氣門是發動機工作過程中密封進排氣口的關鍵基礎零件，用于封鎖氣流通道、控制發動機的氣體交換。其工作條件很惡劣，不僅處在高溫的氧化腐蝕性氣氛中，承受著反復的沖擊負荷，還受熱應力及燃燒時氣體壓力等的共同作用，這就要求氣門具有合理的外形尺寸、足夠的熱強度、良好的耐磨性和使用壽命、良好的抗氧化腐蝕性能、良好的鍛造及機加工性能等。氣門設計時，在確定好材料種類、表面處理方式后，在滿足氣門強度、剛度及安裝條件下，合理地根據氣門加工設備進行全方面的工藝性考慮顯得非常重要。本文將對不同類型的氣門在圖樣設計時應考慮的常見工藝性問題進行闡述。
1.考慮工藝性問題的重要性
在進行氣門圖樣設計時，考慮氣門加工工藝性不但對氣門生產廠家非常重要，而且對發動機客戶也很重要。對于氣門生產廠家來說，氣門良好的加工工藝性有利于提高生產效率、降低生產成本，是氣門產品加工過程控制的重要保證；對于發動機客戶來說，氣門良好的加工工藝性有利于提高產品加工質量及產品的一致性，可提高產品的可靠性及在氣門產品定價時的發言權，且有利于降低發動機的生產成本。
2.氣門毛坯制造工藝性考慮
�。�1）拋丸氣門頸部平臺設計。隨著發動機市場競爭的日趨激烈，越來越多的中小排量、高性價比發動機氣門采用了氣門盤部不加工的方案進行設計。氣門盤部不加工方案即氣門毛坯鍛壓或熱擠壓后進行拋丸處理，后續將不再對氣門頸部進行切削加工。
圖1所示為某氣門頸部不加工方案示意圖，圖中雙點劃線表示該氣門對應的毛坯示意圖。這種氣門盤部的總厚度（L1±0.2）mm尺寸是間接通過嚴格控制錐面加工余量保證的，因此該尺寸過程控制的工藝性較差。
根據氣門行業生產廠家的加工經驗，一般對這種頸部不加工的氣門，在氣門頸部作增加平臺結構設計，如圖2所示，圖中雙點劃線表示該氣門對應的毛坯示意圖，由圖中B的局部放大圖可以清晰地看到，氣門頸部與氣門錐面過渡區為0.5mm的平臺。對于不同盤部大小的氣門，可根據實際情況合理設計平臺大小，不過為了減少該平臺對進排氣道的影響，一般該平臺高度為幾百微米到1mm。對比圖1所示的氣門產品，由圖2所示的氣門毛坯示意圖可以看出，同樣是通過控制錐面加工，不同的是圖2所示氣門成品允許頸部與錐面過渡部分存在0.5mm的平臺，在實際加工中，對氣門盤部總厚度（L1±0.2）mm尺寸較容易控制。
�。�2）桿部與頸部過渡部分設計成錐度結構。如圖3、圖4所示，分別為兩種氣門產品及對應的毛坯示意圖，雙點劃線表示該氣門的毛坯輪廓。圖3所示氣門頸部需要機械加工，圖4所示氣門頸部不需要機械加工。雖然這兩種氣門桿部與頸部過渡臺階外圓沒有錐度要求，但由于氣門毛坯在鍛壓時必須要有一定的拔模斜度（圖3中氣門毛坯桿部與頸部過渡臺階的拔模斜度為3°），所以這兩種氣門在此處的工藝性較差。
如圖5、圖6所示，分別是考慮了毛坯鍛壓時拔模斜度的工藝性而設計的氣門圖樣，圖中雙點劃線表示該氣門對應的毛坯示意圖。相比上述圖3、圖4所示的氣門產品，圖5、圖6所示氣門產品有如下優點：在相同尺寸的情況下，過渡部分設計成錐度結構，可提高氣門使用壽命及可靠性，減少氣流在此區域內的沖擊，還彌補了桿徑增加而帶來的成本增加的不足，解決了氣門毛坯鍛壓時頸部拔模斜度與產品圖樣沖突的問題。
（3）盤端面底窩設計。圖7～圖10所示為氣門盤端面不同的底窩結構。在氣門盤端面設計底窩的主要目的有：進排氣門或相似氣門的區別標志、減輕氣門自身質量以及改變燃燒室。
