CN102414401A - 内燃机用的气门弹簧座及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机用的气门弹簧座及其制造方法。通过热处理而形成在弹簧挡圈上的氧化膜不易剥落，从而改善弹簧挡圈与阀弹簧之间的接触面的耐磨性。通过热处理形成在弹簧挡圈(3)的被阀弹簧(7)的上端压接的那部分上的氧化膜(15)被至少部分地去除，使得氧化膜的厚度为0.00-0.02μm。

Description

内燃机用的气门弹簧座及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用在内燃机的气阀机构中的气门弹簧座，具体而言，涉及一种由金属板制成的气门弹簧座及其制造方法。
背景技术
在专利文献1-3中，由金属板制成的气门弹簧座被轻质化，以减小气阀机构的惯性质量，从而改善内燃机的性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP55-17976A
专利文献2：JP62-185807A
专利文献3：JP2002-303107A
发明内容
发明要解决的问题
在由金属板制成的气门弹簧座中，钢板通过加压成型，并形成气门弹簧座的原型。为了改善耐磨性，其表面被硬化。一般地，对原型进行热处理，例如渗碳、淬火和回火。
通过热处理，在气门弹簧座的表面上形成渗碳层。同时，在真空渗碳炉以外的普通渗碳炉中进行渗碳处理，使得在渗碳层的表面上形成氧化膜。氧化膜提供硬度，使得气门弹簧座中被阀弹簧的上端压接的弹簧挡圈的耐磨性得到改善。
然而，在发动机运转过程中，弹簧挡圈总是与阀弹簧的端面接触。当阀弹簧被压缩时，弯曲应力作用在弹簧挡圈上，使弹簧挡圈挠曲。弹簧挡圈在阀弹簧上相对滑动。形成在弹簧挡圈的被阀弹簧的上端压接的那部分上的氧化膜剥落。由于剥落的氧化物的研磨效应，弹簧挡圈与阀弹簧之间的接触面可能会被磨损。氧化膜越厚，越容易出现问题。
特别地，由金属板制成的气门弹簧座很薄，因而需要尽可能地防止弹簧挡圈的磨损。
鉴于这些缺点，本发明的目的在于提供一种气门弹簧座及其制造方法，在所述的气门弹簧座中，通过热处理而形成在弹簧挡圈上的氧化膜不易剥落，从而改善了弹簧挡圈和阀弹簧之间的接触面的耐磨性。
解决问题的方式
根据本发明的以下各项内容解决了上述问题。
(1)一种内燃机用的由金属板制成的气门弹簧座，所述气门弹簧座包括在中心具有锥形孔的截头锥形部和被阀弹簧的上端压接的弹簧挡圈，所述气门弹簧座通过渗碳、淬火和回火而被进行热处理，氧化膜通过热处理形成在所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的表面上，并且所述氧化膜被至少部分地去除，使得氧化膜的厚度为0.00-0.02μm。
形成在弹簧挡圈的被阀弹簧的上端压接的那部分上的氧化膜的厚度为0.00-0.02μm，并且在阀弹簧上的滑动过程中氧化膜更难以剥落。
(2)在第(1)项中，所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的那部分的表面上的中心线平均粗糙度不超过1.20μm。
因此，由于弹簧挡圈的被阀弹簧的上端压接的那部分上的氧化膜的厚度为0.00-0.02μm与中心线平均粗糙度不超过1.20μm的协同效应，氧化膜在阀弹簧上的滑动过程中更难以剥落。
(3)在第(2)或(3)项中，所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的下表面向上向外并远离所述阀弹簧倾斜。
因此，弹簧挡圈与阀弹簧的接触部更接近于弹簧挡圈的中心，使得作用到弹簧挡圈上的弯矩变得小于作用到远离中心的接触部的弯矩，并且接触部更难以挠曲。由于弹簧挡圈的挠曲所产生的在阀弹簧上的相对滑动受到限制，并且形成在弹簧挡圈与阀弹簧的接触面上的氧化膜更不易剥落。
