Способ изготовления биметаллического центрального электрода искровой свечи зажигания двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: получение прочного неразъемного соединения между оболочкой и сердечником электрода и повышение качества высадки головки электрода достигается путем того, что после запрессовки медного сердечника в стакан непосредственно выполняют прямое выдавливание составной заготовки с относительной степенью деформации 40 - 90%, затем проводят формообразование головки электрода путем высадки, причем дно рабочего отверстия пуансона выполняют выпуклым, и потом выполняют диффузионную сварку. Способ позволяет получать биметаллические центральные электроды, обладающие низким износом, не превышающим 0,08 - 0,10 мм на 10 тыс.км пробега, и гарантирующие свечам зажигания стабильную тепловую характеристику (отклонения калильных чисел от номинального значения не превышают ±5%), которая обеспечивает стабильность искрообразования и надежную работу двигателя. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам обработки давлением и диффузионной сварки биметаллических изделий.

Изобретение может быть использовано для изготовления биметаллического центрального электрода искровой свечи зажигания двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ изготовления биметаллического центрального электрода искровой свечи зажигания ДВС [1] заключающийся в том, что медный сердечник запрессовывают в оболочку, которая имеет вид стакана и изготовлена из жаростойкого сплава. Затем полученную составную заготовку подвергают прямому выдавливанию, ориентируя ее в контейнере матрицы таким образом, чтобы дно заготовки было направлено в сторону калибрующего пояска матрицы. Выдавливание выполняют за два перехода с постепенным уменьшением диаметра заготовки до диаметра готового электрода. После выдавливания производят отрезку пресс-остатка с последующей высадкой головки на полученном биметаллическом стержне.

Данный способ обеспечивает хорошую плотность стыка (отсутствие зазоров и пустот) между контактными поверхностями сердечника и оболочки, но не предусматривает проведения специального вида обработки заготовок, который бы обеспечивал получение прочного неразъемного соединения оболочки с сердечником (например, с помощью диффузионной сварки, сварки плавлением, ультразвуковой сварки и т.д.). Поэтому в готовом изделии имеет место лишь механический контакт между поверхностями оболочки и сердечника. Это приводит к тому, что в процессе эксплуатации, которая, как известно [2] характеризуется воздействием на электрод высоких знакопеременных температурных и динамических нагрузок, а также из-за разницы в коэффициентах линейного расширения материалов оболочки и сердечника, происходит раскрытие стыка между оболочкой и сердечником с образованием зазоров и пустот по всей поверхности контакта. Появившиеся зазоры резко ухудшают эффективность отвода тепла к сердечнику и от электрода в целом. В результате изменяется тепловая характеристика свечи (падает калильное число) и устойчивая работа двигателя нарушается (появляются "калильное зажигание" и закапчиваемость конуса изолятора, серьезно ухудшается стабильность искрообразования). Кроме того, образовавшиеся зазоры постоянно меняют свою величину ("дышат") в зависимости от температуры и давления в камере сгорания. Это приводит к колебаниям тепловой характеристики (калильного числа) свечи и еще более усугубляет неустойчивую работу двигателя.

В рассматриваемом способе при высадке головки электрода используют пуансон, дно рабочего отверстия которого выполнено плоским. При использовании такого пуансона сердечник биметаллического стержня и его оболочка одновременно воспринимают осевое усилие высадки и вместе начинают деформироваться. Но при этом, в силу разности геометрической формы оболочки и сердечника и различия их механических свойств, между оболочкой и сердечником образуются зазоры (см.[3] раздел "Осадка цилиндрических заготовок в оболочках"), которые в процессе дальнейшей высадки могут привести к образованию складок на оболочке (т. е. на поверхности высаженной головки), что является недопустимым по условиям технических требований на электрод.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ [4] характеризующийся тем, что биметаллическую заготовку, полученную путем легкой запрессовки ("is pressed only slightly") медного сердечника в жаростойкую оболочку, выполненную в виде стакана, подвергают диффузионной сварке ("heat diffusion step") для получения неразъемного соединения оболочки с сердечником. Затем путем прямого выдавливания сварной заготовки формируют готовый электрод с головкой, который может быть подвергнут последующей вторичной диффузионной сварке. Диффузионная сварка, выполненная после легкой запрессовки медного сердечника в оболочку, не обеспечивает получения качественного сварного соединения по следующим причинам.

