火花塞电极及其制造工艺的制作方法

图1示出了火花塞燃烧室侧部分的放大侧视图; 图2示出了本发明火花塞中心电极三个原始组件的第一实施例的放大侧视图; 图3示出了由图2所示的三个原始组件构成的复合体的纵断面; 图4示出了挤压工具连同插入其中的图3所示的复合体的原理纵截面图; 图5示出了从图3的复合体挤压成的中心电极坯件的纵断面，其上的头端处还形成有套圈和径向固定凸件; 图6示出了本发明由三个原始组件构成的中心电极的纵断面，在燃烧室侧有耐火材料制成的显露部分; 图7是本发明火花塞中心电极三个原始组件第二实施例的放大侧视图; 图8示出了由图7所示原始组件组成的复合体的继断面; 图9是本发明火花塞中心电极四个原始组件第一实施例的放大侧视图; 图10示出了由四个图9所示原始组件构成的复合体的纵断面; 图11示出了由图10的复合体挤压成的中心电极坯件的纵断面，其上的头端处还形成有一套圈和径向固定凸件; 图12示出了本发明由四个原始组件形成的中心电极的纵断面，在燃烧室侧有高度耐火材料制成的部分; 图13是本发明火花塞中心电极四个原始组件第二实施例的放大侧视图; 图14示出了由图13所示原始组件组成的复合体的纵断面; 图15是图12中心电极燃烧室侧部分的部分剖视放大图，该部分的端部部分直径缩小，在燃烧室侧呈圆柱形; 图16示出了图12中心电极的燃烧室侧部分，同样也是以放大的形式画出，燃烧室侧部分还设计成向电极的端面逐渐缩小的截头锥体; 图17示出了放大画出的侧电极坯件，这是通过将由三个或四个原始组件组成的中心电极坯件冲压成扁平状制取的; 图18是图17的中心电极坯件沿M/M线截取的剖面图; 图19是已截断成一定长度准备固定到火花塞外壳上的侧电极的纵截面，该侧电极由四个原始组件组成，必要时还可以弯成钩状等。 图1示出了一般火花塞10的燃烧室侧部分。 在燃烧室侧，火花塞外壳11设有丝扣12，供在内燃机中装设火花塞10之用。火花塞外壳11的燃烧室侧端面的编号为13。绝缘体15从本实施例火花塞10外壳11的纵向孔14突出，绝缘体15的轴向孔(图中未示出)围绕着中心电极16;中心电极16的燃烧室侧端面17则位于弯成钩形的侧电极18自由端部分的对面一段距离处。侧电极与自由端相对的该端用例如焊接法固定到火花塞外壳11的端面13上。中心电极16的端面17与侧电极18自由端部分之间的中间空间即为火花塞10的火花间隙19。 上面谈到的是火花间隙19配置在燃烧室侧火花塞外壳11前面的火花塞10，但大家都知道，有的火花塞其火花间隙是在外壳纵向孔14中的。在这类火花塞中，通常采用直的侧电极，而不用弯曲的侧电极。直的侧电极也固定在火花塞外壳11上，侧电极自由端部可以安置在燃烧室侧中心电极16的端面17前面一段距离处，但也可以配置得使侧电极的自由端面20径向指向中心电极16燃烧室侧的端部部分。其自由端部分处在中心电极16端面17对面的侧电极18可以高出整个端面17，但必要时(视乎内燃机而定)也可以只与端面17的一部分重叠。在火花塞的另一个实施例中，中心电极16的端面17和侧电极18的自由端面20彼此间隔一段距离对置着。火花间隙19和侧电极18的设计与配置，必要时，还有一个火花塞上侧电极的数目，都是取决于内燃机的要求和条件的，但这个并非本发明的重点，因为本发明的电极都适用于这些火花塞。 制造火花塞电极的挤压法，包括那些由多种材料组成的火花塞电极挤压制造，在理论上是众所周知的，这在本说明书的前言中也已经谈过。这类挤压法用以大批生产水花塞电极，经济实惠，实践也证明是非常适合这种用途的。由于现代的高性能内燃机对火花塞的要求提高，且考虑到对火花塞使用寿命的要求，目前是需要能满足这些要求的火花塞电极的。 现在参照图2至6说明火花塞10的这种中心电极16的第一种制造工艺。 图2示出了中心电极16一个实施例的三个原始组件31、32和33。