表面加工方法与质量对配气机构气门热稳定的影响

  内燃机车柴油机配气机构中的气门用来控制进、排气道的开启和关闭，是保证柴油机工作性能可靠性和耐久性的重要零件之一。气门的形状和尺寸要保证气体流动的阻力最小，关闭时能在任何情况下保证燃烧室的气密性。气门零件如图1所示，要求：①经氮化处理，硬度900～950HV。②气门杆小端3～5mm长度内，硬度不小于48HRC。③线性尺寸未注公差按GB/T 1804-f。④未注形位公差按GB/T 1184-H。

图1 气门

  气门的工作条件十分恶劣。在工作时，直接与高温燃气相接触的气门阀盘底面，经常受到高温燃气的周期性高速冲刷，加上气门的传热条件又很差，它承受着很高的热负荷，使气门阀盘机械强度降低。另外，它还承受冲击性的机械负荷及燃气腐蚀。为了确保气门工作的可靠性，对气门材料、工艺和结构形状都提出了特殊的要求。

  在研究表面加工方法与质量对配气机构气门热稳定性的影响时，选用奥氏体耐热钢4Cr10Ni14W2Mo材料来进行研究。

  2. 气门失效种类及原因分析

  气门在高温冲击环境下工作，工况环境恶劣，进气门的工作温度通常在200～450oC，排气门的工作温度通常在600～800oC，有的排气门温度甚至达到850～900oC。虽然工况介质质量、机构加工质量和运动的动力学特性都可使气门早期失效，但大量研究表明，在正常情况下，影响气门失效的主要参数是工作温度、工作介质、材料抗冲击性能、耐磨能力和冲击次数。通常可能失效的部位出现在盘锥面、杆部和杆端面。气门常见失效形式及原因如下。

  （1）锁夹槽的断裂：①气门小端的淬火长度超过了锁夹槽，造成此处的应力过大。②活塞与气门撞击。③锁夹的内凸筋若与气门锁夹槽型不符，会咬伤锁夹槽。④摇臂与气门接触位置不正确，气门杆部将会受到侧向推力的作用。

  （2）杆部折弯或断裂：①锁夹脱落，气门掉入缸内。②气门的硬度低或装夹不合理。③气门的冲击韧性低、热疲劳强度差。

  （3）锥面烧损（或缺损）和漏气：①高温气体从气门锥面与座圈接触不严密处逸出、气门座磨损等，造成气门锥面的局部烧蚀，或与材料的高温性能差有关。②夹入积炭、落座不良，可能使废气中的固体颗粒、异常的化学腐蚀物质以及高温导致气门锥面出现蚀坑。可采用气门回转的措施来避免这种情况的出现。③冷却效果不良，气门座受热变形，造成局部加热。

  （4）气门头部挤长、折断：气门的高温强度不足。可采用改进气门材料、对气门座和气门四周加水冷却的措施。气门头部断裂如图2所示。

图2 气门头部断裂

  （5）气门烧损：引起气门烧损的原因很多，可能是由于气门座的变形或沉积物的积累，也可能是由于裂纹、温度应力、气门间隙不恰当、气门弹簧弹力不足或弹簧折断、气门杆严重磨损等原因所致。

  （6）气门破裂：气门破裂可能是由于气门座变形而产生过大的弯曲应力、由于配气机构动力学的缺陷所产生的高冲击应力、过高的热应力，也可能是由于活塞的干涉等原因引起的。

  （7）其他失效形式：包括弹簧断裂、气门座圈脱落、皮带断裂或掉牙、气门导管断裂、配气相位紊乱等。

  3. 表面加工方法对气门热稳定性的影响分析

  气门工作坏境恶劣，通常伴随着高温、高压和腐蚀性的气体环境，它在工作过程中受到高强度的冲击拉压作用和热应力作用。气门的破坏，一般都是从表面开始的，这说明零件表面加工方法的选择与表面质量的控制至关重要。不同的气门加工方法对气门的热效应影响是不同的，其主要的表面加工方法有车削、磨削、滚压和抛丸等。

  气门杆部的加工表面粗糙度值要求达到Ra=0.2μm，对于这样的精度要求，精车、精磨、抛光及滚压的加工方法都能达到，但是不同的加工方法加工出的零件对其工作过程中的热效应影响程度不同，具有相同表面粗糙度值的气门，在正常的工作温度下，其在热效应影响方面不会产生明显的区别，但当气门的工作温度超过正常工作温度时，随着温度的不断升高，其所受的热应力也不断地加强，在热应力和机械应力的冲击作用下，气门的变形失效将开始明显地显示出来，车削加工生产的气门杆部的失效速率明显比磨削、抛光和滚压加工出来的气门杆部的失效速率快得多，使气门的杆部过早地失效断裂，影响柴油机的安全运行。虽然抛光加工出来的气门杆部的使用时间比磨削加工出来的气门杆部的使用时间要长，但这种加工方法的难度增大。综合考虑到加工的方便性及其他因素等，气门杆部的加工一般采用磨削后再进行滚压加工，使其达到零件所需的要求，保证气门的正常工作。滚压加工不仅能使气门达到所需要的表面粗糙度要求，而且还会显著增加气门的耐磨性、提高气门的生产效率和使用寿命，使气门在工作过程中的失效程度降低。

