本文以发动机中的精密机加工件为例，剖析了回转面螺旋线构造、清洁度隐患和磨削烧伤等三类有代表性的制造质量问题的形成机理和面临的复杂态势，依据所采取的应对措施和方法，得出完善、提升生产工艺水平确保产品质量的结论。

回转面上出现微观螺旋线构造、清洁度隐患和磨削烧伤，是三类有代表性的制造质量问题，往往发生在汽车发动机等动力总成机械中的精密机加工件，它们都会对产品的正常运行带来不利影响，甚至会造成严重的质量事故。经过有针对性的分析，我们在理清这些制造质量问题的产生原因和形成机理的同时，也认识到了其复杂性。事实证明，企业只有认真地关注、完善执行的生产工艺和装备的实时状态，并不断改进、提升所采用的制造工艺水平，才能为产品制造质量的稳定提供可靠的保证。

轴类零件回转表面螺线纹理结构的产生

一辆交付用户使用不久的新车，发生了机油过度消耗的不正常现象，经维修人员仔细检查，发现问题是由发动机曲轴后油封漏油（见图1）引起的。然而，实际情况是该发动机确实是由合格零部件所组成，并经过了装配线上的总成泄漏测试工位检验合格才送往整车厂的。在此我们将分析后油封漏油是何原因。

1.回转面螺旋线纹理结构

事实上，企业在产品设计中，对产品的结构、材质和加工质量，尤其是结合部位的密封件选用、配合件表面的尺寸和形位公差，以及粗糙度等各种因素都会予以周密的考虑。对于发动机、变速器、水泵和机油泵等动力机械，更是在制造过程中设置了针对关键件和总成的泄漏检测工位，以验证其密封性是否符合规定的指标。尽管如此，事实证明，随着人们对轿车安全性要求的不断提升，一些之前常被忽视的现象也应该引起关注，例如上述动力机械在工作过程中，腔体内的工作介质的微量外泄就不是偶然。

上述固定在缸体一侧的后密封套与曲轴右端凸缘之间的配合（见图2）就是一个典型的案例。发动机高速运转时，两者之间的配合应该而且必须能够有效地形成密封，使腔体内的机油不会渗出、外泄。

图2  缸体的后密封凸缘配合 

但实际情况是由合格零部件组成，并经过装配线上总成泄漏测试工位检验合格的发动机偶尔还是会出现机油渗出的情况。经过分析，查明这正是由于曲轴凸缘回转密封面上的螺旋线纹理结构造成的，其过程就如同人们熟悉的螺旋输送机构将细碎的物料带出一般。事实上，虽然作为回转密封面的曲轴凸缘有着明确规定的尺寸、形位公差、表面粗糙度和配合部位的密封性等要求，但由于缺少了对微观螺旋线结构的监控，故回转密封面上若存在螺线纹理结构时，出现机油微量外泄的情况就成为可能。

把回转面微观螺旋线纹理结构作为较重要的一项检测项目，在产品（零件）图上是有十分明确的规定的，如图3中红圈所示。只是一段时间以来，人们对红圈内的德语drallfrei的含义缺乏认识和理解，故而忽视了这一标识。更不曾意识到其含义就是要检测“螺旋线状”是否存在，这是一个涉及回转密封面质量的参数，英语为twist。

2.形成回转面微观螺旋线纹理结构的工艺因素

前面提到的曲轴凸缘密封面虽然是个案，但很有代表性，所形成微观螺旋线纹理结构的机制有着普遍意义。众所周知，曲轴凸缘经过粗加工—车削、精加工—磨削和超精加工—砂带抛光三道工序。而会偶然造成圆柱形密封面上微观螺旋纹理结构的是在磨削工序阶段，主要有以下两种可能：

（1）由砂轮修整不当引起 砂轮修整是磨削加工中十分重要的一个环节，对确保工件的制造质量有很大影响。在汽车发动机生产中，砂轮修磨的频次很高。利用金刚（石）笔对砂轮修整时所形成的轨迹是螺旋线，在正常情况下经过修整的砂轮工作面是很平顺的，由此加工出来的工件外圆面不会形成带方向性的螺线纹理。但若在执行砂轮修整过程中，金刚笔平移期间，偶尔在运行轨迹中出现一次波动，造成修磨不均匀，就会在修整后的砂轮上留下一个螺旋形痕迹。如此时的砂轮去加工零件，就有可能在磨削后的外圆表面引起微观螺线纹理结构（见图4a），当然若下一次砂轮修磨过程恢复正常，则依然能保证工件的磨削质量。

