轿车发动机用全包容陶瓷镶块铝合金基体摇臂及其制造技术

摘要

本发明的目的是提供一种轿车发动机用全包容陶瓷镶块铝合金基体摇臂及其制造技术。它是在轴孔外圆下部有一不贯通加强筋的摇臂基体上全包容镶嵌有一带有圆弧工作面的倒楔角氮化硅陶瓷镶块。它是将陶瓷镶块装夹在精密加工的铸造活块上放入模具压铸，以陶瓷镶块圆弧工作面为定位基准加工摇臂轴孔端面，再以轴孔端面和陶瓷镶块圆弧工作面定位，加工摇臂轴孔，然后以轴孔定位加工气门间隙调节螺钉孔。

说明书

本发明属于陶瓷材料在轿车发动机中的应用。

发动机气门摇臂的综合使用性能要求一般包括：1)与凸轮接触的工作圆弧面部位硬度高、耐冲击、耐磨性好、与凸轮之间的摩擦系数小，形成一对性能匹配良好的摩擦副；2)基体刚度大、强度高、疲劳寿命长、转动惯量小；3)轴孔耐磨性好。多年来，国内外对气门摇臂所进行的大量研究一般都围绕上述三个方面展开进行，目前所采用的结构形式主要有锻钢镀铬摇臂、滚轮式摇臂和镶块式摇臂等三种。锻钢镀铬摇臂转动惯量大、工作圆弧面耐磨性差、制造工艺复杂，目前正逐渐被淘汰；滚轮式摇臂结构复杂，成本较高，推广应用的局限性很大；而镶块式摇臂则是近年来的重点发展方向。

现有的镶块式摇臂可分为两种，一种是粉末冶金镶块摇臂，另一种是氮化硅陶瓷镶块摇臂。早在1977年，日本三菱(MMC)公司就开发出了采用铝合金压铸包容粉末冶金镶块的摇臂，并于80年代投入了大批量生产使用^【1】。目前，粉末冶金镶块摇臂的制造技术已很成熟，在世界各国用得相当普遍。其粉末冶金镶块与摇臂基体的连结方式除了采用铝合金压铸包容以外，也有采用焊接艺的。

粉末冶金镶块摇臂虽然比镀铬摇臂的耐磨性有较大幅度的提高，但由于它密度大，并未彻底解决配气机构轻量化的问题。而且国内、外的许多研究表明，粉末冶金与冷激铸铁凸轮轴并不是减磨效果最好的摩擦副。日本尼桑(Nissan)公司中心工程实验室材料开发部于80年代末期的研究表明，与粉末冶金相比，氮化硅陶瓷和冷激铸铁组成的摩擦副，不仅耐磨性能具有明显的优势，而且对减磨添加剂的依赖性也要小得多。因此，国际上目前正在加紧研制第三代的铝合金陶瓷镶块摇臂。

日本MMC公司率先于1984年成功开发出了用于LPG燃料发动机上的铝合金压铸包容氮化硅陶瓷镶块结构的摇臂。随后，五十铃公司和京陶公司也研制出了这种摇臂。中国建筑材料科学研究院高技术陶瓷所、上海内燃机研究所和上海船用柴油机研究所合作开发了6105柴油机铝合金陶瓷镶块摇臂。这些摇臂结构基本类似，其陶瓷镶块与铝合金基体之间都采用了半包容式的联结结构，摇臂基体未能对镶块起到很好的保护作用，可靠性较差；其陶瓷镶块体积和质量较大，未能有效减小摇臂的转动惯量；而且其镶块结构复杂、材料性能要求苛刻、成本较高，所以至今没有实现产业化。

所引证的技术文件：

1.Yutaka Ogawa.etc.Ceramic Rocker Arm Insert for InternalCombustion Engines.SAE，860397：2.848～2.857

