■ 王忠誠，韓德剛，苑 建

內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣門是發(fā)動機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵部件，在服役過程中主要承受反復(fù)沖擊的機(jī)械負(fù)荷作用，其工作溫度在300～400℃，而排氣門除承受沖擊的機(jī)械負(fù)荷外，還受到高溫氧化性氣體的腐蝕以及熱應(yīng)力、錐面熱箍應(yīng)力和燃燒時氣體壓力等的共同作用，排氣門的工作溫度達(dá)600～800℃，只有具備以下性能才能滿足對氣門苛刻的服役要求：①具有高的熱強(qiáng)性和良好的耐蝕性。②具有良好的綜合力學(xué)性能。③具有良好的減磨性和耐磨性。

根據(jù)氣門材質(zhì)與技術(shù)要求的不同，氣門熱處理包括調(diào)質(zhì)處理、固溶時效處理。其中國內(nèi)外的調(diào)質(zhì)處理設(shè)備采用鹽浴爐、空氣（箱式爐或井式爐，多為通98%以上的氮氣）電阻爐、保護(hù)氣氛爐、流動粒子爐、高溫燃?xì)鉅t及連續(xù)調(diào)質(zhì)處理作業(yè)爐等，日本、德國、美國、匈牙利等國家早在20世紀(jì)70年代已采用了連續(xù)式調(diào)質(zhì)處理作業(yè)線和多用爐，盡管氣門為吊掛式加熱與冷卻，特點是氣門的變形小，可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)或周期性作業(yè)。氣門的固溶多半是采用鹽浴爐、高溫燃?xì)鉅t、高溫井式爐、高溫箱式爐及高溫多用爐等完成，調(diào)質(zhì)處理或固溶時效后的氣門必然存在熱處理變形，而后續(xù)的拋丸變形也是始終存在的，因此氣門的校直是十分重要的工序。

一、氣門熱處理后變形的校直要求

合金結(jié)構(gòu)鋼、馬氏體耐熱鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后硬度在28～40HRC（個別在40～50HRC），奧氏體耐熱鋼通常進(jìn)行固溶+時效處理，或僅進(jìn)行時效處理，桿-桿（雙金屬）焊氣門奧氏體耐熱鋼部分壓成形后不再處理，基體硬度控制在30～40HRC。

調(diào)質(zhì)處理后的金相組織為回火索氏體+碳化物，晶粒度細(xì)于6級，奧氏體耐熱鋼晶粒度與析出、硬度等應(yīng)符合技術(shù)要求。氣門熱處理過程中因受熱不均勻、放置狀態(tài)不合理、發(fā)生組織轉(zhuǎn)變、加熱時氣門的疊壓，以及不規(guī)則地落入淬火冷卻介質(zhì)中，均存在氣門的變形問題；氣門進(jìn)行熱處理后表面存在有一定數(shù)量的氧化皮等，需要進(jìn)行表面拋丸處理，為后續(xù)的氣門校直、機(jī)械加工以及保證表面粗糙度等提供技術(shù)保證。

拋丸過程中，氣門彼此在拋丸機(jī)滾筒或履帶上翻滾、相互擠壓與滾動，鋼丸在上方或側(cè)面從拋丸器中高速拋出拋到氣門表面，故同樣存在氣門的變形問題。通常氣門的熱處理變形包括桿部直線度超差與氣門盤錐面或盤端面超差。

氣門為蘑菇狀零件，一般熱處理后氣門變形量的要求為：氣門桿部直線度≤0.08mm或0.10mm、盤軸向（盤錐面）圓跳動≤0.10mm或0.15mm。圖1與圖2為氣門的校直要求（一般）。

圖1 氣門桿部與錐面跳動校直要求

圖2 氣門桿部與軸向圓跳動校直要求

圖3 氣門桿部直線度測量支架調(diào)整位置

二、氣門熱處理校直方法的進(jìn)展與特點

氣門校直有兩個目的，一是校正氣門桿的直線度；二是糾正盤部對桿跳動。氣門在熱處理后進(jìn)行拋丸處理，而后進(jìn)行氣門的校直。目前國內(nèi)外廣泛采用機(jī)械校直與手工校直相結(jié)合的方法，首先采用機(jī)械校直，將氣門的桿部、盤錐面（或盤端面）擠壓校直，然后分選或手工進(jìn)行100%的檢查與校直。

