汽油發(fā)動機缸蓋座圈及導管失效分析及措施*

陳李聽，周俊輝，張相廣，石 剛

(寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336)

0 引 言

缸蓋氣門導管座圈是發(fā)動機關(guān)鍵部位，氣門座圈既要滿足耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕，又要滿足機械加工的易切削性能，還要考慮加工經(jīng)濟性。 同時，由于粉末冶金材料的多孔隙性和含有微觀硬質(zhì)粒子等特點[1]，氣門閥座精度要求高，材料難加工，對氣門座圈的機械加工的幾何精度提出了挑戰(zhàn)。 為了找到氣門閥座機加工的通用方法，筆者對氣門閥機械加工工藝、刀具方案、測量方式做了匯總，并識別氣門閥座機加工的各種失效模式，提供氣門閥座機加工異常的各種解決方案，為后續(xù)氣門閥座加工提供參考和借鑒。

1 氣門閥座機加工介紹

1.1 氣門閥座的構(gòu)成及各形位尺寸

為控制燃料流入氣缸以及控制燃燒的廢氣從氣缸中排出，氣門閥座機設(shè)有配氣機構(gòu)，這個機構(gòu)包含了頂桿、氣門導管、氣門座圈、彈簧、氣門卡環(huán)等，如圖1所示。 其中氣門閥座包含座圈和導管，而氣門閥座和氣門配合是保證發(fā)動機燃燒室的密封性的關(guān)鍵。

圖1 氣門閥座示意圖

氣門閥座機加工涉及的尺寸眾多，每一個尺寸都有它存在的意義。 以某發(fā)動機缸蓋進氣側(cè)為例:

氣門導管長度為L＝40 mm；外徑為D＝11.5 mm；內(nèi)徑為d＝6 mm。 長徑比為L/d＝40/6＝6.67，屬于細長孔加工；導管壁厚為(D-d)/2＝(11.5-6)/2＝2.75 mm，屬于薄壁零件。

為保證氣門座圈和導管的同軸度，在壓裝氣門導管和氣門座圈之前，精鉸氣門導管底孔和氣門座圈底孔時，一般導管底孔和氣門底孔的同軸度控制在Φ0.1以內(nèi)。 機械加工氣門閥座時，其形位尺寸加工差異對其影響如表1 所列。

表1 形位尺寸加工差異對其影響

續(xù)表1 形位尺寸加工差異對其影響

在實際加工中熟知形位參數(shù)與加工狀態(tài)的比對，可以快速找出影響因素，合理制定解決方案。

1.2 氣門座圈及導管材料的成分和特點

目前制造氣門導管的材料有鑄鐵、高強度黃銅及粉末冶金材料。 隨著汽油機開始使用無鉛汽油，因磨損的原因，鑄鐵與其他常用材料不再適用。

氣門座圈和氣門導管的耐磨性和切削性能正好是一對矛盾，這些改善氣門座圈和氣門導管性能的材料，對刀具來說，就是一些難加工材料，它們的含量和顆粒度的大小，會引起刀具的異常磨損，因切削力的變化，甚至會引起工藝尺寸的偏差。

粉末冶金的生產(chǎn)工藝的本征特性是含有一定量空隙[2]，因此，也稱之為金屬—孔隙(空氣)組成的復合材料，表征這種特性的技術(shù)性能是密度、孔隙度及滲透性。

(1) 密度ρ。 密度用相對密度表示，其定義是粉末冶金零件的密度對于孔隙的同樣物體之比。 實際上，將相對密度低75%的粉末冶金零件認為是低密度的；大于90%者認為是高密度的，位于二者之間的是中密度的。 一般而言，結(jié)構(gòu)零件的相對密度范圍在80～95%之間。

(2) 孔隙度φ。 孔隙度是零件材料中孔隙體積的百分率。 其與密度成負相關(guān)，若零件的相對密度為85%，則孔隙度為15%。 孔隙度通過原材料與燒結(jié)工藝來控制，可使零件具有均勻的孔隙度，也可使零件從一個斷面到另一個斷面具有不同的孔隙度(密度)。 采用粉末冶金工藝的產(chǎn)品，在放大鏡下，可看到開孔和閉孔兩種孔隙。 孔隙是粉末冶金的本征特征，在刀具切削時，這些孔隙會顯露出來，孔隙的大小需控制在0.3 mm 以內(nèi)。

