徐錦然，楊建華，侯瀟帥，張志成

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

發(fā)動機工作時，氣缸蓋氣門座圈頻繁受到氣門沖擊，要求氣門座圈密封帶具有很高的耐磨性和密封性，因此氣門座圈密封帶的跳動尺寸對發(fā)動機的性能至關重要[1]。要保證氣門座圈密封帶跳動尺寸的精度，必須讓氣門座圈與氣門座圈底孔端面完全貼合，目前常用0.02 mm的塞尺進行檢測，塞尺無法塞入為合格。氣門座圈壓裝不到位是氣門座圈壓裝過程中最常見的質量問題，且不容易檢測發(fā)現(xiàn)，造成嚴重質量隱患。造成氣門座圈壓裝不到位的原因有：氣門座圈底孔精度不合格，氣門座圈壓裝工裝設計不合理，壓裝驅動方式選擇不合適等[2]。

本文中以柴油發(fā)動機氣門座圈的壓裝過程為切入點，對氣缸蓋底孔的加工要求、氣門座圈壓裝工裝、壓裝驅動方式等方面進行研究，分析影響氣門座圈壓裝質量的因素，提出可行解決措施，為提高氣門座圈的壓裝質量提供參考。

1 氣門座圈底孔加工要求

1.1 底孔直徑及表面粗糙度

為保證氣門座圈與氣門座圈孔過盈量的一致性，氣門座圈底孔加工直徑要求的公差帶為IT7， 表面粗糙度小于Ra3.2[3]。氣門座圈底孔一般采用精鏜加工，采用Mapal公司生產的導條式精鏜鉸刀[4]，可以加工IT6或IT5精度的孔，圓柱度不大于0.003 mm，加工表面粗糙度一般小于Ra1.6，具備較高的加工質量保證能力。

1.2 氣門座圈底孔端面跳動

即使氣門座圈完全壓入氣門座圈底孔，氣門座圈與氣門座圈底孔端面有時也無法完全貼合，這是由于氣門座圈底孔的端面對氣門座圈孔的跳動太大導致[5]。氣門座圈底孔端面對氣門座圈底孔的跳動，是氣門座圈底孔加工過程的關注重點。為保證氣門座圈端面與氣門座圈底孔緊密貼合，氣門座圈底孔端面跳動應小于0.02 mm，這對機床主軸、夾具的剛性以及精鏜氣門座圈底孔的刀具精度，提出更高的要求。

1.3 氣門座圈底孔倒角結構

氣門座圈壓裝過程中，需保證氣門座圈與氣門座圈底孔接觸時整個圓周受力均勻，不能出現(xiàn)單邊受力情況，若氣門座圈歪斜壓入，將導致氣門座圈無法壓到底。為此，要求氣門座圈底孔倒角部分無凸起，避免出現(xiàn)單邊先接觸氣門座圈的情況。氣門座圈底孔倒角結構如圖1所示，其不對稱的底孔倒角結構，容易發(fā)生氣門座圈壓偏問題。由于座圈底孔偏心，氣門座圈壓裝時一側先與氣門座圈底孔倒角接觸，另一側后接觸，壓裝時傾斜角度α=arctan(t/d)，此時壓裝力仍垂直于氣門座圈底孔端面，從而造成氣門座圈只能單邊壓入到底，無法與氣門座圈底孔完全貼合，如圖2所示。

a) 均勻倒角 b) 不均勻倒角 圖1 氣門座圈底孔倒角結構示意圖

a)初始接觸 b)繼續(xù)壓裝 c)壓裝完成 圖2 氣門座圈壓裝不合格示意圖

2 壓裝工裝的要求及設計

2.1 氣門座圈與氣門座圈底孔同軸度

壓裝時，氣門座圈與氣門座圈底孔同軸度應小于等于Φ0.1 mm。在氣缸蓋批量生產中，氣門座圈一般由機器設備自動壓裝，氣門座圈與壓入工裝之間必須保留一定的間隙。該間隙的存在，導致很難保證壓裝時氣門座圈與氣門座圈底孔的同軸度小于等于Φ0.1 mm，氣門座圈壓入時容易擠壓底孔邊緣，擠下來的鐵屑進入氣門座圈與氣門座圈底孔之間，造成氣門座圈無法與底孔端面完全貼合。