2.陆克久.工程陶瓷材料在内燃机上的应用.世界汽车，1999(1)：12～14

3.鲁光祖等.陶瓷配气机构的研制.高性能陶瓷论文集，1998：473～477

本发明的目的是提供一种轿车发动机用全包容陶瓷镶块铝合金基体摇臂及其制造技术，使其使用寿命能大幅度提高，减小转动惯量，改善发动机的整体性能。

本项申请将摇臂的多种使用性能要求按照“功能相似性”分为两类，并运用创造性方法学中的“组合”原理，有针对性地选用铝合金和氮化硅陶瓷这两种具有不同性能特点的材料分别作为摇臂基体和工作圆弧面镶块，通过制造将它们组合在一起使用，充分发挥两种材料各自不同的性能优势，从而达到提高产品综合性能，降低制造成本的目的。倒楔角全包容陶瓷镶块铝合金基体摇臂设计和制造的具体方案如下：

1.图1为铝合金陶瓷镶块摇臂的结构示意图，其陶瓷镶块与铝合金基体之间的联结工艺，采用了以铝合金压铸全包容倒楔角氮化硅陶瓷镶块的技术。这种技术通过结构简单的机械联结方法保证了两种不浸润材料组合使用时的可靠性，避免了对陶瓷镶块表面进行活化处理的低效率、复杂工艺；简化了现有的陶瓷镶块摇臂中镶块的结构形式，节约了昂贵的氮化硅陶瓷材料的用量，降低了制造成本；同时也进一步减轻了摇臂的转动惯量，改善了发动机的动特性。

2.摇臂轴孔外圆下部设计有一不贯通的加强筋。这种结构在现有的气门摇臂中属于首创，它不仅分散了应力集中，而且使轴孔内圆与外圆在端面方向同心，造型美观。

3.高效、低成本的摇臂生产工艺。为了保证摇臂与凸轮轴之间不发生偏磨，摇臂工作圆弧面母线与其轴孔中心线一般有很高的平行度要求。传统的摇臂加工工艺路线是先加工摇臂轴孔，然后以轴孔作为精基准来成形磨削工作圆弧面。由于氮化硅陶瓷的成形磨削效率很低、成本很高，不能适应大批量生产的要求，所以铝合金陶瓷镶块摇臂的生产工艺应有较大的改进和创新。工艺路线的制定一方面要保证摇臂设计的精度要求，另一方面要生产效率高、成本低。

附图2为陶瓷镶块在压铸内的模具剖面图。下面根据附图2详细叙述本发明的结构和制造过程。

1)将烧结好的氮化硅陶瓷镶块毛坯在外圆磨床上磨削、抛光至合格的外形尺寸和表面质量；

2)利用铸造活块[5]将已加工完成的具有倒楔角的氮化硅陶瓷镶块[4]在摇臂压铸模具[1]内精确定位，通过铝合金压铸后的收缩压力将陶瓷镶块[4]与轴孔外圆下部有一不贯通加强筋[7]的摇臂铝合金基体[2]精确、可靠地联结起来，从而得到铝合金陶瓷镶块摇臂毛坯；

3)以上述毛坯中的陶瓷镶块[4]的工作圆弧面定位，对摇臂轴孔[3]的端面进行加工，保证端面与陶瓷镶块[4]圆弧面母线的垂直度，从而将精基准转换到摇臂轴孔[3]的端面；

4)以上述加工完成的摇臂轴孔[3]的端面和陶瓷镶块[4]的工作圆弧面共同作为精基准来定位，加工摇臂轴孔[3]；

5)以摇臂轴孔[3]定位，加工气门间隙调节螺钉孔[6]。

上述制造工艺路线能够保证陶瓷镶块工作圆弧面母线与摇臂轴孔中心线很高的平行度要求，且效率高、成本低，适合于大批量生产。

与现有的发动机气门摇臂技术相比，本发明所述的轿车发动机用全包容陶瓷镶块铝合金基体摇臂及其制造方法的优点包括：

1.与锻钢镀铬摇臂和粉末冶金镶块摇臂相比，可将摇臂与凸轮轴的磨损寿命提高5～6倍，同时可明显减小配气机构的等效质量，改善发动机的动特性，减少燃油消耗。

2.与现有的半包容结构的铝合金陶瓷镶块摇臂相比，陶瓷镶块与铝合金基体之间的联结可靠性明显提高，对陶瓷镶块材料的性能要求也有所降低；同时，有效减小了镶块体积，进一步减小了摇臂的转动惯量，节省了氮化硅陶瓷镶块材料的用量，降低了制造成本。