2 氣門閥座工藝流程介紹

2.1 座圈毛坯制作工藝流程

氣門座圈和氣門導管的制造工藝有鑄造、鍛造和粉末冶金三大類。 使用粉末冶金的工藝具有使用性能好、成本低及工藝自由度大的優(yōu)勢。 粉末冶金的工藝讓產(chǎn)品具有一定的孔隙率，通過一些工藝方法，能發(fā)揮良好的自潤滑減磨性。

粉末冶金生產(chǎn)氣門座圈和氣門導管的一般工藝過程如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程

在混合之前，有原材料的制作工藝，稱為制粉。原材料的顆粒大小，成分含量對機械加工的性能影響很大。

通過稱料后，各種原材料進入滾動攪拌機，為保證脫模順利，有時會加入一定數(shù)量的潤滑劑。 混合時間對于材料的均勻性影響很大，氣門導管和氣門座圈混料時間要90 min 以上。

壓力成型時的壓力大小會直接影響氣門導管和氣門座圈的密度，進而影響成品的孔隙率，氣門導管和氣門座圈的壓力機的最大壓力可達500 kN。 氣門座圈和氣門導管的燒結(jié)溫度一般在1 100 ～1 200 ℃之間，要根據(jù)驗證取得合適的溫度，達到最理想的密度、硬度和強度。

為提高切削性能、力學性能、密封性能，需消除殘留在孔隙中的雜質(zhì)，可用浸油、含浸樹脂、滲銅等方法填充這些孔隙。 浸油可將潤滑油儲存于粉末冶金零件材料的孔隙中，由于零件發(fā)熱，潤滑油會滲出到零件表面進行潤滑，減小磨損；含浸樹脂可以封閉粉末冶金零件材料中的孔隙，有利于壓力密封和改進切削性；用熔點比基體材料低的金屬熔滲，諸如滲銅，不僅可密封殘留孔隙，而且可以提高力學性能。

氣門導管和氣門座圈在壓制成型后，有時還需要進行機械加工，以達到圖紙的尺寸要求，需要通過外圓磨床、端面磨床，以及車床等機械設(shè)備加工，最后通過檢驗，完成成品打包。

2.2 氣門閥座機加工的基本原理

氣門導管和氣門座圈一般作為零件壓裝在氣缸蓋上，通過機械加工達到滿足要求的幾何尺寸。

根據(jù)目前國內(nèi)外的工藝發(fā)展，氣門座圈和導管孔的機加工主要形成了兩種加工趨勢。

一種是以精密機床和加工中心為主要加工設(shè)備，采用柔性制造技術(shù)，使用專用精密復合刀具加工氣門座圈錐面和導管孔。 另一種是以專用機床為主要加工設(shè)備，釆用槍鉸或槍鏜的加工技術(shù)，使用專用鉸刀或鏜刀對氣門座圈和氣門導管孔進行加工。

使用專機加工閥座的常見加工工藝為:粗加工氣門導管底孔，氣門座圈底孔→精鉸氣門導管底孔，氣門座圈底孔→壓裝氣門導管，氣門座圈→粗加工氣門座圈，導管底孔導引加工→精加工氣門座圈，氣門導管孔。

如圖3 是使用專機時氣門導管的加工示意圖。加工時，導管孔鉸刀在硬質(zhì)合金導套的導引下，鉸刀伸出，先加工完導管孔，然后鉸刀退回；將車夾頂出，加工完氣門座圈錐面，刀夾退回。

圖3 專機加工閥座示意圖

用加工中心加工氣門閥座常見工藝為:粗加工氣門導管底孔，氣門座圈底孔→精鉸氣門導管底孔，氣門座圈底孔→壓裝氣門導管，氣門座圈→粗锪氣門座圈，導管底孔導引加工→精加工氣門座圈，氣門導管孔。 如圖4 是使用加工中心精加工閥座時的示意圖。

