CN104801938A - 一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机发动机气门的成形加工方法，特别涉及一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺。本发明的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺利用钢管料作为初始毛坯，先通过楔横轧轧制成形得到预成形毛坯，再采用锻造工序成形出盘部和杆部中空的气门壳体，然后采用摩擦焊对气门盘部和杆部进行焊接封堵，工艺简单，提高生产效率；同时避免了实心棒料加工中空气门时钻孔对材料的浪费，提高了材料的利用率，降低生产成本。采用本发明所述的成形工艺制得的中空充钠气门，气门内腔空间更大，充钠量更多，散热性能更好。

Description

一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺

技术领域

本发明属于内燃机发动机气门的成形加工方法，特别是涉及一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺。

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。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，接着对气门内孔进行清洗和烘干，充入金属钠，最后采用氩气保护气体等离子焊进行封口，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，在国内难以推广。申请号为201080059772.2的发明专利公开了中空发动机气门的制造方法，该方法是以使半完成品的中空轴部的外径尺寸及内径尺寸阶段性地缩小并使该中空轴部的长度阶段性地延伸的方式，将该中空轴部依次插入孔形状不同的多个成形孔中而依次进行所述半完成品的拉深加工，从而将中空轴部成形为规定形状，在该中空发动机气门的制造方法中，对半完成品施加热处理而使其成为规定硬度以下，通过调整成内径的拉伸模的成形孔使中空轴部的开口缘部向其内侧增加壁厚而成形轴端密封部，并将该轴端密封部的间隙接合。这些方法加工工序繁杂，生产效率低。申请号为201120224645.5的实用新型专利公开了一种新型中空充钠气门的钻孔方法，该方法是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，这种方法生产出来的中空充钠气门盘端无内腔，气门重量大而充钠量小。

为了提高气门充钠量、降低气门重量，申请号为201410249979.6的发明专利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，通过锻造工序将毛坯一次锻造成形出实心气门毛坯，接着采用车削设备在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。虽然该方法增加了气门充钠量、降低了气门的重量，但是该工序材料利用率低，工序多，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现有技术的缺点与不足，提供一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，通过楔横轧工艺对钢管料进行轧制的方法形成气门的预成形毛坯，不需要通过打孔实现气门的挖空，从而避免材料浪费，并有效提高生产效率和材料利用率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，包括以下步骤：

步骤1：楔横轧预成形，将钢管料加热到轧制温度后进行楔横轧轧制成形，获得气门的预成形毛坯；所述预成形毛坯由钢管料外径变化并沿轴向伸长形成的，其外径较大的一端为头部，外径较小的一端为杆部，且其头部与杆部的连接段为其颈部；所述轧制温度为1000℃～1200℃。

步骤2：锻造成形并回火，通过模锻成形工艺将预成形毛坯锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体，锻造后进行消除应力回火；

步骤3：加工得到一气门盘端面堵头和一实心棒料，并对实心棒料进行热处理；

步骤4：盘部加工与封堵，对气门壳体的盘部进行粗车加工后采用摩擦焊将气门盘端面堵头摩擦焊于气门壳体的盘部开口处，以封堵气门壳体盘端部；

步骤5：对气门壳体的内腔进行精加工、清洗并烘干，然后充入金属钠，并通过所述实心棒料封堵气门壳体中空杆部；

步骤6：对整个气门进行回火处理，回火后进行机加工；

步骤7：在气门壳体的盘锥面堆焊镍基高温合金后对整个气门进行精加工；

步骤8：表面处理，对气门杆部表面进行镀铬或氮化处理得到镀铬层或氮化层，即可得到中空充钠气门成品。

本发明中，所述步骤3中，所述气门盘端面堵头与气门壳体的盘部焊接的一端外围壁面被加工形成锥面，且该锥面与其轴线之间的夹角为7°，所述气门盘端面堵头厚度为8～10mm；所述实心棒料横截面直径与所述气门壳体的杆部横截面外径相同。

