高残余应力气门弹簧的生产工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高残余应力气门弹簧的生产工艺，该工艺的步骤如下：卷簧；其中，坯料为55CrSi或50CrVA弹簧钢丝材料；等温淬火；盐浴回火；其中，盐池温度控制在400℃~440℃，并保温一段时间；清洗干燥；磨簧；倒角：对经过磨簧处理后的半成品弹簧的两端进行倒角，去除毛刺，满足客户装配的要求；两次喷丸处理：第一次进行粗喷，获得高残余应力值；第二次进行细喷，获得深残余应力值；热压定型；后续整理，制得该高残余应力气门弹簧。本发明能够完成消除卷簧过程中的残余拉应力，保持材料原有的机械性能，并能在喷丸过程中获得高且深度较深的残余应力，使得该气门弹簧能够运用与高应力幅的场合，满足了发动机小型化的要求。
【专利说明】高残余应力气门弹簧的生产工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高残余应力气门弹簧的生产工艺，是一种气门弹簧制造的工艺流程。
【背景技术】
[0002]目前，配气机构是发动机的重要组成部分，凸轮对气门的控制是单向的，必须有气门弹簧才能保证气门回位；在气门关闭时，气门弹簧必须保证气门与气门座之间的闭合与密封；在凸轮的负加速阶段，气门弹簧必须保持气门不脱离凸轮的控制。气门弹簧在工作中承受高频的交变载荷，一旦出现疲劳失效断裂，往往需要更换整台发动机。因此，气门弹簧同发动机的缸体，曲轴和连杆等主要部件一样，要求在保质期内不发生断裂，对疲劳可靠性有很高的要求。
[0003]随着汽车朝着小型化，高速化的发展，减小发动机排量并采用废气涡轮增压技术实现发动机小型化是现代车用发动机的一个重要发展方向，一方面提高了气门弹簧的设计应力，另一方面能留给气门弹簧布置的空间越来越小。因此弹簧的工作应力幅度越来越高，对气门弹簧可靠性方面提出了更高的要求。传统的气门弹簧制造工艺如下:采用油淬硬钢丝，经过卷簧，去应力退火，磨簧，倒角，喷丸和热压等工序而成；在去应力回火工艺中，并不能完全去除卷簧产生的拉应力，一部分继续残留在钢丝表面，导致气门弹簧在喷丸工艺中无法获得高残余应力，提高气门弹簧的使用寿命；另外钢丝的表面硬度会下降，相应的弹簧钢丝的抗拉强度会下降100?200MPa。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高残余应力气门弹簧的生产工艺，它能够完成消除卷簧过程中的残余拉应力，保持材料原有的机械性能，并能在喷丸过程中获得高且深度较深的残余应力，使得该气门弹簧能够运用于高应力幅的场合，满足了发动机小型化的要求。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种高残余应力气门弹簧的生产工艺，该工艺的步骤如下:
[0006]a)卷黃:将还料卷制成型为半成品弹黃；其中，还料为55CrSi或50CrVA弹黃钢丝材料；
[0007]b)等温淬火；其中，淬火的温度范围为850°C?870°C，并保温一段时间，控制淬火炉内的气氛，避免脱碳超过标准规定；
[0008]c)盐浴回火；其中，盐池温度控制在400°C?440°C，并保温一段时间；
[0009]d)清洗干燥；
[0010]e)磨簧:对干燥完成后的半成品弹簧的两端进行磨削处理，使半成品弹簧达到所需的自由高度范围；
[0011]f)倒角:对经过磨簧处理后的半成品弹簧的两端进行倒角，去除毛刺，满足客户装配的要求；
[0012]g)两次喷丸处理:第一次进行粗喷，获得高残余应力值；第二次进行细喷，获得深残余应力值；
[0013]h)热压定型；
[0014]i)后续整理，制得该高残余应力气门弹簧。
[0015]进一步为了在卷簧过程前先切除表面缺陷超标的坯料，在所述的步骤a)之前还进行色标探测处理:检测坯料供应商在坯料的表面缺陷超过标准时涂上的色标，将涂有色标的部分切除。
[0016]进一步，在所述的步骤g)和步骤h)之间进行色标打印工序:在完成喷丸处理后的半成品弹簧上打印色标，用于区别方向或追溯。
[0017]进一步，在所述的步骤e)中，同时保证半成品弹簧的末端厚度在0.5mm以上。
[0018]进一步提供了一种后续整理工序的具体流程，所述的步骤i)中，后续整理依次包括:
[0019](I)上油:在热压定型后的弹簧表面涂防锈油，满足弹簧的运输和储存要求；
[0020](2)包装:将弹簧按照客户要求包装方式分别进行包装。
[0021]进一步为了实现对弹簧更好地热压定型，在所述的步骤h)中，在热压定型前先将半成品弹簧加热至250°C?290°C，保持一段时间，再压缩到弹簧的实体高度，使弹簧的热松弛实验和变形满足气门弹簧的使用要求。
[0022]进一步，所述的坯料采用未经过油淬的弹簧钢丝。
