氣門熱處理校直方法的幾次改進與效果分析

■ 王忠誠，韓德剛，苑 建

內燃機進氣門是發(fā)動機內的關鍵部件，在服役過程中主要承受反復沖擊的機械負荷作用，其工作溫度在300～400℃，而排氣門除承受沖擊的機械負荷外，還受到高溫氧化性氣體的腐蝕以及熱應力、錐面熱箍應力和燃燒時氣體壓力等的共同作用，排氣門的工作溫度達600～800℃，只有具備以下性能才能滿足對氣門苛刻的服役要求：①具有高的熱強性和良好的耐蝕性。②具有良好的綜合力學性能。③具有良好的減磨性和耐磨性。

根據氣門材質與技術要求的不同，氣門熱處理包括調質處理、固溶時效處理。其中國內外的調質處理設備采用鹽浴爐、空氣（箱式爐或井式爐，多為通98%以上的氮氣）電阻爐、保護氣氛爐、流動粒子爐、高溫燃氣爐及連續(xù)調質處理作業(yè)爐等，日本、德國、美國、匈牙利等國家早在20世紀70年代已采用了連續(xù)式調質處理作業(yè)線和多用爐，盡管氣門為吊掛式加熱與冷卻，特點是氣門的變形小，可實現連續(xù)作業(yè)或周期性作業(yè)。氣門的固溶多半是采用鹽浴爐、高溫燃氣爐、高溫井式爐、高溫箱式爐及高溫多用爐等完成，調質處理或固溶時效后的氣門必然存在熱處理變形，而后續(xù)的拋丸變形也是始終存在的，因此氣門的校直是十分重要的工序。

一、氣門熱處理后變形的校直要求

合金結構鋼、馬氏體耐熱鋼經過調質處理（淬火+高溫回火）后硬度在28～40HRC（個別在40～50HRC），奧氏體耐熱鋼通常進行固溶+時效處理，或僅進行時效處理，桿-桿（雙金屬）焊氣門奧氏體耐熱鋼部分壓成形后不再處理，基體硬度控制在30～40HRC。

調質處理后的金相組織為回火索氏體+碳化物，晶粒度細于6級，奧氏體耐熱鋼晶粒度與析出、硬度等應符合技術要求。氣門熱處理過程中因受熱不均勻、放置狀態(tài)不合理、發(fā)生組織轉變、加熱時氣門的疊壓，以及不規(guī)則地落入淬火冷卻介質中，均存在氣門的變形問題；氣門進行熱處理后表面存在有一定數量的氧化皮等，需要進行表面拋丸處理，為后續(xù)的氣門校直、機械加工以及保證表面粗糙度等提供技術保證。

拋丸過程中，氣門彼此在拋丸機滾筒或履帶上翻滾、相互擠壓與滾動，鋼丸在上方或側面從拋丸器中高速拋出拋到氣門表面，故同樣存在氣門的變形問題。通常氣門的熱處理變形包括桿部直線度超差與氣門盤錐面或盤端面超差。

氣門為蘑菇狀零件，一般熱處理后氣門變形量的要求為：氣門桿部直線度≤0.08mm或0.10mm、盤軸向（盤錐面）圓跳動≤0.10mm或0.15mm。圖1與圖2為氣門的校直要求（一般）。

圖1 氣門桿部與錐面跳動校直要求

圖2 氣門桿部與軸向圓跳動校直要求

圖3 氣門桿部直線度測量支架調整位置

二、氣門熱處理校直方法的進展與特點

氣門校直有兩個目的，一是校正氣門桿的直線度；二是糾正盤部對桿跳動。氣門在熱處理后進行拋丸處理，而后進行氣門的校直。目前國內外廣泛采用機械校直與手工校直相結合的方法，首先采用機械校直，將氣門的桿部、盤錐面（或盤端面）擠壓校直，然后分選或手工進行100%的檢查與校直。

圍繞氣門的桿部變形以及盤部的跳動超差問題，縱觀國內外氣門制造廠的校直方法，我們可將其發(fā)展過程分為幾個階段，從中可知其各有優(yōu)點與缺點。同時也反映了不同時期的毛坯與機械加工設計者的加工方法與思維方式，更能體現隨著氣門校直技術的進步與科技的發(fā)展，氣門校直方法在向著高合格率、高效率、節(jié)能、機械化與自動化等方向發(fā)展，并滿足不同要求的校直需要。

