CN114833311B - 用于铸铝缸体的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯 - Google Patents

Abstract

一种制造用于发动机缸体的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的系统，包括铝材料的发动机缸体铸件。凸轮轴孔延伸穿过发动机缸体。具有至少一个金属冷铁的凸轮孔砂芯定位在凸轮轴孔内。在发动机缸体的铸造过程中，至少一个金属冷铁的主体部分定位成与至少一个凸轮轴承构件的凸轮轴承表面直接接触，以增加至少一个凸轮轴承构件的冷却速率，并产生具有增强的机械性能的凸轮轴承构件的结晶材料深度。

Description

用于铸铝缸体的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯

技术领域

本发明涉及铸造发动机缸体和用于铸造发动机缸体的方法。

背景技术

汽车发动机缸体可以由诸如铁和铝等金属铸造而成。与铁相比，铝的使用减轻了发动机缸体的重量，并且因此减轻了车辆重量，从而提高了车辆的燃料效率。铝的机械性能不等同于铁的机械性能，因此开发了一些工艺来局部增强铝在发动机缸体高负荷区域，特别是在曲轴和曲轴轴承轴颈区域的机械性能。

铸造模具通常使用铸造砂来限定负体积，该负体积限定了随后倒入模具中的金属的所需的几何形状。在铝铸造中，希望在负载增加的区域，诸如在曲轴轴承轴颈处，局部增强铝的机械性能。已知增加铝的冷却速率可以局部增强铝的机械性能。然而，将铸造砂充当热绝缘体，其在铸造砂与铝接触的区域将会延缓铝的冷却速度。因此，铸造“冷铁”在浇注之前被引入到模具中，该冷铁由诸如铁的材料制成，该材料能够增强铝和冷铁接触位置处铝的冷却速率的传热系数。已知的冷铁在曲轴轴承轴颈区域延伸发动机缸体的整个长度，随后在铸造铝冷却后从模具中移除。已知发动机缸体设计的凸轮轴区域的几何形状抑制了凸轮轴轴颈轴承区域中冷铁的移除，因此，通过使用冷铁来增强凸轮轴轴颈轴承处的铝材料是尚未实现的。这种增强将允许增加发动机的马力输出，而没有重量损失。

因此，尽管当前的铝发动机缸体铸造工艺实现了其预期目的，但是需要一种用于铸铝发动机缸体的新的改进的系统和方法。

发明内容

根据若干方面，一种制造用于汽车发动机缸体的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的系统包括铝材料的汽车发动机缸体铸件。凸轮轴孔延伸穿过发动机缸体。具有至少一个金属冷铁的凸轮孔砂芯位于凸轮轴孔内。至少一个金属冷铁的主体部分，在发动机缸体的铸造过程中定位成与至少一个凸轮轴承构件的凸轮轴承表面直接接触，以增加至少一个凸轮轴承构件的冷却速率，并产生具有增强的机械性能的凸轮轴承构件的结晶材料深度。

在本发明的另一个方面，至少一个金属冷铁限定了第一金属冷铁和第二金属冷铁，第一金属冷铁和第二金属冷铁分别包括向外指向的主体部分、向内指向的主体端和位于向内指向的主体端和向外指向的主体部分之间的连接主体部分。

在本发明的另一个方面，向外指向的主体部分包括第一锥形表面，该第一锥形表面定位成与至少一个凸轮轴承构件中的第一个的凸轮轴承表面直接接触。

在本发明的另一个方面，向内指向的主体端包括第二锥形表面，该第二锥形表面定位成与至少一个凸轮轴承构件中的第二个的凸轮轴承表面直接接触。

在本发明的另一个方面，第一锥形表面限定相对于水平平面的第一角度，并且第二锥形表面限定相对于第二水平平面的第二角度。

在本发明的另一个方面，连接主体部分包括具有较小直径的向内指向的主体端和具有较大直径的向外指向的主体部分。

在本发明的另一个方面，第一砂芯围绕第一金属冷铁的连接主体部分，并且第二砂芯围绕第二金属冷铁的连接主体部分。

在本发明的另一个方面，第一延伸构件一体地形成在第一金属冷铁的向内指向的主体端上，并且第二延伸构件一体地形成在第二金属冷铁的向内指向的主体端上。

在本发明的另一个方面，第三砂芯位于第一金属冷铁和第二金属冷铁之间，第一延伸构件嵌入在第三砂芯中，并保持第三砂芯在模制过程中与第一金属冷铁的向内指向的主体端接触，并且第二延伸构件嵌入在第三砂芯中，并保持第三砂芯在模制过程中与第二金属冷铁的向内指向的主体端接触。

