專利名稱：火花塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的尤其是小直徑類型的火花塞。在下文中，術(shù)語“前”是指相對于火花塞軸向的火花放電側(cè)，術(shù)語“后”是指與前側(cè)相反的側(cè)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)的火花塞一般包括金屬殼和陶瓷絕緣子，在陶瓷絕緣子內(nèi)絕緣地支撐中心電極和端子電極。通過將陶瓷絕緣子的臺階狀外表面部安置成倚靠金屬殼的突出內(nèi)表面部并將金屬殼的后端部彎邊到陶瓷殼的肩部上，來將陶瓷絕緣子保持在金屬殼內(nèi)。有幾種將金屬殼彎邊到陶瓷絕緣子上的方法。在一種彎邊方法中，如日本特開2005-044627號公報中所論述的，在金屬殼和陶瓷絕緣子之間填充絕緣粉末材料的情況下通過冷鍛使金屬殼變形。在另一種彎邊方法(稱作“熱彎邊”)中，如日本特開2003-257583號公報中所論述的，不使用絕緣粉末材料，在變形阻力小的加熱條件下通過塑性成型使金屬殼變形。
為了得到發(fā)動機(jī)性能例如發(fā)動機(jī)的輸出和效率得到改善的更高的發(fā)動機(jī)設(shè)計靈活性程度，需要減小火花塞的尺寸(直徑)。例如，減小火花塞的直徑可形成更小的塞孔且允許在發(fā)動機(jī)內(nèi)布置更大的水冷套和進(jìn)氣/排氣口。此外，通過在金屬殼的工具配合部上配合如塞扳手等塞子安裝工具來將火花塞安裝在塞孔中，從而必須控制塞孔的直徑以容許塞子安裝工具的外徑。因此，減小工具配合部的直徑對提高發(fā)動機(jī)設(shè)計的靈活性尤其有效。
然而，由于在將火花塞安裝入塞孔的過程中，工具配合部受到大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，所以不希望為了減小工具配合部的外徑而減小工具配合部的厚度。為了減小工具配合部的外徑而不減小工具配合部的厚度，可想到減小在軸向位置對應(yīng)于工具配合部的陶瓷絕緣子的中間部的直徑。在此情況下，不必改變陶瓷絕緣子后部的設(shè)計或過分地減小后絕緣部的直徑，由此使得可用傳統(tǒng)的插頭線(plug cord)并防止陶瓷絕緣子破損可能性的增大。

發(fā)明內(nèi)容
在陶瓷絕緣子中，在中后絕緣子部之間形成肩部。因此，當(dāng)中絕緣子部的外徑減小到中、后絕緣子部的外徑之間只差1.8mm或更小的程度時，彎邊殼部在絕緣子肩部上的覆蓋率變得過低而不能將陶瓷絕緣子可靠地保持在金屬殼中。這導(dǎo)致諸如陶瓷絕緣子滑出金屬殼以及燃燒氣體從金屬殼和陶瓷絕緣子之間泄漏等各種問題。如果殼端部彎邊到絕緣子肩部上以獲得更高的覆蓋率，則彎邊殼部的內(nèi)緣可能與陶瓷絕緣子發(fā)生接觸并引起陶瓷絕緣子破損。
進(jìn)而可想到如日本特開2003-257583號公報所公開的在彎邊殼部和絕緣子肩部之間布置金屬填料。然而，在小直徑火花塞的情況下，當(dāng)金屬填料的內(nèi)徑相對于后絕緣子部的外徑大時，金屬填料不能被放置在金屬殼內(nèi)的合適位置。除非金屬填料的線徑(wire diameter)足夠小，否則殼端部到絕緣子肩部上的彎邊會被金屬填料干擾。即使放置在金屬殼內(nèi)，在將殼端部彎邊到絕緣子肩部上的過程中，這種小線徑的金屬填料也會成為引起陶瓷絕緣子破損的局部載荷的起因。相反地，當(dāng)金屬填料的內(nèi)徑與后絕緣子部的外徑一樣大時，金屬填料被放置在絕緣子肩部上相對殼端部靠后的位置。殼端部不能適當(dāng)?shù)貜澾叺浇^緣子肩部上以使在彎邊殼部和絕緣子肩部之間容納金屬填料。另外，殼端部彎邊到絕緣子肩部上引起壓力載荷，使得倚靠絕緣子肩部的金屬填料滑動并引起陶瓷絕緣子破損。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種火花塞，即使在當(dāng)火花塞為在陶瓷絕緣子的中、后部之間外徑只有很小差異(1.8mm或更小)的小直徑類型時，該火花塞仍然能將陶瓷絕緣子可靠地保持在金屬殼中而不引起諸如陶瓷絕緣子破損等問題。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于制造該小直徑火花塞的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種火花塞，包括中心電極；陶瓷絕緣子，其形成有軸向通孔，在該軸向通孔內(nèi)支撐該中心電極，該陶瓷絕緣子包括具有臺階狀外表面的前部、外徑比該前部大的中部、外徑比該中部小的后部、以及在該中部和該后部之間限定的肩部，該陶瓷絕緣子的該中部和后部的外徑差為1.8mm或更??