CN104185721B - 提升阀工作部的形成方法和工作部由该方法形成的提升阀 - Google Patents
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Abstract
提供一种提升阀工作部的形成方法，能保证工作部和阀坯的晶粒不会粗大，由工作部的表面向内一定深度形成一定的残余压缩应力，取得加工硬化的效果，消除焊接缺陷的影响。提升阀工作部的形成方法为，包括堆焊层形成工序，工作面形成工序，其中，堆焊层形成工序用于在由阀杆1b和形成在其一端的菌部2a构成的阀坯2上，对菌部2a用堆焊的方式形成环形的堆焊层4，工作面形成工序用于在堆焊层4形成具有一定夹角的工作面6，对堆焊层4进行切削加工形成光滑面，对所述光滑面进行塑性加工形成工作面6，塑性加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力。由此，解决了现有技术中的问题，提高了工作部的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及一种提升阀工作部的形成方法和工作部由该方法形成的提升阀，该提升阀的工作部是在提升阀的阀坯的菌部上用堆焊的方式形成。
背景技术
由于提升阀的工作部在工作时，反复地与气缸盖上的阀座产生冲击，为提高其耐用性，包括专利文献1在内的现有技术中，在制造提升阀时，广泛使用在提升阀菌部的表面堆焊耐磨合金的方法形成工作部。
专利文献1：日本专利第2011-101897号公报
但是，该方式存在以下问题。由于利用堆焊材料来强化工作部，这样工作部虽然得到强化，但堆焊时产生了热应力、堆焊材料与阀坯材料之间的热膨胀量的差异等等会在工作部的内部形成残留拉伸应力。该残留拉伸应力与后续的精加工以及发动机运转过程中，工作部受到的拉伸应力的合力作用下，造成工作部的表面产生裂纹。尤其发动机运转过程中，随着阀持续的开闭，在工作部上有交变载荷产生。还有在汽缸内，因为不断重复着进气，压缩，燃烧和排气冲程，在热循环作用下，工作部上还有交变热应力的产生。这种工作环境也使得工作部容易产生裂纹。综上所述，现有技术中尽管在工作部采用堆焊材料，但并不能确保工作部有相应的耐久性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升阀工作部的形成方法和工作部由该方法形成的提升阀，该方法能在防止工作部以及阀坯的晶粒变粗的情况下，由工作部的表面向内一定深度的范围内形成一定的残余压缩应力，取得加工硬化的效果，消除焊接缺陷的影响。
本发明的第一技术方案为一种提升阀工作部的形成方法，包括堆焊层形成工序，工作面形成工序，其中，堆焊层形成工序用于在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，工作面形成工序用于在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，按一定的尺寸对所述菌部的外缘部进行切削加工，并且在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行锻造加工形成所述工作面，所述锻造加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力。本发明的第二技术方案是一种提升阀工作部的形成方法，包括堆焊层形成工序，工作面形成工序，其中，堆焊层形成工序用于在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，工作面形成工序用于在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，
在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行塑性加工形成所述工作面，所述塑性加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力，在堆焊层上由光滑面至堆焊层的内周侧的范围内用与所述光滑面同样的方法形成第二的平整的光滑面，对该第二的光滑面用与工作面同样的方法形成与工作面相连的内扩展面，该内扩展面的夹角大于工作面的夹角。本发明的第三技术方案为一种提升阀，该提升阀是在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，