在本发明的另一个方面，在模制后沿第一方向从凸轮轴孔移除第一金属冷铁，并且沿与第一方向相反的第二方向从凸轮轴孔移除第二金属冷铁。

根据若干方面，一种制造用于汽车发动机缸体的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的系统，包括铝材料的汽车发动机缸体铸件。凸轮轴孔延伸穿过发动机缸体铸件。在浇注发动机缸体铸件过程中，具有第一金属冷铁和第二金属冷铁的凸轮孔砂芯定位在凸轮轴孔内。在浇注发动机缸体铸件过程中，第一金属冷铁的主体部分定位成与第一凸轮轴承构件的凸轮轴承表面直接接触，并且在浇注发动机缸体铸件过程中，第二金属冷铁的主体部分定位成与第二轴承构件的凸轮轴承表面直接接触。第一金属冷铁和第二金属冷铁由金属制成，以提高铝材料的冷却速率，并产生具有增强的机械性能的第一凸轮轴承构件和第二凸轮轴承构件的结晶材料深度。第一金属冷铁的主体部分包括第一锥形表面，并且第二金属冷铁的主体部分包括第二锥形表面，第一锥形表面和第二锥形表面使得第一金属冷铁沿第一方向滑动移除以及第二金属冷铁沿与第一方向相反的第二方向滑动移除。

在本发明的另一个方面，第一金属冷铁和第二金属冷铁分别包括向内指向的主体端和位于向内指向的主体端和主体部分之间的连接主体部分。

在本发明的另一个方面，向内指向的主体端包括限定一角度的第三锥形表面。

在本发明的另一个方面，第一金属冷铁和第二金属冷铁还包括通过第一连接主体部分直接连接到主体部分的中心主体部分和通过第二连接主体部分一体地连接到中心主体部分的向内指向的主体端。

在本发明的另一个方面，第一金属冷铁的向内指向的主体端与第二金属冷铁的向内指向的主体端直接接触。

在本发明的另一个方面，第一金属冷铁的向内指向的主体端与第二金属冷铁的向内指向的主体端通过间隙隔开。

在本发明的另一个方面，第一金属冷铁的向内指向的主体端和第二金属冷铁的向内指向的主体端与第三凸轮轴承构件的凸轮轴承表面的一部分直接接触。

根据若干方面，一种制造用于铸铝发动机缸体的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的方法包括：制备具有砂芯的汽车发动机缸体阴模部分；将具有至少一个金属冷铁的凸轮孔砂芯定位在砂芯的凸轮轴孔内；以及使用发动机缸体阴模由铝材料铸造汽车发动机缸体，使在发动机缸体的铸造过程中，至少一个金属冷铁的主体部分与至少一个凸轮轴承构件的凸轮轴承表面直接接触，以增加至少一个凸轮轴承构件的冷却速率，并产生具有增强的机械性能的凸轮轴承构件的结晶材料深度。

在本发明的另一个方面，该方法还包括形成至少一个金属冷铁作为第一金属冷铁和第二金属冷铁，第一金属冷铁和第二金属冷铁进一步分别具有向内指向的主体端和位于向内指向的主体端和主体部分之间的连接主体部分。

在本发明的另一个方面，该方法还包括形成至少一个金属冷铁作为第一金属冷铁和第二金属冷铁，第一金属冷铁和第二金属冷铁进一步分别具有通过第一连接主体部分直接连接到主体部分的中心主体部分和通过第二连接主体部分一体地连接到中心主体部分的向内指向的主体端。

根据本文的表述，进一步的适用领域将变得显而易见。应当理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不用于限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

图1是根据示例性方面的铸态发动机缸体的前视透视图；

图2是在模制图1的铸态发动机缸体过程中使用的曲轴箱阴模部分的前视透视图；

图3是加工后图1的铸态发动机缸体的前视透视图；

图4是沿图1的截面4截取的剖视图；

图5是图4的区域5的局部放大图；和

图6是根据本发明的另一个方面的类似于图4的剖视图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。

参照图1，一种制造用于铸铝发动机缸体10的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的系统和方法，包括铝铸态发动机缸体12。加工前的铸态发动机缸体12被示出，且包括多个汽缸孔14和曲轴箱腔16，曲轴箱腔16具有多个曲轴轴承支撑件18(在该视图中仅一个可见)。根据若干方面，铸态发动机缸体12包括凸轮轴孔20，具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22被定位在凸轮轴孔20内，在铸造后和移除具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22前示出。参照图2和图4至图6，进一步讨论具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22。