；金屬殼，其形成有軸向通孔，在該軸向通孔內(nèi)保持該陶瓷絕緣子，該金屬殼包括用于與塞安裝工具配合的工具配合部；形成在該金屬殼的該軸向通孔中的徑向向內(nèi)的突出部，在該突出部上保持該陶瓷絕緣子的臺階狀外表面；以及位于該工具配合部的后側(cè)且彎邊到該陶瓷絕緣子的上述肩部的彎邊部；該彎邊部的內(nèi)周面，在該彎邊部的徑向最內(nèi)點與該陶瓷絕緣子徑向間隔開并與該肩部軸向間隔開的狀態(tài)下，具有與該肩部保持接觸的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造火花塞的方法，包括提供陶瓷絕緣子，該陶瓷絕緣子具有具有臺階狀外表面的前部、外徑比該前部大的中部、外徑比該中部小的后部、以及在該中部和后部之間限定的肩部，該陶瓷絕緣子的該中部和后部的外徑之差為1.8mm或更??；將中心電極固定在該陶瓷絕緣子中；將該陶瓷絕緣子插入金屬殼中，使該陶瓷絕緣子的臺階狀外表面靠著該金屬殼的徑向向內(nèi)突出部；以及將該金屬殼的后端部以如下方式彎邊到該陶瓷絕緣子的該肩部上在彎邊殼部的徑向最內(nèi)點與該陶瓷絕緣子徑向間隔開且與該絕緣子肩部軸向間隔開的狀態(tài)下，該彎邊殼部的內(nèi)周面具有與該絕緣子肩部保持接觸的區(qū)域。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的火花塞的部分剖面?zhèn)纫晥D；圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例由金屬殼和接地電極組成的裝配組件在裝配到火花塞中之前的部分剖面?zhèn)纫晥D；圖2B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例由陶瓷絕緣子、中心電極和端子電極組成的裝配組件在裝配到火花塞中之前的部分剖面?zhèn)纫晥D；圖3A至圖3D是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的火花塞如何裝配的示意圖；圖4是示出在根據(jù)本發(fā)明一個實施例的火花塞中金屬殼的彎邊端部和陶瓷絕緣子的肩部之間的位置關(guān)系的放大圖；圖5是圖4中圓圈區(qū)域S的放大圖；圖6是示出火花塞的氣密性和彎邊殼部在絕緣子肩部上的覆蓋率之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖7是示出火花塞的氣密性和彎邊殼部與絕緣子肩部的接觸率之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖8是示出金屬殼的絕緣子保持力和彎邊殼部與絕緣子肩部的接觸率之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖9是示出陶瓷絕緣子的抗破損性和彎邊殼部與絕緣子肩部的接觸率之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖10是示出火花塞的氣密性和彎邊殼部相對于絕緣子肩部的角度之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖11是示出金屬殼的絕緣子保持力和彎邊殼部相對于絕緣子肩部的角度之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；
圖12是示出陶瓷絕緣子的抗破損性和彎邊殼部相對于絕緣子肩部的角度之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖13是示出火花塞的氣密性和金屬殼的鐵基合金材料的碳含量之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖；圖14是示出金屬殼的絕緣子保持力和金屬殼的鐵基合金材料的碳含量之間的關(guān)系的測試結(jié)果圖。
具體實施例方式
以下將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
如圖1、圖2A和圖2B所示，根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的內(nèi)燃機(jī)的火花塞100包括中心電極10、端子電極20、陶瓷絕緣子30、接地電極40和金屬殼50。
中心電極10具有由諸如鉻鎳鐵合金(Inconel)等鎳合金材料制成的基本上柱狀的電極體，并設(shè)置有帶凸緣(flanged)的后端部11；芯12，其由銅合金材料制成，且沿火花塞100的軸線O的方向(以下稱作“軸向”)嵌在電極體的中心以提高導(dǎo)熱性；以及尖端13，其由諸如Pt合金或Ir合金材料等貴金屬合金材料制成，且接合到電極體的前端以提高火花放電能力和耐磨性。端子電極20設(shè)有腿部21。中心電極10和端子電極20彼此同軸布置，并被分別支撐在陶瓷絕緣子30的前側(cè)和后側(cè)，在該中心電極10和端子電極20之間布置電阻構(gòu)件6和玻璃密封構(gòu)件5。
接地電極40具有由鎳合金材料制成并接合到金屬殼50的前端的基本上矩形的電極體、以及由諸如Pt合金或Ir合金材料等貴金屬合金材料制成并接合到電極體前端部以提高火花放電能力和耐磨性的尖端43。接地電極體以基本上直角彎曲成使得電極尖端13和43彼此面對且在該二者之間留下火花放電間隙G。盡管圖中未示出，接地電極40也可具有由銅合金材料制成并嵌入電極體的芯。