按一定的尺寸对所述菌部的外缘部进行切削加工，并且在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行锻造加工形成所述工作面，所述锻造加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力。
本发明第四技术方案是一种提升阀，该提升阀是在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行塑性加工形成所述工作面，所述塑性加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力，在堆焊层上由光滑面至堆焊层的内周侧的范围内用与所述光滑面同样的方法形成第二的平整的光滑面，对该第二的光滑面用与工作面同样的方法形成与工作面相连的内扩展面，该内扩展面的夹角大于工作面的夹角。
发明效果
根据第一技术方案可知，由于对阀坯的加工包括，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，按一定的尺寸对所述菌部的外缘部进行切削加工，并且在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行锻造加工形成所述工作面，所述锻造加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力，形成工作面，因此，能够防止阀坯以及工作部处的金属晶粒变粗，在整个工作面向内的一定的深度范围内形成残余压缩应力，产生加工硬化，并修复熔接时产生的缺陷。对堆焊层的特性不会产生不良影响。由于产生的残余压缩应力对精加工过程中以及发动机工作时在精加工面产生的拉伸应力产生抵消作用，提高了抵抗发动机工作时，因反复的交变应力作用而产生疲劳损伤的能力，以及因热冲击造成的裂纹的能力。工作部的加工硬化也有助于提高耐磨性。
根据第二技术方案可知，由于将工作面内周侧的领域加工成第二的平整的光滑面，在第二的光滑面上形成内扩展面，能够减轻作用在工作面的压力，抑制裂纹的产生，因此，对于例如工作面夹角为90°等有比较尖的工作面的提升阀，也能防止因塑性加工而在工作面产生裂纹。
根据第三技术方案可知，由于对提升阀的阀坯的加工包括，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，按一定的尺寸对所述菌部的外缘部进行切削加工，并且在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行锻造加工形成所述工作面，所述锻造加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，既不会与外缘部的材 料发生黏结、产生剥离，又能对光滑面施加均等的压力，形成工作面。因此，能够防止阀坯以及工作部处的金属晶粒变粗，在整个工作面向内的一定的深度范围内形成残余压缩应力，产生加工硬化，并修复熔接时产生的缺陷。对堆焊层的特性不会产生不良影响。由于产生的残余压缩应力对精加工过程中以及发动机工作时在精加工面产生的拉伸应力产生抵消作用，提高了抵抗发动机工作时，因反复的交变应力作用而产生疲劳损伤的能力，以及因热冲击造成的裂纹的能力。工作部的加工硬化也有助于提高耐磨性。
根据第四技术方案可知，由于将工作面内周侧的领域加工成第二的平整的光滑面，在第二的光滑面形成内扩展面，能够减轻作用在工作面的压力，抑制裂纹的产生，因此，对于例如工作面夹角为90°等有比较尖的工作面的提升阀，也能防止因塑性加工而在工作面产生裂纹。
图1为提升阀的制造工序图；
图2为二次锻造时的主要部分放大剖视图(第一实施例)；
图3为二次锻造时的主要部分放大剖视图(第二实施例)；
图4为残余应力分布的比较图(切线方向和半径方向)；
图5为热冲击试验结果比较图；
图6为工作部硬度的比较图。
标号说明
1a 头部
1b 阀杆
2 阀坯
2a 菌部
2b 工作部
3 槽
4 堆焊层
5 平整的光滑面
5a 第二的平整的光滑面
6 工作面
6a 内扩展面
7 精加工面
具体实施方式
以下，根据以上所述的技术内涵，参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。
提升阀的制造方式是利用塑性加工形成阀坯，该阀坯由阀杆和连接在阀杆上、直径比阀杆大的菌部（伞状部）两部分，用堆焊加工的方式在阀坯的菌部上形成工作部，对工作部进行精加工。
本发明的要点在于，在提升阀的所有加工工序中，主要是针对工作部的加工，包括在锥型部堆焊耐磨合金，按设定进行塑性加工。即，本发明的特征在于，在菌部形成堆焊用槽，然后用耐磨合金进行堆焊，对堆焊层进行切削加工在堆焊层表面形成平整的光滑面。之后在再结晶温度以下的常温至温热的温度范围内，对提升阀的工作部均匀加压，形成工作面。
