专利名称：使用冷成形技术制造高碳钢发动机部件的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造高碳钢发动机部件的方法，尤其涉及一种使用冷成形技术制造高碳钢发动机部件的制造工艺。
背景技术：
已知有几种坯料加工技术可用于制造钢制发动机部件。这类技术的具体示例包括旋压加工、热成形和热煅。旋压加工包括使用多轴机床接收棒料，并机加工成初始形状，或初始坯。然后，将初始坯进一步机加工到规定的公差。虽然这种操作可以有效地生成初始坯，但材料的浪费较高。
热成形包括在低于临界温度下加热供应丝材(supply wire)，以提高延展性。对于高碳钢(碳含量在0.93～1.05％之间的钢)，例如ASTM A295中规定的SAE 52100，临界温度为1330°F。一旦加热，所述材料就形成所需的形状，然而，热成形技术是不利的，因为成形的零件不能满足很多应用场合对于精密公差的要求。尤其是，当成形的零件冷却时，发生变形，因此需要另外的机加工步骤，以获得所需的形状。
热煅可以使用棒料、供应丝材或锻屑。初始材料以类似于热成形的方式加热，但是加热到更高的温度。尤其是，材料加热到临界温度以上，熔点温度以下。一旦加热，就可将所述材料锻造成所需的形状。然而，当成形的零件冷却时，发生变形。而且，用于执行锻造操作的工具容易粗糙，且不精确，因此需要另外的机加工步骤，以获得所需的形状。
在形成成形的零件之后，对所述零件进行热处理。热处理后，成形的零件经历多种磨削操作端磨、外缘磨、内缘磨和外缘精加工。一旦所述零件完工，它就与匹配部件装配在一起，然后进行最后总装。
除机加工、热成形和热煅外，已知可以采用冷成形技术生产复杂的零件，且加工到精密公差，或“接近最终形状”。例如，已知可以采用镦锻、顶煅和挤压等冷成形技术，用于加工高强度的螺母和螺栓。然而，已经证明这种冷成形技术仅对使用低碳材料制造复杂零件有效，以避免加工过程中工具损坏和材料开裂。
然而，承受高接触应力的复杂零件，例如凸轮推杆滚柱，必须由高碳钢(例如，52100级)制成。冷成形高碳钢的前述方案已经产生了多个问题。遇到的一个问题是由于供应材料的加工硬化，造成接近最终形状的部件容易开裂。遇到的另一个问题是增加了成形工具的磨损，在很多情况下会造成工具失效。
为了减轻冷成形高碳钢的难度，已经在冷成形前采取了具体的处理步骤处理高碳钢。通常，高碳钢丝材的处理包括多次拉拔操作，以得到所需的物理性能。因为在成形工艺中，为了保证充分填充模具，材料的体积非常关键，所以供应钢丝的处理包括两步拉拔处理，其中第一步拉拔操作将主截面的面积减小25％或更多，第二步拉拔操作是更精确地控制尺寸的拉拔操作，其中面积减小5％或更小。
供应丝材的标准处理过程的示例如下。首先，提供初始直径为18mm的标准盘条。然后，对初始丝材退火。然后涂覆磷酸锌涂层作为润滑剂，并将丝材拉拔到15.5mm(减小25.8％)。然后将经过拉拔的丝材再次退火。然后进行脱皮操作，使直径下降到14.7mm。然后使用钢丝刷清理，并拉拔到14.5mm(减小2.7％)。然后对丝材进行涡流检查，以检查缺陷，且在后续的处理过程中，在丝材上涂覆磷酸锌涂层，作为润滑剂。
尽管有些效果，但随着处理丝材所需的操作数目增加，成本也随之增加。因此，需要一种成本效率合算的制造高碳钢发动机部件的方法(即，碳含量大于约0.65％)，且包括一种处理高碳钢的方法，所述高碳钢可以充分成形，而基本上限制对成形工具的损坏。而且，需要一种成本效率合算的制造高碳钢发动机部件的方法，所述高碳钢可以使材料从坯件的中心移动，而节约材料，降低成本。
发明内容
本发明涉及一种由高碳钢(碳含量大于0.70％)生产精确的、硬化的基本发动机部件的冷成形制造工艺。为了避免现有技术中的缺陷，即有限的工具寿命以及最终制成零件的开裂，该工艺的第一步包括提供预处理的高碳钢初始材料，所述材料已经提高了可成形性，并降低了内部材料应力。
根据本发明，对碳含量至少大于0.7％，甚至更高，可取的是大于0.9％的高碳钢供应丝材进行处理。处理所述供应丝材的第一步包括退火，增强其可成形性，然后用例如磷酸锌作为润滑剂涂覆供应丝材。接着，将经过退火的丝材拉拔到第一预定直径，而使供应丝材至少减小25％。在拉拔操作之后，使拉拔的丝材脱皮，直到第二预定直径，以去除表面缺陷。然后使用钢丝刷清理所述供应丝材。