通過模壓絕緣陶瓷粉末(諸如氧化鋁或氮化鋁粉末)和粘合劑的混合物、用磨石研磨模制品并燒結(jié)所得的模制品，陶瓷絕緣子30形成為具有軸向通孔31的基本上圓筒形，且設(shè)置有前部34、中部32、后部35和肩部321。前絕緣子部34具有朝前的臺階狀外表面33、在臺階狀外表面33的前側(cè)上延伸以暴露于發(fā)動機(jī)中的燃燒氣體的腿36、以及限定在腿36的后側(cè)的通孔31中以將中心電極10的帶凸緣的后端部11保持其上的朝后的臺階狀內(nèi)表面37。在這里，使通孔31在臺階狀內(nèi)表面37前側(cè)上的直徑小于在臺階狀內(nèi)表面37后側(cè)上的直徑。后絕緣子部35具有基本上恒定的外徑N。中絕緣子部32從前和后絕緣子部34和35徑向向外突出，并具有比前和后絕緣子部34和35的外徑大的外徑。在本實施例中，如圖2B所示，中絕緣子部32包括第一圓筒部322；第二圓筒部324，其位于第一圓筒部322的前側(cè)，且使其外徑大于第一圓筒部322的外徑；第三圓筒部325，其位于第二圓筒部324的前側(cè)，且使其外徑小于第一圓筒部322的外徑；以及凹槽323，其在第一和第二圓筒部322和324之間切成，且向前絕緣子部34變細(xì)。此外，在本實施例中，通常將第一圓筒部322的外徑視為中絕緣子部32的外徑M。絕緣子肩部321在后絕緣子部35和中絕緣子部32的第一圓筒部322之間的位置處形成為錐形，以便從后絕緣子部35到中絕緣子部32的第一圓筒部322逐漸增大外徑。
通過塑性成型和精加工(例如切削)鐵基合金材料，金屬殼50形成為具有軸向通孔57的基本上圓筒形，且設(shè)置有螺紋部51、塞連接部52和工具配合部53。通過在金屬殼50的外前表面上滾絲形成螺紋部51，該螺紋部51將被旋入發(fā)動機(jī)的塞孔。塞連接部52在螺紋部51的后側(cè)徑向向外突出，以被安裝在發(fā)動機(jī)氣缸頭的塞安裝部上，在該塞連接部52的配合表面和發(fā)動機(jī)氣缸頭的塞安裝部的配合表面之間布置密封圈8以使火花塞100密封發(fā)動機(jī)氣缸頭。工具配合部53形成在塞連接部52的后側(cè)，用于與諸如塞扳手等工具配合以將火花塞100安裝入塞孔。金屬殼50在塞連接部52和工具配合部53之間的部分被制成厚度小且在陶瓷絕緣子30安裝于金屬殼50中的過程中彎曲。在這里，通孔57包括兩部分軸向位置對應(yīng)于螺紋51的小直徑部54和從塞連接部52貫穿至金屬殼50后端地在該小直徑部54的后側(cè)上延伸的大直徑部56。
如圖1和2A所示，金屬殼50具有設(shè)置在通孔57的小直徑部54前側(cè)中的徑向向內(nèi)的突出部55，以便在臺階狀絕緣子表面33和殼突出部55之間布置板片密封墊7的狀態(tài)下將陶瓷絕緣子30的臺階狀外表面33保持在金屬殼50上，以提供金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣體密封。如圖1和圖2A所示，金屬殼50在工具配合部53的后側(cè)上還具有小厚度的后端部60，該后端部60彎邊到絕緣子肩部321上以便通過彎邊殼部60覆蓋或罩住絕緣子肩部321，由此在來自彎邊殼部60的壓力下保持陶瓷絕緣子30。
通過該布置，陶瓷絕緣子30上的局部載荷隨著彎邊殼部60和絕緣子肩部321之間的接觸面積的增加而減小。因此，彎邊殼部60和絕緣子肩部321之間達(dá)到更大的接觸面積有效地阻止陶瓷絕緣子30的破損發(fā)生。(參見圖4。)然而，如果彎邊殼部60的徑向最內(nèi)點Tin(位于彎邊殼部60的內(nèi)圓周上離火花塞軸線O最近的位置)與陶瓷絕緣子30發(fā)生接觸，則陶瓷絕緣子30從點Tin開始破損的可能性很大。
因此，如圖4和圖5所示，為了防止在陶瓷絕緣子30中發(fā)生破損，將火花塞100構(gòu)造成使彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin徑向和軸向地離開陶瓷絕緣子30。換句話說，金屬殼部60形成(設(shè)計)為彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin位于沿火花塞100的徑向離絕緣子肩部321的外周面(或后絕緣子部35的外周面)距離α且沿火花塞100的軸向離絕緣子肩部321的外周面距離β的位置。
當(dāng)將火花塞100設(shè)計為小直徑火花塞，其中中絕緣子部32的外徑M和后絕緣子部35的外徑N之差為1.8mm或更小(特別地，例如1.2mm或更小)時，陶瓷絕緣子30容易破損。然而，在本實施例中，即使在火花塞100被設(shè)計為該小直徑火花塞時，通過使彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin離開陶瓷絕緣子30，也能阻止陶瓷絕緣子30中破損的發(fā)生。
為了更有效地阻止陶瓷絕緣子30中破損的發(fā)生，優(yōu)選控制徑向和軸向間隔距離α和β滿足關(guān)系α＜β。更優(yōu)選控制徑向間隔距離α為0.05mm或更大并控制軸向間隔距離β為0.15mm或更大。
