专利名称：制造火花塞电极的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造火花塞电极的方法。
火花塞用于内燃机以点燃燃烧室中的燃料。因此，火花塞电极经受到高热和极端的腐蚀性气氛。为了在某种程度上提高火花塞的寿命，中心电极和置于中心电极旁边的侧线材电极是用一种良导热材料如铜制造的，并在其外包上一耐腐蚀材料如镍制成的护套。
制造火花塞用的铜镍电极可用多种方法实现。例如，发布于1974年4月16日、题目为“生产火花塞中心电极的方法”的美国专利3803892中描述了一种用两种材料的扁平板压制铜镍电极的方法。发布于1941年11月4日、题目为“火花塞及其制造方法”的美国专利2261436中，叙述了如何将铜和镍冷锻(挤)成单根长线材，然后再切割成较短长度以用作火花塞中的电极。发布于1970年12月22日、题目为“火花塞及制造火花塞中心电极的方法”的美国专利3548472，叙述了一种方法，该法通过几步工序用冷成型工艺制成一外部镍制的杯形护套，然后将一铜线材插到杯形套中，再将此两种材料紧压在一起。
发布于1974年12月31日，题目为“生产火花塞中心电极的方法”的美国专利3857145，公开了一种工艺，该工艺将一铜芯材插入一镍件中，用一箍状部分使两者紧密相连以确保形成一电流通道。
用上述公开的诸方法生产的火花塞电极，用于在实施美国1977年的干净空气法规之前制造的车辆上，是令人满意的。在1977年后，由于发动机和燃料的改变，大多数车辆的工作温度提高了。发动机和燃料改变的结果，使发动机中的一些运转部件经受到排气的腐蚀作用。例如，在无分配器点火系统中是每隔一个火花塞反向点燃的。这样，中心和侧线材电极都发生电极端腐蚀，腐蚀取决于要求火花塞正向点燃还是反向点燃。如果火花塞是正向点燃，则中心电极的腐蚀显著;如果火花塞是反向点燃，则侧线材电极上的腐蚀显著。如此，即使火花塞的镍中心线材和侧线材电极能耐受大多数氧化物，在工作于燃烧温度和暴露于燃烧和循环气体一段时间后，也会发生腐蚀和烧蚀。一旦发生了腐蚀和烧蚀，电流通道受损坏，就造成燃烧效率的降低。
美国专利4705486公开了制造电极的几种方法，其中一铂圆盘被焊到一铬镍合金中心线材的端部上。此后，将中心线材置于一模子中挤压成最终所需的长度，使铂盖住焊接处以便在用于火花塞正常操作中时防止中心线材与铂圆盘之间的电流通路受损坏。
在致力于降低电极的制造成本中，美国专利4725254公开了一种制造方法，此法将一带有一铜芯的铬镍铁合金中心线材挤压成所需的长度。将一铂带材轧制到一所需的厚度，再冲制成圆盘。该圆盘呈一带周边突缘的杯状。圆盘和中心线材被置于一夹具中并彼此相向移动，使圆盘包围住线材端部。当电流从铬镍铁合金中心线材的端部流到铂圆盘时，就产生一电弧，从而导致热能的产生。电流持续到热能足以熔化在线材端部与圆盘之间连接处的铬镍铁合金。此后，电流就中止。保持在圆盘上的压力使铬镍铁合金端部与端帽熔融在一起，从而形成一冶金接合或结头而完成电极的制造。
制造一带有一铂帽的中心电极的方法是令人满意的，并满足车辆的现行操作要求。可惜，铂的成本导致帽成本等同或大于火花塞中的其它零件。
在致力于降低电极用铂的成本中，产生了一种方法，此法用一在铬镍铁合金件与铂球之间的冶金接头将该铂球夹持住，而不是象与此同时申请的共同待批美国专利600-87-010中公开的那样靠一用突起部撑围方法形成的环形突起部夹持的。
在本发明中，中心线材电极的突起部的轴向中心和侧线材电极表面的中心是做上标记的。铂球置于一夹具中，而中心线材的轴(向)中心位于铂球上方。在中心线材和铂球上同时加上压力和电流。当电流通过中心线材与铂球间时，在轴(向)中心和铂球的连接处产生了热能。热能使中心线材的材料(铬镍铁合金)熔融，并靠重力流在球的四周。当铬镍铁合金复盖了至少球的一半时，就中止所加的电流和压力。
类似地，在侧线材装上金属壳后，侧线材的中心与铂球对准，施加一压力同时在侧线材与球体之间通过电流。在侧线材和球的连接处产生的热能，使侧线材的材料熔融并流在球的四周。当有约一半的侧线材球被复盖后，就中止所加的压力和电流。
