CN105849400A - 用于生产用于内燃机的活塞的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产具有燃烧室(2)的活塞(1)的方法，该方法包括：以与活塞头部(5)的平面中的活塞轴线(10)共轴的方式将环形纤维预制体(3)紧固在用于活塞(1)的铸造模具中，环形纤维预制体(3)具有适合于加固燃烧室(2)的边缘的形状；将金属熔体引入至铸造模具以生产活塞毛坯；在熔体和纤维预制体(3)之间生成压力差，用于渗透熔体至纤维预制体(3)；以及依靠切削清除制造方法机加工活塞毛坯以完成活塞(1)，其中，所述熔体和所述纤维预制体(3)之间的所述压力差是通过吸力管(10、11)将所述纤维预制体(3)保持在铸造模型中引起的，其中，真空主导在吸力管(10、11)中，这使得熔体通过其被抽吸至纤维预制体(3)并且渗透纤维预制体(3)。如果至少一个吸力管(10、11)的至少一个管段(13、14)加速进入吸力管(10、11)的熔体的凝固，那么优化凝固行为产生。

Description

用于生产用于内燃机的活塞的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分用于生产活塞的方法。
背景技术
在流体能量机器中，活塞在气缸中执行经由推杆传递的周期性平移移动，公知为机械工程中的活塞发动机。在该情况下大概最普遍的活塞发动机类型是往复活塞发动机，往复活塞发动机将气体的体积的改变转换为描述的活塞的线性移动，并且进一步经由连接杆和曲柄将其转换为旋转移动。在活塞发动机大概最常见的变型中，在内燃机中，活塞包括为了该目的的燃烧室。
根据现有技术，合适的活塞依靠主要成型方法、尤其借助于专业铸造技术而规则地生产。永久模型铸造方法公知于金属处理，在金属处理中，熔体经由顶部内浇道被浇注至金属永久模型并且基本仅作为重力的结果而填充其中的腔室，这已经被证明特别成功。
在燃烧室的周围区域中，在发动机操作期间发生的极高热负荷的补偿会导致在不顺利情形下在活塞中形成破裂，这被证明是一个问题。关于此问题，例如从现有技术公知的是使用冷却的环形滑架。燃烧室外围还通过铸造通过并入陶瓷纤维逐渐加固。为了该目的，在模型填充之后加压有时用作永久模型铸造方法，以确保陶瓷纤维完全渗透通过铝熔体，因而利于陶瓷纤维并入金属微结构。
从DE102004056519A1的权利要求4的实施例公知一种对应方法。根据该方法，首先，将环形纤维预制体紧固在铸造模型中以加固燃烧室的外围。随后，液体铝或者铝合金熔体被引入铸造模型，从而纤维预制体渗透并且模制进燃烧室外围而作为铸造操作的一部分。在依靠切削清除制造方法完成活塞之前，以该方式生成的活塞毛坯随后经受热处理。在该情况下通过用吸力管将纤维预制体保持在铸造模型中(除了可以存在的其他紧固件)引起了铝合金熔体和纤维预制体之间的压力差，其中，负压力在吸力管中主导，使得铝合金熔体在那里被抽吸至纤维预制体，并且渗透纤维预制体。除了依靠负压力使用吸力管保持纤维预制体的可能性，附接的真空泵有助于通过降低剩余气体压力至优选小于0.1bar，从而在熔体贯穿之前更彻底地排出纤维预制体中的腔室，结果防止形成气体夹杂物。此外，通过施加正压力至永久模型中的熔体，熔体被置于典型高达20bar的压力下。结果，旨在产生非常高质量、尤其高可加载的活塞，其随后在渗透的纤维预制体中不包括气体夹杂物。
在这一点上，渗透纤维预制体的铝熔体的凝固行为被证明是关键的。在渗透结束之前熔体在纤维预制体内的过早凝固使得不期望腔室释放。相反，如果在渗透之后熔体流过吸力管，那么熔体能够进入其中的真空泵以及塞子或者压缩导管。在该方案中，过早以及较晚硬化熔体会在很大程度上影响损害方法结果的质量。
发明内容
因此，本发明基于的目的是，改善通用生产方法，使得其允许所使用的熔体的限定凝固，而不引起纤维预制体中出现气体夹杂物。
该目的是通过具有权利要求1的特征的方法实现的。有利实施例是从属权利要求的主题。
因此，本发明基于的基本构思是提供吸力管，吸力管还用来将纤维预制体保持在铸造模型中，具有特别设计的管段，这利于将熔体选择性地凝固在吸力管的期望管段中，结果堵塞吸力管用于后续的熔体。根据本发明，仅在通过有意地引起的凝固完成渗透纤维预制体之后，熔体的流动停止，同时仍在吸力管内。在该情况下，一方面依靠热方法，另一方面依靠几何学方法，能够实现这种“目标凝固管段”。在该情况下，吸力管的特别设计的管段分构造为，使得其利于选择性地过早凝固熔体，尤其无需另一部件或者插入物，也即是说是固有的特性。
