CN107131069A - 挤压的气缸套 - Google Patents

Abstract

公开一种挤压的气缸套和形成该挤压的气缸套的方法。挤压的发动机气缸套可包括圆筒形主体，所述圆筒形主体具有纵向轴线并限定内表面和外表面。多个间隔开的特征可从所述外表面突出并可在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。所述方法可包括：通过模具挤压金属材料，以形成限定内表面和外表面的圆筒形主体以及从所述外表面突出的多个间隔开的特征。在至少一部分挤压步骤期间，可使所述模具围绕纵向轴线旋转，使得所述特征在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。所述倾斜的特征可使母体铸造材料进入所述特征之间的通道，并防止缸套在竖直方向和水平方向上运动。

Description

挤压的气缸套

技术领域

本公开涉及例如用于铸铝发动机缸体的挤压的气缸套。

背景技术

铝制发动机缸体通常包括铸铁缸套，或者如果没有缸套，则缸孔表面上包括涂层。铸铁缸套通常增加缸体的重量并导致铝制缸体和铸铁缸套之间的热性能不匹配。对于无缸套的缸体，可能必须对将接受涂层的每个缸体进行相当大的投资(例如，等离子体涂覆缸孔工艺)。制造无缸套缸体的物流(logistics)会是复杂的，这会增加生产成本。此外，用于使从气缸缸孔的顶部到底部形成均匀的等离子体涂层厚度的几何尺寸控制可能是困难的。

发明内容

在至少一个实施例中，提供一种挤压的发动机气缸套。所述缸套可包括：圆筒形主体，具有纵向轴线，并限定内表面和外表面；多个间隔开的特征，从所述外表面突出，所述特征在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。

所述多个间隔开的特征可在相邻的特征之间限定多个通道，所述通道在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。所述特征可沿着圆筒形主体的整个高度延伸。在一个实施例中，所述特征围绕所述外表面的圆周等间距地间隔开。在另一实施例中，所述特征沿着圆筒形主体的整个高度在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。所述特征可包括在与纵向轴线平行的方向上延伸的部分。在一个实施例中，所述特征在与纵向轴线成5至85度的方向上延伸。在另一实施例中，所述特征在与纵向轴线成20至70度的方向上延伸。所述特征可具有矩形的截面形状或三角形的截面形状。

在至少一个实施例中，提供一种发动机缸体。所述发动机缸体可包括包含第一材料的主体和包含第二材料的至少两个铸入式气缸套；每个气缸套包括多个间隔开的特征，所述多个间隔开的特征从气缸套的外表面突出并在相对于气缸套的纵向轴线倾斜的方向上延伸；所述第一材料包围所述特征并在所述特征之间延伸。

所述多个间隔开的特征可在相邻的特征之间限定多个通道，所述通道在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。所述第一材料可充分地填充所述多个通道。在一个实施例中，所述第一材料围绕所述特征并在所述特征之间延伸，所述第一材料抵抗铸入式气缸套与主体之间在水平方向和竖直方向上的相对运动。第一铸入式气缸套的特征可与第二铸入式气缸套的通道直接相邻。

在至少一个实施例中，提供一种形成气缸套的方法。所述方法可包括：通过模具挤压金属材料，以形成限定内表面和外表面的圆筒形主体以及从所述外表面突出的多个间隔开的特征；在挤压步骤的至少一部分期间围绕纵向轴线旋转模具，使得所述特征在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。

可在挤压步骤期间连续旋转所述模具，使得所述特征在气缸套的整个长度上在相对于纵向轴线倾斜的方向上延伸。在另一实施例中，在挤压步骤的至少一部分期间不旋转所述模具，使得所述特征在气缸套的长度的一部分上在与纵向轴线平行的方向上延伸。所述方法可包括：在挤压步骤和旋转步骤之后，将挤压出的金属材料分段为多个气缸套。所述方法还可包括：在挤压步骤和旋转步骤之后并在将挤压出的金属材料分段之前，将耐磨涂层涂敷到内表面。在一个实施例中，旋转所述模具，使得所述特征在与纵向轴线成20度至70度的方向上延伸。

附图说明

图1是发动机缸体的示意性透视图；

图2是根据实施例的气缸套的透视图；

图3是根据实施例的缸套涂装系统的示意图；

图4是根据实施例的包括圆角三角形轴向特征的挤压件的横剖面；

图5是根据实施例的包括矩形轴向特征的挤压件的横剖面；

图6是根据实施例的包括三角形轴向特征的挤压件的横剖面；

图7是根据实施例的包括围绕挤压件的周边旋转的特征的挤压件的透视图；

图8是根据实施例的将挤压出的包括轴向特征的中空圆筒分成多个气缸套的示意图；

图9A是根据实施例的包括旋转的轴向特征的两个相邻气缸套的透视图；

图9B是图9A的放大图，示出了一个缸套的轴向特征嵌在另一缸套的通道中；

图10示出了根据实施例的铸入式气缸套的截面图；

图11是根据实施例的具有轴向特征的铸入式气缸套的横剖面；和

图12是根据实施例的形成具有铸入式缸套的发动机缸体的方法的流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。

参照图1，示出了发动机缸体或气缸体10。发动机缸体10可包括一个或更多个气缸孔12，气缸孔12可被构造为容纳内燃发动机的活塞。发动机缸体主体可以由任何适合的金属材料(诸如，铝、铸铁、镁或其合金)形成。此外，发动机缸体可由非金属材料(诸如，纤维增强复合材料(例如，碳、玻璃、硼或陶瓷纤维等)或陶瓷基材料)形成。在至少一个实施例中，发动机缸体10中的气缸孔12可包括如图2中所示的气缸套14。缸套14可以是具有外表面16、内表面18和壁厚20的中空圆筒或管。在至少一个实施例中，缸套14可铸入到发动机缸体10。于2015年12月17日提交的共同拥有并共同待决的第14/972,144号美国申请公开了铸入式气缸套，所述申请的公开内容通过引用全部包含于此。在此公开的缸套14可包含于上述申请的铸入工艺中。

