超轻发动机气机的制作方法

专利名称：超轻发动机气机的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及内燃机的菌状气门，更具体地说涉及一种在保持高的强度-重量比特性的同时重量特别轻的气门。
内燃机菌状气门最通常的制造方法是切削、锻造或挤压一块高强度、高热阻金属的实心坯材，然后进行精加工和/或研磨加工。在某些应用场合，性能要求必须提供一种具有空心杆的气门，其在制造过程中可加入如钠那样的冷却剂。在先有技术中，这样的空心杆已经通过在其上钻孔或在一个芯轴或一个可移动的芯体上对其进行挤压或锻造的方式制得。美国专利No.5054195公开了一种菌形气门，它是这样制得把一根管坯冷成形到所希望的杆部直径，杆部直径和管坯直径间的过渡区域用柔搓工艺或类似方法加工成弧形的气门圆角部分，切除圆角部分外直径处或外直径附近的坯料，装接上一个定义为气门头部的帽盖，然后在气门尾端加上一个附加零件以封闭空腔。
虽然由已知制造工艺生产的中空气门比先有工艺的实心气门轻得多，但在性能、燃料经济性和排放物控制方面越来越严格的标准，要求进一步减轻重量，这被认为用先有工艺生产过程是不可能经济地达到的。更进一步，现在在无凸轮的气门驱动，即其中气门的开闭直接由电力或流体致动装置进行这方面的研究工作，对气门的质量有所限制，以避免常规气门质量所需要的那种过度的致动能量。
为了满足重量最小的目标，本发明提供一种气门，其是由一个包括整体尾部和气门的圆角部分的气门杆件以及一个最好焊到该气门杆件上的帽盖构成的。在该较佳实施例中，气门座接触面成形于帽盖件上。而在其它可替换的实施例中，气门座接触面是作为圆角和杆件之间焊接头的一部分成形的或在气门杆件上加工成形的。根据本发明，气门杆件是带有一个作为气门圆角区域的喇叭形开口端和一个形成尾端的封闭端的杯形件，从开口端到尾端都是空心的。根据本发明，该气门杆件的壁截面在圆角区相对较厚，逐渐变薄到气门杆长度的其余部分所具有的大体均匀的厚度，而在气门杆尾端又相对较厚。
在本发明中，气门杆是用深拉工艺制得的，其中一件圆片状的初始毛坯经过多次冷拉伸成为一个细长的喇叭口杯形件，其上喇叭口端的外缘和尾端的厚度与初始毛坯大体相等。根据本发明的一个方面，作为拉伸工艺的附加工序，在空心气门杆上滚轧出一道或多道卡槽。
在此以前，按本发明的深拉伸工艺从没有被认为可实际用来制造发动机气门，特别是排气门，因为能用作深拉伸的具有足够延展性的材料从不被认为具有发动机气门所需要的足够的热强度性能。然而本发明采用了一种拉伸气门杆件，其具有冷却和较高强度的性能，这些性能使高延展性材料应用在这个应用领域是实际可行。
按本发明的另一方面，帽盖件最好其成形形状能增加气门强度和刚度，帽盖在具有最佳应力/温度关系的部位焊接到气门杆上。按其它可替换实施例，帽盖包含能提高气门燃烧面刚度和改善燃烧面与内部冷却剂之间热传递的肋。
本发明的另外一些方面及其优点可结合附图从以下叙述中明显看出

图1是本发明气门的剖面图;
图1a是局部剖视图，显示图1气门尾部的另一种设计结构;
图2a是图1所示气门帽盖部分放大剖视图;
图2b和2c是图2a所示气门帽盖部分的另一些可替换实施例的剖视图;
图3a-3d是图1所示气门杆部制造过程中各工序的示意图;
图4是显示一种气门杆卡槽成形方法的局部剖视图;
图5是沿图4中5-5截面截取的剖视图;
图6a-6c图示出先有技术的排气门表面上的典型的应力和温度分布;
图7a-7c图示出本发明的排气门表面的典型应力和温度分布;
图8是本发明另一种实施例的局部剖视图;
图9是沿图8中9-9截面截取的剖视图;
图10-12是本发明的其它一些实施例的局部剖视图;
图13a是一个先有技术实心气门的剖视图;
图13b是一个先有技术空心气门的剖视图;
