CN117565315A - 塑料发动机缸体及其制造方法和发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了塑料发动机缸体及其制造方法和发动机。塑料发动机缸体的制造方法，包括：向模具内注入熔融塑料，注塑设备的热流道温度设置为400～405℃；浇铸后模具的浇铸口形成与目标发动机缸体连接且后期需要被裁切的多余部位，多余部位与目标发动机缸体的连接处的截面为裁切面，裁切面的面积为1000‑1100mm2；塑料为碳纤维复合PEEK塑料，碳纤维复合PEEK塑料中碳纤维含量为38～42％。发动机缸体，采用本发明实施例提供的制造方法制得。发动机，包括前述的发动机缸体。本发明提供的制造方法制得的塑料发动机缸体具有较佳的性能。
Description
技术领域
本发明涉及发动机制造技术领域，具体而言，涉及塑料发动机缸体及其制造方法和发动机。
背景技术
目前为实现车辆轻量化，减少发动机整机重量，研发出了注塑发动机。注塑发动机由塑料缸体本体和金属缸套组成，这样的结构使得该发动机缸体由大量塑料材质制成，该结构极大的降低了生产的工艺成本和能耗，同时极大的减轻了重量。在生产塑料缸体中可以采用注塑工艺或3D打印生产方式。而采用常规塑料件的制造工艺来制造塑料发动机缸体存在以下问题：
①缸体表面凹坑缺胶；②内部存在较多的气孔，且分布不均匀，严重影响塑件质量，导致产品不合格。
塑料发动机缸体的具体结构可参见申请人的在先专利，例如专利CN202123385383.3和专利CN202221532031.8。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供塑料发动机缸体及其制造方法和发动机。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种塑料发动机缸体的制造方法，包括：
向模具内注入熔融塑料，注塑设备的热流道温度设置为400～405℃；
浇铸后模具的浇铸口形成与目标发动机缸体连接且后期需要被裁切的多余部位，多余部位与目标发动机缸体的连接处的截面为裁切面，裁切面的面积为1000-1100mm2；
塑料为碳纤维复合PEEK塑料，碳纤维复合PEEK塑料中碳纤维含量为38～42％。
在可选的实施方式中，裁切面为矩形，其高度为20～28mm。
在可选的实施方式中，模具具有用于形成目标发动机缸体的模具本体和与模具本体连接的进料部，进料部内开设浇铸口，进料部还设置有与浇铸口连通且用于与热流道连通的浇口，进料部内对应浇铸口的底壁为斜面，使得浇铸口的纵截面尺寸从浇口至模具本体逐渐增大。
在可选的实施方式中，向模具中注入熔融塑料后还包括保压200～260s。
在可选的实施方式中，注塑设备的炮筒温度靠近热流道端的温度为390～400℃。
在可选的实施方式中，炮筒为分段加热，从首端开始至靠近热流道的一端温度逐渐升高。
在可选的实施方式中，炮筒的首端温度为180～220℃。
在可选的实施方式中，模具的温度为180～220℃。
在可选的实施方式中，炮筒内采用螺杆搅拌装置进料。
第二方面，本发明提供一种塑料发动机缸体，采用如前述实施方式任一项的制造方法制得。
第三方面，本发明提供一种发动机，包括如前述实施方式的塑料发动机缸体。
本发明具有以下有益效果：
本发明实施例提供的制造方法，为了保证塑料缸体的强度，采用碳纤维含量较高的复合PEEK塑料作为原料来制造，但由于该塑料中碳纤维含量较高，若常规的注塑工艺制造得到的塑料发动机缸体存在表面缺肉等缺点，因此，在本发明中，特别设计裁切面的大小(等于浇注口实际进料口径的大小)，以及热流道的温度在合适范围内，可保证填充在模具内的塑料具有比较一致的结晶时间，可明显改善制得的塑料发动机缸体表面缺肉的问题，制得的塑料缸体表面平滑，成品率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的制造方法注塑形成目标发动机缸体的示意图；
图2注塑形成的待裁切的目标发动机缸体的示意图，图中虚线圈出部位为需要裁切的多余部位；
图3为待裁切的目标发动机缸体展示多余部位的示意图；
图4为目前的注塑工艺注塑形成的待裁切发动机缸体的展示多余部位的局部示意图；
图5为本申请注工艺注塑形成的待裁切发动机缸体的展示多余部位的局部示意图；
