分享：气阀弹簧制造工艺和失效案例分析

摘 要:概述了气阀弹簧的制造工艺和要点,介绍了因簧丝夹杂物、簧丝表面裂纹、卷簧时表面 挤伤、尾端相邻圈之间磨损引发的弹簧断裂案例,通过对案例进行失效分析发现:气阀弹簧发生断 裂的主要原因有材料纯净度不高和簧丝表面存在缺陷;簧丝表面缺陷除了来自簧丝本身,也来自制 造和装配环节;进行弹簧失效分析时,可采用断口分析和实地调查相结合的方法,力求快速准确地 判断原因,以便迅速采取措施避免类似问题的再次发生. 

关键词:气阀;弹簧;断裂;纯净度;表面缺陷 

中图分类号:TQ４３３．４３７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６４６Ｇ０４

气阀弹簧是发动机配气系统的重要零部件.当 气阀关闭时,气阀弹簧使气阀与气阀座闭合密封;当 气阀开启时,气阀弹簧使气阀准确跟随凸轮运动. 在实际使用过程中,气阀弹簧经常在远低于理论极 限载荷的情况下发生断裂.为查明气阀弹簧断裂的 原因,笔者在阐述气阀弹簧的制造工艺和要点的基 础上,剖析了典型失效案例,以期找到合适的分析方 法,从而准确做出判断并给出改进措施.

１ 气阀弹簧制造工艺和要点 

１．１ 气阀弹簧制造工艺 

常见的气阀弹簧制造工艺包括:卷簧→去应力 退火→磨两端面→倒角→强力喷丸→强力喷丸→热 定型→负荷分选.

早期的气阀弹簧制造工艺中,在强力喷丸前要 进行荧光磁粉探伤,随着簧丝厂对钢丝表面缺陷探 测能力的提高,弹簧厂已取消了荧光磁粉探伤环节.

为使气阀弹簧达到更高的疲劳强度,还有两种 不常见的制造工艺: 

(１)卷簧→去应力退火→磨两端面→倒角→强 力喷丸→氮化→强力喷丸→热定型→负荷分选. 

(２)卷簧(软钢丝)→淬、回火→磨两端面→倒 角→强力喷丸→强力喷丸→热定型→负荷分选.

１．２ 气阀弹簧制造工艺要点 

弹簧钢丝应采用超纯净钢,且经过在线涡流探 伤和超声波探伤;弹簧钢丝应在规定存放期内使用, 避免发生内裂;卷簧时色标识别器不能失灵,挑出的色标数必须与簧丝厂提供的缺陷色标数一致;卷簧 时不能损伤簧丝表面;卷簧后应及时去应力退火,避 免发生内裂;强喷弧高值和覆盖率必须满足相关标 准要求;需要进行热定型和负荷分选;禁止用酸洗工 艺进行除锈、除油返工处理. 

２ 典型气阀弹簧失效案例 

２．１ 簧丝内夹杂物引起气阀弹簧断裂 

某发动机在进行可靠性台架试验的过程中,运 行４５０h后其排气阀弹簧发生断裂,如图 １ 所示. 采用ZEISSEVO MA１０/LS１０型扫描电镜(SEM) 对弹簧断口进行观察,发现簧丝内部存在脆性夹杂 物,如图２所示.由于脆性夹杂物不能与钢丝基体 保持同步变形,在夹杂物与基体的界面处易萌生裂 纹导致钢丝发生疲劳断裂.发动机的运行里程或台 时数与排气阀弹簧中的夹杂物尺寸及其与弹簧表面 的 距 离 有 关. 通 常 情 况 下 发 动 机 失 效 里 程 为 ２００００km左右,偶尔可见长里程失效. 

２．２ 簧丝表面裂纹引起气阀弹簧断裂 

某气阀弹簧发生早期断裂故障,目视检查发现 疲劳源在簧丝内部,且靠近簧丝断裂位置表面存在 长“丝线”,如图３a)所示.由图３b)和图３c)可见, 断口疲劳源位于簧丝内部.在垂直“丝线”方向截面 取样,可见裂纹两侧存在脱碳层,如图３d)所示.疲 劳裂纹起源于簧丝内部的原始裂纹处,如图３e)所 示.综上可判断由于簧丝存在原始裂纹造成气阀弹簧的断裂. 

在正常情况下,色标识别器识别出簧丝上的色 标后,卷簧机会将该段簧丝卷制后切断剔除.每盘 钢丝绕制完成后,剔除的色标数要与簧丝厂提供的 缺陷色标数进行核对,两者数量一致后气阀弹簧成 品才算检验合格.经现场调查发现,由于车间照明 灯损坏,夜间生产时车间照明不足,在卷簧过程中色 标识别器失灵,导致失效弹簧上有６处色标未检出, 如图４所示.由于在生产过程中未核对检出的色标 数,造成缺陷产品漏检出厂,最终安装到发动机上并 在发动机运行过程中发生气阀弹簧断裂. 

