汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋座圈及導(dǎo)管失效分析及措施*

陳李聽(tīng)，周俊輝，張相廣，石 剛

(寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336)

0 引 言

缸蓋氣門(mén)導(dǎo)管座圈是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位，氣門(mén)座圈既要滿足耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕，又要滿足機(jī)械加工的易切削性能，還要考慮加工經(jīng)濟(jì)性。 同時(shí)，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(diǎn)[1]，氣門(mén)閥座精度要求高，材料難加工，對(duì)氣門(mén)座圈的機(jī)械加工的幾何精度提出了挑戰(zhàn)。 為了找到氣門(mén)閥座機(jī)加工的通用方法，筆者對(duì)氣門(mén)閥機(jī)械加工工藝、刀具方案、測(cè)量方式做了匯總，并識(shí)別氣門(mén)閥座機(jī)加工的各種失效模式，提供氣門(mén)閥座機(jī)加工異常的各種解決方案，為后續(xù)氣門(mén)閥座加工提供參考和借鑒。

1 氣門(mén)閥座機(jī)加工介紹

1.1 氣門(mén)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(mén)閥座機(jī)設(shè)有配氣機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)包含了頂桿、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)座圈、彈簧、氣門(mén)卡環(huán)等，如圖1所示。 其中氣門(mén)閥座包含座圈和導(dǎo)管，而氣門(mén)閥座和氣門(mén)配合是保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的密封性的關(guān)鍵。

圖1 氣門(mén)閥座示意圖

氣門(mén)閥座機(jī)加工涉及的尺寸眾多，每一個(gè)尺寸都有它存在的意義。 以某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)氣側(cè)為例:

氣門(mén)導(dǎo)管長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝40 mm；外徑為D＝11.5 mm；內(nèi)徑為d＝6 mm。 長(zhǎng)徑比為L(zhǎng)/d＝40/6＝6.67，屬于細(xì)長(zhǎng)孔加工；導(dǎo)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(mén)座圈和導(dǎo)管的同軸度，在壓裝氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)座圈之前，精鉸氣門(mén)導(dǎo)管底孔和氣門(mén)座圈底孔時(shí)，一般導(dǎo)管底孔和氣門(mén)底孔的同軸度控制在Φ0.1以?xún)?nèi)。 機(jī)械加工氣門(mén)閥座時(shí)，其形位尺寸加工差異對(duì)其影響如表1 所列。

表1 形位尺寸加工差異對(duì)其影響

續(xù)表1 形位尺寸加工差異對(duì)其影響

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

1.2 氣門(mén)座圈及導(dǎo)管材料的成分和特點(diǎn)

目前制造氣門(mén)導(dǎo)管的材料有鑄鐵、高強(qiáng)度黃銅及粉末冶金材料。 隨著汽油機(jī)開(kāi)始使用無(wú)鉛汽油，因磨損的原因，鑄鐵與其他常用材料不再適用。

氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的耐磨性和切削性能正好是一對(duì)矛盾，這些改善氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管性能的材料，對(duì)刀具來(lái)說(shuō)，就是一些難加工材料，它們的含量和顆粒度的大小，會(huì)引起刀具的異常磨損，因切削力的變化，甚至?xí)鸸に嚦叽绲钠睢?/p>

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(chēng)之為金屬—孔隙(空氣)組成的復(fù)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(duì)密度表示，其定義是粉末冶金零件的密度對(duì)于孔隙的同樣物體之比。 實(shí)際上，將相對(duì)密度低75%的粉末冶金零件認(rèn)為是低密度的；大于90%者認(rèn)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(duì)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(fù)相關(guān)，若零件的相對(duì)密度為85%，則孔隙度為15%。 孔隙度通過(guò)原材料與燒結(jié)工藝來(lái)控制，可使零件具有均勻的孔隙度，也可使零件從一個(gè)斷面到另一個(gè)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(kāi)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(shí)，這些孔隙會(huì)顯露出來(lái)，孔隙的大小需控制在0.3 mm 以?xún)?nèi)。

