專利名稱：用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法和使用該方法制造的高強(qiáng)度閥門彈簧。更特別地，本發(fā)明涉及用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧及其制造方法， 其可防止彈簧的損壞和老化，特別地，其中彈簧是用高強(qiáng)度盤條(wire rod)形成的。
背景技術(shù)：
用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門彈簧與連接閥門與凸輪軸如發(fā)動(dòng)機(jī)中凸輪軸和擺動(dòng)臂，挺桿(tappet)等的的設(shè)備互鎖，并調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和排氣閥的打開和關(guān)閉。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中制造用于發(fā)動(dòng)機(jī)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，除去形成后內(nèi)表面和外表面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的殘余應(yīng)力消除熱處理工藝，用精細(xì)珠粒施加壓應(yīng)力到表面上從而增加疲勞強(qiáng)度的噴丸處理工藝，和在預(yù)先施加塑性變形以增加變形阻力的熱定形工藝?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)用于制造閥門彈簧的盤條主要是Si-Cr鋼盤條，其具有1900MPa 的拉伸強(qiáng)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并分離形成的彈簧的端部。在形成彈簧后，殘余應(yīng)力發(fā)生在彈簧的內(nèi)表面和外表面上。具體地，壓縮殘余應(yīng)力發(fā)生在外表面上，且拉伸殘余應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)表面上。因?yàn)榘l(fā)生在內(nèi)表面上的拉伸殘余應(yīng)力降低彈簧的疲勞強(qiáng)度，因此，要進(jìn)行殘余應(yīng)力消除熱處理工藝以消除拉伸殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力消除熱處理在410到420°C保持20到30分鐘。在殘余應(yīng)力消除熱處理后，進(jìn)行在閥門彈簧的表面上人工產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力的噴丸處理工藝以增加疲勞應(yīng)力。噴丸處理是用SWRH82A作為材料進(jìn)行。具體地，噴丸處理使用直徑為0. 6mm的噴丸進(jìn)行40分鐘，然后使用直徑為0. 3mm的噴丸進(jìn)行20分鐘。在噴丸處理后，進(jìn)行熱定形(hot setting)工藝。熱定形工藝是預(yù)先對(duì)彈簧應(yīng)用塑性變形的工藝，因此防止彈簧在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)過程中產(chǎn)生變形。在將彈簧在220°C到230°C保持10到15分鐘后，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(shí)，發(fā)生塑性變形，并在閥門彈簧的實(shí)際驅(qū)動(dòng)的過程中，因加工硬化而增加了抗變形性。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，高強(qiáng)度盤條的閥門彈簧制造工藝的應(yīng)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(yīng)用常規(guī)的夾具，則由于摩擦而發(fā)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(fā)生微細(xì)裂紋。
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而且，如果使用常規(guī)的切割方法(以下稱為“豎直切割”)，在高強(qiáng)度盤條的情形中，沖擊韌性(impact toughness)較低。這樣，由于切割過程中的沖擊，裂紋會(huì)發(fā)生在切割表面之外的彈簧部分。進(jìn)一步，如果常規(guī)的溫度和時(shí)間條件被用于殘余應(yīng)力消除熱處理工藝中，盡管可去除殘余應(yīng)力，但硬度和強(qiáng)度由于形成合金的元素之間的相互反應(yīng)而降低。結(jié)果，損失了高強(qiáng)度閥門的這些優(yōu)點(diǎn)。再進(jìn)一步，如果在熱定形工藝中應(yīng)用常規(guī)條件，則工藝的抗變形效果減小。為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(duì)彈簧的損傷。而且，通過在殘余應(yīng)力消除熱處理工藝中施加最優(yōu)溫度和時(shí)間條件，可防止硬度的降低并消除殘余應(yīng)力。而且，通過施加最優(yōu)熱定形溫度和時(shí)間條件，增加了變形阻力。

發(fā)明內(nèi)容
