摘 要:概述了氣閥彈簧的制造工藝和要點,介紹了因簧絲夾雜物、簧絲表面裂紋、卷簧時表面 擠傷、尾端相鄰圈之間磨損引發(fā)的彈簧斷裂案例,通過對案例進行失效分析發(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);進行彈簧失效分析時,可采用斷口分析和實地調(diào)查相結合的方法,力求快速準確地 判斷原因,以便迅速采取措施避免類似問題的再次發(fā)生. 

關鍵詞:氣閥;彈簧;斷裂;純凈度;表面缺陷 

中圖分類號:TQ４３３．４３７ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６４６Ｇ０４

氣閥彈簧是發(fā)動機配氣系統(tǒng)的重要零部件.當 氣閥關閉時,氣閥彈簧使氣閥與氣閥座閉合密封;當 氣閥開啟時,氣閥彈簧使氣閥準確跟隨凸輪運動. 在實際使用過程中,氣閥彈簧經(jīng)常在遠低于理論極 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的基 礎上,剖析了典型失效案例,以期找到合適的分析方 法,從而準確做出判斷并給出改進措施.

１ 氣閥彈簧制造工藝和要點 

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→去應力 退火→磨兩端面→倒角→強力噴丸→強力噴丸→熱 定型→負荷分選.

早期的氣閥彈簧制造工藝中,在強力噴丸前要 進行熒光磁粉探傷,隨著簧絲廠對鋼絲表面缺陷探 測能力的提高,彈簧廠已取消了熒光磁粉探傷環(huán)節(jié).

為使氣閥彈簧達到更高的疲勞強度,還有兩種 不常見的制造工藝: 

(１)卷簧→去應力退火→磨兩端面→倒角→強 力噴丸→氮化→強力噴丸→熱定型→負荷分選. 

(２)卷簧(軟鋼絲)→淬、回火→磨兩端面→倒 角→強力噴丸→強力噴丸→熱定型→負荷分選.

１．２ 氣閥彈簧制造工藝要點 

彈簧鋼絲應采用超純凈鋼,且經(jīng)過在線渦流探 傷和超聲波探傷;彈簧鋼絲應在規(guī)定存放期內(nèi)使用, 避免發(fā)生內(nèi)裂;卷簧時色標識別器不能失靈,挑出的色標數(shù)必須與簧絲廠提供的缺陷色標數(shù)一致;卷簧 時不能損傷簧絲表面;卷簧后應及時去應力退火,避 免發(fā)生內(nèi)裂;強噴弧高值和覆蓋率必須滿足相關標 準要求;需要進行熱定型和負荷分選;禁止用酸洗工 藝進行除銹、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)動機在進行可靠性臺架試驗的過程中,運 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) 對彈簧斷口進行觀察,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 紋導致鋼絲發(fā)生疲勞斷裂.發(fā)動機的運行里程或臺 時數(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. 通 常 情 況 下 發(fā) 動 機 失 效 里 程 為 ２００００km左右,偶爾可見長里程失效. 

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“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,色標識別器識別出簧絲上的色 標后,卷簧機會將該段簧絲卷制后切斷剔除.每盤 鋼絲繞制完成后,剔除的色標數(shù)要與簧絲廠提供的 缺陷色標數(shù)進行核對,兩者數(shù)量一致后氣閥彈簧成 品才算檢驗合格.經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于車間照明 燈損壞,夜間生產(chǎn)時車間照明不足,在卷簧過程中色 標識別器失靈,導致失效彈簧上有６處色標未檢出, 如圖４所示.由于在生產(chǎn)過程中未核對檢出的色標 數(shù),造成缺陷產(chǎn)品漏檢出廠,最終安裝到發(fā)動機上并 在發(fā)動機運行過程中發(fā)生氣閥彈簧斷裂. 

２．３ 卷簧時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.

卷簧機送料滾輪壓力通常要求為４~１４ MPa. 經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)斷裂彈簧的卷簧機液壓臺最 大壓力達到１４ MPa ,但彈簧生產(chǎn)廠家設備維修記 錄顯示,卷簧機液壓臺曾出現(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 的液壓臺進行卷簧試驗,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出現(xiàn)壓力下降故障后沒有及 時修理,操作工在卷簧過程中為減少調(diào)整壓力的次 數(shù)將送料滾輪初始壓力設定過大,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)動機在臺架試驗結束后經(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 斷工藝和彈簧設計兩方面展開調(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 度 為１００μm 的 壓 痕,推 測 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 導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)測量發(fā)現(xiàn),簧絲斷面翻邊高 度均大于０．０２mm,其中最大達到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.對彈簧反復進行 壓并試驗,觀察到彈簧存在崴動,而彈簧崴動會引起 相鄰簧圈橫向移動,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、減輕尾端運動 幅度重新對彈簧進行設計和改進,發(fā)現(xiàn)改進前的彈 簧在強 化 疲 勞 試 驗 中 循 環(huán) 周 次 為 １８０,１９０,１９４, ２７０萬次 時 出 現(xiàn) 斷 裂,改 進 后 進 行 相 同 試 驗 循 環(huán) ５００萬次未發(fā)生斷裂. 

３ 結語

氣閥彈簧作為發(fā)動機的關鍵零件,盡管其設計 和制造技術已相對成熟,但仍存在零件設計、材料、 制造和裝配等方面的問題導致氣閥彈簧在運行過程 中發(fā)生斷裂.因此,設計、制造和裝配等環(huán)節(jié)仍需謹 慎對待.進行彈簧失效分析時,可采用斷口分析和 實地調(diào)查相結合的方法,力求快速準確地判斷原因, 以便迅速采取措施避免問題的再次發(fā)生. 

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文章來源——材料與測試網(wǎng)