （6） 刷工作層 工作層刷鍍選用快速鎳TDY—102。用鍍筆蘸快速鎳無電擦拭5~8s，然后把工件接入電源負極，電壓調定到12~15V之間，工件與鍍筆的相對速度為12m/min~20m/min，刷鍍至所需厚度即可。 （7） 鍍后處理 工作層鍍至規定厚度后，用水清洗表面，取出油孔中的木楔。用油石打平油孔邊緣，并用壓縮空氣吹凈油孔道和表面。然后磨削加工至要求的表面粗糙度和尺寸精度。 2.5手工電弧焊修復 當曲軸主軸頸磨損嚴重時，可采用對稱焊修的方法修復。其過程為：先將軸頸表面油污除凈，再用鏨子將軸頸周圍打上麻坑；選用直徑3～4mm的低碳鋼焊條進行對稱焊接，焊接電流為145~155A，焊后的軸頸尺寸比標準軸頸要大2～3mm，然后進行磨削加工至標準尺寸。 發生裂紋時，先用鏨子開坡口，沿著裂紋表面開U形坡口，坡口深度以看不見裂紋為宜，寬度為13～14mm，焊前先用氧—乙炔焰預熱焊接部位到400℃，然后進行對稱焊接。焊后要鉆通油道，鑿修平整，然后磨削加工至標準尺寸。 3、曲軸的其他部位的損傷 起動螺紋損傷可用加大螺紋孔的方法修復，應注意切勿損傷螺紋孔倒角；若曲軸后端凸緣端面或外圓柱面對主軸頸中心線圓跳動超差，可用車削端面或柱面方法消除；凸緣盤上連接飛輪的螺栓孔磨損，可用擴孔后加大固定螺栓方法修復。若凸緣盤上安裝變速器軸的前軸承的承孔對主軸線徑向圓跳動超差，用鑲套修復法修理。 4、結論 由于曲軸在使用中經常會受到損傷，而且價格相對比較高。為此，修復曲軸是非常有意義的。我們選取了4根不能按Z后一級修理尺寸磨削修理的S195柴油機曲軸，分別對2根曲軸的每個主軸頸和連桿軸頸采用堆焊和電弧噴涂進行修復，然后分別通過偏磨和正常磨削后裝車運轉。偏磨結果表明涂層結合良好，無剝落和脫皮現象。裝機后進行臺架磨合及滿負荷運轉。柴油機在不同的轉速下空負荷運轉15min，在不同轉速不同負荷下運轉15min，額定工況下運轉5min，超負荷至108%運轉5min，均工作良好。累計滿負荷臺架試驗工作超過20h，修復層無異常現象。
圖1 曲軸軸頸磨損
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