Во-первых, при легкой запрессовке не может быть получен плотный (беззазорный) механический контакт поверхностей сердечника и оболочки и поэтому образуется большое количество зазоров и пустот, содержащих воздух. Кроме того, легкая запрессовка не обеспечивает получения на контактных поверхностях необходимых давлений, которые были бы достаточны для образования прочного соединения оболочки с сердечником в процессе диффузионной сварки.

Во-вторых, к такому же результату (образованию между оболочкой и сердечником зазоров и пустот) приводит большое отношение длины запрессовываемого участка сердечника к его диаметру (в рассматриваемом способе оно составляет 13,0/(2,35)= 5,53), так как при таком отношении размеров продольная устойчивость сердечника оказывается низкой. И при воздействии на сердечник (который установлен с зазором в стакан) осевого усилия запрессовки он теряет свою форму и, изгибаясь в продольных плоскостях, увеличивает зазор с оболочкой в одних местах и уменьшает или устраняет его в других. В результате при дальнейшей запрессовке пластическая деформация распределяется по длине сердечника неравномерно и локализуется преимущественно в верхней его части, а в нижней части остаются зазоры и пустоты, заполненные воздухом. Присутствие кислорода воздуха в зазорах и пустотах приводит к тому, что в процессе диффузионной сварки, протекающей при высоких температурах (900 1000^oC), на поверхностях сердечника и оболочки, не находящихся в контакте друг с другом, появляются окисные пленки (места непроваров), а в местах касания сердечника с оболочкой образуются сварные соединения, которые характеризуются повышенной хрупкостью и наличием микротрещин из-за образования в них закиси меди и возникновения, так называемой, "водородной болезни". Кроме того, водород, который также содержится в зазорах и пустотах в составе воздуха, диффундирует вглубь меди и, реагируя с закисью меди и с материалом оболочки, способствует дополнительному образованию в сварных соединениях микротрещин [5] В-третьих, известно [6] что на обновленных, а также на только что очищенных и обезжиренных металлических поверхностях, практически, мгновенно образуются очень тонкие окисные пленки и другие адсорбированные слои, толщина которых увеличивается с течением времени. Поэтому, несмотря на предполагаемое обязательное наличие в рассматриваемом способе определенных приемов очистки и обезжиривания поверхностей сердечника и стакана, на этих поверхностях имеются тонкие окисные пленки. При дальнейшей запрессовке, которая представляет собой процесс осадки сердечника в стакане со степенью деформации, близкой к нулю (пластическая деформация крайне мала, форма сердечника изменяется незначительно), окисная пленка, находящаяся на поверхности сердечника не разрушается или, в лучшем случае, происходит ее растрескивание. Стакан в этом случае пластической деформации не подвергается и поэтому окисная пленка на его поверхностях, в том числе и внутренней, остается неразрушенной. В результате, подлежащие свариванию поверхности сердечника и оболочки оказываются разделенными слоями окислов и последующая диффузионная сварка не может обеспечить получения качественного соединения.

Таким образом, легкая запрессовка не обеспечивает выполнения следующих основных условий для получения качественного соединения при диффузионной сварке, а именно: прилегания двух свариваемых поверхностей по всей площади возможного контакта, создания необходимого давления на контактных поверхностях и обеспечения отсутствия окисных пленок на соединяемых поверхностях. Кроме того, диффузионная сварка в рассматриваемом способе не может обеспечить получения качественного соединения еще по одной причине. Перед сваркой сердечник и оболочка имеют различную структуру они отличаются величиной и формой зерна. Оболочка, полученная многократной вытяжкой с утонением без промежуточных отжигов, имеет ориентированную волокнистую структуру (текстуру). Зерна оболочки имеют вытянутую форму и располагаются в продольном направлении. Сердечник деформируют однократно с небольшой степенью деформации и поэтому структура его поверхностных слоев отличается наличием менее деформируемых зерен, незначительно отличающихся от равноосных. Таким образом, при сварке соединяемые поверхности имеют различную форму и величину зерна, а это, как известно [6] тормозит процесс протекания диффузии и, тем самым, снижает качество сварного соединения.

После выполнения диффузионной сварки производят операцию прямого выдавливания сварной заготовки для получения окончательной формы электрода. В процессе выдавливания из-за разницы относительных скоростей течения материалов оболочки и сердечника (как известно [7] скорость течения увеличивается от периферии заготовки к ее центру) происходит относительный сдвиг слоев заготовки, в том числе и по месту сварки. При этом из-за дефектного строения сварных соединений часть из них разрушается и твердые продукты разрушения распределяются по контактной поверхности оболочки и сердечника, а в оставшейся части возникают деформационные напряжения и трещины, приводящие впоследствии к разрушению сварных соединений в процессе эксплуатации электрода в свече. Таким образом, после выдавливания нарушается связь между оболочкой и сердечником и они оказываются разделенными по большей части поверхности контакта продуктами разрушения сварных соединений и участками с окисными пленками. По этим причинам возможная последующая вторичная диффузионная сварка не может улучшить качества готового электрода и ее проведение становится нецелесообразным.

