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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。

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。

02、氣閥彈簧制造工藝要點

彈簧鋼絲應采用超純凈鋼，且經過在線渦流探傷和超聲波探傷；彈簧鋼絲應在規(guī)定存放期內使用，避免發(fā)生內裂；卷簧時色標識別器不能失靈，挑出的色標數必須與簧絲廠提供的缺陷色標數一致；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。

01、簧絲內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。

圖1 斷裂排氣閥彈簧的宏觀形貌

采用ZEISS EVO MA10/LS10型掃描電鏡(SEM)對彈簧斷口進行觀察，發(fā)現簧絲內部存在脆性夾雜物，如圖2所示。

圖2 排氣閥彈簧斷口的微觀形貌

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。

02、簧絲表面裂紋引起氣閥彈簧斷裂

圖3 斷裂氣閥彈簧斷口宏觀形貌及截面微觀形貌

某氣閥彈簧發(fā)生早期斷裂故障，目視檢查發(fā)現疲勞源在簧絲內部，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。

圖4 正常識別出的色標段

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，剔除的色標數要與簧絲廠提供的缺陷色標數進行核對，兩者數量一致后氣閥彈簧成品才算檢驗合格。經現場調查發(fā)現，由于車間照明燈損壞，夜間生產時車間照明不足，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。由于在生產過程中未核對檢出的色標數，造成缺陷產品漏檢出廠，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。

03、卷簧時表面擠壓損傷致氣閥彈簧斷裂

圖5 氣閥彈簧斷口表面的微觀形貌
 

某氣閥彈簧發(fā)生斷裂，采用ZEISS EVO MA10/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)現開裂起源于異常平面的擠壓損傷邊緣，且在斷裂過程中產生了二次裂紋。

卷簧機送料滾輪壓力通常要求為4~14MPa。經現場調查發(fā)現，生產斷裂彈簧的卷簧機液壓臺最大壓力達到14MPa，但彈簧生產廠家設備維修記錄顯示，卷簧機液壓臺曾出現壓力下降的故障。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)現在相同工藝下制造的彈簧與失效彈簧一樣在表面出現了壓痕，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整壓力的次數將送料滾輪初始壓力設定過大，擠傷了彈簧表面。后續(xù)生產中選取合適的滾輪壓力后未再發(fā)生類似的失效問題。

04、排氣閥彈簧在與尾圈相鄰簧絲處斷裂

圖6 彈簧斷裂位置及并圈磨損形貌

某發(fā)動機在臺架試驗結束后經拆檢發(fā)現其排氣閥彈簧斷裂，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查。

圖7 彈簧斷口SEM形貌

采用ZEISS EVO MA10/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。經測量發(fā)現，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?？赏ㄟ^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。

圖8 彈簧尾圈和鄰圈接觸痕跡

通過富士(FUJI)壓印試驗發(fā)現，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、降低并圈高度、調整螺旋角、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斷裂，改進后進行相同試驗循環(huán)500萬次未發(fā)生斷裂。

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。