在传统的发动机缸体中，如果发动机缸体母体材料(parent material)是铝，则可将铸铁缸套或涂层设置在发动机缸孔中而为发动机缸孔提供增加的强度、刚度、耐磨性或其它性质。例如，可在发动机缸体已经形成(例如，通过铸造)之后，将铸铁缸套铸入到发动机缸体或将铸铁缸套压入到气缸孔中。在另一个示例中，铝制气缸孔可以是无缸套的，但可在发动机缸体已经形成(例如，通过铸造)之后对气缸孔涂覆涂层。

在至少一个实施例中，所公开的发动机缸体10和缸套14可由铝(例如，纯铝或铝合金)形成。在其它实施例中，发动机缸体10和缸套14中的一个或二者可由除了铝之外的材料形成。如上所述，发动机缸体可由诸如镁、纤维复合材料或陶瓷的材料形成。缸套14可由可挤压的金属形成。相应地，缸体10和缸套14可由同一材料形成(但是特定合金可能不同)，或者，缸体10和缸套14可以是不同的(例如，缸体/缸套可以是“混合材料”)。中空的挤压件22可被形成为具有比单个缸套14长的长度，例如，多个缸套的长度。中空的挤压件22可至少在挤压件22的内表面上是中空的圆筒。然而，中空的挤压件22可具有非圆形外表面和圆形内表面。在一个实施例中，挤压件22可具有至少两个缸套14(诸如，至少4个、6个或8个缸套)的长度。在另一个实施例中，挤压件22可具有至少2、4、6或8英尺的绝对长度。

参照图3，可挤压出中空的挤压件22并在将其切成各个缸套14之前对其涂覆涂层。在涂覆涂层之前，可对挤压件22进行机加工和/或对挤压件22进行其它成型、成形或纹理化工艺。在一个实施例中，在涂覆涂层之前可通过例如车削或其它工艺来调节挤压件22的内径和/或外径。由于材料被去除，所以可使外径减小到特定尺寸并且可使内径增加到特定尺寸。因此，挤压出的挤压件22可具有比缸套14的最终尺寸大的外径和比缸套14的最终尺寸小的内径。

在至少一个实施例中，可在对挤压件22的内表面涂覆涂层之前，对挤压件22的内表面和/或外表面进行纹理化或粗糙化。对内表面进行粗糙化可提高涂层对挤压件22的粘合或粘结强度，对外表面进行粗糙化或纹理化可提高圆筒/缸套对发动机缸体的母体材料或铸造材料的粘合或粘结强度。用在内表面和外表面上的粗糙化工艺可以是相同的或不同的。粗糙化工艺可以是机械的粗糙化工艺(例如，使用具有切削刃、喷砂或水射流的工具)。其它粗糙化工艺可包括(例如，化学的或等离子体)蚀刻、火花/放电或其它。

在至少一个实施例中，挤压件22和从挤压件22得到的缸套14可以由铝(诸如，铝合金)形成。铝合金可以是热处理合金(例如，可以是沉淀硬化或时效硬化的合金)。在一个实施例中，挤压件22和缸套14可以由2xxx系列铝合金制成。2xxx系列铝合金(例如，根据IADS(International Alloy Designation System,国际合金命名系统))包括作为主要的或首要的合金元素的铜(通常从0.7至6.8wt.％(重量百分比))并且可被沉淀硬化至(相对于其它铝合金)非常高的强度水平。2xxx系列铝合金通常可被沉淀硬化至比除7xxx系列铝合金以外的所有铝合金大的强度。2xxx系列合金还在高温(诸如，大约150℃)下保持高强度。例如，下面表格1中示出了在T6状态(沉淀硬化至峰值强度)和在室温以及150℃下的常规的2xxx系列合金2024和常规的6xxx系列合金6061的对比：

表格1：机械性能的对比

如表格中所示，2xxx系列合金2024在室温(25℃)和高温(150℃)下均具有明显较高的极限拉伸强度(UTS)和屈服强度(YS)。事实上，2024铝在150℃下的UTS等于6061铝在室温下的UTS。2024铝还具有较高的硬度。虽然这些性能可基于2xxx系列和6xxx系列内的特定合金而改变，但上面描述的总体趋势保持不变。例如，挤压件22可以由在室温(例如，25℃)下具有至少400、425、450或475MPa的UTS和至少300、325、350、375或390MPa的YS的2xxx系列铝合金形成。虽然表格1中示出的是T6状态，但可使用其它状态，诸如，T4、T5或T351。

表格1还包括用于气缸套的典型的灰铸铁的UTS。如所示出的，铸铁的UTS为至少360MPa。因此，灰铸铁明显比6061合金强度更高，但灰铸铁具有明显低于2024合金的UTS。传统的铸铁缸套的最小UTS明显高于6xxx系列的UTS，因此，在一些实施例中6xxx系列合金可能是不适合的。此外，灰铸铁通常具有小于75MPa(例如，大约62MPa)的疲劳强度和小于50W/m-K(例如，大约46.4W/m-K)的热导率。相比之下，挤压件22和缸套14可以由具有至少100MPa(诸如，至少110、120或130MPa，例如138MPa)的疲劳强度和至少100W/m-K(诸如，至少110或120W/m-K，例如121W/m-K)的热导率的2xxx系列铝合金(例如，2024)形成。