进一步地，所述气门盘端面堵头较小的端面直径d与气门壳体的盘部内腔最大直径D的关系为：(D-1)mm＜d＜(D-0.5)mm。

本发明中，所述步骤1中，所述预成形毛坯采用管坯通过一道次楔横轧或多道次楔横轧轧制成形。

本发明中，所述步骤2中，所述预成形毛坯经一次锻造成形一盘部和杆部中空的气门壳体，或者经连续两次锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体；其中，第一次锻造形成中间毛坯，第二次将中间毛坯锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体。

作为本发明的进一步改进，所述步骤8中，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，镀铬层厚度为3～7μm，氮化层厚度为10～30μm。

相比于现有技术，本发明的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺利用钢管料进行轧制成形得到中空气门的预成形毛坯，并采用锻造工序成形出盘部和杆部中空的气门壳体，采用摩擦焊对气门盘部和杆部进行焊接封堵，工艺简单，提高生产效率；同时避免了实心棒料加工中空气门时钻孔对材料的浪费，提高了材料的利用率，降低生产成本。采用本发明所述的成形工艺制得的中空充钠气门，气门内腔空间更大，充钠量更多，散热性能更好。

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是本发明的方法步骤的流程简图；

图2是本发明的钢管料的结构示意图；

图3是本发明的预成形毛坯的结构示意图；

图4、图5是本发明的预成形毛坯锻造形成气门壳体过程的示意图；

图6是本发明的气门壳体的结构示意图；

图7是本发明的气门盘端面堵头的结构示意图；

图8是本发明的实心棒料的结构示意图；

图9是本发明的气门壳体盘端面封堵后的结构示意图；

图10是本发明的气门壳体杆端面封堵后的结构示意图；

图11是采用本发明所述的成形工艺制成的中空充钠气门的结构示意图。

具体实施方式

请同时参阅图1～10，本发明一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺包括以下步骤：

步骤1：楔横轧预成形；具体地，将如图2所示钢管料16加热到轧制温度后进行楔横轧轧制成形，获得如图3所示的气门的预成形毛坯17。所述预成形毛坯17可以通过一道次楔横轧或多道次楔横轧轧制成形。所述预成形毛坯17由钢管料外径变化并沿轴向伸长形成的，其外径较大的一端为头部，外径较小的一端为杆部，且其头部与杆部的连接段为其颈部；所述轧制温度为1000℃～1200℃。

步骤2：锻造成形并回火；通过模锻成形工艺将预成形毛坯17锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体11，锻造后进行消除应力回火；具体地，如图4、图5所示，在材料始锻温度以下终锻温度以上的高温状态下，将预成形毛坯17迅速放入模锻设备的下模22中，上模21向下锻压，从而成形出气门壳体11，其中空盘部外形与下模22内腔一致，中空盘部内表面形状与上模21外形一致。本实施例中，所述预成形毛坯17经一次锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体11。所述预成形毛坯17也可以经连续两次锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体11；其中，第一次锻造形成中间毛坯，第二次将中间毛坯锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体11。

步骤3：加工得到一气门盘端面堵头15和一实心棒料12a，并对实心棒料12a进行热处理；具体地，所述气门盘端面堵头15用于封堵所述气门壳体11的盘端部；所述气门盘端面堵头15与气门壳体11的盘部焊接的一端外围壁面被加工形成锥面，且该锥面与其轴线之间的夹角为7°，所述气门盘端面堵头15厚度为8～10mm。所述气门盘端面堵头15较小的端面直径d与气门壳体的盘部内腔最大直径D的关系为：(D-1)mm＜d＜(D-0.5)mm。所述实心棒料8横截面直径与所述气门壳体的杆部横截面外径相同。所述气门盘端面堵头15的材料与气门预成形毛坯17材料相同，所述实心棒料8的材料可与气门预成形毛坯17材料相同，也可以是不同的气门钢材料。

步骤4：盘部加工与封堵；如图9所示，对气门壳体11的盘部进行粗车加工后采用摩擦焊将气门盘端面堵头15摩擦焊于气门壳体11的盘部开口处，以封堵气门壳体11盘端部。

步骤5：对气门壳体的内腔进行精加工、清洗并烘干，然后充入金属钠13，并将所述实心棒料8一端通过摩擦焊工艺焊接于气门壳体11中空杆部一端，以封堵气门壳体11中空杆部，如图10所示。所述实心棒料8的长度，根据气门在气缸中的装配情况决定；在气门总长度一定的前提下，应保证实心棒料8与气门壳体11中空杆部一端的摩擦焊焊口在气门导管中约1/2行程位置处。

