CN115245998B - 一种空心气阀合金成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空心气阀合金成形方法，具体包括以下步骤：步骤1：制作空心气阀成型模具，包括同轴设置的外层壳和内层芯棒，内层芯棒设置有实心锥头，实心锥头顶点与外层壳杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/4～1/3；步骤2：坯料加热；步骤3：将坯料和模具安装于挤压机；步骤4：挤压机推动坯料在模具的型腔内挤压成形，当坯料充满型腔后，挤压机停止工作；步骤5：取出内层芯棒；步骤6：控制挤压机继续推进坯料完成杆部的底部实心部分的挤压成形；步骤7：对初级成品头部开口进行模锻扩口；步骤8：冷却；步骤9：使用合金圆片将初级成品头部开口封堵。本发明解决了现有空心气阀生产方法存在的生产效率低，材料废弃率高等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术领域，具体而言，尤其涉及一种空心气阀合金成形方法。
背景技术
气阀是发动机配气机构的一个关键零件，气门的开启和关闭使可燃气体进入气缸并排出燃烧后的废气。空心气门实现了轻量化，且由于其空心部位封闭了一定体积的金属钠的作用有效地提高了导热性能。发动机工作过程中气门盘部与气门座之间频繁撞击，并受到高温高压燃气的冲蚀，尤其是对气门颈部施加了很大负载，因此气门不仅要具有较高的机械性能，且要求其内部金属流线方向与外形一致、内部组织细密，具有良好的冷热疲劳性能。
常用的空心气门生产方法有将实心气门钻孔法，楔横轧穿孔法，钻孔法只能获得杆部空心而端部仍为实心的中空气阀，且生产效率低，材料废弃率高。楔横轧穿孔法只能生产气门毛坯，后续工艺流程长。
发明内容
根据上述提出现有空心气阀生产方法存在的生产效率低，材料废弃率高等技术问题，而提供一种空心气阀合金成形方法。本发明通过分段正向热挤压和模锻成形，对受热后的金属坯料进行挤压成形，由此得到不同管径的空心气阀。
本发明采用的技术手段如下：
一种空心气阀合金成形方法，具体包括以下步骤：
步骤1：根据目标空心气阀头部和杆部的尺寸和形状，制作空心气阀成型模具，包括同轴设置的外层壳和内层芯棒，外层壳和内层芯棒均包括头部和杆部，内层芯棒杆部的底部设置有实心锥头，实心锥头顶点与外层壳杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/4～1/3；
步骤2：将用于加工空心气阀的坯料在加热炉中加热至挤压温度860℃～1150℃；
步骤3：将加热后的坯料移送至挤压机的腔体中，将空心气阀成型模具安装于挤压机腔体的坯料出口处，使外层壳以及内层芯棒保持同轴，坯料头部与外层壳杆部末端接触；
步骤4：控制挤压机以恒定速率推动坯料在空心气阀成型模具的型腔内挤压成形，当挤压机推动坯料充满型腔后，挤压机停止工作，完成空心气阀头部及部分杆部的挤压成形；
步骤5：由挤压机推动坯料前进的方向取出内层芯棒；
步骤6：控制挤压机继续推进坯料在外层壳内完成杆部的底部实心部分的挤压成形，当实心部分长度达到目标实心气阀总长的5～8％时，切断坯料，得到头部开口，杆部上部空心、底部实心的空心气阀初级成品；
步骤7：利用空心气阀初级成品挤压过后的余热对空心气阀初级成品头部开口进行模锻扩口，达到目标空心气阀的头部尺寸要求，扩口完毕后使用直径略小于目标空心气阀杆部的长棒模具对空心气阀初级成品的杆部内部进行冲压，消除因实心锥头造成的三角形空心形状；
步骤8：将冷却剂充入空心气阀初级成品的空腔中进行冷却；
步骤9：使用与扩口后的空心气阀初级成品头部开口等径的合金圆片，通过摩擦焊接的方式，将扩口后的空心气阀初级成品头部开口封堵，完成中空气阀的整体成形。
进一步地，实心锥头顶点与外层壳杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/3。
进一步地，空心气阀成型模具的外层壳和内层芯棒的头部形状相同，且与目标空心气阀的头部形状相同，杆部与头部之间通过圆弧段过渡连接。
进一步地，步骤2中，坯料的装炉温度大于800℃。
进一步地，步骤3采用的挤压机为工作行程≥600mm的卧式挤压机。
进一步地，采用的坯料为马氏体气阀钢，挤压温度为960～1030℃。
进一步地，采用的坯料为奥氏体气阀钢，挤压温度为950～1100℃。