弹簧挡圈变得更不易于挠曲，从而改善了疲劳强度。
(4)在第(1)至(3)项的任一项中，所述截头锥形部和所述弹簧挡圈之间的拐角部的外表面形成为曲率半径大于所述截头锥形部的厚度的弧状曲面，并且面对所述外表面的所述拐角部的内表面形成为曲率半径小于所述拐角部的外表面的曲率半径的弧状曲面，使得所述拐角部的厚度大于所述截头锥形部的厚度。
截头锥形部和弹簧挡圈之间的拐角部被强化，从而改善抗弯刚性，使得弹簧挡圈变得更不易挠曲。如上所述，可以防止由于弹簧挡圈的挠曲所产生的氧化膜的剥落，使得应力不会集中到截头锥形部和弹簧挡圈之间的拐角部，从而改善了疲劳强度。
(5)一种制造如第(1)至(4)项中任一项所述的内燃机用的气门弹簧座的方法，所述方法包括将圆形金属板冲压而形成气门弹簧座的原型的深冲压步骤，在所述原型中，在具有锥形孔的截头锥形部的外周面上形成弹簧挡圈；通过渗碳、淬火和回火对所述原型进行热处理的热处理步骤；以及去除氧化膜使其厚度为0.00-0.02μm的氧化膜去除步骤。
因此，在金属板气门弹簧座中，形成在弹簧挡圈与阀弹簧的接触面上的氧化膜的厚度为0.00-0.02μm。
(6)在第(5)项中，所述氧化膜去除步骤包括研磨。
通过研磨，形成在弹簧挡圈与阀弹簧的接触面上的氧化膜可以被容易地去除而变成预定厚度。
(7)在第(6)项中，利用滚筒抛光，使所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的那部分的中心线平均粗糙度Ra不超过1.20μm。
通过对多个气门弹簧座进行滚筒抛光，可以将形成在整个表面(包括弹簧挡圈的被阀弹簧的上端压接的那部分)上的氧化膜研磨到预定厚度，从而提高生产性。
通过确定研磨料的粒度，弹簧挡圈的被阀弹簧的上端压接的那部分上的中心线平均粗糙度Ra可以不超过1.20μm。
发明效果
根据本发明，通过热处理而形成在弹簧挡圈上的氧化膜更不易剥落，从而改善了弹簧挡圈与阀弹簧的接触面的耐磨性。
附图说明
图1是根据本发明的气门弹簧座的一个实施例的立体图。
图2是具有气门弹簧座的气阀机构的中央纵剖正视图。
图3是气门弹簧座的放大剖视图。
图4是表面层的放大剖视图。
图5是弹簧挡圈的下表面的放大剖视图。
图6是去除氧化膜后的弹簧挡圈的下表面的放大剖视图。
图7是示出弹簧挡圈的磨损试验结果的曲线图。
图8是示出制造根据本发明的气门弹簧座的方法的各步骤的示图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的各个实施例。
图1是根据本发明的气门弹簧座的一个实施例的立体图，图2是安装有气门弹簧座的气阀机构的中央纵剖视图。
气门弹簧座1主要通过深冲压加工从厚度为1.2-1.6mm的低碳钢板成型，它包括倒置的截头锥形部2和在其上端的向外弹簧挡圈3。
被保持在截头锥形部2的锥形孔4中的一对销楔5，5的向内珠子5a，5a与环形槽6a配合，从而允许将气门弹簧座1与提升阀6联接。
阀弹簧7的下端支撑在气缸盖(未示出)上，阀弹簧7的上端与弹簧挡圈3的外周部下表面3a接触，从而迫使提升阀6向上。
环形导向部8形成在弹簧挡圈3的中间部中，并且阀弹簧7的上端与外周部的水平下表面接触。导向部8防止阀弹簧7的上端径向移动，并且提供较大的截面模数来增大弹簧挡圈3的抗弯刚性。导向部8的上下宽度可以优选为1.5-2.5mm。
如图3所示，截头锥形部2和弹簧挡圈3之间的拐角部9的厚度T1大于截头锥形部2的厚度T2。在截头锥形部2和弹簧挡圈3之间的拐角部9处，外表面10是曲率半径大于截头锥形部2的厚度的弧状曲面。面对外表面10的内表面11是曲率半径小于内表面10的曲率半径的弧状曲面，使得拐角部9的厚度大于截头锥形部2的厚度。
