CN104924028B - 一种应用芯棒的汽车发动机空心气门坯料精确成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属塑性成形技术领域，特别提供了一种楔横轧成形发动机空心气门毛坯的方法，针对空心气门采用楔横轧的方法对称加工空心坯料，加工后的空心坯料形成一锥形台及一个球形台，然后模锻加工成形空心气门盘部，本发明与传统的实心气门钻孔和反挤压工艺相比，使用楔横轧技术生产汽车发动机空心气门毛坯具有如下优点:生产效率高，单机每分钟可制坯6‑12件；提高了材料利用率；空心气门内部整体流线分布合理，组织细密；毛坯各部分均参与变形，可得到细化且均匀的晶粒组织，有利于提高气门整体力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性成形技术领域，特别提供了一种楔横轧成形发动机空心气门毛坯的方法，适用于楔横轧带芯棒轧制小直径（通常认为d<20mm）空心轴类毛坯的生产。
背景技术
气门是发动机配气机构的一个关键零件，气门的开启和关闭使可燃气体进入气缸并排出燃烧后的废气。空心气门实现了轻量化，且由于其空心部位封闭了一定体积的金属钠的作用有效的提高了导热性能。发动机工作过程中气门盘部与气门座之间频繁撞击，并受到高温高压燃气的冲蚀，尤其是对气门颈部施加了很大负载，因此气门不仅要具有较高的机械性能，且要求其内部金属流线方向与外形一致，金相组织细密，具有一定的疲劳强度。
国内常用的空心气门生产方法有实心气门钻孔法，该种方法只能获得杆部空心而盘部仍为实心的空心气门，且生产率低，材料利用率低，尤其是对于由不同形状尺寸回转体组成的空心气门，造成材料浪费。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种楔横轧精密制坯的方法，实现空心气门毛坯的楔横轧成形。
实现本发明的技术方案是：一种应用芯棒的汽车发动机空心气门坯料精确成形方法，针对空心气门采用楔横轧的办法对称加工空心坯料，加工后的空心坯料形成一锥形台及一个球形台，然后模锻加工成形空心气门盘部。
进一步地，所述精确成形方法具体包括以下步骤：
A）制造楔横轧模具和模锻模具；
B）将空芯坯料加热至轧制温度，所述空心坯料为钢管料；
C）将所述钢管料穿入芯棒，通过所述楔横轧模具对钢管料进行轧制，实现钢管料产生外径变化并沿其轴向伸长形成一左右对称的空心气门坯料；所述空心气门坯料左右对称的对称线与其轴线垂直，且所述空心气门坯料的中部为杆部，其两端为盘部，且其杆部与盘部之间的连接段为其颈部；
D）沿所述空心气门坯料的对称线分割所述空心气门坯料，形成结构相同的第一空心气门预制坯和第二空心气门预制坯；每个空心气门预制坯由连续且依次连接的杆部、颈部和盘部组成；
E）利用轧制预热，通过所述模锻模具对所述第一空心气门预制坯或第二空心气门预制坯进行锻造，完成第一空心气门预制坯的盘部或第二空心气门预制坯的盘部成形为空心气门盘部，实现空心气门的制成。
进一步地，所述芯棒小于空心坯料的内径，所述芯棒尺寸与空心坯料的相对壁厚的关系D1 =13*Q，所述Q为空心坯料原始壁厚与空心坯料原始外径之比；所述芯棒尺寸与空心坯料轧制时的相对下压率的关系D1 =(2.1—2.3)*h，所述h为空心坯料轧制前后外径之比；所述芯棒尺寸与轧制后的内径尺寸的关系D1 =(0.7—0.9)*d1，所述d1为轧制后空心坯料的内径；同时所述芯棒的尺寸最大不能超过多少25mm，最小不能低于多少2mm。
进一步地，所述空心坯料的相对壁厚Q满足0.25≤Q≤0.30之间，相对压下率h满足1.7≤h≤1.9之间。
进一步地，所述楔横轧模具成形角在＝35°-38°，展宽角为＝4°-6°，模具脱空0.1-0.3mm。
进一步地，所述轧制的空心坯料包括：40Cr，4Cr9Si2。
进一步地，所述轧制温度为1000℃-1200℃。
所述模锻模具包括分离设置的模具主体和冲击下压部件；所述模具主体中设有上下设置并连续连通且轴线共线的冲击内腔、空心气门盘部成形内腔、空心气门颈部成形内腔及空心气门杆部放置内腔；所述空心气门盘部成形内腔由上下设置且连续的盘外圆成形腔、盘锥面成形腔及盘部凹面成形腔组成，所述盘外圆成形腔用于形成空心气门盘部的盘外圆，所述盘锥面成形腔用于形成空心气门盘部的盘锥面，所述盘部凹面成形腔用于形成空心气门盘部的弧形凹面；所述空心气门颈部成形内腔的轮廓与所述空心气门坯料的颈部的外轮廓一致；所述空心气门杆部放置内腔的轮廓与所述空心气门坯料的杆部的外轮廓一致；