熔体的凝固能够以热方式引起，例如通过局部冷却吸力管。可替换地，合适的材料的选择能够加速熔体的凝固，只要该对应材料相比于熔体具有增加的传热性。可以考虑使用铜作为管的材料，例如与亚共晶铝-硅熔体组合。
对于该问题的几何学方案还能够以不同方式发生。首先，可以想到的是，在吸力管的过程中形成窄点，这将局部降低其流动截面。类似效果能够依靠弯折或者扭结管段来实现，依靠截面变窄和/或方向改变的组合而实现，或者一般依靠沿着吸力管的过程的任何错综复杂的障碍物而实现。
参考附图，本发明的进一步重要的特征及优势能够收集于见于从属权利要求、附图以及附图的相关说明。
毫无疑问，以上提到的以及下文仍将解释的特征不仅在每个情况下特定的组合中是有用的，而且在其他组合中或者单独也是有用的，这并不超出本发明的范围。
附图说明
本发明的优选示范实施例图示于附图并且更详细地解释在以下描述中，其中，相同附图标记指代相同或者类似或者功能相同的部件。
在附图中，在每个情况下示意地，
图1示出了通过根据本发明的方法生产的活塞的头部的平面图，以及
图2示出了根据本发明的吸力管的两个不同的实施例中，沿着活塞的轴线形成的铸造模型的截面，图示在图的右侧和左侧。
具体实施方式
图1和图2图示了根据本发明的一个实施例的生产方法的实施，其中，此处使用特定轻金属熔体作为将被制造的活塞1的基本材料。在该情况下优选亚共晶铝-硅合金(AlSi合金)，亚共晶铝-硅熔体合金的微结构相对于在活塞1的操作期间期望的机械负荷受抛光影响。
在该情况下，活塞头部5上的燃烧室2的外围依靠纤维预制体3加固。轻金属熔体以及纤维预制体3之间的充分大的压力差在该情况下确保了纤维预制体3在后续凝固之前完全被铸造期间使用的轻金属熔体渗透。
纤维预制体3的纤维构造为陶瓷材料的短纤维，例如氧化铝(Al2O3)，还主要公知为技术领域中的电熔刚玉，以及基于商标名为Saffil的销售产品的黏土或者硅石纤维。可替换实施例可以具有纤维取向，纤维取向偏离随机平面标准，这并不超出本发明的范围。生产呈矩形截面的环形主体形式的纤维预制体3，因为纤维初始被处理以形成包含粘合剂的水性悬液。随后，悬液被填充进渗水模型中，渗水模型对应于纤维预制体3的形状，其中水与悬液分离。得到的呈纤维预制体3形式的主体被干燥，并且能够经受机械后续压制以改善其强度。此处期望的是每体积单元有10％至20％比例的纤维。在引入铸造模型之前，为了排除湿度夹杂物，纤维预制体3被预加热。
为了以尽可能密封以及无气孔的方式生产活塞1连同呈圆形盲孔形式实施的其燃烧室2，在当前情形中使用永久模型铸造方法，在该方法中，轻金属熔体在重力下经由浇注包进入用作永久模型的铸造模型中。在本实施例中，在完成模型填充之后，使用0.5bar至20bar之间的压力，其中，铸造模型的锁定框架(图1和图2未图示)用于可靠吸收压力，所述锁定框架依靠斜向绷紧的锁定销加封。
在该情况下，首先将通过铸造并入的部分(诸如纤维预制体3)紧固在铸造模型中为其提供的位置，优选与盐芯和/或环形滑架或者冷却环形滑架组合。
随后，铸造模型被盖子关闭，盖子具有布置于径向外侧的两个吸力管10、11，吸力管10、11连接至真空泵(未示出)并且被引导进铸造模型的内部，在这样的位置使得纤维预制体3抵靠吸力管10、11的开口，并且保持在由主导在管10、11中的负压力所提供的位置。经由入口，轻金属熔体现在被引入铸造模型，其中，主导在吸力管10、11中的负压力具有的效应是，保持抵靠吸力管10、11的纤维预制体3被轻金属熔体渗透。引导进纤维预制体3的吸力管10、11在该情况下弹性预加载抵靠纤维预制体3，并且被冷却至在很大程度上加速轻金属熔体凝固的温度。还可以想到的是，吸力管10、11具有高传热性，这有利于通过散热急速凝固熔体。至少一个管段13、14设置在每个吸力管10、11上，管段13、14加速进入吸力管10、11的熔体的凝固。在该情况下管段能够构造为变窄部或者弯折。
从几何学的观点来看，尤其铜吸力管10、11也被优化，目的是加速轻金属熔体的凝固。为此，每个吸力管10、11具有单独波列，波列具有管轴线的局部偏置4，在更靠近的观察中，局部偏置4由管轴线的扭结或者弯折组成。在弯折或者偏置4的区域中，通过紧靠在一起的对置管壁使得在每个情况下发生局部截面变窄。根据本发明还能够使用的是，依靠弯折改变管轴线的方向而不改变截面，但是，也能够是纯碎的压缩部或者改变截面而不改变管轴线的方向。总之，能够选择任何期望的错综复杂的几何形状，这些形状代表通过变窄和/或偏转对于流动熔体的障碍物，凝固能够优选在所述障碍物处开始。