2xxx系列的铝合金的耐腐蚀性可小于其它合金系列(诸如，6xxx系列)的耐腐蚀性。然而，已经发现对挤压件22涂覆涂层可以缓解潜在的腐蚀。相应地，已经发现2xxx系列铝合金可用于形成气缸套14。2xxx系列铝合金可具有高于传统的铸铁缸套的UTS、YS、疲劳强度和热导率并且可具有明显高于其它铝合金(诸如，6xxx系列)的UTS和YS。

此外，虽然高的断裂伸长率通常是积极的属性，但已经发现2xxx系列铝的较低的断裂伸长率实际上有利于缸套14的机械粗糙化工艺。例如，如表格1中所示，2024铝具有10％的断裂伸长率，而6061具有17％的断裂伸长率。已经发现当使用切削工具进行粗糙化时，6xxx系列铝的较高的伸长率会导致去除长的线状材料。这导致形成的表面通常不包括用于涂层进入和机械互锁的离散凹坑。相比之下，已经发现2xxx系列将更容易地形成这种凹坑。因此，出人意料的是，相比于其它合金系列(例如，6xxx)，具有降低的延展性是2xxx系列铝的积极的属性。特定的2xxx系列合金的非限制性示例可包括2024、2008、2014、2017、2018、2025、2090、2124、2195、2219、2324或其变体/变型。2xxx合金还可基于诸如上面描述的那些机械性能(例如，UTS、YS、疲劳强度、热导率等)来限定。

在其他实施例中，挤压件22和从挤压件22得到的缸套14可由非铝金属(诸如，镁或镁合金)形成。例如，挤压件可由镁形成，发动机缸体10可由镁或铝(或者他们的合金)形成。尤其与具有铸铁缸套的镁缸体相比，使用镁缸套的镁基或铝基发动机缸体可减少潜在的电腐蚀。

在图3中示出的一个实施例中，可将挤压件22布置在水平轴线24上并使挤压件22绕轴线24旋转，同时通过喷涂器26涂覆涂层。当然，可将挤压件22布置在任何轴线(诸如，竖直轴线或该轴线在水平轴线与竖直轴线之间成一定角度)上。喷涂器26可以是静止的，使得挤压件22的旋转将涂层涂敷到挤压件22的整个内表面。然而，在其它实施例中，喷涂器26可代替挤压件22旋转或者与挤压件22一起旋转。

为了沿着挤压件22的整个长度(或者挤压件22的长度的至少75％、85％或95％)涂覆涂层，可使挤压件22沿着与其纵向轴线平行的方向移动(例如，同时还绕着纵向轴线旋转)。例如，如图3所示，当将挤压件22布置在水平轴线24上时，使挤压件22在水平方向上移动。然而，如果将挤压件22布置在其它轴线上，则可使挤压件22在与所述轴线平行的方向上移动。在使挤压件22沿着其纵向轴线方向移动的实施例中，喷涂器26可以保持静止。例如，如图3所示，挤压件22可绕轴线24旋转并且还在轴向方向上水平地移动，同时喷涂器26保持静止。因此，在不移动喷涂器26的情况下，可沿着挤压件22的长度将挤压件22的内表面涂覆上喷涂的涂层。

虽然喷涂器26可以是静止的和/或不旋转的，但还可使用挤压件22和喷涂器26的其它构造。例如，挤压件22可沿着轴线旋转但可在轴向方向上保持静止，而喷涂器26可在该轴向方向上移动以涂覆圆筒的内表面。或者，喷涂器26和挤压件22可均在轴向方向上移动。在另一个实施例中，挤压件22可在轴向方向上移动但可不绕着轴线旋转，而喷涂器26可绕着轴线旋转但保持在相同的轴向位置处。挤压件22还可保持完全静止，即不旋转也不轴向移动，而喷涂器既绕轴线旋转还在轴向方向上移动。因此，挤压件22和喷涂器26的任意组合可在轴向方向上移动和/或绕轴线旋转，以沿着圆筒的长度涂覆圆筒的内表面。

喷涂器26可以是任何类型的喷涂装置，诸如热喷涂装置。可以使用的热喷涂技术的非限制性示例包括等离子体喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂(例如，等离子体转移电弧或PTWA)、火焰喷涂、高速氧燃料(HVOF)喷涂、暖喷或冷喷涂。还可使用其它涂覆技术，诸如气相沉积(例如，PVD或CVD)或化学/电化学技术。在至少一个实施例中，喷涂器26可以是等离子体转移电弧(PTWA)喷涂装置。

通过喷涂器26或其它涂覆技术施加的涂层可以是为发动机缸体缸孔提供足够的强度、刚度、密度、泊松比、疲劳强度和/或热导率的任何适合的涂层。在至少一个实施例中，涂层可以是钢涂层。合适的钢成分的非限制性示例可包括从1010至4130钢的任何AISI/SAE钢等级。所述钢还可以是不锈钢，诸如AISI/SAE 400系列中的那些钢(例如，420)。然而，也可以使用其它钢成分。所述涂层不限于钢，并且可以由其它金属或非金属形成或包括其它金属或非金属。例如，所述涂层可以是陶瓷涂层、聚合物涂层或无定形碳涂层(例如，DLC或类似物)。因此，可基于涂层的属性来描述所述涂层，而不是基于特定成分来描述。

在一个示例中，金属涂层可具有至少45MPa的粘合强度(由ASTM E633方法测量)。在另一个示例中，在磨损试验之后，缸套可具有最小的磨损深度，诸如6μm。例如，可使用Cameron-Plint测试装置来测试具有通过等离子体双电弧系统涂覆的300μm的1010钢基涂层的缸套。该装置使用以下参数：Mo-CrNi活塞环、在温度为120℃下的5W-30油、350N载荷、15mm行程长度和10Hz测试频率，在100小时的测试之后，缸套可具有不大于6μm的磨损深度。

