CN116475384A - 火花塞型芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火花塞型芯及其制造方法，涉及发动机气缸盖低压铸造模具技术领域，所述火花塞型芯包括型芯本体，所述型芯本体的内部设置有双螺旋式冷却流道；所述双螺旋式冷却流道包括进水流道、螺旋来流流道、交汇流道、螺旋回流流道以及出水流道，所述进水流道的下部与所述螺旋来流流道的上部连通，所述出水流道的下部与所述螺旋回流流道的上部连通，所述螺旋来流流道的下部以及所述螺旋回流流道的下部均与所述交汇流道连通；所述螺旋来流流道以及所述螺旋回流流道的螺旋方向相反，并且两者组成双螺旋结构；所述火花塞型芯制造方法能够制造上述火花塞型芯。本发明能够有利于铸件快速凝固，缩短气缸盖铸件的生产耗时，提升生产效率提升。

Description

火花塞型芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及发动机气缸盖低压铸造模具，具体涉及一种火花塞型芯及其制造方法。

背景技术

发动机气缸盖通常是采用低压铸造工艺来进行生产。在低压铸造生产过程中，液态高温铝液自下而上通过浇口进入低压铸造模具型腔，铝液充满模具型腔后，气缸盖铸件从火花塞位置至燃烧室顺序凝固。铸件凝固的过程中，温度场控制是至关重要的因素，也是产品质量和生产效率的保证。气缸盖铸件凝固始于气缸盖上部的火花塞部位，因而低压铸造模具中的火花塞型芯导热效率是凝固起始速率的关键。凝固起始速率影响整个浇注过程，若铸件凝固起始速率慢，则凝固耗时延长，在气缸盖铸件内部形成较宽的温度场，非常不利于铸件快速凝固，延长气缸盖铸件的生产耗时，而且在铸件内部也极易产生热缩等质量缺陷，会显著降低气缸盖铸件的良品率。

通常情况下，模具的火花塞型芯主要是以水为冷却介质，冷却水通过火花塞型芯内部的冷却流道带走热量，从而达到效果。热交换效果的好与坏跟冷却水与流道的接触面积大小、冷却水的流速等有关，也与冷却流道和铝液之间的壁厚距离有关。接触面积越大、冷却水流速越快、流道和铝液之间的壁厚越小，冷却效果越好。传统的火花塞型芯是采用机加工制作而成，内部是直通式流道，传统火花塞型芯采用直流道与型芯本体组合的方式，冷却水从进水口进入后，经直流道进入型芯本体，再从直流道与型芯本体的间隙回流至出水口，出水口下部采用机加方式，即直线镗孔至型芯本体间隙，再安装堵头，引导冷却水回流至出水口。该结构流道间隙小流速慢，换热面积小，冷却效率比较低，不能对铸造的成型部位进行快速导热和冷却。

CN207859424U公开了一种高速模具螺纹型芯冷却结构，包括内型芯和螺纹型芯，所述螺纹型芯设置有一中空腔，所述中空腔内安装有一镶件，所述镶件与所述中空腔的内壁之间留有间隙，所述间隙形成冷却回路。该高速模具螺纹型芯冷却结构让冷却回路更加均衡，对产品成型部分的冷却更加直接有效，同时提高了生产效率，生产出来的产品符合所有要求。毋庸置疑，上述专利文献公开的技术方案是所属技术领域的一种有益的尝试，但是对于冷却效率仍需进一步提升。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种火花塞型芯，能够增加冷却流道的长度及换热面积，能够更快、更多、更均匀的带走余热，更好的保证火花塞型芯成型区工作面温度的梯度，有利于铸件快速凝固，缩短气缸盖铸件的生产耗时，提升生产效率提升，同时能够防止在铸件内部产生热缩等质量缺陷，显著提升气缸盖铸件的良品率；本发明的目的还在于提供一种火花塞型芯制造方法，制造出的火花塞型芯能精准控制流道与铝液之间的壁厚，并且刚度和强度强，使用寿命长。

本发明中的一种火花塞型芯，包括型芯本体，所述型芯本体的内部设置有双螺旋式冷却流道；所述双螺旋式冷却流道包括进水流道、螺旋来流流道、交汇流道、螺旋回流流道以及出水流道，所述进水流道的下部与所述螺旋来流流道的上部连通，所述出水流道的下部与所述螺旋回流流道的上部连通，所述螺旋来流流道的下部以及所述螺旋回流流道的下部均与所述交汇流道连通；所述螺旋来流流道以及所述螺旋回流流道的螺旋方向相反，并且两者组成双螺旋结构。

