超轻的内燃机菌形气门及其制造方法技术

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。本发明专利技术的一个内容是，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。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，本专利技术提供一种气门，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。根据本专利技术，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。根据本专利技术，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。在本专利技术中，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。根据本专利技术的一个方面，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，按本专利技术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。然而本专利技术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。按本专利技术的另一方面，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。本专利技术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附图说明图1是本专利技术气门的剖面图;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图示出本专利技术的排气门表面的典型应力和温度分布;图8是本专利技术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是本专利技术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专利技术气门的剖视图。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。按照本专利技术，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，本专利技术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用本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JM拉森，DL邦斯蒂尔，
申请(专利权)人：易通公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]