此后，将中心线材置于一在金属外壳中的陶瓷件中。这样，就确定了侧线材上的铂球与中心电极间的直线间距。当按照这种方式制造的火花塞在一车辆发动机上使用一段较长时间后，该直线间距仍保持不变。
这种制造电极的方法的优点是，铂件的形状能被精确地控制，可以选用最小尺寸的铂球来保护铬镍铁合金线材，使制造成本不会比传统的火花塞显著增加。
本发明的目的是提供一种制造火花塞的方法，该火花塞有一中心电极和一侧电极并有铂球焊接在铬镍铁合金电极上，使它们之间的直线间隙不因暴露于燃烧气体而受到影响。
本发明的另一目的是提供一种制造电极的方法，此法将一铂球焊到一铬镍铁合金电极上，再将一部分的球体整平以形成一保护表面，该表面延伸复盖焊接处以形成一导电通路，该导电通路基本上不会受到由发动机产生的腐蚀性气体造成的电极烧蚀的影响。
通过阅读本说明书和附图，这些目的及其它目的将会一目了然，附图中
图1是一段从铬镍铁合金线材原材料切割下来的圆柱体坯料;
图2是一视图，表示图1的圆柱体坯料的第一端经挤压形成一端部，在第二端上形成一凹口;
图3是一视图，表示图2的坯件凹口部经再次挤压后被加长了;
图4是一视图，表示在图3的坯件的杯状腔中插入了一铜芯，杯状腔是由凹口加长后形成的;
图5是一视图，表示将图4的坯件挤压到最终所需的长度而形成一中心线材;
图6是一视图，表示在图5的中心线材的铜芯中央部位开出一条横槽;
图7是一视图，表示沿图6的中心线材的轴(向)中心有一凸起部分;
图8是一表示图7的中心线材第一端的端部的放大的剖视图;
图9是图7所示的中心线材置于一夹具中的剖视图，该线材突起部分的轴向中心位于铂球上方;
图10表示在图9所示的中心线材和铂球上加力并通电使中心线材熔融并流在铂球上后形成在两者之间的接头的放大视图;
图11是沿图10中“11-11”线的视图;
图12是中心电极的剖视图，其中铂球被整平后复盖了第一端凸出部的大部分面积;
图13是沿图12中“13-13”线的视图;
图14是中心电极的剖视图;
图15是侧电极的剖视图，在该电极上焊有一铂球;
图16是表示一现有技术的火花塞的放大视图，图中示出了侧线材电极和中心线材电极之间的关系;和图17是一火花塞的放大视图，图中示出了按照本发明的火花塞的侧线材电极与中心线材电极之间的关系。
制造火花塞用电极的方法已由附图所示的各工序一一示出，其中图1表示一段耐腐蚀金属材料，其尺寸为0.139×2″，它是从一卷线材上切下的。最可取的金属线材是耐腐蚀的含镍、铬的铁合金，如铬镍铁合金。有一种这样的铬镍铁合金，商品名称为Hoskins合金831，它含有75%的镍，15%的铬和7%的铁。
在一段铬镍铁合金线材10上涂上标准冷镦润滑剂后，将其置于模中，这样的润滑剂是带有耐极高压添加剂，硫，氯和中性动物油脂的油。这种油常常是硫化油脂和氯添加剂的混合物，不少润滑剂制造厂商均有供应。冷镦中润滑剂是减少模子磨损，促进表面光洁和防止模子粘住从而损伤、擦伤以及咬住工件所必不可少的。在冷镦操作中，润滑剂的硫和氯组份形成硫化铁和氯化铁，这些硫化铁和氯化铁防止模子与工件焊合，因此起到了与固体润滑剂相同的作用。这种润滑油的一个例子是俄亥俄州Frankin油公司生产的TUF-DRAW21334。
在线材10切割成如图1所示的坯料并经润滑后，将其置于第一模中，将第一端12和第二端14压制成方形以形成平整表面，端12被挤压形成一端部，而在端14上形成一凹口15，如图2所示。此后，此圆柱体状坯件10被送到第二模，再次被挤压，形成从凹口15延伸的中心孔16，如图3所示。如图4所示，将一铜芯18插入孔16后，将圆柱形坯件10送到第三模，再将其挤压成一预定长度(如图5所示)，以制成中心线材20。中心线材20有一带一锥形表面24和一凸缘26的台肩22。
中心线材20从第三模卸下后被带至一工作台，在此工作台是在铜芯18上形成一横槽28以完成其加工。按照上面陈述的工序加工的中心线材20如果插到如图16所示类型的现有技术的火花塞32的资料或陶瓷体30中。其性能足以在大多数运行条件下工作，并满足现行汽车的寿命要求。
此中心线材20接着被送至第四模，按照本发明的公开技术进一步加工。在此模中，在第一端12的凸出部的轴向中心34上做出一标记以制造成如图7和8所示的中心线材80。通常在轴向中心34上做的是一个表明中心位置的记号，但也可以做一个凹部。如在凸出部上做出凹部，该凹部不能超过铂球36直径的(25-40)%，铂球是在另一工作台被焊接在凸出部上的。这样的凹部除了有助于使球36基本上对准中心线材80的轴向中心外，还有利于为电流的通过提供较大的初始表面积以形成焊接结头。
