CN1732056A - 提高周期性内压负荷条件下的具有至少一个空腔的金属构件的疲劳强度的方法 - Google Patents
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Abstract
涉及一种用于提高具有至少一个空腔(4)的金属构件(1)的、特别是汽车喷油系统的一个构件(1)的疲劳强度的方法。构件(1)在其空腔(4)中在一个施压阶段以这样一个压力进行加载，使得构件(1)至少局部地为了在构件(1)中产生挤压内应力而实现部分塑性变形。此外，构件(1)在一个温度处理阶段中被加热到一个高于室温的构件温度。
Description
背景技术
本发明涉及一种用于提高配有至少一个空腔的金属构件的疲劳强度方法。
从实际工作中知道有关方法，其中对一个金属构件的一个内腔或空腔在一个加压阶段中一次性地施加一个内压力，该内压力大大超过工作负荷。在相应选择的内压力高度的情况下，在一个如此被处理的金属构件中，在压力降下之后会在金属构件的内腔或空腔的边缘层中产生一种内在挤压内应力(Druckeigenspannung)。这种挤压内应力是由于部分塑化、即存在的部化塑化变形所引起的。由于上述挤压内应力之故，那种以周期性或随时间可变地施加内压的金属构件的机械容许负荷被大大提高。上述已知的方法、也称之为挤压硬化内表面的压力容器制造法，因此用来提高被高度施加载荷的钢制构件的效率。
其它用来在金属构件中产生挤压内应力的强化处理方法，例如有喷丸法或强化滚压法。这些方法也可以在一个比室温高的处理温度或构件温度条件下实施，以便在随时间变化的内压负荷下提高在构件工作中的挤压内应力的稳定性，从而大大提高对振动破裂的抵抗能力。
但其缺点在于：按上述的强化方法，复杂的构件几何构形和内表面都只能以不利的方式进行处理或强化。
本发明的任务是提供一种方法，利用此方法可以在任意几何学的构件条件下以很高的稳定性在构件中产生挤压内应力。
根据本发明，上述任务是利用具有权利要求1中所述特征的一种方法加以解决的。
本发明的优点
利用用于提高一个具有至少一个空腔的金属构件的、特别是汽车喷油系统的一个构件的疲劳强度的方法，该方法具有权利要求1所述的特征，那么就可以在高的工作压力和由于大的压力波动而产生不同负荷的情况下显著改善金属构件的抵抗能力或抗振强度。
这一点可以通过下述措施达到：一个构件在施压阶段在其内腔中施加这样一个压力，使得该构件至少局部地实现部分塑性变形，以达到在该构件中产生挤压内应力的目的。在此时或者紧挨着此时的时间附近，该构件在温度处理阶段被加热到大于室温的一个构件温度，从而进一步提高构件对由于大的压力波动而产生的负荷的抵抗能力或抗振强度。这一结果是由于以下原因所致：通过温度处理阶段，构件中部分塑性变形的物理效应可以促使提高一个根据本发明提出的方法所处理的构件的疲劳强度，这些物理效应进而有助于使所产生的挤压内应力有利地得到稳定。
根据本发明提出的方法的一个有利的实施形式，一个金属构件首先在施压阶段至少局部地、即最好在高加荷部位上为了产生挤压内应力而实现部分塑性变形。施压阶段至少是在接近环境温度或室温条件下完成的，紧接着施压阶段立即将该构件在一个温度处理阶段中加热到一个大于室温的温度。这样，与一个仅在室温条件下加以塑化的构件相比，可以大大改进该构件的抵抗能力或抗振强度。
另外也可以做如下设定：施压阶段在一个高于室温的构件温度条件下进行，其中温度处理阶段可以在时间上与施压阶段相继进行。
根据本发明提出的方法的另一个有利的实施形式，一个温度处理阶段既可在施压阶段之前也可紧接在施压阶段之后。在温度处理阶段中，将一个构件温度调整到高于周围环境的室温。其中，施压阶段也是在一个高于室温的构件温度条件下完成的。这样便可制造出一个具有大大改进的抵抗能力的构件，这是因为在施压阶段产生的挤压内应力具有较高稳定性之故。
