（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

噴丸對發(fā)動機(jī)氣門彈簧疲勞強(qiáng)度影響的研究

郎偉欽

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

發(fā)動機(jī)氣門彈簧長期在高交變應(yīng)力下工作，疲勞失效成為氣門彈簧常見的失效模式。影響氣門彈簧疲勞壽命的因素很多。通過對氣門彈簧噴丸工藝改進(jìn)的研究，提高殘余應(yīng)力，從而改進(jìn)氣門彈簧疲勞強(qiáng)度，提高疲勞壽命。

氣門彈簧噴丸疲勞強(qiáng)度殘余應(yīng)力

1 前言

發(fā)動機(jī)氣門彈簧作為氣門系統(tǒng)的重要零件，隨著現(xiàn)代發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的提高，氣門彈簧的工作環(huán)境更加惡劣，疲勞失效是發(fā)動機(jī)氣門彈簧斷裂的主要失效模式。氣門彈簧的疲勞失效一般是由于彈簧長期在交變的剪切應(yīng)力下工作，在零件或材料的缺陷處產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致彈簧斷裂。筆者曾遇到過一例發(fā)動機(jī)氣門彈簧在發(fā)動機(jī)耐久臺架失效的案例，通過金相檢測，未發(fā)現(xiàn)彈簧質(zhì)量缺陷。在發(fā)動機(jī)設(shè)計參數(shù)及外界使用環(huán)境不變的情況下，只有通過合理提升氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度才可解決問題。

為提升氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度，提升鋼絲材料的質(zhì)量，并改進(jìn)彈簧制造工藝以避免制造缺陷的同時，通過提高彈簧的殘余應(yīng)力也是改進(jìn)疲勞強(qiáng)度、提高疲勞壽命的重要方法。彈簧噴丸工藝可使彈簧表面產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，提高殘余應(yīng)力，從而達(dá)到強(qiáng)化的效果。

2 殘余應(yīng)力對氣門彈簧疲勞強(qiáng)度的影響

彈簧內(nèi)側(cè)表面比外側(cè)表面的切應(yīng)力要高，故彈簧的最大切應(yīng)力點處于內(nèi)側(cè)外表面，導(dǎo)致彈簧疲勞源一般首先出現(xiàn)在彈簧鋼絲內(nèi)表面，最終發(fā)生疲勞斷裂[2]。

在氣門彈簧生產(chǎn)過程中，鋼絲在卷簧和噴丸強(qiáng)化過程中都會使高應(yīng)力氣門彈簧產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不同的是卷簧工藝引入的是殘余拉應(yīng)力，這會降低高應(yīng)力氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度；而噴丸強(qiáng)化工藝引入了殘余壓應(yīng)力，這能提高應(yīng)力氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度。大量試驗結(jié)果表明，殘余應(yīng)力對高應(yīng)力彈簧的疲勞強(qiáng)度影響很大，故在進(jìn)行高應(yīng)力氣門彈簧疲勞強(qiáng)度計算及疲勞壽命可靠性分析時，必須考慮殘余應(yīng)力的因素。

這主要是因為，由噴丸引入表層的殘余壓應(yīng)力場使得彈簧鋼絲疲勞源被由表面推移到強(qiáng)化塑變層下的次表面上，而內(nèi)部疲勞極限是大于表面疲勞極限的，從而對零件疲勞極限起到了間接強(qiáng)化作用。同時表面殘余應(yīng)力場也對表面疲勞極限起到直接的強(qiáng)化作用。二者共同提高了彈簧的疲勞壽命。殘余應(yīng)力的大小和分布對彈簧內(nèi)部疲勞極限的影響如下。

（1）殘余壓應(yīng)力值越大，疲勞裂紋的萌生門檻值越高。理論研究表明，在高速循環(huán)載荷下，裂紋萌生門檻值影響斷裂壽命，因此提高殘余應(yīng)力的絕對值，可以有效提高萌生門檻值，降低對表層的各類缺陷的敏感度，提高疲勞壽命。

