CN102451889A - 砂模铸造带有铸态凹角的燃烧碗状物的柴油机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及砂模铸造带有铸态凹角的燃烧碗状物的柴油机活塞。一种柴油机活塞和制造该活塞的方法。该方法包括铸造带有复杂几何形状的活塞，包括底切特征。该铸造使用骨料一次性铸模，该铸模可从铸态零件移除。在一种形式中，复杂的几何形状包括形成在活塞圆顶中的底切燃烧碗状物，而在另一种形式中，其可包括内部冷却通道。底切碗状物和内部通道可使用骨料一次性铸模来生产。

Description

砂模铸造带有铸态凹角的燃烧碗状物的柴油机活塞

相关案的说明

本申请要求2010年10月22日提交的、名称为“砂模铸造带有铸态凹角的燃烧碗状物的柴油机活塞”的临时申请61/405739的权益，该临时申请通过参考并入本文。

技术领域

本发明总体涉及铸造发动机部件的装置和方法，并且更具体地涉及带有复杂特征的先进的双金属活塞和其铸造方法。

背景技术

在内燃机中使用的活塞通常由头部（也称作圆顶）、裙部、一个或多个环槽、和环槽之间的环槽脊构成。更加严格的排放和效率要求规定未来活塞将需要在更接近化学当量的条件下、更高的气缸压力下和更紧的封装体制下运行，这进而将使更高的部件负载和运行温度状况成为必然。这对用于柴油发动机中的活塞来说尤其如此，柴油发动机除了作为大型、商用车辆的主流发动机形式外，还被日益广泛地用于为载客车辆提供动力。同样，需要开发更加先进的圆顶设计来实现更加彻底、高效的燃烧过程，这愈加提高了燃烧室内的温度。这些先进的圆顶设计，由于它们的三维（3D）轮廓，要求更加复杂的铸模形状，这增加了铸造这些活塞的难度，或使得必须采用过度的机加工来实现期望的圆顶几何形状。

更高的运行温度要求使用能在这些状况下运行的材料。冷却方案已被用作提高活塞和相关的高温部件的寿命的方式。实现冷却的一种方法是使已经存在的发动机冷却剂穿过形成在活塞中的通道。用于圆顶直接暴露给燃烧过程，所以冷却该圆顶会有显著的益处。然而，添加冷却通路进一步增加了铸造活塞的难度。

传统的可长期使用的形式的铸造，例如永久铸模铸造，不能很好地适用于形成复杂的形状。特别地，该铸模的永久本质，结合在一些形状（例如上面讨论的3D圆顶形状）中出现的凹角区域，限制了在铸造件被固化后就缩回该零件的能力。结果，需要对该铸造机进行大量的机加工来产生复杂的形状。这种额外的机加工是永久铸模铸造方法的复杂性和成本的原因之一。由于永久铸模铸造，零件质量还可能变差。冒口的存在可能影响活塞的微结构和可实现的晶粒细化的量。例如，大冒口的相对大的热质量往往减慢铸造部件的固化，而快速冷却和伴随的改进的机械性质（如被较小的二次枝晶间距（SDAS）的存在所证实的）通常是期望的。在将浇口内位置与冒口侧相比时，机械性质会有多达20％的差异。

图1示出了铸态活塞的俯视图的一个实施例。图2示出了机加工后的活塞的立体图，清晰地证实了产生所述圆顶所需要的大量的机加工。

为了克服永久铸模铸造的形状限制，可采用其它方法，包括各种不同形式的可消耗铸模铸造，例如熔模（或失蜡）铸造、砂模铸造等。砂模铸造方法的一个变型，已知为盐芯铸造，采用与砂模铸造大体相似的技术，除了将水溶性盐用于内部铸模几何形状，而不是用湿砂或干砂。一旦零件被制成，可用水将盐铸模冲走，无需使该零件经历任何额外的热载荷。盐芯铸造具有存储和处理的问题，这减弱了它的吸引力。

另一已被用于建造铸态圆顶的方法是半永久铸模铸造。这种方法仍要求燃烧碗状物被机加工。和上面讨论的永久铸模铸造一样，仍要求冒口显著地离开圆顶。另外，更高的输出（即，高性能）活塞还可要求碗状物边沿再熔化。这些额外的工艺显著地增加了活塞的成本。这对于再熔化作业和碗状物机加工的成本来说尤其如此，并且对于被构造为在高温度和高压力状况下运行的活塞（例如高输出柴油机活塞）来说更是如此。这种活塞可运行在约200巴气缸压力和约400摄氏度下，并且包含在甚至更显著的成本影响下使用钢锻件。