原始组件31呈圆形坯件的形式，由抗腐蚀材料(例如镍或镍合金)构成，图6的中心电极成品16，其外壳31′也是由原始组件31制成的。外壳的这个原始组件31有一个盲孔34配置在顶边35的中心，该盲孔最好设计成锥形或截锥形，但也可以取不同的形状，其最小直径趋近外壳组件31的底边36延伸。 外壳原始组件31的这个盲孔34中安置有图6中心电极成品耐火区32′的原始组件32。该原始组件32最好呈球形，但也可取不同的形状，例如杆形或截锥形，关键仅在于，其体积应能完全充满外壳原始组件31的盲孔34。耐火区32′的原始组件32由银或银合金构成。实践证明，下列银合金特别适用于这种用途镍含量多达0.15%的AgNi(细粒银)，钛含量多达5%的AgTi，二氧化锡含量为2至15%的AgSnO2或钯含量为2至6%的AgPd。 除上述物质外，其他适用于这种用途的材料也适用于这种耐火区32′，例如，除银之外，还有其他贵金属。 然后把上述两个原始组件31和32加热，使原始组件32熔化并完全充满外壳原始组件31的盲孔34中。 接着把中心电极芯子33′呈圆形坯件形式由高导热率材料制成的原始组件33放在该加热装置上。芯子原始组件33最好采用铜或铜合金。芯子原始组件33和外壳原始组件31的直径相同，而且为便于在制造过程中进行搬运，芯子组件33的顶边37设有共轴凸出部分38。这里，在原始组件31和33上并没有设辐条或凹槽，本来这些同样也给生产过程中的搬运工作带来方便。在轴向上排列和连接原始组件31和33时可以使用辅助器件。芯子原始组件33的底边39共轴线地连接到另两个原始组件31和32上，熔融后的原始组件32作为焊剂。不然也可以将外壳原始组件31连同耐火区原始组件32一起熔化并冷却在其盲孔34中，然后与芯子原始组件33用例如电阻焊焊接起来。视乎原始组件31、32和33所用的材料而定，必要时可以在这些原始组件上使用涂层(例如银涂层)，以利于连接。在芯子原始组件33与银或银合金组成的耐火区或原始组件32之间最好设能防止接触区不希望有的氧化、因氧化而使导热率变差甚至使火花塞出故障的薄层(图中未示出)，这种薄层合适的物质有，例如，镍和铂。至于工艺技术方面，可以这样来形成该薄层，即用镍或铂涂敷芯子原始组件33，或在芯子原始组件33的底边39上再敷上镍或铂箔。由原始组件31、32和33组成组合体经过冷却之后就得出编号为40(见图3)的复合体，这个复合体40就是以后挤压工序的原料。 图4示出了挤压火花塞电极16用的工具41的原理图。该挤压工具41有一个模具42，模具42上有一个电极原始组件31、32、33或复合体40的定位孔43，定位孔43共轴线地汇合入直径越来越小的倾斜台肩44，然后汇合入挤压孔45。挤压孔45然后通过直径越来越大的台肩46汇合入孔47。定位孔43的直径选取得使组件31和33或复合体40的圆周表面靠在定位孔43的壁上，工具41挤压孔45的直径与中心电极30的杆48的直径相当(见图6)。首先，把原始组件31、23、33或复合体40从上面相应地安置在定位孔43中，使外壳组件31面向挤压孔45，然后按周知方式安置挤压冲头49，然后往挤压冲头49上加压力，将原始组件31、32、33或复合体40部分压入挤压孔45中，只有头部部分仍然处在挤压孔45上方。图5示出了借助于推出器(图中未示出)从挤压工具41卸下的电极坯件50，电极坯件50位于连接侧的头部51上还形成有套圈52和固定凸出部分53。在该电极坯件50中，抗腐蚀材料制成的管形外壳31′是由原始组件31形成的，横向以外壳31为界、在燃烧室侧以外壳底54为界的耐火区32′是由原始组件32形成的，同样也为外壳31′所包围但在连接侧敞开由高导热率材料制成的芯子33′则由原始组件33形成。外壳31′的底部54完全或只部分密封，这视乎处壳原始组件31中盲孔34的设计而定。 