某型發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋更換閥座再制造研究

張建濤,朱旭聰,周建東

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.4808工廠 威海修船廠，山東 威海 264200)

技術(shù)交流

某型發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋更換閥座再制造研究

張建濤1,朱旭聰2,周建東2

(1.海軍裝備部，北京 100841；2.4808工廠 威海修船廠，山東 威海 264200)

某發(fā)動(dòng)機(jī)是一型斷線裝備，汽缸蓋更換閥座修理涉及難度較大的鑄造鋁合金焊接、閥座外徑電刷鍍，以及承裝孔輥壓收口的特殊裝配要求，經(jīng)研究和大量工藝試驗(yàn)，較好地解決了修復(fù)過程中的再制造問題和裝配問題，修復(fù)質(zhì)量?jī)?yōu)于新品，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)動(dòng)機(jī)；鋁質(zhì)汽缸蓋；更換閥座；再制造

某型發(fā)動(dòng)機(jī)是4沖程、12缸、V型排列、夾角60°、機(jī)械增壓的高速大功率柴油機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是一型斷線裝備，其中汽缸蓋已無(wú)庫(kù)存?zhèn)浼?損壞型式為排氣閥閥座磨損)，依靠舊件修復(fù)維持裝備器材保障。該汽缸蓋為鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)，6個(gè)缸為一體，材料是ZL10(YB143-65)。

1 閥座裝配結(jié)構(gòu)及要求

該汽缸蓋閥座主要有汽缸蓋體、進(jìn)排氣閥導(dǎo)管和進(jìn)排氣閥座組成。氣閥座鑲嵌在汽缸蓋體上，該發(fā)動(dòng)機(jī)使用和維護(hù)保養(yǎng)說明書中對(duì)閥座的修理規(guī)定是：檢查氣閥座，如有松動(dòng)或閥面磨損超差，應(yīng)更換閥座。更換閥座的方法和要求：采用專用工具，先將舊閥座拉出，再將新閥座壓入，閥座與孔的貼合面積不小于75%，閥座自由放入座孔時(shí)，閥座與孔的端面間隙為0.85～1.00 mm，敲進(jìn)后端面間隙不大于0.08 mm，且應(yīng)小于1/2的圓周，最后承裝孔口進(jìn)行輥壓收口固緊，見圖1。

(a)閥座不施力裝入狀態(tài) (b)閥座打緊后輥壓收口狀態(tài)圖1 閥座裝配要求示意圖

但實(shí)際情況是，如果將舊閥座拉出，原輥壓收口的這一圈鋁合金隨閥座拉出而斷裂掉下，承裝孔口缺失一角，裝上新閥座后，無(wú)法再輥壓收口。說明書上的裝配方法是新制汽缸蓋的裝配方法，舊汽缸蓋按常規(guī)修理方法是無(wú)法更換閥座的。據(jù)我們了解，在此型裝備在斷線之前，汽缸蓋從未更換過閥座，修理中如遇到閥座損壞就更換整列汽缸蓋。

2 更換閥座再制造方法分析與設(shè)計(jì)

汽缸蓋更換閥座有2個(gè)關(guān)鍵問題：一是閥座承裝孔口斷裂掉下部分的再制造，使承裝孔能恢復(fù)到新汽缸蓋體輥壓收口前狀態(tài)；二是舊閥座拉出后，承裝孔內(nèi)徑尺寸略有變大，與閥座配合過盈量減少需要恢復(fù)過盈量。

承裝孔口再制造方法有2種，一種是采用鑲嵌同種材料的方法，由于該汽缸蓋結(jié)構(gòu)緊湊，鑲嵌尺寸受限制，且閥座已采用了鑲嵌的方法，承裝孔再采用鑲嵌顯然不合理。另一種是焊補(bǔ)長(zhǎng)肉恢復(fù)尺寸，這也是本項(xiàng)目最終選擇的方法，但存在2個(gè)困難，一是鑄造鋁合金本身焊接就困難，再加上舊汽缸蓋鋁合金表面滲透了積碳和污油，清潔不凈焊接難以熔合，氣孔、夾渣等缺陷多，質(zhì)量控制比較困難；二是汽缸蓋共有24個(gè)氣閥座孔，若全部焊補(bǔ)長(zhǎng)肉，容易產(chǎn)生收縮變形。

恢復(fù)承裝孔與閥座的過盈量，一般方法是增大閥座外徑。該閥座采用特種銅合金制造，也是斷線產(chǎn)品，現(xiàn)只有標(biāo)準(zhǔn)尺寸配件，閥座外徑無(wú)余量。設(shè)計(jì)采用電刷鍍納米快速鎳的方法增大外徑尺寸。

