CN104975975A - 汽缸孔表面轮廓和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽缸孔表面轮廓和工艺，该汽缸孔包含具有第一直径的第一部分以及轴向邻近第一部分的具有大于第一直径的第二直径的第二部分。一系列平行的环绕延伸的槽形成在第二部分上以粗化该表面并且改善晚些时候应用的喷涂上的金属涂层的粘结。非掩蔽段形成在第一和第二部分之间以在较大直径和较小直径部分之间提供不太陡峭的拐角并且消除本来可能会有的任何喷涂掩蔽。非掩蔽段可以是平面或曲面室。非掩蔽段可以是直径恒定的非槽段。

Description

汽缸孔表面轮廓和工艺
技术领域
本发明涉及发动机缸体的汽缸孔以及用于成形该汽缸孔的工艺。
背景技术
机动车发动机缸体包括多个汽缸孔(cylinder bore)。机加工每个汽缸孔的内表面使得该表面适合在机动车应用中使用，例如展现出合适的抗磨性和强度。机加工工艺可以包括粗化该内表面、对该粗化的表面应用金属涂层以及随后珩磨该金属涂层以获得成品内表面。在本领域中已知有多种表面粗化技术，但是需要忍受一个或多个缺点或不足。
发明内容
在公开的第一实施例中，发动机缸体具有汽缸孔壁，该汽缸孔壁包含具有第一直径的第一部分以及轴向邻近第一部分的具有大于第一直径的第二直径的第二部分。一系列或多个平行的环绕延伸的槽形成在第二部分上。非掩蔽段包含第一和第二部分之间的环绕室。该室提供较大直径和较小直径部分之间的不太陡峭(less-abrupt)的拐角并且从而消除本来在金属涂层应用至汽缸孔壁时可能会出现的任何喷涂掩蔽(spray-masking)。
在公开的另一个实施例中，该室具有平面。该平面可以相对于与汽缸孔的纵向轴线正交的平面成角度设置，该角度的范围约为15°至60。
在公开的另一个实施例中，该室具有曲面。该曲面可以是凸面。
在公开的另一个实施例中，公开了一种成形具有汽缸孔的发动机缸体的方法，包含：成形孔的具有第一直径的第一部分、成形孔的具有大于第一直径的第二直径的第二部分以及在第二部分中成形多个环绕延伸的槽。方法进一步包含成形非掩蔽段，该非掩蔽段包含第一和第二部分之间的环绕室。
在公开的另一个实施例中，汽缸孔具有圆柱形壁，该圆柱形壁包含具有第一直径的第一部分以及轴向邻近第一部分的具有大于第一直径的第二直径的第二部分。第二部分包含具有设置在其上的一系列环绕延伸的交替的槽和齿的带槽段以及紧邻第一和第二部分之间的端面的非掩蔽段。非掩蔽段具有恒定的直径以及槽的宽度的至少两倍的轴向长度。非掩蔽段的直径基本上等于对带槽段的齿的顶峰测量的孔的直径。可替代地，非掩蔽段的直径基本上等于对槽的底部测量的孔的直径。
在公开的另一个实施例中，该多个槽中的大多数该槽包括矩形截面。
在公开的另一个实施例中，该多个槽中的大多数该槽包括梯形截面。
这里，超过该多个槽的数量一半以上为大多数。
在公开的另一个实施例中，成形汽缸孔的方法，该汽缸孔形成有圆柱形壁，该方法包含成形具有第一直径的第一部分、成形具有大于第一部分的直径的直径的第二部分以及在第二部分上成形一系列环绕延伸的交替的槽和齿。这一系列槽和齿终止于离第一和第二部分之间的端面一定距离以形成紧邻端面的非掩蔽段，非掩蔽段具有恒定的直径以及槽的宽度的至少两倍的轴向长度。
根据本发明的一个实施例，室具有平面。
根据本发明的一个实施例，室具有曲面。
根据本发明的一个实施例，曲面为凸面。
根据本发明的一个实施例，进一步包含在第二部分上应用金属涂层。
根据本发明的一个方面，提供一种具有圆柱形壁的汽缸孔，圆柱形壁具有纵向轴线，壁包含：具有第一直径的第一部分；以及轴向邻近第一部分具有大于第一直径的第二直径的第二部分，第二部分包含具有设置在其上的一系列环绕延伸的交替的槽和齿的带槽段，并且第二部分进一步包含紧邻第一和第二部分之间的端面的非掩蔽段，非掩蔽段具有恒定的直径以及至少为槽的宽度的两倍的轴向长度。