圖4 加工中心精加工閥座示意圖

加工氣門閥座一般會有兩種不同的工藝排布方案，一種為:氣門導管導引＋粗锪密封面→精加工氣門導管＋精锪密封面＋非密封面，這是常用的一種方案。 另一種方案為:氣門導管導引＋粗锪密封面＋非密封面→精加工氣門導管＋精锪密封面，這種方案精加工內(nèi)容少，切削力小，可以有效減少跳動，避免引起座圈振紋，但是帶寬較難控制。

2.3 閥座加工刀具

使用專機加工氣門閥座具有精度高、效率高、加工穩(wěn)定的特點，習慣上使用兩臺機床分別加工進、排氣閥座。

加工中心加工氣門閥座具有的優(yōu)勢是工序少，柔性好，加工內(nèi)容集中，夾具定位精度高。

如圖5 是使用專機加工閥座的刀具，前端是加工導管孔鉸刀，為整體式硬質(zhì)合金槍鉸刀，使用槍鉸刀可以修正加工孔的直線度。 后端是加工氣門座圈的機構(gòu)，一般有三個角度，非密封面使用锪的形式，刀片安裝在刀夾中，加工密封面的刀夾是可移動的，即采用車的形式，這樣加工出來的閥座面形位誤差很好，并且可以消除锪面加工時刀片的輪廓缺陷。

圖5 專機刀具圖

如圖6 是加工閥座的組合式刀具。 前端加工導管孔鉸刀是4 刃焊接金剛石鉸刀，也可設(shè)計成6 刃的硬質(zhì)合金刀具，有兩段階梯，分粗加工和精加工，專門設(shè)計的導條可以起到支撐刀具作用，提高表面加工質(zhì)量和精度。 刀具采用側(cè)固式，并可以調(diào)整跳動。 后端是六邊形機夾式刀片，刀片上開槽，壓板卡入刀片槽中拉緊刀片，裝夾可靠，簡單，常用的材質(zhì)有硬質(zhì)合金和立方氮化硼。

圖6 加工中心刀具圖

3 氣門閥座加工失效模式及對策

3.1 失效模式

針對氣門閥座機加工中常出現(xiàn)的失效模式及原因進行分析并提出對策。 以氣門閥座加工中的幾種典型的失效，如跳動超差、直線度不好、測量誤差等做分析，分析結(jié)果如表2 所列。

表2 常見失效模式及對策

3.1.1 座圈跳動不穩(wěn)定

在某項目調(diào)試階段，缸蓋座圈跳動一直無法通過CmK，通過人、機、料、法、環(huán)、測等分析，最終得出，導管材料是其中影響的最大要因。 在分析問題時，本著快速解決問題，不增加成本的原則，會首先從加工方案上著手解決，往往忽略了料和測等環(huán)節(jié)的核查對座圈跳動[3]不穩(wěn)定的影響。

由材料引起的失效形式是導管材料中存在大量硬質(zhì)點，其微觀硬度約為1 400HV，而硬質(zhì)合金的硬度約為1 400～1 800HV，這會導致硬質(zhì)合金鉸刀切削硬質(zhì)點時，相對硬度不夠，無法直接切碎硬點，引起刀具的震動。

刀具切削到硬點時，硬質(zhì)點或滑移，在孔壁上形成大量劃痕；或產(chǎn)出讓刀，導致刀具偏移。 其綜合結(jié)果是導管孔母線直線度較差，擬合出的中心線偏移大，導致座圈以導管中心線為基準的跳動波動大，甚至超差。 另外，導管材料中的硬點加劇刀具磨損，故而刀具壽命短，加工成本高。 通過氣門導管顯微結(jié)構(gòu)顯示氣門導管存在明顯的大的硬質(zhì)點顆粒，金相分析如圖7(a)、(b)所示。

圖7 氣門導管金相分析

使用硬度達8 000HV的金剛石材質(zhì)刀具，通過更高的轉(zhuǎn)速，可以將硬質(zhì)點切碎，有效地避免了孔壁劃痕和“讓刀”的問題，并且該工序通過了CmK。 相較于硬質(zhì)合金刀具，使用金剛石鉸刀可在改善加工質(zhì)量的同時，大幅度降低制造成本，刀具切削參數(shù)對導管座圈加工質(zhì)量以及刀具壽命影響極大，切削參數(shù)過高，將會大大降低刀具的壽命，切削參數(shù)過低，不但加工效率低，還有可能使被加工特征精度達不到要求。