参照图2并再次参照图1，示出了在将熔融铝倒入模具之前在发动机缸体模具(未示出)内形成的阴模部分24。阴模部分24包括曲轴箱砂芯26，具有延伸穿过曲轴箱砂芯26的下部的曲轴冷铁28。在铝浇注到模具中完成铝冷却和结晶后，产生参照图1所讨论的铸态发动机缸体12，曲轴箱砂芯26被拆开并从铸态发动机缸体12上移除，并且曲轴冷铁28例如沿向下方向30移除以便再次使用。

阴模部分24还包括具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22。根据若干方面，具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22包括凸轮轴砂芯32以及第一金属冷铁34和第二金属冷铁36。在铝浇注以及铝冷却和结晶之后，凸轮轴砂芯32被拆开并从铸态发动机缸体12上移除，并且如参照图4进一步详细讨论的，第一金属冷铁34和第二金属冷铁36可单独地从铸态发动机缸体12上滑动移除以便再次使用。

参照图3并再次参照图1和图2，示出了加工以产生成品发动机缸体38之后的参照图2描述的铸态发动机缸体12。成品发动机缸体38包括多个加工的汽缸孔40。曲轴轴承支撑件18被加工成接纳多个单独的轴承轴颈42，并且多个曲轴轴承盖44紧固到成品发动机缸体38上，并且准备好接纳曲轴(未示出)。在凸轮轴孔20中的凸轮轴轴承构件(参照图5更详细地描述)的精加工之后，安装多个单独的凸轮轴轴颈轴承46(在该视图中仅一个可见)。此时还提供了包括汽缸体台面48的多个加工表面。

参照图4并再次参照图2和图3，根据若干方面，具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22包括第一金属冷铁34和第二金属冷铁36。第一金属冷铁34包括第一金属冷铁主体50，第二金属冷铁36包括与第一金属冷铁主体50基本相同且方向相反的第二金属冷铁主体52。第一金属冷铁主体50和第二金属冷铁主体52包括向外指向的主体部分54、向内指向的主体端56和位于向内指向的主体端56和向外指向的主体部分54之间的连接主体部分58，连接主体部分的直径小于向内指向的主体端56的直径和向外指向的主体部分54的直径。

向外指向的主体部分54的第一锥形表面60定位成在铸造过程中与第一凸轮轴承构件64的第一凸轮轴承表面62直接接触。当铝材料在模具中冷却时，产生第一凸轮轴承构件64。向内指向的主体端56的第二锥形表面66定位成与第二凸轮轴承构件68直接接触，该第二凸轮轴承构件是当铝材料在模具中冷却以形成第二凸轮轴承构件68时产生的。第二金属冷铁36类似地产生，并包括定位成与第三凸轮轴承表面72直接接触的第三锥形表面70和定位成与第四凸轮轴承表面76直接接触的第四锥形表面74。

第一砂芯78围绕第一金属冷铁34的连接主体部分58。第三砂芯80位于第一金属冷铁34和第二金属冷铁36之间。第二砂芯82围绕第二金属冷铁36的连接主体部分58’。根据若干方面，第一延伸构件84可以一体地形成在第一金属冷铁34的向内指向的主体端56上，并且第二延伸构件86可以一体地形成在第二金属冷铁36的向内指向的主体端56’上。第一延伸构件84嵌入在第三砂芯80中，并有助于保持第三砂芯80在模制过程中与向内指向的主体端56接触，并且第二延伸构件86嵌入在第三砂芯80中，并有助于保持第三砂芯80在模制过程中与第二金属冷铁36的向内指向的主体端56’接触。

为了有助于在铝铸造材料冷却后从铸态发动机缸体12上移除第一金属冷铁34，第一释放构件88可以设置为向外指向的主体部分54的整体延伸部。通过将移除工具(未示出)抓持或耦接至第一释放构件88，沿移除方向90从铸态发动机缸体12上移除第一金属冷铁34。类似地，为了有助于在铝铸造材料冷却后从铸态发动机缸体12上移除第二金属冷铁36，第二释放构件92可以设置为向外指向的主体部分54’的整体延伸部。通过将移除工具(未示出)抓持或耦接至第二释放构件92，沿与移除方向90相反的移除方向94从铸态发动机缸体12上移除第二金属冷铁36。