参照图4至图7，挤压件22可被挤压成具有大体上呈圆柱形的内表面28和外表面30。内表面28可限定中空挤压件22的内部，并如上所述接受涂层。涂覆有涂层的内表面28可在后续处理之后形成成品缸孔12中的缸孔表面。外表面30也可是圆柱形(例如，圆形截面)，然而，其还可包括纹理和/或附加的特征。在一个实施例中，外表面30可被粗糙化或纹理化。粗糙化/纹理化工艺可以是机械的粗糙化工艺(例如，使用具有切削刃、喷砂或水射流的工具)。其它粗糙化工艺可包括(例如，化学的或等离子体)蚀刻、火花/放电或其它。在将缸套14铸入到发动机缸体10时，粗糙化或纹理化的外表面30可提供与母体金属的改善的结合。粗糙表面可因增加的表面面积而提高结合，并允许母体材料与缸套14之间机械互锁。

在至少一个实施例中，除了粗糙化或纹理化，或者代替粗糙化或纹理化外表面30还可包括轴向特征32。特征32可从另一圆柱形外表面30突出。因此，特征32还可被称为突起。特征32可沿着挤压件22的轴向(例如，沿着长轴线或在挤压的方向上)延伸。特征32可沿着挤压件22的整个轴向尺寸延伸。

在一个实施例中，特征32可沿轴向(例如，平行于纵向轴线)直线延伸，使得特征不围绕挤压件22的周边或圆周移动或旋转。图4至图6的截面中示出了沿轴向直线延伸的特征32的非限制示例。在图4中，特征32可形成为截面为圆角三角形34。在图5中，特征32可形成为截面为矩形36(当然还可是正方形)。在图6中，特征32可形成为截面为三角形38，所述三角形可以是等边三角形、等腰三角形、直角三角形或其他三角形。虽然在图4至图6中示出了这三种截面形状，但是通过挤压出可形成的任何合适截面均可用于特征32。例如，特征32可以是不完整圆(例如，半圆或半月)、钩状、锯齿状或其他形状。特征32还可呈不同形状的组合，包括在此示出或描述的形状的任意组合。

可具有从外表面30延伸的任意数量的特征32。特征32的数量可取决于特征32的尺寸和/或形状。例如，可具有至少3个特征，诸如至少5个或至少10个特征。在一个实施例中，可具有3至20个特征32(或者其中的任意子范围，诸如4至18或5至15个特征32)。在示出的实施例中，特征32可以是等间距和/或关于至少一个竖直面对称。然而，在其它实施例中，特征32可以不均匀地间隔开和/或不对称。特征32之间的空间或间隙可被称为通道40。在特征32沿轴向直线延伸的实施例中，通道40也可沿直线延伸。类似地，通道40可充分地在挤压件22的整个长度上延伸。

在将缸套14铸入母体金属中时，特征32和因此形成的通道40可提高缸套14与母体金属的粘结性或粘合性。特征32和通道40可与上述粗糙化/纹理化执行类似的功能，但比例更大。例如，当将缸套14铸入发动机缸体10时，可使母体金属流入到特征32之间的通道40中，从而使缸套14和发动机缸体10机械互锁。除了该互锁之外，铸入工艺过程中还发生缸套14的表面的任意熔化，从而形成母体金属与缸套之间的冶金结合或分子结合。可能并不是缸套的所有的外表面都将熔化并形成所述冶金结合或分子结合，因此，母体金属和缸套14可由于特征32导致的附加互锁而提供附加粘结源或粘合源。

参照图7，在至少一个实施例中，特征32可不沿着特征32的整个长度的轴向直线(例如，沿着整个长度不平行于纵向轴线)延伸。例如，一个或更多个特征32可在他们沿轴向延伸时围绕挤压件22的周边旋转和/或缠绕。因此，特征32可在相对于轴向/纵向轴线倾斜(例如，不平行或垂直)的方向延伸。因此，特征可沿着挤压件22的周边或圆周在一端42位于与在另一端44不同的位置。在示出的实施例中，特征32可沿着挤压件的整个长度围绕挤压件的周边连续旋转。因此，挤压件22可具有与来福枪筒(rifle barrel)的设计或构造类似的膛线外表面(rifled outer surface)的设计或构造。因此，特征32可沿着挤压件的长度成螺旋形或连续围绕挤压件22的周边缠绕。特征32还可被称为螺旋部(例如，围绕外表面30形成螺旋)。由于特征32可以在围绕所述周边成螺旋形或螺旋地缠绕，所以特征之间的间隙或通道40也可围绕挤压件22的周边成螺旋形或螺旋地缠绕。图7中示出的特征32为矩形截面，然而，螺旋特征可形成为具有任意的截面形状，诸如图4至图6中的形状、上述/下述其他形状或者任何其他合适的形状。

虽然示出的实施例具有围绕挤压件22的周边在其整个长度上连续旋转的特征32，但特征32可仅仅在挤压件22的长度的一部分或多个部分上围绕其周边旋转。例如，特征32可在挤压件22的特定部分的长度上围绕其周边旋转，然后特征32可在另一部分的长度上直线延伸，所述长度可能存在特征32围绕所述周边旋转然后呈直线的交替部分。所述交替部分可相对较长或者可以是短的离散部分。

