用於車輛發動機的高強度閥門彈簧及其製造方法
2023-06-03 19:01:11 3
專利名稱：用於車輛發動機的高強度閥門彈簧及其製造方法
技術領域：
本發明涉及製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法和使用該方法製造的高強度閥門彈簧。更特別地，本發明涉及用於車輛發動機的高強度閥門彈簧及其製造方法， 其可防止彈簧的損壞和老化，特別地，其中彈簧是用高強度盤條(wire rod)形成的。
背景技術：
用於車輛發動機的閥門彈簧與連接閥門與凸輪軸如發動機中凸輪軸和擺動臂，挺杆(tappet)等的的設備互鎖，並調節進氣閥和排氣閥的打開和關閉。如圖1所示，現有技術中製造用於發動機的閥門彈簧的方法包括將盤條形成為彈簧形狀的形成工藝和切割工藝，除去形成後內表面和外表面上產生的殘餘應力的殘餘應力消除熱處理工藝，用精細珠粒施加壓應力到表面上從而增加疲勞強度的噴丸處理工藝，和在預先施加塑性變形以增加變形阻力的熱定形工藝。現有技術中已經用於製造閥門彈簧的盤條主要是Si-Cr鋼盤條，其具有1900MPa 的拉伸強度。該盤條用圖2所示的卷繞夾具(coiling jig)形成為彈簧的形狀。如圖所示， 切割刃垂直下降從而切割並分離形成的彈簧的端部。在形成彈簧後，殘餘應力發生在彈簧的內表面和外表面上。具體地，壓縮殘餘應力發生在外表面上，且拉伸殘餘應力發生在內表面上。因為發生在內表面上的拉伸殘餘應力降低彈簧的疲勞強度，因此，要進行殘餘應力消除熱處理工藝以消除拉伸殘餘應力。殘餘應力消除熱處理在410到420°C保持20到30分鐘。在殘餘應力消除熱處理後，進行在閥門彈簧的表面上人工產生壓縮殘餘應力的噴丸處理工藝以增加疲勞應力。噴丸處理是用SWRH82A作為材料進行。具體地，噴丸處理使用直徑為0. 6mm的噴丸進行40分鐘，然後使用直徑為0. 3mm的噴丸進行20分鐘。在噴丸處理後，進行熱定形(hot setting)工藝。熱定形工藝是預先對彈簧應用塑性變形的工藝，因此防止彈簧在發動機的驅動過程中產生變形。在將彈簧在220°C到230°C保持10到15分鐘後，熱定形工藝壓縮閥門彈簧直到最大位移1. 0到1. 5秒。此時，發生塑性變形，並在閥門彈簧的實際驅動的過程中，因加工硬化而增加了抗變形性。然而，在現有技術中，高強度盤條的閥門彈簧製造工藝的應用條件，在在大量問題。首先，如果(以下稱為「固定夾具」)在形成彈簧的過程中應用常規的夾具，則由於摩擦而發生變形，且在彈簧形成過程中，閥門彈簧斷裂或在閥門彈簧中發生微細裂紋。
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而且，如果使用常規的切割方法(以下稱為「豎直切割」)，在高強度盤條的情形中，衝擊韌性(impact toughness)較低。這樣，由於切割過程中的衝擊，裂紋會發生在切割表面之外的彈簧部分。進一步，如果常規的溫度和時間條件被用於殘餘應力消除熱處理工藝中，儘管可去除殘餘應力，但硬度和強度由於形成合金的元素之間的相互反應而降低。結果，損失了高強度閥門的這些優點。再進一步，如果在熱定形工藝中應用常規條件，則工藝的抗變形效果減小。為了解決上述問題，根據本發明的實施方式，通過在形成和切割方法的過程中改善成形夾具可防止對彈簧的損傷。而且，通過在殘餘應力消除熱處理工藝中施加最優溫度和時間條件，可防止硬度的降低並消除殘餘應力。而且，通過施加最優熱定形溫度和時間條件，增加了變形阻力。
發明內容
因此，做出本發明從而解決現有技術中發生的上述問題。本發明提供一種製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法以及使用該方法製造的高強度閥門彈簧。根據本發明，可防止彈簧形成過程中彈簧的損壞，並可防止殘餘應力消除熱處理工藝中彈簧的硬度衰減。本發明也提供一種製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法以及使用該方法製造的高強度閥門彈簧，其可改善摩擦減小(friction reduction)。特別地，摩擦減小可通過增加彈簧的變形阻力，特別通過改變熱定形工藝中的條件改善。