此外，當(dāng)火花塞100為小直徑類型時，在彎邊殼部60和絕緣子肩部321之間布置金屬填料可成為陶瓷絕緣子30破損的原因。因此，為了防止陶瓷絕緣子30發(fā)生破損，在本實施例中不在彎邊殼部60和絕緣子肩部321之間布置金屬填料。
考慮到陶瓷絕緣子30通過彎邊殼部60和絕緣子肩部321的接觸被壓力保持在金屬殼50中，可能看起來彎邊殼部60不需要具有與絕緣子肩部321不接觸的部分(包括其最內(nèi)點Tin)。然而，當(dāng)彎邊殼部60設(shè)置這樣的非接觸部分時，彎邊殼部60的強(qiáng)度增加，使得彎邊殼部60變得可以保持其形狀以將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50內(nèi)，由此維持金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間良好的氣密性。出于該原因，還優(yōu)選適當(dāng)?shù)乜刂茝澾厷げ?0在絕緣子肩部321上的覆蓋率和彎邊殼部60與絕緣子肩部321的接觸率。當(dāng)火花塞100為后絕緣部35的外徑N為11mm或更小以及工具配合部53的尺寸小于HEX14(14mm六邊形)的小直徑類型時，不僅彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin與陶瓷絕緣子30的間隔，而且對彎邊殼部60在絕緣子肩部321上的覆蓋率和彎邊殼部60與絕緣子肩部321之間的接觸率的控制，對于將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50中以維持金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的良好氣密性都特別有效，而不引起陶瓷絕緣子30中的破損。
更具體地，如圖4所示，彎邊殼部60的內(nèi)周面601包括兩個區(qū)域保持為直接接觸絕緣子肩部321的接觸區(qū)域602和不與絕緣子肩部321接觸的非接觸區(qū)域603。當(dāng)從通過火花塞軸線O和彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin的截面看時，接觸區(qū)域602的寬度§A在此定義為在通過接觸區(qū)域602和非接觸區(qū)域603的邊界C且與火花塞軸線O平行地延伸的直線Lc與中絕緣子部32的(在本實施例中，第一圓筒部322的)外周面322f的母線Lout之間的徑向距離。如果中絕緣子部32的外周面322f的母線相對于火花塞軸線O非常傾斜，則認(rèn)為直線Lout是通過接觸區(qū)域602的徑向外邊界B平行于火花塞軸線O地延伸的直線。當(dāng)從通過火花塞軸線O和彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin的截面看時，非接觸區(qū)域603的寬度§B定義為從直線Lc到通過彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin平行于火花塞軸線O地延伸的直線LTin的徑向距離。此外，當(dāng)從通過火花塞軸線O和彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin的截面看時，絕緣子肩部321的寬度§C定義為從直線Lout到后絕緣子部35的外周面的母線的延伸線Ly的徑向距離。需要注意的是，絕緣子肩部321的寬度§C對應(yīng)于中絕緣子部32的外半徑和后絕緣子部35的外半徑之差，即，中絕緣子部32的外徑M和后絕緣子部35的外徑N之差的一半。
優(yōu)選將彎邊殼部60在絕緣子肩部321上的覆蓋率(§A+§B)/§C控制為50％或更大。當(dāng)覆蓋率(§A+§B)/§C為50％或更大時，可將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50中，并在金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間保持足夠的氣密性，而不會因為彎邊殼部60施加到絕緣子肩部321上的壓力減小而發(fā)生問題(諸如陶瓷絕緣子30滑出金屬殼50以及從金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間泄漏氣體)。為了確保避免彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin與陶瓷絕緣子30發(fā)生接觸，還優(yōu)選將覆蓋率(§A+§B)/§C控制為90％或更小。