利用根据本发明提出的方法特别可获得如下的可能性：改进具有复杂的构件几何结构的构件的抗振强度，而又没有高的设备制造费用。其优先的用途包括压力导引管或柴油喷射技术和汽油喷射技术的复杂构件，例如泵的喷射导管和构件、喷射器和分配器。
根据本发明提出的主题的其它优点和有利的改进方案均见说明书、附图及权利要求书。
附图说明
附图中，参照一个管状构件绘出本发明的一个实施例，按本发明提出的方法的实施情况先后仅以示意图表示，在下面的说明书中将对本方法做详细介绍。附图表示：
图1a在实施本发明提出的方法之前，汽油喷射系统的一个管状构件的横断面；
图1b在实施本发明提出的方法之后图1a所示构件；
图1c图1a和图1b所示构件的纵剖面示意图；
图1d在实施本发明提出的方法之后，图1a至1c所示构件中的内应力变化情况；
图2用于实施本发明提出的方法的一种装置。
具体实施方式
图1a至1d中以横断面表示出汽车内燃机用的一个喷油系统的一个钢制构件1，该构件是至少近似于管状设计的。在这里指的是一个柴油喷射系统的一个共用的蓄压器(Rail)。
图1a中所示的构件1相当于用一种所谓的“挤压硬化内表面压力容器制造法压力”施压之前的构件1，所述压力高出最大工作压力好几倍。图1b表示的构件是在施加所述挤压硬化内表面压力容器制造法的压力之后。对这两个图进行比较，便可看出由于所施加的挤压硬化内表面压力容器制造法压力之故而产生的构件1的内径以及外径的变化或扩展，这种变化或扩展应归因于构件1的一种沿着径向所限制的、局部地实现的部分塑性变形。
为了更好地进行理解，图1b中的构件1的壁用两个不同地加阴影线的区域2和3表示。阴影线只用来表示构件的整体设计成形的壁的不同区域而已。构件的壁的第一区域2是构件1的壁的这么一个区段：该区段在一个空腔4中对构件1施加挤压硬化内表面压力容器制造法压力时已经历了一个弹性的和可逆的变形。
限定构件1的内腔或空腔4并被第一区域2完全包围的第二区域3是构件1的壁的这样一个区域：该区段在挤压硬化内表面压力容器制造法压力降下之后，又具有存在的塑性的或不可逆的变形，这种变形就表现为直径的扩展。
挤压硬化内表面压力容器制造法是一种已知的用来提高构件强度的方法，这些构件被施加以高的周期性压力。在挤压硬化内表面压力容器制造法处理过程中，通过一次性地施加一个大大超过一个喷射系统的工作压力的冷作压力或者挤压硬化内表面压力容器制造法压力，有目的地在构件中引入挤压内应力。该挤压内应力是这样产生的：限定出一个构件的内腔的那些部位经历塑性变形，从而在挤压硬化内表面压力容器制造法之后仍然具有原来存在的变形或塑化。构件的外部区域则具有仅存的弹性变形，这种变形在挤压硬化内表面压力容器制造法之后部分地会复原。
由于在内部区域3中构件的局部实现的塑化及外部区域2的在挤压硬化内表面压力容器制造法过程中的仅有的弹性变形，出现了图1c中所示的情况：图1c中首先单独示出的内部区域3的一个外径在挤压硬化内表面压力容器制造法过程之后大于第一区域2的一个内径。在接合的状态中，第二区域即内部区域3受到外部区域即第一区2的挤压，而外部区域2受到内部区域3的扩展，从而在构件1的壁中使图1d中所示的应力曲线得到调整。该应力曲线表明：在内部区域3中存在着挤压内应力。
如此处理过的构件与未经过挤压硬化内表面压力容器制造法的构件相比，其特征在于具有更高的机械负载能力。因此，经过挤压硬化内表面压力容器制造法的构件比未经过挤压硬化内表面压力容器制造法的构件可以施加一个更高的最大工作压力，这是原因：从原理上讲，在构件的内腔中的一个压力首先使挤压内应力平衡，并且只有在更高内压力条件下才会在内部区域3中出现拉应力，这些拉应力在不允许的高值情况下便会导致构件1的失灵。当然，这种不允许的高值只有在较高压力大大超过未经过挤压硬化内表面压力容器制造法的构件中的压力时下才会达到。
这样就有利地获得这样的可能性，即设计出具有较小壁厚的构件，从而可降低特别是汽车喷油系统的制造成本及构件重量。