图6为实施例1制得的塑料发动机缸体进气侧裁切面(1025mm2)指示高度的示意图；
图7为实施例1制得的塑料发动机缸体进气侧裁切面(1025mm2)指示长度的示意图；
图8为实施例2制得的塑料发动机缸体进气侧裁切面(1000mm2)指示高度的示意图；
图9为实施例2制得的塑料发动机缸体进气侧裁切面(1000mm2)指示长度的示意图；
图10为实施例3制得的塑料发动机缸体进气侧裁切面(1100mm2)指示高度的示意图；
图11为实施例2制得的塑料发动机缸体进气侧裁切面(1100mm2)指示长度的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的塑料发动机缸体及其制造方法和发动机进行具体说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种塑料发动机缸体的制造方法，包括：
向模具内注入熔融塑料，注塑设备的热流道温度设置为400～405℃；
浇铸后模具的浇铸口形成与目标发动机缸体连接且后期需要被裁切的多余部位，多余部位与目标发动机缸体的连接处的截面为裁切面，裁切面的面积为1000-1100mm2；
塑料为碳纤维复合PEEK塑料，碳纤维复合PEEK塑料中碳纤维含量为38～42％。
本发明实施例提供的制造方法，为了保证塑料缸体的强度，采用碳纤维含量较高的复合PEEK塑料作为原料来制造，但由于该塑料中碳纤维含量较高，若常规的注塑工艺制造得到的塑料发动机缸体存在表面缺肉等缺点，发明人发现，影响塑料发动机缸体存在表面缺肉等缺点之一在于之前的工艺浇铸口尺寸太小，如图4所示，致使产品肉厚大的地方没有完全冷却，胶口已经冻结。保压无法对肉厚厚的地方补充填充。因此，在本发明中，特别增大模具浇注口实际进料口径的大小(如图5所示，裁切面的大小等于浇铸口的实际有效大小)，以及热流道的温度在在合适范围内，可保证填充在模具内的塑料具有比较一致的结晶时间，可明显改善制得的塑料发动机缸体表面缺肉的问题，制得的塑料缸体表面平滑，成品率高。
具体地，裁切面为矩形，其长度为40～48mm(例如40mm、42mm、44mm、46mm或48mm)，即多余部位与目标发动机缸体连接处长度为40～48mm。
可选地，模具具有用于形成目标发动机缸体的模具本体和与模具本体连接的进料部，进料部内开设浇铸口，进料部还设置有与浇铸口连通且用于与热流道连通的浇口(浇筑完成后浇口对应形成图3中凸起)，进料部内对应浇铸口的底壁为斜面(即形成的多余部位的底面对应为斜面，如图3所示，与竖直面的夹角例如可以为60°)，使得浇铸口的纵截面尺寸从浇口至模具本体逐渐增大。由于模具结构复杂，为简要且清晰对本方案进行说明，仅提供采用模具成型后的结构。
进一步地，向模具中注入熔融塑料后还包括保压200～260s(例如200s、240s或260s)。
上述保压时间相较于普通的保压时间长得多，经上述保压时间保压后，塑料缸体表面的气孔明显减少，外观较好，强度较高。
进一步地，注塑设备的炮筒温度靠近热流道端的温度为390～400℃(例如390℃、395℃或400℃)。
经炮筒加热至上述温度范围内可保证进入热流道后温度可升高至400～405℃(例如400℃、402℃或405℃)，从而保证制得的产品的质量。
进一步地，炮筒为分段加热，从首端开始至靠近热流道的一端温度逐渐升高。
由于PEEK材料具有吸湿性，因此进入炮筒内的PEEK物料中含有一定的水分，炮筒的升温为从首端至尾端逐渐升高，则PEEK物料在进料过程中水分会慢慢挥发，能起到一定的除湿作用。
进一步地，炮筒内采用螺杆搅拌装置进料。由于炮筒的加热温度为从首端到尾端逐渐升高，PEEK物料刚加入时流动性较差，为了保证制造效率，采用螺杆搅拌装置进料不仅能够确保PEEK与碳纤维充分混匀，还能确保进料更顺畅。
优选地，炮筒的首端温度(即进料温度)为180～220℃(例如180℃、200℃或220℃)。物料从炮筒的首端至尾端，温度逐渐由180～220℃升高至390～400℃(例如390℃、395℃或400℃)。
进一步地，使用的设备的炮筒内的加热元件可以为电阻丝也可以为液压油，可优选液压油，以液压油加热的炮筒其温度控制更精准。
优选地，模具的温度为180～220℃。在注塑时控制模具温度为180～220℃可进一步保证制得的塑料发动机缸体的力学性能。