多數氣門采用底窩是為了作為進排氣門或相似氣門的區別標志，在這種情況下，考慮到加工工藝性因素，建議采用SR4mm、直徑最大5mm的底窩結構，如圖7所示。
有些氣門廠家加工氣門時，需要以盤端面中心孔定位，此時在進行氣門盤端面設計時，應允許盤端面有工藝中心孔結構，如圖8所示。
對于摩擦焊雙金屬氣門的盤端面，一般不建議采用底窩設計，因為在對摩擦焊焊接部位進行超聲波探傷時，氣門盤端面底窩會對超聲波探傷造成一定的干擾。某些情況下，可對摩擦焊雙金屬氣門的盤端面采用小凹坑平臺設計，如圖9所示，該盤端面的小凹坑平臺設計可基本避免在進行超聲波探傷時造成的干擾。
對于汽油機進氣門，越來越多地采用盤端面大底窩設計，一種是將圖9所示的小凹坑平臺結構更改為大凹坑平臺結構，另一種是采用如圖10所示的大球窩結構。這種大底窩盤端面進氣門在滿足自身強度的情況下，可有效降低氣門質量，減少氣門落座慣性力。
3.氣門機械加工工藝性 考慮
�。�1）錐面角度與頸部背角的角度差。如圖11所示，α為錐面角度，β為頸部背角，在對該兩角度進行設計時，考慮到加工因素，要求錐面角度α與頸部背角β至少存在5°的角度差。一般情況下，該角度差越大，加工工藝性越好，有利于提高產品質量及降低加工成本。
如圖12所示，α與β的角度差越大，磨削氣門錐面的砂輪利用率越高，而當角度差過小或無角度差時，磨削氣門錐面的砂輪利用率將會很低，會大幅影響氣門錐面加工效率，因此α與β的角度差應≥5°。
�。�2）桿端外圓尺寸的合理設計。圖13、圖14所示為某發動機氣門配氣機構示意圖，根據該裝配圖可知，氣門桿端外圓處無配合要求，考慮到氣門加工桿端外圓的工藝性，對于鍍鉻氣門，該氣門桿端外圓即為鍍鉻前氣門桿部尺寸；而對于氮化氣門，該氣門桿端外圓即為氣門工作桿部尺寸，因此在產品圖設計該尺寸時，應考慮這些因素進行合理設計，一些有經驗的發動機廠家一般對該尺寸進行不標注尺寸處理，即默認該尺寸為鍍鉻前桿部尺寸或氮化氣門的桿部尺寸。
圖15所示為某發動機氣門配氣機構示意圖，根據該裝配圖可知，氣門桿端外圓與氣門橋一端為間隙配合，根據氣門設計經驗，對于桿徑≤12mm的氣門，氣門桿端外圓�。�φD±0.02）mm。
圖16所示為采用導向型氣門橋結構的配氣機構圖，氣門桿端外圓與氣門橋并無配合要求，考慮到加工工藝性，此尺寸設計要求同圖13、圖14一樣。
（3）桿部磨削長度的合理設計。在對氣門桿部磨削長度進行設計時，應考慮現有設備的砂輪寬度規格，在滿足氣門性能的前提下，合理的桿部磨削長度設計有利于降低加工成本，提高產品性價比。
圖17所示為某氣門的兩種桿部磨削長度設計方案，方案一的桿部磨削長度為152mm，方案二的桿部磨削長度為147mm，目前國內通用的無心磨床M1080等磨床的標準砂輪寬度為150mm，因此方案一的桿部磨削152mm超出標準砂輪寬度加工范圍，在不影響其他氣門設計指標的情況下，可以按方案二進行設計。
�。�4）盤端面、桿端面倒角設計。氣門的盤端面、桿端面都要進行倒角，圖18、圖19所示分別為盤端面、桿端面倒角兩種不同的形式。盤端面倒角主要是起去除毛刺、減少應力集中的作用，一般采用車床加工，因此建議優先采用45°倒角形式，該形式加工簡單可靠；桿端面倒角主要是起去除毛刺、減少應力集中或裝配導向的作用，一般采用磨床、車床加工。在采用磨床加工桿端面倒角時，是和氣門卡槽一起在磨床上利用成形精鋼滾輪磨削完成，因此采用45°倒角及倒圓角R都可以，不過現場生產中更多是采用45°倒角形式；在采用車床加工桿端倒角時，優先采用45°倒角或其他角度倒角形式，此時應盡量避免采用倒圓角R的形式。