在本發明的一個方面，提供了一種製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法，其包括如下步驟(a)用輥式夾具(rollertype jig)將高強度盤條形成為彈簧形式； (b)用旋轉式切割刃切割形成的彈簧的端部；(c)在合適的溫度和時間，具體地在約390°C 到410°C約20到40分鐘進行殘餘應力消除熱處理；(d)用微細的球狀微粒進行噴丸處理以對彈簧的表面施加壓應力；以及(e)進行熱定形工藝，以預先對彈簧施加塑性變形。這裡，優選地，步驟(e)在約235°C到245°C進行約15到25分鐘，然後在最大彈簧位移處施加負載約1. 5到2. 5秒。優選地，步驟(d)中，噴丸處理工藝用SWRH82A作為材料進行。具體地，根據本發明的實施方式，使用直徑約0. 6mm的噴珠進行約40分鐘的噴丸處理，然後使用直徑約0. 3mm 的噴珠進行約20分鐘的噴丸處理。在本發明的另一個方面中，提供了使用上述製造方法製造的用於車輛發動機的高強度閥門彈簧。根據本發明不同的實施方式，優選地，閥門彈簧的高強度盤條包括選自碳、矽、錳、 磷、硫、鉻、釩、鉬、鎳和硼中的一種或多種材料組合。例如，根據本發明的實施方式，閥門彈簧的高強度盤條包括約0. 63到0. 69wt%的碳(C)、約2. 10到2. 30wt%的矽(Si)、約0. 60% 到0. 80wt %的錳(Mn)、約0. 020wt %或更少的磷(P)、約0. 020wt %或更少的硫(S)、約 0. 80 到 1. OOwt % 的鉻(Cr)、約 0. 10 到 0. 20wt% 的釩(V)、約 0. 05 到 0. 15wt% 的鉬(Mo)、 約 0. 25 到 0. 35wt% 的鎳(Ni)、和約 0. 001 到 0. 005wt% 的硼(B)。如上所述，根據本發明，可防止彈簧形成工藝中的彈簧的損壞，且可防止殘餘應力消除熱處理工藝中彈簧的硬度衰減。而且，特別通過在熱定形工藝中本發明說明的條件增加變形阻力，可改善摩擦減少。
結合附圖，從下面的詳細說明中明顯看出本發明的上述和其他特徵及優點，其中圖1是現有技術中製造用於車輛發動機的閥門彈簧的工藝的示圖；圖2是根據圖1中工藝的彈簧形成和切割方法的示意圖；圖3是根據本發明實施方式的製造用於車輛發動機的閥門彈簧的工藝的示圖；以及圖4是根據圖3的方法的彈簧形成和切割方法的示意圖。
圖5是測量直徑減少的輕型彈簧和閥門彈簧的凸輪軸之間的摩擦扭矩表面壓力的曲線圖。
具體實施例方式以下參考附圖更詳細地說明本發明優選實施方式。本發明提供了一種製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法。具體地，根據本發明的實施方式，如圖3所示，製造用於車輛的高強度閥門彈簧的方法提供了改進的成形夾具、改進的切割方法、改進的殘餘應力消除熱處理工藝和條件、以及改進的熱定形工藝和條件。進一步，根據本發明的實施方式，盤條用於形成閥門彈簧，其中盤條是拉伸強度至少為2000MPa，特別地，至少2100MPa，更特別地至少2200MPa的高強度盤條，例如約2200到 2450MPa。根據本發明實施方式的形成方法，如圖4所示，輥插入到成形夾具(以下稱為「輥型夾具」)中，並可最小化形成過程中的摩擦和衝擊。根據本發明，使用輥式夾具作為成形夾具，結果通過減少形成過程中的摩擦抑制了不必要的彎曲變形。這與使用常規夾具不同，常規夾具由於變形過程中的摩擦導致不必要的額外的彎曲變形。在高強度襯墊材料的情形中，與一般的彈簧材料相比，韌性較低，因此，當使用常規夾具時會發生微細裂紋。根據本發明的實施方式，將輥插入會在成形過程中減小摩擦，且因此可抑制不必要的彎曲變形。根據本發明實施方式的切割方法，切割刃施加負載到切割部分，由於刃形成曲線從而減小衝擊(以下稱為「旋轉式切割」)。這與切割刃垂直下降的常規切割方法不同。在使用常規切割方法切割彈簧材料的過程中，在與常規彈簧材料相比韌性不足的高強度盤條的情形中，由於切割過程中的衝擊，斷裂會發生在預期的切割表面之外的部分。根據本發明實施方式，通過採用旋轉式切割方法，傳遞到閥門彈簧的衝擊被最小化，因此可以切割預期的部分。現有技術中，殘餘應力消除熱處理的溫度和時間分別設定為410°C到420°C，和20 到30分鐘。根據本發明實施方式，殘餘應力消除熱處理的溫度和時間被分別設定為390到 410 °C和20到40分鐘。根據本發明的實施方式，殘餘應力消除熱處理的條件設定為390到410°C和20到40分鐘，以便除去殘餘應力，而不會衰減硬度。具體地，如果熱處理在低於390°C小於20分鐘進行，則不能消除殘餘應力。另一方面，如果熱處理在410°C以上進行超過40分鐘，則彈簧盤條中微細碳化物變成大尺寸從而引起硬度衰減的發生。