分享：氣閥彈簧制造工藝和失效案例分析
摘 要:概述了氣閥彈簧的制造工藝和要點(diǎn),介紹了因簧絲夾雜物、簧絲表面裂紋、卷簧時(shí)表面 擠傷、尾端相鄰圈之間磨損引發(fā)的彈簧斷裂案例,通過對(duì)案例進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn):氣閥彈簧發(fā)生斷 裂的主要原因有材料純凈度不高和簧絲表面存在缺陷;簧絲表面缺陷除了來自簧絲本身,也來自制 造和裝配環(huán)節(jié);進(jìn)行彈簧失效分析時(shí),可采用斷口分析和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法,力求快速準(zhǔn)確地 判斷原因,以便迅速采取措施避免類似問題的再次發(fā)生.
關(guān)鍵詞:氣閥;彈簧;斷裂;純凈度;表面缺陷
中圖分類號(hào):TQ４３３．４３７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６４６Ｇ０４
氣閥彈簧是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)的重要零部件.當(dāng) 氣閥關(guān)閉時(shí),氣閥彈簧使氣閥與氣閥座閉合密封;當(dāng) 氣閥開啟時(shí),氣閥彈簧使氣閥準(zhǔn)確跟隨凸輪運(yùn)動(dòng). 在實(shí)際使用過程中,氣閥彈簧經(jīng)常在遠(yuǎn)低于理論極 限載荷的情況下發(fā)生斷裂.為查明氣閥彈簧斷裂的 原因,筆者在闡述氣閥彈簧的制造工藝和要點(diǎn)的基 礎(chǔ)上,剖析了典型失效案例,以期找到合適的分析方 法,從而準(zhǔn)確做出判斷并給出改進(jìn)措施.
１ 氣閥彈簧制造工藝和要點(diǎn)
１．１ 氣閥彈簧制造工藝
常見的氣閥彈簧制造工藝包括:卷簧→去應(yīng)力 退火→磨兩端面→倒角→強(qiáng)力噴丸→強(qiáng)力噴丸→熱 定型→負(fù)荷分選.
早期的氣閥彈簧制造工藝中,在強(qiáng)力噴丸前要 進(jìn)行熒光磁粉探傷,隨著簧絲廠對(duì)鋼絲表面缺陷探 測(cè)能力的提高,彈簧廠已取消了熒光磁粉探傷環(huán)節(jié).
為使氣閥彈簧達(dá)到更高的疲勞強(qiáng)度,還有兩種 不常見的制造工藝:
(１)卷簧→去應(yīng)力退火→磨兩端面→倒角→強(qiáng) 力噴丸→氮化→強(qiáng)力噴丸→熱定型→負(fù)荷分選.
(２)卷簧(軟鋼絲)→淬、回火→磨兩端面→倒 角→強(qiáng)力噴丸→強(qiáng)力噴丸→熱定型→負(fù)荷分選.
１．２ 氣閥彈簧制造工藝要點(diǎn)
彈簧鋼絲應(yīng)采用超純凈鋼,且經(jīng)過在線渦流探 傷和超聲波探傷;彈簧鋼絲應(yīng)在規(guī)定存放期內(nèi)使用, 避免發(fā)生內(nèi)裂;卷簧時(shí)色標(biāo)識(shí)別器不能失靈,挑出的色標(biāo)數(shù)必須與簧絲廠提供的缺陷色標(biāo)數(shù)一致;卷簧 時(shí)不能損傷簧絲表面;卷簧后應(yīng)及時(shí)去應(yīng)力退火,避 免發(fā)生內(nèi)裂;強(qiáng)噴弧高值和覆蓋率必須滿足相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)要求;需要進(jìn)行熱定型和負(fù)荷分選;禁止用酸洗工 藝進(jìn)行除銹、除油返工處理.