以下对提升阀的制造工序进行具体说明。如图1的制造工序图所示，提升阀的制造工序包括对阀坯2加工的加工工序群，对工作部2b加工的加工工序群。对阀坯2加工的加工工序群中具有（1）镦粗工序，（2）工作部锻造工序；对工作部2b进行加工的加工工序群中具有（3）在菌部形成切槽的切槽工序，（4）堆焊工序，（5）锻造前切削工序，（6）二次锻造工序；（7）最终加工工序中对提升阀进行精加工的多道加工工序。
在第一工序的（1）镦粗工序中，将棒状材料切割成规定的长度，对其一端面进行圆弧倒角加工，另一端进行直线倒角加工。之后利用两个电极间形成的电位差，对棒状材料通电，使棒状材料中，两电极之间 的部位软化。在软化的状态下，在轴向方向上对材料进行加压，使圆弧倒角的一端的直径向变大方向变形，形成头部1a。并进行预热。
在第二工序的（2）工作部锻造工序中，作为一次锻造，对棒状材料进行热锻制成阀坯2。该阀坯2具有对头部1a进行模锻后形成的菌状形的菌部。在该菌部2a的外周面上形成由圆锥面构成的工作部2b。
第三工序的（3）在菌部形成切槽的切槽工序中，在工作部2b上沿着圆周方向切割出槽3，该槽用在工作部2b堆焊时，防止熔化的材料掉落。
第四工序的（4）堆焊工序中，对菌部2a进行预热后，沿着工作部2b上的槽3用钴基或其他耐磨合金进行堆焊，形成堆焊层4。此时，通过冷却菌部2a，能够降低焊接过程中因加热产生的热应力，防止在堆焊的界面处产生开裂。
第五工序的（5）锻造前切削工序中，如图2所示，在锻造时，为使加工面上的压力保持均等，对堆焊层4的表面进行切削加工，加工出平整的光滑面5；为防止加工时与外缘部发生材料黏接和剥离，按一定的直径对菌部2a的外缘部P进行切削加工。
由于光滑面5的堆焊层材料大多使用坚硬并且韧性低的钴基合金，在接下来的工序中，以比较低的温度进行锻造时，如果变形量过大或应力过于集中，则有可能使堆焊层4发生裂纹。而且如果对堆焊后凹凸不平的堆焊层4的表面直接进行锻造，还有可能使压缩应力和加工硬化不均匀，为在二次锻造时加工面上的压力保持均等，对堆焊层4进行切削加工，以形成与模具表面对应的平整的光滑面5。
第六工序的（6）二次锻造中，在对菌部2a预热后，通过对堆焊层4的光滑面5进行锻造加工，形成工作面6。此加工中，温度保持在再结晶温度以下的常温至温热的温度范围内，对光滑面5均匀加压。
在二次锻造中，为了防止堆焊层沿着内周在焊接分界处发生裂纹，加压范围包含堆焊的分界处，为使菌部2a在外缘部P的材料能够发生移动，以防止工作面6产生裂纹，对压力加工的部位进行限制，使菌部2a的外缘部P处于可自由移动状态下进行锻造加工。此外，由于工作面 6在法线方向的加工量与一次锻造时不同，二次锻造所使用的模具与一次锻造所使用的模具不同。
第七工序的（7）最终加工工序中，包含了所须的热处理，对压力加工后的工作面6进行切削加工，在工作部2b上形成与气缸盖侧的阀座紧密吻合的精加工面7。
（内部应力）
提升阀的工作部2b通过以上工序形成，工作部2b由形成在菌部2a外周面上的圆锥面构成，由于在工作部2b上切削加工出槽3，沿槽3进行堆焊形成环状的堆焊层4，对堆焊层4的表面进行切削加工，形成平整的光滑面5，因此在对由阀杆1b和菌部2a的阀坯进行二次锻造时能够对堆焊层4均匀的加压。
由于在二次锻造工序中能够对工作面6形成均等的压力，使整个工作面6保持相同的塑形变形，在工作面6中产生均匀的残余压缩应力。由于工作部2b中的应力为均匀的残余压缩应力，在提升阀工作时，该残余压缩应力与作用于工作部2b的拉伸应力相抵消，提高了提升阀的抗疲劳强度和阻止裂纹发生的能力。
如上所述，由于在二次锻造时，温度控制在再结晶温度以下的常温至温热的温度范围内，并且使加工面上的压力保持均等，防止了阀坯2以及工作部5处的金属晶粒变粗，在整个工作面6向内的一定的深度范围内残留压缩应力。
这样，无论是在精加工工序中对工作面6的切削加工，还是发动机工作时在精加工面7产生的拉伸应力，工作部2b中的残余压缩应力都会与之产生抵消作用，提高了抵抗发动机工作时，因反复的交变应力作用产生疲劳损伤的能力，以及因热冲击发生裂纹的能力。
（材料强度）
一般而言，金属组织的位错，相比于晶界容易发生在晶粒内部，晶界越多越不容易发生位错，晶粒越大晶界就越小，越容易发生位错，导致材料强度的降低。因此，材料的强度，与位错的容易程度有关，位错越容易强度越低。
