CN106862531A - 铝制缸体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的铸造缸体包括第一缸孔和第二缸孔以及共用孔壁。第一缸孔包括第一孔壁，并且第二缸孔包括第二孔壁。共用缸孔壁包括第一部分和第二部分。第一孔壁的一部分与第二孔壁的一部分结合以形成共用缸孔壁。共用缸孔壁的第一部分是铸件部分。共用缸孔壁的第二部分是金属基复合材料。

Description

铝制缸体及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属铸造，更具体地涉及铝制缸体铸件及制造方法。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以构成或不构成现有技术。
典型的铸铝缸体包括以多种配置布置的多个汽缸。在所有或大多数配置中，一些汽缸并排对齐，使得一个汽缸可以共享相邻或邻近汽缸的铸造结构。所得到的设计享有更紧凑和更轻的发动机组件，同时在发动机舱中为其他车辆部件提供更多的空间。
虽然当前的发动机缸体设计实现了初始目的，但是该设计最初不可靠，并且在若干车辆里程或发动机时数之后很快趋于退化。高里程磨损是在汽缸之间的区域中具有铝凹坑的结果，这导致燃烧气体从一个汽缸泄漏到相邻汽缸。这导致故障的缸盖垫片和非常昂贵的修复。因此，本领域需要一种发动机缸体，其具有改进的初始可靠性和长期稳健性，同时保持设计和重量的改进。
发明内容
本发明提供了一种用于内燃机的发动机缸体。该缸体包括第一缸孔和第二缸孔以及共用缸孔壁。第一缸孔包括第一孔壁。第二缸孔包括第二孔壁。每个第一孔壁和第二孔壁包括内周边孔表面。共用缸孔壁包括第一部分和第二部分。第一孔壁的一部分与第二孔壁的一部分结合以形成共用缸孔壁。共用缸孔壁的第一部分是铸件部分。共用缸孔壁的第二部分是金属基复合材料。
在本发明的一个示例中，缸体由铝合金铸造。
在本发明的另一个示例中，共用缸孔壁的第二部分设置在第一部分中。
在本发明的又一个示例中，共用缸孔壁的第二部分的顶表面与共用缸孔壁的第一部分的顶表面结合，以形成头部平台的一部分。
在本发明的又一个示例中，制造缸体的方法包括多个工艺步骤。第一步骤提供压实粉末的预制件。第二步骤将预制件设置在砂芯工具腔的指定位置。第三步骤将砂和树脂混合物吹入砂芯工具腔中，固化砂和树脂混合物，并从工具腔中移除包括预制件的固化的砂芯。第四步骤将包括预制件的砂芯与其它砂芯组装，并将组件放入模具中。第五步骤铸造缸体。第六步骤执行摩擦搅拌工艺以将预制件改变为金属基复合材料。
在本发明的又一个示例中，该方法还包括：在第五步骤和第六步骤之间或在第六步骤之后的热处理缸体的第七步骤，从缸体清洁砂和多余金属的第八步骤，以及机加工缸体并将缸体组装到发动机中的第九步骤。
在本发明的又一个实施例中，预制件的压实粉末是金属间化合物粉末、氧化物、碳化物和氮化物中的至少一种。
在本发明的又一个示例中，摩擦搅拌工艺包括利用具有平坦肩状部和螺纹圆柱销的摩擦搅拌工艺工具。
在本发明的又一个实例中，摩擦搅拌工艺包括：将旋转摩擦搅拌工艺工具插入到共用缸孔壁中，产生热量，以及将铝合金与压实粉末混合以形成金属基复合材料。
从下面结合附图对用于实施本发明的最佳方式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的缸体的透视图；
图2是根据本发明的缸体的一部分的横截面(A-A)；
图3是根据本发明的用于制造缸体的砂芯的平面图；
图4是根据本发明的铸件内包物的透视图；
图5是根据本发明的旋转焊接工具的透视图；
图6是根据本发明的在利用旋转焊接工具的工艺中的缸体的一部分的横截面(A-A)；以及
图7是描绘根据本发明的制造缸体的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。
