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1 前言
气门阀座是发动机配气机构的部件之一,是保证发动机工作性能的重要零件。国外已普遍采用粉末冶金法来制造气门阀座,国内近几年来对阀座的研制及生产也做了不少工作,但还存在较多问题。除了尚需进一步研究、提高气门阀座材料的性能,并保证原料粉末批量生产质量的稳定性外,如何选择合适的阀座成形模结构,以确保其成形的可靠性,并满足阀座的最终使用质量,是阀座批量生产的一个不可缺少的研究课题。为此,本文通过对气门阀座的结构形状及工况特性的分析,介绍阀座的成形模设计特点及模具实例,以满足其批量生产及使用要求。
2 气门阀座结构形状及工况特性分析
在发动机配气机构中,气门与气门阀座这对摩擦副所处工况条件十分苛刻。图1所示是发动机配气机构示意图。
在发动机工作时,气门与气门阀座应保证燃烧室的气密性,因为气密性一旦破坏,将使发动机的性能恶化。排气门盘部承受高温燃气的高速吹拂而强烈受热,并且气门的导热条件又很差,所以温度很高,而进气门盘部由于有低温进气流的冲刷和冷却,其温度要低很多。为此,进、排气门阀座在选材上有所不同,一般来说,排气门阀座的工作环境更为恶劣,磨损相对较大,对其材料性能要求较高。故以下讨论针对排气阀座而言。
2 1 气门阀座的结构与形状
气门阀座与气门锥面的配合起密封作用。为了有效清除沉积在密封表面上的积碳和杂质,排气门锥角宜大些(一般为45°),而阀座锥面角要比气门锥角稍大一些,例如大15′到1°,如图2所示。在气门外锥面和阀座内锥面之间有一个干扰角,能使气门锥面的最初接触偏向燃烧室侧,以减小气门的受热面积,并加速气门和阀座之间的磨合。为此,气门阀座在模压成形中要充分研究锥孔表面密度与整体密度之间关系,以确保其使用质量。
2 2 气门阀座的工况特性
在发动机工作时,气门阀座要承受气门在2600次/ｍｉｎ(指桑塔纳轿车发动机)往复运动中高速冲击,易引起疲劳点蚀;同时,排气门工作温度很高,可达1050～1200℃(1323～1473Ｋ)[1],排气门阀座的工作温度也达700℃左右,而废气中的腐蚀性成分也会造成阀座的腐蚀磨损。随着人们对环保要求不断提高,国外许多国家已禁止或限制有铅汽油的销售和使用,我国也已出台相关的汽车尾气排放标准,可以预测,无铅汽油将很快取代有铅汽油。大量的试验和实践证明,当缺少汽油中加入的铅润滑剂时,使用以往阀座材料会造成气门及阀座的异常磨损,急剧产生“气阀下沉”而失效。为此,国外已改为采用加Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ等元素构成的硬质相粉末的材料来制造排气门阀座,使其具有高温自润滑性能,并且耐腐蚀、耐磨、又能承受冲击载荷、减少变形等特点。近年国内也在研究这种阀座材料。
目前,这种阀座的粉末原料,一般采用水雾化母合金法来取得,硬质相比例一般为粉末总量的20%～50%左右,粉末虽经后续处理,添加润滑剂等办法,但其压缩性较差,粉末颗粒呈圆形(或椭圆形),成形时粉末间啮合性较差,压坯强度较低。为此,如气门阀座的成形模结构选择不当,压制时压坯易产生开裂,甚至无法成形。
3 气门阀座的成形模具结构设计
3 1 阀座成形模具设计要点
经过对气门阀座结构形状及工况特性分析后,在成形模结构设计时主要考虑下列两个因素。
首先,气门阀座的整体密度≥6 9ｇ/ｃｍ3,其工作表面是锥孔面。因此,成形模具结构设计时要考虑其锥孔表面密度应比整体密度高0 1～0 3ｇ/ｃｍ3,以避免阀座在与气门磨合时,由于锥孔表面密度低、组织疏松而导致快速磨损,严重时会影响阀座的使用。
其次由于阀座原料粉末的压缩性较差,阀座内锥面在成形过程中,在锥度(坡度)部分的粉末颗粒较难啮合,易产生裂缝。因此,进行成形模具结构设计时要研究阀座特定的成形方法,确保在使用低压缩性粉末条件下,压坯不致开裂。
3 2 阀座的两种成形方案分析
图3是阀座的两种成形方案的示图。图3(ａ)是阀座的一种成形方案,其结构简单。由于阀座锥孔面处于下端,在单向压制成形时,斜面(坡度)处的粉末移动较少,颗粒啮合条件差,易形成锥孔表面密度低于整体密度,粉末压缩性差时,内锥面易产生裂缝。
图3(ｂ)是一种采用“假芯棒”移动的阀座成形方案,其结构比图3(ａ)的复杂一些。压制时,当上模冲进入阴模加压,使阀座锥面处粉末在压力作用下向两侧运动并挤压,加强了粉末颗粒间的移动和啮合,使阀座锥孔表面密度比整体密度高,组织结构紧密,锥面不易产生裂缝。
通过阀座的二种成形方案比较可知,对以内锥面作为工作表面的气门阀座类粉末冶金零件的模具结构,宜选用图3(ｂ)的方案。
3 3 阀座的成形模具结构简介
图4所示是批量生产中汽车发动机气门阀座的成形模具结构示意图,适用于普通的带上、下缸的粉末成形机。
上模冲1作为实体件,将阀座内锥腔面形状组合在一起,由压盖固定在上模板上;阴模2由压盖固定在阴模板上;下模冲3由压盖固定在下模板上;假芯棒4由弹簧6托起,调节螺母5定位;弹簧座落在弹簧座7中,由压盖将其固定在芯棒板上。阴模板通过拉杆与芯棒板相连,上模板通过导柱、导套与阴模板相连,形成一个精度及刚性均较高的闭式模架。
装料时,下缸上升,将阴模调整到所要求的装粉位置。“假芯棒”由调节螺母调整弹簧力,使其上端与阴模端面齐平。
压制时,上模冲进入阴模加压,在压制力作用下,使假芯棒克服弹簧力向下移动,由模冲外锥面将粉末向两侧挤压,增加了压坯锥孔表面密度。
脱模时,上缸带动上模冲回升,下缸通过拉杆把阴模板向下拉,使压坯脱出阴模。复位时,下缸上升,使阴模和假芯棒回升到装粉位置。
4 生产应用结果
生产实践中,采用了如图4所示的成形模具结构,经过对阀座压坯各部分密度的测定,锥孔表面密度比整体密度高0 2～0 3ｇ/ｃｍ3,确保了阀座的成形要求,并能满足其最终使用要求。
为了确保批量生产中阀座压坯质量的稳定性,对成形模具的上模冲及阴模,宜采用粉末高速钢或硬质合金材料制作。
5 结语
采用“假芯棒”移动成形模具结构,可以成功地避免在排气门阀座锥面成形过程中易产生的裂纹或密度偏低的现象,并使锥面密度比整体密度高0 2～0 3ｇ/ｃｍ3,满足并保证了批量生产排气门阀座的质量和使用要求。
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