واژه ها و اصطلاحات به کار برده شده برای اجزاء تشکیل دهنده سوپاپ ها در شکل نشان داده شده است.




























اندازه:
اندازه :
ضخامت t دیسک سوپاپ (سر سوپاپ) می تواند از رابطه ی زیر اندازه گیری شود:

برای دیسک های چدنی و تنش مورد قبول S ممکن است تا
بدست آید.
برای فولاد وS برای فولاد کربنی و برای فولادهای آلیاژی تا برای کم کردن وزن ، ضخامت t ممکن است تا 0.65t کم شود.
طرح ریزی عرض نشیمن ،ممکناست از وضعیت چگونگی تحمل کردن تنش در طول انفجار (که نباید از حد تحمل سوپاپ متجاوز شود)به دست آید.

که میتواند تا بدست آید.عرضb ممکن است همچنین از یک فرمول تجربی 0.07 تا 0.05 بدست آید.
قطر ساقه ی سوپاپ میتواند تقریبا in بدست آید.
با تنش فشارهای در ساقه سوپاپ خروجی باید موقعی که سوپاپ باز است مقابله شود و فشار سیلندر در این لحظه از دیاگرام اندازه گیری گاز بدست می آید که شاید در حدود 50 تا 60 psi باشد.



فولاد سوپاپ موتور طبق ترکیبات شیمیایی ،خواص و زمینه ی مصرف به 3 دسته تقسیم می شود:
- فولاد "مارتنسیتیک" که شامل کروم سیلیس آلیاژ فولادی می باشد، عمدتا جهت سوپاپ های هوای تحت فشار زیاد و سوپاپ های دود تحت فشار کم و متوسط بکار می رود.
- فولاد "استنیتیک" که شامل کروم نیکل – کروم منگنز نیکل آلیاژ فولادی می باشد، جهت سوپاپ های دود و تحت فشار حد متوسط تا بسیار زیاد و سوپاپ های هوا تحت فشار بسیار زیاد بکار گرفته می شود.این فولاد قادر خواهد بود حرارت های بسیار زیاد را با اضافه کردن یکی از فلزات زیر تحمل کند:
ازت،تنکستن،مولبدنیوم،وانا دیوم،نوبیوم.
- "آلیاژ نیکل مقاومت کننده کریپ" جهت سوپاپ های دود تحت فشار بسیار زیاد از قبیل سوپاپ های هواپیما،اتومبیل های مسابقات و موتورهای دیزل بکار می رود.










برای تولید سوپاپ به عملیات های زیر نیازمندیم:
1-برش مفتول به اندازه ی لازم
2-جوش القایی(برای سوپاپ های دو جنسی) و برداشت اضافات جوش
3-فورجینگ
4-جوش استلایت:Satellite Welding
5-تراشکاری سوپاپ
6-شات پینینگ:Shot Peening
7-شستشو:Washing
8-اندازه گیری سطح مقطع ماشین کاری شده
9-عملیات حرارتی
10-سختکاری القایی
11-همراستا کردن
12-سنگ زنی سوپاپ
13-شستشوی مجدد
14-اندازه گیری مقاطع ماشین کاری شده
15-مارک زنی
16-آبکاری کروم
17-نیتروکربوریزه کردن
18-تمام کاری ویژه:Super Finishing
19-شستشو و روغن کاری وبسته بندی

1-برش مفتول:
برش مفتول می تواند به شیوه های گوناگون صورت بگیردکه هرکدام از روش ها که کمترین مقدار هدر رفتن ماده خام و سرعت انجام کار بالا را داشته باشد مناسب است.برای برش مفتول باید اندازه های زیر را در نظر گرفت:
1-1-برش مفتول به اندازه ی ساق سوپاپ
2-1- برش مفتول برای ساخت سر سوپاپ
3-1- فضا برای جوشکاری
2-جوش القایی
برای ساخت سوپاپ هایی که می خواهیم ساق سوپاپ و سر سوپاپ از دو جنس مختلف باشند از جوشکاری القایی استفاده می کنیم.
یک سوپاپ دود بزرگ مثل سوپاپ موتورهای دیزل به وسیله ی جوش القایی ساخته می شود.قسمت سر از آلیاژهای گرم کار و ساقه از فولادهای کم آلیاژی ساخته می شود.سر سوپاپ فورج شده از فولادی شبیه (12 Ni -21 Cr) و ساقه ی آن می تواند از فولادی مثل 4140H ساخته شود.