挤压硬化内表面压力容器制造法方法或者本发明提出的用于提高构件1的疲劳强度的方法在这里是在高于室温的一个构件温度条件下执行的，其中这里所指的室温其概念应理解为30℃以下。根据构件1的材料，所述构件温度在200℃至400℃的一个温度范围内，根据所用的材料，构件1的要被强化的区段的构件温度最好在250℃至350℃范围内。
在上述构件温度条件下，对构件1进行的挤压硬化内表面压力容器制造法将导致大大提高构件1的抵抗能力及抗振强度，这是因为由于提高了构件温度而有利于所谓的静态冷作时效作用之故。构件1的内部区域3的塑性变形随着材料中的位错而发生，与此同时，因温度提高亦可促使构件1的材料中的异质原子扩散。
构件温度的提高有利于构件1的材料结构中异质原子的扩散作用，这些扩散作用可以防止构件1的材料结构中因塑性变形而造成的位错复原，这种位错在挤压硬化内表面压力容器制造法之后引起构件1中的挤压内应力。
另外也可以做如下设定：构件1的挤压硬化内表面压力容器制造法在室温条件下进行，紧随挤压硬化内表面压力容器制造法将构件在一个温度处理阶段(视材料之不同可为5至20分钟)借助一个合适的加热装置加热到一个200℃至400℃的处理温度，最好是一个250℃至350℃的处理温度。该方法的这一变型同样有利于构件的材料结构中的异质原子扩散，使得构件的材料结构中的前述防止作用如同在前述挤压硬化内表面压力容器制造法过程中相似地以提高的构件温度达到。
根据本发明提出的方法的另一个变型，为了提高一个在工作过程中以波动的内高压加载的构件的疲劳强度，在一个高于室温的构件温度(也就是在200℃至400℃范围内，最好在250℃至350℃范围内)条件下执行挤压硬化内表面压力容器制造法。紧接着将构件1在一个温度处理阶段保持5至20分钟之久，最好根据所用材料保持最多10分钟之久，在此温度处理过程中保持在一个构件温度200℃至400℃处，最好保持在一个构件温度250℃至350℃处，借以达到前述的作用。
特别在提高的构件温度条件下执行本发明提出的方法时，各个处于由于强烈变换工作压力而形成的高的负荷下的局部区域在对构件施加挤压硬化内表面压力容器制造压力之前具有所希望的构件温度，从而可靠地取得前述的作用。
图2示意地表示一个工艺装置5，利用该装置可在构件1的内腔中施加挤压硬化内表面压力容器制造压力。图2中所示的构件是一个喷油系统的高压分配器6(Rail)，经过此高压分配器使内燃机的所有气缸获得处于高压下的燃油供给。
在这种情况下，在共轨设备上、或者说在一个汽车喷油系统中所产生的很高的压力由喷射导管中的一个可调的稳定的高压加以分开，借以能够按不同要求实现喷油的不同阶段。从而例如可保证：从一开始就提供充足的喷射压力。通过一个短时的提前喷油，便可减小结构空腔中的温度上升及降低最大压力，并更长时间保持内燃机活塞上的工作压力。此外还可有利地降低燃烧的“硬度”和燃烧噪声。
使用已知的共轨设备能实现上述那些要求，用这种设备时将喷射量分成多达五个分量，其使用超过1600巴的喷射压力进行工作。
为了能够既具有足够的疲劳强度又具有尽可能小的构件尺寸地设计制造出这种喷射系统的各个构件，可用本发明提出的方法来强化各构件。为此在高压分配器6的用箭头7表示的一侧，高压分配器6的一个未详细绘出的内腔被输供一个挤压硬化内表面压力容器制造压力，该压力根据高压分配器6的材料例如可为5000巴至15000巴，经过一个螺旋件或通过另一种合适的液压密封件、例如栓塞以达到上述目的。高压分配器6的其它孔口8A至8F同时地通过封闭螺钉或者通过其它合适的液压性或机械性封闭或密封构件11(在图中象征性地以箭头表示)加以密封。
工艺装置5是按一种适用于成批生产的操作技术设计的，所以任意构件都是按生产节奏自动输送的，并可以进行液压封闭、经挤压硬化内表面压力容器制造法、而且再次卸取。高压分配器6的加热或者高压分配器6的构件温度的调定都是在工艺装置5上通过一个仅示意地以虚线绘出的加热装置9实施的，其中该加热装置是作为一个集成到工艺装置5上的加热炉设计的。