（2）內(nèi)部疲勞應(yīng)力極限與殘余應(yīng)力分布比例會影響疲勞裂紋擴(kuò)展速度，尤其在低速循環(huán)載荷下，裂紋擴(kuò)展速度對斷裂壽命影響明顯。

在氣門彈簧的生產(chǎn)過程中，應(yīng)該盡量減少殘余拉應(yīng)力，而盡量增加殘余壓應(yīng)力。其中對殘余應(yīng)力影響最大的工藝過程是噴丸和熱處理過程，本文重點通過對噴丸工藝的優(yōu)化，提高彈簧的殘余應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度，從而最終滿足發(fā)動機(jī)的要求。

3 改進(jìn)噴丸工藝改進(jìn)研究提高彈簧殘余應(yīng)力

3.1 噴丸工藝對殘余應(yīng)力的影響

氣門彈簧的噴丸強(qiáng)化工藝，是使用噴丸機(jī)將彈丸介質(zhì)以一定的速度打擊受噴材料或零部件的表面，使材料或零部件的表面產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，從而達(dá)到強(qiáng)化效果的一種工藝。噴丸強(qiáng)化是一種表面重復(fù)塑性變形的過程：在彈丸不斷撞擊的作用下，零件表面不斷發(fā)生彈塑性變形，在塑性變形層內(nèi)材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、位錯數(shù)量增多，并出現(xiàn)亞晶和晶粒細(xì)化現(xiàn)象[2]，見圖1。噴丸時，高速彈丸噴射表面，使表面層產(chǎn)生局部塑性變形而伸長，但由于受到未發(fā)生塑性變形的內(nèi)層阻礙，表面層不能自由伸長而產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，因而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

圖1 噴丸對零件表面的影響

一般而言，噴丸工藝對提高疲勞壽命的效果與其被噴零件自身材料性能以及噴丸丸粒的種類、形狀、大小、速度、噴丸時間、流量、噴丸角度等噴丸工藝參數(shù)有關(guān)，且各工藝參數(shù)之間不是孤立影響的，是相互影響、相互作用的[2]。

3.2 改進(jìn)噴丸工藝提高殘余應(yīng)力

3.2.1 原設(shè)計彈簧的殘余應(yīng)力測定

針對失效零件，使用X光衍射儀測量氣門彈簧的殘余應(yīng)力，分別測量氣門彈簧樣件距表面0 μm、50 μm、200 μm處的殘余應(yīng)力，其結(jié)果見圖2。

圖2 失效零件殘余應(yīng)力測量值

從圖中可以看到，失效彈簧雖然達(dá)到了設(shè)計要求，但沒有通過發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗，因此設(shè)計要求只能作為一個參考值，仍需要提高殘余應(yīng)力來提升零件疲勞強(qiáng)度。

3.2.2 噴丸工藝改進(jìn)方案

對于高應(yīng)力氣門彈簧而言，噴丸強(qiáng)化工藝主要依靠應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制來改善其疲勞性能。一般而言，在不發(fā)生過噴的前提下，噴丸強(qiáng)度越高，噴丸強(qiáng)化對高應(yīng)力氣門彈簧疲勞壽命的提升能力越大。本文對噴丸工藝的改進(jìn)研究，主要通過噴丸機(jī)、噴丸強(qiáng)度、丸粒大小和噴丸時間四個方面進(jìn)行強(qiáng)化研究。