进一步，所述螺旋来流流道以及所述螺旋回流流道的截面均呈“D”形，所述螺旋来流流道以及所述螺旋回流流道之间具有一字形截面流道间壁。

进一步，所述双螺旋式冷却流道与所述型芯本体的外表面之间具有环形芯体壁；所述环形芯体壁的厚度不小于3mm，所述一字形截面流道间壁的厚度不小于1mm。

进一步，所述进水流道以及所述出水流道均为长度沿上下方向的直流道。

进一步，还包括进水外接头以及出水外接头，所述进水外接头与所述进水流道的上部连接，所述出水外接头与所述出水流道的上部连接。

进一步，所述型芯本体采用增材制造工艺加工一体成型。

本发明中的一种火花塞型芯制造方法，用于加工如上所述的火花塞型芯，包括以下步骤：

S1、对所述双螺旋式冷却流道进行三维建模，再将得到的三维模型进行切片处理与数据格式转换，得到火花塞型芯的打印参数；

S2、以模具钢粉末作为3D打印材料；

S3、设定打印参数后开始3D打印，得到火花塞型芯毛坯；

S4、对火花塞型芯毛坯进行粗加工；

S5、对火花塞型芯毛坯进行热处理；

S6、对火花塞型芯毛坯进行精加工以及氮化处理，得到火花塞型芯。

进一步，步骤S2中的模具钢粉末按重量百分比计，包括如下组分：0.32～0.54%的C，0.80～1.20 %的Si，0.20～0.50%的Mn，4.75～5.50%的Cr，0.80～1.20%的V，1.10～1.75%的Mo，余量为Fe。

进一步，步骤S3的打印参数包括：基板预热温度为200℃，激光扫描速度为1000mm/s，激光功率为230W，焦点直径0.08mm，扫描间距为0.08mm，铺粉厚度与切片厚度均为0.03mm。

进一步，步骤S5包括以下步骤：

S501、退火：退火温度为900℃，保温2h炉冷；

S502、淬火：1000℃保温10分钟空冷；

S503、第一次回火：530℃～580℃，炉冷1h～3h；

S504、第二次回火：580℃～640℃，炉冷1h～3h。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过双螺旋式冷却流道增加了冷却流道的长度及换热面积，采用增材制造技术，保证双螺旋式冷却流道到型芯外表面的距离基本可以保证一致，在不同水平截面上，能更快、更多、更均匀的带走余热，更好的保证火花塞型芯成型区工作面温度的梯度，温度场更趋于最优，有利于铸件快速凝固，缩短气缸盖铸件的生产耗时，提升生产效率提升，同时由于冷却效果改善，能够防止在铸件内部产生热缩等质量缺陷，显著提升气缸盖铸件的良品率；并且，本发明的刚度和强度比传统的火花塞型芯镶块更强，有效地延长火花塞型芯的使用寿命；

（2）本发明通过一字形截面流道间壁将螺旋来流流道以及螺旋回流流道分隔成为两个截面呈“D”形的流道，能够有利于控制双螺旋式冷却流道与所述型芯本体的外表面之间的壁厚。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的火花塞型芯与低压铸造模具的上模板配合的结构示意图；

图2为本发明的型芯本体的截面示意图；

图3为本发明的双螺旋式冷却流道的形态示意图（为了便于展示双螺旋式冷却流道的结构，本图将型芯本体内的镂空的双螺旋式冷却流道以实体方式示出）；

图4为本发明的火花塞型芯制造方法的流程示意图。

附图中标记如下：1-型芯本体，2-双螺旋式冷却流道，21-进水流道，22-螺旋来流流道，23-交汇流道，24-螺旋回流流道，25-出水流道，3-一字形截面流道间壁，4-环形芯体壁，5-进水外接头，6-出水外接头，7-上模板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明。

如图1-图3所示，本实施例中的一种火花塞型芯，包括型芯本体1，所述型芯本体1的内部设置有双螺旋式冷却流道2；所述双螺旋式冷却流道2包括进水流道21、螺旋来流流道22、交汇流道23、螺旋回流流道24以及出水流道25，所述进水流道21的下部与所述螺旋来流流道22的上部连通，所述出水流道25的下部与所述螺旋回流流道24的上部连通，所述螺旋来流流道22的下部以及所述螺旋回流流道24的下部均与所述交汇流道23连通；所述螺旋来流流道22以及所述螺旋回流流道24的螺旋方向相反，并且两者组成双螺旋结构。本实施例中，所述型芯本体1采用增材制造工艺加工一体成型。