4.氣門熱處理及表面處理工藝性考慮
�。�1）氮化氣門尺寸、形位公差設計。隨著氮化氣門越來越多地被使用，氮化處理后氣門的技術要求較鍍鉻氣門不同的特點正在被更多氣門及發動機廠家所接受。由于鍍鉻氣門鍍鉻后還可進行精加工，而氮化氣門一般是在精加工完成后進行氮化處理，并且氮化過程是一個500～560℃高溫處理過程，相對而言，氮化氣門精度較鍍鉻氣門難于控制。
對于摩擦焊氮化氣門，在圖樣技術要求中，應該明確說明氮化層深是指氣門桿部還是盤部層深。由于摩擦焊兩種不同的材料在氮化過程中的變形不一樣，因此氣門桿部尺寸及形位公差應該適當相對鍍鉻氣門放寬或在技術要求中特別說明。
�。�2）氣門桿端淬火要求的合理設計。氣門桿端與搖臂、氣門橋或挺柱直接接觸，承受著操縱元件的高應力負荷，不允許其很快磨損，且要求其具備足夠的抗沖擊能力。因此要求在材料許可的條件下對其進行淬火處理�？梢允潜砻娓袘慊�，也可以是透淬，透淬方式一般只應用在桿徑≤6mm的氣門上，絕大多數氣門桿端采用的是表面感應淬火 處理。
隨著氣門桿端淬火技術的越來越成熟，更多的氣門廠家在對氣門進行桿端淬火時采用桿端仿形淬火。桿端仿形淬火又稱U形淬火，即對氣門桿端面及卡槽外圓處同時進行淬火，如圖20所示。因此，對于馬氏體氣門桿部桿端面和卡槽在可以的情況下，對應進行表面淬火處理，以提高其耐磨性及使用壽命。
對于摩擦焊氮化氣門，盤部為奧氏體材料，桿部為馬氏體材料，桿端需要進行表面淬火處理。氣門生產過程中，一般是先進行桿端淬火及精加工后，再進行整體氮化處理，由于氮化溫度高達500～560℃，這樣高的溫度將使桿端淬火面臨回火的風險，因此對于摩擦焊氮化氣門桿端淬火，最低硬度不宜太高，一般設計為桿端淬火硬度≥50HRC（一般鍍鉻氣門桿端淬火硬度要求≥56HRC）。在適當降低最低桿端淬火硬度的同時，建議氣門經氮化處理后，桿端面不磨削，這樣有利于提高桿端面的耐磨性及使用壽命。對于桿端淬火的氮化氣門，另外一種處理方法為氮化后再進行桿端淬火，然后加工鎖夾槽、桿端倒角和桿端面。
（3）桿部鍍鉻區域的合理設計。氣門桿部鍍鉻能從根本上改善桿部耐磨、耐腐蝕性，目前市場上使用的鍍鉻氣門鉻層厚度一般在3～15μm，還有很少種類的高厚鉻層氣門鉻層厚20～40μm。
通常氣門鍍鉻區域的設計遵循的原則有：已裝配的氣門上，鍍鉻部分不允許出現在排氣通道中；保證在任何情況下氣門油封都在鍍鉻層上運動；鍍鉻邊緣和桿端淬火界線不能重合；防止鍍鉻邊緣和氣門標記交叉。
對于桿部縮頸排氣門，鍍鉻區域遵循的重要原則是得到臺階邊緣的尖銳邊角，以限制導管排氣門側端部的油積碳。對于先進行桿部縮頸、精加工后再進行鍍鉻的氣門，鍍鉻區域不應超過臺階邊緣，以得到尖銳邊角；對于先進行桿部鍍鉻、再進行桿部縮頸精加工的氣門，鍍鉻區域應事先超過臺階邊緣，再進行縮頸精加工即可得到尖銳邊角。該方法適用于3～15μm厚鉻層的氣門，對于高厚鉻層氣門，在進行桿部縮頸精加工時，鉻層易崩鉻。
5.結語
在氣門圖樣設計時，綜合考慮工藝性是重要工作之一，特別是隨著氣門專用加工設備的逐漸普及，對于不同的氣門加工工藝方法，在氣門設計時所考慮的工藝性問題會有很大的不同，因此作為氣門圖樣設計者一定要有相當的現場加工經驗，這對提高氣門及發動機設計水平很重要。
