柴油機氣缸蓋閥座圈加工工藝優化研究

龔軍振 李世永 劉吉華

摘 要：為探索氣缸蓋閥座圈加工的失效模式，提高氣缸蓋閥座圈可加工性，從而提升發動機性能，研究了閥座圈失效模式下缺陷的數量及大小，根據對缺陷的分析，改進閥座圈成型工藝，設計正交試驗，研究氣缸蓋閥座圈加工的最優切削參數組合。氣缸蓋閥座圈加工后，其缺陷的產生影響發動機性能，閥座圈的材料及成型工藝對其加工性能有顯著影響，切削參數不同，缺陷狀態也就不同。在相同工況下，相同閥座圈狀態，其切削參數為切削速度57 mm/min、進給速度29 mm/min時，閥座圈加工后最能滿足發動機性能要求。

關鍵詞：閥座圈;缺陷;切削參數;正交試驗

中圖分類號：TH142.2? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0079-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.022

0? ? 引言

近幾年市場上對重型卡車的需求量越來越大，對配套重型卡車的柴油發動機質量要求也越來越高，柴油機機加工工藝作為保證柴油機整體質量的基礎顯得越來越重要，其中氣缸蓋閥座圈的加工是氣缸蓋加工的關鍵環節。閥座圈工作環境惡劣，工作溫度一般高達300～700 ℃，對強度的要求很高[1-3]。針對閥座圈的應用環境，采用粉末冶金技術具有極強的優勢，但粉末冶金的閥座圈對加工的要求較高，粉末顆粒大小不均勻，工藝性不強，加工后的閥座圈將出現不同程度的缺陷。本文通過對閥座圈加工后的缺陷及閥座圈性能要求進行分析研究，探索合適的加工工藝參數[4-6]，以滿足閥座圈的使用要求。

1? ? 閥座圈缺陷分析

對閥座圈進行加工工藝研究，其材料物理性能如表1所示。

對于粉末冶金的閥座圈，在加工時常出現圖1所示的加工缺陷，位置不確定，且不易察覺，如果此缺陷存在于密封線處，將對發動機性能有較大影響，且后期拆檢同樣不易察覺，從而浪費各項資源。

1.1? ? 加工后閥座圈組織及電鏡分析

將加工后的閥座圈取下，如圖2所示。

對1#、2#閥座圈物理性能進行檢測，結果如表2所示。

檢查結果發現，閥座圈物理性能符合要求。

對1#、2#閥座圈進行金相組織檢測，結果如圖3所示。

從金相組織圖中可以看出，此閥座圈組織為馬氏體+碳化物+耐磨相+固體潤滑劑，連通孔隙由銅填充，由此判斷閥座圈金相組織沒有問題。

對加工后的1#、2#閥座圈進行電鏡分析，如圖4、圖5所示。

從SEM圖片中可以看出，1#、2#閥座圈四周及內孔均為銀白色，表面刀紋明顯，刀具有鈍化跡象，區域為合金粒子區。

結論：（1）故障件硬度、密度、金相均符合材料規范;（2）四周及內孔均為銀白色，表面刀紋明顯，刀具有鈍化跡象，根據SEM分析結果推測，系加工表面硬質粒子切削剝離造成。

1.2? ? 加工后閥座圈缺陷狀態分析

根據1.1結論查看刀具狀態，無磨損現象，更換新刀片后閥座圈仍然存在缺陷。設計梯度式切削試驗[7]，對加工后的閥座圈缺陷狀態進行研究分析。

1.2.1? ? 初始狀態

試驗件初始狀態的小砂眼尺寸及數量如表3所示，試驗件1加工前后的砂眼標記為A、B、C、D、E、F，試驗件2加工前后的砂眼標記為a、b、c。

1.2.2? ? 試驗

重回機床，找正工件，重新加工試驗件1，在初始狀態的基礎上變化加工深度;根據閥座圈跳動及目前加工狀態，第一次切削0.01 mm，第二次切削0.02 mm，第三次切削0.02 mm，同一閥座圈進行梯度式切削，切削結果如圖6所示。

對加工后的閥座圈進行分類分析，如表4所示。

切削后不同位置新增小砂眼均較小，在約0.03 mm以下，最大砂眼在0.05 mm左右，需要再次驗證其他缸蓋狀態。

對另一帶有小砂眼缸蓋，在合格狀態下（有兩處小砂眼，如圖7所示）于深度方向切削0.05 mm，切削后，兩處原始小砂眼a、b均消失，新增一處小砂眼c，在燈光下可見，如圖8所示。

試驗分析如表5所示。

由此可知，切削閥座圈后，小砂眼出現的位置是不確定的，進行少量切削后均能消失;而原位置小砂眼消失后，在其他位置仍會出現新的小砂眼。

綜合1.1及1.2，未解決缺陷問題，需對閥座圈制造工藝及閥座圈切削參數進行優化。

2? ? 工藝參數試驗優化

2.1? ? 閥座圈濾網優化

根據閥座圈加工后缺陷分析結果，將閥座圈篩選顆粒的濾網由原來的80目變為50目，篩選出更精細的閥座圈顆粒，采用原始制造工藝不變。

2.2? ? 閥座圈制造工藝優化

根據閥座圈加工后缺陷分析結果，對閥座圈切削參數進行優化，結合目前氣缸蓋加工狀況及相關研究資料[8]，切削速度、進給速度兩因素與加工后閥座圈質量強相關且正交。相同工況下，進行切削速度及進給速度的二因素三水平正交試驗，根據經驗取值如表6所示，其序號組合表面粗糙度Ra滿足要求（表面粗糙度Ra≤0.8 μm）。

采用Minitab進行二因素三水平正交試驗安排，試驗結果如表7所示。

根據試驗結果，切削速度為57 mm/min、進給速度為29 mm/min時，氣缸蓋閥座圈無缺陷產生，且滿足表面粗糙度Ra要求。

3? ? 結論

（1）氣缸蓋閥座圈加工后其缺陷的產生影響發動機性能，需進行微觀分析確認及試驗驗證。

（2）氣缸蓋閥座圈的材料及成型工藝對其加工性能有顯著影響，切削參數不同，其缺陷狀態也就不同。

（3）在相同工況下，相同閥座圈狀態，其切削參數為切削速度57 mm/min、進給速度29 mm/min時，閥座圈加工后最能滿足要求。

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收稿日期：2022-01-05

作者簡介：龔軍振（1989—），男，河南項城人，工程師，研究方向：內燃機工程技術。