بعد از جوشکاری باید اضافات جوشکاری برداشته و ماشینکاری شود.
3-فورجینگ
فورج یکی از اقسام تولید و فرم مواد است که شامل تجهیزات پروسه های مختلفی است.قطعات می توانند هم به صورت سرد و هم به صورت گرم بوسیله ی ماشین های با سرعت بالا ومخصوص که می توانند قطعه کار را سریعا از ایستگاهی به ایستگاهی دیگر منتقل می کنند فورج شوند.
شکل زیر مراحل فورج یک سوپاپ را نشان می دهد.














4-جوش استلایت : Satellite Welding
جوش استلایت یکی از روش های خاص برای بهبود مقاومت سایشی سوپاپ در حرارت های بالا است.این شیوه نیز جزء خط تولید سوپاپ محسوب نمی شود. اما کارخانجات مصرف کننده ممکن است به صورت سفارش ، خواستار انجام این عملیات بر روی سوپاپ بشوند.ترکیبات سرب محلول در بنزین با رسوب بر روی نشیمن سوپاپ های دود ، موجب خوردگی و نهایتا از بین رفتن سوپاپ می گردند. به همین دلیل محققان به دنبال آلیاژی بودند که نشیمن سوپاپ را از آن جنس بسازند تا در مقابل حرارت و مواد رسوبی مقاومت کند.با پیدایش سوپر آلیاژها،محققان اتومبیل سازی به جواب مسئله ی خود رسیده بودنذ.
برای استلایت کردن نشیمن سوپاپ شاید بهترین کار جوشکاری با گاز خنثی آرگون و توسط فلز فیلر (Filler) استلایت باشد. به این ترتیب که ابتدا شیار کم عمقی بر روی نشیمن سوپاپ به وجود می آورند و سپس این شیار را توسط جوشکاری آرگون و استلایت F پر می کنند. به این ترتیب برآمدگی کوچکی بر روی نشیمن در اثر جوشکاری به وجود می آید . این برآمدگی نهایتا توسط سنگ زنی، با دستگاه های معمولی و سنتی و یا توسط شیوه مدرن QUICK POINT، از بین برده می شود.نتیجه کار، سوپاپی است از جنس فولاد اوستینته با نشیمن استلایتی که این امر موجب چندین برابر شدن عمر سوپاپ دود مورد نظر می شود.





5- تراشکاری سر سوپاپ :Turning head profile
سوپاپ ابتدا از طرف ساق ، در فیکسچرهای مخصوص بسته بندی می شود و ابتدا سر سوپاپ ، دور تراشی می گردد. بعد از آن کف سوپاپ پیشانی تراشی می شود و مقدار بار اضافی کف و نا صافی ها و نا هم سطحی ها از بین می رود. تراشکاری سر سوپاپ توسط سه ماشین تراش صورت می گیرد.
1- دور تراش : که قطر سر سوپاپ را به اندازه نقشه می رساند و لب سوپاپ را ایجاد می کند.
2- کف تراش : همان طور که توضیح داده شد ، بار اضافی را از طول و از قسمت سر بر می دارد.
3- کپی تراش : در این قسمت توسط نمونه ای که از قسمت کنترل کیفی کارخانه خواهد آمد ، قسمت نشیمن و پخ کوچک ته سوپاپ را ایجاد می کند.
همان طور که بعدا توضیح داده خواهد شد ، ممکن است عملیات تراشکاری و سنگ زنی سوپاپ بعد از عملیات حرارتی انجام شود. در این مرحله کلیه ی عملیات تراشکاری ساق و سر سوپاپ زیر انجام خواهد شد.
سوپاپ ابتدا سر و ته زنی می شوند و بار اضافی طول برداشته می شود و یک سنگ زنی ابتدایی بر روی سوپاپ انجام می شود. و سپس دور تراشی سر سوپاپ انجام خواهد شد . بعد از آن قسمت ساق سوپاپ در دستگاه شیار زنی ، قرار می گیرد و شیار ته سوپاپ به وجود می آید . همراه با انجام این عمل ، پخ پیشانی سوپاپ نیز تراشکاری می گردد. و سپس بار اضافی کف سوپاپ برداشته و قسمت نشیمن سوپاپ با کپی تراش به وجود می آید.
بعد از این مرحله ، سوپاپ ها به قسمت center less می روند که در این مرحله ساق سوپاپ تراشکاری شده (طبق ابعاد نقشه) و هم محور با محور سر سوپاپ می شود.
به این صورت که در مرحله اول 0.1 میلیمتر بار اضافی به صورت خشن کاری برداشته می شود این 0.1 میلیمتر بار به دلیل حذف خسارت احتمالی ناشی از مراحل قبل روی سوپاپ است. در تراش دوم 0.05 میلیمتر بار به صورت ظریف کاری برداشته می شود. در این حالت هنوز 0.05 میلیمتردیگر باراضافی موجود است که در تراش سوم و با CNC این مقدار بار برداشته می شود و سر سوپاپ یک بار دیگر سنگ زنی می شود . البته بعد از تراش دوم یک مرحله سیت زنی (Seat)توسط دستگاه CNC نیز انجام می شود . که برای رساندن اندازه قطعه به اندازه نقشه است.