2.2 壓裝工裝與氣門座圈底孔端面垂直度

壓裝時，氣門座圈與氣門座圈底孔垂直度應小于等于Φ0.1 mm，且與壓裝力的方向一致。受機床精度、氣門座圈底孔端面與定位面的加工精度影響，氣門座圈壓裝工裝一般無法保證與氣門座圈底孔端面完全垂直，因此壓裝工裝與氣門座圈底孔端面垂直度是氣門座圈壓裝不合格的影響因素之一。

2.3 壓裝工裝設計

目前較為可靠的一種氣門座圈壓裝工裝如圖3所示[6]。這種壓裝工裝既能保證氣門座圈與氣門座圈底孔的同軸度，又可有效解決氣門座圈壓裝工裝與氣門座圈底孔端面不垂直問題。

圖3 氣門座圈壓裝工裝結構示意圖

在浮動鋼球和浮動彈簧的作用下，氣門座圈實現(xiàn)自定心功能，保證氣門座圈與氣門座圈壓裝工裝之間間隙均勻，即便受氣門座圈底孔加工位置度及機床精度變化影響，在浮動彈簧的作用下，氣門座圈可微量平移，自動找正，實現(xiàn)氣門座圈與氣門座圈底孔同軸，避免氣門座圈壓入時擠壓損傷氣門座圈底孔。在球體壓頭、壓頭底座和浮動拉桿作用下，壓頭前端具備微量浮動功能，自動消除壓裝工裝與氣門座圈底孔端面的垂直度誤差，保證氣門座圈壓裝姿態(tài)與壓裝力方向一致。

因此，使用該設備進行壓裝，可保證氣門座圈與氣門座圈底孔同軸度及壓裝工裝與氣門座圈底孔端面垂直度，氣門座圈壓裝質量得到進一步提升。

3 壓裝驅動方式及應用

3.1 液壓驅動壓裝

液壓驅動壓裝成本低、結構簡單，通過調整液壓站液壓壓力，并選擇合適的油缸，可以實現(xiàn)不同壓裝壓力需求[7]。但是，液壓驅動壓裝的壓裝精度較低，無法檢測壓裝力及壓裝深度，無法有效檢出加工質量不合格的零件。

3.2 伺服電缸驅動壓裝

隨著伺服電缸[8]技術的發(fā)展，伺服電缸在發(fā)動機生產過程中應用越來越普遍。伺服電缸驅動壓裝結構簡單，應用靈活，壓裝精度高，可以依據實際需求設置不同的壓裝行程，還可以準確反饋壓裝位移及壓裝力，實現(xiàn)壓裝力與位移的實時監(jiān)控。

依據過盈裝配力經驗計算公式[9]，氣門座圈與氣門座圈底孔配合的徑向壓力

(1)

式中：Δ為氣門座圈與氣門座圈底孔配合的過盈量，mm；d為氣門座圈與氣門座圈底孔配合的公稱直徑，mm；C1、C2分別為氣門座圈和氣門座圈底孔的剛性系數；E1、E2分別為氣門座圈和氣門座圈底孔的彈性模量，MPa。

壓裝力F與l之間的對應關系為：

(2)

