表面加工方法與質(zhì)量對配氣機(jī)構(gòu)氣門熱穩(wěn)定的影響

Word文檔表面加工方法與質(zhì)量對配氣機(jī)構(gòu)氣門熱穩(wěn)定的影響1.氣門結(jié)構(gòu)及性能要求內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的氣門用來掌握進(jìn)、排氣道的開啟和關(guān)閉，是保證柴油機(jī)工作性能牢靠性和耐久性的重要零件之一。氣門的外形和尺寸要保證氣體流淌的阻力最小，關(guān)閉時能在任何狀況下保證燃燒室的氣密性。氣門零件如圖1所示，要求：①經(jīng)氮化處理，硬度900～950HV。②氣門桿小端3～5mm長度內(nèi)，硬度不小于48HRC。③線性尺寸未注公差按GB/T1804-f。④未注形位公差按GB/T1184-H。

圖1氣門

氣門的工作條件非常惡劣。在工作時，直接與高溫燃?xì)庀嘟佑|的氣門閥盤底面，常常受到高溫燃?xì)獾闹芷谛愿咚贈_刷，加上氣門的傳熱條件又很差，它承受著很高的熱負(fù)荷，使氣門閥盤機(jī)械強(qiáng)度降低。另外，它還承受沖擊性的機(jī)械負(fù)荷及燃?xì)飧g。為了確保氣門工作的牢靠性，對氣門材料、工藝和結(jié)構(gòu)外形都提出了特別的要求。

在討論表面加工方法與質(zhì)量對配氣機(jī)構(gòu)氣門熱穩(wěn)定性的影響時，選用奧氏體耐熱鋼4Cr10Ni14W2Mo材料來進(jìn)行討論。

2.氣門失效種類及緣由分析

氣門在高溫沖擊環(huán)境下工作，工況環(huán)境惡劣，進(jìn)氣門的工作溫度通常在200～450oC，排氣門的工作溫度通常在600～800oC，有的排氣門溫度甚至達(dá)到850～900oC。雖然工況介質(zhì)質(zhì)量、機(jī)構(gòu)加工質(zhì)量和運(yùn)動的動力學(xué)特性都可使氣門早期失效，但大量討論表明，在正常狀況下，影響氣門失效的主要參數(shù)是工作溫度、工作介質(zhì)、材料抗沖擊性能、耐磨力量和沖擊次數(shù)。通?？赡苁У牟课幌г诒P錐面、桿部和桿端面。氣門常見失效形式及緣由如下。

（1）鎖夾槽的斷裂：①氣門小端的淬火長度超過了鎖夾槽，造成此處的應(yīng)力過大。②活塞與氣門撞擊。③鎖夾的內(nèi)凸筋若與氣門鎖夾槽型不符，會咬傷鎖夾槽。④搖臂與氣門接觸位置不正確，氣門桿部將會受到側(cè)向推力的作用。

（2）桿部折彎或斷裂：①鎖夾脫落，氣門掉入缸內(nèi)。②氣門的硬度低或裝夾不合理。③氣門的沖擊韌性低、熱疲憊強(qiáng)度差。

（3）錐面燒損（或缺損）和漏氣：①高溫氣體從氣門錐面與座圈接觸不嚴(yán)密處逸出、氣門座磨損等，造成氣門錐面的局部燒蝕，或與材料的高溫性能差有關(guān)。②夾入積炭、落座不良，可能使廢氣中的固體顆粒、特別的化學(xué)腐蝕物質(zhì)以及高溫導(dǎo)致氣門錐面消失蝕坑?？刹杉{氣門回轉(zhuǎn)的措施來避開這種狀況的消失。③冷卻效果不良，氣門座受熱變形，造成局部加熱。

（4）氣門頭部擠長、折斷：氣門的高溫強(qiáng)度不足。可采納改進(jìn)氣門材料、對氣門座和氣門四周加水冷卻的措施。氣門頭部斷裂如圖2所示。

圖2氣門頭部斷裂

（5）氣門燒損：引起氣門燒損的緣由許多，可能是由于氣門座的變形或沉積物的積累，也可能是由于裂紋、溫度應(yīng)力、氣門間隙不恰當(dāng)、氣門彈簧彈力不足或彈簧折斷、氣門桿嚴(yán)峻磨損等緣由所致。

