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零件装配与结构组成 |
柴油机气门导管的作用图解和安装位置 |
摘要：气门导管是柴油机的重要零部件之一，他的质量和性能直接影响着柴油发电机的工作效率和寿命。由于需要承受高温高压和频繁的运动振动，气门导管的要求十分高，传统的生产工艺不能满足其复杂结构的要求。因此，粉末冶金成型成为一种高效、精密且经济的生产工艺方式。粉末冶金是一种以金属粉末为原料，通过粉末的均匀混合、成型、烧结等工艺过程，制备出高精度、复杂度高、耐用性好的柴油发动机零部件。
一、气门导管基本构造和作用
1、气门导管的作用
气门导管起气门的导向作用，使气门能正确地座落在气门座上，并将气门的热量传递出去，其构造和固定方法，如图1所示。气门导管一般制成独立式的，然后再以少许公盈量压入汽缸体或汽缸盖上。气门导管与气门杆留有适当的间隙，间隙太大会使气门摆动密封不好。由于气门与气门导管间的润滑较为困难，所以其间隙也不能太小，否则，会增加两者的磨损。
气门导管是汽缸盖内支撑气门的孔，它相当于一个衬套，气门杆可以在里面滑动。气门导管是汽缸盖的一部分，它帮助支撑和定位气门，以便气门能够正确地落座。气门导管也有散热的作用，燃烧室内产生的热量经过气门后再传递给气门导管，如图2所示为一个气门导管，并显示了热量是如何传递到气门导管，再到汽缸盖，最后传递给冷统的。
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图1 柴油机气门导管位置图 |
图2 柴油机气门导管作用图 |
2、气门导管间隙
气门杆与气门导管之间的间隙十分重要。一般的，这个间隙在0.2~0.4mm之间。如果气门导管磨损，间隙变大，可能会发生多种故障。气门可能漏气，导致空燃比发生变化；机油可能通过气门导管泄漏，导致机油消耗增大；气门也可能不能平稳地落座，导致气门座快速磨损。图3所示为机油是如何通过气门导管的。在图3（a）中，进气门的导管间隙太大。因为进气门产生的真空度，经过气门导管的所有机油都将被吸入燃烧室中烧掉。在图3（b）中，排气门的导管间隙太大，机油将被吸到废气流中烧掉，然后与废气一起被排出。以上任何一种情况都会增大机油的消耗量，并且在废气中有燃烧过的机油。
3、气门导管类型
气门导管有两种类型：一体式和镶入式。
（1）一体式导管在汽缸盖中直接加工而成，如图4（a）所示。
（2）镶入式导管是一些压装在汽缸盖内的小圆筒，如图4（b）所示。
当气门导管过度磨损时，镶入式导管可以拆下来，换上一个新的镶入式导管。但是，一体式导管不能这样更换。
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图3 当气门导管磨损时，机油会穿过 |
图4 气门导管类型结构图 |
二、气门导管加工工序
发动机气门导管是分开的部件，气门分进气门，排气门。导管分进排气门导管。气门导管内、外圆柱面经加工后压入气缸盖或气缸体的气门导管孔中，然后再精加工铰内孔，为防止轴向转动，设有卡环定位槽，它与定位卡环配合便可防止工作时导管移动而落入气缸中，气门杆与气门导管之间一般留有微量间隙，使气门杆能在导管中自由运动，气门导管工作温度较高，润滑较差，一般用含石墨较高的铸铁或铁基粉末冶金制成，以提高自润滑性能。气门导管的工艺流程比较复杂，一般包括以下几个步骤：
1、原材料精混
按照气门导管的材料比例将各种金属粉末混合均匀。这一步是最重要的环节，对于粉末混合的均匀性和成分配比的准确性有着非常高的要求。一般来说，原材料精混时需要对各种原材料进行预处理，将其清洁、烘干。
2、压制成型
将经过精混的金属粉末放置于模具中，加入一定的压力进行压制成型。在压制成型的过程中，会根据气门导管的设计要求和规格进行相应的调整。
表1 气门导管压制成型工序要求
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工序
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潜在失效模式
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潜在失效机理
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潜在失效原因
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成型
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裂纹
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成品使用性能散失
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掉落
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密度差大
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密度大、小
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影响刀寿
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粉末填充过多、小
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密度检查错误
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3、烧结处理
将压制成型的零件放置于高温下烧结，使得金属颗粒之间发生冶金反应，形成致密的金属结构。这一步工艺非常重要，影响着气门导管的质量和性能。
表2 气门导管烧结工序要求
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工序
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潜在失效模式
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潜在失效机理
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潜在失效原因