在图2的左侧示出的实施例中，吸力管10、11由铜或者一些其他材料组成，这些材料比熔体具有更大传热性。可替换地或者此外，吸力管10、11能够在插入铸造模型之前被冷却。通常，作为吸力管10、11的热属性的结果，通过纤维预制体3的熔体在完全渗透之后优选凝固在吸力管10、11中，并且堵塞后者。
根据本发明，在吸力管10或者11中目标凝固区域的几何学以及热实现仅方便地图示在相同附图中。根据本发明的铸造方法还能够仅利用一个变型执行。另一方面，根据本发明，当然能够结合几何学以及热方案，能够额外地提供例如由具有压缩部的铜制成的吸力管以增强效应。
此外，永久铸造模型连接至压缩空气管道，经由压缩空气管道为了在很大程度上降低凝固铝合金的多孔性，以及为了以该方式给予活塞1足够强度，在铸造模型已经被轻金属熔体填充之后高压下的空气被引入铸造模型。随后，纤维预制体3的各个纤维牢固地连接至凝固轻金属熔体，并且纤维预制体3用于其连接至活塞1的剩余区域的部分。
接下来，依靠切削清除制造方法给定活塞毛坯以活塞1的最终形状。为了进一步改善活塞1的质量，尤其当活塞使用在通用柴油发动机中时，经受特定加载的环形凹槽的侧面和基底(未示出)可以依靠公知的阳极氧化能够设置有耐磨损涂层。

Claims (12)

1.一种用于生产具有燃烧室(2)的活塞(1)的方法，该方法包括以下方法步骤：
-以与活塞头部(5)的平面中的活塞轴线共轴的方式将环形纤维预制体(3)紧固在用于所述活塞(1)的铸造模型中，所述环形纤维预制体(3)具有适合于加固所述燃烧室(2)的外围的形状，
-将金属熔体引入所述铸造模型以生产活塞毛坯，
-在所述熔体和所述纤维预制体(3)之间生成压力差，用于渗透所述熔体至所述纤维预制体(3)，
-依靠切削清除制造方法机加工所述活塞毛坯以完成所述活塞(1)，其中，所述熔体和所述纤维预制体(3)之间的所述压力差是通过吸力管(10、11)将所述纤维预制体(3)保持在铸造模型中引起的，其中，负压力主导在吸力管(10、11)中，使得所述熔体被抽吸至此次的所述纤维预制体(3)，以及渗透所述纤维预制体(3)，
其特征在于，
至少一个所述吸力管(10、11)的至少一个管段(13、14)加速通过所述吸力管(10、11)的所述熔体的凝固。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，所述熔体是轻金属熔体，尤其是亚共晶铝-硅熔体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
将陶瓷纤维先前密实化，优选包括Al2O3，以形成所述纤维预制体(3)，使得所述纤维占据所述纤维预制体(3)的10％至20％的体积分数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
具有低于0.1bar的气体压力的负压力经由真空泵施加至所述吸力管(10、11)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述方法作为永久模型铸造方法或者低压力铸造方法被执行，尤其具有0.5和20bar之间的致密化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述铸造模型具有至少一个分区，所述至少一个分区经受反压力，使得所述熔体不通过所述分区。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少一个所述吸力管(10、11)引导至所述纤维预制体(3)并且弹性预加载抵靠后者。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述管段(13、14)比所述熔体具有更大传热性，尤其由铜制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述熔体被引入所述铸造模型之前冷却至少一个所述吸力管(10、11)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述管段(13、14)具有窄部，尤其压缩部。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述管段(13、14)具有至少一个弯折或者扭结。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述压力差通过所述吸力管(10、11)中的负压力以及所述熔体加压的组合而产生。
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