圖4 氣門錐面跳動測量支架調整位置

圖5 氣門盤軸向圓跳動測量支架調整位置

圖6 成品檢驗發(fā)現的掉塊的實物（滲氮）

圖7 盤部錐面跳動超差后錘擊后掉塊的毛坯實物

1. 氣門的手工校直（第一代校直方法）

采用百分表、測量架、錘子及墊塊等，首先利用V工裝進行氣門桿部直線度的校直，超差的進行高點錘擊。之后采用滾子支撐桿部進行氣門盤部跳動的檢查，超出要求時放入同規(guī)格的氣門鍛模中進行盤端面的錘擊，以達到校直的目的。校直后的氣門再次進行2h的300℃退火處理，以消除錘擊應力，必要時要進行再次拋丸處理。桿部直線度、與錐面跳動或盤部軸向圓跳動位置要求如圖3、圖4與圖5所示。

優(yōu)點：①小批量作業(yè)比較靈活。②工裝調整方便。③人員培訓后即可上崗，不需要技術工人。

缺點：①勞動強度大。②生產效率低。③作業(yè)環(huán)境差。④易造成氣門桿部的錘擊斷裂與頭部的砸劈或掉塊。⑤氣門易早期失效（錘擊裂紋后工作過程中盤部掉塊），具體如圖6、圖7所示。

氣門桿部直線度與錐面跳動的檢測方式如圖8、圖9所示，進行盤部的校直采用的支撐工裝如圖10（在支撐塊上鉆孔，將氣門桿部插入后進行盤部校直）、圖11（用同規(guī)格的退火后氣門鍛模）所示，采用錘子錘擊氣門盤部外圓或端面，達到校直的目的，對于脆性大的材料則可采取圖12的校直方法。

圖8 手工桿部直線度的檢測方式

圖9 手工氣門錐面跳動的檢測方式

圖10 錘擊盤部外圓的放置形態(tài)

圖11 錘擊盤部底面的放置形態(tài)

圖12 用圓棒錘擊氣門的脖頸處

圖13 氣門熱處理后的機械校直（第二代校直方法）

圖14 氣門校直原理

2. 氣門的機械滾直方法（第二代校直方法）

為解決氣門的手工校直問題，同時也減少錘擊氣門帶來的內在隱患，氣門制造廠開始研究可替代的機械校直方法。利用帶溝槽的滾直機專用滾壓輪（見圖13），采用液壓傳動完成對氣門桿部和端面的調直，在螺紋加工領域使用的滾絲機為氣門桿部校直提供了思路與方法，采用滾絲機的結構形式而設計的氣門桿部機械滾直機床，用多頭（一般多用3個頭）滾壓輪取代滾絲模，兩滾壓輪同方向（右旋）、同轉速且直徑較大（D=200～225mm）滾壓輪加上一塊鑲嵌硬質合金托板組成氣門桿軋直的工裝，以氣門盤部底面定位（見圖14），啟動液壓系統進行擠壓處理來達到校直的目的。對于錐面或盤軸向圓跳動超過規(guī)定要求（TRW把此值設定為0.18mm），操作者用鐵錘猛擊偏差大的一邊盤端面，經驗豐富的員工多數可以一錘敲定，但極大部分員工需要幾錘敲定，既消耗體力又費時，更關鍵的是這一錘猛擊在氣門盤端面上，留下了盤端面在發(fā)動機內掉塊可能性的應力源。該設備是比較原始的氣門校直機械，氣門從上面的滑道落入滾壓輪中，該類校直設備在1980—2000年比較盛行，當時在國內80%的氣門制造廠得到廣泛應用。

優(yōu)點：部分解放了手工勞動。

缺點：①合格率低，僅有40%。②生產效率低。③氣門頭部校直效果差。④易擠傷。⑤氣門校直后需要進行300℃的退火處理。

3. 氣門的搓板校直方法（第三代校直方法）

第二代氣門校直方法雖然解決了氣門桿部的直線度問題，但對于氣門盤部的跳動，仍沒有很好的解決措施，原因在于是氣門盤部底面定位進行的校直。因此針對此問題，氣門制造廠與機床廠合作，將對氣門桿部與錐面（或盤端面）校直作為重點研究課題，而搓絲機在螺紋工具行業(yè)是自20世紀70年代以來一直應用的加工設備，用于加工絲錐螺紋、標準件等，其具有生產效率高、制造成本低、產品質量穩(wěn)定等特點。氣門校直的原理與其是相近的，即利用搓絲板相對移動，達到校直氣門桿部與錐面（或端面）跳動的要求。