2 氣門(mén)閥座工藝流程介紹

2.1 座圈毛坯制作工藝流程

氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的制造工藝有鑄造、鍛造和粉末冶金三大類(lèi)。 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(shì)。 粉末冶金的工藝讓產(chǎn)品具有一定的孔隙率，通過(guò)一些工藝方法，能發(fā)揮良好的自潤(rùn)滑減磨性。

粉末冶金生產(chǎn)氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的一般工藝過(guò)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(chēng)為制粉。原材料的顆粒大小，成分含量對(duì)機(jī)械加工的性能影響很大。

通過(guò)稱(chēng)料后，各種原材料進(jìn)入滾動(dòng)攪拌機(jī)，為保證脫模順利，有時(shí)會(huì)加入一定數(shù)量的潤(rùn)滑劑。 混合時(shí)間對(duì)于材料的均勻性影響很大，氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)座圈混料時(shí)間要90 min 以上。

壓力成型時(shí)的壓力大小會(huì)直接影響氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)座圈的密度，進(jìn)而影響成品的孔隙率，氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)座圈的壓力機(jī)的最大壓力可達(dá)500 kN。 氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管的燒結(jié)溫度一般在1 100 ～1 200 ℃之間，要根據(jù)驗(yàn)證取得合適的溫度，達(dá)到最理想的密度、硬度和強(qiáng)度。

為提高切削性能、力學(xué)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(shù)脂、滲銅等方法填充這些孔隙。 浸油可將潤(rùn)滑油儲(chǔ)存于粉末冶金零件材料的孔隙中，由于零件發(fā)熱，潤(rùn)滑油會(huì)滲出到零件表面進(jìn)行潤(rùn)滑，減小磨損；含浸樹(shù)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(jìn)切削性；用熔點(diǎn)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(xué)性能。

氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)座圈在壓制成型后，有時(shí)還需要進(jìn)行機(jī)械加工，以達(dá)到圖紙的尺寸要求，需要通過(guò)外圓磨床、端面磨床，以及車(chē)床等機(jī)械設(shè)備加工，最后通過(guò)檢驗(yàn)，完成成品打包。

2.2 氣門(mén)閥座機(jī)加工的基本原理

氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)座圈一般作為零件壓裝在氣缸蓋上，通過(guò)機(jī)械加工達(dá)到滿足要求的幾何尺寸。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的工藝發(fā)展，氣門(mén)座圈和導(dǎo)管孔的機(jī)加工主要形成了兩種加工趨勢(shì)。

一種是以精密機(jī)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(zhuān)用精密復(fù)合刀具加工氣門(mén)座圈錐面和導(dǎo)管孔。 另一種是以專(zhuān)用機(jī)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(zhuān)用鉸刀或鏜刀對(duì)氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管孔進(jìn)行加工。

使用專(zhuān)機(jī)加工閥座的常見(jiàn)加工工藝為:粗加工氣門(mén)導(dǎo)管底孔，氣門(mén)座圈底孔→精鉸氣門(mén)導(dǎo)管底孔，氣門(mén)座圈底孔→壓裝氣門(mén)導(dǎo)管，氣門(mén)座圈→粗加工氣門(mén)座圈，導(dǎo)管底孔導(dǎo)引加工→精加工氣門(mén)座圈，氣門(mén)導(dǎo)管孔。

如圖3 是使用專(zhuān)機(jī)時(shí)氣門(mén)導(dǎo)管的加工示意圖。加工時(shí)，導(dǎo)管孔鉸刀在硬質(zhì)合金導(dǎo)套的導(dǎo)引下，鉸刀伸出，先加工完導(dǎo)管孔，然后鉸刀退回；將車(chē)夾頂出，加工完氣門(mén)座圈錐面，刀夾退回。