式中：l為氣門座圈位移，mm；f為氣門座圈與氣門座圈底孔配合面上的摩擦因數。

由式(2)可知，F(xiàn)與l、f、Δ呈正比例關系[10]。因此，可以通過監(jiān)控壓裝過程中F隨l的變化情況判斷壓裝過程是否合格。伺服壓裝壓力-位移曲線示意圖[11]如圖4所示。

a) 總圖 b) 局部細節(jié)圖 圖4 伺服壓裝壓力-位移曲線示意圖

3.2.1 接觸位置壓裝力判定

當伺服電缸位移達到松/緊判斷位置時，若壓裝力位于松、緊設定范圍內即可判定壓裝零件在壓裝力方向上的尺寸合格。如果壓裝力低于設定值，可能原因是氣門座圈與氣門座圈底孔過盈量偏小或者氣門座圈厚度偏小；壓裝壓力高于設定值，可能是氣門座圈與氣門座圈底孔過盈量偏大或者氣門座圈厚度偏大導致。

3.2.2 中間區(qū)域壓裝力判定

中間區(qū)域為從區(qū)域判定開始到區(qū)域判定終止位置的行程范圍。伺服電缸進入中間區(qū)域，若壓裝力在設定的區(qū)域上限和下限之間可判定為壓裝合格。壓裝力低于區(qū)域下限，可能是氣門座圈與氣門座圈底孔過盈量偏小導致；壓裝壓力高于區(qū)域上限，可能是氣門座圈與氣門座圈底孔過盈量偏大導致，氣門座圈冷卻溫度未達到要求，氣門座圈粗糙度不合格導致摩擦因數增大，氣門座圈壓裝歪斜等。

3.2.3 最終位置壓裝力判定

伺服電缸進入最終位置，可通過判斷壓裝力-位移變化趨勢，判斷壓裝是否到位。壓裝力在單位位移時的增量高于設定值，說明氣門座圈壓裝到位，壓裝合格，壓裝力在單位位移時的增量低于設定值，說明氣門座圈未壓裝到位，需進一步檢查氣門座圈厚度及氣門座圈深度是否合格。

3.3 壓裝驅動方式的選擇

在實際工作中，建議盡量選擇伺服電缸驅動壓裝，既可以減少設備的空間尺寸，還可以靈活設定各類判定條件，監(jiān)控壓裝尺寸的一致性，保證壓裝質量。

4 氣門座圈壓裝工藝設計

基于上述底孔加工要求、壓裝工裝及壓裝驅動方式等要素的分析，以某柴油發(fā)動機氣缸蓋氣門座圈壓裝過程為例，提出合理壓裝工藝。

4.1 工件定位方式

采用一面兩銷定位方式，壓裝方向垂直于定位基準面，實現(xiàn)氣缸蓋的精確定位，同時保證壓裝過程中工件的穩(wěn)定，無位置偏移。

4.2 壓裝工裝

采用2.3中所述壓裝工裝，消除壓裝設備精度導致的氣門座圈與氣門座圈底孔之間的同軸度及垂直度偏差，保證氣門座圈順利壓裝，并與氣門座圈底孔完全貼合。

4.3 壓裝過程監(jiān)控

采用伺服電缸驅動壓裝氣門座圈，對壓裝過程中座圈與工件接觸位置、中間過程及終點位置的壓裝力和位移進行監(jiān)控，通過采集壓裝過程中的壓裝力與位移間的關系，計算獲得合理的控制曲線，保障壓裝過程穩(wěn)定、可控。

4.4 其他輔助壓裝工藝

采用液氮冷卻氣門座圈10 min以上再進行壓裝，根據熱脹冷縮原理，減小氣門座圈與氣門座圈底孔之間的過盈量，從而降低壓裝力，實現(xiàn)氣門座圈順利壓入工件。采用全自動壓裝設備，實現(xiàn)氣門座圈的自動冷卻、自動上下料，工件自動定位，氣門座圈自動壓裝，消除人為因素影響。

5 結語

氣門座圈壓裝作為發(fā)動機生產過程中的一項重要裝配過程，氣門座圈壓裝質量決定發(fā)動機的性能。因此，在制定發(fā)動機氣門座圈的壓裝工藝時，需從氣門座圈的底孔加工，壓裝工裝的設計以及壓裝驅動方式等方面進行深入研究，確保發(fā)動機氣門座圈壓裝質量。