发明内容

本发明的一方面是制造柴油机活塞的方法。在一个实施例中，该方法包括提供用于活塞的模型，该模型包括圆顶和凹角的碗状物；在该模型周围形成活塞铸模，所述铸模包括骨料材料和结合剂；从所述活塞铸模去除所述模型；将熔融金属引入所述活塞铸模；用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模并去除结合剂和骨料；冷却所述熔融金属；并且固化所述熔融金属以形成带有圆顶和凹角的碗状物的活塞而无需铸造后的处理。

本发明还提供了如下方案：

方案1.一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于该活塞的模型，该模型包括圆顶和凹角的碗状物；

在该模型周围形成活塞铸模，该铸模包括骨料材料和结合剂；

从该活塞铸模去除所述模型；

将熔融金属引入所述活塞铸模；

用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和骨料；

冷却所述熔融金属；和

将所述熔融金属固化以形成带有所述圆顶和所述凹角的碗状物的活塞，而无需铸造后的处理。

方案2.如方案1所述的方法，其中所述结合剂是水溶性的，并且其中所述溶剂是水。

方案3.如方案1所述的方法，其中冷却所述熔融金属和固化所述熔融金属是单独受控的。

方案4.如方案3所述的方法，其中冷却所述熔融金属和固化所述熔融金属是通过在其它区域之前将所述溶剂应用到所述活塞的一个区域上或通过向活塞的不同区域应用不同量的溶剂而单独受控的。

方案5.如方案1所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球、或它们的各种组合。

方案6.如方案1所述的方法，其中冷却所述熔融金属包括用溶剂接触所述熔融金属周围的固化金属壳。

方案7.如方案1所述的方法，还包括：

提供用于内部冷却通道的铸模，用于所述内部冷却通道的所述铸模包括第二骨料材料和第二结合剂；

在将所述熔融金属引入到所述活塞铸模内前，将用于所述内部冷却通道的所述铸模放置在所述活塞铸模中；和

用所述第二结合剂的溶剂接触用于所述内部冷却通道的所述铸模并去除所述第二结合剂和第二骨料。

方案8.如方案6所述的方法，其中所述第二骨料材料和第二结合剂与用于所述活塞铸模的骨料材料和结合剂相同。

方案9.如方案1所述的方法，其中用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模包括用所述溶剂喷洒所述活塞铸模。

方案10.一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于该活塞的模型，该模型包括圆顶和凹角的碗状物；

在该模型周围形成活塞铸模，该铸模包括骨料材料和水溶性结合剂；

从该活塞铸模去除所述模型；

将熔融金属引入所述活塞铸模；

用水接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和骨料；

冷却所述熔融金属；和

将所述熔融金属固化以形成带有所述圆顶和所述凹角的碗状物的活塞，而无需铸造后的处理。

方案11.如方案10所述的方法，其中冷却所述熔融金属和固化所述熔融金属是单独受控的。

方案12.如方案11所述的方法，其中冷却所述熔融金属和固化所述熔融金属是通过在其它区域之前将水应用到所述活塞的一个区域上或通过向活塞的不同区域应用不同量的水而单独受控的。