因此，在本發明的實施方式中， 根據提出的條件，通過進行熱處理，消除殘餘應力，而不會衰減硬度。現有技術中熱定形工藝是通過在220°C到230°C維持10到15分鐘，然後在閥門彈簧的最大位移施加載荷1. 0到1. 5秒。另一方面，根據本發明實施方式，熱定形工藝是通過在235°C到245°C維持15到25分鐘進行，然後在閥門彈簧的最大位移處施加載荷1. 5到 2. 5 秒。在該情形中，已經發現，如果熱定形工藝在小於235°C進行少於15分鐘，則根據相應的條件屈服強度的衰減稍小，且當在彈簧最大位移施加負載時，塑性變形的量不大，從而對增加變形阻力的影響小甚至沒有。另一方面，如果熱定形工藝在高於進行超過25 分鐘，則根據相應條件屈服強度的衰減劇烈，且塑性變形過度發生從而嚴重縮短彈簧長度， 使得在發動機中安裝彈簧變得困難甚至不可能。進一步發現，相對於在閥門彈簧最大位移時施加負載的時間，如果施加負載少於 1. 5秒，則由於時間太短而不能穩定地發生塑性變形。另一方面，如果施加負載超過2. 5秒， 則最終效果相同(即，不會實現進一步的效果)。因此，設定熱定形條件以便在235到245°C 的溫度維持15到25分鐘，然後在閥門彈簧的最大位移施加負載1. 5到2. 5秒。已經通過上述分析確認，通過防止成形過程中的損壞和殘餘應力消除熱處理過程中硬度的衰減，本發明閥門彈簧製造工藝提供了優異的變形阻力和優異的摩擦減少。進一步，根據本發明的製造工藝可通過使用拉伸強度超過1900MPa，例如超過2000MPa，超過 2IOOMPa,又例如在2100MPa到之間的高強度閥門彈簧用於製造用於車輛發動機的閥門彈簧。以下詳細說明本發明實施例。下面說明的本發明實施例僅是示例性的，因此本發明不限於這樣的實施例。表1形成測試條件
權利要求
1.一種製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法，包括如下步驟(a)使用輥式夾具將高強度盤條形成彈簧的形式；(b)用旋轉式切割刃切割所形成的彈簧的端部；(c)在大約390-410°C進行殘餘應力消除熱處理約20-40分鐘；(d)進行噴丸處理以用微細珠粒對所述彈簧的表面施加壓應力；以及(e)進行熱定形以預先對所述彈簧施加塑性變形。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(e)在約235-245 的溫度維持15-25 分鐘，然後在最大彈簧位移施加負載約1. 5-2. 5秒。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(d)用SWRH82A作為材料進行噴丸處理工藝，首先利用直徑約0. 6mm的噴珠進行約40分鐘，然後使用直徑約0. 3mm的噴珠進行約 20分鐘。
4.一種根據權利要求1所述的方法製造的用於車輛發動機的高強度閥門彈簧。
5.根據權利要求4所述的高強度閥門彈簧，其中所述閥門彈簧的高強度盤條包括選自碳、矽、錳、磷、硫、鉻、釩、鉬、鎳、和硼的材料的組合。
6.根據權利要求5所述的高強度閥門彈簧，其中所述閥門彈簧的所述高強度盤條包括 0. 63-0. 69wt% 的碳(C)、2. 10-2. 30wt% 的矽(Si)、0. 60-0. 80wt% 的錳(Mn)、0. 020wt%^ 更少的磷(P)、0. 020wt%或更少的硫(S)、0. 80-1.0(^1%的鉻(Cr) ,0. 10-0. 20wt% 的釩 (V)、0. 05-0. 15wt% 的鉬(Mo)、0. 25-0.的鎳(Ni)、以及 0. 001-0. 005wt% 的硼(B)。
全文摘要
本發明涉及一種製造用於車輛發動機的高強度閥門彈簧的方法，其包括(a)使用輥式夾具將高強度盤條形成彈簧形式；(b)用旋轉式切割刃切割形成的彈簧的端部；(c)在大約390-410℃進行殘餘應力消除熱處理約20到40分鐘；(d)進行噴丸處理以用微細珠粒對彈簧的表面施加壓應力；以及(e)進行熱定形以預先對所述彈簧施加塑性變形。因此，防止了彈簧形成過程中的損壞，且防止了殘餘應力消除熱處理工藝中硬度衰減。
文檔編號F01L3/10GK102451977SQ201110071589
公開日2012年5月16日 申請日期2011年3月21日 優先權日2010年10月19日
發明者李正錫 申請人:現代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社