参考图1，示出了总体上由附图标记10表示的用于内燃机的缸体，现在将对其进行描述。所示出的缸体10具有若干主要特征，包括多个缸孔12、曲轴箱部分(未示出)、头部平台16、紧固件孔18、内部冷却腔20和油道22。更具体地，多个缸孔12可以包括两个缸孔至十六个或更多个缸孔。在该示例中，四个缸孔12以“I”形式对齐，使得每个缸孔12的轴线彼此平行。在其它示例中，缸孔12可以布置成“V”形、平形或其他布置，而不脱离本发明的范围。每个缸孔12的顶端终止于头部平台16，而每个缸孔12的底端终止于缸体10的曲轴箱部分14。
关于多个缸孔12，缸孔12以“Siamese”方式布置。更具体地，每个缸孔12与相邻的缸孔12共用孔壁26。因此，所得到的结构提供了被称为水套24的内部冷却腔20的一部分，在缸孔12之间不具有冷却腔20的任何部分。共用孔壁26允许更紧凑的设计并且改善了结构的总体刚度。在下面进一步详细讨论的方法100中加工共用孔壁26，以包括代替母体铸造金属的金属基复合材料(MMC)材料。
现在参考图2，示出了共用孔壁26的横截面，现在将对其进行描述。共用孔壁26包括第一部分或铸造部分28和第二部分或MMC部分30。铸造部分28是具有第一孔表面32和第二孔表面34的铸件金属部分。第一孔表面32是第一孔38的表面，而第二孔表面34是与第一孔38相邻的第二孔40的表面。铸造部分28包括顶部或头部平台表面36，该头部平台表面与缸体10的头部平台表面16处于相同的高度。第二部分30或MMC部分30是共用孔壁26的具有金属基复合材料结构的一部分。MMC部分30具有第一侧面42、与第一侧面42相对的第二侧面44、顶部或头部平台表面46和底部表面48。MMC部分30设置在共用孔壁26的中心，使得MMC部分30的第一侧面42距第一孔表面32与第二侧面44距第二孔表面34相同的距离。MMC部分30的头部平台46与共用孔壁26的头部平台表面36齐平。MMC部分30在缸体10的局部区域中提供改进的耐久性和强度。在头部平台46处的典型故障模式是金属凹坑，导致汽缸压力的损失和头部垫片故障。除了故障本身，故障的修复肯定是昂贵的并且可能是灾难性的。
现在参考图3和图4，图3中示出了用于制造缸体10的砂芯50，图4中示出了固定在砂芯50中的预制件52，现在将对各自进行描述。砂芯50在型腔工具中由砂和固化树脂形成。所示出的砂芯50是缸体10的水套腔24的砂芯。水套24砂芯50与形成缸体的其他特征(例如曲轴箱、孔、水泵等)的其它砂芯组装。组装的砂芯位于可包括汽缸的外部特征以及将液态金属供给到砂芯组件的内腔中所需的冒口和浇口系统的模具中。可替代地，可以使用其它铸造工艺来实现类似的缸体10。例如，敞开的头部平台将允许由永久模具而不是砂芯来形成水套特征。在这种情况下，预制件52将被直接设置到模具中，而不是放置在砂芯中。因此，该工艺可用于高压、低压、消失模或其它类型的铝合金铸造工艺。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以考虑其它类型的金属合金。灰铁、镁或其它轻金属铸件的变型可以通过本发明的工艺改进。
如上所述，砂芯50通过将砂和树脂混合物吹入工具腔中而形成。然后对混合物放气以将树脂固化并硬化成工具腔的形状。然而，在形成包括预制件52的该特定砂芯50时，在将砂和树脂混合物吹入工具腔中之前，将预制件52放置在工具腔中的特定位置处。然后将砂和树脂混合物吹入工具腔中，使预制件52保持在其设置位置。接下来，通过放气固化树脂将预制件52固定在适当位置。
图4中所示出的预制件52包括压实粉末部分54和保持器部分56。压实粉末54由微米或纳米级氧化物、碳化物、氮化物或其它金属间化合物粉末(例如氧化铝Al2O3或碳化硅SiC)制成。保持器部分56可以由铝或钢形成，然而，可以使用其他材料，而不会脱离本发明的范围。