截头锥形部2和弹簧挡圈3之间的拐角部9的外表面10是曲率半径大于截头锥形部2的厚度的弧状物，并且拐角部的厚度T1大于截头锥形部2的厚度T2，从而利用增大的抗弯刚性来强化拐角部9。因此，可以防止应力集中到该部分，从而改善了拐角部9的疲劳强度。
弹簧挡圈3变得不易弯曲，从而防止弹簧挡圈3在阀弹簧7上滑动。
弹簧挡圈3的与阀弹簧7的上端接触的下表面向上向外并远离阀弹簧7的上端倾斜，使得阀弹簧7的上端的内周缘部接触弹簧挡圈3的外周部下表面3a的内侧。相对于下表面3a的倾斜角度可以小于1.0度，使得阀弹簧7的上端的内周缘部不会牢固地接触外周部下表面3a的内侧。
如果气门弹簧座1从具有高抗弯刚性的相对较厚的板成型得到，或者如果气门弹簧座1中的弹簧挡圈3的直径很小，那么外周部下表面3可以是水平的。
通过倾斜弹簧挡圈3的外周部下表面3a，外周部下表面3a在其内点接触阀弹簧7，从而减小作用在弹簧挡圈3上的弯矩。内点不易于挠曲，从而防止弹簧挡圈3在阀弹簧7上滑动并改善弹簧挡圈3的疲劳强度。
在压制成型后的气门弹簧座1中，为了改善表面的耐磨性和各部分的强度，进行热处理，例如在气体渗碳炉中进行渗碳、淬火和回火。
图4是热处理后的气门弹簧座1的表面层的放大剖视图。在母材12的整个表面上形成大约0.1-0.5mm厚的渗碳层13，并且在热处理的同时在渗碳层13上形成大约0.2μm厚的氧化膜14。
在根据本发明的气门弹簧座1中，如图5所示，形成在整个表面(包括被阀弹簧7的上端压接的外周部下表面3a)上的氧化膜14通过诸如研磨等机械方式被部分地去除，使得氧化膜变得更薄，其厚度为0.00-0.02μm。
在部分地去除氧化膜14的同时或者之后，至少弹簧挡圈3的被阀弹簧7的上端压接的外周部下表面3a被抛光，使得表面粗糙度或者根据JIS(日本工业标准)的中心线平均粗糙度大于1.20μm。
由于形成在被阀弹簧7的上端压接的外周部下表面上的厚度不超过0.02μm的氧化膜14，因而即使在发动机运转过程中阀弹簧7的上端在弹簧挡圈3的下表面上滑动，也可以防止在弹簧挡圈3的下表面上的氧化膜14剥落或者不易于剥落。
由于在弹簧挡圈3的外周部下表面3a上的氧化膜14的厚度为0.00-0.02μm与外周部下表面3a上的中心线平均粗糙度Ra不超过1.20μm的协同效应，在阀弹簧7上的滑动过程中氧化膜14更不易剥落。
被阀弹簧7的上端压接的外周部下表面3a上的中心线平均粗糙度Ra不超过1.20μm的原因在于：发动机的耐久试验证明，中心线平均粗糙度Ra超过1.20μm会增大对抗阀弹簧7的滑动摩擦阻力，使氧化膜14易于剥落。
此外，如上所述，弹簧挡圈3不易挠曲，从而可以防止由于挠曲所产生的与阀弹簧7的接触面的相对滑动。因此，弹簧挡圈3的外周部下表面3a上的氧化膜14更难以剥落。
被阀弹簧7的上端压接的外周部下表面3a上的氧化膜14变得难以剥落。由于剥落的氧化物的研磨效应，阀弹簧7与弹簧挡圈3的接触面，尤其是弹簧挡圈3的外周部下表面3a，变得更不易于磨损。结果，弹簧挡圈3的下表面的耐磨性得到改善，使得气门弹簧座1的耐久性大幅改善。
图7是通过发动机耐久试验测得的随着形成在弹簧挡圈3的下表面3a上的氧化膜14的厚度变化弹簧挡圈3的下表面3a的磨损量的曲线图。通过俄歇(Auger)光谱化学分析测量磨损量。
在耐久试验中的发动机是排气量为2000cc的汽油发动机。支撑台上的发动机在高负荷下以6000r.p.m.的转速连续运转60小时并进行测量。
如图7所示，当氧化膜14的厚度小于0.02μm或者为0.00-0.02μm时，弹簧挡圈3的下表面3a不发生磨损。当氧化膜14的厚度超过0.02μm时，磨损量逐渐增大，并且当氧化膜14的厚度超过0.05μm时，下表面3a的磨损量成比例地增大。即使当全部去除而使氧化膜14的厚度为0时，弹簧挡圈3的下表面由于硬质渗碳层13的原因也不发生磨损。