接着，使钢丝刷清理的供应丝材进行第二次拉拔操作。第二次拉拔操作更精确地控制，使直径减小小于5％。在拉拔之后，所述供应丝材进行涡流检查，以检查缺陷。根据本发明的一个方面，经过拉拔的供应丝材再次退火，以增加冷成形过程中的可成形性。最后，经过退火的供应丝材上涂敷润滑剂，比如磷酸锌或有机材料。
一旦预处理，接着供应丝材就冷成形为意味着零件基本上接近最终尺寸的“接近最终的形状”。所述冷成形操作是通过顶锻或挤压实现的。由于使用了冷成形，供应的材料被迫形成接近最终的形状，因此使浪费最小，并减少或取消磨削操作。根据本发明，所述冷成形操作可以以多种操作和渐进的步骤完成，以避免加工硬化，从而避免成形的零件和成形工具开裂和损坏。而且，因为零件加工成接近最终的形状，所以不需另外的机加工，仅需最少量的磨削就能使零件的特定部分保持非常精密的公差，并提高表面光洁度。
附图简要说明在阅读了下面的详细描述、权利要求和附图之后，本发明的特征和发明形态将变得更为明显，下面是简要说明
图1是示出了用于冷成形操作的加工高碳钢丝的方法的流程图。
图2是示出了用于冷成形操作的加工高碳钢丝的另一方法的流程图。
图3示出了根据本发明用于制造凸轮推杆滚柱的加工操作。
图4示出了在根据本发明的加工操作的不同阶段的凸轮推杆滚柱。
优选实施例的详细描述本发明的方法用于生产各种精加工的高碳钢零件，包括用于汽车应用中的凸轮推杆滚柱，但不限于此。在用于制造凸轮滚柱的优选实施例中，本发明的方法包括提供由预定的高强度、高碳含量的钢材制成的预加工丝材，该丝材具有较大的球状碳化结构形式的微观结构。可取的是，所述钢丝具有下述特性，表示为Z％(屈服处的断面收缩率％)的极限屈服强度大于约63％，表示为Rm的极限拉伸强度大于约610Mpa，硬度读数小于约200布氏硬度，从而提供没有裂纹的发动机部件。
首先，可取的是提供已经具体加工过的供应丝材，从而具有受控的、预定的表面光洁度和表面加工方向。表面光洁度是很关键的，因为表面光洁度上小的不连续成为应力集中部分，可能扩展成裂纹。因此，表面越光滑，应力集中部分越少，所以，开裂的可能性越小。表面加工的方向也很重要，因为零件上的高应力通常沿一个方向。因此，如果表面加工不沿这一方向，则成形时零件会有很小的开裂倾向。
参照图1的流程图，根据本发明的一个方面，为获得预定的表面光洁度和表面加工方向，对高碳钢制成的供应盘条10进行加工。提供高碳钢(SAE 52100或等效品)制成的供应盘条10，碳含量至少约0.65％。可取的是，碳含量大于0.90％，而使最终的零件可以承受高接触应力。
接着，供应丝材10退火12，使供应丝材10软化，以便提高可成形性。然后，供应丝材10涂敷14磷酸锌或其他适当的润滑剂润滑供应丝材10。接着，润滑的供应丝材10拉拔16至预定的直径，而减缩至少约25％。不像现有技术，经过拉拔和减缩的供应丝材10接着进行脱皮18，直到第二预定直径，然后外表面用钢丝刷清理20，以使润滑剂涂层附着在供应丝材10上。然后供应丝材10再次拉拔22至第三预定直径。拉拔过程22是比初始拉拔16更精确的拉拔，包括明显小于拉拔过程16中的减缩量的直径减缩。在优选实施例中，拉拔过程22包括小于约5％的减缩量。然后，供应丝材10可以进行涡流检查24。
根据本发明，在可选的涡流检查24之后，供应丝材10经过第二次退火操作26。不像现有技术，在脱皮操作18之后，且就在使供应丝材10冷成形为接近最终的形状(下面更详细地论述)之前进行退火操作26。出乎意料，如同现有技术中那样，决定在脱皮前取消退火操作，而不会影响脱皮操作18。而且，通过取消脱皮操作18之前的退火操作步骤，对供应丝材10的处理步骤并没有增加，成本也没有增加。而且，决定在第二次拉拔22后插入第二退火操作26改善了供应丝材10的可成形性，便于后续的加工，减少了开裂的问题，并且延长了工具寿命。在退火操作26后，在进行零件成形工艺之前，供应丝材10涂覆28磷酸锌28或浸入肥皂液中，以润滑供应丝材10。
在一个优选实施例中，根据本发明，为减少与使用低熔点材料相关的问题，使用无磷酸锌的丝材润滑涂层作为润滑涂层。适当的涂层包括拉拔皂、磷酸钙、硫化钼、Teflon或其他有机涂层。
当使用有机润滑剂时，例如肥皂，代替磷酸锌时，连续模具的设计和整个成形工艺必须使所述外径成形表面上的钢材运动减小到最小。这样保证当从磷酸锌润滑剂切换为肥皂时，零件的灵敏模具的寿命不受影响。这种方案也可以避免如果相当长的供应丝材上缺少肥皂润滑剂时，模具和毛坯之间有发生冷焊的危险。