步骤6：对整个气门进行回火处理，回火后进行机加工。

步骤7：在气门壳体的盘锥面堆焊镍基高温合金后对整个气门进行精加工。

步骤8：表面处理，对气门杆部表面进行镀铬或氮化处理得到镀铬层或氮化层，即可得到中空充钠气门成品。

请参阅图11，其为采用本发明所述的成形工艺制成的中空充钠气门的结构示意图。该中空充钠气门10包括气门壳体11、实心杆部12和盘端面堵头15，所述气门壳体11包括气门中空杆部11a和气门中空盘部11b，且二者在锻造过程中为一体成形；所述气门壳体11内充有金属钠13，气门中空盘部11开口处采用摩擦焊焊接有一盘端面堵头15，以封堵气门中空盘部11b端面。气门中空杆部11a采用摩擦焊与实心杆部12焊接，以封堵气门中空杆部11a端面，气门中空盘部11b表面堆焊有镍基高温合金，气门中空杆部12和实心杆部12表面进行镀铬或者氮化，形成一镀铬层或氧化层。根据发动机使用要求，镀铬层厚度为3～7μm，氮化层厚度为10～30μm。

相对于现有技术，本发明的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺利用钢管料16作为初始毛坯，并采用锻造工序成形出盘部和杆部中空的气门壳体11，采用摩擦焊对气门盘部和杆部进行焊接封堵，工艺简单，合格率高，大大提高生产效率；同时避免了实心棒料加工中空气门时钻孔对材料的浪费，提高了材料的利用率，降低生产成本。采用本发明所述的成形工艺制得的中空充钠气门，气门内腔空间更大，充钠量更多，散热性能更好。

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 (8)

1.一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：楔横轧预成形，将钢管料加热到轧制温度后进行楔横轧轧制成形，获得气门的预成形毛坯；

步骤2：锻造成形并回火，通过模锻成形工艺将预成形毛坯锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体，锻造后进行消除应力回火；

步骤3：加工得到一气门盘端面堵头和一实心棒料，并对实心棒料进行热处理；

步骤4：盘部加工与封堵，对气门壳体的盘部进行粗车加工后采用摩擦焊将气门盘端面堵头摩擦焊于气门壳体的盘部开口处，以封堵气门壳体盘端部；

步骤5：对气门壳体的内腔进行精加工、清洗并烘干，然后充入金属钠，并将步骤3所述实心棒料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6：对整个气门进行回火处理，回火后进行机加工；

步骤7：在气门壳体的盘锥面堆焊镍基高温合金后对整个气门进行精加工；

步骤8：表面处理，对气门杆部表面进行镀铬或氮化处理得到镀铬层或氮化层，即可得到中空充钠气门成品。

2.根据权利要求1所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：所述步骤3中，所述气门盘端面堵头与气门壳体的盘部焊接的一端外围壁面被加工形成锥面，且该锥面与其轴线之间的夹角为7°，所述气门盘端面堵头厚度为8～10mm；所述实心棒料横截面直径与所述气门壳体的杆部横截面外径相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：所述气门盘端面堵头较小的端面直径d与气门壳体的盘部内腔最大直径D的关系为：(D-1)mm＜d＜(D-0.5)mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：所述步骤1中，所述预成形毛坯采用管坯通过一道次楔横轧轧制成形。

5.根据权利要求1所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：所述步骤1中，所述预成形毛坯采用管坯通过多道次楔横轧轧制成形。

6.根据权利要求1所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：所述步骤2中，所述预成形毛坯经一次锻造成形得到一盘部和杆部中空的气门壳体。

7.根据权利要求1所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：所述步骤2中，所述预成形毛坯经连续两次锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体；第一次锻造形成中间毛坯，第二次将中间毛坯锻造形成一盘部和杆部中空的气门壳体。

8.根据权利要求1所述的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门的成形工艺，其特征在于：

所述步骤8中，镀铬层厚度为3～7μm，氮化层厚度为10～30μm。