在低压铸造生产过程中，低压铸造模具的上模板7与下模板之间形成模具型腔，液态高温铝液自下而上通过浇口进入模具型腔，铝液充满模具型腔后，气缸盖铸件从火花塞位置至燃烧室顺序凝固。铸件凝固的过程中，温度场控制是至关重要的因素，也是产品质量和生产效率的保证。传统的机加工无法加工出这种位于型芯本体1的内部的双螺旋式冷却流道2，通过增材制造工艺能够加工出这种新型的双螺旋式冷却流道2，在低压铸造生产过程中，冷却液依次通过进水流道21、螺旋来流流道22、交汇流道23、螺旋回流流道24以及出水流道25，增加了冷却流道的长度及换热面积，采用增材制造技术，保证双螺旋式冷却流道2到型芯外表面的距离基本可以保证一致，在不同水平截面上，其导热更加均匀，能更快、更多、更均匀的带走余热，更好的保证火花塞型芯成型区工作面温度的梯度，温度场更趋于最优，有利于铸件快速凝固，缩短气缸盖铸件的生产耗时，从而能够缩短浇注工艺节拍，较之前常规铸造工艺节拍6分钟/件，可缩短至4.5分钟/件，生产效率提升25%，同时由于冷却效果改善，能够防止在铸件内部产生热缩等质量缺陷，显著提升气缸盖铸件的良品率，良品率提高2%以上。此外，型芯本体1的中部的外表面为圆柱形，型芯本体1的下部的外表面为上大下小的锥形，型芯本体1的内部的双螺旋式冷却流道2也随形设计，相对于使用常规火花塞型芯镶块，使用本实施例火花塞型芯的气缸盖铸件的火花塞部位的温度场冷却温度低50～60℃，对工艺优化有很大的改善空间，同时由于本实施例的火花塞型芯采用的是增材制造工艺打印, 致密度：≥99.7%，在300摄氏度工况条件下，抗拉强度≥1200RMPa，延期强度≥1000RMPa，断后延伸率≥6%，抗冲击韧性≥6J/cm2。刚度和强度比传统的火花塞型芯镶块更强，传统火花塞型芯镶块使用寿命约7000模次，采用增材制造工艺一体成型的火花塞型芯使用寿命可达10000模次以上，有效地延长火花塞型芯的使用寿命40%以上。

本实施例中，所述螺旋来流流道22以及所述螺旋回流流道24的截面均呈“D”形，所述螺旋来流流道22以及所述螺旋回流流道24之间具有一字形截面流道间壁3。通过一字形截面流道间壁3将螺旋来流流道22以及螺旋回流流道24分隔成为两个截面呈“D”形的流道，能够有利于控制双螺旋式冷却流道2与所述型芯本体1的外表面之间的壁厚，该壁厚即为冷却流道和铝液之间的壁厚。

本实施例中，所述双螺旋式冷却流道2与所述型芯本体1的外表面之间具有环形芯体壁4；所述环形芯体壁4的厚度不小于3mm，优选为3mm-5mm，例如为3mm；所述一字形截面流道间壁3的厚度不小于1mm，优选为1mm-2mm，例如为1mm。

本实施例中，所述进水流道21以及所述出水流道25均为长度沿上下方向的直流道，保证冷却液的进出顺畅。

本实施例中，还包括进水外接头5以及出水外接头6，所述进水外接头5与所述进水流道21的上部连接，所述出水外接头6与所述出水流道25的上部连接。进水流道21的上部设置有螺纹孔，进水外接头5与该螺纹孔螺纹连接。出水流道25的上部设置有螺纹孔，出水外接头6与该螺纹孔螺纹连接。

如图4所示，本实施例中的一种火花塞型芯制造方法，用于加工如上所述的火花塞型芯，包括以下步骤：

S1、对所述双螺旋式冷却流道2进行三维建模，包括余量添加，模型摆放，支撑添加等工序，再将得到的三维模型进行切片处理与数据格式转换，得到火花塞型芯的打印参数；

S2、以模具钢粉末作为3D打印材料；

S3、设定打印参数后开始3D打印，得到火花塞型芯毛坯；

S4、对火花塞型芯毛坯进行粗加工；粗加工包括粉末清理，线切割，支撑去除，打磨喷砂等工序；

S5、对火花塞型芯毛坯进行热处理；

S6、对火花塞型芯毛坯进行精加工以及氮化处理，得到火花塞型芯。

在步骤S6之后，还可以设置步骤S7，将进水外接头5与进水外接头5连接，将出水外接头6与出水流道25连接。

本实施例中，步骤S2中的模具钢粉末按重量百分比计，包括如下组分：0.32～0.54%的C，0.80～1.20 %的Si，0.20～0.50%的Mn，4.75～5.50%的Cr，0.80～1.20%的V，1.10～1.75%的Mo，余量为Fe。例如，步骤S2中的模具钢粉末按重量百分比计，包括如下组分：0.39%的C，0.86%的Si，0.49%的Mn，5.11%的Cr，0.98%的V，1.42%的Mo，余量为Fe。其中，C是指碳，Si是指硅，Mn是指锰，Cr是指铬，V是指钒，Mo是指钼，Fe是指铁。上述组分的模具钢粉末能够使得3D打印的成型质量更高。

