점화 플러그용 전극제작을 위한 방법

점화 플러그용 전극제작을 위한 방법

제1도는 인코넬와이어 원료(source)로 부터 절단된 원통형 블랭크(blank) 도면.

제2도는 제1도의 원통형 블랭크를 압출하여 제1단부상의 팁과 제2단부상의 압입자국을 형성한 도면.

제3도는 제2도의 원통형 블랭크를 더 압출하여 압입자국을 신장시킨 도면.

제4도는 제3도의 압입자국에 의해서 규정된 컵에 삽입된 구리코어를 가진 블랭크 도면.

제5도는 최종의 필요 길이로 압출하여 센터와이어를 형성한 제4도의 블랭크 도면.

제6도는 구리코어센터에 형성될 크로스 슬릇(closs slot)을 가진 제5도의 센터와이어 도면.

제7도는 제1단부의 팁을 가진 축센터를 도시한 제6도의 센터와이어 도면.

제8도는 제7도에 있어서 센터와이어의 제1단부의 팁의 확대 단면도.

제9도는 백금구체위에 위치된 팁의 축센터와 함께 고정물에 놓여진 제7도의 센터 와이어의 단면도.

제10도는 전류와 압력으로 센터와이어를 용해시켜 백금 구체상으로 유동하게 한 후의 제9도의 센터 와이어와 구체의 접합부의 확대도.

제11도는 제10도의 라인 11-11에 따라 취해진 도면.

제12도는 제1단부의 팁의 더욱 큰 면적을 커버하기 위해서 편평하게 된 백금구체를 가진 센터전극의 단면도.

제13도는 제12도의 라인 13-13에 따라 취해진 도면.

제14도는 센터전극의 포토그래프 단면도.

제15도는 야금결합되는 백금구체를 가진 센터 전극의 단면도.

제16도는 사이드 및 센터와이어 전극들 사이의 관계를 도시한 종래기술 점화 플러그의 확대도.

제17도는 본 발명의 요지에 따라 제작된 사이드 및 센터와이어 전극 사이의 관계를 도시한 점화 플러그의 확대도.

본 발명은 점화 플러그용 전극을 제작하는 방법에 관한 것이다.

점화 플러그는 연소실에서 연료를 점화시키는 내연기관에서 사용된다. 그러므로, 점화 플러그 전극은 강렬한 열과 극도의 침식적인 분위기를 받는다. 어느 정도의 수명을 점화 플러그에 제공하기 위해서, 사이드 와이어와 샌터전극은 니켈과 같은 내식성 재질의 재킷에 의해 둘러쌓인 구리와 같은 양호한 열전도성 재질로 만들어진다.

점화 플러그용 구리와 니켈 전극의 제작은 다양한 방법으로 수행된다.

예를들면, 1974년 4월 16일에 "점화 플러그 센터 전극을 생산하는 방법"의 명칭으로 륵허된 미국특허범호 제3,803,892호는 2개의 재질의 편평한 플레이트로 부터 구리와 니켈 전극을 압출시키는 방법을 개시하고 있다.

"점화 플러그 및 점화 플러그 제작방법"의 명칭으로 1941년 11월 4일 허여된 미국특허번호 제2,261,430호는 구리와 니켈을 하나의 긴 와이어로 형철(swage)한 다음에 점화 플러그의 전극으로 사용하기 위해서 더욱 작은 길이로 절단하는 방법을 개시하고 있다. "점화 플러그 및 점화 플러그용 센터 전극 제작방법"의 명칭으로 1970년 12월 22일에 허여된 미국특허번호 제3,548,472호 몇단계에 의해서 외부 니켈 컵형상의 슬리블 형성시킨 다음에, 구리 와이어의 피스를 컵에 삽입시켜 2개의 재질을 상호 가볍게 가압하는 냉각방법을 개시하고 있다. "점화 플럭 센터전극을 제작하는 방법"의 명칭으로 1974년 12월 31일에 허여된 미국특허번호 제3,857,145호는 구리 센터를 니켈부재에 삽입하여 전류흐름진로가 확실히 생기도록 칼라(collar) 부재에 의해서 니켈부재에 부착하는 공정을 개시하고 있다.