3 閥座承裝孔焊接工藝研究

該汽缸蓋材質(zhì)為鑄造鋁合金(ZL10)，具體成分見表1。鋁合金焊接是有色金屬焊接中較難的一種，主要表現(xiàn)為：①鋁在空氣中極易與氧氣化合生成一層穩(wěn)定的氧化鋁薄膜，其熔點(diǎn)高達(dá)2 050 ℃，氧化鋁薄膜具有很強(qiáng)的吸附性，所吸附的水分在焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔；②鋁的比熱容、電導(dǎo)率很高，焊接需采用功率較大設(shè)備；③鋁線膨脹系數(shù)較大，焊件變形及裂紋傾向也較大；④鋁在焊接時(shí)的溫度變化不會(huì)引起焊件的顏色變化，因此焊接溫度辯別和操作手法控制有一定難度。另外，由于該汽缸蓋工作所處環(huán)境高溫、積碳、油污，鋁質(zhì)表面滲入油性雜質(zhì)，對(duì)焊接產(chǎn)生更加不利的影響。

3.1焊材選擇

根據(jù)該汽缸蓋材料，選用ER4047鋁合金氬弧焊焊絲，焊絲直徑分別為1.6 mm和2.0 mm 2種，具體成分見表2。

3.2焊接方法試驗(yàn)和選擇

為了克服鋁合金焊接諸多困難，獲得理想的焊補(bǔ)層，選擇了3種焊接方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1)微修復(fù)氬氣保護(hù)電弧冷焊。采用DM-D01多功能精密補(bǔ)焊機(jī)，焊接熱源為鎢極，保護(hù)氣體為氬氣，氬氣純度≥99.99%，焊絲直徑1.6 mm，焊接電流120～140 A。

2)鎢極氬弧焊。采用交直流兩用脈沖氬弧焊機(jī)，焊接熱源為鎢極，保護(hù)氣體為氬氣，氬氣純度≥99.99%，焊絲直徑 2.0 mm，焊接電流240～260 A。

3)鎢極氦弧焊。也采用交直流兩用脈沖氬弧焊機(jī)，焊接熱源為鎢極，保護(hù)氣體為氦氣，氦氣純度≥99.99%，焊絲直徑2.0 mm，焊接電流100～120 A。

3種焊接方法試驗(yàn)結(jié)果如下。

第1)方法：焊接速度慢，平均3 h 焊補(bǔ)1個(gè)孔，焊接變形小，焊接層內(nèi)有較多氣孔，強(qiáng)度和韌性差。

第2)方法：焊接速度快，平均20 min焊補(bǔ)1個(gè)孔，焊接變形較大，焊接層內(nèi)有很多氣孔，強(qiáng)度和韌性適中。

第3)方法：焊接速度快，平均20 min焊補(bǔ)1個(gè)孔，焊接變形較小，焊接層內(nèi)無(wú)氣孔，強(qiáng)度和韌性良好，優(yōu)于基體機(jī)械性能。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終選擇了第3)種方法，采用氦氣作為保護(hù)氣體的鎢極氦弧焊。

3.3其它焊接措施

為進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，減少變形，同時(shí)還采取了以下措施：一是采用綢布丙酮擦洗，將閥座承裝孔焊接區(qū)域的油污和積碳清潔干凈，再用微型角磨機(jī)和不銹鋼鋼絲刷打磨清理，直至露出金屬光澤；二是嚴(yán)格控制焊接溫度，按預(yù)定的順序，隔缸、分層、分段、交叉進(jìn)行焊接，過程中監(jiān)測(cè)汽缸蓋溫度，溫度控制在30～50 ℃之間，減小熱影響區(qū)；三是嚴(yán)格控制焊接手法、電流參數(shù)、氦氣純度和流量，確保焊層飽滿有光澤，無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等。

表1 汽缸蓋ZL10鋁合金主要成分及性能

表2 ER4047鋁合金焊絲主要成分及性質(zhì)

3.4焊補(bǔ)位置和尺寸

為了減少焊接變形，焊補(bǔ)量要盡可能少，同時(shí)要保證切削加工后錐面和下平面上不能缺肉，因此焊補(bǔ)位置要精準(zhǔn)，具體位置和尺寸見圖2。

圖2 焊補(bǔ)位置和尺寸圖

4 閥座裝配工藝研究

閥座在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，要求能承受燃燒室的高溫和氣閥運(yùn)動(dòng)的沖擊，不松動(dòng)、不脫落、耐磨損。閥座如果在工作中脫落，會(huì)發(fā)生活塞頂缸事故，嚴(yán)重時(shí)將造成整機(jī)報(bào)廢。因此，閥座裝配的關(guān)鍵是保證閥座能可靠地固定在承裝孔內(nèi)。