进一步地，采用的坯料为Fe-Ni基气阀合金，挤压温度为980～1150℃。
进一步地，采用的坯料为钛基气阀合金，挤压温度为860～980℃。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的空心气阀合金成形方法，可以进行各种材质、形状产品的生产，通过分段正向热挤压和模锻成形，对受热后的金属坯料进行挤压成形，由此得到不同管径的空心气阀，成型空心气阀内部金属流线方向与外形一致、金相组织细密，能够保证具有较高机械性能，同时气阀质量减轻，能源燃烧效率提高，冷却效果改善。
基于上述理由本发明可在金属塑性成形领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述空心气阀成型模具剖面图。
图2为采用本发明所述成形方法得到的空心气阀初级成品剖面图。
图3为采用本发明所述成形方法得到的空心气阀剖面图。
图中：1、内层芯棒；2、外层壳；3、实心锥头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-3所示，本发明提供了一种空心气阀合金成形方法，具体包括以下步骤：
步骤1：根据目标空心气阀头部和杆部的尺寸和形状，目标空心气阀的尺寸与类型由具体发动机产品所确定，制作空心气阀成型模具，包括同轴设置的外层壳2和内层芯棒1，外层壳2和内层芯棒1均包括头部和杆部，内层芯棒1杆部的底部设置有实心锥头3，用于在挤压成形时促进坯料更好的流动，实心锥头3顶点与外层壳2杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/4～1/3；
外层壳2和内层芯棒1的杆部长度分别为各自全场的60～80％；
步骤2：将用于加工空心气阀的坯料在加热炉中加热至挤压温度860℃～1150℃；
步骤3：将加热后的坯料移送至挤压机的腔体中，将空心气阀成型模具安装于挤压机腔体的坯料出口处，使外层壳2以及内层芯棒1保持同轴，坯料头部与外层壳2杆部末端接触；
步骤4：控制挤压机以恒定速率推动坯料在空心气阀成型模具的型腔内挤压成形，当挤压机推动坯料充满型腔后，挤压机停止工作，完成空心气阀头部及部分杆部的挤压成形；
步骤5：由挤压机推动坯料前进的方向取出内层芯棒1；
步骤6：控制挤压机继续推进坯料在外层壳内完成杆部的底部实心部分的挤压成形，当实心部分长度达到目标实心气阀总长的5～8％时，切断坯料，得到头部开口，杆部上部空心、底部实心的空心气阀初级成品；
采用本发明提供的分段挤压成形方法能够保证产品尺寸更精确，确保坯料的内部晶粒组织的连续性，保证产品的性能不仅质量高并且加工成材率高，最终得到的空心气阀初级成品，在后续模锻步骤中变形小；
步骤7：利用空心气阀初级成品挤压过后的余热对空心气阀初级成品头部开口进行模锻扩口，达到目标空心气阀的头部尺寸要求，扩口完毕后使用直径略小于目标空心气阀杆部的长棒模具对空心气阀初级成品的杆部内部进行冲压，消除因实心锥头造成的三角形空心形状；
进行模锻时，将空心气阀初级成品的杆部置于模锻模具中，在模锻过程中，杆部不受力，头部经过终锻形成符合目标空心气阀头部尺寸的盘形，完成扩口；
步骤8：将冷却剂充入空心气阀初级成品的空腔中进行冷却，冷却剂为金属钠、锡等混合金属；
步骤9：使用与扩口后的空心气阀初级成品头部开口等径的合金圆片，圆片厚度为3～15mm，通过摩擦焊接的方式，将扩口后的空心气阀初级成品头部开口封堵，完成中空气阀的整体成形。
进一步地，实心锥头3顶点与外层壳2杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/3。
进一步地，空心气阀成型模具的外层壳2和内层芯棒1的头部形状相同，且与目标空心气阀的头部形状相同，杆部与头部之间通过圆弧段过渡连接。
进一步地，步骤2中，坯料的装炉温度大于800℃。
进一步地，步骤3采用的挤压机为工作行程≥600mm的卧式挤压机。
采用本发明所述方法能够实现实现全中空马氏体气阀、全中空奥氏体气阀、全中空Fe-Ni气阀和全钛合金中空气阀的加工成形。
进一步地，采用的坯料为马氏体气阀钢，挤压温度为960～1030℃。
进一步地，采用的坯料为奥氏体气阀钢，挤压温度为950～1100℃。
进一步地，采用的坯料为Fe-Ni基气阀合金，挤压温度为980～1150℃。