圍繞氣門的桿部變形以及盤部的跳動超差問題，縱觀國內(nèi)外氣門制造廠的校直方法，我們可將其發(fā)展過程分為幾個階段，從中可知其各有優(yōu)點與缺點。同時也反映了不同時期的毛坯與機(jī)械加工設(shè)計者的加工方法與思維方式，更能體現(xiàn)隨著氣門校直技術(shù)的進(jìn)步與科技的發(fā)展，氣門校直方法在向著高合格率、高效率、節(jié)能、機(jī)械化與自動化等方向發(fā)展，并滿足不同要求的校直需要。

圖4 氣門錐面跳動測量支架調(diào)整位置

圖5 氣門盤軸向圓跳動測量支架調(diào)整位置

圖6 成品檢驗發(fā)現(xiàn)的掉塊的實物（滲氮）

圖7 盤部錐面跳動超差后錘擊后掉塊的毛坯實物

1. 氣門的手工校直（第一代校直方法）

采用百分表、測量架、錘子及墊塊等，首先利用V工裝進(jìn)行氣門桿部直線度的校直，超差的進(jìn)行高點錘擊。之后采用滾子支撐桿部進(jìn)行氣門盤部跳動的檢查，超出要求時放入同規(guī)格的氣門鍛模中進(jìn)行盤端面的錘擊，以達(dá)到校直的目的。校直后的氣門再次進(jìn)行2h的300℃退火處理，以消除錘擊應(yīng)力，必要時要進(jìn)行再次拋丸處理。桿部直線度、與錐面跳動或盤部軸向圓跳動位置要求如圖3、圖4與圖5所示。

優(yōu)點：①小批量作業(yè)比較靈活。②工裝調(diào)整方便。③人員培訓(xùn)后即可上崗，不需要技術(shù)工人。

缺點：①勞動強(qiáng)度大。②生產(chǎn)效率低。③作業(yè)環(huán)境差。④易造成氣門桿部的錘擊斷裂與頭部的砸劈或掉塊。⑤氣門易早期失效（錘擊裂紋后工作過程中盤部掉塊），具體如圖6、圖7所示。

氣門桿部直線度與錐面跳動的檢測方式如圖8、圖9所示，進(jìn)行盤部的校直采用的支撐工裝如圖10（在支撐塊上鉆孔，將氣門桿部插入后進(jìn)行盤部校直）、圖11（用同規(guī)格的退火后氣門鍛模）所示，采用錘子錘擊氣門盤部外圓或端面，達(dá)到校直的目的，對于脆性大的材料則可采取圖12的校直方法。

圖8 手工桿部直線度的檢測方式

圖9 手工氣門錐面跳動的檢測方式

圖10 錘擊盤部外圓的放置形態(tài)

圖11 錘擊盤部底面的放置形態(tài)

圖12 用圓棒錘擊氣門的脖頸處

圖13 氣門熱處理后的機(jī)械校直（第二代校直方法）

圖14 氣門校直原理

2. 氣門的機(jī)械滾直方法（第二代校直方法）

為解決氣門的手工校直問題，同時也減少錘擊氣門帶來的內(nèi)在隱患，氣門制造廠開始研究可替代的機(jī)械校直方法。利用帶溝槽的滾直機(jī)專用滾壓輪（見圖13），采用液壓傳動完成對氣門桿部和端面的調(diào)直，在螺紋加工領(lǐng)域使用的滾絲機(jī)為氣門桿部校直提供了思路與方法，采用滾絲機(jī)的結(jié)構(gòu)形式而設(shè)計的氣門桿部機(jī)械滾直機(jī)床，用多頭（一般多用3個頭）滾壓輪取代滾絲模，兩滾壓輪同方向（右旋）、同轉(zhuǎn)速且直徑較大（D=200～225mm）滾壓輪加上一塊鑲嵌硬質(zhì)合金托板組成氣門桿軋直的工裝，以氣門盤部底面定位（見圖14），啟動液壓系統(tǒng)進(jìn)行擠壓處理來達(dá)到校直的目的。對于錐面或盤軸向圓跳動超過規(guī)定要求（TRW把此值設(shè)定為0.18mm），操作者用鐵錘猛擊偏差大的一邊盤端面，經(jīng)驗豐富的員工多數(shù)可以一錘敲定，但極大部分員工需要幾錘敲定，既消耗體力又費(fèi)時，更關(guān)鍵的是這一錘猛擊在氣門盤端面上，留下了盤端面在發(fā)動機(jī)內(nèi)掉塊可能性的應(yīng)力源。該設(shè)備是比較原始的氣門校直機(jī)械，氣門從上面的滑道落入滾壓輪中，該類校直設(shè)備在1980—2000年比較盛行，當(dāng)時在國內(nèi)80%的氣門制造廠得到廣泛應(yīng)用。