（6）氣門裂開：氣門裂開可能是由于氣門座變形而產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力、由于配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)的缺陷所產(chǎn)生的高沖擊應(yīng)力、過高的熱應(yīng)力，也可能是由于活塞的干涉等緣由引起的。

（7）其他失效形式：包括彈簧斷裂、氣門座圈脫落、皮帶斷裂或掉牙、氣門導(dǎo)管斷裂、配氣相位紊亂等。

3.表面加工方法對氣門熱穩(wěn)定性的影響分析

氣門工作壞境惡劣，通常伴隨著高溫、高壓和腐蝕性的氣體環(huán)境，它在工作過程中受到高強(qiáng)度的沖擊拉壓作用和熱應(yīng)力作用。氣門的破壞，一般都是從表面開頭的，這說明零件表面加工方法的選擇與表面質(zhì)量的掌握至關(guān)重要。不同的氣門加工方法對氣門的熱效應(yīng)影響是不同的，其主要的表面加工方法有車削、磨削、滾壓和拋丸等。

氣門桿部的加工表面粗糙度值要求達(dá)到Ra=0.2μm，對于這樣的精度要求，精車、精磨、拋光及滾壓的加工方法都能達(dá)到，但是不同的加工方法加工出的零件對其工作過程中的熱效應(yīng)影響程度不同，具有相同表面粗糙度值的氣門，在正常的工作溫度下，其在熱效應(yīng)影響方面不會產(chǎn)生明顯的區(qū)分，但當(dāng)氣門的工作溫度超過正常工作溫度時，隨著溫度的不斷上升，其所受的熱應(yīng)力也不斷地加強(qiáng)，在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的沖擊作用下，氣門的變形失效將開頭明顯地顯示出來，車削加工生產(chǎn)的氣門桿部的失效速率明顯比磨削、拋光和滾壓加工出來的氣門桿部的失效速率快得多，使氣門的桿部過早地失效斷裂，影響柴油機(jī)的平安運(yùn)行。雖然拋光加工出來的氣門桿部的使用時間比磨削加工出來的氣門桿部的使用時間要長，但這種加工方法的難度增大。綜合考慮到加工的便利性及其他因素等，氣門桿部的加工一般采納磨削后再進(jìn)行滾壓加工，使其達(dá)到零件所需的要求，保證氣門的正常工作。滾壓加工不僅能使氣門達(dá)到所需要的表面粗糙度要求，而且還會顯著增加氣門的耐磨性、提高氣門的生產(chǎn)效率和使用壽命，使氣門在工作過程中的失效程度降低。

對于氣門的錐面表面粗糙度值的要求是達(dá)到Ra=0.2μm，這樣的精度要求也可以用磨削、精細(xì)車及拋光等多種加工方法達(dá)到要求，但錐面一般都采納滾壓的方法進(jìn)行加工，在保證加工精度的前提下也提高了生產(chǎn)效率。氣門錐面雖然采納磨削加工能達(dá)到要求，但磨削時通常采納砂輪的橫向切入法，而不采納縱向位移法磨削，且氣門材料為奧氏體耐熱鋼，金屬的韌性好，砂輪簡單堵塞，這就增加了磨削難度，影響生產(chǎn)效率。而精細(xì)車削加工氣門錐面雖然達(dá)到了加工要求，但在加工過程中由于切削熱的影響，產(chǎn)生的廢品較多，而且車削加工的氣門在工作溫度和劇烈沖擊力的作用下，在工作中簡單很快地失效，影響其使用壽命。

4.表面質(zhì)量對氣門疲憊強(qiáng)度的影響

表面質(zhì)量是指零件加工后的表層狀態(tài)，它是衡量機(jī)械加工質(zhì)量的一個重要方面。機(jī)械加工后的零件表面并不是抱負(fù)的光滑表面，而是存在著不同程度的波紋度、冷作硬化及裂紋等表面缺陷。雖然只是極薄的一層，但對零件的使用性能如耐磨性、疲憊強(qiáng)度、協(xié)作性質(zhì)和耐腐蝕性等都有很大的影響，從而導(dǎo)致零件早期失效。表面質(zhì)量包括以下幾個方面。

