CN1954090A - 热喷镀预处理方法和经该方法预处理的发动机气缸体 - Google Patents

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Abstract

通过在内表面上形成充分粗糙化的表面改善热喷镀镀层和圆筒内表面的粘附性。加工辊经加压机构安装在处理装置的主轴上。不平表面被设置在加工辊的外周上。通过在辊转动和移动的同时，使加工辊压靠内表面，与辊的不平度相对应的精细的不平度被形成在圆筒内表面上。热喷镀镀层被形成在通过形成上述不平度内表面已经被粗糙化的内表面上。

Description

热喷镀预处理方法和经该方法预处理的发动机气缸体
相关申请
2004年10月15日提交的、包括说明书、附图及权利要求书的日本专利申请No.2004-301983通过引用被整体包含于此。
技术领域
在这里公开的是一种用于在形成热喷镀镀层之前在气缸的内表面上形成粗糙表面的热喷镀预处理方法和一种具有通过该方法形成的粗糙表面的发动机气缸体。
背景技术
传统上，如在日本公开专利No.10-298733中描述的那样，当主要成分是铁的材料被热喷镀在通过铸造形成的铝气缸体的缸膛(cylinder bore)上时，在铸造处理之后进行热喷镀处理之前，焊剂(氟化盐处理)被涂覆在缸膛上并且通过在清洗之后的加热进行其脱水，以便增加材料与缸膛的内表面之间的粘附性(抗剥落)。此外，对铁和铝具有高粘附性的镍合金被热喷镀在缸膛上(粘结涂覆)，然后热喷镀主要成分是铁的材料。在该传统过程中，出现如下问题：要求预热喷镀处理所需的处理时间和因此带来的投资支出(从清洗到粘结涂覆)。
当在影响车辆发动机的重量减小和废气处理的无气缸套铝气缸体的缸膛的内表面上使用主要成分是铁的材料通过这样一种热喷镀形成镀层时，作为一种预处理，可能要求缸膛的内表面粗糙，以增加热喷镀镀层的粘附性。
其粘附性通过形成粗糙表面而增加，因为铝气缸体孔的内表面与热喷镀膜之间的接触面积增加(如果每单位面积的粘附性相同，则粘附性随接触面积变大而增加)，由此提高铝气缸体孔的内表面与热喷镀膜之间的粘附性和引起固着效果。
例如，日本公开专利No.H11-320414公开了一种喷丸处理，作为用于形成粗糙表面的方法。利用该方法，喷丸颗粒可能有时残留在被处理的表面上。如果在这种条件下将热喷镀镀层形成在基材上，则它变得不稳定，由于残留物暴露在基材表面上，或者热喷镀镀层的粘附性减小，从而可靠性降低。
作为一种用于解决该问题的方法，日本公开专利No.H10-77807和No.2002-155350公开了通过使用切削工具在基材上形成粗糙表面的方法。
如在这些专利中所公开的那样，由于通过使用切削工具在基材的表面上形成一个或多个螺旋槽，所以，后来形成的热喷镀镀层的粘附性对沿螺旋槽的方向施加的力的抵抗较弱；因而，基材表面的粗糙化不足，并且不能保证全部热喷镀镀层充分的粘附性，从而热喷镀镀层的可靠性降低。
发明内容
在本方法中，通过在气缸的内表面上形成充分的粗糙度，改善气缸内表面上的热喷镀镀层的粘附性。
明确地说，在气缸的内表面上形成热喷镀镀层之前，在用于在该内表面上形成粗糙表面的热预处理方法中，通过当在其外周表面具有不平度的加工辊转动和移动的同时对该加工辊施压，使内表面充分地粗糙化，从而在气缸的内表面上具有不平的形状，由此避免在例如喷丸处理过程中在气缸的内表面上的喷丸颗粒残留物，并且实现气缸内表面的充分粗糙化，从而可改善热喷镀镀层的粘附性。
附图说明
为了更完整地理解本方法及其优点，现在结合附图进行如下说明，在附图中：
图1是说明图，说明一系列处理：铸造、粗糙化、及热喷镀；
图2是加工辊和工件的第一实施例的示意性横截面图，其中进行本热喷镀预处理；
图3是用于图2的加工辊的加压机构的放大横截面图；