由于二次锻造是在A1相变点以下的温度区域，即常温或温热的温度范围内进行，因此能够防止因晶粒的粗大而造成的强度降低。尤其是，当阀坯材料是奥氏体材料时，在制造阀门时，通过后续的热处理工序使晶粒细化是困难的，而如果在A1相变点以上的温度进行锻造时，则会发生晶粒粗化，即使进行时效处理，也得不到应有的强度。本发明中，由于在再结晶温度以下的温度范围内进行锻造，能够防止晶粒变得粗大和强度降低，与热锻相比，更加容易在工作部产生加工硬化，提高耐磨性。
具体的锻造温度取堆焊的材料和基材双方的A1相变点温度中低的一方的温度。一般情况下，与基材相比堆焊材料通常使用高温强度优异的材料，因此大多数情况下，基材的A1相变点温度较低。因此，除一些特列外，二次锻造的温度条件设定在比阀坯材料的A1相变点温度低的温度。
例如，基材使用高镍合金（NCF80A），堆焊材料使用钴基耐磨合金（商品名Stellite712）时，因为NCF80A的再结晶温度低，以基材的再结晶温度为基准，决定二次锻造的温度。NCF80A的再结晶温度为1100℃～1000℃，因此只要将二次锻造的温度设定1000℃以下，就能在A1相变点以下的温度范围进行温锻。
（测试结果）
通过对以上方法制造的提升阀的效果进行检验的结果，工作部的残余应力，裂纹，表面的强度等如下。
在应力分布的检验实例中，提升阀的菌部的直径为Φ70mm，工作面夹角为120度，二次锻造的温度T=850±50℃。基材使用以上所述的高镍合金，堆焊材料为钴基耐磨合金。使用的测定方法为X射线残余应力测量方法（管电压40KV，管电流30毫安的，特征X射线Cr·Kα线，准直仪Φ2.0mm，测量模式同倾法）。在菌部上相差180度的两个点上，对深度0、20、50微米的位置，测量切线方向和半径方向上的残余应力，得到的结果如下。
如图4的残留应力分布图（切线方向和半径方向）所示，在表面， 两者具有相同的压缩应力，而在20、50微米的深度上没有进行二次锻造时残留应力是拉伸应力，而有二次锻造时残留应力则是压缩应力。根据该测试结果可以推定，没有二次锻造时，在除表面以及表面以下的浅层部分外，残留应力为拉伸应力，而有二次锻造时，由表面到较深的部分的整个范围内残留应力都为压缩应力。
关于工作部的抗热冲击性，用以下的方法进行检测。提升阀菌部的直径为Φ70mm，工作面夹角为120度，二次锻造的温度T=850±50℃。基材使用高镍合金，堆焊材料为钴基耐磨合金。提升阀分有二次锻造和没有二次锻造两种方法制造，对两种用不同方法制造的提升阀进行热冲击试验，比较其抗热冲击性。在试验中，将保持在试验温度的样本（不同条件各3件）用20±5℃冷水骤冷，对其表面渗透探伤，以确定工作面的损伤。探伤的结果如下。
有二次锻造和没有二次锻造的工作部的抗热冲击性如图5的抗热冲击性比较结果所示，没有二次锻造时裂纹产生的温度为650～700℃，有二次锻造时裂纹产生的温度为800～850℃后，因此可以认定本发明的提升阀在抗热冲击性方面得到改善。
对于工作部内部的缺陷，用以下的方法进行检测。提升阀菌部的直径为Φ110mm，工作面夹角为100度，二次锻造的温度T=850±50℃。基材使用高镍合金，堆焊材料为钴基耐磨合金。以在基材中产生裂纹为条件在基材上堆焊，对有二次锻造和没有二次锻造的两种方法制造的提升阀的金相组织用显微镜进行观察和对比。其结果是没有二次锻造时能明显看到裂纹，而有锻造时在基材和堆焊层范围内没有观察到空洞和裂纹。通过对两者的比较，可以认为发生在基材中的裂纹在二次锻造过程中在压力的作用下裂纹得到修复。
对于加工硬化，用以下的方法进行检测。提升阀的菌部的直径为Φ110mm，工作面夹角为100度，二次锻造的温度T=850±50℃。基材使用高镍合金，堆焊材料为钴基耐磨合金。二次锻造前后分别对表面硬度进行测量。测量的硬度是堆焊层上与加工完成后的表面相当的位置的硬度，测定点在工作面的宽度方向中，中央位置、在其内外两侧的位置 （内周侧和外周测）共三个点。测定的结果如图6的工作面硬度比较图标所示，与二次锻造前相比，二次锻造后在测量值上硬度有35～70HV的提高，因此二次锻造后有加工硬化的产生非常明确的得到确认。
综合以上的检验结果，可得到如下的结论。
1）残余压缩应力
在深度为0μm、20μm、50μm的位置，如果没有二次锻造，在20μm、50μm的位置有拉伸应力形成，而有二次锻造时，在整个深度范围内，无论切线方向和半径方向上都有残余压缩应力。
2）抗热冲击性
通过抗热冲击性试验，确认二次锻造能够起到改善抗热冲击性以及提高抗热应力能力的作用。
3）内部缺陷（空洞、裂纹等）在压力作用下的情况
对于因堆焊造成基材内部组织有裂纹的提升阀，用显微镜对金属组织的分析确认了二次锻造对内部缺陷有修复所用。测试样品为提升阀菌部的直径约110毫米，工作面夹角为100°，基材为高镍合金（NCF80A），在基材上堆焊的材料为钴基耐磨合金（商品名Stellite712）。
4）加工硬化