因此，做出本發(fā)明從而解決現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)生的上述問題。本發(fā)明提供一種制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法以及使用該方法制造的高強(qiáng)度閥門彈簧。根據(jù)本發(fā)明，可防止彈簧形成過程中彈簧的損壞，并可防止殘余應(yīng)力消除熱處理工藝中彈簧的硬度衰減。本發(fā)明也提供一種制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法以及使用該方法制造的高強(qiáng)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(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)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(qiáng)度盤條形成為彈簧形式； (b)用旋轉(zhuǎn)式切割刃切割形成的彈簧的端部；(c)在合適的溫度和時(shí)間，具體地在約390°C 到410°C約20到40分鐘進(jìn)行殘余應(yīng)力消除熱處理；(d)用微細(xì)的球狀微粒進(jìn)行噴丸處理以對(duì)彈簧的表面施加壓應(yīng)力；以及(e)進(jìn)行熱定形工藝，以預(yù)先對(duì)彈簧施加塑性變形。這里，優(yōu)選地，步驟(e)在約235°C到245°C進(jìn)行約15到25分鐘，然后在最大彈簧位移處施加負(fù)載約1. 5到2. 5秒。優(yōu)選地，步驟(d)中，噴丸處理工藝用SWRH82A作為材料進(jìn)行。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，使用直徑約0. 6mm的噴珠進(jìn)行約40分鐘的噴丸處理，然后使用直徑約0. 3mm 的噴珠進(jìn)行約20分鐘的噴丸處理。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了使用上述制造方法制造的用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧。根據(jù)本發(fā)明不同的實(shí)施方式，優(yōu)選地，閥門彈簧的高強(qiáng)度盤條包括選自碳、硅、錳、 磷、硫、鉻、釩、鉬、鎳和硼中的一種或多種材料組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，閥門彈簧的高強(qiáng)度盤條包括約0. 63到0. 69wt%的碳(C)、約2. 10到2. 30wt%的硅(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(jù)本發(fā)明，可防止彈簧形成工藝中的彈簧的損壞，且可防止殘余應(yīng)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(fā)明說明的條件增加變形阻力，可改善摩擦減少。


結(jié)合附圖，從下面的詳細(xì)說明中明顯看出本發(fā)明的上述和其他特征及優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門彈簧的工藝的示圖；圖2是根據(jù)圖1中工藝的彈簧形成和切割方法的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門彈簧的工藝的示圖；以及圖4是根據(jù)圖3的方法的彈簧形成和切割方法的示意圖。
圖5是測(cè)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(shí)施例方式以下參考附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式。本發(fā)明提供了一種制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，如圖3所示，制造用于車輛的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法提供了改進(jìn)的成形夾具、改進(jìn)的切割方法、改進(jìn)的殘余應(yīng)力消除熱處理工藝和條件、以及改進(jìn)的熱定形工藝和條件。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，盤條用于形成閥門彈簧，其中盤條是拉伸強(qiáng)度至少為2000MPa，特別地，至少2100MPa，更特別地至少2200MPa的高強(qiáng)度盤條，例如約2200到 2450MPa。根據(jù)本發(fā)明實(shí)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，并可最小化形成過程中的摩擦和沖擊。根據(jù)本發(fā)明，使用輥式夾具作為成形夾具，結(jié)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(guī)夾具不同，常規(guī)夾具由于變形過程中的摩擦導(dǎo)致不必要的額外的彎曲變形。在高強(qiáng)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(dāng)使用常規(guī)夾具時(shí)會(huì)發(fā)生微細(xì)裂紋。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，將輥插入會(huì)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(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的切割方法，切割刃施加負(fù)載到切割部分，由于刃形成曲線從而減小沖擊(以下稱為“旋轉(zhuǎn)式切割”)。這與切割刃垂直下降的常規(guī)切割方法不同。在使用常規(guī)切割方法切割彈簧材料的過程中，在與常規(guī)彈簧材料相比韌性不足的高強(qiáng)度盤條的情形中，由于切割過程中的沖擊，斷裂會(huì)發(fā)生在預(yù)期的切割表面之外的部分。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，通過采用旋轉(zhuǎn)式切割方法，傳遞到閥門彈簧的沖擊被最小化，因此可以切割預(yù)期的部分?，F(xiàn)有技術(shù)中，殘余應(yīng)力消除熱處理的溫度和時(shí)間分別設(shè)定為410°C到420°C，和20 到30分鐘。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，殘余應(yīng)力消除熱處理的溫度和時(shí)間被分別設(shè)定為390到 410 °C和20到40分鐘。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，殘余應(yīng)力消除熱處理的條件設(shè)定為390到410°C和20到40分鐘，以便除去殘余應(yīng)力，而不會(huì)衰減硬度。具體地，如果熱處理在低于390°C小于20分鐘進(jìn)行，則不能消除殘余應(yīng)力。