董曉婷,陳安明,徐成義,彭業(yè)密

1內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室;2濰柴動力股份有限公司

1 引言

發(fā)動機(jī)氣門座圈與進(jìn)排氣門是保證發(fā)動機(jī)動力以及經(jīng)濟(jì)性、可靠性的重要零部件之一,是缸內(nèi)高溫高壓氣體的重要密封邊界。在高溫條件下氣門座圈承受進(jìn)排氣門落座時慣性力引起的沖擊性交變載荷及缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的氣體沖擊載荷[1,2]。

2 現(xiàn)狀分析

圖1為典型的氣門座圈與氣門配合。圖2為某機(jī)型的缸蓋局部尺寸,可以看出,氣門座圈密封錐面的角度45°10′和φ39mm處密封帶深度3±0.1mm,是影響座圈與氣門配合的關(guān)鍵尺寸。

圖1 氣門座圈與氣門配合

圖2 缸蓋局部尺寸

因氣門座圈與氣門配合的特殊設(shè)計要求,密封帶通常較窄,多數(shù)為1.5～3mm,這給測量方案制定帶來了困難,一方面密封帶深度尺寸為特定直徑處的距離尺寸,屬于虛擬尺寸無法直接測量;另一方面,過窄的密封帶寬度往往造成測量誤差過大,無法準(zhǔn)確指導(dǎo)大批量生產(chǎn)。目前各大發(fā)動機(jī)制造企業(yè)和量檢具公司在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量探索實踐。

2.1 綜合檢具

如圖3所示的組合檢具中,檢測頭直徑為量規(guī)尺寸,并且能隨著氣門座圈深度尺寸變化而自由伸縮,帶動百分表讀數(shù)變化,通過對比標(biāo)準(zhǔn)錐面深度樣塊,即可判定氣門座圈密封帶深度是否合格。

圖3 座圈深度綜合檢具

該檢具檢測比較直觀且效率較高,但存在以下不足:

①不能檢測密封帶角度,通常氣門密封錐面角度比氣門座圈密封錐面錐角大0.5°～1°,此時氣門與氣門座圈是線接觸。對于初始配合,線接觸的密封性要比面接觸的密封性好,而且角度差的存在也可以加速氣門與氣門座圈的磨合,并有效清除兩者之間的積垢或積碳[3]。因此,氣門座圈角度的控制尤為重要,當(dāng)前主流的氣門座圈成型锪刀磨損后往往導(dǎo)致密封角度變化,最終影響發(fā)動機(jī)性能。

②該組合檢具和標(biāo)準(zhǔn)塊為專用,氣門座圈密封帶尺寸變化后檢具不再適用。

③該組合檢具和標(biāo)準(zhǔn)塊制作成本偏高,尤其是檢測頭和標(biāo)準(zhǔn)塊需要精密加工,費用較高。

④檢測頭部位需要保持尖角狀態(tài),對磨損極限要求較高,一旦磨損變?yōu)槲⒂^曲線后,量規(guī)尺寸將發(fā)生變化,密封帶深度尺寸不再準(zhǔn)確,需要定期檢測補(bǔ)償。

2.2 三坐標(biāo)檢測

通過兩個截面取點測量評價進(jìn)行三坐標(biāo)檢測,但由于密封帶過窄,測量誤差容易放大,對三坐標(biāo)操作人員的技能水平要求較高。目前帶掃描功能的三坐標(biāo)測量機(jī)能一定程度彌補(bǔ)人為因素對測量系統(tǒng)的影響,測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性得到提升,但檢測效率低始終是三坐標(biāo)測量的短板。

3 檢測方案

氣門座圈密封帶可以視為母線等于密封帶寬度、錐角為密封帶錐角α的圓錐體,密封帶深度為圓錐體上特定直徑φd處距離端面的高度h?；趫A錐體的特殊幾何特性,引入鋼球作為檢測方案的組成部分,通過求解球體與圓錐體相切后的位置關(guān)系,構(gòu)建氣門座圈關(guān)鍵尺寸檢測的數(shù)學(xué)模型,如圖4所示。

圖4 缸蓋氣門座圈簡化數(shù)學(xué)模型

選取直徑SφD的鋼球,使其與氣門座圈密封帶相切(可使用作圖法實現(xiàn)),根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得

(1)

式中,α和h為未知量;d為已知量;H和D均可直接測量。

引入雙球法,即選取直徑接近并均能與密封帶相切的鋼球,直徑分別為SφD1和SφD2,對應(yīng)的鋼球凸出高度分別為H1和H2,代入上述公式得

(2)

求解得出錐角α和密封帶深度h為

(3)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 308.1《滾動軸承球第1部分:鋼球》提供了全系列標(biāo)準(zhǔn)化的鋼球,公稱直徑范圍為0.3～104.775mm,同時,軸承用鋼球的系列優(yōu)良特性為本檢測方案的應(yīng)用提供了良好前提:①以行業(yè)普遍應(yīng)用的G10等級鋼球為例,球形誤差為0.25μm,遠(yuǎn)高于常規(guī)量檢具精度,使得測量系統(tǒng)誤差更小;②Ra0.02μm表面粗糙度以及HRC58以上的高硬度,使鋼球具有良好的耐磨性和精度保持能力;③國家標(biāo)準(zhǔn)提供了152種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鋼球,根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗,幾乎所有案例都能從中找到兩個合適尺寸的鋼球,無需定制,極大降低了檢測費用。

4 應(yīng)用實例

圖5 鋼球法檢測缸蓋密封帶關(guān)鍵尺寸

根據(jù)產(chǎn)線過程能力分析要求,抽取30件數(shù)據(jù)對座圈深度h進(jìn)行Cpk分析,其表達(dá)式為

(4)

式中,UCL和LCL對應(yīng)計算出的控制上下限。

樣本數(shù)據(jù)如表1所示,根據(jù)式(4),基于分析軟件計算得出Cpk=1.33,過程能力符合要求,如圖6所示。

表1 座圈深度檢測數(shù)值

圖6 缸蓋氣門座圈深度過程能力分析

5 結(jié)語

本文基于幾何學(xué)原理闡述了發(fā)動機(jī)缸蓋氣門座圈密封帶錐角及深度關(guān)鍵尺寸檢測的原理,通過實際應(yīng)用證明,該檢測方案原理正確,較傳統(tǒng)檢測方法更靈活可靠,提高了檢測效率,有利于發(fā)動機(jī)零件一致性控制。目前該方案已經(jīng)批量投入使用,效果良好,同時對機(jī)械行業(yè)帶內(nèi)錐面的精密零件控制也有一定的參考價值。