如上所述，可通过对铝(诸如2xxx系列铝)进行挤压而形成挤压件22。挤压通常包括通过具有开口的模具对大块金属(通常被称为坯料)施加压力，所述开口具有挤压部件的期望截面形状。挤压工艺可包括直接或间接挤压。可加热坯料以允许金属更容易地变形。例如，在进行挤压工艺之前，可将铝坯料加热到800-925°F的温度。相应地，模具和模具开口确定挤压部件的形状和截面。在特征32从挤压开始到挤压结束沿直线延伸的实施例中，模具可在挤压期间保持在静止位置。在特征32围绕挤压件的周边旋转的实施例中，可在挤压期间连续或者间歇地旋转模具，以使特征32或通道40旋转。如果特征32被设计为连续旋转，则可连续旋转模具。如果特征32具有直线部分，则可使模具保持静止来形成直线特征部分。模具的旋转速度可用于至少部分地控制所述特征的角度(例如，其他因素保持不变时，更快的旋转将产生更大的角度)。

特征32的形状、数量、间距或(对于膛线实施例而言的)角度可根据缸套和/或发动机缸体设计、生产参数和操作条件而改变。可改变这些参数以提供特定的缸孔间距以及母体金属的特定最低水平的渗透和结合强度(例如，特征之间的间距非常小可防止完全渗透)。通常，其他因素相同时，更大数量的特征32可在缸套与发动机缸体之间提供更大的互锁。对于膛线式缸套(rifled liners)，通过围绕缸套周边的更大角度的旋转，通常可增大竖直互锁。

如在此使用的，可测量特征与纵向轴线的角度，使得0°的角度表示没有旋转(例如，诸如图4至图6中的直线特征)，90°的角度表示完全旋转。90°的角度对于挤压缸套而言基本不可能。在至少一个实施例中，特征32可围绕在所述周边旋转，使得特征与纵向轴线形成至少5°(例如，至少10°、20°或30°)的角度。在另一实施例中，特征32可围绕所述周边旋转，使得特征与纵向轴线形成5°至89°(或者其中的子范围，诸如5°至85°、10°至80°、15°至75°、20°至70°、25至65°、30至60°或40°至50°)的角度。通道40可以以与特征32相同的角度旋转。

参照图8，在涂覆挤压件22(例如，如上所述)之后，可将涂覆涂层的挤压件22切割、分段或分成具有可以(例如，通过铸入)插入缸孔12的尺寸的多个缸套14。图8示出了特征32是沿轴向的直线的实施例，然而，还可在具有旋转特征32的挤压件22上执行分段。可将缸套14切成稍微长于它们的最终插入长度以允许精加工或其它最终机加工工艺。在至少一个实施例中，可将挤压件22切割、分段或分成至少两个缸套14，诸如至少4个、6个或8个缸套或更多。可使用任何适合的方法(诸如，切割(例如锯切割)、车削(例如，使用车床)、激光、水射流或其它机加工方法)将挤压件22分离成多个缸套14。虽然示出并描述了在将挤压件22切割成多个缸套14之前先对其进行涂覆，但还可以设想先将挤压件22切割，然后对每个缸套14进行单独地涂覆。然而，先对挤压件22进行涂覆可提高效率并减少循环次数。对挤压件22进行涂覆并将其分成多个缸套14可消除在切削操作期间在最终加工线或在铸造车间热喷涂缸体(例如，无缸套缸体)所需要的额外的工艺。它还提供更大的置信度以在将缸套铸入到缸体之前均匀地将涂层涂覆至限定的工程规格。由于在费用、时间和机器工时方面，在工艺的结尾处废弃不合规格的缸套比废弃不合规格的发动机缸体花费少得多，因此可减少完工的发动机缸体的报废率和报废成本。

参照图9A至图11，可将气缸套14铸入到发动机缸体10中的气缸孔12中。如上所述，发动机缸体10可以由任何适合的材料(诸如，铝、铸铁、镁或其合金)形成。在至少一个实施例中，发动机缸体10由铝(例如，纯铝或铝合金)形成。发动机缸体10可以是铸造的发动机缸体。可使用任何适合的铸造方法(诸如，压铸(例如，低压压铸或高压压铸)、永久模铸造、砂型铸造或其它)来铸造发动机缸体10。这些铸造方法是现有技术中已知，将不详细描述。鉴于本公开，本领域中普通技术人员将能够使用现有技术中已知的铸造工艺来实现铸入过程。

简言之，压铸通常包括在压力下迫使熔融金属(例如，铝)进入模具或模子中。高压压铸可使用8巴(bar)或更大的压力来迫使金属进入到模具中。永久模铸造通常包括使用模具和型芯。可将熔融金属倒入模具中，或者可施加真空。在永久模铸造中，模具被多次使用。在砂型铸造中，通常将成品的复制品或图案压制到细砂混合物中。这样形成用于倾倒金属(例如，铝)的模具。考虑到凝固和冷却期间的收缩，复制品可以比待制造的零件大。

在发动机缸体10由铝形成的实施例中，铝可以是任何适合的铝合金或组合物。可用作发动机缸体母体材料的合金的非限制性示例包括A319、A320、A356、A357、A359、A380、A383、A390或其它，或它们的变体/变型。所使用的合金可取决于铸造类型(例如，砂铸、压铸等)。母体铝合金可以与缸套的(例如，2xxx系列)不同。如上所述，可将铝制气缸套14铸入到发动机缸体10的气缸孔12中。根据特定的铸造工艺，可在引入熔融的铝之前，将缸套14插入到合适的铸造部件中。例如，在压铸中，气缸套14可被包含为附加到形成气缸孔12的型芯或作为形成气缸孔12的型芯的一部分。