根据本发明的预处理供应丝材10的示例如下。供应盘条10具有高于0.7％的碳含量，直径为18mm。供应丝材10退火，然后涂敷磷酸锌或者其他适当的润滑剂。然后，供应丝材10拉拔到15.5mm的直径(减小25.8％)，并脱皮到14.7mm的直径。接着，用钢丝刷清理供应丝材，然后拉拔到14.5mm的直径(减小2.7％)。进行涡流检查，然后供应丝材10退火，以提高其可成形性，并在成形操作之前涂敷润滑剂，比如磷酸锌，或浸在肥皂中。
本文还公开了另一种用于冷成形操作的预处理高碳钢供应丝材的方法。参照图2，提供了一种具有预定清洁度的供应丝材30。供应丝材30经过退火32和脱皮34而达到第一预定直径。接着，供应丝材30经过钢丝刷清理36和拉拔38而达到第二预定直径。根据本发明，然后供应丝材30经过涡流检查40后进行第二次退火操作42，以提高可成形性。最后，供应丝材30使用磷酸锌润滑44或浸渍在肥皂中。
根据本发明的预处理供应丝材30的示例如下。提供具有高于0.7％的碳含量，且直径为16mm的供应盘条30。供应丝材30经过退火32和脱皮34而达到15.2mm的直径。经过脱皮操作34后，供应丝材30经过钢丝刷清理36和拉拔而达到14.5mm的直径(减小9％)。最后，供应丝材10经过涡流检查40，进行第二次退火42，并使用磷酸锌或其他适当的润滑剂润滑44。
根据本发明，一旦形成了预处理的供应丝材10或30，就开始冷成形。与传统机加工，比如旋压成形相比，冷成形减少了材料的浪费。在优选实施例中，预处理的丝材10或30使用挤压、顶锻或者其他适当的冷成形工艺进行冷成形。
挤压包括迫使丝材坯料10或30通过具有预定截面的模孔，而生成具有基本上均匀截面的一段长度。在模孔内设有一销子。当迫使供应丝材10或30通过模具时，由于通过预处理步骤增强了供应丝材10或30的可成形性，供应丝材10或30在销子上或周围变形流动。这样，所生成的坯料形成材料浪费最小的预定轮廓。
在顶锻操作中，提供模具，且将供应丝材10或30置于模具中，一端接触一个或多个销子。将销子敲入模具中的供应丝材10或30中，而使供应丝材10或30在模具中在所述销子周围变形流动。根据本发明，使用冷成形制成的发动机部件是在多级工艺50中形成的，如图3所示。所述多级工艺50可以使用一种或多种不同的冷成形技术。
通过预处理供应丝材生产的冷成形加工的坯料将会产生无裂纹的表面和无裂纹的下层表面。当应用时或者进行1,000小时或更长的发动机循环测试时，如发动机原始设备制造商所规定的，在所述冷成形坯料中需要上述特性，以避免可能在最终的发动机辊上发生的剥落、开裂或者任何其他缺陷。
在冷成形操作后，基于所采用的钢材级别的公称化学性质，经过处理的坯料进行预清洗，在预定的温度下进行热处理和淬火，并保持预定的时间。热处理和淬火操作消除了由冷成形操作引起的所有诱发应力，从而可以保持很高的抗磨损和抗疲劳能力。
根据本发明的一个方面，因为本发明的方法可以形成接近最终形状的零件，且不会使成形工具上或顶推供应丝材的应力超过其屈服强度，所以开裂问题最小化。因此，由于可以基本上减少/消除冷成形工艺的尺寸控制，比如端磨、外缘磨和内缘磨的研磨操作。因此，本发明的方法减少了制造时间和花费，并且提高了毛坯的强度或工具寿命。
可以理解多种不同的发动机部件都可以使用上述工艺制成，图3-5示出了根据本发明制造的凸轮推杆滚柱。根据本发明提供供应丝材10或30。然后，在五步工艺中进行冷成形50。首先，从供应丝材10或30上切下料棒52。接着，在料棒52的端部54形成凹窝56。料棒52的拐角58的外径圆角化59。内径60减小62。最后，减小的内径60被冲出64，形成了接近最终形状的完成的凸轮推杆滚柱66。因为凸轮推杆滚柱66是逐渐形成的，避免了加工硬化，所以避免了凸轮推杆滚柱66和工具损坏和开裂。而且，因为凸轮推杆滚柱66成形为接近最终形状，所以可以基本上减少/消除研磨操作，比如端磨，外缘磨和内缘磨。
在冷成形操作后，根据工业标准，基于凸轮推杆滚柱66所采用的高碳钢级别的公称化学性质，凸轮推杆滚柱66进行预清洗、热处理和淬火。
本发明的优选实施例已经公开。然而，本行业的普通技术人员可以认识到，某些改进来自本发明的启示。因此，应研究下述权利要求，以确定本发明的真实范围和内容。
权利要求