彈簧強(qiáng)化設(shè)備可分為兩種類型：離心式葉片拋丸機(jī)（也稱滾筒式噴丸機(jī)）和氣動噴嘴式噴丸機(jī)（也稱通過式噴丸機(jī)）。前者的優(yōu)點是噴丸更均勻，彈簧整體的噴丸效果較好，但彈簧容易卡在一起，導(dǎo)致部分區(qū)域噴不到，而只能通過人工拆分再進(jìn)行二次噴丸，從而降低了生產(chǎn)效率，同時由于彈簧之間的相互碰撞，也增加了磕碰傷缺陷出現(xiàn)的概率。后者的優(yōu)點是生產(chǎn)效率穩(wěn)定連續(xù)，避免了零件的磕碰和二次噴丸，但噴丸效果的均勻一致性沒有滾筒式好。在其他條件不變的情況下，對兩種噴丸機(jī)分別做了對比試驗，如圖3所示。從圖中可以看出，滾筒式噴丸機(jī)在殘余應(yīng)力上比通過式噴丸機(jī)有明顯的優(yōu)勢。

提高噴丸強(qiáng)度主要通過提高噴丸速度來實現(xiàn)，噴丸強(qiáng)度通常采用測試標(biāo)準(zhǔn)化的Almen試片的弧高來衡量。本文在其他工藝參數(shù)不變的情況下，通過對噴丸速度的調(diào)整，將噴丸強(qiáng)度從弧高0.48 mm提高到0.49 mm，分別完成樣件的殘余應(yīng)力對比試驗，其結(jié)果如圖4所示。從圖中可看出，提高噴丸強(qiáng)度，能明顯改善氣門彈簧的殘余應(yīng)力，尤其是外表面下200 μm處的殘余應(yīng)力提升很多。

圖3 噴丸工藝對殘余應(yīng)力的影響

圖4 噴丸強(qiáng)度對殘余應(yīng)力的影響

針對噴丸時間對殘余應(yīng)力的影響，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)定噴丸速度為25、30、35 min，其殘余應(yīng)力值如圖5所示。從圖中可以看出，延長噴丸時間對殘余應(yīng)力的改善影響有限，因此噴丸時間在保證完全覆蓋的情況下，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)定，沒有必要刻意延長噴丸時間。

針對噴丸丸粒大小，在其他條件不變的情況下，分別選取直徑為0.8 mm和0.6 mm的丸粒，噴丸時間均為25 min，測量其殘余應(yīng)力，見圖6。從圖中可以看出，丸粒直徑的增大，對于提高彈簧的殘余應(yīng)力有較大幫助，當(dāng)然丸粒直徑也不能過大，過大的丸粒會對零件本身帶來傷害，人為制造出潛在的斷裂缺陷。

圖5 噴丸時間對殘余應(yīng)力的影響

圖6 噴丸大小對殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)上述研究結(jié)果，最終將應(yīng)用滾筒式拋丸機(jī)，提高噴丸強(qiáng)度，使用直徑為0.8 mm丸粒做為噴丸工藝改進(jìn)方案。

3.2.3 噴丸工藝改進(jìn)效果

噴丸工藝改進(jìn)前后樣件殘余應(yīng)力測量值參見圖10。與改進(jìn)前樣件對比，在深度為0 μm、50 μm、200 μm處的殘余應(yīng)力分別提高約10%、15%、140%，可見噴丸工藝改進(jìn)后的零件其殘余應(yīng)力提升明顯，同時殘余應(yīng)力的深度也大大提升。

圖7 噴丸工藝改進(jìn)后殘余應(yīng)力對比

4 工藝改進(jìn)后零件的驗證

4.1 彈簧耐久試驗

采用改進(jìn)后的噴丸工藝試制了一批氣門彈簧，隨機(jī)抽取了其中30件樣件與改進(jìn)前樣件進(jìn)行耐久對比試驗。試驗頻率3 600 Hz，行程H1＝32.5 mm（氣門彈簧安裝高度），H2＝22.5 mm（氣門彈簧壓緊高度）。因在正常試驗條件下，彈簧樣件在耐久臺架上不會失效，即超過1億次沒有失效。因此采用增加應(yīng)力來進(jìn)行對比試驗，即把彈簧樣件的自由高從42.8 mm增加到48.7 mm，其最大應(yīng)力響應(yīng)從863 MPa提高到1 100 MPa，其他試驗條件不變。