상기에서 개시된 방법에 의해서 생산된 점화 플러그 전극은 미국에서 1977년의 공기 정화법령 실행전에 제작된 자동차에 사용될 때는 만족스러웠다. 1977년후에, 엔진과 연료의 수정과 함께 대부분의 자동차의 작동온도는 증가되었다. 엔진 및 연료의 변경이 결과로서, 엔진의 몇개의 작동부품은 배기개스의 부식영향을 받아왔다. 예를들면, 디스트리튜우터(distributor)가 없는 점화 시스템에서, 모든 다른 점화 플러그는 역극성에서 점화한다. 이로써 점화 플러그가 정상극성에서 점화하는지 또는 역극성에서 점화하는지에 따라서, 센터와 사이드 전극 모두에 갭(gap) 침식이 인지되고, 점화 플러그가 역극성에서 점화하면 침식은 사이드 전극에서 인지된다.

그래서, 비록 점화 플러그용 니켈센터와이어 및 사이드와이어 전극들이 대개의 산화물에 견딜지라도, 연소온도에서의 작동시간주기와 연소 및 순화 개스에 노출된 후에 부식과 침식은 일어난다. 일단 부식과 침식이 일어나면, 전류 흐름 진로는 저하되어 낮은 연료효율의 결과를 가져온다.

미국특허번호 제4,705,486호는 백금 디스크가 인코넬(inconel)의 센터 와이어의 팁에 용접된 전극을 제작하는 방법을 개시하고 있다. 그때부터, 센터와이어를 다이(die)에 올려놓고 최종의 원하는 길이로 압출시킴으로써, 점화 플러그에 사용될때 정상작동하는 동안 백금이 용접부를 피복하여 센터와이어와 백금 디스크 사이의 전류흐름 진로의 저하를 방지하고 있다.

전극의 제작비용을 감소시키기 위한 노력으로, 미국특허번호 제4,725,254호는 구리코어를 가진 인코넬 센터 와이어를 필요한 길이로 압출하는 제작방법을 개시하고 있다. 백금 리본은 적당한 두게로 말려져있으며 디스크는 핵금리본으로 부터 펀치된다. 디스크는 둘레에 플랜지를 가진 컵형상을 가진다. 디스크와 센터 와이어는 고정물에 놓여져서 상호를 향하여 이동됨으로써 디스크는 팁을 둘러싼다. 전류가 인코넬 센터와이어의 팁으로 부터 백금 디스크로 통과될패, 아이크가 일어나서 열에너지의 발생 결과를 가져온다. 전류의 흐름은 열에너지가 팁과 디스크 사이의 접합부에서 인코넬을 용융하기에 충분할때까지 계속된다. 그후에, 전류는 차단된다. 디스크에 유지되고 있는 압축력은 인코넬 팁이 말단캡과 함께 용융하여 야금 접착 또는 연결을 형성하고, 이로써 전극제작이 완성된다.

백금캡을 가진 센터전극을 제작하는 방법은 만족스럽고 자동차에 대한 현 작동상의 요구를 충족시킨다. 그러나, 백금 가격은 캡이 점화 플러그의 다른 부품 이상의 비용이 들게하는 결과를 가져온다.

전극용 백금 비용을 줄이기 위해서, 계류중인 미국출원번호 제600-87-010호에 개시된 것과 같이, 스테이킹(staking)에 의해서 형성된 환형 립(lip)을 통하기 보다는 인코넬부재와 백금구체 이의 야금 전착에 의해서 백금구체를 보유하는 방법이 창출되었다.

상기 발명에 있어서, 센터와이어 전극팁의 축선 센터 사이드 와이어 전극의 표면센터는 동일하다. 백금구체를 고정물에 위치시키고 센터와이어의 축선센터를 백급구체위에 위치시킨다. 압축력과 전류를 동시에 센터와이어와 구체에 적용한다. 전류가 센터와이어와 구체 사이에서 흐름에 따라, 열에너지가 축선센터와 구체의 접합부에서 발생된다. 열에너지로 센터와이어의 재질(인코넬)이 용응되게되며, 중력에 의해 구체주위로 유동한다. 적어도 구체의 반쪽이 인코넬로 코팅될때 압축력과 전류를 차단한다.

사이드 와이어가 금속쉘에 부착된 후에, 사이드와이어의 센터를 백금구체에 맞추고 압축력과 전류를 사이드와이어와 구체사이에 가한다. 열에너지는 사이드와이어와 구체의 접합부에서 발생하고, 이것이 사이드와이어의 재질을 응응시켜 구체주위로 유동하게 한다.