優(yōu)點：部分解放了手工勞動。

缺點：①合格率低，僅有40%。②生產(chǎn)效率低。③氣門頭部校直效果差。④易擠傷。⑤氣門校直后需要進(jìn)行300℃的退火處理。

3. 氣門的搓板校直方法（第三代校直方法）

第二代氣門校直方法雖然解決了氣門桿部的直線度問題，但對于氣門盤部的跳動，仍沒有很好的解決措施，原因在于是氣門盤部底面定位進(jìn)行的校直。因此針對此問題，氣門制造廠與機(jī)床廠合作，將對氣門桿部與錐面（或盤端面）校直作為重點研究課題，而搓絲機(jī)在螺紋工具行業(yè)是自20世紀(jì)70年代以來一直應(yīng)用的加工設(shè)備，用于加工絲錐螺紋、標(biāo)準(zhǔn)件等，其具有生產(chǎn)效率高、制造成本低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點。氣門校直的原理與其是相近的，即利用搓絲板相對移動，達(dá)到校直氣門桿部與錐面（或端面）跳動的要求。

桿徑7mm以上氣門毛坯采用搓絲機(jī)改裝的設(shè)備，該設(shè)備為已傾斜的氣門校直機(jī)床，上料后的氣門滑入搓板內(nèi)，利用動校直板、靜校直板和斜板的相對運(yùn)動，將氣門夾持在它們中間，送料機(jī)構(gòu)將氣門推進(jìn)靜校直板后，動校直板推動氣門桿部和盤錐面向前運(yùn)動，從而實現(xiàn)對氣門桿部和盤錐面的校直。因此搓直的功能是校正桿的直線度，用氣門的盤錐面貼住固定的帶45°或60°的斜鐵校直條，同時校整盤部錐面（或盤端面）對桿的跳動。由于氣門校直時，兩搓直板的間隙比氣門桿徑小0.05~0.15mm，機(jī)械強(qiáng)制擠壓氣門的桿部與錐面，氣門校整后，機(jī)械校直應(yīng)力很大，因此氣門毛坯校直后需進(jìn)行除應(yīng)力退火處理（580℃），之后拋丸處理，此后的氣門盤錐面對桿的跳動有30%超差，需要許多人用錘擊進(jìn)行校正處理。圖15為搓板機(jī)局部，圖16為校直的工作實景，圖17與圖18為被搓傷的桿部與盤部。該類校直方法在1995—2005年應(yīng)用比較廣泛。

優(yōu)點：①合格率比第二代提高，達(dá)到55%。②生產(chǎn)效率略高。

缺點：①搓板等更換或修整比較頻繁和麻煩。②采用全損耗系統(tǒng)用油冷卻，耗油多（每班50kg）。③搓直后的氣門料箱油污多，環(huán)境差。④搓傷的廢品率高。⑤需要再次退火處理，能耗增加。

4. 氣門的加熱機(jī)械滾直方法（第四代校直方法）

這是采用滾絲機(jī)改裝的盤桿校直機(jī)，是在第二代校直機(jī)（滾直機(jī)）的基礎(chǔ)上，對桿徑8mm以下氣門毛坯校直配備加熱設(shè)備，將氣門加熱到300～500℃后立即進(jìn)行熱校直，然后進(jìn)入滾直機(jī)內(nèi)進(jìn)行氣門桿部與底面的熱校直，具有很好的效果，同時也省去了退火工序。其校直原理是利用滾絲機(jī)滾壓輪來校直桿部，解決桿部直線度問題；在氣門盤端面前安裝旋頂壓盤，該盤端面與氣門的盤端面緊密接觸，故可同時校正盤端面對桿的跳動。該工藝可解決氣門冷加工硬化問題，沒有表面的加工硬化現(xiàn)象，也防止因擠壓后變形反彈問題，減小了擠壓時的應(yīng)力集中（而冷擠壓后出現(xiàn)應(yīng)力大、變形反彈問題）。