在将缸套14插入到模具中之后，可执行发动机缸体10的铸造。铸造过程的结果是，缸套14被合并(例如，铸入)到发动机缸体10中。在铸造过程期间，加热的液体母体铝接触缸套14的外表面16。母体铝的高温可使外表面16熔化。该熔化可仅局限于缸套14的外表面16，使得壁厚20的大部分不受影响或不被熔化。在一个实施例中，外表面16的熔化可以是从外表面向里的10至50μm，或其子范围。例如，该熔化可以被限制为10至45μm、15至40μm、15至45μm或18至38μm。该熔化可发生在整个外表面16上，或者仅发生在外表面16的某些部分或一定百分比上。当母体铝冷却并固化时，其可因此形成与外表面16的熔融部分的冶金结合或分子结合。因此，与在铸造后再(例如，通过过盈配合)插入缸套不同，铸入式缸套14可形成仅能够通过冶金分析来检测的无缝冶金结合。这种冶金结合非常牢固并且可防止母体材料和缸套(例如，缸体和缸套)之间的任何相对移动。

如上所述，在将缸套14铸入母体金属中时，特征32和因此形成的通道40可提高缸套14与母体金属的粘结性或粘合性。例如，当将缸套14铸入发动机缸体10时，母体金属可流入到特征32之间的通道40中，从而使缸套14和发动机缸体10机械地互锁。可能并不是缸套的所有的外表面16都将熔化并形成所述冶金结合或分子结合，因此，母体金属和缸套14由于特征32引起的附加互锁提供附加的粘结源或粘合源。

在特征32围绕缸套14的周边(在一部分长度或整个长度上)旋转的实施例中，母体材料与缸套14的附加互锁可尤其有效。特征32围绕缸套14的周边的旋转可提供水平和竖直两个方向的互锁(例如，围绕所述周边以及沿轴向)。在铸入过程期间中，如果在母体金属与缸套14之间不存在、几乎不存在或存在较少的完全冶金结合，竖直(轴向)方向的互锁是有益的。通过在竖直方向上使母体金属与特征32互锁，缸套14可竖向地/轴向地保持就位而不允许其在竖直方向上上下移动。由于特征32平行于轴向对齐，因此，在具有沿轴向的直线特征32的缸套14中可不存在竖直形式的互锁。因此，即使在铸造期间母体材料和缸套14之间存在不完全冶金结合，围绕缸套14的周边旋转的所公开的特征32防止或减少缸套14在竖向/轴向上的滑动。

参照图9A和图9B，缸套14的布置还可在铸造过程中起作用。如图9A和图9B中所示，可将缸套14布置为使一个缸套的特征32至少部分地嵌在另一缸套的通道40中。如图9B的放大图中所示，左缸套的特征32可设置为与右缸套的通道40邻近，或者嵌在右缸套的通道40中。示出的实施例包括具有沿缸套的长度围绕缸套的周边旋转的特征32的缸套14，然而，嵌入布置可用于具有特征32的任意公开的缸套。例如，具有图4至图6中示出的特征32的缸套可设置为使得特征32邻近相邻缸套中的通道。

嵌入的缸套可具有若干益处。例如，嵌入可确保在铸造过程期间在缸套之间具有充足的空间使母体金属进行流动。通过迫使母体金属在相邻的缸套的特征32与通道40之间(例如，以蛇形方式)迂回前进或迂回行进，还可进一步加强母体金属与缸套之间的互锁。还可在相邻缸套之间提供更均匀的母体金属厚度，代替两个邻近特征32之间的相对小的厚度以及两个邻近通道40之间的相对大的厚度。然而，虽然示出的嵌入布置可能是有益的，但是所公开的缸套还可设置为任何布置。

参照图10，示出了具有铸入式缸套14的单个气缸孔12的侧部截面。缸孔壁46可具有勾勒出母体材料与缸套14的轮廓的界面表面48。如上所述，母体材料和缸套14可形成冶金结合或分子结合使得在缸孔壁46和缸套14的外表面16之间没有间隙或空间。因此，界面表面48在没有冶金分析(诸如，蚀刻、高倍显微镜、成分分析或能够在两种分子结合的材料之间进行辨别的其它技术)的情况下会是不可见的。

如上所述，在铸造过程之前，缸套14可具有涂覆到其内表面18上的涂层50。因此，铸入式缸套14可包括在其内表面18上的涂层50，涂层50可形成气缸孔12的至少一部分的最内侧表面。在至少一个实施例中，气缸套14可以被包覆成型，使得发动机缸体10的母体材料在缸套14的外表面16上以及顶部52和底部54上包围缸套14。母体材料可包围缸套14的铝和涂层50两者。对缸套14进行包覆成型可进一步(例如，除了分子结合和/或特征32之外)将缸套14锁定或锚定在发动机缸体10内。

换言之，可使缸套14至少部分地凹入缸孔壁46内，使得缸孔壁46的一部分56在缸套14(例如，铝和涂层)的顶部52和/或底部54上至少部分地延伸超过缸套14或悬伸到缸套14之外。在一个实施例中，缸孔壁46的一部分56在缸套14的顶部52和/或底部54完全延伸超过缸套14或悬伸到缸套14之外。例如，缸孔壁46的一部分56可以在缸套的顶部52和/或底部54上与涂层50齐平或基本齐平(例如，共面)，以形成气缸孔12的最内侧表面的至少一部分。

参照图11，示出了具有带有特征32的铸入式缸套14的发动机缸体12的横剖面(例如，垂直于轴向)。与图10中示出的侧部截面类似，缸套14具有形成气缸孔12的最内表面的涂层50。界面表面48从缸套14的外表面60勾勒母体材料58的轮廓。母体材料58可填充形成在特征32之间的通道40。虽然特征32被示出为矩形并沿轴向为直线，但是同样将适于任意其他特征形状以及特征32沿着缸套的圆周旋转的实施例。

