CN104929719B - 一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门，包括气门壳体、实心杆部和盘端面堵头；所述气门壳体是由钢管料经过楔横轧预成形后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摩擦焊接，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；所述盘端面堵头与所述中空盘部开口处摩擦焊接，以封堵所述中空盘部并与所述气门壳体形成一内腔；该内腔内充有金属钠。本发明的一种基于楔横轧制坯的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，尤其涉及一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门。
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基于楔横轧制坯的中空充钠气门。
一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门，包括气门壳体、实心杆部和盘端面堵头；所述气门壳体是由钢管料经过楔横轧预成形后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；所述盘端面堵头与所述中空盘部开口处焊接，以封堵所述中空盘部并与所述气门壳体形成一内腔；该内腔内充有金属钠。
进一步地，所述盘端面堵头的厚度为8～10mm，且其外围壁面与所述中空盘部开口处通过摩擦焊焊接，焊接牢固，强度高。
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，所述中空杆部和所述实心杆部的外表面均设有镀铬层或氮化层，且镀铬层厚度为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，不仅成形工艺简单，提高了成品率和生产效率，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是本发明所述的中空充钠气门的结构示意图；
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。
具体实施方式
请参阅图1，其为本发明所述的中空充钠气门的结构示意图。
本发明的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门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包括一体成形的喇叭形中空盘部11b和中空杆部11a，所述气门壳体11的中空杆部11a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11a横截面外径相同；所述盘端面堵头15与所述中空盘部11b开口处焊接，以封堵所述中空盘部11b并与所述气门壳体11形成一内腔；该内腔内充有金属钠13。
进一步地，所述中空杆部11a和所述实心杆部12的外表面均设有镀铬层或氮化层，且镀铬层厚度为3～7μm，氮化层厚度为10～30μm。
请同时参阅图2～10，本发明的一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门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所述，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3，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10。
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10，其结构简单、便于成形；所述气门壳体11由钢管料16经过楔横轧预成形后再通过模锻成形工艺一体成形，其中空盘部11b与中空杆部11a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16替代实心棒料进行加工，不仅成形工艺简单，提高了成品率和生产效率，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。
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 (7)
1.一种基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：包括气门壳体、实心杆部和盘端面堵头；所述气门壳体是由钢管料经过楔横轧预成形后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；所述盘端面堵头与所述中空盘部开口处焊接，以封堵所述中空盘部并与所述气门壳体形成一内腔；该内腔内充有金属钠。
2.根据权利要求1所述的基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：所述盘端面堵头的厚度为8～10mm，且其外围壁面与所述中空盘部开口处通过摩擦焊焊接。
3.根据权利要求1所述的基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：所述实心杆部与所述中空杆部通过摩擦焊焊接。
4.根据权利要求1所述的基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：所述中空杆部和所述实心杆部的外表面均设有镀铬层。
5.根据权利要求4所述的基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：所述镀铬层厚度为3～7μm。
6.根据权利要求1所述的基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：所述中空杆部和所述实心杆部的外表面均设有氮化层。
7.根据权利要求6所述的基于楔横轧制坯的中空充钠气门，其特征在于：所述氮化层厚度为10～30μm。
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