压实粉末54形成为遵循缸体10的共用孔壁26的轮廓的形状。例如，压实粉末54包括第一凹侧面58、与第一凹侧面58相对的第二凹侧面60、顶表面62、与顶表面62相对的底表面64、第一端66、以及与第一端66相对的第二端68。更具体地，保持器56包括细长的线部分70和固定到线部分70的端部的平圆盘部分72。线部分70从第一端66到第二端68穿过压实粉末54。圆盘部分72保持暴露于压实粉末54，直到将压实粉末54放置在工具腔中并且吹制并固化砂芯50。当从工具腔中移除砂芯50时，圆盘部分72被包在硬化的砂和树脂中，同时压实粉末54暴露。在不脱离本发明范围的情况下，预制件52也可以以其他方式与砂芯50组合。例如，可以在没有预制件52的情况下形成砂芯50，同时在将型芯组装到模具中之前，将预制件52插入砂芯50的槽中。
现在转到图5和图6，示出了形成缸体10的其他工艺步骤，现在将对其进行描述。在铸造缸体10并移除砂之后，需要其他工艺步骤以形成共用孔壁26的MMC部分30。然而，在不脱离本发明范围的情况下，在该工艺步骤之前，可以进行热处理工艺或其它清洁、去除毛刺或体积测量工艺。其他工艺步骤包括使用摩擦搅拌工艺将压实粉末54变成金属基复合材料。图5示出了具有平坦肩状部82和螺纹圆柱销84的摩擦搅拌工艺工具80。图6示出了该工艺的步骤，其中搅拌工艺工具80旋转并插入到共用孔壁26的MMC部分30中。随着搅拌工艺工具80的旋转，工具80产生热量并将母体金属铝的邻近部分与压实粉末54的材料混合并形成MMC。
注意图7，示出了以流程图用于制造缸体10的过程或方法100，现在将进行描述。方法100的第一步骤102包括提供具有由氧化物、碳化物、氮化物或其它金属间化合物粉末制成的压实粉末部分54的预制件52。第二步骤104包括将预制件52设置到砂芯工具腔的指定位置。第三步骤106包括将砂和树脂混合物吹入并固化到砂芯工具空腔中，并从工具腔中移除包括预制件的固化砂芯50。第四步骤108将包括预制件52的砂芯50与其它砂芯组装，并将组件放入模具中。第五步骤110包括铸造缸体10。第六步骤112包括从缸体10清洁砂和多余金属。第七步骤114包括对缸体10进行热处理。第八步骤116包括执行如上所述的摩擦搅拌工艺。第九步骤118包括机加工缸体10并将缸体10组装到发动机中。
虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳方式，但是本发明所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求书的范围内用于实施本发明的各种替代设计和实例。

Claims (5)

1.一种制造具有共用缸孔壁的缸体的方法，所述共用缸孔壁的一部分包括金属基复合材料，所述方法包括以下步骤：
第一步骤：提供压实粉末的预制件；
第二步骤：将所述预制件设置到砂芯工具腔的指定位置；
第三步骤：将砂和树脂混合物吹入所述砂芯工具腔中，固化所述砂和树脂混合物，并从所述工具腔中移除包括所述预制件的固化的砂芯；
第四步骤：将包括所述预制件的所述砂芯与其它砂芯组装，并将组件放入模具中；
第五步骤：用铝合金铸造所述缸体；
第六步骤：执行摩擦搅拌工艺以将所述预制件改变为金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：在第五步骤和第六步骤之间或在第六步骤之后热处理所述缸体的第七步骤，从所述缸体清洁所述砂和多余金属的第八步骤，以及机加工所述缸体并将所述缸体组装到发动机中的第九步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预制件的所述压实粉末是金属间化合物粉末、氧化物、碳化物和氮化物中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摩擦搅拌工艺包括利用具有平坦肩状部和螺纹圆柱销的摩擦搅拌工艺工具。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述摩擦搅拌工艺包括：将旋转摩擦搅拌工艺工具插入到所述共用缸孔壁中，产生热量，以及将铝合金与所述压实粉末混合以形成所述金属基复合材料。
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