此外，優(yōu)選地將彎邊殼部60與絕緣子肩部321的接觸率§A/§C控制為25％至60％。當(dāng)接觸率§A/§C為25％或更大時，接觸區(qū)域602確保足夠大的面積，使得可以將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50中，并在金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間保持足夠的氣密性，而不會因為彎邊殼部60施加到絕緣子肩部321上的壓力減小而發(fā)生問題(諸如陶瓷絕緣子30滑出金屬殼50以及從金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間泄漏氣體)。當(dāng)接觸率§A/§C為60％或更小時，可使彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin足夠遠(yuǎn)離陶瓷絕緣子30并確保避免陶瓷絕緣子30中破損的發(fā)生。
如圖5所示，為了將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50中且不引起陶瓷絕緣子30破損，還優(yōu)選地滿足關(guān)系10°≤θ≤25°，其中θ為兩直線Lip和Lit之間的狹角(narrow angle)；直線Lip從邊界C通過位于直線LTin和Lc中間的直線Lm與絕緣子肩部32的外周面的交點Ip延伸；直線Lit從邊界C通過直線Lm與彎邊殼部60的內(nèi)周面601的交點It延伸。(在圖5中，彎邊殼部60和陶瓷絕緣子30的可見輪廓由粗實線表示。)值得注意的是，角度θ近似等于彎邊殼部60的內(nèi)周面601和絕緣子肩部321的外周面之間在邊界C處形成的狹角。當(dāng)角度θ為10°或更大時，彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin可從陶瓷絕緣子30充分地間隔開，以確保防止陶瓷絕緣子30發(fā)生破損。然而，如果角度θ過分增大，則彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin在軸向上變得過于遠(yuǎn)離絕緣子肩部321。從而因為彎邊殼部60施加到絕緣子肩部321上的壓力減小而發(fā)生問題(諸如因為彎邊殼部60施加到絕緣子肩部321上的壓力減小而發(fā)生陶瓷絕緣子30滑出金屬殼50以及從金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間泄漏氣體)。當(dāng)角度θ為25°或更小時，可將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50中而不引起由彎邊殼部60施加到絕緣子肩部321的壓力減小而導(dǎo)致的問題。
例如，可制造具有以下示例尺寸的火花塞100M＝11.6mm，N＝10.5mm，§A＝0.2mm，§B＝0.2mm，§C＝(M-N)/2＝0.55mm，(§A+§B)/§C＝0.73(73％)，§A/§C＝0.36(36％)，α＝0.08mm，β＝0.2mm和θ＝17°。此外，在本實施例中，工具配合部53可以是Bi-HEX14型(14mm雙六邊形)。
當(dāng)火花塞100為小直徑類型時，金屬殼50厚度和直徑通常被減小。因此，為了提供足夠的殼強(qiáng)度并易于成型，優(yōu)選將金屬殼100的鐵基合金材料的碳含量控制為0.15％至0.35％。碳含量為0.15％至0.35％的鐵基合金材料的例子是諸如S45C和S35C等鋼材料以及不銹合金(stainless alloy)。如果碳含量低于0.15％，厚度和直徑減小的金屬殼50可能不能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。如果碳含量超過0.35％，厚度和直徑減小的金屬殼50的韌性和抗沖擊性過低。另外，鐵基合金材料的硬度變高，從而金屬殼50不能容易地成型為期望的形狀。
以下將參考圖3說明火花塞100的裝配過程。
通過所謂的玻璃密封處理將中心電極10、端子電極20和陶瓷絕緣子30裝配在一起成為單元。可如下進(jìn)行該玻璃密封處理。首先，將中心電極10插入陶瓷絕緣子30的通孔31以使中心電極10的帶凸緣后端部11靠著陶瓷絕緣子30的臺階狀內(nèi)表面37。接著，在陶瓷絕緣子30的通孔31中依次填充第一玻璃密封材料、電阻材料和第二玻璃密封材料。第一和第二玻璃密封材料均為玻璃粉末和金屬粉末的混合物。電阻材料也是玻璃粉末和金屬粉末的混合物但具有不同的混合比。將端子電極20插入陶瓷絕緣子30的通孔31以將端子電極20的腿部21嵌入第二玻璃密封材料中。將所得的絕緣子子裝配單元在爐中加熱到預(yù)定溫度。在加熱期間將端子電極20推至適當(dāng)?shù)奈恢?。?dāng)從爐中取出絕緣子子裝配單元時，第一和第二玻璃密封材料和電阻材料變硬以分別形成玻璃密封構(gòu)件5和電阻構(gòu)件6。這樣，通過該構(gòu)件5和構(gòu)件6，將中心電極10和端子電極20電連接(electrical continuity)地固定在陶瓷絕緣子30中。
在上述玻璃密封處理之前或同時，如圖2B中交叉陰影線所示，通過在陶瓷絕緣子30從絕緣子后端到第一圓筒部322的部分上涂覆、干燥和燒結(jié)釉料(例如硼硅酸鹽玻璃)漿而形成釉層301。
另一方面，通過將接地電極40的后端電阻焊接到金屬殼50的前端，將接地電極40和金屬殼50裝配在一起成為單元。盡管在圖中未示出鍍層，在去除焊接滴出物后，對所得的殼子裝配單元進(jìn)行電鍍(例如鍍鋅或鍍鎳)。