方案13.如方案10所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球、或它们的各种组合。

方案14.如方案10所述的方法，其中冷却所述熔融金属包括用水接触所述熔融金属周围的固化金属壳。

方案15.如方案10所述的方法，还包括：

提供用于内部冷却通道的铸模，用于所述内部冷却通道的所述铸模包括第二骨料材料和第二结合剂；

在将所述熔融金属引入到所述活塞铸模内前，将用于所述内部冷却通道的所述铸模放置在所述活塞铸模中；和

用所述第二结合剂的溶剂接触用于所述内部冷却通道的所述铸模并去除所述第二结合剂和第二骨料。

方案16.如方案15所述的方法，其中所述第二骨料材料和第二结合剂与用于所述活塞铸模的骨料材料和结合剂相同。

方案17.如方案10所述的方法，其中用水接触所述活塞铸模包括用水喷洒所述活塞铸模。

附图说明

当结合下列附图阅读时，能最佳地理解下面对具体实施例的详细描述，其中相同的结构用相同的参考标记指示，其中：

图1是处于当前的铸态状况下的本发明的柴油机活塞的俯视图，其中圆顶完全由铸造完成，示出了过度的冒口；和

图2是在最终的机加工后的图1的柴油机活塞的立体图。

具体实施方式

消融铸造方法可用于生产带有包括铸态凹角碗状物的圆顶和任选的内部冷却通道的活塞。消融铸造使用无机（即，水溶性）型芯，并且水被喷洒到铸模上，铸模慢慢被冲走（因此术语“消融”），从而快速地冷却铸造件。快速冷却产生了改进的机械性质。消融铸造允许产生带有精细固化微结构的复杂零件。水的应用允许彼此独立地控制部件的固化和冷却（例如，通过在其它区域之前将水应用到铸造件的特定区域或者通过向不同的区域应用不同量的水）。通过提供为实现整个剖面的更高机械性质（例如在室温和高温下的拉伸性质和疲劳性质）经常所需要的高固化速率和改善的微结构，消融铸造允许形成复杂的零件，例如那些兼有薄和厚剖面的零件，以及带有复杂的内芯的零件。整个剖面的性质比那些用碗状物边沿再熔化制造的零件更优，碗状物边沿再熔化仅在表面下微小的深度程度上（例如，几毫米）提供期望的精细微结构。

消融铸造工艺大体在美国专利7121318中被描述，该专利通过参考并入本文。由材料形成模型，并且围绕该模型的至少一部分形成铸模。该铸模由骨料材料和结合剂构成。从该铸模去除该模型，并且然后将熔融金属引入到该铸模内。用溶剂接触该铸模，并且使所述熔融金属冷却，使得该熔融金属至少部分地固化以形成铸造件。冷却步骤包括用溶剂接触熔融金属周围的固化金属壳。

消融铸造通常还没有被用于铸造柴油机活塞，并且更不用说带有凹角的碗状物的柴油机活塞。

美国专利7164963、7618823和7225049描述了消失模铸造（lost foam casting）（消融铸造的一种类型）的分析方法，每一个上述专利都通过参考并入本文。

消融铸造的使用提供了铸造带有近净形圆顶的活塞而无需其它工艺所要求的显著的铸造后处理和/或机加工的可能性。因此，圆顶和燃烧碗状物可被同时铸造。在一个特别的形式中，凹角的碗状物和内部通道将借助骨料一次性铸模来生产，可利用浇铸模具中的可缩回的工具通过传统的型芯技术产生该骨料一次性铸模。在当前的背景下，浇铸介质的骨料形式包括，但不限于，硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球等。

与本发明相关联的益处包括，但不限于，下列中的一项或多项：减少的机加工成本、用于改进机械性质的改善的铸态微结构、利用砂（或相关的）浇铸工艺来专门制造圆顶中的凹角区域、减小铸造件重量、和消除对内部盐芯的需要。传统的盐芯可被与活塞铸模相同材料的骨料芯代替。

在一种形式中，砂模铸造可被用于生产本发明的活塞。该工艺将大大减少通常与永久铸模铸造一起使用的大而重的冒口，从而导致了改进的材料产出。而且，消融铸造本身固有的高冷却速率使得更容易使该工艺适合实现带有改进的材料性质的改善的微结构。这些改进的材料性质会提供作为整体来说更强的活塞，以及连续地通过严格的气缸垫有效性测试所需的活塞碗状物边沿强度（无需必须再熔化该区域）。

在一个具体形式中，该铸模可由型砂制成，该型砂能用于消融铸造，使得能容易地且低成本地制造复杂的圆顶形状，包括那些带有底切和内部冷却通道特征的。如此，型砂铸模可用作消融工艺的一部分。

改进的材料产出可通过消除经常被用作永久铸模铸造操作的一部分的大冒口来实现。特别地，通过使用消融铸造方法，固有的高冷却速率能允许活塞被形成为具有均匀的微结构和相关的结构性质。