２ 典型氣閥彈簧失效案例
２．１ 簧絲內(nèi)夾雜物引起氣閥彈簧斷裂
某發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行可靠性臺(tái)架試驗(yàn)的過程中,運(yùn) 行４５０h后其排氣閥彈簧發(fā)生斷裂,如圖 １ 所示. 采用ZEISSEVO MA１０/LS１０型掃描電鏡(SEM) 對(duì)彈簧斷口進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)簧絲內(nèi)部存在脆性夾雜 物,如圖２所示.由于脆性夾雜物不能與鋼絲基體 保持同步變形,在夾雜物與基體的界面處易萌生裂 紋導(dǎo)致鋼絲發(fā)生疲勞斷裂.發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行里程或臺(tái) 時(shí)數(shù)與排氣閥彈簧中的夾雜物尺寸及其與彈簧表面 的 距 離 有 關(guān). 通 常 情 況 下 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 失 效 里 程 為 ２００００km左右,偶爾可見長(zhǎng)里程失效.
２．２ 簧絲表面裂紋引起氣閥彈簧斷裂
某氣閥彈簧發(fā)生早期斷裂故障,目視檢查發(fā)現(xiàn) 疲勞源在簧絲內(nèi)部,且靠近簧絲斷裂位置表面存在 長(zhǎng)“絲線”,如圖３a)所示.由圖３b)和圖３c)可見, 斷口疲勞源位于簧絲內(nèi)部.在垂直“絲線”方向截面 取樣,可見裂紋兩側(cè)存在脫碳層,如圖３d)所示.疲 勞裂紋起源于簧絲內(nèi)部的原始裂紋處,如圖３e)所 示.綜上可判斷由于簧絲存在原始裂紋造成氣閥彈簧的斷裂.
在正常情況下,色標(biāo)識(shí)別器識(shí)別出簧絲上的色 標(biāo)后,卷簧機(jī)會(huì)將該段簧絲卷制后切斷剔除.每盤 鋼絲繞制完成后,剔除的色標(biāo)數(shù)要與簧絲廠提供的 缺陷色標(biāo)數(shù)進(jìn)行核對(duì),兩者數(shù)量一致后氣閥彈簧成 品才算檢驗(yàn)合格.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于車間照明 燈損壞,夜間生產(chǎn)時(shí)車間照明不足,在卷簧過程中色 標(biāo)識(shí)別器失靈,導(dǎo)致失效彈簧上有６處色標(biāo)未檢出, 如圖４所示.由于在生產(chǎn)過程中未核對(duì)檢出的色標(biāo) 數(shù),造成缺陷產(chǎn)品漏檢出廠,最終安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上并 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生氣閥彈簧斷裂.
２．３ 卷簧時(shí)表面擠壓損傷致氣閥彈簧斷裂
某氣閥彈簧發(fā)生斷裂,采用 ZEISSEVO MA １０/LS１０型 掃 描 電 鏡 (SEM)觀 察 斷 口,如 圖 ５ 所 示,可見彈簧表面有兩個(gè)異常平面,該異常平面上有 指甲大小的橘皮狀擠壓損傷;放大觀察發(fā)現(xiàn)開裂起 源于異常平面的擠壓損傷邊緣,且在斷裂過程中產(chǎn) 生了二次裂紋.
卷簧機(jī)送料滾輪壓力通常要求為４~１４ MPa. 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)斷裂彈簧的卷簧機(jī)液壓臺(tái)最 大壓力達(dá)到１４ MPa ,但彈簧生產(chǎn)廠家設(shè)備維修記 錄顯示,卷簧機(jī)液壓臺(tái)曾出現(xiàn)壓力下降的故障.在 上述彈簧斷裂后,彈簧廠更換成最大壓力為８MPa 的液壓臺(tái)進(jìn)行卷簧試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在相同工藝下制造的 彈簧與失效彈簧一樣在表面出現(xiàn)了壓痕,但壓痕程 度較輕,未達(dá)到損傷的程度.由此判斷氣閥彈簧發(fā) 生斷裂的原因是液壓臺(tái)出現(xiàn)壓力下降故障后沒有及 時(shí)修理,操作工在卷簧過程中為減少調(diào)整壓力的次 數(shù)將送料滾輪初始?jí)毫υO(shè)定過大,擠傷了彈簧表面. 后續(xù)生產(chǎn)中選取合適的滾輪壓力后未再發(fā)生類似的 失效問題.