圖3 專(zhuān)機(jī)加工閥座示意圖

用加工中心加工氣門(mén)閥座常見(jiàn)工藝為:粗加工氣門(mén)導(dǎo)管底孔，氣門(mén)座圈底孔→精鉸氣門(mén)導(dǎo)管底孔，氣門(mén)座圈底孔→壓裝氣門(mén)導(dǎo)管，氣門(mén)座圈→粗锪氣門(mén)座圈，導(dǎo)管底孔導(dǎo)引加工→精加工氣門(mén)座圈，氣門(mén)導(dǎo)管孔。 如圖4 是使用加工中心精加工閥座時(shí)的示意圖。

圖4 加工中心精加工閥座示意圖

加工氣門(mén)閥座一般會(huì)有兩種不同的工藝排布方案，一種為:氣門(mén)導(dǎo)管導(dǎo)引＋粗锪密封面→精加工氣門(mén)導(dǎo)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(mén)導(dǎo)管導(dǎo)引＋粗锪密封面＋非密封面→精加工氣門(mén)導(dǎo)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(dòng)，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(zhuān)機(jī)加工氣門(mén)閥座具有精度高、效率高、加工穩(wěn)定的特點(diǎn)，習(xí)慣上使用兩臺(tái)機(jī)床分別加工進(jìn)、排氣閥座。

加工中心加工氣門(mén)閥座具有的優(yōu)勢(shì)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(zhuān)機(jī)加工閥座的刀具，前端是加工導(dǎo)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(mén)座圈的機(jī)構(gòu)，一般有三個(gè)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(dòng)的，即采用車(chē)的形式，這樣加工出來(lái)的閥座面形位誤差很好，并且可以消除锪面加工時(shí)刀片的輪廓缺陷。

圖5 專(zhuān)機(jī)刀具圖

如圖6 是加工閥座的組合式刀具。 前端加工導(dǎo)管孔鉸刀是4 刃焊接金剛石鉸刀，也可設(shè)計(jì)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的導(dǎo)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(dòng)。 后端是六邊形機(jī)夾式刀片，刀片上開(kāi)槽，壓板卡入刀片槽中拉緊刀片，裝夾可靠，簡(jiǎn)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(mén)閥座加工失效模式及對(duì)策

3.1 失效模式

針對(duì)氣門(mén)閥座機(jī)加工中常出現(xiàn)的失效模式及原因進(jìn)行分析并提出對(duì)策。 以氣門(mén)閥座加工中的幾種典型的失效，如跳動(dòng)超差、直線度不好、測(cè)量誤差等做分析，分析結(jié)果如表2 所列。

表2 常見(jiàn)失效模式及對(duì)策

3.1.1 座圈跳動(dòng)不穩(wěn)定

在某項(xiàng)目調(diào)試階段，缸蓋座圈跳動(dòng)一直無(wú)法通過(guò)CmK，通過(guò)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等分析，最終得出，導(dǎo)管材料是其中影響的最大要因。 在分析問(wèn)題時(shí)，本著快速解決問(wèn)題，不增加成本的原則，會(huì)首先從加工方案上著手解決，往往忽略了料和測(cè)等環(huán)節(jié)的核查對(duì)座圈跳動(dòng)[3]不穩(wěn)定的影響。

由材料引起的失效形式是導(dǎo)管材料中存在大量硬質(zhì)點(diǎn)，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(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金鉸刀切削硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)，相對(duì)硬度不夠，無(wú)法直接切碎硬點(diǎn)，引起刀具的震動(dòng)。

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

圖7 氣門(mén)導(dǎo)管金相分析

使用硬度達(dá)8 000HV的金剛石材質(zhì)刀具，通過(guò)更高的轉(zhuǎn)速，可以將硬質(zhì)點(diǎn)切碎，有效地避免了孔壁劃痕和“讓刀”的問(wèn)題，并且該工序通過(guò)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(shí)，大幅度降低制造成本，刀具切削參數(shù)對(duì)導(dǎo)管座圈加工質(zhì)量以及刀具壽命影響極大，切削參數(shù)過(guò)高，將會(huì)大大降低刀具的壽命，切削參數(shù)過(guò)低，不但加工效率低，還有可能使被加工特征精度達(dá)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(shí)能夠提高機(jī)床效率，延長(zhǎng)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(cè)量方式對(duì)閥座跳動(dòng)的影響