为确保电极16的长度精确，且暴露耐火区32′尽可能大的横截面，对燃烧室侧电极坯件50的端部部分进行相应地机械加工，电极的端面17则最好是磨削制取的。 在保留主要特点的基础上，上述制造中心电极的工艺是可以修改的。例如，可以取消工艺程序中连接原始组件31、32、33形成复合体40的工序，但在此情况下，先决条件是有关原始组件31、32、33的大小和形状应高度精确。 图7和8示出了制造挤压用的复合体260的另一可能方案。 这里图6中心电极16外壳31′的原始组件61是个杯子，杯子圆周的尺寸选取得使其可紧密装入挤压工具的定位孔中。挤压工具的结构实质上与图4所示的一样，定位孔和冲头的直径与原始组件61的外径配合。外壳原始组件61的底部编以63的编号。 这时把图6中心电极16耐火区32′的原始组件放入外壳原始组件61的盲孔62中，该原始组件64最好是圆周周边的圆形坯件，但也可以取不同的形状，例如，球形或杆状。该两个原始组件61和64最好经过加热，使原始组件64熔入杯形原始组件61的盲孔62中。 下一步工序是把中心电极16的芯子33′充满盲孔62横截面的杆状原始组件65插入外壳原始组件61的盲孔62中的不为熔化的原始组件64所占据的自由空间中。原始组件64熔化之后，芯子原始组件64的端部最好与外壳原始组件61的环形顶边67齐平，但必要时也可以略微突出所述顶边67。可是按照一个工艺方案，芯子原始组件65甚至可以在原始组件64熔化之前在原始组件64上方插入盲孔62中。在此情况下，将三个原始组件61、64和65共同加热，使耐火区的原始组件64熔化。如果在原始组件64熔化之后用一个冲头(图中未示出)往芯子原始组件60上施加压力，则大有好处。杆状的芯子原始组件65因原始组件64熔化，且由于盲孔62的直径缩小而固定在外壳原始组件61中。在其它方面，上述所有特点都适用于本工艺方案。 通过下面参照图9至12所述的另一些工艺措施可以进一步改进电极的性能，特别是在延长使用寿命方面。 图9中也和图7中一样，示出了有待挤压的中心电极70(见图12)的原始组件。外壳配置在底部的原始组件71对应于外壳的原始组件31，耐火区原始组件72对应于原始组件32，芯子原始组件73对应于原始组件33。首先把图12中心电极体积极小的高度耐火区81的原始组件75放入外壳原始组件71的盲孔74中，但该原始组件75最好设计成球形，且最好是由铂金属、铂金属合金组成，但也可以是由铂金属与另一种金属构成。然后把耐火区82的原始组件72放入盲孔74中，然后将此装置加热，直到原始组件72熔化为止。熔点较高、且高度耐火的原始组件75在这里会处在外壳原始组件71盲孔74中最低点76的位置。如果令外壳原始组件71中最低点的部位取这样的形状，使得高度耐火区81的原始组件75的整个球形表面靠在其上，则大有好处。在此辅助工序中，高度耐火区82原始组件72的大小，其尺寸选取得使其在熔融之后充满盲孔74，与盲孔74齐平。如第一实施例(见图3)中一样，这时就将芯子原始组件73也用辅助器件(图中未示出)固定在该装置上。图10示出了如此得出的复合体77。 头部78经挤压和压花之后，复合体77成为处观如图11所示的电极坯件79。和图5的坯件一样，电极坯件79在燃烧室侧的外壳底部80或多或少是封闭着的，在连接侧邻接处壳底部80的首先是小体积的高度耐火材料(例如铂)区81，然后是耐火材料(例如银)区82，再然后是芯子(例如铜)83。下一步将电极坯件79的燃烧室侧部分截成一定的长度时，高度耐火区81就暴露出来，且处在中心电极70中，于是确保了特长的使用铸命。鉴于高度耐火区81非常小，因而这种电极70即使该高度耐火区81磨损也能在许多公里的行程中保持其应急运行性能。该电极外壳的编号为84，燃烧室侧的端面的编号为85。 