图13c是一个用与图13a和13b大体相同比例画出的本发明气门的剖视图。
参阅图1，所示的菌形气门10包括一个气门杆12和一个用焊接或其它方法联接到该气门杆上的帽盖件14。在该较佳实施例中，用于进气气门的气门杆可用如SAE1008钢那样的易拉伸金属薄板制造，而用于排气气门的气门杆可用如UNS305或因科洛伊800(Incoloy 800)之类的不锈钢制造，两者的帽盖都用不锈钢或其它的相似材料制成。可以理解，具体材料将根据发动机的用途而变化。
如下面进一步详述中要提到的，气门杆12由深拉伸工艺成形，这会在圆角区16形成第一壁厚t1，而该圆角区的外缘壁厚为最大，杆部整个长度上为小于t1的第二厚度t2，在尾端部18是与厚度t1近似相等的第三厚度t3。图1a所示为尾端的另一种设计，其尾端18a包括一个斜切面19，它能增加气门尾端的刚度。在图示的例子中，斜切面最好制成40±10°度角。
详细参阅图2a，帽盖件14是一个圆盘，其最好制成有一个凸状的燃烧面22和一个凹入的内表面23。气门座接触面20可由切削加工、镀覆和机加或其它已知方法加工成形。在该较佳实施例中，通过从圆盘外边向中心使壁逐渐变薄，使得角b大于角a，就能使圆盘的强度/重量比达到最大。在该较佳实施例中，燃烧面与气门杆纵向轴线的垂线之间的夹角a大约为5°，而内表面与此垂线的夹角b约为10°。虽然以上代表了一个较佳实施例，但图2b所示角a等于角b以及图2c所示角a大于角b的结构也可使用。
在该较佳实施例中，帽盖是在标号24处焊接到气门杆件上的，而一条卡槽26是在气门尾端附近的杆壁上滚轧出来的。焊缝24可由各种已知的工艺完成，这包括激光焊接、钨极惰性气体(TIG)焊接、金属电极惰性气体(MIG)焊接、电子束(EB)焊接和电阻焊接技术。焊缝位于圆角16的外缘与在帽盖邻近气门座接触面处上形成的表面25之间的交界面上。如下所述，这里是温度相对较低的区域，因此比邻近其它部位有较高的材料强度性能。在气门直接由流体或电力致动装置开闭的应用场合，气门可不需要包含卡槽。
按照本发明，气门杆件是用通称为深拉加工的冷成形工艺制成的，该深拉加工一般在一种叫自动传递式连续压力机上进行的。在这个工艺过程中，工件开始时是一张扁平的薄板圆片，经过多道深拉工序，从一套拉深模到另一套拉深模按步送进。这许多工序是在一台自动送进机器上进行，但每一工序由各自的凸轮操作控制。该冷成形工艺的结果是把这张扁平圆片变为一个接近最终直径又特别直的细长杯形件。这种工艺能生产具有特别薄的壁的零件，由于拉深过程中材料本身的冷作硬化，这些零件又有比较高的强度。
图3a-3d示意性地示出了送进过程中几个典型的工序。它们从图3a中的圆片12(a)开始，根据气门的最终长度经过若干中间工序，如图3b和图3c所示。工件在夹具28b-28d中定位，而凸轮致动的上模即芯棒30b-30d与工件结合将其拉伸至所希望的形状。修整喇叭形开口端、精整圆角部分的半径和获取杆部的最终直径这几个附加工序也可在拉深工序中或放到拉深工序完成后进行。也可实施进一步的压力加工以保证气门尾端成为所希望的最终形状(图示的实施例中为平头形状)。
参阅图4和图5，本发明还可包括这样一道工序，它把卡槽26的成形作为冷成形工艺的一部分。在此工序中，几乎完全成形的工件被送进到自动传递式压力机的一个工位。在此工位工件进入两块模板32和34之间，两模板用齿轮或其它方式联接在一起，如图5上两个箭头所示作相反方向的运动，在模板之间滚轧工件。为成形卡槽26，模板32上有一个经滚花或具有其它高摩擦力的表面33用来夹紧工件，而模板34有一个呈斜面的凸块35用来压移工件壁的材料以形成卡槽。也可使用其它成形卡槽的方法，包括使用许多围绕工件可作经向移动的圆模。由于材料移动的原因，保证尾端形状和获得杆部最终尺寸的最后一道工序在滚轧卡槽工序之后进行。虽然本文所示为一道卡槽结构，然而可以理解，如果一种特殊发动机设计需要或为了提供附加的刚度，也可成形各种形状的多道卡槽。