（2）由机床安装调整不当引起 磨削是通过砂轮和工件的相对运动完成的，而工件中心线的位置是由磨床上装夹工件的夹持机构决定的。当由于安装、调整的失措，出现工件中心线与砂轮轴线不平行的情况时，就会出现异面直线状（见图4b），工件的外圆面上也将会出现螺线纹理。

提升制造工艺改善产品清洁度

1.产品清洁度的重要性

清洁度是一项历史悠久的质量指标，但长期以来未得到足够的重视。近些年来，随着人们质量理念和质量意识的转变，特别是随着社会对生态、环境保护意识的不断加强和对机动车安全性、环保和节能等要求的日趋严苛，与产品相关性能密切关联的清洁度指标越来越受到关注。众所周知，不少发动机出现的异响缺陷，在经拆卸、解析后往往发现是由于零件的清洁度不好（如配合面间混入了细小的铝屑颗粒）而引起的。有时，那些坚硬的固体颗粒状杂物还会进一步造成表面较软的零件（如轴瓦）被拉毛的情况，从而带来更严重的后果。清洁度对产品质量的影响还有很多，泄漏超差就是很有代表性的一类，在通过对发动机中气门与座圈之间的泄漏故障类型的汇总和统计分析后发现，由于气门与缸盖座圈结合面的清洁度不好而引起的泄漏，占了近50%的比例，其次才为磕碰伤、错漏装等故障模式。图5为导致泄漏超差的主要故障模式，追根溯源，可以发现这一切都是企业在总成或零部件的清洁度控制上有欠缺而引起的，产品清洁度的重要性可见一斑。

2.提升制造工艺改善产品清洁度

实践表明，决定成品清洁度的不仅是清洁工序，而是整个工艺过程的综合反映。在此以曲轴为例，经分析，曲轴在经清洁度试验后产生的杂质、残渣主要出自3处：非加工面的毛坯面——扇形板、油孔和轴颈等加工面。下面将着重通过对曲轴斜油孔的加工进行说明。

众所周知，在曲轴的粗加工阶段，加工深孔即斜油孔是一道十分重要的工序，但直到21世纪初，某些国内一线的主流汽车发动机厂采用的仍是“枪钻”这种沿用多年的传统工艺。枪钻高效、可靠，但投入和使用成本高，在加工过程中切削液的消耗量大。于是一些技术理念领先的企业在进行新的生产线或新的生产能力的规划时，将枪钻改为“高速深孔钻”工艺，从而为微量润滑技术的使用创造了条件。

采用枪钻工艺时，采用的是传统润滑方式，仅仅一套体积庞大的润滑冷却系统就十分昂贵，而且后续的使用成本也很高。另一方面，还必须有大流量、高压力和高过滤精度的润滑切削液，否则就会影响油膜的形成并造成排屑困难，这是因为经过枪钻加工的孔壁会呈现一定程度的螺旋状（见图6），不利于排屑，在曲轴斜油孔这样的径长比很大的孔的加工中更为突出。另外，因为枪钻是偏心的，故必须配有钻套，而采取微量润滑后，改为双刃高速钢麻花钻就不再需要钻套，而且由于微量润滑的油雾本身质量就很小，且因加工中受力对称，形成的孔壁就较光滑（见图7）。相应的工艺试验表明，应用微量润滑能够明显地改善工件清洁度，更利于切屑回收，而且在清洗过程中不易残留。这种在加工中体现了绿色制造理念的新工艺，符合现今汽车行业在生产工艺的规划阶段，主动采用或改进相关加工工艺、加强现场管理，来精减清洗工序设置这一大趋势。

磨削烧伤

磨削烧伤是工件在磨削加工后出现的一种不良现象，但其本质上属于发生在工件表面的一种隐性缺陷，是由于工艺处置失当等原因，导致在很高的磨削温度下因工件表层金相组织的改变而造成的。由此而产生的残余应力和硬度的变化将会影响零件的性能，与此同时，还会在工件表面呈现不同颜色的氧化膜等现象。

