技术领域
[0001] 本
发明涉及
发动机气门加工制造领域，特别涉及一种含内部加强筋的空头气门及其制造方法。
背景技术
[0002]
配气机构是发动机的重要组成部分，气门是配气机构中的关键零部件。发动机的气门控制着新鲜空气的进入和燃烧废弃的排出以及在发动机
燃烧室的压缩和膨胀时起到密封作用，其工作的
稳定性及耐磨特性深刻影响发动机的油耗、功率、效率乃至寿命。气门-座圈
配对副工作于高应
力(发动机最高燃烧压力可达20MPa、
弹簧力和动
载荷压力可达130MPa)、高
温度(进气门
工作温度一般在200～450℃，排气门的工作温度一般在600～800℃，有的甚至高达850℃)和
腐蚀性(高温燃气侵蚀、硫化、V2O5腐蚀和
氧化作用)的恶劣环境中，容易发生磨损，而气门的装配误差和开闭时的转动，又加剧了这种磨损，过度的磨损会导致气门-气门座圈副失效，降低发动机输出功率。随着发动机技术
水平的提高，性能指标的日趋强化，燃烧室爆发压力和燃烧温度进一步提高。同时，随着环保问题愈加突出，环保法规愈加严格，对发动机排放水平提出了更高的要求，气门工作环境进一步恶化。因此，一方面不断地提高气门材料的抗高温磨损抗疲劳性能，比如引进镍基或钴基高温
合金。然而，
高温合金的价格很高和热塑性较差，导致气门的材料成本和制造成本上升。另一方面，可以通过不断发掘气门自身的冷却功能，降低其工作温度。
发明内容
[0003] 针对
现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种含内部加强筋的空头气门及其制造方法。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种含内部加强筋的空头气门制造方法，包括：
[0005] 确定空头气门本体及加强筋部的几何尺寸；
[0006] 空头气门本体制造；
[0007] 堵头制造：在粗加工后的毛坏上加工出放置于空头气门本体的空心头部的腔口的堵头，在堵头上加工出加强筋部；
[0008] 加强筋部与空心头部的弧形内腔壁通过摩擦焊相固定连接，堵头边缘与空心头部的腔口边缘相固定连接；将气门杆通过摩擦焊固定连接到空头气门本体的颈部端面上；
[0009] 堵头与空头气门本体相固定连接后若堵头有凸出于空心气门盘部的部分，则
切除堵头凸出于空心气门盘部的部分。
[0010] 优选的，向空头气门本体的容纳腔充入钠，所述钠占容纳腔55-65％的空间。
[0011] 优选的，堵头与空心头部进行旋转摩擦焊封口；气门杆与空头气门本体进行摩擦焊连接。
[0012] 优选的，所述空头气门本体制造包括：长棒状实心毛坯准备；一端头部墩粗；空心头部镦压成形；沿空头气门本体轴向加工出通孔；在空头气门本体颈部端面加工出第五摩擦焊
接触面，气门杆通过摩擦焊固定连接到第五
摩擦焊接触面上。
[0013] 优选的，在空心头部的边缘处加工第四
摩擦焊接触面，第四摩擦焊接触面位于内腔一侧加工有能够容纳摩擦焊后产生的
飞边的容纳槽，空心气门盘部的锥面上加工有耐磨堆焊槽，在堆焊槽中加入司太立合金粉末并通过堆焊将司太立合金粉末融化在堆焊槽中形成耐磨加强层；
[0014] 在空心头部的腔壁上加工第一摩擦焊接触面，空心头部通过第一摩擦焊接触面与加强筋部焊接起来，堵头焊接到第四摩擦焊接触面上将空心头部的腔口密封起来。
[0015] 优选的，堵头制造包括：长棒状实心坯件准备；一端头部墩粗；加强筋部与空心头部的腔壁相焊接的
位置加工出第三摩擦焊接触面；在堵头上加工出第二摩擦焊接触面；