上述加工过程制成的最终气门杆件12其特征是有一个整体的尾端和除圆角区及尾端部各自的厚度t1、t3与图3a中的初始金属薄片12a的厚度基本相同外，杆部直线部分全长上的壁非常薄。
参阅图6、图7可知道壁厚关系和帽盖14的设计的重要性。图6、图7提供了两种形状相似、充填50%钠钾冷却剂的中空排气气门的温度、应力和强度的比较曲线。
图6a-6c画出一个以400系列马氏体不锈钢或21-2n不锈钢为材料钻了孔的用先前工艺制造的气门，以及由实验数据和/或有限元分析法得到的各种结果。图7a-7c画出了一个按本发明制造的气门及由实验和/或有限元分析法得出的各种结果。
参阅图6b和6c，可看到最大应力和最大温度都出现在圆角区，大约位于中心线和气门座接触面中间。温度曲线上在此点处的显著峰值导致材料强度曲线上相应的低谷。
图7b和图7c表示用本发明的气门可期望获得的特性，其中这种壁厚特别薄的结构改善了热传导特性和应力曲线。可以看出，虽然最高温度发生在与先有技术制造的气门上相同的区域，但温度曲线几乎是平直的。在本发明的气门中，杆部特别薄的壁截面与跨搭气门杆喇叭状圆角部分的帽盖设计相结合会把最高应力区从气门中心线向外移向温度相对较低的气门外缘。最大应力区与最高温度区的这种分离为选择可以使用的材料提供了较大灵活性，因为材料在较低温度下强度性能较高。强度曲线比较平坦也使材料选择有较大的灵活性。这种结构的另一优点是杆部与帽盖间的焊接头也可位于较低的温度区。
再参阅图2a，所示的实施例中帽盖14的设计提供了最高强度、刚度和最小重量的最佳结合，这在很大程度上影响了最大应力的位置和数值大小。参阅图8和9所示本发明的另一个实施例其中，帽盖14b有一个平顶的燃烧面22a和在内表面上形成图8中实线所示的多条肋28或在燃烧面上形成如图中虚线所示的肋28′。这些肋对帽盖起加强肋的作用，并与图1实施例中斜角结构起基本相同的功效。肋的另外作用是增加帽盖的表面积以改善热传导。
参阅图10，该图所示为另一种实施例。帽盖14d被制成在气门座接触面区域留下一道空隙，此空隙中填充硬的气门座覆面材料，如钨铬钴合金或其它熟悉的硬覆面材料，然后精加工到最终气门座接触面形状成为硬质气门座接触面20a，同时也把帽盖装接到气门杆件12a上。这种构造用于需要特别硬的气门座接触面场合，例如飞机发动机和要在一道工序中同时把帽盖装接到杆部上并形成硬质气门座接触面的情况。
图11所示实施例中，气门杆件12b做成这样形状气门座接触面20b成形在气门杆件上，帽盖14b装配在杆件内部并在标号38处焊接到气门杆件上。在所示实施例中，帽盖制成平顶的燃烧面，然而可以理解帽盖也能制成各种特殊形状，包括在此所述的并且也可包括上述的带肋结构。
图12图示了一个实施例，其中的气门座接触面20c成形在杆件上，帽盖14c在标号39处对接焊到杆部上。同样，帽盖的特殊形状可以如对图11所作描述那样变化。
虽然本发明的气门10可以在不加冷却剂的情况下使用，特别是作为进气气门，以利用其重量特别轻的优点，但对排气气门则期望将如钠钾(NaK)那样的冷却剂或水，在完成将帽盖14焊接到杆部12之前将它们加到如图1中虚线所示且标号42标示的设计选定的水位，以加强冷却效果。虽然加入这样的冷却剂在现有技术中是众所周知的，但通过比较图13b和13c可见本气门的特别薄的壁截面大大增加了可使用冷却剂的体积，也大大增加了暴露给冷却剂的热传导面积。同时，由于填充冷却剂的气门中气门壁成为从内部冷却剂到外部气缸盖里气门导管的热传导阻挡层，本发明中气门的特别薄的壁截面使此阻隔作用减至最小。
在排气气门中加入内部冷却剂是众所周知的，而把这样的冷却剂加入进气气门里已经证实在一定场合可大大减少沿圆弧上的积垢。按本发明增加气门的冷却效果可期望进一步减少这样的积垢。