参照图5并再次参照图1至图4，向外指向的主体部分54的第一锥形表面60限定相对于水平平面96的角度α。在铝材料浇注过程中，第一凸轮轴承表面62直接抵接第一锥形面60，因此允许提高与结晶材料深度98相关的第一凸轮轴承表面62的冷却速率，这与铝材料在暴露于空气中以正常冷却速率冷却或者如果铝与砂芯接触以减慢冷却速率冷却相比，产生了第一凸轮轴承表面62的增强的机械性能。由于第一凸轮轴承表面62的结晶材料深度98，当第一凸轮轴承表面62随后被加工成平行于水平平面96并接纳轴承轴颈时，第一凸轮轴承表面62的增强的机械性能得以保持。

根据若干方面，因为向内指向的主体端56嵌入在第一砂芯78和第二砂芯80之间，这可能延迟第二凸轮轴承构件68的冷却速率，向内指向的主体端56可以比向外指向的主体部分54的长度更长，这进一步增强了向内指向的主体端56和第二凸轮轴承构件68之间的热传递。向内指向的主体端56因此可以包括具有大直径102的圆柱形部分100，其过渡到具有第三锥形表面106的圆锥形部分104，第三锥形表面106限定了第二锥形表面66的一部分。第三锥形表面106可以限定相对于水平平面108的角度β。根据若干方面，角度β可以等于角度α，或者可以根据需要从角度α变化，以增强第一金属冷铁34和第二金属冷铁36的移除。在铝材料浇注过程中，第二凸轮轴承表面110直接抵接第三锥形面106，因此允许提高与结晶材料深度112相关的第二凸轮轴承表面110的冷却速率，这产生了第二凸轮轴承表面110的增强的机械性能。由于第二凸轮轴承表面110的结晶材料深度112，当第二凸轮轴承表面110随后被加工成平行于水平平面108并接受轴承轴颈时，第二凸轮轴承表面110的增强的机械性能得以保持。

参照图6并再次参照图1至图5，根据若干方面，具有金属冷铁的凸轮孔砂芯114由具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22修改成延伸第三金属冷铁116和相反指向的第四金属冷铁118的长度，使得第三金属冷铁116和第四金属冷铁118组合延伸铸态发动机缸体12的凸轮轴孔20的基本整个长度。第三金属冷铁116包括向外指向的主体部分120、经由第一连接主体部分124直接连接到向外指向的主体部分116的中心主体部分122、以及由第二连接主体部分128直接连接到中心主体部分122的向内指向的主体端126。用于第三金属冷铁116的金属材料，诸如铁、钢或其它合金，产生存在于与向外指向的主体部分120直接接触的第一凸轮轴承表面130、与中心主体部分122直接接触的凸轮轴承表面132和与向内指向的主体端126直接接触的凸轮轴承表面134的铝材料的结晶材料深度。

类似于第三金属冷铁116，第四金属冷铁118包括向外指向的主体部分136、通过第一连接主体部分140直接连接到向外指向的主体部分136的中心主体部分138、以及通过第二连接主体部分144直接连接到中心主体部分138的向内指向的主体端142。用于第四金属冷铁118的金属材料，诸如铁、钢或其他合金，产生存在于与向外指向的主体部分136直接接触的第四凸轮轴承表面146、与中心主体部分138直接接触的凸轮轴承表面148以及与向内指向的主体端142直接接触的凸轮轴承表面134的一部分的铝材料的结晶材料深度。

根据若干方面，向内指向的主体端126和向内指向的主体端142可以彼此直接接触，或者可以在向内指向的主体端126和向内指向的主体端142之间设置间隙150。在铝材料在模具中冷却后，沿方向152从铸态发动机缸体12上移除第三金属冷铁116，沿与方向152相反的方向154从铸态发动机缸体12上移除第四金属冷铁118。类似于具有金属冷铁的凸轮孔砂芯22，为具有金属冷铁的凸轮孔砂芯114提供砂芯。第一砂芯156围绕第一连接主体部分124，第二砂芯158围绕第三金属冷铁116的第二连接主体部分128。第四砂芯160围绕第二金属冷铁118的第二连接主体部分144，第三砂芯162围绕第一连接主体部分140。根据若干方面，本发明的任何或所有金属冷铁可以是实心的，或者可以包括孔156，因此使得金属冷铁对于金属冷铁的全部或一部分长度是中空的。