Следует также отметить, что окончательное формообразование электрода в процессе прямого выдавливания, когда прес-остаток является головкой электрода, накладывает существенные ограничения на возможность получения головки электрода более предпочтительной конструкции. Например, в рассматриваемом способе угол конуса головки электрода, являющейся пресс-остатком, равен углу конуса воронки матрицы, который, как известно, определяется исходя из технологических соображений. А как показывает практика, этот угол не всегда соответствует углу конуса изолятора, куда устанавливается электрод, т.к. последний определяется исходя из конструктивных соображений.

Поставлена задача по получению биметаллического электрода, имеющего прочное неразъемное соединение жаростойкой оболочки с высокотеплопроводным сердечником и высокое качество высаживаемой головки электрода.

Задача решена предлагаемым ниже способом.

В стакан, выполненный из жаростойкого сплава, запрессовывают сердечник, изготовленный из высокотеплопроводного материала, обычно, меди, и затем непосредственно выполняют прямое выдавливание составной заготовки с относительной степенью деформации 40 90% затем производят формообразование головки электрода путем высадки, причем дно рабочего отверстия пуансона выполняют выпуклым, и потом выполняют диффузионную сварку. Прямое выдавливание составной заготовки может быть выполнено за один переход. В зависимости от способа прямого выдавливания с образованием или без образования пресс-остатка (последний способ называют еще полунепрерывным [8]) - последующая операция отрезки пресс-остатка присутствует, либо нет. Высадку головки электрода осуществляют за 1-2 перехода в зависимости от ее конструкции и возможностей технологического процесса. Высадку головки производят пуансоном, диаметр рабочего отверстия которого выполняют равным диаметру высаживаемого стержня, а дно этого отверстия выполняют выпуклым, например, в виде шарового сегмента с радиусом шара 0,50 0,75 от диметра рабочего отверстия, или в виде кругового прямого конуса с углом при вершине 100 - 140^oC, или в виде правильной четырехугольной пирамиды с углом при основании 20 40^o. Для повышения прочности конической и пирамидальной выпуклостей их острые вершины обычно срезают на расстоянии от их основания, равном 0,85 0,90 от высоты этого конуса или этой пирамиды. При использовании пуансона с выпуклым дном в виде правильной 4-х угольной пирамиды рабочее отверстие пуансона выполняют квадратным со стороной квадрата, равной диаметру высаживаемого стержня. Диффузионную сварку электрода выполняют при температуре 0,83 0,93 от температуры плавления медного сердечника в течение 60 90 мин в вакууме, равном или выше 133·10^-4Па (10^-4мм рт.ст.).

В предлагаемом способе изготовления электрода после запрессовки сердечника в стакан непосредственно выполняют операцию прямого выдавливания полученной составной заготовки с относительной степенью деформации 40 90% Такая величина деформации позволяет полностью устранить зазоры и пустоты между сердечником и оболочкой, которые образуются при запрессовке, и создать давления на контактных поверхностях, необходимые и достаточные для осуществления процесса последующей диффузионной сварки и получения качественного сварного соединения (т.е. без непроваров, трещин и деформаций). И что особенно важно, при такой величине пластической деформации происходит интенсивное течение материалов оболочки и сердечника, в результате которого тонкие окисные пленки, находящиеся на поверхностях оболочки и сердечника, разрушаются и в контакт вступают чистые (ювенильные) поверхности, которые обеспечивают в процессе диффузионной сварки получение прочного бездефектного соединения. В предлагаемом способе после диффузионной сварки формоизменяющих операций не выполняют, поэтому в сварном соединении не возникает нежелательных деформационных напряжений, которые могут привести к образованию трещин. Более того, диффузионная сварка одновременно выполняет роль разупрочняющей термической обработки (отжига) отштампованного электрода, которая устраняет дефекты структуры и внутренние напряжения, возникающие в биметаллической заготовке после ее обработки давлением (явление наклепа). Кроме того, диффузионная сварка, выполняемая в предлагаемом способе, повышает еще и теплопроводность обработанного электрода, что является определяющим фактором в обеспечении высоких эксплуатационных свойств электрода (свечи).