사이드 와이어에서 구체의 적어도 절반이 인코넬로 피복될때, 압축력과 전류를 차단한다.

그후에, 센터와이어를 금속 쉘에 있는 세라믹 부재에 위치시킨다. 사이드와이어의 백금구체와 센터전극 사이에 일정한 직선거리가 확립된다. 상기 방법으로 제작된 점화 플러그를 상당한 시간주기동안 자동차 엔진에서 작동한 후에도 상기 일정한 거리는 계속 유지한다.

전극제작의 이러한 방법에서의 장점은 백금부재 형상이 정확하게 제어될수 있음으로써 최소 크기로 할수 있으며, 종래의 점화 플러그에 대한 비용의 실제적인 증가없이 인코넬와이어의 보호를 제공할 수 있다는데 있다.

본 발명의 목적은 인코넬 전극에 야금 접착된 백금구체를 가진 센터 및 사이드전극을 구비한 점화 플러그를 제작하는 방법을 제공함으로써, 그 사이의 선형갭이 연소개스에의 노출에 의해서 영향받지 않는다는 것이다.

본 발명의 목적은 백금구체를 인코넬 전극에 용접하고 구체부분을 편평하게 하여서, 용접부에 뻗어 있는 보호표면은 형성하고 엔진에서 발생된 부식개스로 인한 전극침식에 의해서 실제적으로 영향받지 않는 전류 흐름 진로를 확립하도록 하는 전극제작방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 다른 목적들이 본 명세서와 첨부된 도면을 이해함으로써 분명해질 것이다.

점화 플러그용 전극을 제작하는 방법은 도면에 도시된 여러 단계에 의해서 이루어지며, 제1도는 스푸울 또는 로드(rod)로부터 절단된 약 0.139×0.2"의 크기로 가진 내식성 금속 와이어의 피스를 나타낸다. 바람직한 금속와이어는 보통 인코넬로 알려진 니켈과 크롬을 함유하는 내식성 철 합금이다. 이와 같은 인코넬 금속의 하나로서 호스킨즈(Hoskins) 합금 831이 알려져 있으며 75%의 니켈, 15%의 크롬 그리고 7%의 철을 함유하고 있다.

인코넬 와이어의 피스(10)을 다이에 놓기전에 상기 피스는 표준 냉각 압조 유활유로 코팅하여야 한다. 이와 같은 윤활유는 극도의 압력 첨가물, 즉 유황, 염소 그리고 중성 동물성 지방을 가진 오일이다.

이것은 보통 유황화된 지방과 염소 첨가물의 화합물이며 상당히 많은 윤활유 제조회사들이 이용하고 있다. 윤활은 냉각 압조에서 필수적이며, 이것은 다이 마모를 줄이고 양호한 마무리를 중진시키며 다이로 인한 픽업(pickup)을 방지함으로써 작업 피스의 갤링(galling), 스크래칭(scratching) 및 시징(seiz-ins)을 제거한다. 냉간압조 작동동안, 윤활유의 유황과 염소 성분은 다이의 작업피스로의 접착을 방지하고 고체 윤활유와 동일한 방법으로 작용하는 황화제1철, 염화물을 형성한다. 이와 같은 윤활오일의 한 예는 오하이오주에 위치한 프랭클린 오일 코오퍼에이션(Franklin Oil Corporation)의해 제작된 TUF-DRAW 21334이다.

와이어(10)를, 제1도에서 도시된 바와 같이, 블랭크로 절단하여 율활한후에, 제1다이로 옮겨서 제1단부(12) 및 제2단부(14)를 정방형으로 하여 편평한 표면을 형성하고, 단부(12)를 압출하여 팁을 만드는 한편, 압입자국(5)을 제2도에서 도시된 바와 같이 단부(14)에 형성한다. 원통형 블랭크(10)를 제2다이로 이송하고 더 압축시켜 제3도에서 도시된 바와 같이, 압입자국(15)으로 부터 뻗어있는 센터 보어(컵;160에 삽입한후에, 원통형 블랭크(10)를 제3다이에 이송하여 제5도에서 도시된 바와 같이, 소정의 길이로 더욱 압출시켜(10)를 제3다이에 이송하여 제5도에서 도시된 바와 같이, 소정의 길이로 더욱 압출시켜서 센터와이어(20)를 형성한다. 센터와이어(20)는 테이퍼 표면(24)과 립(26)을 구비한 쇼울더를 가진다.

