專利名稱：轎車發(fā)動(dòng)機(jī)用全包容陶瓷鑲塊鋁合金基體搖臂及其制造技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。
發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂的綜合使用性能要求一般包括1)與凸輪接觸的工作圓弧面部位硬度高、耐沖擊、耐磨性好、與凸輪之間的摩擦系數(shù)小，形成一對(duì)性能匹配良好的摩擦副；2)基體剛度大、強(qiáng)度高、疲勞壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；3)軸孔耐磨性好。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣門搖臂所進(jìn)行的大量研究一般都圍繞上述三個(gè)方面展開進(jìn)行，目前所采用的結(jié)構(gòu)形式主要有鍛鋼鍍鉻搖臂、滾輪式搖臂和鑲塊式搖臂等三種。鍛鋼鍍鉻搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、工作圓弧面耐磨性差、制造工藝復(fù)雜，目前正逐漸被淘汰；滾輪式搖臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，推廣應(yīng)用的局限性很大；而鑲塊式搖臂則是近年來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
現(xiàn)有的鑲塊式搖臂可分為兩種，一種是粉末冶金鑲塊搖臂，另一種是氮化硅陶瓷鑲塊搖臂。早在1977年，日本三菱(MMC)公司就開發(fā)出了采用鋁合金壓鑄包容粉末冶金鑲塊的搖臂，并于80年代投入了大批量生產(chǎn)使用1。目前，粉末冶金鑲塊搖臂的制造技術(shù)已很成熟，在世界各國(guó)用得相當(dāng)普遍。其粉末冶金鑲塊與搖臂基體的連結(jié)方式除了采用鋁合金壓鑄包容以外，也有采用焊接藝的。
粉末冶金鑲塊搖臂雖然比鍍鉻搖臂的耐磨性有較大幅度的提高，但由于它密度大，并未徹底解決配氣機(jī)構(gòu)輕量化的問題。而且國(guó)內(nèi)、外的許多研究表明，粉末冶金與冷激鑄鐵凸輪軸并不是減磨效果最好的摩擦副。日本尼桑(Nissan)公司中心工程實(shí)驗(yàn)室材料開發(fā)部于80年代末期的研究表明，與粉末冶金相比，氮化硅陶瓷和冷激鑄鐵組成的摩擦副，不僅耐磨性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)減磨添加劑的依賴性也要小得多。因此，國(guó)際上目前正在加緊研制第三代的鋁合金陶瓷鑲塊搖臂。
日本MMC公司率先于1984年成功開發(fā)出了用于LPG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上的鋁合金壓鑄包容氮化硅陶瓷鑲塊結(jié)構(gòu)的搖臂。隨后，五十鈴公司和京陶公司也研制出了這種搖臂。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院高技術(shù)陶瓷所、上海內(nèi)燃機(jī)研究所和上海船用柴油機(jī)研究所合作開發(fā)了6105柴油機(jī)鋁合金陶瓷鑲塊搖臂。這些搖臂結(jié)構(gòu)基本類似，其陶瓷鑲塊與鋁合金基體之間都采用了半包容式的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，搖臂基體未能對(duì)鑲塊起到很好的保護(hù)作用，可靠性較差；其陶瓷鑲塊體積和質(zhì)量較大，未能有效減小搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；而且其鑲塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料性能要求苛刻、成本較高，所以至今沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
所引證的技術(shù)文件1.Yutaka Ogawa.etc.Ceramic Rocker Arm Insert for InternalCombustion Engines.SAE，8603972.848～2.8572.陸克久.工程陶瓷材料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用.世界汽車，1999(1)12～14
3.魯光祖等.陶瓷配氣機(jī)構(gòu)的研制.高性能陶瓷論文集，1998473～477本發(fā)明的目的是提供一種轎車發(fā)動(dòng)機(jī)用全包容陶瓷鑲塊鋁合金基體搖臂及其制造技術(shù)，使其使用壽命能大幅度提高，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。
本項(xiàng)申請(qǐng)將搖臂的多種使用性能要求按照“功能相似性”分為兩類，并運(yùn)用創(chuàng)造性方法學(xué)中的“組合”原理，有針對(duì)性地選用鋁合金和氮化硅陶瓷這兩種具有不同性能特點(diǎn)的材料分別作為搖臂基體和工作圓弧面鑲塊，通過(guò)制造將它們組合在一起使用，充分發(fā)揮兩種材料各自不同的性能優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到提高產(chǎn)品綜合性能，降低制造成本的目的。倒楔角全包容陶瓷鑲塊鋁合金基體搖臂設(shè)計(jì)和制造的具體方案如下1.