Как было показано выше в предлагаемом способе используют пуансон с выпуклым дном в рабочем отверстии. Такая конструкция пуансона позволяет получить головку электрода высокого качества, без накладок и трещин. Это достигается благодаря тому, что осевое усилие от пуансона с выпуклым дном первым воспринимает сердечник биметаллического стержня. При этом он осаживается и создает внутри оболочки "гидростатическое" давление. Это внутреннее давление на оболочку со стороны сердечника поддерживается в течение всего процесса высадки и тем самым исключается возможность образования складок и трещин на поверхности оболочки. Кроме того, при воздействии на стержень пуансоном с выпуклым дном вначале происходит внедрение выпуклости в торец сердечника и вследствие этого радиальная раздача последнего вместе с оболочкой. В результате раздачи участок стержня, находящийся в отверстии пуансона, плотно в нем закрепляется. При этом уменьшается длина первоначально осаживаемого участка стержня на величину, равную глубине отверстия в пуансоне, в которое стержень вставляют и, тем самым, при высадке повышается продольная устойчивость высаживаемого участка стержня, а значит и качество высадки (отсутствие трещин и складок).

Предлагаемый способ изготовления биметаллических центральных электродов предусматривает использование следующего оборудования: пресс однокривошипный открытый простого действия КД2122Г, пресс гидравлический П6320Б, электропечь вакуумная СНВ 5.10.5/13-И1. Для изготовления электродов использовали следующие материалы: для оболочки жаростойкий сплав 15Х25Т (ГОСТ 5632-72), для сердечника медь М1 (ГОСТ 859-78). В качестве технологической смазки на всех формообразующих переходах применялась смазка СМП-5С по технологическим рекомендациям ТР-1,15 ИНЕБ-92.

На фиг.1 показана схема проведения технологического процесса изготовления биметаллического центрального электрода искровой свечи зажигания.

На фиг. 2 показан вариант выполнения высадочного пуансона, дно рабочего отверстия которого имеет форму шарового сегмента.

На фиг.3 вариант выполнения высадочного пуансона, дно рабочего отверстия которого имеет форму кругового прямого конуса.

На фиг. 4 вариант высадочного пуансона, дно рабочего отверстия которого выполнено в виде правильной четырехугольной пирамиды, а само отверстие выполнено квадратным.

Способ включает в себя следующие технологические переходы (см. фиг.1): запрессовку сердечника в стакан 1, прямое выдавливание полученной составной заготовки 2, отрезку от выдавленной заготовки конического пресс-остатка 3, первую высадку головки электрода 4, вторую высадку головки электрода 5 и диффузионную сварку (на схеме не показана).

Способ осуществляют следующим образом.

Медный сердечник 6 диаметром 4,4 мм и высотой 5,2 мм запрессовывают в стакан 7 с наружным диаметром 5,6 мм, внутренним диаметром 4,5 мм и высотой 6,5 мм. Операцию выполняют на гидравлическом прессе П6320Б. Затем полученную составную заготовку диаметром 5,6 мм и высотой 6,5 мм подвергают однократному холодному прямому выдавливанию со степенью деформации 80% в штампе, установленном на кривошипном прессе КД2122Г. В результате после выдавливания получают заготовку с двумя участками: цилиндрическим с диаметром 2,5 мм и длиной 25,8 мм и коническим, представляющим собой пресс-остаток с диаметром 5,6 мм. Затем в отрезном штампе, установленном на кривошипном прессе КД2122Г, производят отрезку пресс-остатка, выдерживая длинновой размер цилиндрической части, равный 23,3 мм. После этого на кривошипном прессе КД2122Г выполняют первую высадку головки электрода с помощью пуансона, диаметр рабочего отверстия которого равен 2,5 мм, а дно этого отверстия выполнено выпуклым в виде полусферы радиусом 1,25 мм (см. фиг.2). Далее с помощью повторной операции высадки формируют прямую правильную 4-х угольную призму со стороной основания 2,6 мм и высотой 2,5 мм на той части головки электрода, которая при первой высадке находилась в рабочем отверстии пуансона (см. фиг. 1). Завершают технологический процесс изготовления электродов диффузионной сваркой предварительно промытых от смазки электродов. Сварку проводят в вакуумной печи СНВ-5.10.5/13-И1 при температуре 920^oC в течении 60 мин в вакууме 133·10^-5 Па (10^-5мм рт.ст.) Изготовленный электрод подвергают затем контролю на качество сварного соединения. Контроль качества осуществляется несколькими способами. Первый способ предусматривает подготовку макрошлифов продольного и поперечного сечения электрода и их исследование с помощью микроскопа на наличие непроваров, трещин, деформаций и других дефектов сварного соединения. Второй способ относится к неразрушающим методам контроля. Он заключается в измерении элетросопротивления зоны контакта при пропускании через эту зону электрического тока. Методика измерения электросопротивления описана в [9] Третий способ является косвенным и заключается в определении тепловой характеристики (калильного числа) свечи, в которую устанавливается исследуемый электрод. В случае получения стабильных значений калильных чисел (отклонения от номинального значения не должны превышать ±10% в соответствии с существующим ТУ 37.003-1245-85) можно говорить о качественном соединении оболочки электрода с его сердечником. Определение тепловых характеристик производится в соответствии с ОСТ 37.003.081-87.