本发明实施例提供的塑料发动机缸体，采用本发明实施例提供的制造方法制得。该塑料发动机缸体质量好，具有较佳的力学性能。
本发明实施例提供的发动机，包括本发明实施例提供塑料发动机缸体。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
设计待裁切的目标发动机缸体的裁切面面积为1025mm2，其为长方形，长度为41mm，高度为25mm。如图6和图7所示，两图截面看起来长度和高度比好像不同，其实是由于视图的缩放导致的，二图所示截面实质相同。
浇铸口设置在模具的上端，均匀分布4个。
使用碳纤维复合PEEK塑料作为原料，其中碳纤维含量为40％，余量为PEEK。
设置炮筒首端温度为200℃，靠近热流道端温度为395℃，热流道内温度为400℃，模具内温度为200℃。
设置保压时间为230s。
实施例2
设计待裁切的目标发动机缸体的裁切面面积为1000mm2，其为长方形，长度为40mm，高度为25mm。如图8和图9所示，两图截面看起来长度和高度比好像不同，其实是由于视图的缩放导致的，二图所示截面实质相同。
浇铸口设置在模具的上端，均匀分布4个。
使用碳纤维复合PEEK塑料作为原料，其中碳纤维含量为38％，余量为PEEK。
设置炮筒首端温度为200℃，靠近热流道端温度为390℃，热流道内温度为400℃，模具内温度为200℃。
设置保压时间为260s。
保压结束后冷却、脱模。
实施例3
设计待裁切的目标发动机缸体的裁切面面积为1100mm2，其为长方形，长度为44mm，高度为25mm。如图10和图11所示，两图截面看起来长度和高度比好像不同，其实是由于视图的缩放导致的，二图所示截面实质相同。
浇铸口设置在模具的上端，均匀分布4个。
使用碳纤维复合PEEK塑料作为原料，其中碳纤维含量为42％，余量为PEEK。
设置炮筒首端温度为200℃，靠近热流道端温度为400℃，热流道内温度为405℃，模具内温度为200℃。
设置保压时间为200s。
对比例1
本对比例相对于实施例2基本相同，不同之处仅在于：所使用的原料中碳纤维含量为33％。
对比例2
本对比例相对于实施例3基本相同，不同之处仅在于：所使用的原料中碳纤维含量为45％。
对比例3
本对比例相对于实施例3基本相同，不同之处仅在于：保压时间为100s。
对比例4
本对比例相对于实施例3基本相同，不同之处仅在于：保压时间为150s。
对比例5
本对比例相对于实施例2基本相同，不同之处仅在于：炮筒温度靠近热流道端为380℃，热流道内温度为385℃。
对比例6
本对比例相对于实施例3基本相同，不同之处仅在于：设计裁切面的面积为1150mm2，且高度与实施例1相同，长度为46mm。
对比例7
本对比例相对于实施例2基本相同，不同之处仅在于：设计裁切面的面积为975mm2，且长度与实施例1相同，高度为39mm2。
实验例
测试各个实施例和对比例制得的塑料发动机缸体的品质，测试主要有三个方面：1.气孔数量及分布情况；2.表面是否存在缺肉；3.力学性能。
1.气孔数量及分布情况的测试方法为：工业CT检测。
2.表面是否存在缺肉的测试方法为：质检员观察。
3.力学性能的测试方法为：拉伸测试。
将测试结果记录至表1～3：
表1气孔数量及分布情况
通过表1可看出，本发明各个实施例制得的塑料发动机缸体所含气孔较少，且有规律分布在产品中间，这是由于壁厚太厚的原因造成，注塑制造无法完全避免，可以通过中间增加嵌件的方式来解决。对比例2由于碳纤维含量较多，由于碳纤含量增加流动阻力变大，使得填充不充分，从而导致其存在缺胶、气孔较多的问题；对比例3和对比例4由于保压时间短，其所含气孔明显更多；对比例5由于炮筒及热流道温度低，熔体的黏度增大，流动性下降，导致产品出现多种缺陷缺胶、裂口等。对比例6由于裁切面(浇铸口实际有效进料大小)设计尺寸过大，浇口冷凝慢,浇口周围产生过剩的剩余应力,导致产品浇口部位发生明显变形；对比例7由于裁切面(浇铸口实际有效进料大小)尺寸过小，进胶阻力变大在产品进胶末端部位发生缺胶的现象。
表2缺肉情况统计
通过表2可看出各个实施例均不存在缺肉情况。对比例2由于碳纤含量增加流动阻力变大，使得填充不充分，从而导致其存在缺胶的问题；对比例5由于热流道温度相较于实施例低，进入模具内的熔融塑料结晶时间一致性较差，因此也存在一定程度的缺肉；对比例7由于裁切面(浇铸口实际有效进料大小)尺寸过小，进胶阻力变大，在产品进胶末端部位发生缺胶的现象。