1.一种制造高碳钢发动机部件的方法，包括步骤提供预处理的高碳钢供应丝材，按重量百分比计，所述丝材具有大于约0.65％的碳含量；将所述丝材冷成形为接近最终形状的零件，基于所述供应丝材的基本化学性质，所述零件在预定的温度下进行热处理，并保持预定的时间；根据所述丝材的基础化学成分，在预定的温度下淬火，并保持预定的时间。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预处理的供应钢丝依据下述方法进行处理提供碳含量超过约0.70％的供应丝材，使所述供应丝材退火；使用第一润滑涂层涂敷所述供应盘条；使经过润滑的所述盘条进行第一次拉拔操作，其中将所述盘条拉拔到第一预定直径；使所述经过拉拔的供应盘条脱皮到第二预定直径；使用钢丝刷清理所述供应盘条；使所述供应盘条进行第二次拉拔操作，其中所述供应盘条拉拔到第三预定直径；对所述经过拉拔的供应盘条退火，以在所述冷成形步骤之前增加所述经过拉拔的盘条的可成形性；用第二润滑涂层涂敷所述经过退火和拉拔的供应盘条。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第一润滑涂层是磷酸锌。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第一拉拔操作使所述供应盘条的直径减小至少约25％。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第二拉拔操作使所述供应盘条的直径减小小于约5％。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第二润滑涂层是磷酸锌。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第二润滑涂层是无磷酸锌。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述无磷酸锌润滑剂是有机涂层。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述无磷酸锌润滑剂是拉拔皂、磷酸钙、硫化钼和Teflon。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述供应钢丝具有按重量计大于0.90％的碳含量。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述冷成形操作是通过顶锻和挤制之一完成的。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述冷成形操作是以逐渐的方式分多步实现的，以使所形成的部件的加工硬化和开裂损坏最小。
13.一种对用于冷成形操作的高碳钢供应丝材预加工的方法，包含提供碳含量大于约0.90％的供应盘条；使所述供应盘条退火；利用磷酸锌润滑涂层涂敷所述供应盘条；使所述润滑的供应盘条经过第一次拉拔操作，其中所述供应盘条拉拔成第一预定直径；将所述经过拉拔的供应盘条脱皮至第二预定直径；用钢丝刷清理所述经过拉拔的供应盘条；使所述供应盘条经过第二次拉拔操作，其中所述供应盘条拉拔到第三预定直径；使所述经过拉拔的供应盘条退火，以增加所述拉拔的供应盘条的可成形性；用第二润滑涂层涂敷所述退火和拉拔的供应盘条。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述第二润滑涂层是磷酸锌。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述第二润滑涂层是拉拔皂、磷酸钙、硫化钼和Teflon之一。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于还包括在所述第二拉拔操作之后，检查所述供应丝材的缺陷和不足。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述供应丝材是通过进行涡流检查而检查的。
全文摘要
本发明公开了一种制作高碳钢发动机部件的方法。该方法包括对具有球状碳化物微观结构和高强度机械性能的高强度钢制成的供应丝材预加工，在所述供应丝材的表面上涂敷润滑剂，使坯料冷成形，从而基本上减少或消除了对任何额外的表面研磨操作的需要。
文档编号B21K21/08GK1494597SQ02805561
公开日2004年5月5日 申请日期2002年1月28日 优先权日2001年1月26日
发明者雷蒙德·C·哈策尔, 杰弗里·A·巴克, 斯坦利·马尔海夫卡, A 巴克, 马尔海夫卡, 雷蒙德 C 哈策尔 申请人:超精密产品公司