  对于气门的锥面表面粗糙度值的要求是达到Ra=0.2μm，这样的精度要求也可以用磨削、精细车及抛光等多种加工方法达到要求，但锥面一般都采用滚压的方法进行加工，在保证加工精度的前提下也提高了生产效率。气门锥面虽然采用磨削加工能达到要求，但磨削时通常采用砂轮的横向切入法，而不采用纵向位移法磨削，且气门材料为奥氏体耐热钢，金属的韧性好，砂轮容易堵塞，这就增加了磨削难度，影响生产效率。而精细车削加工气门锥面虽然达到了加工要求，但在加工过程中由于切削热的影响，产生的废品较多，而且车削加工的气门在工作温度和强烈冲击力的作用下，在工作中容易很快地失效，影响其使用寿命。

  4. 表面质量对气门疲劳强度的影响

  表面质量是指零件加工后的表层状态，它是衡量机械加工质量的一个重要方面。机械加工后的零件表面并不是理想的光滑表面，而是存在着不同程度的波纹度、冷作硬化及裂纹等表面缺陷。虽然只是极薄的一层，但对零件的使用性能如耐磨性、疲劳强度、配合性质和耐腐蚀性等都有很大的影响，从而导致零件早期失效。表面质量包括以下几个方面。

  （1）表面的几何形状。①表面粗糙度：指零件表面微观几何形状误差。②表面波纹度：指零件表面周期性的几何形状误差。

  （2）表层的物理力学性能。①冷作硬化：表层金属因加工中的塑性变形而引起的硬度提高现象。②残余应力：表层金属因加工中塑性变形和金相组织的可能变化而产生的内应力。③表层金相组织变化：表层金属因切削热而引起的金相组织变化。

  气门是启、闭进、排气道的门户，承受着很高的热负荷和机械负荷。在高温下，气门产生热应力和热变形，同时其强度、耐磨性和耐腐蚀性均下降，长时间将导致气门失效而使柴油机无法正常工作。不同精度的表面质量对气门失效的影响程度不同。

  对于气门杆部的加工表面粗糙度值要求是Ra=0.2μm，这样的加工精度就可以保证气门正常工作，减少事故率。若把杆部的表面粗糙度值加工到Ra=0.1μm或Ra=0.25μm，则对气门工作过程的影响效果也是大不相同的。若对气门杆部进行磨削或抛光加工，当表面粗糙度值达到Ra=0.1μm时，气门在工作过程中会产生更好的效果，上下运动中的摩擦磨损减小，可延长气门的工作寿命，但是要达到这样的表面粗糙度，其加工难度就加大，增加了制造成本。若要使气门杆部的表面粗糙度值加工到Ra=0.25μm，虽然加工过程变得简单，提高了生产效率，也能保证工作正常进行，但是在工作过程中，随着工作温度的升高，摩擦磨损加剧，使气门的耐磨性大幅度下降，导致气门受热应力和冲击应力的影响快速失效。所以气门杆部的表面粗糙度值保证达到Ra=0.2μm比较合适，这样不仅加工过程不会太困难，而且能保证气门有效地工作，对热稳定性的影响也较小。

  气门加工过程中不仅要保证尺寸精度，而且也要保证气门的形位精度在合理的范围内。气门杆端面相对于气门杆部轴线为基准的垂直度要求为0.012mm，保证气门在工作过程中，端面和相互接触的表面能很好地接触，减少工作时的摩擦磨损。若使其垂直度保证在0.02mm以内，比较容易，也给加工带来方便，减轻了劳动量，提高了生产效率，但是这样会造成气门杆部的轴线与端面的垂直度不够，弯曲现象严重，在工作过程中，摩擦磨损过程加剧，且气门弯曲，导致工作不能顺利进行，左右摇晃，随着机械应力和热应力的增强，容易使气门杆断裂失效，对其热稳定性影响较大，造成工作过程不稳定。若使气门杆部端面与杆轴线的垂直度保证在0.008mm的范围内，则可在工作过程中产生良好的效果，增加其耐磨性，减小工作时的摩擦磨损程度，使气门正常有效地工作，延长气门的使用寿命，但是这样高的垂直度要求一般较难达到，给加工过程带来了困难。综合考虑各方面因素，使气门杆端面相对于气门杆轴线的垂直度达到0.012mm，就足以保证气门正常工作。

  气门加工过程中产生的表面残余应力和气门金相组织的变化也会对气门的稳定性产生影响，使气门产生变形，严重影响气门的使用性能。若气门表面加工过程中出现微裂纹，在拉应力的作用下可导致裂纹逐渐扩大，最终导致气门断裂失效。

  5. 结语

  通过对气门的工作环境和使用过程进行分析研究，找出失效产生的主要原因。采用不同的加工方法对气门的热效应影响不同，产生的失效程度也不相同。若要保证不同精度的表面质量，则加工难度不同，对其热稳定性的影响效果也不相同，所以在气门加工过程中要选用合理的加工方法，兼顾生产效率和制造成本，保证气门表面的加工精度，从这些方面进行改进，就可以生产出性能优良、安全可靠、使用寿命长的气门。

  参考文献：

  [1] 刘守勇. 材料表面强化处理技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

  [2] 陈宏钧. 实用机械加工工艺手册[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

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  [4] 苟向峰. 几何精度控制技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2008.

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