这种中心线材80上的凹部可在如图2-6所示的诸延伸工序中的任一工序时制在凸出部上。
在中心线材80被送到如图9所示的工作台之前，至少将中心线材80的第一端12上的凸出部通过一清洗台，以除去其上的油和任何氧化物，这些东西会影响此后凸出部与铂球36之间的焊接质量。
置于焊接工具头部上的铂球36的直径为0.030英寸(0.076厘米)。铂球36的直径可小到0.020英寸(0.051厘米)，大到0.050英寸(0.127厘米)。然而，由于铂的市场价格较高保护下面的铬镍铁合金的铂的数量应选择最小的量。
位于图9所示的工作台的焊接机是具有现代技术水平的焊接设备，从俄亥俄州沃伦的Taylor-Winfield公司购得，其型号为EBA-11/2。
中心电极80的端部12上的凸出部分的轴向中心34位于铂球36的上方。开关42使电流从电源40流到触头44，通过铂球36进入铬镍铁合金中心电极80后回到接地端。在电流通过的同时，在中心电极80上施加一压力“F”以在轴向中心34和球36处形成一机械连接。
根据试验，下列焊接参数被认为是令人满意的施加于中心电极80上的压力“F”为约9-25磅，电流为500-1500安培。
流过机械连接或接头的电流所产生的热能足以熔融轴向中心34附近的铬镍铁合金。重力使熔融的合金流动并形成一如图10所示的、围在球36外的环44。当至少一半球体被铬镍铁合金复盖时，转动开关42，中断来自电源40的电流，并撤去作用力“F”。围住球的铬镍铁合金流形成一冶金结头，它近似等于球36的总表面积的一半。从图11可清晰地看出，球36位于电极80的端12的凸出部的轴向中心。对于有些用途，球36可以突出于端12的凸出部，但是，对于大多数一般的用途，都希望增大保护凸出部的面积。因此，将电极80送到一工作台，在此施加一压力以如剖视图12和端视图13所示形式将球36压平。
从图12可以看出，约500磅(226.8公斤)压平铂球的力使环44折回到其自身上。圆盘46复盖近似于端12的凸出部直径的一半，而圆顶部45完全填满沿中心电极80的轴向中心形成的凹部。
图15是一带有一压平的铂圆盘46的实际中心线材电极80的剖视示意图。圆盘46的直径延伸超过了凸出部48的边缘以保护环44。虽然铬镍铁合金环44被压缩到端12中，铂圆盘46在凸出部上形成一均匀表面，以供电流的通过。铂圆盘边缘47的厚度经测量为0.002-0.006英寸，而圆盘的直径为0.05-0.06英寸。这样，很明显一铂球能提供近似于两倍于其原始直径的表面复盖区。
此后，中心电极线材80装于一陶瓷绝缘子30中，并固定于一金属外壳60，如图17所示。
如图14所示的对侧线材电极62的加工，遵循将一铂球焊到一铬镍铁合金件上的同样的工艺。侧线材62焊到金属外壳60上，然后，在其中心放上一铂球36，接着通上电流并同时施加一压力于铂球上。产生的热能使铬镍铁合金环64流到球36的四周，形成一冶金结头。当至少一半的球体36被铬镍铁合金复盖时，中断电流，撤走压力。此后，使一模子与球体36接触，将球体36压平，以形成圆盘72和填满凹部52的圆顶部。此后，将中心线材80放到一位于金属外壳60中的陶瓷件30中，以完成火花塞82的加工。
为了评价火花塞82，对一如图16所示的普通火花塞32进行750小时的工作试验，以模拟发动机参数。试验前，按照发动机技术要求设定好侧电极60的表面160与电极20端部上的凸出部12之间的间隙“g”。测试阶段结束时，燃烧气体和运行将侧线材61烧蚀成如虚线59所示的情况，而中心线材烧蚀成如虚线21所示。从图中可以看到，间隙从“g”变为“gx”。对于大多数工作情况，火花隙的这种变化是不能令人满意的，因为发动机不能通过操作标准。
图17所示的火花塞17在与火花塞32相同操作条件下进行试验。由于铂球不受燃烧气体的影响，在测试阶段结束时，侧线材62被烧蚀到虚线84所示的情况而中心线材80被烧蚀到虚线86所示的情况，故圆盘表面46与72之间的间隙“g”的变化几乎测不出来。这样，按本发明公开的工艺制造的火花塞82，其使用寿命基本上与车辆的相等。