在工作部的内周侧位置、中间位置、外周侧位置，在二次锻造后硬度上有（35～70HV）的提高，加工硬化得到确认。
因此，对于提升阀的工作部所实施的二次锻造工序，由以上的检测结果也可知道，在消除焊接缺陷，在压缩方向上产生残余应力（残余压缩应力）、形成加工硬化方面都有效果。因此，能够有效的发挥工作部上堆焊材料的特性，提高抗裂纹性，抗磨性，确保其耐久性。
（其他例子）
接下来，根据图3所示的二次锻造时的主要部分放大剖视图（第二实施例），对提升阀的工作面6的夹角较小时的二次锻造加工进行说明。在之前说所的一系列加工工序中，第五工序的（5）锻造前切削工序，除了在堆焊层4加工光滑面5之外，对其内周侧的堆焊层4进行切削加工（加工范围为由光滑面5的内周侧直至堆焊层与基材交界的堆焊层交 界处），形成第二的平整的光滑面5a，
对于第二的光滑面5a，与堆焊层4的工作面6同样进行二次锻造加工，形成内扩展面6a。该内扩展面6a与工作面6相连由工作面6的内周侧向内扩展。该内扩展面6a的夹角β比工作面6的夹角α大。夹角α按照提升阀加工完成后的工作面夹角设置，通常的提升阀，α在30°α<180°内设定，β按照α<β180°设定。
通过以上工序，在堆焊层4形成工作面6的同时，在其内周侧形成与之相连但夹角不同的内扩展面6a，因此，能够减轻作用于工作面6上的压力，防止和减少在工作部2b产生裂纹。
例如，在对菌部为Φ100，工作面夹角为90°的比较尖的提升阀进行二次锻造时，模具的夹角α设定为90°，夹角β设定为140°，用这种结构的模具能够很好地进行二次锻造加工，因此，能够在提升阀的工作部2b，由工作面向内一定的深度形成残余压缩应力，得到加工硬化。这样，发动机工作时，反复的交变应力所造成的疲劳损伤和热冲击作用所造成的工作面裂纹能够得到抑制和防止，同时工作部的加工硬化也有助于提高耐磨性。
Claims (4)
1.一种提升阀工作部的形成方法，包括堆焊层形成工序，工作面形成工序，其中，堆焊层形成工序用于在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，工作面形成工序用于在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，按一定的尺寸对所述菌部的外缘部进行切削加工，并且在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行锻造加工形成所述工作面，所述锻造加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力。
2.一种提升阀工作部的形成方法，包括堆焊层形成工序，工作面形成工序，其中，堆焊层形成工序用于在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，工作面形成工序用于在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行塑性加工形成所述工作面，所述塑性加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力，在堆焊层上由光滑面至堆焊层的内周侧的范围内用与所述光滑面同样的方法形成第二的平整的光滑面，对该第二的光滑面用与工作面同样的方法形成与工作面相连的内扩展面，该内扩展面的夹角大于工作面的夹角。
3.一种提升阀，该提升阀是在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，按一定的尺寸对所述菌部的外缘部进行切削加工，并且在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行锻造加工形成所述工作面，所述锻造加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力。
4.一种提升阀，该提升阀是在由阀杆和形成在其一端的菌部构成的阀坯上，对菌部用堆焊的方式形成环形的堆焊层，在堆焊层形成具有一定夹角的工作面，其特征在于，在堆焊层，对其表面进行切削加工形成平整的光滑面，对所述光滑面进行塑性加工形成所述工作面，所述塑性加工是在低于再结晶温度的常温至温热温度范围内，对光滑面施加均等的压力，在堆焊层上由光滑面至堆焊层的内周侧的范围内用与所述光滑面同样的方法形成第二的平整的光滑面，对该第二的光滑面用与工作面同样的方法形成与工作面相连的内扩展面，该内扩展面的夹角大于工作面的夹角。
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