气门座圈人工液氮冷却工艺压装试验研究

郭春花,刘玉鑫,马伟,曲长明

潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 261061

0 引言

发动机工作时,缸盖气门座圈频繁受到气门冲击,要求气门座圈密封带有很高的耐磨性和密封性,气门座圈密封带的宽度精度、跳动度与密封带的耐磨性、密封性密切相关,影响发动机性能[1-3]。气门座圈压装不到位,与气门座圈底孔底平面不能完全贴合,将导致气门座圈密封带宽度和跳动度不合格[4-5],影响产品质量。

目前,国内发动机气缸盖样试过程主要采用传统液氮冷却工艺压装气门座圈[6-7],即气门座圈在环境温度为-196 ℃的液氮中冷却一定时间(通常根据经验设置为30 min以上),气门座圈外径收缩变小后取出,使座圈外径在温度为(25±3) ℃的环境中恢复,当气门座圈外径恢复至与座圈底孔圆柱面直径之间为过渡配合或间隙配合时,取出气门座圈装入座圈底孔中,使用工装压装到位[8]。

采用液氮冷却压装工艺可保证气门座圈与气门导管的同轴度,使密封带密封良好,防止工作中出现气门座圈松动脱落、破碎或变形。过渡配合或间隙配合可减小压装过程中气门座圈与底孔圆柱面的磨损,使气门座圈与座圈底孔底平面顺利贴合,压装到位。

目前,针对批量生产过程自动液氮冷却压装气门座圈工艺的研究较多,自动压装过程中,液氮冷却时间及气门座圈压装时间由压装设备机械结构控制,不受人工干预,时间精准、误差小,可保证气门座圈的压装质量;但对人工液氮冷却压装气门座圈工艺研究较少,相关的工艺操作规程中仅规定了工艺流程,忽略样试过程中的压装质量,既未考虑气门座圈冷却30 min后的冷却效果及对生产节拍的影响,也未明确规定气门座圈从液氮中取出后的装配完成时间,操作者仅凭感觉和经验,有时出现冷却后没有及时装入底孔,导致气门座圈外径与座圈底孔圆柱面直径之间为过盈配合,造成压装不到位,影响了生产节拍,降低了产品质量[9-10]。

本文中针对气门座圈采用人工压装工艺时,对气门座圈液氮冷却外径收缩及室温下外径恢复进行试验测试,确定气门座圈最佳冷却时间及气门座圈从液氮取出后的最长装配时间,优化工艺流程,提高气门座圈压装质量。

1 试验研究

1.1 问题分析

气门座圈压装效果示意如图1所示。

a)气门座圈压装到位 b)气门座圈与底孔间有缝隙 c)气门座圈压装歪斜图1 气门座圈压装效果示意图

由图1可知:气门座圈与座圈底孔底平面之间有缝隙、气门座圈压装歪斜均造成气门座圈压装不到位。人工压装气门座圈不到位是压装过程中常见的质量问题,主要原因有气门座圈底孔有杂质、压装工装与气门座圈不垂直、气门座圈外径与缸盖气门座圈底孔过盈配合。该问题检测过程中不容易发现,易造成气门座圈密封带密封不良,存在严重的质量隐患[11-12]。

1.2 试验分析

基于样试过程中传统液氮冷却工艺,采用人工压装方式,进行气门座圈液氮冷却外径收缩试验、气门座圈液氮冷却后外径恢复试验。为保证试验的准确性和可靠性,对试验作如下规定:1)测量工具准确度高,测量精度小于气门座圈公差带的1/10,本次试验选用千分尺测量气门座圈外径;2)测量人员、测量工具前后一致,消除不同人员、不同测量工具造成的测量误差[13-15];3)气门座圈冷却后每次使用千分尺测量时,忽略测量工具温度与气门座圈温度差造成的误差。

试验用品包括液氮2桶、进气气门座圈2个(分别记为J1、J2)、排气气门座圈2个(分别记为P1、P2)、千分尺1把、数字秒表1只,试验环境温度为(25±3) ℃。进气门座圈、排气门座圈标准外径分别为56(+0.085/+0.066) mm、53(+0.085/+0.066)mm,进、排气气门座圈底孔标准外径分别为56(+0.03/0) mm、53(+0.03/0)mm。

表1 气门座圈液氮冷却外径收缩试验结果

1.2.1 冷却外径收缩试验

在环境温度为(25±3) ℃时,测量2个进气气门座圈外径后,分别放入2个足量液氮罐中冷却,保证气门座圈完全浸入液氮中,不考虑冷却过程中测量外径时的环境温度影响,达到一定冷却时间t时,迅速取出测量对应的外径后再次放回液氮冷却,直至t=30 min时,试验结束,按同样的方法测量2个排气气门座圈外径。

1.2.2 冷却后外径恢复试验

将J1在液氮中分别冷却30 min、10 min后,取出放置在温度为(25±3) ℃的环境中,迅速测量气门座圈外径随恢复时间t′的变化,直至t′=120 s,试验结束,按照同样的方法冷却气门座圈J2、P1、P2并测量对应的外径。

2 试验结果与分析

4个气门座圈液氮冷却外径收缩试验结果如表1所示。

由表1可知:进、排气门座圈放入液氮罐后,相比冷却前外径,t=5 min外径收缩量为0.10 mm左右,t=5～10 min外径收缩量为0.02～0.05 mm,t>10 min外径冷却至最小,基本不变;进气气门座圈冷却10 min后外径约为 55.96 mm,排气气门座圈冷却10 min后外径约为 52.96 mm,相比进、排气气门座圈底孔常温下的标准外径,进、排气门座圈冷却10 min后的外径与进、排气门座圈底孔之间为间隙配合,满足装配要求。

4个气门座圈液氮分别冷却30、10 min后外径恢复试验结果如表2、3所示。

表2 气门座圈液氮冷却30 min后外径恢复试验结果

由表2可知:气门座圈在液氮罐中冷却30 min后,外径恢复到初始外径的时间约为120 s。

由表3可知:气门座圈在液氮罐中冷却10 min后,外径恢复到初始外径的时间约为120 s;t′=60 s时,J1、J2外径为56.02～56.04 mm,P1、P2外径约为53.03 mm,与气门座圈底孔为过渡配合,满足装配要求;t′=120 s时,J1、J2外径约为56.08 mm,P1、P2外径约为53.08mm,均恢复到常温下初始外径,为过盈配合,不符合装配要求。

表3 气门座圈液氮冷却10 min后外径恢复试验结果

经以上分析,气门座圈在液氮中冷却10 min,外径可达到最小;气门座圈冷却10 min后取出恢复时,必须在60 s内将气门座圈装入气门座圈底孔中,防止气门座圈外径恢复至初始外径,与缸盖气门座圈底孔为过盈配合,摩擦力大,难以装入。

基于传统液氮冷却工艺,采用人工方式压装气门座圈时,气门座圈放入液氮中冷却10 min后取出,1 min内装入缸盖气门座圈底孔,使用工装压装到位。按照该工艺要求,连续一个月跟踪生产线气门座圈压装质量,100%压装到位,工艺优化准确可靠。

3 结论

1)气门座圈液氮冷却10 min后,座圈外径基本稳定,接近最小外径。

2)对比气门座圈在液氮罐中冷却30、10 min后,外径恢复到初始外径的时间大致一致,约为120 s。

3)气门座圈液氮冷却后恢复时,需在1 min内装入缸盖气门座圈底孔,此时气门座圈与底孔为过渡配合,可保证压装质量。