虽然上面描述了形成具有铸入式缸套的发动机缸体的各个步骤，但图12中示出了描述形成具有铸入式缸套的发动机缸体的方法的示例的流程图100。在步骤102中，可以挤压出中空的长形挤压件，其具有的长度为单个气缸套的长度的数倍。如以上所述，挤压件的内表面可为中空的圆筒，但挤压件的外部形状可以是非圆形的，并可包括沿轴向延伸的特征。为了在挤压件中形成轴向特征，可使用具有对应的模具开口的模具。为了产生特征围绕缸套的圆周/周边旋转的挤压件，可在挤压工艺期间旋转模具。模具的旋转速率可根据特征的期望角度、挤压期间的冲压力或其他参数而改变。在步骤104中，可将挤压件车削或以其它方式机加工至预定的内径(ID)和外部形状。例如，如果在挤压件中形成有轴向特征，则可所述特征进行机加工以改变其形状或者使他们在特定的公差之内。在某些实施例中，挤压件公差可足够严格而不需要步骤104。

在步骤106中，挤压件的ID可以是半粗切削的。这可包括从挤压件的内径去除材料以进一步精修ID。可使用镗削工艺、铣削工艺或其它材料去除方法执行这个步骤。在步骤108中，可对挤压件的ID进行粗糙化而为待涂覆的涂层做准备。对ID进行粗糙化可允许涂层更好地结合到挤压件(例如，通过增加涂层和ID之间的机械互锁)。在一个实施例中，该粗糙化可以是如上所述机械粗糙化。然而，还可使用其它粗糙化方法。

在步骤110中，可对挤压件的内径涂覆涂层。如上所述，涂层可以是例如使用热喷涂工艺(诸如，等离子体喷涂或电弧喷涂(例如，PTWA))进行喷涂的。可以使用静止的喷涂器同时挤压件绕着喷涂器旋转和/或喷涂器可旋转来涂覆涂层。可使喷涂器或挤压件在轴向方向上移动，以沿着挤压件的长度的至少一部分(例如，长度的至少95％)涂覆ID。为了控制涂层飞溅到挤压件外，可使用物理护罩、空气幕、空气排气管道或其它屏障。涂层可以是钢涂层，并且可以将涂层直接涂覆到挤压件的内径(例如，没有任何中间涂层)。

在步骤112中，可将涂有涂层的挤压件分段、分割或切割成多个缸套。挤压件的长度和从挤压件切割出的缸套的长度可确定由每个挤压件形成的缸套的数量。在至少一个实施例中，可从单个挤压件切割出至少5个缸套。虽然示出了先将挤压件进行涂覆然后进行分段，但还可以先对挤压件进行分段然后再进行涂覆，然而，先对挤压件进行涂覆可提供提高的效率。随后，分段的缸套可准备被插入到模具/模子中。在一个实施例中，可以对缸套的内径和/或端部进行精修。例如，在步骤110之后，涂层可能不是圆筒状并且可能需要被加工以提高圆柱度。缸套的端部可能需要被加工，以将缸套的长度制成用于铸造的规格或者对将插入到模具/模子型芯中的端部进行整形。对涂覆涂层的缸套进行的加工可取决于待执行的铸造的类型(诸如，砂铸或压铸等)并基于待执行的铸造的类型而改变。

在步骤114中，可将涂有涂层的缸套转移(例如，运送)到铸造车间以被铸入到发动机缸体中。在示出的实施例中，步骤102至步骤112是在不同于铸造车间的地方被执行的，然而，某些步骤或全部步骤可在该铸造车间发生。此外，步骤102至步骤112可发生在多个地方，使得额外的运送步骤可发生在这些步骤之间。在步骤116中，缸套的外表面可被准备用于铸造。例如，可对缸套进行处理以从外表面去除氧化物，以便于铸造并提高缸套和母体材料之间的结合。所述处理可包括化学处理(例如，溶剂)或机械处理(例如，抛光、研磨、喷砂)。

在步骤118中，可在缸套待铸入的情况下铸造发动机缸体。如上所述，可使用压铸(例如，高压压铸(HPDC))、永久模铸造或砂型铸造来执行铸造。可使用气缸孔型芯或其它适合的方法来将缸套铸入。在步骤120中，可执行切削操作。切削操作可包括将毛坯铸件加工成半成品状态并建立用于最终加工的基准。例如，切削步骤可建立气缸孔中心。在步骤122和步骤124中，可执行粗镗和精镗操作以进一步精修发动机缸孔的内径。虽然这些步骤被描述为镗削，但还可使用其它材料去除工艺(诸如，铣削)。粗镗相比于精镗可以使ID增加更大量。在步骤126中，可执行珩磨操作以进一步精修并最终确定发动机缸孔的内径。珩磨步骤可包括多个珩磨操作(诸如，粗珩磨和精珩磨)。步骤120至步骤126可以与在铸铁缸套上执行的步骤相同或类似。因此，所公开的工艺能够被并入或引入到现有的制造工艺中，而无需完全革新目前使用的设备或后处理步骤。这可允许以具有成本效益和时间效益的方式来实施所公开的工艺。

所公开的形成具有铸入式缸套的发动机缸体的方法和由此形成的发动机缸体具有优于传统的发动机缸体的多个优点和益处。与在铸造之后涂覆涂层的发动机缸体不同，所公开的方法省去了若干步骤并简化其它步骤。例如，省去了遮盖发动机缸体的某些部分以防止涂层过喷的步骤和移除遮盖材料的步骤。除了过喷之外，还可能存在来自正常机加工过程的污染。可执行缸体的高压力清洗来减少或消除该污染，这会在附加设备或周期时间方面增加成本。公开的挤压缸套可在插入缸体中之前进行喷涂或机加工，可减少在组装或使用之前能够进入缸体的污染的量。