２．４ 排氣閥彈簧在與尾圈相鄰簧絲處斷裂
某發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)其排氣 閥彈簧斷裂,斷裂位于與尾圈相鄰的簧絲接觸處,尾圈與鄰圈之間存在并圈磨損,如圖６所示.由于并 圈磨損不是簧絲表面的原始缺陷,因此圍繞卷簧切 斷工藝和彈簧設(shè)計(jì)兩方面展開調(diào)查.
采用 ZEISS EVO MA １０/LS１０ 型 掃 描 電 鏡 (SEM)觀察斷口,由圖７可以看出,彈簧斷口位于 尾圈且 搭 扣 處 從 簧 絲 表 面 往 內(nèi) 部 方 向 有 長(zhǎng) 度 為１００μm 的 壓 痕,推 測(cè) 斷 裂 源 位 于 距 離 簧 絲 表 面 １００μm 的位置.
將卷簧后的排氣閥彈簧半成品沿橫向切割,發(fā)現(xiàn) 簧絲斷面存在翻邊,且朝向鄰圈簧絲表面.而翻邊會(huì) 導(dǎo)致相鄰簧絲額外受力造成損傷,翻邊高度越大,相 鄰簧絲額外受力越大.經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn),簧絲斷面翻邊高 度均大于０．０２mm,其中最大達(dá)到０．１４６mm,而合格 成品切斷面的翻邊高度均小于０．０１mm.可通過減 少切斷頻次,保持切斷刀刃口鋒利等措施來解決簧絲 斷面翻邊過大的問題.
通過富士(FUJI)壓印試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),尾圈和鄰圈接 觸 痕跡按照重→輕→重→輕的順序變化,而不是單一由重至輕的變化,如圖８所示.對(duì)彈簧反復(fù)進(jìn)行 壓并試驗(yàn),觀察到彈簧存在崴動(dòng),而彈簧崴動(dòng)會(huì)引起 相鄰簧圈橫向移動(dòng),易造成簧絲表面損傷.通過增 加圈數(shù)、降低并圈高度、調(diào)整螺旋角、減輕尾端運(yùn)動(dòng) 幅度重新對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn),發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前的彈 簧在強(qiáng) 化 疲 勞 試 驗(yàn) 中 循 環(huán) 周 次 為 １８０,１９０,１９４, ２７０萬次 時(shí) 出 現(xiàn) 斷 裂,改 進(jìn) 后 進(jìn) 行 相 同 試 驗(yàn) 循 環(huán) ５００萬次未發(fā)生斷裂.
３ 結(jié)語
氣閥彈簧作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件,盡管其設(shè)計(jì) 和制造技術(shù)已相對(duì)成熟,但仍存在零件設(shè)計(jì)、材料、 制造和裝配等方面的問題導(dǎo)致氣閥彈簧在運(yùn)行過程 中發(fā)生斷裂.因此,設(shè)計(jì)、制造和裝配等環(huán)節(jié)仍需謹(jǐn) 慎對(duì)待.進(jìn)行彈簧失效分析時(shí),可采用斷口分析和 實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法,力求快速準(zhǔn)確地判斷原因, 以便迅速采取措施避免問題的再次發(fā)生.
參考文獻(xiàn):
[１] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)．彈簧的失效分析[M]． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,１９８８:１０Ｇ１８．
[２] 武懷強(qiáng)．氣門彈簧疲勞斷裂失效分析[J]．金屬制品, ２０１７,３３(６):３７Ｇ３９．
[３] 唐海中．圓柱螺旋壓縮彈簧斷裂失效分析[J]．理化檢 驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(１２):９００Ｇ９０２．
[４] 吳世強(qiáng),謝逍原．冷拔無縫鋼管內(nèi)壁橫向裂紋成因分 析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(１):５７Ｇ６０．
[５] 楊曉,夏申琳,李雪峰．１６Mn鋼長(zhǎng)軸裂紋缺陷成因分 析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１５,５１(１):６２Ｇ６４．
文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)
浙公網(wǎng)安備 33042402000106號(hào)