4.1閥座固緊度檢驗(yàn)方法確定

閥座依靠過盈配合和輥壓收口2種方法疊加固緊，因此采用單一的過盈量來衡量其固緊度不甚合理。此閥座從孔中拉出采用了專用工具，用拉出閥座所需要的轉(zhuǎn)矩來衡量其固緊度更為合理，對(duì)專用工具作適當(dāng)改進(jìn)，可以用普通轉(zhuǎn)矩板手檢測(cè)其轉(zhuǎn)矩。經(jīng)檢測(cè)，舊汽缸蓋閥座拉出轉(zhuǎn)矩統(tǒng)計(jì)值為90～110 N·m，則將閥座固緊度設(shè)計(jì)值確定為≥100 N·m。

4.2閥座過盈量與電刷鍍方法確定

閥座與承裝孔為錐面過盈配合，錐度1∶5，過盈量要求如圖1所示，軸向壓緊量為0.85～1.00 mm，換算成徑向過盈量等于0.17～0.20 mm。汽缸蓋拉出舊閥座后承裝孔直徑略有變大, 大約0.02～0.04 mm，研究采用電刷鍍納米快速鎳的方法增大閥座外徑，此方法工藝簡(jiǎn)單、鍍層結(jié)合牢固，經(jīng)反復(fù)拆裝鍍層完好無(wú)損。鍍層厚度定為0.03～0.05 mm，比原過盈量略大一些，以適當(dāng)提高固緊度。在電刷鍍各種參數(shù)確定后，用刷鍍時(shí)間控制鍍層厚度。

4.3裝配方法確定

裝配方法完全依照新制汽缸蓋的裝配方法，重點(diǎn)是控制好閥座與孔配合的貼合度，要求每個(gè)孔用色油檢測(cè)，著色面積達(dá)到75%以上，且分布均勻。若達(dá)不到要求，采用手工刮研修正。裝配過程如下：①先將閥座不施力放入承裝孔內(nèi)，測(cè)量閥座與孔的端面間隙應(yīng)為0.85～1.00 mm，見圖1；②用專用工具將閥座敲進(jìn)，至端面間隙不大于0.08 mm，且應(yīng)小于1/2的圓周；③最后用專用工具將承裝孔口進(jìn)行輥壓收口固緊。

5 再制造質(zhì)量檢測(cè)與分析

該汽缸蓋更換閥座質(zhì)量主要取決于承裝孔口焊補(bǔ)再制造和閥座裝配這2方面質(zhì)量。焊接質(zhì)量用焊接層強(qiáng)度來衡量，按既定的焊接工藝進(jìn)行試件焊接，測(cè)得焊接強(qiáng)度δb為255 MPa，大于235 MPa的基體強(qiáng)度,符合設(shè)計(jì)要求。另外，通過焊接層切削加工和輥壓收口的手感，也提示出其強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于基體；閥座裝配質(zhì)量用固緊度衡量，在一列業(yè)已報(bào)廢的汽缸蓋上做工藝試驗(yàn)，按上述工藝方法進(jìn)行閥座裝配，在輥壓收口之前測(cè)得固緊度為80～90 N·m，輥壓收口后再測(cè)得固緊度為130～140 N·m，符合“≥100 N·m”的設(shè)計(jì)要求，且比原閥座固緊度大。

綜上所述，汽缸蓋更換閥座的再制造質(zhì)量符合并優(yōu)于新汽缸蓋制造要求。

6 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證再制造質(zhì)量，將一列修復(fù)的汽缸蓋裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上做臺(tái)架校核試驗(yàn)，按新機(jī)出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)全部符合要求。試驗(yàn)結(jié)束后再次分解汽缸蓋，抽測(cè)閥座緊固度，其值與裝配時(shí)相同，符合要求。

The valve-seat of cylinder cap has been repaired and replaced，which belongs to a cut-off motor,with some special requirements for its fitting such as aluminium alloy welding,brush plating on valve-seat outside diameter and roll crushing for binding off.Through a great number of technical experiments,the remaking quality proved better than the new one's and a higher economic efficiency has been achieved.

motor;aluminium cylinder cap;valve seat replacement;remake

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.04.002

張建濤(1972-)，男，河北深澤人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事艦船修理工作。

2014-03-05