不然的话，图12的那种由四个材料区组成的中心电极70原则上也可按图7和8所示的方法制造。从图13可以看出，在该方法中，外壳原始组件90还是设计成杯形，芯子原始组件91也还是设计成杆形，耐火区82的原始组件92也同样呈圆柱形或其它一些形状(例如球形)。除了该三个原始组件90、91、92外，还有高度耐水区81的原始组件93;在组装各原始组件的过程中，先把该另一原始组件93放入外壳的原始组件90的盲孔94中。外壳原始组件90底部95内侧最好设同心配置的锥形凹口96，高度耐火区81的原始组件93最好设计成球形。外壳原始组件90的底部95和原始组件93取这种形式就可以使后者的体积特别小。原始组件90至93的进一步加工是按上面就图7和8的实施例谈过的工艺步骤进行的。图14中示出了按该工艺得出的复合体97，复合体97按上述实施例的方式挤压和机械加工，上述实施例中所用的材料也相应适用于本实施例中。 在火花塞10具有其中一个所述的中心电极16、70的情况下，为了提高燃油蒸汽/空气混合物通过火花间隙19的能力，而且为了使耐火或高度耐火区无须采用较贵的原料，可以将中心电极16、70燃烧室侧部分的直径设计得小于其杆件100、100′。图15中，可以看到中心电极区采用图12的中心电极70。在图15中，该中心电极70′的外壳以84′表示，芯子以83′表示，耐火区以82′表示，高度耐火区则以81′表示。这里该中心电极70′的杆件100的直径是按所述的挤压方法形成的，燃烧室侧的圆柱形端部部分101的直径缩小。在中心电极70′的一个实例中，杆件100的直径可取大约2.7毫米，燃烧室侧端部部分101的直径可取大约1.2毫米。高度耐火区81′的直径可取0.8毫米，厚度可取0.35毫米。区81′后面在连接侧的耐火材料区82′可在轴向延伸大约2至4毫米的长度。 在燃烧室侧邻接端部部分101的区102，该区在完全装配好的火花塞中，配置在绝缘体15的燃烧室侧端部部分，也以周知的方式使其直径略小于中心电极杆100的径。这种本来是众所周知的措施可以防止绝缘体15在火花塞10工作且发热时因中心电极70′热膨胀而脆裂。 在图15中，在中心电极70′的情况下，燃烧室侧圆柱形端部部分101至区102的过渡是经由斜台肩104完成的。图16示出了另一种方案-中心电极70″，中心电极70″的结构与中心电极70′相当，但其从燃烧室侧端面103′到邻接区102′的过渡表面是直接和连续的，最好呈截头锥形。该电极70″的杆件以编号100′表示。 101、102、101′、102′各区都用周知的型锻法制取，在这类中心电极70′、70″的情况下，燃烧室侧端面103、103′只有在型锻101、102、101′、102′有关各区之后才宜于研磨。 本发明由至少三个不同材料区组成的电极还可以进一步加工制成侧电极18。和中心电极16一样，这类侧电极18在现代高性能内燃机的火花塞10中受到的应力作用特别大，应能经由外壳11快速散热，从而避免表面燃烧。图17和18分别示出了图19和20的侧电极18或18′的电极坯件110。该坯件是用图3、8、10或14其中一个附图的复合体挤压制成的，但还通过冲扁使其在杆111区的横截面相当于图18中的横截面。为对侧电极18或18′进行精加工，如图19和20分别所示的那样，将头部112，且在大部分类型的火花塞中也包括自由端部分113，与电极坯件110隔开，使得电极18、18′具有其所需的长度，且使耐火区115(图19)或高度耐火区116(图20)暴露在其燃烧室侧的端面114、114′。在钩状侧电极18、18′的情况下，还要经过“弯曲”工序，这个弯曲工序可以在作为单独部分的侧电极18、18′上进行，也可以只有在侧电极18、18′已固定在火花塞外壳11的端面13上之后才进行。