图4是图2的加工辊和工件的示意性俯视图；
图5是工件在气缸的内表面的粗糙化处理之后的状态下的横截面图；
图6是用来进行热喷镀预处理的加工辊和工件的第二实施例的横截面图；
图7是用于图6的加工辊的加压机构的放大横截面图；
图8是四个加工辊的例子的示意性俯视图；以及
图9是热喷镀装置的整体示意图。
具体实施方式
现在参考本方法的实施例将给出说明。尽管权利要求书不限于这些实施例，但通过该方法各种例子的讨论最好地获得该方法各个方面的评价。
通过参考附图，说明实现本方法的方式。
图1是说明图，说明铸造、粗糙化、及热喷镀的一系列处理。如图1所示，首先，通过铸造加工气缸体形成内表面。此后，通过下面说明的方法粗糙化内表面，然后，材料被热喷镀在粗糙化表面上。
图2是插入工件W中的加工辊的横截面图，说明根据本方法第一实施例的热喷镀预处理。
这种热喷镀预处理方法在圆筒形工件W的圆筒内表面1的粗糙化处理中，使用由烧结硬质合金制成的加工辊3。在该情况下，工件W是压铸铝合金(ADC 12材料)，并且以一定精度处理圆筒内表面1。在粗糙化表面被形成在圆筒内表面1上之后，在圆筒内表面上，热喷镀镀层由主要成分是铁的热喷镀材料形成，如图1所示。
作为上述工件W的例子，使用发动机的气缸体。在该情况下，在与圆筒内表面1对应的缸膛内部进行粗糙化处理。
上述加工辊3在其整个外圆周表面上形成有不平表面3a，并且沿轴向的长度稍大于工件W沿同一方向的长度。不平表面3a可以几种形状形成，包括但不限于网状、滚花、线性图案、非线性图案或其它形状。
在该处理过程中，如图2所示，沿轴向的两个边缘都从工件W的圆筒内表面1向外突出。另外，加工辊3被安装在作为处理装置的支撑部的主轴5上，该装置在图中未示出。
主轴5沿轴向的长度大于加工辊3沿同一方向的长度，并且加工辊3通过一对加压机构7安装在主轴5上，这对加压机构7布置在沿轴向与圆筒的内表面的两个边缘相邻的外圆周上。每个加压机构7，如图3中的放大横截面图所示，都包括：大直径圆筒9，其中其一端固定到主轴5；小圆筒11，其被可动地插入大直径圆筒9的另一端；以及螺旋弹簧13，其被包含在圆筒9和11的每一个中。
小直径圆筒11的外端被固定到辊支撑轴15，该辊支撑轴15设置成相对于加工辊3的两个轴端表面的中心部转动。螺旋弹簧13被插入主轴5与辊支撑轴15之间，以总是沿远离主轴5的方向施压加工辊3。在处理过程中，由螺旋弹簧13和辊3对圆筒内表面1所施加的力是例如100N或更大。在小直径圆筒11与大直径圆筒9之间设置图中未示出的锁定装置，使得当加工辊3脱离工件W时，小直径圆筒11不会脱离大直径圆筒9。
接着，说明加工辊的操作。在处理装置的主轴5远离工件W的中心的状态下；也就是说，例如，当加工辊3被插入工件中时，如果主轴5相对于工件W从图2所示的位置向图2中的右边移动，则加工辊3将远离圆筒内表面1。
接着，主轴5的中心与工件W的中心对准，使得如图2所示，加工辊3与圆筒内表面1相接触，并且通过螺旋弹簧13以例如100N或更大的上述力压靠圆筒内表面1。
在该加压条件下，转动主轴5，使得加工辊3的转速变成60rpm。通过这样做，加工辊3在转动和压靠圆筒内壁1的同时移动，如图4的示意性俯视图所示。因此，如图5所示，具有不平形状的粗糙表面1a被形成在圆筒内表面1上。然后，热喷镀镀层被形成在圆筒内表面1，即图6所示的粗糙表面1a上。
如上所述，根据第一实施例，圆筒内表面1在热喷镀镀层形成之前，在加工辊3正在被施压和转动移动的同时，被加工辊3粗糙化，因此，在圆筒内表面1上没有在喷丸处理过程中附着于其上的喷丸颗粒，网状粗糙表面被形成在圆筒内表面1上，与其中形成螺旋槽的情形相比，具有更精细和更有效的粗糙度，从而使热喷镀镀层的粘附性得到改善。