圖1為鋁合金陶瓷鑲塊搖臂的結(jié)構(gòu)示意圖，其陶瓷鑲塊與鋁合金基體之間的聯(lián)結(jié)工藝，采用了以鋁合金壓鑄全包容倒楔角氮化硅陶瓷鑲塊的技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械聯(lián)結(jié)方法保證了兩種不浸潤(rùn)材料組合使用時(shí)的可靠性，避免了對(duì)陶瓷鑲塊表面進(jìn)行活化處理的低效率、復(fù)雜工藝；簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的陶瓷鑲塊搖臂中鑲塊的結(jié)構(gòu)形式，節(jié)約了昂貴的氮化硅陶瓷材料的用量，降低了制造成本；同時(shí)也進(jìn)一步減輕了搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)特性。
2.搖臂軸孔外圓下部設(shè)計(jì)有一不貫通的加強(qiáng)筋。這種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有的氣門搖臂中屬于首創(chuàng)，它不僅分散了應(yīng)力集中，而且使軸孔內(nèi)圓與外圓在端面方向同心，造型美觀。
3.高效、低成本的搖臂生產(chǎn)工藝。為了保證搖臂與凸輪軸之間不發(fā)生偏磨，搖臂工作圓弧面母線與其軸孔中心線一般有很高的平行度要求。傳統(tǒng)的搖臂加工工藝路線是先加工搖臂軸孔，然后以軸孔作為精基準(zhǔn)來(lái)成形磨削工作圓弧面。由于氮化硅陶瓷的成形磨削效率很低、成本很高，不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求，所以鋁合金陶瓷鑲塊搖臂的生產(chǎn)工藝應(yīng)有較大的改進(jìn)和創(chuàng)新。工藝路線的制定一方面要保證搖臂設(shè)計(jì)的精度要求，另一方面要生產(chǎn)效率高、成本低。
附圖2為陶瓷鑲塊在壓鑄內(nèi)的模具剖面圖。下面根據(jù)附圖2詳細(xì)敘述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程。
1)將燒結(jié)好的氮化硅陶瓷鑲塊毛坯在外圓磨床上磨削、拋光至合格的外形尺寸和表面質(zhì)量；2)利用鑄造活塊[5]將已加工完成的具有倒楔角的氮化硅陶瓷鑲塊[4]在搖臂壓鑄模具[1]內(nèi)精確定位，通過(guò)鋁合金壓鑄后的收縮壓力將陶瓷鑲塊[4]與軸孔外圓下部有一不貫通加強(qiáng)筋[7]的搖臂鋁合金基體[2]精確、可靠地聯(lián)結(jié)起來(lái)，從而得到鋁合金陶瓷鑲塊搖臂毛坯；3)以上述毛坯中的陶瓷鑲塊[4]的工作圓弧面定位，對(duì)搖臂軸孔[3]的端面進(jìn)行加工，保證端面與陶瓷鑲塊[4]圓弧面母線的垂直度，從而將精基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到搖臂軸孔[3]的端面；
4)以上述加工完成的搖臂軸孔[3]的端面和陶瓷鑲塊[4]的工作圓弧面共同作為精基準(zhǔn)來(lái)定位，加工搖臂軸孔[3]；5)以搖臂軸孔[3]定位，加工氣門間隙調(diào)節(jié)螺釘孔[6]。
上述制造工藝路線能夠保證陶瓷鑲塊工作圓弧面母線與搖臂軸孔中心線很高的平行度要求，且效率高、成本低，適合于大批量生產(chǎn)。
與現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門搖臂技術(shù)相比，本發(fā)明所述的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)用全包容陶瓷鑲塊鋁合金基體搖臂及其制造方法的優(yōu)點(diǎn)包括1.與鍛鋼鍍鉻搖臂和粉末冶金鑲塊搖臂相比，可將搖臂與凸輪軸的磨損壽命提高5～6倍，同時(shí)可明顯減小配氣機(jī)構(gòu)的等效質(zhì)量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)特性，減少燃油消耗。
2.與現(xiàn)有的半包容結(jié)構(gòu)的鋁合金陶瓷鑲塊搖臂相比，陶瓷鑲塊與鋁合金基體之間的聯(lián)結(jié)可靠性明顯提高，對(duì)陶瓷鑲塊材料的性能要求也有所降低；同時(shí)，有效減小了鑲塊體積，進(jìn)一步減小了搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，節(jié)省了氮化硅陶瓷鑲塊材料的用量，降低了制造成本。
權(quán)利要求
1.一種由鋁合金基體和陶瓷材料構(gòu)成的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂其特征是在鋁合金搖臂基體[2]上全包容鑲嵌有一帶有圓弧工作面的倒楔角氮化硅陶瓷鑲塊[4]，搖臂軸孔外圓下部有一不貫通的加強(qiáng)筋[7]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂其特征是制造方法為將磨削拋光后的氮化硅陶瓷鑲塊[4]裝夾在精密加工的鑄造活塊[5]上，放入金屬壓鑄模具[1]內(nèi)進(jìn)行壓鑄，以陶瓷鑲塊[4]圓弧工作面作為定位基準(zhǔn)加工搖臂軸孔[3]的端面，再以搖臂軸孔[3]的端面和陶瓷鑲塊[4]的工作圓弧面共同作為精基準(zhǔn)來(lái)定位，加工搖臂軸孔[3]，最后以搖臂軸孔[3]定位，加工氣門間隙調(diào)節(jié)螺釘孔[6]。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種轎車發(fā)動(dòng)機(jī)用全包容陶瓷鑲塊鋁合金基體搖臂及其制造技術(shù)。它是在軸孔外圓下部有一不貫通加強(qiáng)筋的搖臂基體上全包容鑲嵌有一帶有圓弧工作面的倒楔角氮化硅陶瓷鑲塊。它是將陶瓷鑲塊裝夾在精密加工的鑄造活塊上放入模具壓鑄，以陶瓷鑲塊圓弧工作面為定位基準(zhǔn)加工搖臂軸孔端面，再以軸孔端面和陶瓷鑲塊圓弧工作面定位，加工搖臂軸孔，然后以軸孔定位加工氣門間隙調(diào)節(jié)螺釘孔。
文檔編號(hào)F01L1/18GK1392333SQ0110415
公開日2003年1月22日 申請(qǐng)日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月22日
發(fā)明者徐燕申, 林彬, 肖學(xué)福, 劉全忠, 胡軍 申請(qǐng)人:天津大學(xué)