9- شات پینینگ : Shot Peening .
یک متد کار سرد است که تنش های فشاری ایجاد شده در سطح خارجی مواد فلزی به وسیله ی پرتاب تعداد زیادی گلوله ، آزاد می شوند . بهترین فایده شات پینینگ ، افزایش مقاومت شکست آن ها ست. این پروسه دارای کاربردهای مفید دیگری نیز هست. از قبیل آزاد کردن تنش های کششی که به ایجاد ترک ها کمک می کند ، مستقیم کردن قطعات فلزی و ...
عمل فشردگی (Peening Action) .
موقعی که ذرات خاص ، با یک سرعت بسیار بالا تشکیل می شوند و به سطح فلز بر خورد می کنند ، آن ها تولید تورفتگی های گردی در سطح می کنند ، بنا براین این امر باعث وجود یک کشش و یک جریان پلاستیکی در سطح فلز می گردد.
عمق این اثر ها ، در حدود 0.005 تا 0.01 اینچ زیر سطح قطعه کار است . لایه های زیرین فلز تحت تغییر فرم پلاستیک قرار نمی گیرند. بعد از عمل پرتاب گلوله ها فلز سطح دارای فشارهای باقی مانده موازی سطح فلز هستند در حالی که لایه های پایین تر هنوز تحت کشش اند.
تنش های فشاری سطح ، ممکن است چندین برار تنش های کششی لایه های پایین تر باشند. این تنش های فشاری کششی ، جابجا و جبران می شوند (متعادل می شوند). این عمل تمام تنش های روی سطح که توسط ماشینکاری ، سنگ زنی یا عملیات حرارتی به وجود آمده است را از بین می برد.

7- شستشو : Washing
در این رابطه نیز ، امر مهم و حائز اهمیتی وجود ندارد و به توضیح این بخش نمی پردازیم .
شستشو برای پاک کردن چربی ها ، روغن ها و کثافات ناشی از عملیات مختلف انجام می شود ، تا برای قسمت اندازه گیری سوپاپ ها تمیز باشند .

8- اندازه گیری سطح مقطع ماشینکاری شده : Measuring machined section
این بخش مربوط به کنترل کیفی سوپاپ ها می شود ودر جزء خط تولید سوپاپ قرار نمی گیرد .
اما با توجه به اهمیتی که کنترل ابعاد و کیفیت در ساخت و تولید قطعات وجود د ارد به موارد انداره گیری شده نحوه ی اندازه گیری آن ها اشاراتی می کنیم. تست های کنترل کیفی از قبیل بازرسی و آزمون در ایستگاه های برش مفتول ، ایستگاه پرس ، برش سوپاپ ، آزمون عملیات حرارتی ، جوش مقاومتی ، سخت کاری القایی ، سنگ زنی ، تراش کاری و ... می باشند .




9- عملیات حرارتی : Heat treat
در مورد جزئیات عملیات حرارتی به دلیل آشنایی تمام مهندسین با علم مواد و عملیات حرارتی به توضیحات مفصل نمی پردازیم . در این مورد ، فقط به ذکر چند مورد مهم خواهیم پرداخت .
فولاد اوستنیته (Oustenite) که در ساخت اغلب سوپاپ ها (مخصوصا سوپاپ دود) به کار می رود ، فولادی است با 8% نیکل و18% کروم و ساختمان کریستالی FCC که پارا مغناطیس است و بسیار مقاوم در برابر حرا رت . این فولاد دارای مقاومت کششی بیشتر از است و توسط عملیات حرارتی هیچ گونه سختی در آن به وجود نمی آید و فقط در بهتر کردن مقاومت کششی آن موثر خواهد بود.
دیاگرام تعادلی این نوع فولاد ، دارای فاز اوستنیته بسیار وسیعی است به طوری که این فاز تا دمای محیط نیز ادامه دارد . به همین دلیل در اثر عملیات حرارتی ، و کوینچ ، دمای این فولاد همیشه در منطقه اوستنیته باقی خواهد ماند و هیچ گونه سختی حادث نخواهد شد . سوپاپ ها ی دود در دمای 1200 درجه سانتیگراد و در حدود 45 دقیقه در کوره های القایی مانده و سپس در آب کوینچ می شوند و سوپاپ ها ی هوا به مدت 1 ساعت در دمای 450 درجه سانتیگراد در کوره مانده و در هوا نرمالیزه می گردد . البته همان طور که بعدا نیز گفته خواهد شد ، برای سخت کردن سوپاپ ها ی هوا ، آن ها را به شیوه ی القایی سختکاری سطحی می کنند .