继续参照图4、图5和图6，本发明的金属冷铁，包括第一金属冷铁34、第二金属冷铁36、第三金属冷铁116和第四金属冷铁118，它们均由具有高传热系数的材料制成，并且优选地具有高于铝的熔点。因此，本发明的金属冷铁可以由金属制成，诸如但不限于铁、钢或其他合金。金属冷铁的这种材料选择允许在铝浇注到发动机缸体模具中之后，在与金属冷铁直接接触的凸轮轴承表面处的铝材料局部快速冷却，从而在本文所述的凸轮轴承表面处形成结晶材料深度。

本发明的制造用于铸铝发动机缸体10的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的系统和方法向缸体或曲轴箱添加了冷铁，这些冷铁嵌入在凸轮芯中，以改善凸轮通道和隔板之间的高应力过渡区域中的铝微结构。本发明的金属冷铁位于凸轮芯中，以改善过渡到隔板的凸轮通道底部附近的铝材料性能，隔板是V8汽缸体中的高应力区域。

本发明的金属冷铁可以应用于发动机缸体的所有凸轮轴颈。金属冷铁可以是单件或多件。金属冷铁材料可以是球墨铸铁或铸铁、钢或其他合金。金属冷铁可以是实心的，也可以是空心的。

一种制造用于本发明的铸铝发动机缸体10的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯的系统和方法提供了若干优点。这些优点包括提供一个具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，以提高凝固过程中的局部冷却速率并改善凸轮通道下方区域中的铸铝的机械性能。金属冷铁与凸轮孔轴承轴颈的表面直接接触。包括本发明的金属冷铁的倾斜表面的构造促进了铸件凝固和铸件砂落之后的容易移除。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开主旨的变化旨在落入本公开的范围内。这种变化不应被视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，包括：

铸铝发动机缸体；

延伸穿过所述发动机缸体的凸轮轴孔；

具有至少一个金属冷铁的凸轮孔砂芯，在所述发动机缸体的铸造过程中定位在所述凸轮轴孔内；和

所述至少一个金属冷铁的主体部分，在所述发动机缸体的铸造过程中定位成与至少一个凸轮轴承构件的凸轮轴承表面直接接触，以增加所述至少一个凸轮轴承构件的冷却速率，并产生具有增强的机械性能的所述至少一个凸轮轴承构件的结晶材料深度。

2.根据权利要求1所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，其中，所述至少一个金属冷铁限定第一金属冷铁和第二金属冷铁，所述第一金属冷铁和所述第二金属冷铁分别包括向外指向的主体部分、向内指向的主体端和位于所述向内指向的主体端和所述向外指向的主体部分之间的连接主体部分。

3.根据权利要求2所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，其中，所述向外指向的主体部分包括第一锥形表面，所述第一锥形表面定位成与所述至少一个凸轮轴承构件中的第一个的凸轮轴承表面直接接触。

4.根据权利要求3所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，其中，所述向内指向的主体端包括第二锥形表面，所述第二锥形表面与所述至少一个凸轮轴承构件中的第二个的凸轮轴承表面直接接触。

5.根据权利要求4所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，其中，所述第一锥形表面限定相对于水平平面定向的第一角度，并且所述第二锥形表面限定相对于第二水平平面定向的第二角度。

6.根据权利要求2所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，其中，所述连接主体部分的直径小于向内指向的主体端的直径和向外指向的主体部分的直径。

7.根据权利要求2所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，还包括围绕所述第一金属冷铁的连接主体部分的第一砂芯和围绕所述第二金属冷铁的连接主体部分的第二砂芯。

8.根据权利要求7所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，还包括一体地形成在所述第一金属冷铁的向内指向的主体端上的第一延伸构件和一体地形成在所述第二金属冷铁的向内指向的主体端上的第二延伸构件。

9.根据权利要求8所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，还包括位于所述第一金属冷铁和所述第二金属冷铁之间的第三砂芯，所述第一延伸构件嵌入在所述第三砂芯中，并保持所述第三砂芯在模制过程中与所述第一金属冷铁的向内指向的主体端直接接触，并且所述第二延伸构件嵌入在第三砂芯中，并保持所述第三砂芯在模制过程中与所述第二金属冷铁的向内指向的主体端直接接触。

10.根据权利要求2所述的用于发动机缸体系统的具有金属冷铁的混合凸轮孔砂芯，其中，在铸造后沿第一方向从所述凸轮轴孔移除所述第一金属冷铁，并且沿与所述第一方向相反的第二方向从所述凸轮轴孔移除所述第二金属冷铁。

Images