进一步地，采用的坯料为钛基气阀合金，挤压温度为860～980℃。
本发明提供的空心气阀合金成形方法，通过热挤压模具更换实现精密成形，使气阀金属管料在热挤压模具的限制下发生形变，形成杆部和头部中空的空心气阀，头部与杆部之间通过圆弧段过渡连接，最终得到的空心气阀产品的形状与尺寸之间的一致性好，金属整体流线分布合理，组织均匀，满足性能要求，提高了合金材料利用率，气阀合金重量减轻，进气排气效率提高，冷却效果提高，提高了燃烧效率，有利于节能减排。
本发明提供的空心气阀合金成形方法，可用于制造舰船、火车、汽车、摩托车用柴油机、汽油机以及燃气轮机的全中空进气阀和排气阀，旨在提高进/排气效率，降低发动机负荷，提高燃烧效率，对节能减排意义重大。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种空心气阀合金成形方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：根据目标空心气阀头部和杆部的尺寸和形状，制作空心气阀成型模具，包括同轴设置的外层壳和内层芯棒，外层壳和内层芯棒均包括头部和杆部，内层芯棒杆部的底部设置有实心锥头，实心锥头顶点与外层壳杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/4～1/3；
步骤2：将用于加工空心气阀的坯料在加热炉中加热至挤压温度860℃～1150℃；
步骤3：将加热后的坯料移送至挤压机的腔体中，将空心气阀成型模具安装于挤压机腔体的坯料出口处，使外层壳以及内层芯棒保持同轴，坯料头部与外层壳杆部末端接触；
步骤4：控制挤压机以恒定速率推动坯料在空心气阀成型模具的型腔内挤压成形，当挤压机推动坯料充满型腔后，挤压机停止工作，完成空心气阀头部及部分杆部的挤压成形；
步骤5：由挤压机推动坯料前进的方向取出内层芯棒；
步骤6：控制挤压机继续推进坯料在外层壳内完成杆部的底部实心部分的挤压成形，当实心部分长度达到目标实心气阀总长的5～8％时，切断坯料，得到头部开口，杆部上部空心、底部实心的空心气阀初级成品；
步骤7：利用空心气阀初级成品挤压过后的余热对空心气阀初级成品头部开口进行模锻扩口，达到目标空心气阀的头部尺寸要求，扩口完毕后使用直径略小于目标空心气阀杆部的长棒模具对空心气阀初级成品的杆部内部进行冲压，消除因实心锥头造成的三角形空心形状；
步骤8：将冷却剂充入空心气阀初级成品的空腔中进行冷却；
步骤9：使用与扩口后的空心气阀初级成品头部开口等径的合金圆片，通过摩擦焊接的方式，将扩口后的空心气阀初级成品头部开口封堵，完成中空气阀的整体成形。
2.根据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，实心锥头顶点与外层壳杆部末端之间的距离为目标空心气阀杆部长度的1/3。
3.根据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，空心气阀成型模具的外层壳和内层芯棒的头部形状相同，且与目标空心气阀的头部形状相同，杆部与头部之间通过圆弧段过渡连接。
4.根据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，步骤2中，坯料的装炉温度大于800℃。
5.根据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，步骤3采用的挤压机为工作行程≥600mm的卧式挤压机。
6.据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，采用的坯料为马氏体气阀钢，挤压温度为960～1030℃。
7.据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，采用的坯料为奥氏体气阀钢，挤压温度为950～1100℃。
8.据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，采用的坯料为Fe-Ni基气阀合金，挤压温度为980～1150℃。
9.据权利要求1所述的空心气阀合金成形方法，其特征在于，采用的坯料为钛基气阀合金，挤压温度为860～980℃。
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