CN104791040B - 一种中空充钠气门 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型中空充钠气门，包括气门壳体和实心杆部；所述气门壳体是由钢管料经过楔横轧预成形后对预成形毛坯头部进行摩擦焊封堵，再通过模锻成形工艺一体成形的，其包括一体成形的喇叭形中空盘部和中空杆部；所述中空杆部一端与所述实心杆部采用摩擦焊焊接，且所述实心杆部横截面直径与所述中空杆部横截面外径相同；所述中空盘部的盘端面密闭，并与所述中空杆部和实心杆部形成一内腔；该内腔内充有金属钠。本发明的一种新型中空充钠气门便于成形、节约材料且散热性能良好。
Description
技术领域
本发明属于内燃机发动机气门，尤其涉及一种新型中空充钠气门。
背景技术
气门是在内燃机工作过程中密封燃烧室和控制内燃机气体交换的精密零件，是保证内燃机动力性能、可靠性和耐久性的关键部件。进气门主要承受反复冲击的机械负荷，其工作温度在300～400℃，而排气门除承受冲击的机械负荷外，还受到高温氧化性气体的腐蚀以及热应力、锥面热箍应力和燃烧时气体压力等的共同作用，排气门的工作温度达600～800℃，而排气门整体为奥氏体耐热钢，或盘部为奥氏体耐热钢，杆部为马氏体耐热钢。随着内燃机向高速高负荷方向发展，排气门的工作温度将达到850～900℃，这使得原有实心气门即使经过热处理强化，其性能也很难满足使用要求。
随着各国对汽车排放要求越来越高，各汽车公司对发动机的要求也相应提高，而这在发动机气门产品上所表现出来的是：气门的轻量化和气门工作温度的增高。对此，近来年一种新型的中空充钠气门应运而生，与传统实心气门相比，这种气门不仅质量轻而且散热性好；因此，引起各国科技人员的关注并对于中空充钠气门的制作提出了许多技术方案，如：申请号为200910231600.8的发明专利公开了一种中空充钠气门及其制作方法，该方法采用将一个圆柱形的坯料加热，通过带有钢芯的模具对坯料进行一次挤压以得到气门的初成形毛坯，然后再进行精密锻压以得到气门的头部形状，锻造结束后拔出芯棒获得气门内腔，包括气门盘部与杆部，这种制作方法获得的气门内腔形状尺寸受到钢芯和气门形状尺寸的限制，内腔空间有限，此外该方法在挤压过程中挤压力大，模具磨损严重，模具寿命短，生产成本高。申请号为201120224645.5的发明专利公开了一种新型中空充钠气门的钻孔方式为从气门杆端面开始钻孔，钻孔后充入金属钠并采用堵头将内孔从气门杆端面封闭，该中空充钠气门盘端无内腔，气门重量较大且充钠量小。
为了解决上述问题，申请号为201410249979.6的发明专利《盘端密闭中空充钠气门的制作方法》公开了一种盘端密闭中空充钠气门的制作方法，该方法是将一根细长的棒料通过电镦形成一个棒料一端为“蒜头”形状的预成形毛坯，通过锻造工序将预成形毛坯一次锻造成形出实心气门毛坯，接着采用车削设备在实心气门毛坯盘端低窝加工出三个台阶，再钻孔后充钠并采用盘端面密闭盖将内孔封闭。虽然该气门内腔有所增大，但该工序材料利用率低，工序多，容易产生应力集中，且采用电镦工艺成形气门预成形毛坯其成形过程属于自由变形，温度、质量难以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种节约材料、便于成形且散热性能良好的新型中空充钠气门。
一种新型中空充钠气门，包括气门壳体和实心杆部；所述气门壳体是由钢管料经过楔横轧预成形后对预成形毛坯头部进行摩擦焊封堵，再通过模锻成形工艺一体成形的，其包括一体成形的喇叭形中空盘部和中空杆部；所述中空杆部一端与所述实心杆部采用摩擦焊焊接，以封堵中空杆部，且所述实心杆部横截面直径与所述中空杆部横截面外径相同；所述中空盘部的盘端面密闭，并与所述中空杆部和实心杆部形成一内腔；该内腔内充有金属钠。