因此，合理的切削參數(shù)不但能夠保證被加工特征的精度，同時能夠提高機床效率，延長刀具的壽命。建議切削參數(shù)如下:vc＝(60 ～100)m/min；f＝(0.05 ～0.12)mm/r。

3.1.2 測量方式對閥座跳動的影響

測量方式對閥座跳動也有一定影響。 車間配置的氣電檢具測量原理[4]如圖8 所示。 以氣門座圈密封面做基準，導管出口BE1三點輔助支撐，測量氣門導管BE2點處相對于氣門座圈的跳動。

圖8 檢測示意圖

我們分別以檢具、三座表以及輪廓度儀三種不同的檢具對同一個工件做檢測，跳動結(jié)果如表3 所列。

表3 測量結(jié)果

不同設(shè)備檢測結(jié)果差異最大的孔為2132。 氣電量儀檢測值為0.011 5 mm；三坐標檢測值為0.013 3 mm；輪廓儀儀檢測值為0.028 2 mm。 而氣門和氣門閥座配合時，氣門首先和氣門導管的最高點接觸，相比之下，氣電量儀檢具的測量原理較為合理，測量結(jié)果也跟輪廓儀的測量結(jié)果較為相近。 同時氣門閥座存在直線度和圓度的誤差，也會對閥座跳動產(chǎn)生影響。

3.1.3 氣門閥座直線度不好

在對導管直線度進行測量時，存在偏上差或者超差的情況，測量趨勢圖形如圖9 所示，在氣門導管入口處和出口處，波動比較大。

圖9 直線度測量趨勢圖(長度35.4 mm)

導管直線度偏大的原因一方面與硬點導致的“讓刀”有關(guān)，另一方面刀具內(nèi)冷在導管出口處突然泄壓也會導致刀具振動，刀具偏移使得直線度偏大。

對于冷卻液瞬間降壓導致的刀具振動，有效的對策是控制冷卻液壓力至合理范圍，約25 ～35 bar，同時合理的冷卻液溶度對刀具的冷卻潤滑、刀具的壽命也起到重要作用，一般冷卻液溶度控制在8～12%。

對策:如果在加工過程中出現(xiàn)直線度不好的情況，可以在出口處降低刀具進給。

3.1.4 導管孔粗糙度Rz超差

某型號發(fā)動機按照工藝要求，導管孔粗糙度應(yīng)滿足RZ1～RZ12，加工時會偶發(fā)導管孔粗糙度超差的情況，如圖10 所示。

圖10 RZ 超差示意圖

導管孔粗糙度超差[5]的因素主要有三個:①導管內(nèi)壁存在大量劃痕，如硬點滑移產(chǎn)生的痕跡；②退刀紋，或者因刀具跳動大產(chǎn)生的刀紋等；③導管材料本身孔隙過多，加工后表面存在大量凹點，導致Rz超差，如圖11 所示。

圖11 凹點示意圖

對策:①檢查導管孔鉸刀的跳動，控制鉸刀跳動在0.003 mm 以內(nèi)；②刀具退刀時，以進給的整數(shù)倍進給退刀；③調(diào)整氣門導管的壓力大小，并控制燒結(jié)溫度，減少孔隙的大小。

4 結(jié) 語

文中對氣門閥座的機加工工藝、刀具方案、測量方式出現(xiàn)的異常問題進行了分析，得出相對應(yīng)的驗證措施，對后續(xù)氣門閥座加工異常問題的解決提供了有效的指導意義，同時氣門閥座的加工是發(fā)動機缸蓋加工的關(guān)鍵工序，必須清晰地了解閥座的每一個尺寸所代表的意義，了解技術(shù)圖紙的要求，如孔隙率的定義、孔隙的形成原理、座圈跳動數(shù)值設(shè)定來源。 通過對人、機、料、法、環(huán)、測等各個因素的分析，不斷做驗證，才能找出其中的影響因子。 這些因子相互影響，只有通過不斷的驗證，收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，才能不斷積累經(jīng)驗，最終降低不利影響，讓產(chǎn)品尺寸加工穩(wěn)定。