میل‌لنگ (Crankshaft) یکی از پرفشارترین قطعات متحرک در موتورهای احتراق داخلی، به ویژه موتورهای دیزلی سنگین و صنعتی، محسوب می‌شود. این قطعه در معرض بارهای فشاری، کششی و نیروهای اینرسی شدیدی قرار دارد که منجر به سایش‌های مختلف و آسیب‌های متالوژیکی می‌شود. درک دقیق انواع این آسیب‌ها برای تشخیص زودهنگام، انجام تعمیرات موفق و افزایش طول عمر موتور حیاتی است.
مقدمه: ساختار و محیط کاری میل‌لنگ
میل‌لنگ از بخش‌های کلیدی شامل بدنه اصلی (Shaft)، بازوهای اتصال (Crank Webs)، پین‌های اصلی (Main Journals) و پین‌های شاتون (Rod Journals) تشکیل شده است. سطوح پین‌ها جایی است که بیشترین سایش و خرابی رخ می‌دهد، زیرا آن‌ها تحت بارگذاری بالا و لغزش مداوم با یاتاقان‌ها (Bearings) قرار دارند.
اهمیت تلرانس‌های یاتاقان و میل‌لنگ
عملیات میل‌لنگ با سیستم یاتاقان‌های لغزشی صورت می‌گیرد. فاصله (Clearance) بین پین میل‌لنگ و لایه یاتاقان باید در حد میکرونی تنظیم شود تا یک فیلم روغن پایدار بتواند بارهای عملیاتی را تحمل کند. هر گونه تغییر در این تلرانس، منجر به آسیب می‌شود.
انواع اصلی آسیب‌های میل‌لنگ
آسیب‌های میل‌لنگ به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: سایش سطحی (Wear) و آسیب‌های ساختاری/متالوژیکی (Structural/Metallurgical Damage).
۱. سایش سطحی (Surface Wear)
سایش سطحی، فرسایش تدریجی مواد از پین‌های میل‌لنگ در اثر تماس لغزشی با یاتاقان‌ها است.
سایش یکنواخت و بیضی‌شکلی (Uniform and Ovality Wear)
در شرایط روانکاری مناسب، سایش به صورت یکنواخت در تمام محیط پین رخ می‌دهد و قطر آن به تدریج کاهش می‌یابد. با این حال، در موتورهای دیزلی، نیروهای جانبی ناشی از احتراق و عدم بالانس باعث می‌شوند که سایش در یک جهت بیشتر از جهت دیگر رخ دهد و پین به شکل بیضی (Ovality) درآید. این بیضی‌شکلی منجر به از دست رفتن سریع فیلم روغن و سایش شدید یاتاقان می‌شود.
سایش غیریکنواخت و خط‌اندازی (Scoring and Grooving)
این نوع سایش زمانی رخ می‌دهد که فیلم روانکاری به طور کامل از بین برود (به دلیل کمبود روغن، فشار بیش از حد یا آلودگی روغن). تماس مستقیم فلز با فلز باعث ایجاد خراش‌های عمیق (Scoring) در امتداد محور پین می‌شود. این خراش‌ها، در صورت عمیق بودن، اغلب نیاز به سنگ‌زنی عمیق یا تعویض میل‌لنگ دارند.
۲. آسیب‌های ساختاری و متالوژیکی
این آسیب‌ها مربوط به یکپارچگی داخلی فلز میل‌لنگ هستند و بسیار جدی‌تر از سایش سطحی می‌باشند.
ترک‌های خستگی (Fatigue Cracks)
این جدی‌ترین آسیب است که در اثر بارهای چرخشی تکراری (Cyclic Loading) در مناطق تمرکز تنش رخ می‌دهد. شایع‌ترین محل شروع ترک، شعاع اتصال (Fillet Radius) بین پین‌های اصلی و بازوهای میل‌لنگ است، جایی که تنش خمشی بیشترین مقدار را دارد. این ترک‌ها در ابتدا میکروسکوپی هستند اما با ادامه کار، گسترش یافته و می‌توانند منجر به شکست ناگهانی و فاجعه‌بار میل‌لنگ شوند.