本实施例中，步骤S3的打印参数包括：基板预热温度为200℃，激光扫描速度为1000mm/s，激光功率为230W，焦点直径0.08mm，扫描间距为0.08mm，铺粉厚度与切片厚度均为0.03mm。

本实施例中，步骤S5包括以下步骤：

S501、退火：退火温度为900℃，保温2h炉冷；

S502、淬火：1000℃保温10分钟空冷；

S503、第一次回火：530℃～580℃，炉冷1h～3h；

S504、第二次回火：580℃～640℃，炉冷1h～3h。

本实施例中，步骤S6中的氮化处理的要求为：氮化层深度：0.1mm～0.15mm，表面硬度HV0≥900、氮化级别≤2级，按GB/T11354要求采用硬度检测法检测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种火花塞型芯，其特征在于：包括型芯本体（1），所述型芯本体（1）的内部设置有双螺旋式冷却流道（2）；所述双螺旋式冷却流道（2）包括进水流道（21）、螺旋来流流道（22）、交汇流道（23）、螺旋回流流道（24）以及出水流道（25），所述进水流道（21）的下部与所述螺旋来流流道（22）的上部连通，所述出水流道（25）的下部与所述螺旋回流流道（24）的上部连通，所述螺旋来流流道（22）的下部以及所述螺旋回流流道（24）的下部均与所述交汇流道（23）连通；所述螺旋来流流道（22）以及所述螺旋回流流道（24）的螺旋方向相反，并且两者组成双螺旋结构。

2.根据权利要求1所述的火花塞型芯，其特征在于：所述螺旋来流流道（22）以及所述螺旋回流流道（24）的截面均呈“D”形，所述螺旋来流流道（22）以及所述螺旋回流流道（24）之间具有一字形截面流道间壁（3）。

3.根据权利要求2所述的火花塞型芯，其特征在于：所述双螺旋式冷却流道（2）与所述型芯本体（1）的外表面之间具有环形芯体壁（4）；所述环形芯体壁（4）的厚度不小于3mm，所述一字形截面流道间壁（3）的厚度不小于1mm。

4.根据权利要求1所述的火花塞型芯，其特征在于：所述进水流道（21）以及所述出水流道（25）均为长度沿上下方向的直流道。

5.根据权利要求1所述的火花塞型芯，其特征在于：还包括进水外接头（5）以及出水外接头（6），所述进水外接头（5）与所述进水流道（21）的上部连接，所述出水外接头（6）与所述出水流道（25）的上部连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的火花塞型芯，其特征在于：所述型芯本体（1）采用增材制造工艺加工一体成型。

7.一种火花塞型芯制造方法，其特征在于，用于加工如权利要求6所述的火花塞型芯，包括以下步骤：

S1、对所述双螺旋式冷却流道（2）进行三维建模，再将得到的三维模型进行切片处理与数据格式转换，得到火花塞型芯的打印参数；

S2、以模具钢粉末作为3D打印材料；

S3、设定打印参数后开始3D打印，得到火花塞型芯毛坯；

S4、对火花塞型芯毛坯进行粗加工；

S5、对火花塞型芯毛坯进行热处理；

S6、对火花塞型芯毛坯进行精加工以及氮化处理，得到如权利要求6所述的火花塞型芯。

8.根据权利要求7所述的火花塞型芯制造方法，其特征在于：步骤S2中的模具钢粉末按重量百分比计，包括如下组分：0.32～0.54%的C，0.80～1.20 %的Si，0.20～0.50%的Mn，4.75～5.50%的Cr，0.80～1.20%的V，1.10～1.75%的Mo，余量为Fe。

9.根据权利要求7所述的火花塞型芯制造方法，其特征在于，步骤S3的打印参数包括：基板预热温度为200℃，激光扫描速度为1000mm/s，激光功率为230W，焦点直径0.08mm，扫描间距为0.08mm，铺粉厚度与切片厚度均为0.03mm。

10.根据权利要求7所述的火花塞型芯制造方法，其特征在于，步骤S5包括以下步骤：

S501、退火：退火温度为900℃，保温2h炉冷；

S502、淬火：1000℃保温10分钟空冷；

S503、第一次回火：530℃～580℃，炉冷1h～3h；

S504、第二次回火：580℃～640℃，炉冷1h～3h。