10 – سختکاری القایی : Induction Hardening
همان طور که قبلا نیز اشاره شده ، فولاد های اوستنیته که برای تولید سوپاپ ، به خصوص سوپاپ دود استفاده می شود ، به وسیله ی حرارت دهی و کونچ ، سخت تر نمی شوند و این امر فقط مقاومت کششی آن ها را افزایش می دهد . و چون سوپاپ ها ی هوا از جنس نرم تری نسبت به سوپاپ ها ی دود برخوردار هستند ساق سوپاپ (انتهای ساق) دائما در تماس با اسبک ها هستند و باید دارای مقاومت سایشی بالایی نیز باشند و به شیوه ی سخت کاری القایی انتهای ساق را سخت تر می کنندتا طول عمر بیشتری را (از لحاظ مقاومت سایشی ) دارا شوند . حال این که این عمل یه چه صورت اجرا می شود و جزئیات آن چیست ، به توضیحاتی در این رابطه می پردازیم .
حرارت برای سختکاری یک فولاد یا چدن ممکن است در خود قطعه به وسیله ی القای الکترو مغناطیسی ، تولید شود . هر رسانای الکتریکی می تواند به وسیله ی القای الکترو مغناطیسی گرم شود . قدرت میدان مغناطیسی به وجود آمده در کویل در درجه اول وابسته است به بزرگی فلوی جریان در کویل . بنابراین جریان مغناطیسی تولید شده به یک پتانسیل الکتریکی در قطعه تبدیل می شود . و زمانی که قطعه در این مدار بسته قرار می گیرد ، ولتاژ القایی باعث فلوی جریان می گردد . مقاومت قطعه در برابر این فلو باعث گرم شدن آن طبق رابطه ی می گردد.




11- همراستا کردن :Straightening
این عمل برای از بین بردن اعوجاج و کجی های ساق سوپاپ و همراستا کردن ساق و سر سوپاپ ، انجام می شود .
روش عمل به این صورت است که دو غلتک مارپیچی و حلزونی بزرگ به شکل تیغ چرخ گوشتی که به اندازه ی قطر ساق سوپاپ از همدیگر فاصله دارد و موازی یکدیگرند ، وجود دارد . سوپاپ از ناحیه ی ساق در بین این دو غلتک قرار می گیرد و با چرخیدن غلتک ها به روی ساق سوپاپ آن را صاف و همراستا می کند. در حین چرخیدن غلتک ها نیروی کمی نیز به وسیله ی کم شدن فاصله ی دو غلتک به ساق وارد می شود که این باعث صاف کردن آن می گردد.

12- سنگ زنی انتهای ساق ، سنگ زنی پخ سر سوپاپ ، سنگ زنی خشن ساق و سنگ زنی نهایی کلیه ی سوپاپ :Grimd stem end ,Grimd dish champfer , Rough grind stem , Finish grind complete valve
مراحل بالا می تواند به دو صورت برای تکمیل ساخت سوپاپ انجام شود .
روش اول ، روش سنتی و استفاده از دستگاههای موجود است ، یعنی استفاده از ماشین های تراش اتوماتیک (حتی CNC) و دستگاه های سنگ زنی گردد.
و اما در روش دوم از یک تکنیک پیشرفته و بسیار مدرن با سرعت و دقت بسیار بالا ، به نام QUICKPOINT استفاده می شود .



13- شستشو : Washing
14- اندازه گیری مقاطع ماشینکاری شده.
در این مرحله باید کلیه ی اندازه ها هم از نظر ابعادی و هم از نظر هندسی کنترل شود .