所述冲击下压部件的顶端端面为一用于承载外部冲压力的冲压承载平面，其底端端面的中部设有一可伸入空心气门预制坯的内腔中并将冲压力作用于空心气门预制坯盘部的锻造件；所述锻造件的外围面由上下设置、轴线共线且连续的圆台侧面、弧形凹面及圆柱面组合形成。
所述步骤3中，所述空心气门坯料的颈部的外围面由连续的圆台侧面与弧形凹面相互连接形成。
每个空心气门预制坯的颈部的弧形凹面的半径R1与所述模锻成形模具中盘部凹面成形腔腔面的半径R0之间的关系满足R1=1.05×R0；制成的空心气门的盘部的弧形凹面的半径R2与所述模锻成形模具中盘部凹面成形腔腔面的半径R0之间的关系满足R2=R0。
所述楔横轧模具包括楔入部分、展宽部分和精整部分；所述楔横轧模具的成形角为35°~38°，其楔入部分的展宽角为4°~6°，其展宽部分的展宽角为3°~5°。
所述步骤3中，所述楔横轧模具在脱空情况下对所述加热至轧制温度的气阀金属管料进行轧制。
所述步骤5中，利用所述第一空心气门预制坯或第二空心气门预制坯的轧制余热实现锻造，或者，在锻造前，对所述第一空心气门预制坯或第二空心气门预制坯进行加热。
所述步骤1中，根据需要制得的空心气门的规格制造与其相应的楔横轧模具和模锻成形模具。
所述步骤2中，通过加热炉实现气阀金属管料的加热；且所述气阀金属管料为钢管料；
所述步骤3中，通过将所述楔横轧模具安装于楔横轧机，及通过推料装置将所述加热至轧制温度的钢管空心坯料推送至所述楔横轧机中，实现所述楔横轧模具对所述加热至轧制温度的钢管空心坯料的轧制。
本发明与传统的实心气门钻孔和反挤压工艺相比，使用楔横轧技术生产汽车发动机空心气门毛坯具有如下优点:
1）生产效率高，单机每分钟可制坯6-12件；
2）采用楔横轧精密制坯，获得的零件形状和尺寸一致性好，避免了后续粗加工获得杆部回转面，提高了材料利用率；
3）空心气门楔横轧成形方法获得的杆部及盘部空心的空心气门内部整体流线分布合理，组织细密，满足性能要求；
4）毛坯各部分均参与变形，可得到细化且均匀的晶粒组织，有利于提高气门整体力学性能。
附图说明
图1为楔横轧模具展开图和精整段侧视图，图中具体描述本发明空心件带芯棒轧制过程；
图2为空心坯料所用芯棒视图；
图3为空心气门坯料示意图；
图4为空心气门毛坯楔横轧轧制前装备关系示意图；
图5为空心气门不用芯棒楔横轧后坯料示意图；
图6为空心气门带芯棒引导的楔横轧后坯料示意图；
图7为本发明楔横轧机整体结构示意图；
图8为本发明楔横轧机局部结构示意图；
图9为本发明中模锻压力机结构示意图；
图10为本发明中空心气门毛坯的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图所示，本发明提供的一种应用芯棒的汽车发动机空心气门坯料精确成形组件，所述成形组件包括一轧制空心气门坯料的楔横轧机及一对轧制后的空心气门坯料进行锻造的模锻压力机；
所述楔横轧机包括上辊1、下辊2，所述空心气门坯料3置于所述上辊1及下辊2之间，所述空心气门坯料3内设有一圆形芯棒5，所述空心气门坯料3两侧设有固定空心气门坯料3的导板4。
所述芯棒5横截面的直径小于所述空心气门坯料3的内径；所述芯棒5的横截面直径D1 为(0.7—0.9)*d1，所述d1为轧制后空心气门坯料3的内径；同时所述芯棒5的尺寸最大不超过多少25mm，最小不低于多少2mm；所述芯棒5的横截面直径与空心气门坯料3的相对壁厚的关系为：D1 =13*Q，所述Q为空心气门坯料3原始壁厚与空心气门坯料3原始外径之比。
所述空心气门坯料3左右对称的对称线与其轴线垂直，且所述空心气门坯料的中部为杆部，其两端为盘部，且其杆部与盘部之间的连接段为其颈部。
所述锻造压力机包括一凸模6及一与凸模6相配合的凹模7，所述凸模6设有一伸入空心气门坯料3内孔的凸端61及成形凹面62，所述凸端61延伸于所述成形凹面62；所述凹模设有一放置空心气门芯棒的凹槽71及一成形凸面72，所述凹槽71延伸于所述成形凸面72。
