汽油发动机缸盖座圈及导管失效分析及措施*

陈李听，周俊辉，张相广，石 刚

(宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336)

0 引 言

缸盖气门导管座圈是发动机关键部位，气门座圈既要满足耐磨性、耐高温性、耐腐蚀，又要满足机械加工的易切削性能，还要考虑加工经济性。 同时，由于粉末冶金材料的多孔隙性和含有微观硬质粒子等特点[1]，气门阀座精度要求高，材料难加工，对气门座圈的机械加工的几何精度提出了挑战。 为了找到气门阀座机加工的通用方法，笔者对气门阀机械加工工艺、刀具方案、测量方式做了汇总，并识别气门阀座机加工的各种失效模式，提供气门阀座机加工异常的各种解决方案，为后续气门阀座加工提供参考和借鉴。

1 气门阀座机加工介绍

1.1 气门阀座的构成及各形位尺寸

为控制燃料流入气缸以及控制燃烧的废气从气缸中排出，气门阀座机设有配气机构，这个机构包含了顶杆、气门导管、气门座圈、弹簧、气门卡环等，如图1所示。 其中气门阀座包含座圈和导管，而气门阀座和气门配合是保证发动机燃烧室的密封性的关键。

图1 气门阀座示意图

气门阀座机加工涉及的尺寸众多，每一个尺寸都有它存在的意义。 以某发动机缸盖进气侧为例:

气门导管长度为L＝40 mm；外径为D＝11.5 mm；内径为d＝6 mm。 长径比为L/d＝40/6＝6.67，属于细长孔加工；导管壁厚为(D-d)/2＝(11.5-6)/2＝2.75 mm，属于薄壁零件。

为保证气门座圈和导管的同轴度，在压装气门导管和气门座圈之前，精铰气门导管底孔和气门座圈底孔时，一般导管底孔和气门底孔的同轴度控制在Φ0.1以内。 机械加工气门阀座时，其形位尺寸加工差异对其影响如表1 所列。

表1 形位尺寸加工差异对其影响

续表1 形位尺寸加工差异对其影响

在实际加工中熟知形位参数与加工状态的比对，可以快速找出影响因素，合理制定解决方案。

1.2 气门座圈及导管材料的成分和特点

目前制造气门导管的材料有铸铁、高强度黄铜及粉末冶金材料。 随着汽油机开始使用无铅汽油，因磨损的原因，铸铁与其他常用材料不再适用。

气门座圈和气门导管的耐磨性和切削性能正好是一对矛盾，这些改善气门座圈和气门导管性能的材料，对刀具来说，就是一些难加工材料，它们的含量和颗粒度的大小，会引起刀具的异常磨损，因切削力的变化，甚至会引起工艺尺寸的偏差。

粉末冶金的生产工艺的本征特性是含有一定量空隙[2]，因此，也称之为金属—孔隙(空气)组成的复合材料，表征这种特性的技术性能是密度、孔隙度及渗透性。

(1) 密度ρ。 密度用相对密度表示，其定义是粉末冶金零件的密度对于孔隙的同样物体之比。 实际上，将相对密度低75%的粉末冶金零件认为是低密度的；大于90%者认为是高密度的，位于二者之间的是中密度的。 一般而言，结构零件的相对密度范围在80～95%之间。

(2) 孔隙度φ。 孔隙度是零件材料中孔隙体积的百分率。 其与密度成负相关，若零件的相对密度为85%，则孔隙度为15%。 孔隙度通过原材料与烧结工艺来控制，可使零件具有均匀的孔隙度，也可使零件从一个断面到另一个断面具有不同的孔隙度(密度)。 采用粉末冶金工艺的产品，在放大镜下，可看到开孔和闭孔两种孔隙。 孔隙是粉末冶金的本征特征，在刀具切削时，这些孔隙会显露出来，孔隙的大小需控制在0.3 mm 以内。

2 气门阀座工艺流程介绍

2.1 座圈毛坯制作工艺流程

气门座圈和气门导管的制造工艺有铸造、锻造和粉末冶金三大类。 使用粉末冶金的工艺具有使用性能好、成本低及工艺自由度大的优势。 粉末冶金的工艺让产品具有一定的孔隙率，通过一些工艺方法，能发挥良好的自润滑减磨性。

粉末冶金生产气门座圈和气门导管的一般工艺过程如图2 所示。

图2 生产工艺流程

在混合之前，有原材料的制作工艺，称为制粉。原材料的颗粒大小，成分含量对机械加工的性能影响很大。

通过称料后，各种原材料进入滚动搅拌机，为保证脱模顺利，有时会加入一定数量的润滑剂。 混合时间对于材料的均匀性影响很大，气门导管和气门座圈混料时间要90 min 以上。