在2003—2008年，國外氣門制造廠比較推崇此方法，應(yīng)用較為廣泛。國外氣門校直多采用熱校直，校直設(shè)備為滾壓式校直機(jī)，桿部與盤部同時校直，不僅效率高，而且校直精度優(yōu)良。國內(nèi)采用冷校直，多是手工校直，效率低，精度差，因受力不均，常造成氣門頭部斷裂。圖19為校直機(jī)與加熱設(shè)備。

優(yōu)點：①合格率比搓板的提高10%～15%。②生產(chǎn)效率略高于搓板。③不需要二次退火處理。④不會出現(xiàn)氣門的硬擠傷與硬化現(xiàn)象。

缺點：①耗能大，需要添置加熱設(shè)備。②氣門掛在加熱爐鏈條上易脫落，從而造成停機(jī)故障。③擠傷。④需要增加上料提升機(jī)構(gòu)。⑤占地面積大。⑥盤部的錐面跳動合格率不高。

圖15 氣門校直局部（搓板校直）（第三代）

圖16 氣門校直機(jī)（搓板）校直工作實景

圖17 氣門桿部被搓板擠傷

圖18 氣門盤部被搓板擠傷

圖19 氣門校直機(jī)與體積龐大的加熱爐

5. 氣門的滾壓輪校直方法（第五代校直方法）

目前，氣門制造廠多數(shù)采用的是將氣門盤、桿一起校直的設(shè)備（適用于氣門桿徑在5～8mm，總長80～130mm的校直），桿部采用兩對滾壓輪和一個單獨滾壓輪進(jìn)行校直，同時用一個帶45°或60°圓錐輪去擠壓氣門盤部錐面，又在盤端面一側(cè)用帶小錐度的轉(zhuǎn)動輪去頂住，不讓其在氣門校正中向前竄動。此外，也讓氣門盤部對桿部產(chǎn)生一個彎曲變形扭矩，從而達(dá)到校直的目的。氣門從上料道滑入校直機(jī)中，校直后從兩對滾壓輪的溝槽處落入料盒內(nèi)。圖20、圖21分別為氣門校直情況（長度130mm以下的）。

需要說明的是，應(yīng)根據(jù)校直工藝中的技術(shù)要求來確定是校直盤錐面還是盤軸向圓跳動，可采用調(diào)整兩個輪的擠壓程度來實施。

在進(jìn)行氣門校直前，首先要確定需要校直的氣門一般變形程度，即選定桿部直線度在某個數(shù)值的氣門進(jìn)行試調(diào)整，通過調(diào)整滾壓輪與滾壓輪的間距與壓力等，使其滿足工藝要求。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)床制造廠家對校直設(shè)備進(jìn)行了改造，增加自動上下料裝置和自動提升裝置，并用PLC控制，穩(wěn)定可靠，可達(dá)到減輕勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的目的，降低了設(shè)備提升故障，具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

優(yōu)點：①合格率高達(dá)80%。②生產(chǎn)效率提高，每班每臺設(shè)備可生產(chǎn)3000～4200支。③不用鐵錘進(jìn)行錘擊校直。④節(jié)省能源，校直后取消了校直后的去應(yīng)力退火。⑤基本不用鐵錘錘擊氣門。

缺點：①變形大的氣門仍需進(jìn)行二次校直，但效果不佳。②桿-桿焊或頭-桿焊氣門如滾壓輪擠壓在焊縫處，則易造成氣門的桿部（坡口）斷裂。

對于適用于氣門桿徑在8mm以上、總長130～240mm的中大型氣門，則不能采用上面的校直方法。需要將滾壓輪之間間距增大，則采用新型的校直機(jī)，氣門被機(jī)械手放入滾壓輪中，桿部被5個滾壓輪與1個支撐鉤擠壓校正（三個位置擠壓），氣門盤部底面與錐面被上下兩個滾輪擠壓，完成對氣門的桿部與盤部的校直，該類校直為局部產(chǎn)生變形的過程。圖22、圖23（氣門盤端面定位，對錐面進(jìn)行擠壓）分別為機(jī)械手抓持氣門、氣門在滾壓輪中校直中的實景。

圖20 氣門校直機(jī)工作狀態(tài)

圖21 滾壓輪局部（顯示溝槽）

圖22 氣門待放入滾壓輪之間滾壓

圖23 校直中的氣門

三、氣門熱處理校直與分選的組合

氣門在完成桿部與盤部的校直后，存在桿部直線度、盤部錐面（或盤端面）跳動超差問題，并非100%全部合格，隨后需要全部進(jìn)行人工檢驗或進(jìn)行氣門分選機(jī)分選，確保轉(zhuǎn)入下道工序的氣門全部符合校直技術(shù)要求。人工檢驗氣門存在勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等致命缺陷，已成為制約熱處理生產(chǎn)效率的瓶頸工序，因此采用自動分選機(jī)是大勢所趨。