센터와이어(20)를 제3다이로 부터 이동하여 스테이션으로 운반하고, 크로스(38;cross)클 구리 코어(18)에 형성하여 센터와이어의 제작을 완성시킨다. 상기에서 설명된 절차에 따라라 제작된 센터와이어(20)를 제16도에 도시된 타입의 종래 기술의 점화 플러그(32)의 도기 또는 세라믹 몸체에 삽입한다.

이러한 타입의 센터와이어(20)는 대개의 작동상태하에서 적당하게 성능을 발휘하고 현자동차의 수명 요구를 어느정도 충족시킨다.

센터와이어(20)를 제4다이로 이송하여 본 발명에 따른 추가의 공정을 행하는바, 여기에서 제1단부(12)의 팁의 축선센터(34)를 제7도 및 제8도에서 도시된 바와 같이 결정하여 센터와이어(80)를 형성한다. 보통 흔적으로 있는 축선센터(34)는 단지 하나의 압입자국이다. 압입자국을 팁위에 형성할 때, 그것은 또다른 스테이션에서 야금접착되는 백금구체(36) 직경(D)의 25% 내지 40%를 초과 해서는 안된다.

이와 같은 압입자국은 구체(36)를 실제적으로 센터와이어(80)의 축선센터에 정렬시키는 것을 돕는것 외에 야금 접착을 하기위한 전류에 대해 더욱 큰 초기 표면적을 제공하는 것을 돕는다.

센터와이어(80)의 이와 같은 압입자국은 제2도 내지 6도에서 도시된 어느 압출신장단계 동안에 팁에 형성한다.

제9도에 도시된 스테이션으로 센터 와이어(80)를 운송하기에 앞서서, 적어도 센터와이어(80)의 제1단부(12)의 팁을 나중에 백금구체(36)와의 야금접착을 행하기 위해 오일과 산화물을 제거하는 세정 스테이션을 통과한다.

용접장치의 헤드에 놓여진 백금구체(36)는 0.03인치(.0076cm)의 직경을 가진다. 백금구체(36)의 직경은 0.020 인치(.051cm) 만큼 작게, 0.050 인치(.127cm) 만큼 크게할 수도 있다. 그러나 백금의 시장 가격과 기초가 되는 인코넬을 보호하는데 필요한 최소 백금량을 고려하여 선택되어야 한다.

제9도에서 도시된 스테이션에 놓여진 용접기는 오하이오주 와렌)(Ohio Warren)에 위치한 테일러 윈필드 코오퍼레이션(Taylor-Winfield Corpporation)의 모델번호 EBA-1 1/2로 당해 기술분야에서 판매 되고 있다.

센터전극(80)의 단부(12)에 있는 팁의 축선 센터(34)를 백금구체(36) 위에 위치시킨다. 스위치(42)를 키면 전류가 전원(40)으로 부터 콘택트(44)로 흐르고 백금구체건(36)를 통해 인코넬의 센터전극(80)으로 흘러서 되돌아간다. 전류를 통전시키면서, 압축력(F)을 센터전극(80)에 가해서 축선센터(34)와 기계적 접속을 형성시킨다.

실험으로 부터, 하기의 용접 변수가 만족스럽다고 밝혀졌다. 즉 센터 전극(80)위의 압숙력(F)은 약 9내지 25파운드로, 전류는 500 내지 1500암페어로 할수 있다.

기계적인 접속 또는 접합부를 가로지르는 전류의 흐름은 축선센터(34)에 인접한 인코넬을 용융하기에 충분한 열에너지를 발생시킨다. 중력으로 인해 용융된 인코넬이 흐르게 되어, 제10도에서 개시된 바와 같이 구체(36)주위에 링(44)을 형성시킨다.

적어도 백금구체의 절반이 인코넬로 피복될때, 스위치(42)를 꺼서 전원(40)으로부터 전류의 흐름을 차단시키고 힘(F)을 제거한다. 백금구체 주위로의 인코넬의 흐름으로 대략 구체(36)의 총면적의 절반 만큼의 야금접착을 형성시킨다.

제11도에서 잘 도시된 바와 같이, 구체(36)는 전극(80)단부(12)의 팁의 축선센터에 위치되어 있다.