（1）表面的幾何外形。①表面粗糙度：指零件表面微觀幾何外形誤差。②表面波紋度：指零件表面周期性的幾何外形誤差。

（2）表層的物理力學(xué)性能。①冷作硬化：表層金屬因加工中的塑性變形而引起的硬度提高現(xiàn)象。②殘余應(yīng)力：表層金屬因加工中塑性變形和金相組織的可能變化而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。③表層金相組織變化：表層金屬因切削熱而引起的金相組織變化。

氣門是啟、閉進(jìn)、排氣道的門戶，承受著很高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。在高溫下，氣門產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形，同時其強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性均下降，長時間將導(dǎo)致氣門失效而使柴油機(jī)無法正常工作。不同精度的表面質(zhì)量對氣門失效的影響程度不同。

對于氣門桿部的加工表面粗糙度值要求是Ra=0.2μm，這樣的加工精度就可以保證氣門正常工作，削減事故率。若把桿部的表面粗糙度值加工到Ra=0.1μm或Ra=0.25μm，則對氣門工作過程的影響效果也是大不相同的。若對氣門桿部進(jìn)行磨削或拋光加工，當(dāng)表面粗糙度值達(dá)到Ra=0.1μm時，氣門在工作過程中會產(chǎn)生更好的效果，上下運(yùn)動中的摩擦磨損減小，可延長氣門的工作壽命，但是要達(dá)到這樣的表面粗糙度，其加工難度就加大，增加了制造成本。若要使氣門桿部的表面粗糙度值加工到Ra=0.25μm，雖然加工過程變得簡潔，提高了生產(chǎn)效率，也能保證工作正常進(jìn)行，但是在工作過程中，隨著工作溫度的上升，摩擦磨損加劇，使氣門的耐磨性大幅度下降，導(dǎo)致氣門受熱應(yīng)力和沖擊應(yīng)力的影響快速失效。所以氣門桿部的表面粗糙度值保證達(dá)到Ra=0.2μm比較合適，這樣不僅加工過程不會太困難，而且能保證氣門有效地工作，對熱穩(wěn)定性的影響也較小。

氣門加工過程中不僅要保證尺寸精度，而且也要保證氣門的形位精度在合理的范圍內(nèi)。氣門桿端面相對于氣門桿部軸線為基準(zhǔn)的垂直度要求為0.012mm，保證氣門在工作過程中，端面和相互接觸的表面能很好地接觸，削減工作時的摩擦磨損。若使其垂直度保證在0.02mm以內(nèi)，比較簡單，也給加工帶來便利，減輕了勞動量，提高了生產(chǎn)效率，但是這樣會造成氣門桿部的軸線與端面的垂直度不夠，彎曲現(xiàn)象嚴(yán)峻，在工作過程中，摩擦磨損過程加劇，且氣門彎曲，導(dǎo)致工作不能順當(dāng)進(jìn)行，左右搖擺，隨著機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的增加，簡單使氣門桿斷裂失效，對其熱穩(wěn)定性影響較大，造成工作過程不穩(wěn)定。若使氣門桿部端面與桿軸線的垂直度保證在0.008mm的范圍內(nèi)，則可在工作過程中產(chǎn)生良好的效果，增加其耐磨性，減小工作時的摩擦磨損程度，使氣門正常有效地工作，延長氣門的使用壽命，但是這樣高的垂直度要求一般較難達(dá)到，給加工過程帶來了困難。綜合考慮各方面因素，使氣門桿端面相對于氣門桿軸線的垂直度達(dá)到0.012mm，就足以保證氣門正常工作。

氣門加工過程中產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力和氣門金相組織的變化也會對氣門的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，使氣門產(chǎn)生變形，嚴(yán)峻影響氣門的使用性能。若氣門表面加工過程中消失微裂紋，在拉應(yīng)力的作用下可導(dǎo)致裂紋漸漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致氣門斷裂失效。

5.結(jié)語