柴油机气缸盖阀座圈加工工艺优化研究

龚军振 李世永 刘吉华

摘 要：为探索气缸盖阀座圈加工的失效模式，提高气缸盖阀座圈可加工性，从而提升发动机性能，研究了阀座圈失效模式下缺陷的数量及大小，根据对缺陷的分析，改进阀座圈成型工艺，设计正交试验，研究气缸盖阀座圈加工的最优切削参数组合。气缸盖阀座圈加工后，其缺陷的产生影响发动机性能，阀座圈的材料及成型工艺对其加工性能有显著影响，切削参数不同，缺陷状态也就不同。在相同工况下，相同阀座圈状态，其切削参数为切削速度57 mm/min、进给速度29 mm/min时，阀座圈加工后最能满足发动机性能要求。

关键词：阀座圈;缺陷;切削参数;正交试验

中图分类号：TH142.2  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）07-0079-04

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

0    引言

近几年市场上对重型卡车的需求量越来越大，对配套重型卡车的柴油发动机质量要求也越来越高，柴油机机加工工艺作为保证柴油机整体质量的基础显得越来越重要，其中气缸盖阀座圈的加工是气缸盖加工的关键环节。阀座圈工作环境恶劣，工作温度一般高达300～700 ℃，对强度的要求很高[1-3]。针对阀座圈的应用环境，采用粉末冶金技术具有极强的优势，但粉末冶金的阀座圈对加工的要求较高，粉末颗粒大小不均匀，工艺性不强，加工后的阀座圈将出现不同程度的缺陷。本文通过对阀座圈加工后的缺陷及阀座圈性能要求进行分析研究，探索合适的加工工艺参数[4-6]，以满足阀座圈的使用要求。

1    阀座圈缺陷分析

对阀座圈进行加工工艺研究，其材料物理性能如表1所示。

对于粉末冶金的阀座圈，在加工时常出现图1所示的加工缺陷，位置不确定，且不易察觉，如果此缺陷存在于密封线处，将对发动机性能有较大影响，且后期拆检同样不易察觉，从而浪费各项资源。

1.1    加工后阀座圈组织及电镜分析

将加工后的阀座圈取下，如图2所示。

对1#、2#阀座圈物理性能进行检测，结果如表2所示。

检查结果发现，阀座圈物理性能符合要求。

对1#、2#阀座圈进行金相组织检测，结果如图3所示。

从金相组织图中可以看出，此阀座圈组织为马氏体+碳化物+耐磨相+固体润滑剂，连通孔隙由铜填充，由此判断阀座圈金相组织没有问题。

对加工后的1#、2#阀座圈进行电镜分析，如图4、图5所示。

从SEM图片中可以看出，1#、2#阀座圈四周及内孔均为银白色，表面刀纹明显，刀具有钝化迹象，区域为合金粒子区。

结论：（1）故障件硬度、密度、金相均符合材料规范;（2）四周及内孔均为银白色，表面刀纹明显，刀具有钝化迹象，根据SEM分析结果推测，系加工表面硬质粒子切削剥离造成。

1.2    加工后阀座圈缺陷状态分析

根据1.1结论查看刀具状态，无磨损现象，更换新刀片后阀座圈仍然存在缺陷。设计梯度式切削试验[7]，对加工后的阀座圈缺陷状态进行研究分析。

1.2.1    初始状态

试验件初始状态的小砂眼尺寸及数量如表3所示，试验件1加工前后的砂眼标记为A、B、C、D、E、F，试验件2加工前后的砂眼标记为a、b、c。

1.2.2    试验

重回机床，找正工件，重新加工试验件1，在初始状态的基础上变化加工深度;根据阀座圈跳动及目前加工状态，第一次切削0.01 mm，第二次切削0.02 mm，第三次切削0.02 mm，同一阀座圈进行梯度式切削，切削结果如图6所示。

对加工后的阀座圈进行分类分析，如表4所示。

切削后不同位置新增小砂眼均较小，在约0.03 mm以下，最大砂眼在0.05 mm左右，需要再次验证其他缸盖状态。

对另一带有小砂眼缸盖，在合格状态下（有两处小砂眼，如图7所示）于深度方向切削0.05 mm，切削后，两处原始小砂眼a、b均消失，新增一处小砂眼c，在灯光下可见，如图8所示。

试验分析如表5所示。

由此可知，切削阀座圈后，小砂眼出现的位置是不确定的，进行少量切削后均能消失;而原位置小砂眼消失后，在其他位置仍会出现新的小砂眼。

综合1.1及1.2，未解决缺陷问题，需对阀座圈制造工艺及阀座圈切削参数进行优化。

2    工艺参数试验优化

2.1    阀座圈滤网优化

根据阀座圈加工后缺陷分析结果，将阀座圈筛选颗粒的滤网由原来的80目变为50目，筛选出更精细的阀座圈颗粒，采用原始制造工艺不变。

2.2    阀座圈制造工艺优化

根据阀座圈加工后缺陷分析结果，对阀座圈切削参数进行优化，结合目前气缸盖加工状况及相关研究资料[8]，切削速度、进给速度两因素与加工后阀座圈质量强相关且正交。相同工况下，进行切削速度及進给速度的二因素三水平正交试验，根据经验取值如表6所示，其序号组合表面粗糙度Ra满足要求（表面粗糙度Ra≤0.8 μm）。

采用Minitab进行二因素三水平正交试验安排，试验结果如表7所示。

根据试验结果，切削速度为57 mm/min、进给速度为29 mm/min时，气缸盖阀座圈无缺陷产生，且满足表面粗糙度Ra要求。

3    结论

（1）气缸盖阀座圈加工后其缺陷的产生影响发动机性能，需进行微观分析确认及试验验证。

（2）气缸盖阀座圈的材料及成型工艺对其加工性能有显著影响，切削参数不同，其缺陷状态也就不同。

（3）在相同工况下，相同阀座圈状态，其切削参数为切削速度57 mm/min、进给速度29 mm/min时，阀座圈加工后最能满足要求。

[参考文献]

[1] 李国平，陈文，孙俊生.汽车发动机粉末冶金排气阀座正交设计[J].材料导报，2008，22（S3）：184-186.

[2] 韩凤麟.汽车发动机粉末冶金阀座圈合金进展（续）：无铅汽油、LPG、CNG、柴油发动机用[J].粉末冶金技术，2002，20（2）：100-108.

[3] 肖艳.车用发动机粉末冶金阀座圈[J].现代零部件，2008（2）：87-88.

[4] 隋春临.汽车发动机气门阀座加工工艺的改进研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[5] 陈惠翔.倒置式镗削缸盖导管、阀座孔新工艺的开发与应用[J].内燃机，1991（2）：27-29.

[6] 苏娜.缸盖座圈导管孔的加工工艺研究[J].机械研究与应用，2016，29（6）：166-168.

[7] 龚军振，马泳涛，吴政协，等.Al6061铣削精加工表层残余应力分布试验研究[J].表面技术，2018，47（4）：281-285.

[8] 李明，陈红军，张立平.EC8发动机缸盖阀座加工崩刃分析及解决[J].装备维修技术，2016（3）：51-58.

收稿日期：2022-01-05

作者简介：龚军振（1989—），男，河南项城人，工程师，研究方向：内燃机工程技术。