如圖3A所示，將殼子裝配單元放在裝配夾具中，使金屬殼50的塞連接部52靠著裝配夾具的塞保持架800。然后，在板片密封墊7布置在臺階狀絕緣子表面33和殼突出部55之間的狀態(tài)下，將絕緣子子裝配單元插入金屬殼50的通孔57中，以將陶瓷絕緣子30的臺階狀外表面33裝在靠著金屬殼50的內(nèi)向突出部55的位置。
如圖3B所示，以陶瓷絕緣子30的肩部321位于金屬殼50后端的前側(cè)的方式臨時固定陶瓷絕緣子30。
如圖3C所示，使用彎邊夾具810，將金屬殼50的后端部60臨時地彎邊到陶瓷絕緣子30的肩部321上。然后，如圖3D所示，通過所謂的熱彎邊處理，即，通過在經(jīng)由塞保持架800和彎邊夾具810從電源給金屬殼50通電的同時將彎邊夾具810向下推到金屬殼50上，將金屬殼50的后端部60適當(dāng)?shù)貜澾叺教沾山^緣子30的肩部321上。
最后，以在電極尖端13和43之間形成火花放電間隙G的方式彎曲接地電極40。
以下將參考下列例子更具體地說明本發(fā)明。然而需注意的是下列例子只是示意性的，并不意在將本發(fā)明限定于此。
試驗1通過改變金屬殼50的后端部60的長度(如在彎邊加工之前所測量的)以相同的上述方式制造火花塞100的五個類型的樣品(每個類型5個樣品，總共25個樣品)。樣品所使用的塞組件是普通火花塞的組件。此外，使用相同的彎邊夾具通過施加25N·m的緊固扭矩進(jìn)行彎邊加工，以使所有的樣品都得到相同的彎曲程度(角度)。表1列出了樣品的尺寸。
如下測試各個樣品在金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣密性。在試樣中，在塞連接部52和工具配合部53之間的位置處穿過金屬殼50制造氣孔以與通孔57連通。從試樣前側(cè)以1.5MPa的氣壓向試樣中注入氣流，在逐漸加熱試樣的同時監(jiān)測每分鐘通過氣孔泄漏的氣體量。當(dāng)氣體泄漏超過10cc/min時，判斷為不可能通過填料7維持金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣密性。在判斷時，將金屬殼50的塞連接部52的配合表面溫度確定為金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣密性的量度。表1和圖6示出了試驗結(jié)果。(在圖6中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)從表1和圖6可知，當(dāng)覆蓋率(§A+§B)/§C為50％或更大時，即使在相當(dāng)高的溫度條件下，也能將塞的氣密性維持在足夠的程度。
表1

試驗2雖然將所有試樣的金屬殼50的后端部60設(shè)置為相同長度，但是使用不同的彎邊夾具改變彎邊殼部60的形狀和彎邊殼部60的接觸區(qū)域602的面積來進(jìn)行彎邊加工，除此之外，以與試驗1相同的方式制造火花塞100的七種類型的樣品(每個類型5個樣品，總共35個樣品)。表2列出了樣品的尺寸。
以和試驗1中相同的方式測試試樣的金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣密性。表2和圖7示出了試驗結(jié)果。(在圖7中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)還如下測試樣品的彎邊殼部60保持陶瓷絕緣子30的力。通過將螺紋51旋入樣品臺的螺紋垂直通孔中，把試樣固定在樣品臺上，以使陶瓷絕緣子30的前端在樣品臺的上表面上暴露。壓力構(gòu)件向下壓到陶瓷絕緣子30的暴露端上，以在陶瓷絕緣子30上施加逐漸增大的載荷。在絕緣子30不被彎邊殼部60保持的狀態(tài)下，恰在絕緣子30從金屬殼50分離之前施加到絕緣子30的載荷(稱作“絕緣子分離載荷”)被確定為絕緣子保持力的量度。表2和圖8示出了試驗結(jié)果。(在圖8中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)從表2和圖7可知，當(dāng)接觸率§A/§C為25％或更大時，即使在相當(dāng)高的溫度條件下，也能將塞的氣密性維持在足夠的程度。此外，從表2和圖8可知，當(dāng)接觸率§A/§C為25％或更大時，絕緣子保持力可提高到相當(dāng)高的程度。
表2

試驗3以與試驗2中相同的方式制造火花塞100的七種類型的樣品(每種類型5個樣品，總共35個樣品)。表3列出了試樣的尺寸。
為了評價陶瓷絕緣子30的抗破損性，根據(jù)JIS B7722如下對樣品進(jìn)行夏比(Charpy)測試。通過在火花塞的前端朝下的狀態(tài)下將螺紋旋入樣品臺的螺紋垂直通孔中，把試樣固定在樣品臺上。繞火花塞軸線O上火花塞100上方的點樞軸地緊固鍛錘。將鍛錘的頭升到一定高度，然后，釋放使之自由落下，以與陶瓷絕緣子30的位于距絕緣子后端1mm左右的位置的部分碰撞。通過以給定度數(shù)逐漸增加鍛錘頭的升高角度來重復(fù)上述試驗過程。根據(jù)陶瓷絕緣子破損時鍛錘頭升高的角度，確定陶瓷絕緣子30的破損能量作為絕緣子抗破損性的量度。表3和圖9示出試驗結(jié)果。(在圖9中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)從表3和圖9可知，當(dāng)接觸率§A/§C為60％或更小時，絕緣子抗破損性可被提高到相當(dāng)高的程度。