[0016] 将第三摩擦焊接触面和第一摩擦焊接触面相贴合在一起、第四摩擦焊接触面和第二摩擦焊接触面相贴合在一起，通过旋转摩擦焊分别将第三摩擦焊接触面和第一摩擦焊接触面、第四摩擦焊接触面和第二摩擦焊接触面固定连接起来。
[0017] 优选的，所述加强筋部呈喇叭状；向空头气门本体的容纳腔充入钠，所述钠占容纳腔60％的空间。
[0018] 一种含内部加强筋的空头气门，包括空头气门本体、堵头以及气门杆，空头气门本体具有空心头部以及沿空头气门本体轴向延伸的通孔，所述堵头固定连接到空心头部的腔口，将空心头部的腔口堵塞，堵头具有加强筋部，所述加强筋部与空心头部的弧形的腔壁相固定连接，所述气门杆固定连接于空头气门本体的颈部上。
[0019] 优选的，所述气门杆和堵头固定连接到空头气门本体后，通孔与空心头部的腔壁间形成容纳腔，容纳腔中装有钠，所述钠占容纳腔55-65％的空间。
[0020] 优选的，所述加强筋部呈喇叭状，通孔、空心头部的腔壁以及加强筋部间形成所述容纳腔；空心气门盘部的锥面上具有堆焊槽，在堆焊槽中设置有耐磨加强层，所述钠占容纳腔60％的空间。
[0021] 充钠的含内部加强筋的空头气门具有降温和减重的两大突出优势。其与传统常规实心气门相比，由于内部有容纳腔的存在，从而降低气门自身重量。通过钠的冷却效果，降低空头气门工作温度，提高工作寿命。和空头气门(不含加强筋)相比，本发明含内部加强筋的空头气门能够大大增强气门
刚度，减少工作状态下气门的挠度
变形，降低气门锥面-座圈之间的微滑动距离，减少磨损。
[0022] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0023] 1、本发明针对发动机气门特别是空头气门存在的受力薄弱的不足，充分利用金属塑性成形加工方法和摩擦焊连接方法，在空头气门的受力薄弱点设置加强筋部，加强筋部连接于气门盘部进行强化优化。基于摩擦焊工艺参数优化，使用含阶梯形式的头部封口件对空头气门的头部进行摩擦焊封口，获得高可靠性的焊接
质量。和相同外部尺寸规格的空头气门(不含加强筋部)相比，本发明含内部加强筋的空头气门具有更高的刚度和更长寿命。和传统的实心气门相比，本发明含内部加强筋的空头气门在能够保证足够的强度和可靠性的前提下，减轻气门质量17.8％，降低气门工作温度120℃及以上，有利于提高发动机输出功率。
附图说明
[0024] 图1-4是本发明的空头气门成形过程的示意图；
[0025] 图5-8是本发明的堵头成形过程的示意图；
[0026] 图9-11是本发明的空头气门与堵头装配过程的示意图。
具体实施方式
[0027] 下面结合
实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0028] 一种含内部加强筋的空头气门制造方法，包括：
[0029] 基于发动机气门的工作状况进行结构设计，在满足强度和刚度要求的前提下，确定空头气门本体8及加强筋部5的几何尺寸；
[0030] 空头气门本体8制造；
[0031] 堵头9制造：在毛坏上加工出可放进空头气门本体8的空心头部2的腔口的堵头9，在堵头9上加工出加强筋部5；
[0032] 加强筋部5与空心头部2的弧形腔壁相焊接，堵头9与空心头部2的腔口边缘相焊接；将气门杆13焊接到空头气门本体8颈部上；
[0033] 焊接后若堵头9有凸出于空心气门盘部2的部分，则切除堵头9凸出于空心气门盘部2的部分。
[0034] 优选的，向空头气门本体的容纳腔充入钠，所述钠占容纳腔50-70％的空间，优选的，所述钠占容纳腔60％的空间。