另外当然也可做如下设定：要被强化的构件的所希望的构件温度在工艺装置中经过其它合适的加热装置、例如以电阻加热或局部感应加热为基础的加热装置加以调定。
为了在挤压硬化内表面压力容器制造法过程中以及在后继可能进行的温度处理阶段中可靠地实现高压分配器6在工艺装置5中的定位，同时为了在挤压硬化内表面压力容器制造法时防止各构件变形，工艺装置5配有一个可分别与要被强化的构件的轮廓相匹配的支撑机构10。
按本发明的另一个实施形式，在施压阶段之前，在一个温度处理阶段时将所述构件温度调节到一个根据材料所预定的值，其中，在工作时高加载的构件区域中通过施加一种挤压硬化内表面压力容器制造压力而产生一种部分塑性变形；相反地，在正常工作中加载较小的构件区域中则不产生部分塑性变形。
此外还可做如下设定：只在下述那些区域中提高构件温度：其中为了产生挤压内应力构件实现部分塑性地变形，而其它构件区域则较小加热或者根本不加热。
根据本发明提出的方法的另一个实施形式可做如下设定：在本来的挤压硬化内表面压力容器制造法过程中根据构件材料的构件温度可以高于、低于或等于一个在随即进行的温度处理阶段中所调定的构件温度，借以在构件上达到前述强化处理的目的。
Claims (12)
1.用于提高一个具有至少一个空腔(4)的金属构件(1)的、特别是汽车喷油系统的一个构件(1)的疲劳强度的方法，其中：
a)构件(1)在其空腔(4)中在施压阶段以这样一个压力进行加载：使得该构件(1)至少局部地为了在构件(1)中产生挤压内应力而部分塑性地变形，
b)构件(1)在一个温度处理阶段中被加热到一个高于一个室温的构件温度。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，温度处理阶段是如此地在施压阶段之前执行的：使得在施压阶段中的构件温度高于室温。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，施压阶段是以这样一个构件温度执行的，该构件温度至少近似地相当于室温，其中温度处理阶段紧接地与施压阶段相接连。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在施压阶段之前和之后执行一个温度处理阶段。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述两个温度处理阶段中构件温度是相同的。
6.按权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述两个温度处理阶段中构件温度是不相同的。
7.按权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在一个温度处理阶段中构件温度如此地加以调节，使得在施压阶段中在构件(1)中引起的扩散过程得到促进。
8.按权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在一个温度处理阶段中构件温度根据材料调定到200℃至400℃。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，构件温度调定到250℃至350℃。
10.按权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，一个温度处理阶段的延续时间根据材料最多为10分钟。
11.按权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在一个温度处理阶段中构件温度通过电阻加热进行调节。
12.按权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，构件温度通过对构件的局部感应加热进行调节。
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