利用图8所示的各步骤制造气门弹簧座1。
使用压力机(未示出)，通过一个或者多个冷却或升温深冲压加工步骤，将图8(a)所示的1.2-1.6mm厚的低碳钢圆盘板15成型为气门弹簧座原型19，该原型包括具有锥形孔16的管状部17和在管状部17的上端的弹簧挡圈18。原型19的形状与图1-3中所示的气门弹簧座1的形状相同。
然后，在图8(c)-(e)所示的加热步骤20中，对原型19进行渗碳21、淬火22和回火23。在普通气体渗碳炉中进行渗碳21，并且优选在低于300℃下进行回火。
最后，在图8(f)所示的氧化膜去除步骤中，对原型19进行滚筒抛光24。通过加热而形成在被阀弹簧7的上端压接的下表面上的氧化膜经过预定时间被研磨去除至0.00-0.02μm的厚度。在滚筒抛光24中使用的研磨料可以优选为1.0-2.0μm大小的微粒，例如矾土或者陶瓷，从而为气门弹簧座1提供在弹簧挡圈3的下表面上的厚度小于0.02μm的氧化膜14。利用滚筒抛光，使弹簧挡圈3的下表面上的中心线平均粗糙度Ra可以小于1.20μm。
对经过热处理的气门弹簧座的原型19进行滚筒抛光，并且同时将除了弹簧挡圈3的下表面以外的表面上的氧化膜去除。除了弹簧挡圈3的被阀弹簧7的上端压接的下表面3a以外的氧化膜不会影响滑动磨损或者不会剥落，使其可以保留而不被去除。
因此，仅有弹簧挡圈3的形成在被阀弹簧7的上端压接的下表面上的氧化膜可被研磨去除至0.00-0.02μm的厚度，而无需通过其他机械研磨方式(例如，使用砂轮的研磨盘)进行滚筒抛光。

Claims (7)

1.一种内燃机用的由金属板制成的气门弹簧座，所述气门弹簧座包括在中心具有锥形孔的截头锥形部和被阀弹簧的上端压接的弹簧挡圈，所述气门弹簧座通过渗碳、淬火和回火而被进行热处理，氧化膜通过热处理形成在所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的表面上，并且所述氧化膜被至少部分地去除，使得氧化膜的厚度为0.00-0.02μm。
2.如权利要求1所述的气门弹簧座，其中所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的那部分的表面上的中心线平均粗糙度不超过1.20μm。
3.如权利要求1或2所述的气门弹簧座，其中所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的下表面向上向外并远离所述阀弹簧倾斜。
4.如权利要求1至3中任一项所述的气门弹簧座，其中所述截头锥形部和所述弹簧挡圈之间的拐角部的外表面形成为曲率半径大于所述截头锥形部的厚度的弧状曲面，并且面对所述外表面的所述拐角部的内表面形成为曲率半径小于所述拐角部的外表面的曲率半径的弧状曲面，使得所述拐角部的厚度大于所述截头锥形部的厚度。
5.一种制造如权利要求1至4中任一项所述的内燃机用的气门弹簧座的方法，所述方法包括将圆形金属板冲压而形成气门弹簧座的原型的深冲压步骤，在所述原型中，在具有锥形孔的截头锥形部的外周面上形成弹簧挡圈；通过渗碳、淬火和回火对所述原型进行热处理的热处理步骤；以及去除氧化膜使其厚度为0.00-0.02μm的氧化膜去除步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述氧化膜去除步骤包括研磨。
7.如权利要求6所述的方法，利用滚筒抛光，使所述弹簧挡圈的被所述阀弹簧的上端压接的那部分的中心线平均粗糙度Ra不超过1.20μm。
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