[0035] 优选的，在空心头部2中充入钠10，在气门杆13焊接到空头气门本体8颈部前从空头气门本体8颈部上的通孔3加入钠，常温下钠为固态。
[0036] 气门在工作时候，空头气门本体8中的钠10在高温状态下融
化成液态，能够随着气门的运动在容纳腔中上下冲刷，将空头气门本体8头部(含加强筋部5)的热量有效地带到空头气门本体8的杆部，继而通过
气门导管传输到发动机的整机循环冷却系统，从而大幅度降低气门头部及气门弧面的温度，提高气门零件的工作寿命。
[0037] 优选的，堵头9与空心头部2进行摩擦焊封口；气门杆13与空头气门本体8进行摩擦焊连接。
[0038] 堵头9与空心头部2之间和气门杆13与空头气门本体8之间分别采用摩擦焊，其焊接质量可靠，焊接时间短，单次气门零件摩擦焊接工艺在十几秒至几十秒时间内即可完成，保证较高的加工效率，提高了生产效率，能适应大批量生产气门的要求。
[0039] 优选的，所述空头气门本体8制造包括：长棒状实心毛坯1准备；一端头部墩粗；空心头部2镦压成形；沿空头气门本体8轴向加工出通孔3，通孔3与空心头部2相连通；在空头气门颈部端面加工出第五摩擦焊接触面，气门杆通过摩擦焊固定连接到第五摩擦焊接触面上。
[0040] 优选的，空心头部2的边缘处加工第四摩擦焊接触面11，第四摩擦焊接触面位于内腔一侧加工有能够容纳摩擦焊后产生的飞边的容纳槽，空心气门盘部的锥面上加工有堆焊槽12。
[0041] 空心头部2的腔壁上加工有第一摩擦焊接触面，空心头部2通过第一摩擦焊接触面与加强筋部5焊接起来。
[0042] 堵头焊接到第四摩擦焊接触面上将空心头部的腔口密封起来。
[0043] 优选的，堵头9制造包括：长棒状实心坯件4准备；一端头部墩粗；加强筋部5与空心头部2的腔壁相焊接的位置加工出第三摩擦焊接触面6；在堵头9与空心头部2接触的位置加工出第二摩擦焊接触面7。
[0044] 将第三摩擦焊接触面和第一摩擦焊接触面相贴合在一起、第四摩擦焊接触面和第二摩擦焊接触面相贴合在一起，通过摩擦焊分别将第三摩擦焊接触面和第一摩擦焊接触面、第四摩擦焊接触面和第二摩擦焊接触面固定连接起来。
[0045] 优选的，在完成空心头部2摩擦焊封口后，需要进行
应力退火，以消除摩擦焊区域残留的应力。
[0046] 优选的，所述加强筋部5呈环形的喇叭状。加强筋部5和空心头部弧形腔壁连接形成“
支撑”作用，能够大大增强本发明整体的刚度。在发动机燃烧室中较大的燃烧压力下，含内部加强筋的空头气门比无加强筋的空头气门整体变形量较小，气门锥面和座圈之间的微滑动距离较小，减缓了气门锥面和座圈之间的磨损。
[0047] 优选的，在堆焊槽12中加入司太立合金粉末并通过堆焊将司太立合金粉末融化在堆焊槽12中形成一层耐高温磨损、耐冲击和耐腐蚀的耐磨加强层14。耐磨加强层14能提高本发明高温工况下的
耐磨性能。
[0048] 一种含内部加强筋的空头气门，包括空头气门本体8、堵头9以及气门杆13，空头气门本体8具有空心头部2以及沿空头气门本体8轴向延伸的通孔3，所述堵头9固定连接到空心头部2的腔口，将空心头部2的腔口堵塞，堵头9具有加强筋部5，所述加强筋部5与空心头部2的腔壁相固定连接，所述气门杆13固定连接于空头气门本体8的颈部上。
[0049] 优选的，所述气门杆13和堵头9固定连接到空头气门本体8后，通孔3与空心头部2的腔壁间形成容纳腔，容纳腔中装有钠10，所述钠占容纳腔50-70％的空间，优选的，所述钠占容纳腔60％的空间。
[0050] 优选的，所述加强筋部5呈喇叭状，通孔3、空心头部2的腔壁以及加强筋部5间形成所述容纳腔。