桿徑7mm以上氣門毛坯采用搓絲機改裝的設備，該設備為已傾斜的氣門校直機床，上料后的氣門滑入搓板內，利用動校直板、靜校直板和斜板的相對運動，將氣門夾持在它們中間，送料機構將氣門推進靜校直板后，動校直板推動氣門桿部和盤錐面向前運動，從而實現對氣門桿部和盤錐面的校直。因此搓直的功能是校正桿的直線度，用氣門的盤錐面貼住固定的帶45°或60°的斜鐵校直條，同時校整盤部錐面（或盤端面）對桿的跳動。由于氣門校直時，兩搓直板的間隙比氣門桿徑小0.05~0.15mm，機械強制擠壓氣門的桿部與錐面，氣門校整后，機械校直應力很大，因此氣門毛坯校直后需進行除應力退火處理（580℃），之后拋丸處理，此后的氣門盤錐面對桿的跳動有30%超差，需要許多人用錘擊進行校正處理。圖15為搓板機局部，圖16為校直的工作實景，圖17與圖18為被搓傷的桿部與盤部。該類校直方法在1995—2005年應用比較廣泛。

優(yōu)點：①合格率比第二代提高，達到55%。②生產效率略高。

缺點：①搓板等更換或修整比較頻繁和麻煩。②采用全損耗系統用油冷卻，耗油多（每班50kg）。③搓直后的氣門料箱油污多，環(huán)境差。④搓傷的廢品率高。⑤需要再次退火處理，能耗增加。

4. 氣門的加熱機械滾直方法（第四代校直方法）

這是采用滾絲機改裝的盤桿校直機，是在第二代校直機（滾直機）的基礎上，對桿徑8mm以下氣門毛坯校直配備加熱設備，將氣門加熱到300～500℃后立即進行熱校直，然后進入滾直機內進行氣門桿部與底面的熱校直，具有很好的效果，同時也省去了退火工序。其校直原理是利用滾絲機滾壓輪來校直桿部，解決桿部直線度問題；在氣門盤端面前安裝旋頂壓盤，該盤端面與氣門的盤端面緊密接觸，故可同時校正盤端面對桿的跳動。該工藝可解決氣門冷加工硬化問題，沒有表面的加工硬化現象，也防止因擠壓后變形反彈問題，減小了擠壓時的應力集中（而冷擠壓后出現應力大、變形反彈問題）。

在2003—2008年，國外氣門制造廠比較推崇此方法，應用較為廣泛。國外氣門校直多采用熱校直，校直設備為滾壓式校直機，桿部與盤部同時校直，不僅效率高，而且校直精度優(yōu)良。國內采用冷校直，多是手工校直，效率低，精度差，因受力不均，常造成氣門頭部斷裂。圖19為校直機與加熱設備。

優(yōu)點：①合格率比搓板的提高10%～15%。②生產效率略高于搓板。③不需要二次退火處理。④不會出現氣門的硬擠傷與硬化現象。

缺點：①耗能大，需要添置加熱設備。②氣門掛在加熱爐鏈條上易脫落，從而造成停機故障。③擠傷。④需要增加上料提升機構。⑤占地面積大。⑥盤部的錐面跳動合格率不高。

圖15 氣門校直局部（搓板校直）（第三代）

圖16 氣門校直機（搓板）校直工作實景

圖17 氣門桿部被搓板擠傷

圖18 氣門盤部被搓板擠傷

圖19 氣門校直機與體積龐大的加熱爐

5. 氣門的滾壓輪校直方法（第五代校直方法）

目前，氣門制造廠多數采用的是將氣門盤、桿一起校直的設備（適用于氣門桿徑在5～8mm，總長80～130mm的校直），桿部采用兩對滾壓輪和一個單獨滾壓輪進行校直，同時用一個帶45°或60°圓錐輪去擠壓氣門盤部錐面，又在盤端面一側用帶小錐度的轉動輪去頂住，不讓其在氣門校正中向前竄動。此外，也讓氣門盤部對桿部產生一個彎曲變形扭矩，從而達到校直的目的。氣門從上料道滑入校直機中，校直后從兩對滾壓輪的溝槽處落入料盒內。圖20、圖21分別為氣門校直情況（長度130mm以下的）。

需要說明的是，應根據校直工藝中的技術要求來確定是校直盤錐面還是盤軸向圓跳動，可采用調整兩個輪的擠壓程度來實施。

在進行氣門校直前，首先要確定需要校直的氣門一般變形程度，即選定桿部直線度在某個數值的氣門進行試調整，通過調整滾壓輪與滾壓輪的間距與壓力等，使其滿足工藝要求。

隨著技術的進步，機床制造廠家對校直設備進行了改造，增加自動上下料裝置和自動提升裝置，并用PLC控制，穩(wěn)定可靠，可達到減輕勞動強度、提高生產效率的目的，降低了設備提升故障，具有廣闊的應用與發(fā)展前景。

優(yōu)點：①合格率高達80%。②生產效率提高，每班每臺設備可生產3000～4200支。③不用鐵錘進行錘擊校直。④節(jié)省能源，校直后取消了校直后的去應力退火。⑤基本不用鐵錘錘擊氣門。