1.成因与危害

不同于其他的切削加工，广泛用于零件精密加工的磨削，由于被切金属层较薄，产生的切屑少，加之砂轮的导热性差，因此仅有不到10%的热量能被切屑带走，约60%～90%的热量会传入工件。这些传入工件的热量在磨削过程中常常来不及进入到工件深处，在很短时间内聚集在表层形成局部高温，导致磨削区温度达到800～1000℃甚至更高，从而在表面形成极大的温度梯度。此外，期间还存在比其他加工方式更大的切削力，在磨削热、磨削力两者的综合作用下，引起了零件表层的金相组织变化并产生了残余应力，这就是磨削烧伤的成因。鉴于由铁磁性材料制成的工件一般在磨削加工前都需经历热处理这道工序，借助在工件表面形成的马氏体组织，能够提供足够的硬度。

磨削区很高的温升和很大的温度梯度之所以会使金相组织发生变化，则是因为只要磨削区的温度超过马氏体转变的温度（无论此时是否达到材料的相变温度），都将由于所产生的回火或退火现象引起金相组织的转变，而这会直接导致工件表面硬度不同程度的下降；另一方面，磨削过程中工件表面温度的急剧上升，以及之后的开始冷却直至最后冷却，会引起零件表层的热胀冷缩，导致自工件表面至内部各层产生各异的残余应力，若表面的残余应力呈现为拉应力的态势，且幅值较大，那就埋下了质量隐患。

磨削烧伤大多数发生于旋转类零件，如汽车与发动机中的转向节、传动轴、阀杆、泵、凸轮轴、曲轴和气门等，以及轴承、齿轮等通用类零件。这些零件大多用于交变载荷的工作环境下，对工件的表面质量有很高的要求。以发动机中的凸轮轴为例，其工作（凸轮）表面硬度的下降会直接影响凸轮轴的使用性能；若经磨削后的工件表层存在较大的残余（拉）应力，虽然在它的幅值小于材料的强度极限时并不会致使表面开裂，形成所谓的磨削裂纹，但在交变载荷作用下，这一隐患很容易扩大，从表面的少数细纹发展为网状裂纹的扩张以至于相互连接，最终造成工件表面的剥落，从而使凸轮轴失去功能，直接危及运行中的发动机。

2.磨削烧伤的形成机理分析

在正常情况下，如前所述，存在的主要风险是工件表面硬度不同程度的下降。对应的，此时工件表面即磨削区域的残余应力表现为压应力，而其下的次表层即非磨削区域则表现为拉应力。来自大学基础实验室的相应测试结果表明，前者的最大（绝对）值约为800MPa，后者的最大值约为900MPa。之所以还存在表面残余应力呈现为拉应力的隐患，主要是因为冷却不当。

众所周知，磨削过程中的冷却有3种形式：风冷（即采用干磨时的自然冷却）、采取水基冷却液和采取油基冷却液。当采取风冷和油基冷却液时，工件表面将呈现为压应力，此时可能存在着硬度下降的风险。而长期以来，由于水基的冷却效果明显优于油基，环保处理也简单，使用成本比油基低得多，因此应用十分普遍。但这时也隐含着另一种风险：采用水基切削液后的冷却速度快，表面产生的二次淬火马氏体会增多，晶格变化、体积缩小，而它的下层则因冷却缓慢成为硬度较低的回火组织，从而增大了工件表面产生残余拉应力的倾向。当形成的拉应力超过了材料的强度极限，表面就会出现裂纹。

然而随着越来越多企业在凸轮轴、曲轴等零件的加工中采用CBN磨削技术，上述隐患正在不断减小。CBN磨料与其他磨料相比，有着更高的硬度和强度，切削锋利且耐磨，因而具备了优化各种磨削参数的条件，如提升砂轮线速度后，不但提高了磨削效率，还明显地减小了磨削力，随之磨削热也减小了，工件表面的温度相应下降。另一方面，自21世纪初起，一些主流发动机企业在进行轴类零件的磨削加工时已出现了油基切削液部分地取代水基切削液的情况，而执行干磨工艺的企业也在增多，这表明，相比之下工件表面磨削烧伤的风险远低于硬度的下降。