如图1-10所示，本发明是利用楔横轧-模锻工艺实现空心气门毛坯的经济化生产，在本实施例中，楔横轧模具和模锻成形模具的制造方法与现有技术模具的制造方法相同，故在此不再赘述。具体地，所述步骤1中，根据需要制得的空心气门的规格制造与其相应的楔横轧模具和模锻成形模具2；也即，先设计好所述制得的空心气门的图纸，再根据设计好的空心气门的图纸制造相应的楔横轧模具和模锻成形模具。
以下结合一例子对本发明的技术做进一步解释，一种发动机空心气门楔横轧坯料精确成形的一个实例。
将具有成形角α=35°，展宽角β＝5°的模具（图7所示）安装在楔横轧机上，调整楔横轧机相应的位置关心，模具图如图1所示，将直径为Ф20mm，长度为120mm的空心气门棒料（图3）通过电磁感应炉加热至1100℃后，装入如图2所示经过热处理后的芯棒，通过送料装置置于上下模具之间的孔型，启动轧机，轧辊旋转一周后得到如图6所示符合要求的空心气门坯料（长L=125mm，外径D=10.5mm，内径d=4.6mm，壁厚均匀，杆部有球形台和锥形台定位，方便模锻加工。）将轧好的气门坯料沿对称中心截开，利用轧制余热或再加热将一件所述空心气门预制坯放入所述模锻压力机（图9）中进行成形锻造，将空心气门毛坯盘部锻造成形，完成空心气门毛坯（图10）的精确成形。
本发明的上述具体实施方式仅为清楚的说明本发明所做的举例，并非对本发明实施方式的限定。对于本领域的普通技术人员来说，可以在不脱离本发明原理和精神的情况下做出其他形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种应用芯棒的汽车发动机空心气门坯料精确成形方法，其特征在于，对空心气门采用楔横轧对称加工空心坯料，加工后的空心坯料的杆部形成用于定位及方便模锻加工的一锥形台及一个球形台，然后模锻加工成形空心气门盘部；
其中，对轧制后的空心气门坯料进行锻造的模锻压力机包括一凸模及一与凸模相配合的凹模，所述凸模设有一伸入空心气门坯料内孔的凸端及成形凹面，所述凸端延伸于所述成形凹面；所述凹模设有一放置空心气门芯棒的凹槽及一成形凸面，所述凹槽延伸于所述成形凸面；
所述芯棒小于空心坯料的内径，所述芯棒尺寸与空心坯料的相对壁厚的关系D1＝13*Q，所述Q为空心坯料原始壁厚与空心坯料原始外径之比；所述芯棒尺寸与空心坯料轧制时的相对下压率的关系D1＝(2.1-2.3)*h，所述h为空心坯料轧制前后外径之比；所述芯棒尺寸与轧制后的内径尺寸的关系D1＝(0.7-0.9)*d1，所述d1为轧制后空心坯料的内径；同时所述芯棒的尺寸为2mm≤d≤25mm。
2.根据权利要求1所述的精确成形方法，其特征在于，所述精确成形方法具体包括以下步骤：
A)制造楔横轧模具和模锻模具；
B)将空芯坯料加热至轧制温度，所述空心坯料为钢管料；
C)将所述钢管料穿入芯棒，通过所述楔横轧模具对钢管料进行轧制，实现钢管料产生外径变化并沿其轴向伸长形成一左右对称的空心气门坯料；所述空心气门坯料左右对称的对称线与其轴线垂直，且所述空心气门坯料的中部为杆部，其两端为盘部，且其杆部与盘部之间的连接段为其颈部；
D)沿所述空心气门坯料的对称线分割所述空心气门坯料，形成结构相同的第一空心气门预制坯和第二空心气门预制坯；每个空心气门预制坯由连续且依次连接的杆部、颈部和盘部组成；
E)利用轧制余热或者再加热，通过所述模锻模具对所述第一空心气门预制坯或第二空心气门预制坯进行锻造，完成第一空心气门预制坯的盘部或第二空心气门预制坯的盘部成形为空心气门盘部，实现空心气门的精确成形。
3.根据权利要求1所述的精确成形方法，其特征在于，所述空心坯料的相对壁厚Q满足0.25≤Q≤0.30之间，相对压下率h满足1.7≤h≤1.9之间。
4.根据权利要求2所述的精确成形方法，其特征在于，所述楔横轧模具成形角在α＝35°-38°，展宽角为β＝4°-6°，模具脱空0.1-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的精确成形方法，其特征在于，所述轧制的空心坯料包括：40Cr，4Cr9Si2。
6.根据权利要求2所述的精确成形方法，其特征在于，所述轧制温度为1000℃-1200℃。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170620 |
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