压力成型时的压力大小会直接影响气门导管和气门座圈的密度，进而影响成品的孔隙率，气门导管和气门座圈的压力机的最大压力可达500 kN。 气门座圈和气门导管的烧结温度一般在1 100 ～1 200 ℃之间，要根据验证取得合适的温度，达到最理想的密度、硬度和强度。

为提高切削性能、力学性能、密封性能，需消除残留在孔隙中的杂质，可用浸油、含浸树脂、渗铜等方法填充这些孔隙。 浸油可将润滑油储存于粉末冶金零件材料的孔隙中，由于零件发热，润滑油会渗出到零件表面进行润滑，减小磨损；含浸树脂可以封闭粉末冶金零件材料中的孔隙，有利于压力密封和改进切削性；用熔点比基体材料低的金属熔渗，诸如渗铜，不仅可密封残留孔隙，而且可以提高力学性能。

气门导管和气门座圈在压制成型后，有时还需要进行机械加工，以达到图纸的尺寸要求，需要通过外圆磨床、端面磨床，以及车床等机械设备加工，最后通过检验，完成成品打包。

2.2 气门阀座机加工的基本原理

气门导管和气门座圈一般作为零件压装在气缸盖上，通过机械加工达到满足要求的几何尺寸。

根据目前国内外的工艺发展，气门座圈和导管孔的机加工主要形成了两种加工趋势。

一种是以精密机床和加工中心为主要加工设备，采用柔性制造技术，使用专用精密复合刀具加工气门座圈锥面和导管孔。 另一种是以专用机床为主要加工设备，釆用枪铰或枪镗的加工技术，使用专用铰刀或镗刀对气门座圈和气门导管孔进行加工。

使用专机加工阀座的常见加工工艺为:粗加工气门导管底孔，气门座圈底孔→精铰气门导管底孔，气门座圈底孔→压装气门导管，气门座圈→粗加工气门座圈，导管底孔导引加工→精加工气门座圈，气门导管孔。

如图3 是使用专机时气门导管的加工示意图。加工时，导管孔铰刀在硬质合金导套的导引下，铰刀伸出，先加工完导管孔，然后铰刀退回；将车夹顶出，加工完气门座圈锥面，刀夹退回。

图3 专机加工阀座示意图

用加工中心加工气门阀座常见工艺为:粗加工气门导管底孔，气门座圈底孔→精铰气门导管底孔，气门座圈底孔→压装气门导管，气门座圈→粗锪气门座圈，导管底孔导引加工→精加工气门座圈，气门导管孔。 如图4 是使用加工中心精加工阀座时的示意图。

图4 加工中心精加工阀座示意图

加工气门阀座一般会有两种不同的工艺排布方案，一种为:气门导管导引＋粗锪密封面→精加工气门导管＋精锪密封面＋非密封面，这是常用的一种方案。 另一种方案为:气门导管导引＋粗锪密封面＋非密封面→精加工气门导管＋精锪密封面，这种方案精加工内容少，切削力小，可以有效减少跳动，避免引起座圈振纹，但是带宽较难控制。

2.3 阀座加工刀具

使用专机加工气门阀座具有精度高、效率高、加工稳定的特点，习惯上使用两台机床分别加工进、排气阀座。

加工中心加工气门阀座具有的优势是工序少，柔性好，加工内容集中，夹具定位精度高。

如图5 是使用专机加工阀座的刀具，前端是加工导管孔铰刀，为整体式硬质合金枪铰刀，使用枪铰刀可以修正加工孔的直线度。 后端是加工气门座圈的机构，一般有三个角度，非密封面使用锪的形式，刀片安装在刀夹中，加工密封面的刀夹是可移动的，即采用车的形式，这样加工出来的阀座面形位误差很好，并且可以消除锪面加工时刀片的轮廓缺陷。

图5 专机刀具图

如图6 是加工阀座的组合式刀具。 前端加工导管孔铰刀是4 刃焊接金刚石铰刀，也可设计成6 刃的硬质合金刀具，有两段阶梯，分粗加工和精加工，专门设计的导条可以起到支撑刀具作用，提高表面加工质量和精度。 刀具采用侧固式，并可以调整跳动。 后端是六边形机夹式刀片，刀片上开槽，压板卡入刀片槽中拉紧刀片，装夹可靠，简单，常用的材质有硬质合金和立方氮化硼。

图6 加工中心刀具图

3 气门阀座加工失效模式及对策

3.1 失效模式

针对气门阀座机加工中常出现的失效模式及原因进行分析并提出对策。 以气门阀座加工中的几种典型的失效，如跳动超差、直线度不好、测量误差等做分析，分析结果如表2 所列。

表2 常见失效模式及对策

3.1.1 座圈跳动不稳定

在某项目调试阶段，缸盖座圈跳动一直无法通过CmK，通过人、机、料、法、环、测等分析，最终得出，导管材料是其中影响的最大要因。 在分析问题时，本着快速解决问题，不增加成本的原则，会首先从加工方案上着手解决，往往忽略了料和测等环节的核查对座圈跳动[3]不稳定的影响。