２．３ 卷簧时表面挤压损伤致气阀弹簧断裂 

某气阀弹簧发生断裂,采用 ZEISSEVO MA １０/LS１０型 扫 描 电 镜 (SEM)观 察 断 口,如 图 ５ 所 示,可见弹簧表面有两个异常平面,该异常平面上有 指甲大小的橘皮状挤压损伤;放大观察发现开裂起 源于异常平面的挤压损伤边缘,且在断裂过程中产 生了二次裂纹.

卷簧机送料滚轮压力通常要求为４~１４ MPa. 经现场调查发现,生产断裂弹簧的卷簧机液压台最 大压力达到１４ MPa ,但弹簧生产厂家设备维修记 录显示,卷簧机液压台曾出现压力下降的故障.在 上述弹簧断裂后,弹簧厂更换成最大压力为８MPa 的液压台进行卷簧试验,发现在相同工艺下制造的 弹簧与失效弹簧一样在表面出现了压痕,但压痕程 度较轻,未达到损伤的程度.由此判断气阀弹簧发 生断裂的原因是液压台出现压力下降故障后没有及 时修理,操作工在卷簧过程中为减少调整压力的次 数将送料滚轮初始压力设定过大,挤伤了弹簧表面. 后续生产中选取合适的滚轮压力后未再发生类似的 失效问题.

２．４ 排气阀弹簧在与尾圈相邻簧丝处断裂

某发动机在台架试验结束后经拆检发现其排气 阀弹簧断裂,断裂位于与尾圈相邻的簧丝接触处,尾圈与邻圈之间存在并圈磨损,如图６所示.由于并 圈磨损不是簧丝表面的原始缺陷,因此围绕卷簧切 断工艺和弹簧设计两方面展开调查.

采用 ZEISS EVO MA １０/LS１０ 型 扫 描 电 镜 (SEM)观察断口,由图７可以看出,弹簧断口位于 尾圈且 搭 扣 处 从 簧 丝 表 面 往 内 部 方 向 有 长 度 为１００μm 的 压 痕,推 测 断 裂 源 位 于 距 离 簧 丝 表 面 １００μm 的位置.

将卷簧后的排气阀弹簧半成品沿横向切割,发现 簧丝断面存在翻边,且朝向邻圈簧丝表面.而翻边会 导致相邻簧丝额外受力造成损伤,翻边高度越大,相 邻簧丝额外受力越大.经测量发现,簧丝断面翻边高 度均大于０．０２mm,其中最大达到０．１４６mm,而合格 成品切断面的翻边高度均小于０．０１mm.可通过减 少切断频次,保持切断刀刃口锋利等措施来解决簧丝 断面翻边过大的问题. 

通过富士(FUJI)压印试验发现,尾圈和邻圈接 触 痕迹按照重→轻→重→轻的顺序变化,而不是单一由重至轻的变化,如图８所示.对弹簧反复进行 压并试验,观察到弹簧存在崴动,而弹簧崴动会引起 相邻簧圈横向移动,易造成簧丝表面损伤.通过增 加圈数、降低并圈高度、调整螺旋角、减轻尾端运动 幅度重新对弹簧进行设计和改进,发现改进前的弹 簧在强 化 疲 劳 试 验 中 循 环 周 次 为 １８０,１９０,１９４, ２７０万次 时 出 现 断 裂,改 进 后 进 行 相 同 试 验 循 环 ５００万次未发生断裂. 

３ 结语

气阀弹簧作为发动机的关键零件,尽管其设计 和制造技术已相对成熟,但仍存在零件设计、材料、 制造和装配等方面的问题导致气阀弹簧在运行过程 中发生断裂.因此,设计、制造和装配等环节仍需谨 慎对待.进行弹簧失效分析时,可采用断口分析和 实地调查相结合的方法,力求快速准确地判断原因, 以便迅速采取措施避免问题的再次发生. 

参考文献: 

[１] 中国机械工程学会材料分会．弹簧的失效分析[M]． 北京:机械工业出版社,１９８８:１０Ｇ１８． 

[２] 武怀强．气门弹簧疲劳断裂失效分析[J]．金属制品, ２０１７,３３(６):３７Ｇ３９． 

[３] 唐海中．圆柱螺旋压缩弹簧断裂失效分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１６,５２(１２):９００Ｇ９０２． 

[４] 吴世强,谢逍原．冷拔无缝钢管内壁横向裂纹成因分 析[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(１):５７Ｇ６０． 

[５] 杨晓,夏申琳,李雪峰．１６Mn钢长轴裂纹缺陷成因分 析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１(１):６２Ｇ６４．

文章来源——材料与测试网