另一方面，如果熱處理在410°C以上進(jìn)行超過40分鐘，則彈簧盤條中微細(xì)碳化物變成大尺寸從而引起硬度衰減的發(fā)生。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方式中， 根據(jù)提出的條件，通過進(jìn)行熱處理，消除殘余應(yīng)力，而不會(huì)衰減硬度?，F(xiàn)有技術(shù)中熱定形工藝是通過在220°C到230°C維持10到15分鐘，然后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(jù)本發(fā)明實(shí)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(jìn)行，然后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(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果熱定形工藝在小于235°C進(jìn)行少于15分鐘，則根據(jù)相應(yīng)的條件屈服強(qiáng)度的衰減稍小，且當(dāng)在彈簧最大位移施加負(fù)載時(shí)，塑性變形的量不大，從而對(duì)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于進(jìn)行超過25 分鐘，則根據(jù)相應(yīng)條件屈服強(qiáng)度的衰減劇烈，且塑性變形過度發(fā)生從而嚴(yán)重縮短彈簧長(zhǎng)度， 使得在發(fā)動(dòng)機(jī)中安裝彈簧變得困難甚至不可能。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于在閥門彈簧最大位移時(shí)施加負(fù)載的時(shí)間，如果施加負(fù)載少于 1. 5秒，則由于時(shí)間太短而不能穩(wěn)定地發(fā)生塑性變形。另一方面，如果施加負(fù)載超過2. 5秒， 則最終效果相同(即，不會(huì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的效果)。因此，設(shè)定熱定形條件以便在235到245°C 的溫度維持15到25分鐘，然后在閥門彈簧的最大位移施加負(fù)載1. 5到2. 5秒。已經(jīng)通過上述分析確認(rèn)，通過防止成形過程中的損壞和殘余應(yīng)力消除熱處理過程中硬度的衰減，本發(fā)明閥門彈簧制造工藝提供了優(yōu)異的變形阻力和優(yōu)異的摩擦減少。進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的制造工藝可通過使用拉伸強(qiáng)度超過1900MPa，例如超過2000MPa，超過 2IOOMPa,又例如在2100MPa到之間的高強(qiáng)度閥門彈簧用于制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門彈簧。以下詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例。下面說明的本發(fā)明實(shí)施例僅是示例性的，因此本發(fā)明不限于這樣的實(shí)施例。<形成和切割工藝實(shí)施例和比較例1到3>表1形成測(cè)試條件
權(quán)利要求
1.一種制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法，包括如下步驟(a)使用輥式夾具將高強(qiáng)度盤條形成彈簧的形式；(b)用旋轉(zhuǎn)式切割刃切割所形成的彈簧的端部；(c)在大約390-410°C進(jìn)行殘余應(yīng)力消除熱處理約20-40分鐘；(d)進(jìn)行噴丸處理以用微細(xì)珠粒對(duì)所述彈簧的表面施加壓應(yīng)力；以及(e)進(jìn)行熱定形以預(yù)先對(duì)所述彈簧施加塑性變形。
2.根據(jù)權(quán)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，然后在最大彈簧位移施加負(fù)載約1. 5-2. 5秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(d)用SWRH82A作為材料進(jìn)行噴丸處理工藝，首先利用直徑約0. 6mm的噴珠進(jìn)行約40分鐘，然后使用直徑約0. 3mm的噴珠進(jìn)行約 20分鐘。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制造的用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度閥門彈簧，其中所述閥門彈簧的高強(qiáng)度盤條包括選自碳、硅、錳、磷、硫、鉻、釩、鉬、鎳、和硼的材料的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度閥門彈簧，其中所述閥門彈簧的所述高強(qiáng)度盤條包括 0. 63-0. 69wt% 的碳(C)、2. 10-2. 30wt% 的硅(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(fā)明涉及一種制造用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的高強(qiáng)度閥門彈簧的方法，其包括(a)使用輥式夾具將高強(qiáng)度盤條形成彈簧形式；(b)用旋轉(zhuǎn)式切割刃切割形成的彈簧的端部；(c)在大約390-410℃進(jìn)行殘余應(yīng)力消除熱處理約20到40分鐘；(d)進(jìn)行噴丸處理以用微細(xì)珠粒對(duì)彈簧的表面施加壓應(yīng)力；以及(e)進(jìn)行熱定形以預(yù)先對(duì)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，且防止了殘余應(yīng)力消除熱處理工藝中硬度衰減。
文檔編號(hào)F01L3/10GK102451977SQ201110071589
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者李正錫 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社, 起亞自動(dòng)車株式會(huì)社