Аналогично предложенному выше технологическому процессу изготовления электродов были проведены процессы с использованием пуансонов, дно рабочих отверстий которых было выполнено в виде кругового прямого конуса с углом при вершине 110^o (см. фиг.3) и в виде правильной 4-х угольной пирамиды с углом при основании 40^o (см. фиг.4), причем во втором случае отверстие в пуансоне было выполнено квадратным со стороной квадрата 2,5 мм.

Изменение в предлагаемом способе степени деформации при прямом выдавливании составной заготовки режимов диффузионной сварки и геометрических размеров пуансоной в указанных выше пределах не приводит к изменению и ухудшению качества готового изделия.

Предлагаемый технологический процесс изготовления биметаллических электродов для свечей зажигания позволяет получить электроды, которые имеют низкий износ 0,08 0,10 мм на 10 тыс.км. пробега. Это в 1,3 1,8 раза меньше величины износа биметаллических электродов в свечах зажигания W7ДС (BOSCH, Германия) и FE65CPR (BOSNA, Англия Югославия). Свечи зажигания с предлагаемым электродом имеют стабильную тепловую характеристику (отклонения калильных чисел от номинального значения не превышают ±5%) и обеспечивают стабильность искрообразования и надежную работу двигателя.

Литература: 1. Патент США N 4606730, МКИ H 01 T 21/02, 1986.

2. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования. Под ред. М.Н.Фесенко М. Машиностроение, 1979 275с.

3. Могучий Л. Н. Обработка давлением труднодеформируемых материалов. М. Машиностроение, 1976 272 с.

4. Патент США N 3548472, МКИ H 01 T 13/00, 1970.

5. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. т.1. Свариваемость материалов. Справ.изд./Под ред. Э.Л.Макарова. М. Металлургия, 1991, 528 с.

6. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. -М. Машиностроение, 1976. 312.с.

7. Теория пластических деформаций металлов /Е.П.Ункосов, У.Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. Под ред. Е.П.Ункосова, А.Г.Овчиникова. -М. Машиностроение, 1983. 598с.

8. Технология процессов обработки металлов давлением /П.И.Полухин, А. Хензель, В. П. Полухин и др./ Под ред. П.И.Полухина. -М. Металлургия, 1988. -408 с.

9. Ушаков С.Е. Волков Е.С. и др. Контроль соединений, полученных диффузионной сваркой в вакууме. Сварочное производство, 1967, N10, с.29-31.

Формула изобретения

1. Способ изготовления биметаллического центрального электрода искровой свечи зажигания двигателя внутреннего сгорания, включающий запрессовку сердечника в стакан, прямое выдавливание полученной составной заготовки, формообразование головки электрода со стороны открытого торца биметаллического стержня и диффузионную сварку, отличающийся тем, что после запрессовки сердечника в стакан непосредственно выполняют прямое выдавливание составной заготовки с относительной степенью деформации 40 90% затем производят формообразование головки электрода путем высадки, причем дно рабочего отверстия высадочного пуансона выполняют выпуклым и потом выполняют диффузионную сварку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что составную заготовку выдавливают за один переход.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после выдавливания составной заготовки пресс-остаток отрезают.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что головку электрода высаживают за один-два перехода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуклое дно рабочего отверстия высадочного пуансона выполняют в виде шарового сегмента с радиусом шара 0,50 0,75 диаметра высаживаемого стержня.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуклое дно рабочего отверстия высадочного пуансона выполняют в виде кругового прямого конуса с углом при вершине 100 140^o.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуклое дно рабочего отверстия высадочного пуансона выполняют в виде правильной четырехугольной пирамиды с углом при основании 20 40^o.

8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что диффузионную сварку выполняют при 0,83 0,93 температуры плавления материала сердечника в течение 60 90 мин в вакууме, равном или выше 133·10^-4 Па (10^-4 мм рт.ст.).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4