图13a，13b和13c显示了几种相同杆部和头部直径、相同长度但使用三种不同结构的发动机气门。图13a显示了先有技术的实心气门，图13b显示了先有技术的具有钻孔的气门杆的气门，而图13c显示了本发明的气门。下表1比较了使用用于经置换的体积(即气门外形的总体积)和重量的计算值并用相似材料制成的一种典型旅客车发动机气门的规格。
表1
参阅此表，可看出按本发明制造的气门比相同直径的实心气门轻59%，在空重状态下比有孔气门轻47%。还可看出，即使在按本发明制造的气门中加入冷却剂，具体来说充填50%钠钾共晶合金，仍会有显著的重量优点。
图13c所示的气门图示了按本发明制造的一个典型气门，最小壁厚0.5毫米仅是图示气门所用来显示的一个最小值，而不是一个绝对最小值。如果加入一种在气门的工作温度下蒸发的冷却剂，甚至更薄的壁截面也能达到，因为冷却剂蒸发时，增加的内部压力将提高气门结构的刚度。这有点象铝罐充入碳酸气饮料时它的刚度就增加的情况。
表2比较了一系列图13b结构形式的先有技术的实际进排气门设计和图13c所示本发明结构形式的实际设计中气门杆内外径、总的体积即置换体积和内腔容积。
表2<
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权利要求
1.一种超轻的内燃机菌形气门(10)，它包括一个杆部(12)、一个帽盖部(14)、一个尾部(18)和一个在该杆部和该帽盖部之间形成一过渡区的喇叭形的圆角部(16)，所述杆部、尾部和圆角部为单体薄壁圆柱件，它在其圆角端开口，在尾端封闭，所述帽盖部是由一个固定在上述圆角部的盘状的帽盖件形成的。
2.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于所述的圆角部有第一最大的壁厚(t1)，所述杆部有比所述第一最大壁厚薄的第二最大壁厚(t2)，所述尾部有比所述第二最大壁厚厚的第三壁厚(t3)。
3.一种如权利要求2所述的气门，其特征在于所述的第三壁厚大体均匀以及所述的第一最大壁厚与所述的第三壁厚大体相等。
4.一种如权利要求3所述的气门，其特征在于它包括一个在所述杆部与所述尾部相交处形成的斜切面(19)。
5.一种如权利要求4所述的气门，其特征在于所述的斜切面的角度为40±10°。
6.一种如权利要求1至权利要求5中任一项所述的气门，其特征在于它包括一道或多道在其杆部上成形的卡槽(26)。
7.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于所述帽盖件的顶面形成一燃烧面(22)，该燃烧面暴露在由所述内燃机产生的燃烧压力中;所述的顶面是以与所述杆部的纵向轴线的垂线成第一角度(a)形成的回转面，而与所述燃烧面相背的表面是以与所述杆部的纵向轴线的垂线成第二角度(b)形成。
8.一种如权利要求7所述的气门，其特征在于所述的第一角度为零度，而所述第二角度也为零度。
9.一种如权利要求7所述的气门，其特征在于所述的第一角度和所述的第二角度都大于零度且相等。
10.一种如权利要求7所述的气门，其特征在于所述的第一角度大于所述的第二角度。
11.一种如权利要求7所述的气门，其特征在于所述的第一角度小于所述的第二角度。
12.一种如权利要求7至11中任一项所述的气门，其特征在于所述的帽盖件上形成一条或多条径向配置的肋(28)。
13.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于所述的圆柱件是通过使扁平金属毛坯件(12a)经过多道冷成形工序的方式制成的，在这些工序中直径减小而长度增加的芯棒(30b，30c，30d)是顺序与上述毛坯结合。