[0023]采用了上述技术方案后，本发明获得了一种高残余应力的气门弹簧，能够完全利用了原材料的机械性能，同等喷丸条件下，获得相比传统工艺生产气门弹簧更高且深的残余应力，使得该气门弹簧能够运用于高应力幅的场合，满足了发动机小型号的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的高残余应力气门弹簧的生产工艺的流程示意图；
[0025]图2为气门弹簧经喷丸处理后内侧表面不同深度上与钢丝轴向45°的残余压应力标准表。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0027]如图1所示，一种高残余应力气门弹簧的生产工艺，该工艺的步骤如下:
[0028]a)卷簧:将坯料卷制成型为半成品弹簧；所述的坯料可以采用未经过油淬的弹簧钢丝；其中，坯料为55CrSi或50CrVA弹簧钢丝材料；
[0029]b)等温淬火；其中，淬火的温度范围为850°C?870°C，并保温一段时间，控制淬火炉内的气氛，避免脱碳超过标准规定；
[0030]c)盐浴回火；其中，盐池温度控制在400°C?440°C，时间大致为I小时；
[0031]d)清洗干燥；将完成盐浴回火的弹簧清洗后通过带式干燥炉中进行干燥，干燥炉的温度为100°c左右；
[0032]e)磨簧:对干燥完成后的半成品弹簧的两端进行磨削处理，使半成品弹簧达到所需的自由高度范围；
[0033]f)倒角:对经过磨簧处理后的半成品弹簧的两端进行倒角，去除毛刺，满足客户装配的要求；
[0034]g)两次喷丸处理:第一次进行粗喷，获得高残余应力值，粗喷的钢丸的直径可以为0.8mm ;第二次进行细喷，获得深残余应力值，细喷的钢丸的直径可以为0.5mm ；
[0035]h)热压定型；
[0036]i)后续整理，制得该高残余应力气门弹簧。
[0037]如图1所示，为了在卷簧过程前先切除表面缺陷超标的坯料，在所述的步骤a)之前还进行色标探测处理:检测坯料供应商在坯料的表面缺陷超过标准时涂上的色标，将涂有色标的部分切除；坯料供应商当检测到坯料有表面缺陷并且超标时，会在坯了上涂上色标；
[0038]如图1所示，在所述的步骤g)和步骤h)之间进行色标打印工序:在完成喷丸处理后的半成品弹簧上打印色标，用于区别方向或追溯。
[0039]在所述的步骤e)中，同时保证半成品弹簧的末端厚度在0.5mm以上。
[0040]所述的步骤i)中，后续整理依次包括:
[0041](I)上油:在热压定型后的弹簧表面涂防锈油，满足弹簧的运输和储存要求；
[0042](2)包装:将弹簧按照客户要求包装方式分别进行包装。
[0043]如图1所示，为了实现对弹簧更好地热压定型，在所述的步骤h)中，在热压定型前先将半成品弹簧加热至250°C?290°C，保持一段时间，再压缩到弹簧的实体高度，使弹簧的热松弛实验和变形满足气门弹簧的使用要求。
[0044]本发明的工作原理如下:
[0045]弹簧的热处理和喷丸处理工艺，决定着弹簧残余应力值的高低，对气门弹簧的疲劳性能及使用寿命有至关重要的影响。
[0046]弹簧的热处理工艺，主要是根据弹簧的品种和加工状态来制定的，概括起来可分为三种类型:第一种，凡是用经过强化处理的钢丝，如碳素弹簧钢丝、琴钢丝、油淬火回火弹簧钢丝和钢带一冷成形工艺制作的弹簧，形成后只需进行去应力退火处理；第二种，凡是用经过固溶处理和冷拉强化的奥氏体不锈钢，沉淀硬化的不锈钢钢丝，钢带和铜镍合金材料以冷成形工艺制作的弹簧，成形后需进行时效硬化处理；第三种，凡是用热成型和以退火材料冷卷的弹簧，均需进行淬火回火处理。目前，弹簧成形加热和淬火加热，多采用火焰炉或电炉，为了防止或减轻表面氧化和脱碳，得到较高的表面质量，最好采用可控制气氛的加热炉，或使炉中气氛略带还原性，并采用高温快速加热的方法，对中小弹簧，可用脱氧良好的盐浴炉进行淬火加热。
[0047]本发明的工艺中的弹簧的淬火和回火，主要使用到上述第三种热处理工艺，即弹簧的等温淬火，主要应用在要求热处理变形小和希望获得良好的塑性和韧性的情况。等温淬火就是将弹簧加热到钢种的淬火温度，保温一定时间，以获得均匀的奥氏体组织，然后淬入Ms点以上20— 50°C的熔盐中，等温足够的时间，使过冷奥氏体基本上完全转变成贝氏体组织，再将弹簧取出，在空气中冷却。这种处理比普通淬火、回火处理的材料具有更高的延展性和韧性，而且弹簧极少变形或开裂；等温淬火时，盐浴的温度是根据弹簧所要求的力学性能决定的必须严格控制。通常是稍高于该钢种的Ms点，获得下贝氏体组织。本发明中使用55CrSi或50CrVA弹簧钢丝材料，其淬火温度为860+/-10°C.如温度偏高，得上贝氏体组织，其硬度较前者低；如温度过低，虽能提高弹性极限，但塑性、韧性较差，以致失去等温淬火的优越性。