根据本发明的一个实施例，非掩蔽段的直径基本上等于对带槽段的齿的顶峰测量的孔的直径。
根据本发明的一个实施例，非掩蔽段的直径基本上等于对带槽段的槽的底部测量的孔的直径。
根据本发明的一个实施例，第一部分具有设置在其上的第二系列环绕延伸的交替的槽和齿。
根据本发明的另一方面，提供一种成形具有纵向轴线并形成有圆柱形壁的汽缸孔的方法，圆柱形壁包含第一部分以及紧邻第一部分的第二部分，方法包含：成形第二部分以具有大于第一部分的直径的直径；以及在第二部分上成形一系列环绕延伸的交替的槽和齿，这一系列槽和齿终止于离第一和第二部分之间的端面一定距离以形成紧邻该端面的非掩蔽段，非掩蔽段具有恒定的直径以及为槽的宽度的至少两倍的轴向长度。
根据本发明的一个实施例，进一步包含在第二部分上应用金属涂层。
附图说明
此处公开的本发明的实施例特别地被引述在附属的权利要求中。然而，通过参考下面的详细描述以及附图，其它特征将变得更加显而易见并且可以更好地理解实施例，附图包括：
图1A描述内燃发动机的示例发动机缸体的接合或面板(deck)面的俯视图；
图1B描述沿图1A的线1B-1B的汽缸孔的独立的截面图；
图2A描述预钻孔(pre-boring)之后的汽缸孔，其中将未处理的汽缸孔内壁钻孔至一定直径；
图2B描述插补步骤之后的汽缸孔，其中对行程区域(travel area)机加工以形成凹陷的腔以及环绕的槽和齿；
图2C描述变形步骤之后的汽缸孔，其中将邻近的槽之间的平的顶峰变形以获得变形的齿；
图2D描述插补步骤之后的汽缸孔，其中对非行程区域(non-travel area)中的一者或多者机加工以形成环绕的槽和齿；
图2E显示在汽缸孔的非行程区域中形成的环绕的槽的放大示意图；
图3显示根据现有技术的在插补步骤之前、期间和之后的汽缸孔的内表面的分解的片段图(fragmented view)；
图4显示金属涂层喷涂在孔壁上之后的图3的现有技术的汽缸孔；
图5说明具有非掩蔽段的汽缸孔的内表面的放大截面图；
图6说明具有第二实施例的非掩蔽段的汽缸孔的内表面的放大截面图；
图7说明具有第三实施例的非掩蔽段的汽缸孔的内表面的放大截面图；
图8说明具有第四实施例的非掩蔽段的汽缸孔的内表面的放大截面图；
图9说明金属涂层喷涂在孔壁上之后的图5的汽缸孔；以及
图10说明金属涂层喷涂在孔壁上之后的图7的汽缸孔。
具体实施方式
现在更详细地参考发明人知道的实施例。然而，应理解所公开的实施例仅仅是可以多种和替代形式实施的本发明的示例。所以，本发明所公开的特定细节不应理解为限制性，相反仅仅作为教导本技术领域中技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。
除明确指示之外，该描述中指示材料量的所有数量应理解为通过词语“约”修改以描述本发明的最宽范围。
机动车发动机缸体包括多个汽缸孔。机加工每个汽缸孔的内表面使得该表面适合在机动车应用中使用，例如展现出合适的抗磨性和强度。机加工工艺可以包括粗化该内表面、对该粗化的表面应用金属涂层以及随后珩磨该金属涂层以获得具有需要强度和抗磨性的成品内表面。该表面的粗化改善了金属涂层与汽缸孔的粘结。可替代地，可以对汽缸孔未成品内表面应用具有所需强度和抗磨性特征的衬料(liner material)。
本发明公开的实施例提供粗化汽缸孔(例如发动机缸体的汽缸孔)的内表面的工艺以改善随后在内表面上应用的金属涂层(例如热喷涂层)的粘结和结合。相应地，成品内表面可以具有改善的强度和抗磨性。