缺點：①變形大的氣門仍需進行二次校直，但效果不佳。②桿-桿焊或頭-桿焊氣門如滾壓輪擠壓在焊縫處，則易造成氣門的桿部（坡口）斷裂。

對于適用于氣門桿徑在8mm以上、總長130～240mm的中大型氣門，則不能采用上面的校直方法。需要將滾壓輪之間間距增大，則采用新型的校直機，氣門被機械手放入滾壓輪中，桿部被5個滾壓輪與1個支撐鉤擠壓校正（三個位置擠壓），氣門盤部底面與錐面被上下兩個滾輪擠壓，完成對氣門的桿部與盤部的校直，該類校直為局部產生變形的過程。圖22、圖23（氣門盤端面定位，對錐面進行擠壓）分別為機械手抓持氣門、氣門在滾壓輪中校直中的實景。

圖20 氣門校直機工作狀態(tài)

圖21 滾壓輪局部（顯示溝槽）

圖22 氣門待放入滾壓輪之間滾壓

圖23 校直中的氣門

三、氣門熱處理校直與分選的組合

氣門在完成桿部與盤部的校直后，存在桿部直線度、盤部錐面（或盤端面）跳動超差問題，并非100%全部合格，隨后需要全部進行人工檢驗或進行氣門分選機分選，確保轉入下道工序的氣門全部符合校直技術要求。人工檢驗氣門存在勞動強度大、生產效率低等致命缺陷，已成為制約熱處理生產效率的瓶頸工序，因此采用自動分選機是大勢所趨。

事實上，日本、德國、美國、韓國、匈牙利等發(fā)達國家的氣門制造廠應用分選機的時間早于國內二十多年，我國近十年已經意識到減輕操作者勞動強度與提高生產效率是降低企業(yè)成本的必由之路。開始引進與制造氣門分選機，并在國內的濟南沃德、伊頓、馬勒三環(huán)、三愛海陵及廣東懷集等大型氣門制造廠得到了極為廣泛的應用，這是提高勞動效率、降低制造成本、改善作業(yè)環(huán)境最有效的舉措。而將校直機與分選機連在一起則有效解決了二次運輸問題。連線作業(yè)的一個流，是目前推廣的精益生產的重要部分，可滿足一人看多機的設計理念，完全拋棄了一人單機的陳舊模式，圖24為校直機與分選機連為一體的組合實景。

分選機具有以下特點：①校直后的氣門通過提升機構與傳送機構，落入傾斜的滑道上，分選機的測量桿部與盤部端面（或盤錐面）的感應器觸頭（或遠紅外）與其接觸，檢測的數據傳遞到測量系統。②可實現其自動分選，具有靈敏度高、效率高等特點，代替了人工作業(yè)。③故障率低。④目前可一人看四臺，生產效率提高了8～10倍。圖25為分選機整體機構，圖26為其檢測與落料機構。

分選機的檢測機構具有計數功能，可清晰記錄合格與不合格數量（見圖27），了解產品質量狀況。

圖24 校直機與分選機連為一體的組合

圖25 分選機整體結構

圖26 分選機的檢測機構與落料機構

圖27 氣門校直檢測系統顯示屏

四、氣門熱處理校直的未來發(fā)展趨勢

氣門的熱處理變形是有規(guī)律的，其產生雖然可以預控，但是無法徹底根除。為此，氣門制造廠則相應地采取了許多有效措施，如氣門的淬火加熱狀態(tài)采用在網帶爐上垂直擺放加熱、環(huán)形線保護垂直加熱、多用爐垂直加熱、高溫井式爐垂直穿掛加熱等方式，回火采用網帶回火或小的圓筐等在井式爐中集中回火；氣門采用調質料，不再淬火與回火，而僅進行退火處理；氣門的拋丸則根據盤部是否全加工，采用不拋丸或縮短拋丸時間等措施，盡管效果較為明顯，但仍存在氣門變形問題，故氣門校直處理是必須進行的。

根據國內外氣門制造廠的生產情況，結合國內外氣門制造廠的熱處理設備與校直設備等現狀，尤其是從降低制造成本的目的出發(fā)，筆者認為，氣門熱處理校直的發(fā)展趨勢如下：

（1）拋丸后氣門自動傳遞到校直機上料機構中，實現氣門校直的自動化作業(yè)，進行智能化生產。

（2）氣門校直過程實時監(jiān)控，出現故障自動報警，并提示故障部位與異常情況。

（3）校直機具有自動檢測與補償功能。

（4）通過不斷完善與改進內部擠壓結構，達到氣門校直合格率100%。

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