表3力学性能
| 组别 | 抗拉强度/mpa |
| 实施例1 | 324 |
| 实施例2 | 322 |
| 实施例3 | 321 |
| 对比例1 | 280 |
| 对比例2 | 103 |
| 对比例3 | 120 |
| 对比例4 | 150 |
| 对比例5 | 140 |
| 对比例6 | 320 |
| 对比例7 | 130 |
通过上表可看出，各个实施例制得的塑料发动机缸体均具有较佳的力学性能。将实施例2与对比例1对比，对比例1的塑料中碳纤维含量较少，制得的缸体的抗拉强降低；将实施例3与对比例3对比，对比例2中的塑料中碳纤维含量较高，由于碳纤含量增加流动阻力变大，使得填充不充分，从而导致其存在缺胶，气孔较多的问题，从而导致制得的缸体的抗拉性较差；将对比例3、4、5与对应的实施例对比，其抗拉性明显较差，这说明了在合适的注塑温度和保压时间条件下制得的塑料缸体的力学性能才能更好。对比例6由于裁切面(浇铸口实际有效进料大小)设计尺寸过大，产品浇注口存在缺陷，但取样拉伸测试位置在产品底部，故基本没有影响；对比例7由于裁切面(浇铸口实际有效进料大小)尺寸过小，进胶阻力变大在产品进胶末端部位发生缺胶的现象，该位置为取样拉伸测试位置。
综上，本发明实施例提供的制造方法，为了保证塑料缸体的强度，采用碳纤维含量较高的复合PEEK塑料作为原料来制造，但由于该塑料中碳纤维含量较高，若常规的注塑工艺制造得到的塑料发动机缸体存在表面缺肉等缺点，因此，在本发明中，特别设定模具浇铸口实际有效进料大小(裁切面大小)，以及热流道的温度在在合适范围内，可保证填充在模具内的塑料具有比较一致的结晶时间，可明显改善制得的塑料发动机缸体表面缺肉的问题，制得的塑料缸体表面平滑，成品率高。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种塑料发动机缸体的制造方法，其特征在于，包括：
向模具内注入熔融塑料，注塑设备的热流道温度设置为400～405℃；
浇铸后所述模具的浇铸口形成与目标发动机缸体连接且后期需要被裁切的多余部位，所述多余部位与所述目标发动机缸体的连接处的截面为裁切面，所述裁切面的面积为1000-1100mm2；
所述塑料为碳纤维复合PEEK塑料，所述碳纤维复合PEEK塑料中碳纤维含量为38～42％。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述裁切面为矩形，其高度为20～28mm；
可选地，所述模具具有用于形成所述目标发动机缸体的模具本体和与所述模具本体连接的进料部，所述进料部内开设所述浇铸口，所述进料部还设置有与所述浇铸口连通且用于与所述热流道连通的浇口，所述进料部内对应所述浇铸口的底壁为斜面，使得所述浇铸口的纵截面尺寸从所述浇口至所述模具本体逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，向模具中注入熔融塑料后还包括保压200～260s。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述注塑设备的炮筒温度靠近所述热流道端的温度为390～400℃。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述炮筒为分段加热，从首端开始至靠近所述热流道的一端温度逐渐升高。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述炮筒的首端温度为180～220℃。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述炮筒内采用螺杆搅拌装置进料。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述模具的温度为180～220℃。
9.一种塑料发动机缸体，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的制造方法制得。
10.一种发动机，其特征在于，包括如权利要求9所述的塑料发动机缸体。
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