进一步地，所述实心杆部与所述中空杆部通过摩擦焊焊接。
进一步地，根据发动机的使用要求对中空充钠气门通过镀铬或者氮化进行表面强化处理，所述气门壳体和所述实心杆部的外表面均设有镀铬层或氮化层，若采用镀铬处理，则镀铬层厚度为3～7μm；若采用氮化处理，则氮化层厚度为10～30μm。
相比于现有技术，本发明的一种新型中空充钠气门结构简单、便于成形；所述气门壳体由钢管料经过楔横轧预成形后对预成形毛坯头部封堵后，再通过模锻成形工艺一体成形的，其中空盘部与中空杆部皆为空心结构，不仅有效增加了气门的充钠量，提高气门的降温效果，而且减轻了气门的整体重量，实现气门轻量化。此外，本发明直接采用钢管料替代实心棒料进行加工，且在模锻成形之前先封堵预成形毛坯头部，不仅成形工艺简单，提高了生产效率，还避免了现有技术中的钻孔工序对材料的浪费，降低了生产成本。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明所述的新型中空充钠气门的结构示意图；
图2是本发明的钢管料的截面示意图；
图3是本发明的预成形毛坯的截面示意图；
图4是本发明的预成形毛坯堵头的截面示意图；
图5是本发明的实心棒料的截面示意图；
图6是本发明的预成形毛坯头部封堵后的截面示意图；
图7是本发明的预成形气门壳体的截面示意图；
图8、图9是本发明的预成形气门壳体锻造形成气门壳体过程的示意图；
图10是本发明的气门壳体的截面示意图；
图11是本发明的气门壳体杆端面封堵后的截面示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其为本发明所述的新型中空充钠气门的结构示意图。
本发明的一种新型中空充钠气门10包括气门壳体11和实心杆部12；所述气门壳体11 是由钢管料经过楔横轧预成形后对预成形毛坯头部进行摩擦焊封堵，再通过模锻成形工艺一体成形的，其包括一体成形的喇叭形中空盘部11a和中空杆部11b；所述中空杆部11b一端与所述实心杆部12焊接，且所述实心杆部12横截面直径与所述中空杆部11b横截面外径相同；所述中空盘部11a的盘端面密闭，并与所述中空杆部11b和实心杆部12形成一内腔；该内腔充有金属钠13。
进一步地，根据发动机的使用要求对中空充钠气门通过镀铬或者氮化进行表面强化处理，所述气门壳体11和所述实心杆部12的外表面均设有镀铬层或氮化层，若采用镀铬处理，则镀铬层厚度为3～7μm；若采用氮化处理，则氮化层厚度为10～30μm。
请同时参阅图2～11，本发明的一种新型中空充钠气门10通过以下步骤加工制成：
步骤1：楔横轧预成形；具体地，将钢管料14加热到轧制温度后进行楔横轧轧制成形，得到气门的预成形毛坯15；所述预成形毛坯15由钢管料14外径变化并沿轴向伸长形成的，其外径较大的一端为头部15a，外径较小的一端为杆部15b，且其头部与杆部的连接段为其颈部15c；所述预成形毛坯通过一道次或多道次楔横轧轧制成形；所述轧制温度为1000℃～1200℃。
步骤2：加工得到一预成形毛坯堵头16和一实心棒料12a，并对实心棒料12a进行热处理；具体地，所述预成形毛坯堵头16为一圆柱体，且其横截面直径与预成形毛坯头部15a横截面外径相同；其厚度为预成形毛坯杆部15b壁厚的5～7倍。所述实心棒料12a横截面直径与预成形毛坯杆部15b横截面外径相同。所述预成形毛坯堵头16的材料与所述预成形毛坯 15相同，而所述实心棒料12a的材料可以与所述预成形毛坯15相同，也可以是不同的气门钢材料。