پوسته شدن یاتاقان و انتقال حرارت (Bearing Peening and Imbedding)
در صورت سایش شدید یاتاقان‌ها، لایه نرم یاتاقان (معمولاً از جنس مس یا قلع) ممکن است ذوب شده، خرد شود و به صورت ذرات نرم بر روی سطح پین میل‌لنگ منتقل شوند (Peening). این ذرات می‌توانند در پین میل‌لنگ نفوذ کرده یا به اجزای نرم‌تر یاتاقان‌های جدید آسیب بزنند.
آسیب‌های ناشی از عملیات حرارتی و خستگی حرارتی
این آسیب‌ها اغلب در اثر تغییرات دمایی شدید رخ می‌دهند. سخت‌کاری سطحی ناکافی یا تنش‌های حرارتی شدید می‌توانند باعث ایجاد ترک‌های ریز یا تغییر در ساختار متالورژیکی فلز پایه شوند که مقاومت خستگی کلی میل‌لنگ را کاهش می‌دهد.
بررسی و تشخیص آسیب‌ها
تشخیص نوع و شدت آسیب، مسیر تعمیر را مشخص می‌کند.
۱. اندازه‌گیری دقیق ابعاد و هندسه
استفاده از میکرومترها و کولیس‌های با دقت بالا برای اندازه‌گیری قطر پین‌ها و تشخیص بیضی‌شکلی (Ovality) و مخروطی بودن (Taper). تلرانس‌های مجاز برای این اندازه‌گیری‌ها بسیار تنگ و در حد میکرومتر است.
۲. تست‌های غیرمخرب (NDT)
برای ترک‌ها، تست‌های زیر ضروری است:
- تست با مایعات نافذ (DPI): برای آشکارسازی ترک‌های سطحی در شعاع‌ها.
- تست ذرات مغناطیسی (MPI): برای تشخیص ترک‌های زیرسطحی در میل‌لنگ‌های فولادی.
روش‌های احیای تخصصی میل‌لنگ
روش احیا به شدت به نوع و شدت آسیب بستگی دارد.
۱. سنگ‌زنی و پرداخت برای سایش و بیضی‌شکلی
در صورت سایش یا بیضی‌شکلی در محدوده تلرانس قابل قبول (معمولاً تا 0.05 میلی‌متر)، میل‌لنگ به ابعاد زیر استاندارد (Undersize) سنگ‌زنی می‌شود. این فرآیند با دستگاه‌های سنگ‌زنی دقیق انجام شده و پین‌ها برای یاتاقان‌های تعمیراتی آماده می‌شوند.
۲. اصلاح شعاع‌ها برای مقابله با خستگی
پس از سنگ‌زنی، شعاع‌های اتصال باید با فرآیند رولینگ شعاع (Fillet Rolling) تحت فشار قرار گیرند. این کار تنش‌های فشاری را در سطح شعاع ایجاد کرده و به طور مؤثری مقاومت به خستگی میل‌لنگ را در برابر ترک‌های بعدی افزایش می‌دهد.
۳. روش‌های ترمیم برای آسیب‌های عمیق
در صورت وجود خراش‌های عمیق (Scoring) یا ترک‌های کوچک که قابل رفع با سنگ‌زنی نیستند، از روش‌های ترمیم متالوژیکی استفاده می‌شود:
- آبکاری کروم سخت (Hard Chrome Plating): برای بازگرداندن قطر پین‌ها به ابعاد استاندارد یا تعمیراتی، پس از سنگ‌زنی اولیه.
- جوشکاری TIG و سنگ‌زنی مجدد: برای ترمیم آسیب‌های عمیق در بازوها یا فلنج انتهایی، که پس از جوشکاری تحت عملیات حرارتی و سنگ‌زنی دقیق CNC قرار می‌گیرند.
نتیجه‌گیری
سایش و آسیب‌های میل‌لنگ، که عمدتاً ناشی از روانکاری نامناسب یا بارهای دینامیکی بیش از حد است، می‌تواند منجر به خرابی‌های فاجعه‌بار شود. تشخیص دقیق از طریق NDT و اندازه‌گیری‌های میکرونی، اولین گام است. روش‌های احیا، از سنگ‌زنی ساده و اصلاح شعاع‌ها برای افزایش عمر خستگی، تا ترمیم‌های متالوژیکی پیچیده برای آسیب‌های عمیق، باید با دقت بسیار بالا انجام شوند تا میل‌لنگ بازسازی شده قابلیت اطمینان یک قطعه نو را در موتورهای صنعتی کسب کند.