表3

試驗4除采用不同形狀的彎邊夾具改變彎邊殼部60的彎曲程度(角度)來進(jìn)行彎邊加工外，以與試驗1和2中相同的方式制造火花塞100的五種類型的樣品(每個類型5個樣品，總共25個樣品)。表4列出了樣品的尺寸。
以和試驗1和2中相同的方式測試樣品的在金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣密性。表4和圖10示出了試驗結(jié)果。(在圖10中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)還以和試驗2中相同的方法測試樣品的彎邊殼部60保持陶瓷絕緣子30的力。表4和圖11示出了試驗結(jié)果。(在圖11中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)從表4和圖10可知，當(dāng)角度θ為25°或更小時，在相當(dāng)高的溫度條件下也可維持塞的氣密性。從表4和圖11可知，當(dāng)角度θ為25°或更小時，絕緣子的保持力可被提高到相當(dāng)高的程度。
表4

試驗5以與試驗4中相同的方式制造火花塞100的五種類型的樣品(每個類型5個樣品，總共25個樣品)。表5列出了樣品的尺寸。
為了評價陶瓷絕緣子30的抗破損性，以與試驗3中相同的方式對樣品進(jìn)行夏比測試。測試結(jié)果見表5和圖12。(在圖12中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)從表5和圖12可知，當(dāng)角度θ為10°或更大時，絕緣子抗破損性可被提高到相當(dāng)高的程度。
表5


試驗6除金屬殼50的鐵基材料的碳含量如表6所示地變化外，以與試驗1、2和4中相同的方式制造火花塞100的六種類型的樣品(每個類型5個樣品，總共30個樣品)。
以和試驗1、2和4中相同的方式測試樣品在金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間的氣密性。測試結(jié)果見表6和圖13。(在圖13中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)還以和試驗2和4中相同的方法測試樣品彎邊殼部60保持陶瓷絕緣子30的力。測試結(jié)果見表6和圖14。(在圖14中，點旁邊的數(shù)字表示樣品類型。)從表6和圖13可知，當(dāng)金屬殼材料的碳含量為0.15％或更大時，即使在相當(dāng)高的溫度條件下也可將塞的氣密性維持在足夠的程度。此外，從表6和圖14可知，當(dāng)金屬殼材料的碳含量為0.15％或更大時，絕緣子的保持力可被提高到相當(dāng)高的程度。
表6

如上所述，在本發(fā)明中，即使當(dāng)火花塞100為小直徑類型時，通過使彎邊殼部60的最內(nèi)點Tin離開陶瓷絕緣子30，并將覆蓋率(§A+§B)/§C、接觸率§A/§C、角度θ和金屬殼材料的碳含量控制在特定范圍內(nèi)，也能將陶瓷絕緣子30可靠地保持在金屬殼50中，并維持金屬殼50和陶瓷絕緣子30之間良好的氣密性，而不引起陶瓷絕緣子30中的破損。
日本專利申請2005-254211號(2005年9月1日提交)、2006-048684號(2006年2月24日提交)以及2006-187505號(2006年7月7日提交)的整個內(nèi)容包含于此以供參考。
盡管已參考本發(fā)明的示例性實施例說明了本發(fā)明，本發(fā)明不限于以上特定的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)以上示例對上述實施例進(jìn)行各種修改和變型。例如，金屬殼部60也可通過冷鍛(不加熱的塑性成型)彎邊到絕緣子肩部321上。盡管在以上實施例中，在中絕緣子部32中設(shè)置凹槽323和不同直徑的圓筒部322、324和325，中絕緣子部32可不形成為這樣的臺階式結(jié)構(gòu)。后絕緣子部35也可以不是恒定的外直徑(即，后絕緣子部35的外周面的母線可不平行于火花塞軸線O)。在該情況下，如圖4所示，以在垂直于火花塞軸線O的方向通過彎邊殼端60的最后端點D延伸的平面Lx來測量后絕緣子部35的外直徑N。此外，絕緣子肩部321也可形成為錐形。