[0048]弹簧的回火是将淬火后的弹簧重新加热到低于Acl的某一选定温度，并保温一定时间，然后以适宜的冷却速度冷却。通常弹簧回火处理主要有2个作用，一是使弹簧表面在卷簧产生的拉应力得以部分消除，为后续喷丸处理引入更高的残余压应力做准备；二是是获得所需要的力学性能，稳定弹簧的组织和尺寸。
[0049]传统工艺中采用油淬火回火弹簧钢丝制作的弹簧，形成后只需进行去应力退火处理即可，但是普通回火并不能完全消除卷簧过程中产生的拉应力，通常只能去除50?70%左右，并且去应力回火在一定程度上会降低弹簧钢丝的性能，常用的55CrSi或50CrVA的抗拉强度在1910?2050MPa之间，经过420+/-20°C去应力回火工艺后，抗拉强度会降低100?120MPa。本发明中的等温淬火工艺，完全的消除了卷簧过程中产生的残余拉应力，并且在后续的等温回火工艺，不会降低弹簧钢丝的抗拉强度，充分利用了材料的力学性能。根据发动机测试结果表明，采用等温淬火工艺的弹簧比传统工艺制成的弹簧的使用应力幅度提闻10?15%左右。
[0050]在气门弹簧的工艺中，喷丸的工序分成2步喷丸，第一粗喷丸，时间在10分钟左右，得到的残余压应力值较大，但是比较浅；第二步细喷丸，丸颗小，得到的残余应力值小，然而可获得较深的残余压应力值。德国大众公司的《气门弹簧内应力检测标准》PV3104的规定如图2所示，传统工艺的气门弹簧因其不能完全去除卷簧过程中的拉应力等因素，残余压应力只能达到大众公司A级水平，而采用本发明的气门弹簧生产工艺，在同等喷丸工艺条件下，可以达到大众公司C级标准，提高气门弹簧的使用寿命。
[0051]以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于该工艺的步骤如下: a)卷黃:将还料卷制成型为半成品弹黃；其中，还料为55CrSi或50CrVA弹黃钢丝材料； b)等温淬火；其中，淬火的温度范围为850°C?870°C，并保温一段时间，控制淬火炉内的气氛，避免脱碳超过标准规定； c)盐浴回火；其中，盐池温度控制在400°C?440°C，并保温一段时间； d)清洗干燥； e)磨簧:对干燥完成后的半成品弹簧的两端进行磨削处理，使半成品弹簧达到所需的自由高度范围； f)倒角:对经过磨簧处理后的半成品弹簧的两端进行倒角，去除毛刺，满足客户装配的要求； g)两次喷丸处理:第一次进行粗喷，获得高残余应力值；第二次进行细喷，获得深残余应力值； h)热压定型； i)后续整理，制得该高残余应力气门弹簧。
2.根据权利要求1所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:在所述的步骤a)之前还进行色标探测处理:检测坯料供应商在坯料的表面缺陷超过标准时涂上的色标，将涂有色标的部分切除。
3.根据权利要求1所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:在所述的步骤g)和步骤h)之间进行色标打印工序:在完成喷丸处理后的半成品弹簧上打印色标，用于区别方向或追溯。
4.根据权利要求2所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:在所述的步骤g)和步骤h)之间进行色标打印工序:在完成喷丸处理后的半成品弹簧上打印色标，用于区别方向或追溯。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:在所述的步骤e)中，同时保证半成品弹簧的末端厚度在0.5mm以上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:所述的步骤i)中，后续整理依次包括: (1)上油:在热压定型后的弹簧表面涂防锈油，满足弹簧的运输和储存要求； (2)包装:将弹簧按照客户要求包装方式分别进行包装。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:在所述的步骤h)中，在热压定型前先将半成品弹簧加热至250°C?290°C，保持一段时间，再压缩到弹簧的实体高度，使弹簧的热松弛实验和变形满足气门弹簧的使用要求。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的高残余应力气门弹簧的生产工艺，其特征在于:所述的坯料采用未经过油淬的弹簧钢丝。
【文档编号】B21F35/00GK104190828SQ201410370648
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】王峰, 田宏霞 申请人:常州机电职业技术学院