图1A描述了示例内燃发动机的发动机缸体100的接合面的俯视图。发动机缸体包括汽缸孔102。图1B描述了汽缸孔102沿图1A的线1B-1B的独立的截面图。汽缸孔102包括内壁部分104(该部分可以由金属材料(例如但不限于铝、镁或铁或者其合金或钢)形成)。在特定应用中，可以利用铝或镁合金，因为与钢或铁相比它们的重量相对较轻。重量相对较轻的铝或镁合金材料可以允许减小发动机尺寸和重量，这可以改善发动机性能和燃料经济性。
图2A、2B、2C、2D和2E描述了相对于应用轮廓至汽缸孔的内壁或表面的工艺步骤的汽缸孔内壁的截面图。这些步骤是针对以本领域中众所周知的方式喷涂应用金属涂层而准备汽缸孔。图2A描述预钻孔步骤，其中未处理的汽缸孔内壁200被钻孔至第一直径D1，第一直径通常小于内壁的成品(例如珩磨的)直径的直径。在一些变型中，直径的差异是150至250微米(μms)。
图2B描述插补步骤，其中在预钻孔的内壁200中机加工具有大于D1的第二直径D2的腔(pocket)206。腔206的轴向范围通常对应于行程区域202，活塞环(未显示)在汽缸孔内行进的距离。行程区域表面加工成防止活塞环运行所产生的磨损。在一些变型中，行程区域202的长度是90至150毫米。可以使用美国专利US13/913,871所公开的类型的切削工具(未显示)来执行插补步骤，在此作为参考将该专利全文合并入本文。
由于插补步骤，汽缸孔还包括非行程区域214和216。这些区域在活塞的轴向行程的外部(分别为之上和之下)，那么该表面的抗磨没有行程区域那么重要。在一些变型中，非行程区域214的长度是2至7毫米。在一些变型中，非行程区域216的长度是5至25毫米。
可以通过切削工具(未显示)实现基于插补的粗化，这在汽缸孔200的表面形成(如图2B的放大区域208显示的)一系列平行的环绕延伸的交替的槽204和齿207。可以初始地将槽和齿成形为尺寸一致的方波(square-wave)图案，槽的底部和齿的顶部是平的。切削工具可以基本上在成形第二直径D2的同时成形槽204和齿207。切削工具可以用于仅粗化选择的孔区域，比如孔的环行程区域202。仅粗化孔的环行程区域可以减少喷涂循环时间、材料消耗、珩磨时间以及曲轴箱的过喷(overspray)。
应理解放大区域208显示的槽和齿的大小、形状和数量是简单的示例，并且优选地这些槽和齿除了在下文描述的那些部分之外基本在行程区域202的整个长度上延伸。尺寸210显示腔206的深度，等于第二直径D2和第一直径D1之间差异的一半。尺寸212显示环绕的槽204的深度。在一些变型中，槽的深度是100至140微米。在另一种变型中，槽的深度是120微米。在一些变型中，腔的深度是100至300微米。在另一种变型中，腔的深度是250微米。
图2C描述可选的变形步骤之后的汽缸孔，如图2C的放大区域226显示的，在该步骤中将齿207的平的顶部变形以获得变形的顶峰222，其中每个顶峰222包括一对底切(undercut)224。变形步骤使得槽204和齿207具有大体上为梯形的截面。应理解放大区域226中显示的变形的槽和齿大小、形状和数量是简单的示例。可以使用美国专利US13/913,871所公开的类型的摩擦工具(swipingtool)来执行变形步骤。
图2D描述可选的插补步骤之后的汽缸孔，在该步骤中使用切削工具(未显示)机加工非行程区域214和216的一者或两者以形成图2E的放大区域230所显示的交替的环绕的槽228和齿232。通常不变形非行程区域的齿那么齿232和槽228保持矩形截面。应理解放大区域230中显示的槽的数量是简单的示例。在一个实施例中，槽形成尺寸一致的方波形状。在一些变型中，其尺寸是25至100微米。