[0051] 空心气门盘部的锥面上具有堆焊槽12，在堆焊槽12中设置有耐磨加强层14。
[0052] 本发明的含内部加强筋的空头气门，特别是在充入纳后，具有两个明显的优点：减轻气门质量和降低气门头部温度，能适应发动机轻量化和高功率
密度化的发展趋势。
[0053] 尽管配气机构对整个
汽车轻量化的贡献很小，但是它会对发动机的性能产生巨大的影响，并且气门在发动机配气机构中占比较大，进、排气门的惯性重量约占整个配气机构的40％。气门的轻量化可减少摩擦损失，减少
气门弹簧的负荷，降低气门落座冲击力，能够较大程度缓解气门-座圈的严酷程度。气门质量的减轻不仅有利于整机质量的减轻，也可以有效提升气门的动态特性，有助于提高配气机构的开闭速度及精确控制能力，从而提升发动机的性能、降低汽车油耗和排放。
[0054] 对于传统的实心气门而言，大约三分之二的热量通过座圈传递到
气缸盖，主要依靠气门座圈去传递热量已渐渐不再适用。空头气门本体8在内部充入约占容纳腔体积60％的钠10，钠10在97.5℃下
熔化，其比重为0.97g/cm3。工作时钠10在容纳腔中随着发动机上下运动作相应窜动，液态的钠10迅速地冲刷空头气门的盘部和颈部内腔，将盘部和颈部热量迅速通过气门杆部和外部导管传递给发动机冷却循环系统。根据测试，采用本发明的空头气门并向其中充入纳时，相比于传统的实心气门，充钠的空头气门最高温度温可以降到120℃，因此，本发明的空头气门特别是充纳后具有降温和减重的两大突出优势，具有广阔市场前景。
[0055] 目前，对于含有内部空腔的零件，可使用3D打印技术制造。然而，3D打印技术的材料成本和制造成本仍然较高，对于气门等大批量生产的零件，需要进一步下降制造成本才能进一步地推广。此外，3D打印技术制造出来的材料性能还需不断地提升才能够达到发动机实际工况使用要求。
[0056] 摩擦焊是利用
工件接触面摩擦产生的热量为热源，使接触的工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的固态连接方法。在恒定或递
增压力以及
扭矩的作用下，焊接接触端面之间的相对运动在摩擦面及其附近区域产生大量的摩擦热和塑形变形热，使其附近区域温度上升到接近但一般低于熔点的温度区间，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜
破碎。接着，在顶锻压力的作用下，伴随着材料产生的塑性变形及流动，通过界面的分子扩散和再结晶，最终实现材料的焊接。
[0057] 相同外部尺寸规格的实心气门、充钠的空头气门和充钠的含内部加强筋的空头气门结构(如图11所示)及重量(如表1所示)。使用
有限元分析计算三种气门在实际运行中的最大位移量，结果如表1所示。可知：和空头气门(不含加强筋)对比，本发明的充钠的含内部加强筋的空头气门的重量略有增加(增加4.7％)，但是气门整体中的最大位移量却减少了79.6％。说明本发明的充钠的含内部加强筋的空头气门的刚度大幅度增加，进而能够提高气门零件的使用寿命。加强筋部和空头气门头部弧形腔壁连接形成“支撑”作用，能够大大增强本发明整体的刚度。在发动机燃烧室中较大的燃烧压力下，充钠后的含内部加强筋的空头气门比不含加强筋的空头充钠气门整体变形量较小，气门锥面和座圈之间的微滑动距离较小，减缓了气门锥面和座圈之间的磨损。
[0058]
[0059] 表1：实心气门、充钠的空头气门和充钠的含内部加强筋的空头气门重量和最大位移对比。
[0060] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