除了更精细的微结构和增强的活塞性质以外，使用消融工艺允许更精细得多的细节被铸造在零件中，包括错综的冷却通路。该工艺减少或消除了对在圆顶周围区域中的铸造后机加工的需要，尤其是当它和凹角区域相关时。因为消融铸造是生产完备的，所以扩大规模以制造大量的活塞或相关的部件相对来说是简单的。可采用骨料一次性铸模来允许活塞圆顶的燃烧碗状物和润滑冷却油通道被形成为铸造件的一部分。

将消融铸造用于柴油机活塞有助于通过减少或消除对昂贵的二次铸造后处理（例如机加工或再熔化）的需要而实现显著的微结构改善。在期望改善的微结构的情况中，例如碗状物边缘或活塞的其它复杂3D区域，可局部地（在圆顶凹角区域中）进行钨极惰性气体（TIG）或激光再熔化。后续的机加工，例如用以产生碗状物边缘的适当形状，可被类似地减少或消除。

本发明利用了消融铸造工艺来消除对活塞圆顶处的大冒口的需求。更加快速且均匀地冷却圆顶的能力会增强机械性质。特别地，一次性骨料铸模会允许燃烧碗状物以铸态形成。而且，骨料铸模材料还可被用于形成顶部环槽后面的油通道，从而消除了对盐芯的需要。这额外地允许了活塞的快速原型设计，这可改进总体的开发测试。

应当注意的是，如“优选地”、“一般地”和“通常地”这样的术语在本文中不是用于限制所要求保护的发明的范围或用于暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能来说是关键的、必要的、或者甚至重要的。相反，这些术语仅仅用于强调替换的或附加的特征，这些特征可以被用于或可以不被用于本发明的具体实施例中。

为了描述和定义本发明的目的，应当注意到，术语“装置”在本文中被用来代表部件的组合和单独的多个部件，无论这些部件是否与其它部件组合。例如，根据本发明的“装置”可包括电化学转换组件或燃料电池、包括根据本发明的电化学转换组件的车辆等。

为了描述和定义本发明的目的，应当注意到，术语“基本上”在本文中被用于表示固有的不确定度，这个不确定度可归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。术语“基本上”在本文中还被用于表示一种程度，定量的表示可从所述的参考点在该程度上变化而不会导致所讨论的主题的基本功能的变化。

虽然已经为说明本发明的目的示出了某些代表性的实施例和细节，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (10)

1.一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于该活塞的模型，该模型包括圆顶和凹角的碗状物；

在该模型周围形成活塞铸模，该铸模包括骨料材料和结合剂；

从该活塞铸模去除所述模型；

将熔融金属引入所述活塞铸模；

用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和骨料；

冷却所述熔融金属；和

将所述熔融金属固化以形成带有所述圆顶和所述凹角的碗状物的活塞，而无需铸造后的处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述结合剂是水溶性的，并且其中所述溶剂是水。

3.如权利要求1所述的方法，其中冷却所述熔融金属和固化所述熔融金属是单独受控的。

4.如权利要求3所述的方法，其中冷却所述熔融金属和固化所述熔融金属是通过在其它区域之前将所述溶剂应用到所述活塞的一个区域上或通过向活塞的不同区域应用不同量的溶剂而单独受控的。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球、或它们的各种组合。

6.如权利要求1所述的方法，其中冷却所述熔融金属包括用溶剂接触所述熔融金属周围的固化金属壳。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：

提供用于内部冷却通道的铸模，用于所述内部冷却通道的所述铸模包括第二骨料材料和第二结合剂；

在将所述熔融金属引入到所述活塞铸模内前，将用于所述内部冷却通道的所述铸模放置在所述活塞铸模中；和

用所述第二结合剂的溶剂接触用于所述内部冷却通道的所述铸模并去除所述第二结合剂和第二骨料。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述第二骨料材料和第二结合剂与用于所述活塞铸模的骨料材料和结合剂相同。

9.如权利要求1所述的方法，其中用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模包括用所述溶剂喷洒所述活塞铸模。

10.一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于该活塞的模型，该模型包括圆顶和凹角的碗状物；

在该模型周围形成活塞铸模，该铸模包括骨料材料和水溶性结合剂；

从该活塞铸模去除所述模型；

将熔融金属引入所述活塞铸模；

用水接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和骨料；

冷却所述熔融金属；和

将所述熔融金属固化以形成带有所述圆顶和所述凹角的碗状物的活塞，而无需铸造后的处理。