由材料引起的失效形式是导管材料中存在大量硬质点，其微观硬度约为1 400HV，而硬质合金的硬度约为1 400～1 800HV，这会导致硬质合金铰刀切削硬质点时，相对硬度不够，无法直接切碎硬点，引起刀具的震动。

刀具切削到硬点时，硬质点或滑移，在孔壁上形成大量划痕；或产出让刀，导致刀具偏移。 其综合结果是导管孔母线直线度较差，拟合出的中心线偏移大，导致座圈以导管中心线为基准的跳动波动大，甚至超差。 另外，导管材料中的硬点加剧刀具磨损，故而刀具寿命短，加工成本高。 通过气门导管显微结构显示气门导管存在明显的大的硬质点颗粒，金相分析如图7(a)、(b)所示。

图7 气门导管金相分析

使用硬度达8 000HV的金刚石材质刀具，通过更高的转速，可以将硬质点切碎，有效地避免了孔壁划痕和“让刀”的问题，并且该工序通过了CmK。 相较于硬质合金刀具，使用金刚石铰刀可在改善加工质量的同时，大幅度降低制造成本，刀具切削参数对导管座圈加工质量以及刀具寿命影响极大，切削参数过高，将会大大降低刀具的寿命，切削参数过低，不但加工效率低，还有可能使被加工特征精度达不到要求。

因此，合理的切削参数不但能够保证被加工特征的精度，同时能够提高机床效率，延长刀具的寿命。建议切削参数如下:vc＝(60 ～100)m/min；f＝(0.05 ～0.12)mm/r。

3.1.2 测量方式对阀座跳动的影响

测量方式对阀座跳动也有一定影响。 车间配置的气电检具测量原理[4]如图8 所示。 以气门座圈密封面做基准，导管出口BE1三点辅助支撑，测量气门导管BE2点处相对于气门座圈的跳动。

图8 检测示意图

我们分别以检具、三座表以及轮廓度仪三种不同的检具对同一个工件做检测，跳动结果如表3 所列。

表3 测量结果

不同设备检测结果差异最大的孔为2132。 气电量仪检测值为0.011 5 mm；三坐标检测值为0.013 3 mm；轮廓仪仪检测值为0.028 2 mm。 而气门和气门阀座配合时，气门首先和气门导管的最高点接触，相比之下，气电量仪检具的测量原理较为合理，测量结果也跟轮廓仪的测量结果较为相近。 同时气门阀座存在直线度和圆度的误差，也会对阀座跳动产生影响。

3.1.3 气门阀座直线度不好

在对导管直线度进行测量时，存在偏上差或者超差的情况，测量趋势图形如图9 所示，在气门导管入口处和出口处，波动比较大。

图9 直线度测量趋势图(长度35.4 mm)

导管直线度偏大的原因一方面与硬点导致的“让刀”有关，另一方面刀具内冷在导管出口处突然泄压也会导致刀具振动，刀具偏移使得直线度偏大。

对于冷却液瞬间降压导致的刀具振动，有效的对策是控制冷却液压力至合理范围，约25 ～35 bar，同时合理的冷却液溶度对刀具的冷却润滑、刀具的寿命也起到重要作用，一般冷却液溶度控制在8～12%。

对策:如果在加工过程中出现直线度不好的情况，可以在出口处降低刀具进给。

3.1.4 导管孔粗糙度Rz超差

某型号发动机按照工艺要求，导管孔粗糙度应满足RZ1～RZ12，加工时会偶发导管孔粗糙度超差的情况，如图10 所示。

图10 RZ 超差示意图

导管孔粗糙度超差[5]的因素主要有三个:①导管内壁存在大量划痕，如硬点滑移产生的痕迹；②退刀纹，或者因刀具跳动大产生的刀纹等；③导管材料本身孔隙过多，加工后表面存在大量凹点，导致Rz超差，如图11 所示。

图11 凹点示意图

对策:①检查导管孔铰刀的跳动，控制铰刀跳动在0.003 mm 以内；②刀具退刀时，以进给的整数倍进给退刀；③调整气门导管的压力大小，并控制烧结温度，减少孔隙的大小。

4 结 语

文中对气门阀座的机加工工艺、刀具方案、测量方式出现的异常问题进行了分析，得出相对应的验证措施，对后续气门阀座加工异常问题的解决提供了有效的指导意义，同时气门阀座的加工是发动机缸盖加工的关键工序，必须清晰地了解阀座的每一个尺寸所代表的意义，了解技术图纸的要求，如孔隙率的定义、孔隙的形成原理、座圈跳动数值设定来源。 通过对人、机、料、法、环、测等各个因素的分析，不断做验证，才能找出其中的影响因子。 这些因子相互影响，只有通过不断的验证，收集基础数据，才能不断积累经验，最终降低不利影响，让产品尺寸加工稳定。