步骤3：预成形毛坯头部加工与封堵；具体地，对预成形毛坯头部15a进行加工后利用摩擦焊工艺将所述预成形毛坯堵头16焊于预成形毛坯头部15a一端，以封堵预成形毛坯头部 15a。
步骤4：采用车削设备对预成形毛坯头部封堵后的焊接部位进行加工，切除焊接飞边；经过加工，得到气门毛坯17。
步骤5：锻造成形并回火，将步骤4得到的气门毛坯17加热到锻造温度，通过模锻成形工艺将气门毛坯17一次锻造成形，形成一盘部和杆部中空且盘端面封闭的气门壳体11，并对气门壳体11进行消除应力回火。具体地，如图8、图9所示，在材料始锻温度以下终锻温度以上的高温状态下，将气门毛坯17迅速放入模锻设备的下模21中，上模22向下锻压，从而成形出气门壳体11，其外形与下模21内腔一致。所述气门壳体11包括一体成形的气门中空盘部11a和气门中空杆部11b。本实施例中，上模22底平面不设有凸台。进一步地，模锻设备的上模底平面也可以设有凸台，凸台高度视气门成形尺寸要求而定，本领域技术人员可根据现有技术作出相应的模具调整，此处不做赘述。
步骤6：对气门壳体11的内腔进行精加工、清洗并烘干，然后充入金属钠13，并将所述实心棒料12a一端焊接于气门壳体中空杆部一端，以封堵气门壳体中空杆部；
步骤7：对整个气门进行回火处理后进行机加工，然后在气门盘部外表面堆焊镍基高温合金；
步骤8：按气门设计标准对整个气门进行精加工，再对气门进行表面处理，得到中空充钠气门成品。具体地，经过精加工，所述实心棒料12a按气门设计标准被加工成为实心杆部 12，并对气门外表面进行镀铬或氮化处理，其中，若采用镀铬处理，则镀铬层厚度为3～7μm；若采用氮化处理，则氮化层厚度为10～30μm。经过上述精加工与表面处理步骤，即可得到本发明所述的新型中空充钠气门。
相比于现有技术，本发明的一种新型中空充钠气门结构简单、便于成形；所述气门壳体 11由钢管料14经过楔横轧预成形后对预成形毛坯头部15a进行封堵后，再通过模锻成形工艺一体成形的，其中空盘部11a与中空杆部11b皆为空心结构，不仅有效增加了气门的充钠量，提高气门的降温效果，而且减轻了气门的整体重量，实现了气门轻量化。本发明由于在模锻成形之前先封堵预成形毛坯头部15a，不仅成形工艺简单、封堵难度降低，焊接性能提高，而且加工时间短，提高了生产效率。此外，本发明直接采用钢管料替代实心棒料进行加工，避免了现有技术中的钻孔工序对材料的浪费，降低了生产成本。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (5)
1.一种中空充钠气门，其特征在于：包括气门壳体和实心杆部；所述气门壳体是由钢管料经过楔横轧轧制成形得到的预成形毛坯，然后对预成形毛坯头部进行摩擦焊封堵，再通过模锻成形工艺一体成形的，其包括一体成形的喇叭形中空盘部和中空杆部；所述中空杆部一端与所述实心杆部采用摩擦焊焊接，且所述实心杆部横截面直径与所述中空杆部横截面外径相同；所述中空盘部的盘端面密闭，并与所述中空杆部和实心杆部形成一内腔；该内腔内充有金属钠。
2.根据权利要求1所述的中空充钠气门，其特征在于：所述气门壳体和所述实心杆部的外表面均设有镀铬层。
3.根据权利要求2所述的中空充钠气门，其特征在于：所述镀铬层厚度为3～7μm。
4.根据权利要求1所述的中空充钠气门，其特征在于：所述气门壳体和所述实心杆部的外表面均设有氮化层。
5.根据权利要求4所述的中空充钠气门，其特征在于：所述氮化层厚度为10～30μm。
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