此外，为了涂覆铸造缸体的缸孔，必须使喷涂器或整个发动机缸体绕着缸孔轴线旋转。旋转喷涂器或旋转又大又重的发动机缸体给涂覆工艺增加了额外的复杂性和难度。在所公开的方法中，可使中空的挤压件围绕静止的喷涂器旋转。除了简化工艺之外，这还可允许单个喷涂装置使用多个不同的挤压件直径和长度。其他益处可包括及早检测潜在缺陷。如果在传统的热喷涂无缸套缸体中没有实现结合，涂层会与缸孔分开。在这种情况下，必须将涂层碾出、对缸孔进行再准备、喷涂和机加工。如果不能进行这些步骤中的一个或更多个，则必须报废整个缸体。通过公开的挤压出的并进行涂覆的缸套，能够在将缸套铸入缸体中之前检测任何分离或缺陷。此外，公开的挤压缸套可以以预涂覆和充分粗加工的状态到达发动机缸体铸造车间。因此，在组装车间，可仅仅需要进行最终机加工(例如，最终珩磨)。这可减少组装车间所需设备的数量，并且结果是使周期时间更短、减少成本。

所公开的方法和发动机缸体还具有优于铸入式铁制缸套或者在铸造后再(例如，通过过盈配合)插入的缸套的优点。相比于铸铁缸套，所公开的方法和发动机缸体中的2xxx系列铝制缸套可具有较低的密度、较高的UTS、较高的疲劳强度和较高的热导率。由于铸入式铝制缸套和母体铝之间的分子、无间隙结合，减少或消除了发动机缸孔周围的冷却路径中的泄漏。无缝缸套和发动机缸孔在缸孔的周边周围还具有非常均匀的机械性能，允许缸套除了作为耐磨表面(缸套的传统目的)之外还分配机械载荷。紧密结合的铝制缸套和母体铝材料还具有非常相似的热膨胀性能。

所公开的缸套具有纹理化/粗糙化的外表面和/或沿轴向延伸的特征，进一步提高了缸套与铸造发动机缸体的母体材料之间的结合。所述特征可提供附加的机械互锁，以防止或减少缸套和母体金属之间的运动。沿轴向围绕缸套的周边旋转的特征可在竖直和水平两个方向上提供互锁，从而即使在缸套与母体金属之间存在不完全冶金结合，也防止或减少缸套在任一方向上的运动。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可以组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种挤压的发动机气缸套，包括：

圆筒形主体，具有纵向轴线，并限定内表面和外表面；和

多个间隔开的特征，从所述外表面突出，所述特征沿着相对于纵向轴线倾斜的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述多个间隔开的特征在邻近的特征之间限定多个通道，所述通道沿着相对于纵向轴线倾斜的方向延伸。

3.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征沿着所述圆筒形主体的整个高度延伸。

4.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征围绕所述外表面的圆周等间距地间隔开。

5.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征在所述圆筒形主体的整个高度上沿着相对于纵向轴线倾斜的方向延伸。

6.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征还包括沿着与纵向轴线平行的方向延伸的部分。

7.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征沿着与纵向轴线成5度至85度的方向延伸。

8.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征沿着与纵向轴线成20度至70度的方向延伸。

9.根据权利要求1所述的缸套，其中，所述特征具有矩形或三角形的横截面形状。

10.一种发动机缸体，包括：

主体和至少两个铸入式气缸套，所述主体包含第一材料，所述至少两个铸入式气缸套包含第二材料，每个所述气缸套包括多个间隔开的特征，所述特征从所述气缸套的外表面突出并沿着相对于所述气缸套的纵向轴线倾斜的方向延伸，所述第一材料包围所述特征并在所述特征之间延伸。

11.根据权利要求10所述的发动机缸体，其中，所述多个间隔开的特征在邻近的特征之间限定多个通道，所述通道沿着相对于所述纵向轴线倾斜的方向延伸。

12.根据权利要求11所述的发动机缸体，其中，所述第一材料充分地填充所述多个通道。

13.根据权利要求10所述的发动机缸体，其中，包围所述特征并在所述特征之间延伸的第一材料抵抗铸入式气缸套与主体之间在竖直方向和水平方向上的相对运动。

14.根据权利要求10所述的发动机缸体，其中，第一铸入式气缸套的特征与第二铸入式气缸套的通道直接相邻。

15.一种形成气缸套的方法，包括：

通过模具挤压金属材料，以形成限定内表面和外表面的圆筒形主体和从所述外表面突出的多个间隔开的特征；和

在所述挤压步骤的至少一部分期间围绕纵向轴线旋转所述模具，使得所述特征沿着相对于所述纵向轴线倾斜的方向延伸。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述挤压步骤期间连续旋转所述模具，使得所述特征在气缸套的整个长度上沿着相对于所述纵向轴线倾斜的方向延伸。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述挤压步骤的至少一部分期间不旋转所述模具，使得所述特征在气缸套的一部分长度上沿着与所述纵向轴线平行的方向延伸。

18.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：在所述挤压步骤和所述旋转步骤之后，将挤压出的金属材料分段成多个气缸套。

19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：在所述挤压步骤和所述旋转步骤之后并在将挤压出的金属材料分段之前，将耐磨涂层涂敷到所述内表面。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，旋转所述模具，使得所述特征沿着与所述纵向轴线成20度至70度的方向延伸。