权利要求
1.一种制造火花塞用电极的方法，包括以下步骤从一铬镍铁合金线材上割下一段以形成一有一第一端和第二端的圆柱体坯件；置所述圆柱体坯件于一第一模中，所述第一模在所述第一端上挤压成型出一凸出部；置所述圆柱体坯件于一第二模中，所述第二模在所述圆柱体坯件中形成一从所述第二端向所述第一端延伸的、挤压成型的杯状腔；将一铜芯插于所述杯状腔中；将所述圆柱体坯件和铜芯置于一模中，以将其挤压到一为最终中心线材所需的、在所述第一端和所述第二端之间的预定长度；确定出所述凸出部的轴中心的位置；将一用铂做成的第一铂球置于一夹具中；将所述凸出部的轴(向)中心置于所述第一铂球的上方；施加一压力于所述中心线材上，同时在中心线材和第一铂球上通上电流，所述电流在轴(向)中心和第一铂球的连接处产生热能，所述热能使连接处的凸出部的铬镍铁合金熔融并流在所述第一铂球的四周；当近似百分之五十的所述第一铂球被铬镍铁合金所复盖时，切断电流，撤走压力；和将所述中心线材送至一模，在此模中，所述第一铂球被整平成一第一圆盘，它有一与所述中心电极凸出部冶金连结的圆顶部。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重力使熔融的铬镍铁合金均匀流在第一铂球的四周。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，加于所述中心电极上的压力在9-25磅之间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，施加以产生热能的电流在530-1500安培之间。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，铂球被熔融的铬镍铁合金复盖所需的时间约0.5秒。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铂球的直径约0.030英寸。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述凸出部的轴(向)中心有凹部，所述凹部的深度与第一铂球直径的比约1∶4。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从原材料上割下一第二段铬镍铁合金线材;将所述第二段铬镍铁合金线材置于一模中以在所述铬镍铁合金线材的侧面形成一第一表面;确定出所述第一表面的中心位置;将一用铂做成的第二球置于一夹具中;将所述第一表面的所述中心置于所述第二球的上方;将一压力及电流同时旋加于所述第二线材和第二铂球上，所述电流在所述第一表面和第二球的连接处形成热能以使络镍铁合金流在第二球的四周;和当近似百分之五十的第二球被铬镍铁合金所复盖时，切断电流，撤走压力。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤将所述第二线材送至一模，在此模中，所述第二铂球被整平成一第二圆盘，它有一与所述第二线材的所述第一表面冶金连结的圆顶部，从而完成一侧电极。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤将所述中心电极置于一在一金属外壳中的陶瓷夹具中;将所述第二线材连接于所述金属外壳上;和将所述第一、二圆盘相互对准以在所述中心电极的凸出部与所述侧电极的第一表面之间形成固定的间隙。
全文摘要
一种制造火花塞用电极的方法，中心电极和侧线材的中心上做有标记。第一铂球置于一夹具中，中心电极凸出部中心与第一球对准。在中心电极上同时加以压力和电流。产生的热能使中心电极铬镍铁合金熔融并流在铂球的四周。侧电极与金属外壳相连，第二铂球与侧电极冶金结合。中心电极置于陶瓷绝缘子中并固定在金属外壳中。第一、二铂球的表面之间的间隙“g”在火花塞使用期内保持不变，因为第一、二铂球基本上不受发动机燃烧气的影响。
文档编号H01T21/02GK1039933SQ8910368
公开日1990年2月21日 申请日期1989年5月22日 优先权日1988年6月6日
发明者戴维·约瑟夫·穆尔 申请人:阿莱德讯号公司