在弯成钩状且部分或完全凸出中心电极16的端面17的侧电极18的情况下，侧电极18至少面对中心电极端面17的部分也可以从外壳117、117′释出，以便暴露耐火区115、115′和/或高度耐火区116(图中未示出)。115、115′、116这些区可以例如通过研磨或磨削加以暴露。图18至20中，侧电极18和18′分别以编号117和117′表示，芯子则分别以118和118′表示。 本发明的电极能承受现代高性能内燃机中的强大应力，且可在周知的经实践考验的成批生产设备中经济地制造出来。 权利要求 1.火花塞电极(16，18)的一种生产工艺，该火花塞有一个耐腐蚀材料制成基本上呈管形的外壳(31′，117)、一个为外壳所包围由导热率高的材料制成的芯子(33′，118)，还有一个在芯子燃烧室侧配置的耐火区(32′，115)，且由共同的由上述材料组成的原始组件挤压制成，即芯子原始组件(33，65)和外壳原始组件(31，61)，芯子原始组件(33，65)，周边是圆的，面对着挤压工具(41)的冲头(49)，外壳原始组件(31，61)，其周边也是圆的，面对着挤压孔(45)，至少外壳原始组件(31，61)的圆周表面靠在挤压工具(41)定位孔(43)的孔壁上，其特征在于，该工艺包括下列工序a)在外壳原始组件(31，61)面向挤压工具(41)的冲头(49)的顶边开一个盲孔(34，62)；b)将耐火区(32′，115)的原始组件(32，64)引入外壳原始组件(31，61)的盲孔(34，62)中；c)将芯子原始组件(33.65)配置在耐火区(32′，115)的原始组件(32，64)上；d)将按上述轴向配置的原始组件放在挤压工具(41)的定位孔(43)中；e)将各原始组件一个放在另一个的上头地挤压成电极坯件(50，110)；和f)将燃烧室侧底部(54，113)与电极坯件(50，110)分开，使连接侧后面的材料(32′，115)暴露出来。 2.根据权利要求1的工艺，其特征在于，各原始组件是作为复合体(40，60)安置在挤压工具(41)的定位孔(43)中的。 3.根据权利要求2的工艺，其特征在于，各原始组件用焊接或钎焊法彼此连接起来，形成复合体(40，60)。 4.根据权利要求1至3的其中之一的工艺，其特征在于，充满挤压工具(41)的定位孔(43)横截面的圆盘是用作芯子的原始组件(33)。 5.根据权利要求4的工艺，其特征在于，外壳盘形原始组件(31)的盲孔(34)制成锥形或截头锥形。 6.根据权利要求5的工艺，其特征在于，耐火区(32′)的原始组件(32)设计成球形、锥形或截头锥形。 7.根据权利要求1至3其中任一权利要求的工艺，其特征在于，采用圆周边的杯形件作为外壳原始组件(61)，采用圆柱形或球形组件作为耐火区(32′)的原始组件(64)，采用充满杯形件盲孔横截面的杆部分作为芯子的原始组件(65)。 8.根据权利要求7的工艺，其特征在于，在复合体(60)中，耐火区原始组件(64)和芯子原始组件(65)在尺寸大小方面选取得使它们两者在一起会填平外壳杯形原始组件(61)的盲孔(62)。 9.根据权利要求1至7其中任一权利要求的工艺，其特征在于，在进行挤压之前，在外壳原始组件(71)与耐火区原始组件(72)之间还配置高度耐火区(82)的原始组件(75)，且经挤压的电极坯件(79)在燃烧室侧被切成一定的长度，使得高度耐火区(82)暴露出来。 10.根据权利要求9的工艺，其特征在于，采用球形组件作为高度耐火区原始组件(75)。 11.根据以上其中之一权利要求的工艺，其特征在于，电极(16，18，18′，70，70′，70″)的燃烧室侧面(17，85，103，103′，114，114′)经过磨削加工。 12.根据以上其中一个权利要求的工艺，其特征在于，燃烧室侧端面(103，103′)的直径比电极(70，70′)的杆件(100，100′)小。 13.