事實上，日本、德國、美國、韓國、匈牙利等發(fā)達(dá)國家的氣門制造廠應(yīng)用分選機(jī)的時間早于國內(nèi)二十多年，我國近十年已經(jīng)意識到減輕操作者勞動強(qiáng)度與提高生產(chǎn)效率是降低企業(yè)成本的必由之路。開始引進(jìn)與制造氣門分選機(jī)，并在國內(nèi)的濟(jì)南沃德、伊頓、馬勒三環(huán)、三愛海陵及廣東懷集等大型氣門制造廠得到了極為廣泛的應(yīng)用，這是提高勞動效率、降低制造成本、改善作業(yè)環(huán)境最有效的舉措。而將校直機(jī)與分選機(jī)連在一起則有效解決了二次運(yùn)輸問題。連線作業(yè)的一個流，是目前推廣的精益生產(chǎn)的重要部分，可滿足一人看多機(jī)的設(shè)計理念，完全拋棄了一人單機(jī)的陳舊模式，圖24為校直機(jī)與分選機(jī)連為一體的組合實景。

分選機(jī)具有以下特點：①校直后的氣門通過提升機(jī)構(gòu)與傳送機(jī)構(gòu)，落入傾斜的滑道上，分選機(jī)的測量桿部與盤部端面（或盤錐面）的感應(yīng)器觸頭（或遠(yuǎn)紅外）與其接觸，檢測的數(shù)據(jù)傳遞到測量系統(tǒng)。②可實現(xiàn)其自動分選，具有靈敏度高、效率高等特點，代替了人工作業(yè)。③故障率低。④目前可一人看四臺，生產(chǎn)效率提高了8～10倍。圖25為分選機(jī)整體機(jī)構(gòu)，圖26為其檢測與落料機(jī)構(gòu)。

分選機(jī)的檢測機(jī)構(gòu)具有計數(shù)功能，可清晰記錄合格與不合格數(shù)量（見圖27），了解產(chǎn)品質(zhì)量狀況。

圖24 校直機(jī)與分選機(jī)連為一體的組合

圖25 分選機(jī)整體結(jié)構(gòu)

圖26 分選機(jī)的檢測機(jī)構(gòu)與落料機(jī)構(gòu)

圖27 氣門校直檢測系統(tǒng)顯示屏

四、氣門熱處理校直的未來發(fā)展趨勢

氣門的熱處理變形是有規(guī)律的，其產(chǎn)生雖然可以預(yù)控，但是無法徹底根除。為此，氣門制造廠則相應(yīng)地采取了許多有效措施，如氣門的淬火加熱狀態(tài)采用在網(wǎng)帶爐上垂直擺放加熱、環(huán)形線保護(hù)垂直加熱、多用爐垂直加熱、高溫井式爐垂直穿掛加熱等方式，回火采用網(wǎng)帶回火或小的圓筐等在井式爐中集中回火；氣門采用調(diào)質(zhì)料，不再淬火與回火，而僅進(jìn)行退火處理；氣門的拋丸則根據(jù)盤部是否全加工，采用不拋丸或縮短拋丸時間等措施，盡管效果較為明顯，但仍存在氣門變形問題，故氣門校直處理是必須進(jìn)行的。

根據(jù)國內(nèi)外氣門制造廠的生產(chǎn)情況，結(jié)合國內(nèi)外氣門制造廠的熱處理設(shè)備與校直設(shè)備等現(xiàn)狀，尤其是從降低制造成本的目的出發(fā)，筆者認(rèn)為，氣門熱處理校直的發(fā)展趨勢如下：

（1）拋丸后氣門自動傳遞到校直機(jī)上料機(jī)構(gòu)中，實現(xiàn)氣門校直的自動化作業(yè)，進(jìn)行智能化生產(chǎn)。

（2）氣門校直過程實時監(jiān)控，出現(xiàn)故障自動報警，并提示故障部位與異常情況。

（3）校直機(jī)具有自動檢測與補(bǔ)償功能。

（4）通過不斷完善與改進(jìn)內(nèi)部擠壓結(jié)構(gòu)，達(dá)到氣門校直合格率100%。

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