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烧结
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组织扩散不足
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使用性能下降，造成发动机功率 下降
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热电偶异常，烧结温度低
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温度计异常
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烧结时间短
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温度设定错误
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硬度高
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加工想能异常、气门杆磨损
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烧结温度高
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烧结时间长
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硬度低
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使用性能下降
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烧结温度低
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烧结时间短
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强度低
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压装过程易发生断裂
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成品氧化或脱碳
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烧结温度低 @取金教程〉
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烧结时间短
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4、后处理
经过烧结处理的粉末冶金气门导管需要进行后处理，例如钻孔、车削等工艺，以达到更高的精度和质量要求。
三、气门导管的性能要求与常见问题
1、气门导管要求
（1）具有良好的磨损性能及抗磨损性能；
（2）具有良好的匹配性能，能满足不同气门杆部的表面处理要求（氮化，镀铬等）
（3）具有良好的自润滑性能及储油性能；
（4）具有良好的机加工性能。
2、为什么会漏气？
孔隙是粉末冶金材料固有的特性，当毛坯的密度为6.8g/cc时，孔隙率约为12~13%之间，其中贯通孔隙占总孔隙的90~95%。由于以上孔隙的存在，针对导管施加一定的压力空气，就会产生漏气的现象。
3、为什么要以导管孔为中心进行组合加工？
气门座圈工作锥面对导管孔的跳动大小直接影响气门与座圈的密封质量，进而影响发动机的性能。保证气门座圈与气门导管加工同轴度等重要位置度公差的需要，避免漏气造成发动机功率下降，有效避免成品压入缸盖时产生的微变形等隐性缺陷。
4、为什么要考虑气门间隙？
气门间隙过小，易导致气门运动不顺，出现卡滞，气门与导管之间润滑不良，导致异常磨损气门间隙过大，一方面会导致气门杆的热传导能力下降，空气和机油易被吸入燃烧室，引起怠速，机油耗增加，积碳严重另一方面，会导致气门杆和导管的导向作用下降，不能保证气门落座时与气门座圈的同心造成漏气，影响发动机功率。
四、气门导管密封件的安装
拆卸气门导管之前，需要先将发动机的电源断开，以免发生意外。然后，需要将气门盖板拆下来，以便更好地接近气门导管。接下来，需要使用扳手或者扳手套筒拆下气门导管上的螺母，然后轻轻拆下气门导管。康明斯柴油发电机用的气门杆油封规格如图5所示，三种密封件安装方法如图6所示。
1、带槽的气门导管密封件
与带槽气门导管相配的密封件有两个叠起。在 2000 年 5 月 15 日至 2002 年 2 月底生产的康明斯柴油发动机上，进气门及排气门有独立带有颜色编码的气门导管密封件。进气门导管密封件带有黄铜色的环状螺旋弹簧并且橡胶部分有三个凸点；排气门导管密封件带有白银色的环状螺旋弹簧并且没有凸点。在 2002 年 3 月以后生产的康明斯柴油发动机上，进气门及排气门导管只有一种气门导管密封件。
安装方法：徒手将进气门导管和排气门导管密封件卡入到气门导管的槽中。
2、不带槽的气门导管密封件
（1）确保在安装不带槽的气门导管密封件前，气门弹簧导管已经拆下。
（2）使用未经改制的气门密封件安装器（康明斯零件号为3163294）安装气门导管密封件。安装后，密封件安装器必须与缸盖接触。这样能使气门导管密封件安装正确。为避免发动机和/或刀具损坏，不要使用维修工具安装带有集成气门弹簧导管的气门杆密封件。
3、带一体式气门弹簧导管的气门杆油封
（1）带一体式气门弹簧导管的气门杆油封需用手安装，不要使用安装工具。
（2）将气门杆密封件置于气门导管上方，用手将密封件推到位，直到气门弹簧导管牢固地靠着气缸盖。
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图5 康明斯柴油机气门杆油封规格 |
图6 柴油机气门杆油封装入导管 |
总结：
粉末冶金成型是一种高精度、高耐用性、高经济性的生产工艺方式，适用于制备形状复杂、精度要求高的气门导管。粉末冶金过程中只需加工曲线工件，不需要钣金或锻件加工，相比较于锻造、铸造等加工方式，粉末冶金工艺能够更好地减少碳排放和能源消耗。随着粉末冶金技术的不断进步和发展，越来越多的机械零部件将会产生采用粉末冶金成型的趋势，推动整个制造业向高效、经济、精密、可持续方向不断发展。
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