非行程区域214、216不需要后续的金属涂层，因为当发动机缸体处于其完成状况(汽缸孔的最终珩磨之后)时没有抗磨金属涂层存在于那些区域。然而，应用金属喷涂的喷嘴(未显示)通常停留在整个喷涂过程中。如果这些非行程区域没有被粗化，那么无意地喷涂在这些区域上的喷涂金属可能不会粘结，导致分层。该分层可能在珩磨期间落进孔中并且陷在珩磨石和孔壁之间，导致不可接受的划痕。该分层还可能落进曲轴箱，这将需要在随后去除。这样，通过将此处识别的环形槽应用至非环行程区域，热喷涂材料在喷涂工艺期间粘结并且减轻计划的喷涂表面和曲轴箱的污染。在后续的珩磨运转期间喷涂在非行程区域上的金属涂层可以被轻松地去除。
图3说明当图2A-2D说明的步骤结束时汽缸孔200的内壁的放大截面图。非行程表面214包括矩形槽230而行程区域202包括梯形槽204，比如可以通过上文讨论的摩擦处理成形的槽。(上文关于图2B描述的)现有技术插补步骤形成的端面234，该端面基本上垂直于端面任一侧的行程区域202和非行程区域214的表面(并且基本上正交于汽缸孔的轴向中心线)。显而易见紧邻端面234的槽204的存在在该位置处形成相对较窄且深的拐角C。
图4说明了通过本领域已知类型的喷涂工艺而应用金属涂层材料236之后汽缸孔壁102的截面。图4说明(如已经从发动机缸体的显微图研究发现的)拐角C相对于喷涂可能具有防止金属涂层完全填充拐角C的掩蔽效应(masking effect)。掩蔽效应可能产生金属涂层没有接触发动机缸体的基底金属的拐角空隙V。这样的拐角空隙V导致涂层和发动机缸体之间粘结的局部弱化。这样的粘结局部弱化可能导致金属涂层在后续的机加工步骤(例如汽缸孔珩磨至成品直径)期间或在发动机运转期间从缸体分离。
图5说明了具有邻近于行程区域202和非行程区域214的接合处的非掩蔽段300a的汽缸孔壁102的截面。非掩蔽段包含提供行程区域202(较大直径)和非行程区域214(较小直径)之间不太陡峭的拐角的环绕室302并且从而消除现有技术中税利拐角C(见图3和4)的任何喷涂掩蔽效应。室302具有相对于正交于孔的纵向轴线的平面以角度α设置的基本上平的表面并且从而消除不同直径的两段的结合处的锐利拐角。有利地角度α的范围可以为15°至60°。已经发现室302有效地允许通过喷涂工艺应用的金属涂层(未显示)完全地填充拐角(消除任何拐角空隙)并且从而相对于现有技术提供改善的粘结。
术语“非掩蔽段”在此处用于定义紧邻较大直径段和较小直径段的接合处的汽缸孔的轴向长度的较短部分，以最小化倾向于阻碍或掩蔽表面涂层的喷涂应用的物理障碍(physical obstruction)的方式成形该段。通常，可以通过避免结合处的锐利、陡峭、窄或深的拐角而实现非掩蔽段。
图6说明了具有非掩蔽段300b的汽缸孔壁的截面，该非掩蔽段包含具有凸曲面的室304。与上文相对于图5描述的实施例一样，室304消除了本来会在两个直径之间过渡处存在的锐利拐角使得通过喷涂工艺应用的金属涂层(未显示)不被掩蔽并且从而能完全地填充拐角且没有形成空隙。
图7说明具有行程区域202、非行程区域214以及设置在这两个区域之间的环形端面234的汽缸孔壁的截面。行程区域202被分成具有在其上形成的一系列交替的齿207和槽204的槽段以及包含基本上平滑、直径恒定的紧邻端面234的非掩蔽段300c。“基本上平滑”定义为没有机加工的粗化特征，比如沿槽段形成的交替的槽和齿，该槽段构成行程区域的轴向长度的主体。去除紧邻端面234的行程区域段上的机加工的表面粗化特征(槽和/或齿)产生了直径恒定的长度，其减小了本来会通过紧密接近拐角C’的槽或齿产生的喷涂掩蔽效应。