15- مارک زنی : Marking
انجام چاپ و یا حک مارک بر روی سوپاپ توسط دستگاه ها و شیوه های خاص صورت می گیرد که مورد بحث این پروژه نیست .
16- آبکاری کروم : Hard chromating
بسته به سفارش کارخانجات مصرف کننده ی سوپاپ ، ممکن است بعضی از سوپاپ ها مثل ، سوپاپ دود پژو به وسیله ی کروم آبکاری می شود . این امر در ایجاد یک سطح مقاوم و براق بر روی سوپاپ موثر است . آبکاری کروم بیشتر برای سوپاپ هایی از جنس فولاد اوستنیته به کار می رود که در جریان تولید تحت عملیات حرارتی قرار نمی گیرد .
17- نیتروکربوریزه : Nitrocarborizing
نیتروکربوریزه ، یک عملیات سختکاری سطح است که معمولا برای سوپاپ هایی است که از جنس فولاد های اوستنیته نیستند و سختی آن ها در مقایسه با آن ها کمتر است . هرچند این فولاد ها معمولا عملیات حرارتی نیز می شوند . ولی بهتر است برای تولید یک لایه سخت و مقاوم (مخصوصا در برابر حرارت) تحت عمل سخت کردن سطح قرار بگیرد .
روش های سخت کردن سطح فولاد ها شامل موارد زیر است :
1- کربوریزه کردن
2- نیتروژه کردن
3- کربونیتروزه کردن .
18- تمام کاری ویژه : Super Finishing
افزایش در قیمت سوخت و لزوم کاهش در محیط تراکم ، توسعه ی بیشتر در حد اکثر استفاده از سوخت در موتور را واجب کرده است .
وابسته بودن موتورهای دیزل و جرقه ایی به این موضوع ، تلاش قابل ملاحظه ای را در به دست آوردن کیفیت بالا در آب بندی سطح های عمل نتیجه داده است .
تمام کاری ویژه موارد اقتصادی زیر را به همراه دارد :
- افزایش خاصیت حرکت
- کاهش در سر و صدا
- کاهش قیمت انرژی
- کاهش شکست
در این خصوص به عنوان مثال : فشارهای بالاتر از 2000 بار (در حدود 29000 psi) می توانند با سیستم های تزریق سوخت در موتورهای دیزلی را با روش تمام کاری ویژه به دست آورد.
ماشین های تمام کاری ویژه ، تقریبا برای همه ی قطعات ساخته شده در موتور و ، واحدهای نیرو به کار می رود.
تمام کاری ویژه سوپاپ :
- تولید لایه های مرزی فلزی عالی
- زبری سطح عالی
- بهبود موازی بودن پروفیل ساق
- بهبود استوانه ایی و مدور بودن ساق
- خراب نکردن راهنمای ساق سوپاپ
- انجام پروسه برای فولادها و سرامیک ها
قطعه کار توسط دو غلتک حمایت می شود و با وسیله ی یک چرخ هم محور با آن می چرخد . در یک موقعیت کاری یکسان ، قطعه کار چندین بار ماشینکاری می شود تا به حد نهایی و تمام کاری برسد. سرعت دوران چرخ و غلتک های حمایت کننده با سرعت بسیار زیاد می چرخند و توسط یک سوئیچ در طول انجام عملیات این سرعت کنترل می شود . سنگ استفاده شده در تمام کاری ویژه به صورت نیوماتیکی پیشروی می کند .
در شکل ، نحوه ی قرار گرفتن سوپاپ در دستگاه ، چگونگی حمایت شدن آن توسط غلتک ها و دیاگرام زبری سنجی آن مشخص شده است.
19-شستشو و روغنکاری و بسته بندی :
در مرحله آخر سوپاپ ها کاملا شسته و تمیز شده ، روغنکاری شده و به صورت تک تک بسته بندی می شوند و بسته به نیاز بازار در بسته های 4 تایی ، 6 تایی ، 8 تایی ، 12 تایی ، 16 تایی بسته بندی می شوند .


منابع و مآخذ :
1- مواد و فرآیند های تولید ارنست پل دگارمو
ترجمه دکتر علی حائریان
مهندس یحیی مرتضوی

2- تکنولوژی جوشکاری امیر حسین کوکبی
3- Forging Handbook
4- Introduction to Physical Metallurgy
5- Journal of Manufacturing Science and engineering
6- Journal of metals February 1983 –K.C.ANTONY
7- International combustion engines
8- Metals Handbook vol . 2, 3,4,5,6
9- Metals and Processes in manufacturing
10- Manufacturing Review vol. 6 NO .1
11- Poppet valve
12- Suoer alloys, A Technical Guide Elihu. F .Bradly