14.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于它包括一个在所述帽盖件上成形的气门座接触面(20)。
15.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于它包括一个在所述圆角部上成形的气门座接触面(20b，20c)。
16.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于它包含一种装入所述气门里的可蒸发液态冷却剂。
17.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于置换体积与空腔容积之比小于3.25。
18.一种如权利要求1所述的气门，其特征在于气门杆外径与内径之比小于1.25。
19.一种内燃机超轻菌形气门，它包括一个杆部、一个帽盖部、一个尾部和一个作为所述杆部与所述帽盖部之间过渡区的喇叭形的圆角部;所述杆部是空心的，并且杆壁截面十分薄使得该气门上的最大应力点由于所述内燃机产生的燃烧压力而出现在离气门纵向中心线很大距离的位置。
20.一种如权利要求19所述的气门，其特征在于所述的最大应力点位于从所述中心线到气门外缘径向距离的至少70%的点处。
21.一种如权利要求19所述的气门，其特征在于所述杆部、所述尾部和所述圆角部是形成为一件整体的圆柱状元件，该元件在其圆角端处开口而在尾端处封闭;所述的帽盖部是由一个固定在所述圆角部上的盘状帽盖件形成的。
22.一种制造内燃机用超轻菌形气门(10)的方法，它包括下述工序加工扁平的金属坯料(12a)，使其经过多道冷成形工序，这些工序中直径缩小而长度增加的几个芯棒(30b，30c，30d)依次顺序和所述毛坯结合，把所述毛坯拉深成有一大体平整的封闭端和一个喇叭形的开口端的细长圆柱件(12，16，18)，再把一个基本上是盘状的帽盖件(14)焊到所述的喇叭形开口端。
23.一种如权利要求22所述的方法，其特征在于它包括通过向内移动所述圆柱件的壁来在所述圆柱件上成形一道环形槽(26)的工序。
24.一种如权利要求23所述的方法，其特征在于所述壁的位移是在平行工具零件(32，34)的表面中间夹紧所述的圆柱件，然后使两工具零件作与所述表面平行的相反方向运动，其中一个工具零件上制有一斜面状的凸块(35)。
25.一种如权利要求24所述的方法，其特征在于在另一件工具零件上制有一个能咬入上述圆柱件上的摩擦表面(33)。
26.一种如权利要求21或22所述的方法，其特征在于它包括在所述的焊接工序前将冷却剂加到所述气门内部的工序。
27.一种内燃机超轻菌形气门的制造方法，其包括这样的工序使一个金属毛坯经过多道冷成形工序拉深成一个具有一封闭端和一个喇叭状开口端的细长圆柱件，然后在喇叭状端部焊上一个基本上成盘状的帽盖件;所述的毛坯经过几道冷成形工序后足以减小所述圆柱件的壁厚到一定尺寸，该尺寸导致所述气门的最大应力点由于所述内燃机产生的燃烧压力而位于离所述气门纵向中心线充分远的距离处。
28.一种如权利要求27所述的方法，其特征在于所述最大应力点位于从所述中心线到气门外缘经向距离的至少70%处。
全文摘要
一种用于内燃机的超轻菌形气门(10)。该气门是通过将一个坯料(12a)冷成型为一个细长的杯形件的方式成型的，该杯形件具有一个非常薄的壁和一个其上焊接有一个帽盖的喇叭形开口端，该杯形件的底端(18)形成该气门的底端，该气门的壁截面的厚度与原始坯料的厚度基本上相同。本发明的一个内容是，在靠近尾端处形成有一个卡槽(26)，其作为冷成型工艺的一部分。
文档编号B21K1/22GK1094123SQ94103738
公开日1994年10月26日 申请日期1994年4月1日 优先权日1993年4月1日
发明者J·M·拉森, D·L·邦斯蒂尔 申请人:易通公司