在图7的实施例中，通过消除或“忽略”本来会接近端面234的单个环绕齿而实现非掩蔽段300c，“忽略”的齿207’的位置在图7中通过虚线显示。忽略单个环绕齿提供了具有轴向长度至少为槽204的宽度W的两倍的直径恒定段。如果发现避免喷涂掩蔽所必需的，可以忽略紧邻端面234的两个或多个环绕齿(而形成轴向上更长的非掩蔽段300c)。非掩蔽区域300c处汽缸孔的直径等于(图2B中显示的)直径D2加上两个槽的深度尺寸212。
与图5和6显示的实施例一样，基本上平滑的段300c最小化了各自直径的行程区域和非行程区域之间拐角C’处的物理障碍使得喷涂应用的金属涂层(未显示)能完全地填充拐角，从而改善至缸体的粘结。
图8说明了具有非掩蔽段的汽缸孔壁的截面，除通过去除或“忽略”本来会存在于紧邻端面234的行程区域202中的一个或多个槽而形成基本上平滑的直径恒定段300d之外，该掩蔽段类似于图7中显示的。去除在接近端面234的行程区域的部分上粗化的机加工表面减小了本来会通过紧密接近拐角C’的齿或槽产生的喷涂掩蔽效应。在显示的实施例中，通过仅去除或“忽略”本来会接近端面234的单个槽(在图8中以隐线(hidden line)指示“忽略”的槽204’)而实现基本上平滑的长度。忽略单个环绕槽提供了直径恒定的轴向长度至少为槽204的宽度W的两倍的非掩蔽段300d。如果发现避免喷涂掩蔽所必需的，可以忽略一个以上的槽(产生更长的非掩蔽段300d)。
未粗化的长度300d最小化了两个直径之间拐角C’处的物理障碍使得喷涂应用的金属涂层(未显示)能完全地填充拐角，从而改善至缸体的粘结。
图9和10说明了分别在将金属涂层236喷涂在孔的表面之后的图5和7的汽缸孔102。
本申请与申请日为2012年5月1日、序列号为13/461,160的申请相关联，并且在此作为参考将其全文合并入本文。本申请还与申请日为2013年6月10日、序列号为13/913,871的申请相关联，并且在此作为参考将其全文合并入本文。本申请还与申请日为2013年6月10日、系列号为13/913,865的申请相关联，并且在此作为参考将其全文合并入本文。
虽然详细描述了执行本发明的最佳模式，但是本领域中熟悉本发明相关的技术人员应认识各种替代设计和实施例用于实施通过下文的权利要求定义的本发明。

Claims (10)

1.一种具有汽缸孔壁的发动机缸体，所述汽缸孔具有纵向轴线，所述壁包含：
具有第一直径的第一部分；
轴向邻近所述第一部分的具有大于所述第一直径的第二直径的第二部分，并且多个平行的环绕延伸的槽形成在所述第二部分上；以及
包含在所述第一和所述第二部分之间的环绕室的非掩蔽段。
2.根据权利要求1所述的汽缸孔，其中，所述室具有平的表面。
3.根据权利要求2所述的汽缸孔，其中，所述平的表面相对于与所述纵向轴线正交的平面成角度地设置，所述角度的范围为15°至60°。
4.根据权利要求1所述的汽缸孔，其中，所述室具有曲面。
5.根据权利要求4所述的汽缸孔，其中，所述曲面是凸面。
6.根据权利要求1所述的汽缸孔，其中，所述第一部分具有在所述第一部分上形成的第二多个平行的环绕的槽。
7.根据权利要求1所述的汽缸孔，进一步包含在与所述第一部分相对的一端处轴向邻近所述第二部分并且具有小于所述第二直径的第三直径的第三部分。
8.根据权利要求1所述的汽缸孔，其中，所述多个槽中的大多数所述槽包括矩形截面。
9.根据权利要求1所述的汽缸孔，其中，所述多个槽中的大多数所述槽包括梯形截面。
10.一种成形具有汽缸孔的发动机缸体的方法，所述汽缸孔具有纵向轴线，所述方法包含：
成形所述孔的具有第一直径的第一部分；
成形所述孔的具有大于所述第一直径的第二直径的第二部分；
成形所述第二部分中多个环绕延伸的槽；以及
成形包含所述第一和所述第二部分之间的环绕室的非掩蔽段。
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