改進(jìn)前后各30件彈簧的試驗結(jié)果見表1。從中可以看出，改進(jìn)前彈簧有5根發(fā)生斷裂，其中2根在小于1億次前發(fā)生，改進(jìn)后氣門彈簧疲勞強(qiáng)度有了大幅提高，僅1根彈簧在1.234億次時斷裂。

4.2 發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗

改進(jìn)后的氣門彈簧樣件完成發(fā)動機(jī)臺架385 h耐久試驗，相當(dāng)于整車超過200 000 km耐久考核試驗。完成試驗后的氣門彈簧未出現(xiàn)失效，檢測結(jié)果如表2和表3所示，其中P1為行程H1＝32.5 mm（氣門彈簧安裝高度）時的彈簧力，P2為H2＝22.5 mm（氣門彈簧壓緊高度）時的彈簧力。試驗前后彈簧松弛結(jié)果均在5%可接受范圍內(nèi)，各項尺寸參數(shù)指標(biāo)均符合要求。

表1 氣門彈簧疲勞試驗結(jié)果

表2 進(jìn)氣門彈簧臺架試驗前后測量對比

表3 排氣門彈簧臺架試驗前后測量對比

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代發(fā)動機(jī)性能要求的提升，氣門彈簧所需要承受的最大應(yīng)力越來越大，往往需要承受超過800 MPa的高應(yīng)力，甚至最大應(yīng)力超過1 000 MPa。由于布置空間的限制，通過優(yōu)化氣門彈簧設(shè)計參數(shù)來降低最大應(yīng)力的空間越來越小，提高彈簧本身的疲勞強(qiáng)度成為了改進(jìn)的主要方向，因此新材料的應(yīng)用及熱處理工藝改進(jìn)等都是氣門彈簧改進(jìn)的方向。而通過改進(jìn)噴丸工藝提高氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度則是其中相對來說最具性價比的改進(jìn)手段，其成本相對來說較低，而改進(jìn)效果明顯。

從本文的研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）通過改進(jìn)噴丸工藝可以提高氣門彈簧殘余應(yīng)力。

（2）通過使用滾筒式噴丸機(jī)替代通過式噴丸機(jī)，加大噴丸強(qiáng)度和加大丸粒直徑，可以有效地提高氣門彈簧殘余應(yīng)力。

（3）延長噴丸時間在噴丸已經(jīng)完全覆蓋的情況下對氣門彈簧的殘余應(yīng)力提高幫助不大。

（4）殘余應(yīng)力對氣門彈簧疲勞強(qiáng)度的影響除了大小外，殘余應(yīng)力的分布也有很大影響，需要對表面以下200 μm的殘余應(yīng)力提出要求。

（5）通過提高氣門彈簧的殘余應(yīng)力，可以有效地提高氣門彈簧的疲勞強(qiáng)度，改進(jìn)氣門彈簧的疲勞壽命。

[1]熊杰等.汽車發(fā)動機(jī)氣門彈簧殘余應(yīng)力的研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2009（4）.

[2]程鵬.高應(yīng)力氣門彈簧疲勞可靠性方法研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院.2012-6-27.

Study on the Effects of Shot Peening on the Fatigue Strength of Engine Valve Springs

Lang Weiqin
（Pan-Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201）

Fatigue failure is among common dysfunctional modes for engine valve springs being long exposed to high alternate stresses,and there are various contributing factors to the fatigue life of valve springs.This Paper delves into approaches of improving shot peening techniques to enhance residual stresses,in a bid to increase fatigue strength of valve springs and extend their fatigue life.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.012

來稿日期：2016-06-30

郎偉欽（1974-），男，碩士，工程師，主要研究方向為發(fā)動機(jī)缸蓋及氣門正時系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。