根据权利要求12的工艺，其特征在于，电极(70′，70″)的燃烧室侧端面(103，103′)其直径选取得比与其在连接侧毗邻的电极的纵向部分(102，102′)的小，该部分的横截面也已比电极杆件(100，100′)小。 14.根据权利要求1至12其中一个权利要求的工艺，其特征在于，经挤压的电极坯件(110)经过冲扁。 15.根据权利要求14的工艺，其特征在于，连接侧头(112)与电极坯件(110)分开。 16.根据权利要求14或15的工艺，其特征在于，电极(18，18′)弯成钩状。 17.根据以上其中一个权利要求的工艺，其特征在于，电极芯(33′，83，83′，118，118′)的材料采用铜或铜合金，电极外壳(31′，84，84′，117，117′)的材料采用镍或镍合金。 18.根据以上其中一个权利要求的工艺，其特征在于，耐火材料区(32′，82，82′，115，115′)采用银或银合金。 19.根据权利要求18的工艺，其特征在于，银合金采用下列合金之一镍含量达0.15%的AgNi(细粒银);钛含量达5%的AgTi;二氧化锡含量为2%至15%的AgSnO2;或钯含量为2%至6%的AgPd。 20.根据以上其中一个权利要求的工艺，其特征在于，高度耐火区(81，81′，116)采用铂金属、铂金属合金、或甚至铂金属与另一金属的合金。 21.火花塞(10)的一种挤压电极(16，18，18′，70，70′，70″)，该电极有一抗腐蚀材料制成的外壳(31′，84，84′，117，117′)，有一带有配置在芯子的燃烧室侧且为外壳共轴线环绕的耐火区(32′，82，82′，115，115′)由导热率高的材料制成的芯子(33′，83，83′，118，118′)，其特征在于，耐火区由以下其中之一合金构成镍含量达0.15%的AgNi(细粒银);钛含量达5%的AgTi;氧化锡含量为2至15%的AgSnO2;或钯含量为2至6%的AgPd。 22.根据权利要求21的挤压电极，其特征在于，高度耐火材料区(81，82′，116)配置在耐火区(82，82′，115′)的燃烧室侧，且还完全牢靠地为外壳(84，84′，117′)共轴线封闭着。 23.根据权利要求22的挤压电极，其特征在于，高度耐火材料为铂金属、铂金属合金或甚至铂与另一金属的合金。 24.根据权利要求21至23其中一个权利要求的挤压电极(16，18，18′，70，70′，70″)，其特征在于，其燃烧室侧端面(17，20，85，103，103′，114，114′)经过磨削。 25.根据权利要求21至24其中一个权利要求的挤压电极(70′，70″)，其特征在于，其燃烧室侧端面(103，103′)的直径比杆件(100，100′)的直径小。 26.根据权利要求21至25其中一个权利要求的挤压电极(18，18′)，其特征在于，它经过冲扁，且没有受到坯件头(112)的约束。 27.根据权利要求26的挤压电极(18)，其特征在于，它被弯制成钩状。 全文摘要 本发明涉及内燃机的一种经久耐用的火花塞电极及其制造工艺。火花塞电极(16)由耐腐蚀外壳(31′)的、高导热率芯子(33′)的和耐火区(32′)的多个原始组件组成。将这些组件挤压在一起形成电极坯件，再通过加工电极坯件的头部(51)和燃烧室侧区将它制成中心电极(16)。承受特大应力的电极还设有高度耐火区的第四原始组件，该组件也与其它组件一起挤压，且在燃烧室侧配置在耐火区(32′)前面。电极(16)可用作中心电极(16)，但在经冲扁和弯曲加工之后还可以用作侧电极。 文档编号B21C23/22GK1052577SQ9010605 公开日1991年6月26日 申请日期1990年12月13日 优先权日1989年12月16日 发明者于尔根·特赖伯, 维利·弗兰克, 汉斯·胡伯特, 福尔克·布伦迪克, 赖纳·诺亚克, 克劳斯-迪特尔·波尔 申请人:罗伯特-博希股份公司