測(cè)量方式對(duì)閥座跳動(dòng)也有一定影響。 車(chē)間配置的氣電檢具測(cè)量原理[4]如圖8 所示。 以氣門(mén)座圈密封面做基準(zhǔn)，導(dǎo)管出口BE1三點(diǎn)輔助支撐，測(cè)量氣門(mén)導(dǎo)管BE2點(diǎn)處相對(duì)于氣門(mén)座圈的跳動(dòng)。

圖8 檢測(cè)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(duì)同一個(gè)工件做檢測(cè)，跳動(dòng)結(jié)果如表3 所列。

表3 測(cè)量結(jié)果

不同設(shè)備檢測(cè)結(jié)果差異最大的孔為2132。 氣電量?jī)x檢測(cè)值為0.011 5 mm；三坐標(biāo)檢測(cè)值為0.013 3 mm；輪廓儀儀檢測(cè)值為0.028 2 mm。 而氣門(mén)和氣門(mén)閥座配合時(shí)，氣門(mén)首先和氣門(mén)導(dǎo)管的最高點(diǎn)接觸，相比之下，氣電量?jī)x檢具的測(cè)量原理較為合理，測(cè)量結(jié)果也跟輪廓儀的測(cè)量結(jié)果較為相近。 同時(shí)氣門(mén)閥座存在直線度和圓度的誤差，也會(huì)對(duì)閥座跳動(dòng)產(chǎn)生影響。

3.1.3 氣門(mén)閥座直線度不好

在對(duì)導(dǎo)管直線度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，存在偏上差或者超差的情況，測(cè)量趨勢(shì)圖形如圖9 所示，在氣門(mén)導(dǎo)管入口處和出口處，波動(dòng)比較大。

圖9 直線度測(cè)量趨勢(shì)圖(長(zhǎng)度35.4 mm)

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

對(duì)于冷卻液瞬間降壓導(dǎo)致的刀具振動(dòng)，有效的對(duì)策是控制冷卻液壓力至合理范圍，約25 ～35 bar，同時(shí)合理的冷卻液溶度對(duì)刀具的冷卻潤(rùn)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(duì)策:如果在加工過(guò)程中出現(xiàn)直線度不好的情況，可以在出口處降低刀具進(jìn)給。

3.1.4 導(dǎo)管孔粗糙度Rz超差

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)按照工藝要求，導(dǎo)管孔粗糙度應(yīng)滿足RZ1～RZ12，加工時(shí)會(huì)偶發(fā)導(dǎo)管孔粗糙度超差的情況，如圖10 所示。

圖10 RZ 超差示意圖

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

圖11 凹點(diǎn)示意圖

對(duì)策:①檢查導(dǎo)管孔鉸刀的跳動(dòng)，控制鉸刀跳動(dòng)在0.003 mm 以?xún)?nèi)；②刀具退刀時(shí)，以進(jìn)給的整數(shù)倍進(jìn)給退刀；③調(diào)整氣門(mén)導(dǎo)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(yǔ)

文中對(duì)氣門(mén)閥座的機(jī)加工工藝、刀具方案、測(cè)量方式出現(xiàn)的異常問(wèn)題進(jìn)行了分析，得出相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證措施，對(duì)后續(xù)氣門(mén)閥座加工異常問(wèn)題的解決提供了有效的指導(dǎo)意義，同時(shí)氣門(mén)閥座的加工是發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工的關(guān)鍵工序，必須清晰地了解閥座的每一個(gè)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(dòng)數(shù)值設(shè)定來(lái)源。 通過(guò)對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等各個(gè)因素的分析，不斷做驗(yàn)證，才能找出其中的影響因子。 這些因子相互影響，只有通過(guò)不斷的驗(yàn)證，收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，才能不斷積累經(jīng)驗(yàn)，最終降低不利影響，讓產(chǎn)品尺寸加工穩(wěn)定。