本發(fā)明的范圍根據(jù)所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種火花塞，包括中心電極；陶瓷絕緣子，其形成有軸向通孔，在所述軸向通孔內(nèi)支撐所述中心電極，所述陶瓷絕緣子包括具有臺階狀外表面的前部、外徑比所述前部大的中部、外徑比所述中部小的后部、以及在所述中部和所述后部之間限定的肩部，所述陶瓷絕緣子的所述中部和后部的外徑差為1.8mm或更小；金屬殼，其形成有軸向通孔，在所述軸向通孔內(nèi)保持所述陶瓷絕緣子，所述金屬殼包括用于與塞安裝工具配合的工具配合部；形成在所述金屬殼的所述軸向通孔中的徑向向內(nèi)的突出部，在所述突出部上保持所述陶瓷絕緣子的臺階狀外表面；以及位于所述工具配合部的后側(cè)且彎邊到所述陶瓷絕緣子的所述肩部的彎邊部；所述彎邊部的內(nèi)周面，在所述彎邊部的徑向最內(nèi)點與所述陶瓷絕緣子徑向間隔開并與所述肩部軸向間隔開的狀態(tài)下，具有與所述肩部保持接觸的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述陶瓷絕緣子的所述后部的外徑為11mm或更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述金屬殼的所述彎邊部和所述陶瓷絕緣子的所述肩部滿足關(guān)系0.5≤(§A+§B)/§C和0.25≤§A/§C≤0.6，其中，當(dāng)從通過所述火花塞的軸線和所述彎邊部的徑向最內(nèi)點的截面看時，§A是從所述陶瓷絕緣子的所述中部的外母線到通過所述區(qū)域的徑向最內(nèi)點平行于所述火花塞軸線地延伸的第一假想線之間的徑向距離；§B是從所述第一假想線到通過所述彎邊部的徑向最內(nèi)點平行于所述火花塞軸線地延伸的第二假想線之間的徑向距離；§C是所述陶瓷絕緣子的所述中部和后部的外半徑之差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述金屬殼的所述彎邊部和所述陶瓷絕緣子的所述肩部滿足關(guān)系10°≤θ≤25°，其中θ為第三和第四假想線之間的狹角；所述第三假想線從所述區(qū)域的徑向最內(nèi)點延伸通過位于所述第一和第二假想線中間的第五假想線與所述絕緣子肩部的外周面的交點；所述第四假想線從所述區(qū)域的徑向最內(nèi)點延伸通過所述第五假想線與所述彎邊部的內(nèi)周面的交點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述金屬殼由具有0.15％至0.35％的碳含量的鐵基合金材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述彎邊部的徑向最內(nèi)點位于徑向距所述陶瓷絕緣子第一距離且軸向距所述絕緣子肩部第二距離的位置；所述第一距離小于所述第二距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的火花塞，其特征在于，所述第一距離為0.05mm或更大；所述第二距離為0.15mm或更大。
8.一種制造火花塞的方法，包括提供陶瓷絕緣子，所述陶瓷絕緣子具有具有臺階狀外表面的前部、外徑比所述前部大的中部、外徑比所述中部小的后部、以及在所述中部和后部之間限定的肩部，所述陶瓷絕緣子的所述中部和后部的外徑之差為1.8mm或更?。粚⒅行碾姌O固定在所述陶瓷絕緣子中；將所述陶瓷絕緣子插入金屬殼中，使所述陶瓷絕緣子的臺階狀外表面靠著所述金屬殼的徑向向內(nèi)突出部；以及將所述金屬殼的后端部以如下方式彎邊到所述陶瓷絕緣子的所述肩部上在彎邊殼部的徑向最內(nèi)點與所述陶瓷絕緣子徑向間隔開且與所述絕緣子肩部軸向間隔開的狀態(tài)下，所述彎邊殼部的內(nèi)周面具有與所述絕緣子肩部保持接觸的區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括在所述彎邊過程中，使所述彎邊殼部和所述絕緣子肩部滿足關(guān)系0.5≤(§A+§B)/§C和0.25≤§A/§C≤0.6，其中，當(dāng)從通過所述火花塞的軸線和所述彎邊殼部的徑向最內(nèi)點的截面看時，§A是從所述陶瓷絕緣子的所述中部的外母線到通過所述區(qū)域的徑向最內(nèi)點平行于所述火花塞軸線地延伸的第一假想線之間的徑向距離；§B是從所述第一假想線到通過所述彎邊殼部的徑向最內(nèi)點平行于所述火花塞軸線地延伸的第二假想線之間的徑向距離；§C是所述陶瓷絕緣子的所述中部和后部的外半徑之差。
全文摘要
一種火花塞，設(shè)有金屬殼和在其內(nèi)支撐中心電極的陶瓷絕緣子。該陶瓷絕緣子包括具有臺階狀外表面的前部；中部；后部；以及在中部與后部之間限定的肩部。陶瓷絕緣子的中部和后部的外徑差為1.8mm或更小。金屬殼包括徑向向內(nèi)的突出部，用于將陶瓷絕緣子的臺階狀外表面保持在金屬殼上；以及后端部，其彎邊到陶瓷絕緣子肩部上。在彎邊殼部的徑向最內(nèi)點與陶瓷絕緣子徑向間隔開并與絕緣子肩部軸向間隔開的狀態(tài)下，彎邊殼部的內(nèi)周面具有與絕緣子肩部保持接觸的區(qū)域。
文檔編號H01T13/20GK1925241SQ20061012772
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者森部真衣, 鈴木彰 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會社