어떤 적용에 대해서는, 단부(12)의 팁위에 있는 구체(30)의 돌출부가 만족스럽지만, 그러나 대개 보통의 적용에 대해서는, 팁의 보다 큰 면적에 걸쳐서 돌출부의 표면적을 증가시키는 것이 바람직하다. 다음에, 결과로 형성된 전극(80)을 스테이션으로 이송하여 제12도와 제13도에 도시된 바와 같이 압축력을 적용하여 구체(36)를 편평하게 한다.

제12도에서 도시된 바와 같이, 백금을 편평하게 하는데 약 500파운드(1100kg)의 힘을 가하면 링(44)이 젖혀 접히게 한다. 디스크(46)가 단부(12)의 팁 직경의 대략 절반을 피복하는 한편 돔(45)은 센터 전극(80)의 축선 센터를 따라 형성된 압입자국을 완전히 채운다.

제5도는 백금(46)의 편평한 디스클 가진 실제 센터와이어 전극(80)의 개략 단면도이다. 디스크(46)의 직경은 링(44) 보호를 제공하기 위해서 팁(48) 엣지를 지나게 확장시킨다. 비록 인코넬의 링(44)이 단부(12)안에서 압축되어 질지라도, 백금 디스크(46)는 전류흐름을 위해 팁 위에 일정한 표면을 형성한다. 앳지(47)에서 백금의 두께는 0.002-0.006 인치이고 디스크 직경은 0.05-0.06 인치이다. 이로써, 백금구체는 그것의 최초직경에 비해 대략 2배의 표면적을 피복하게 제공할수 있다는 것이 분명하다.

그후에, 센터 전극와이어(80)를 세라믹 절연체(30)에 설치하고 제17도에서 도시된 바와 같이 금속쉘 (60)에 고정시킨다.

제14도에서 도시된 사이드 와이어 전극(62)의 형성은 백금구체를 인코넬 부재에 용접하는 동일한 공정에 따른다.

사이드 와이어(62)를 금속쉘(60)에 용접하고, 그후 센터를 전류와 압력일 동시에 작용하는 백금구체(36)상에 위치시킨다. 열에너지 발생으로 인코넬의 링(64)이 루체(36) 주위로 흐르게 되고 야금 접착이 형성된다. 적어도 구체(36)의 절반이 인코넬로 코팅될때, 전류를 중단시키고 압축력을 제거한다. 이후에, 다이를 구체와 맞물리게 하고 구체(36)를 편평하게 해서 압입자국(52)을 채우는 돔(72)과 디스크(72)를 형성한다. 그후에, 센터와이어(80)를 금속 쉘(60)에 놓여지 세라믹 부재에 위치시켜서 스파이크 플러그(82)를 완성시킨다.

점화 플러그(82)를 평가하기 위해서, 제16도에서 도시된 표준 점화 플러그(32)를 엔진 매개변수를 가장하여 750시간 동안 작동시험하였다. 시험시작전에, 사이드 전극(61)의 면(160)과 센터전극(20)단부팁(12)사이의 갭(g)을 엔진 사양에 따라 설정했다. 시험주기 말기에서 연소 개스와 작동으로 인쇄 쇄선(59)으로 나타낸 바와 같이 사이드와이어(61)가 침식되었고 쇄선(21)으로 나타낸 바와 같이 센터와이어가 침식외었다. 도시된 바와 같이 갭은 g로부터 변화되었다. 대개의 작동에 대하여, 점화 플러그에서의 이러한 타입의 갭변화하는 엔진에 설정된 작동표준을 통과하지 못하기 때문에 불만족스럽다.

제17도에서 도시된 점화 플러그(82)를 점화 플러그(32)와 동일한 작동상태하에서 시험 하였다. 백금은 작동주기 말기에서 연소개스에 의해 영향을 받지 않은 반면에, 사이드와이어(62)는 쇄선(82)으로 나타낸 바와 같이 침식되었고, 센터와이어(80)는 쇄선(86)에 의해 도시된 바와 같이 침식되었고, 센터와이어(80)는 쇄선(86)에 의해 도시된 바와 같이 침식되었기 때문에, 디스크 표면들(46, 72) 사이의 갭(g)은 측정가능할 정도로 변화되지 않았다. 그러므로, 본 발명의 공저에 의해 제작된 점화 블러그(82)는 자동차의 실제 수명동안 작동할 수 있다.