另外，加工辊3沿轴向的长度大于圆筒内表面1沿同一方向的长度；因此，主轴5的一圈转动可完成整个圆筒内表面1的粗糙化处理，由此与其中加工辊3沿轴向的长度小于圆筒内表面1沿同一方向的长度的情形相比，使处理时间减少以及生产率提高。
此外，通过压靠圆筒内表面1进行处理的加工辊3与其中通过使用切削工具形成螺旋槽的情形相比，具有较长的工具寿命。也就是说，当使用切削工具时，由于气缸体膛的内表面被切削工具螺旋切削从而形成螺旋槽，所以切削工具的刀刃被磨掉，并且进一步切削工具被长时间和长距离地使用，从而切削工具的使用期限变短。
图6是被插入工件W中的加工辊的横截面图，说明根据本方法第二实施例的一种热喷镀预处理方法。该实施例借助于两个第一实施例所示的加工辊3进行。这两个加工辊3相对于位于中心的主轴5设置在相对侧。
更进一步地，液压缸17可用作加压机构70，如图7所示，代替第一实施例的螺旋弹簧13。换句话说，该液压缸17的缸体的一端经支撑臂21固定在主轴5上，并且相对于缸体19来回移动的活塞杆23的外端经连接臂25固定在辊支撑轴15上。在缸体19的边缘处的外圆周被支撑成相对于小直径圆筒11沿轴向移动。
尽管图中未示出，但用于液压致动液体的管子经缸体19的外部、支撑臂21和主轴5的内部引到处理装置外部，并且被连接到图中未示出的液压致动装置。
接着，下面说明设备的操作。处理装置的主轴5被插入工件W中，使得主轴5的中心与工件W的中心对准，如图6所示。此时，活塞杆23被置于退回位置，使得各加工辊3远离圆筒内表面1。
在该情形下，通过驱动各自液压缸17使各活塞杆23前进，并且如图6所示，使各加工辊3压靠圆筒内表面1。在该期间，压力是例如如上所述的100N或更大。
在该加压条件下，如第一实施例中那样，转动主轴5，使得加工辊3的转速变成60rpm。各加工辊3在转动和压靠圆筒内表面1的同时绕主轴的中心运动。因此，如图6所示的网状粗糙表面1a形成在圆筒内表面1上。然后，利用稍后描述的方法将热喷镀镀层形成在即粗糙表面1a的圆筒内表面1上。
在第二实施例中，能获得与第一实施例中相同的效果，例如设置在圆筒内表面1上的足够不平的表面，并且另外，由两个加工辊3对圆筒内表面1的加工压力的反作用力彼此相反，由此允许将稳定的加工压力施加到圆筒内表面上，借此可实现高效的粗糙化处理。
另外，当在上述实施例中通过使用粘结剂在加工辊3与圆筒内表面1之间的接触部分上附着粉末镍材料时，可形成粗糙表面1a，同时，当加工辊3压靠圆筒内表面1时，镍材料可被附着在上述粗糙表面1a上。
镍材料与形成圆筒内表面1的铝材料相比，对主要成分是铁的用作热喷镀材料的材料具有更高的粘附性，因此，通过把镍材料粘附到圆筒内表面1上，可进一步改善热喷镀镀层的粘附性。另外，当热喷镀材料被喷镀在圆筒内表面1上时，粉末镍材料被热喷镀的热量熔化，由此进一步改善热喷镀镀层在圆筒内表面1上的粘附性。
代替如图2和3所示的具有单个加工辊3的第一实施例的螺旋弹簧13，可使用如图6和7所示的第二实施例中的液压缸17。另外，代替设置两个加工辊3的第二实施例中的液压缸17，可使用第一实施例的螺旋弹簧13。在该情况下，当设置在主轴5的两侧的加工辊3被插入工件W时，可能需要保持机构，以将相应螺旋弹簧13保持在大直径圆筒9与小直径圆筒11之间的压缩状态下，使得各加工辊远离圆筒内表面1。
另外，如图8的示意性俯视图所示，可沿工件W的周向以相等的间隔设置四个加工辊3。
圆筒内表面1不限于发动机气缸体的缸膛的内表面，并且本方法可应用于其它内部或外部表面。而且，本方法可应用于具有任何形状或表面例如平表面的工件。
此外，通过上述热喷镀预处理加工的圆筒内表面1的粗糙度的形状由诸如激光之类的非接触式形状测量装置测量，并确认精度。
图9是气缸体B的缸膛内表面10经过与上述工件W等效的粗糙化之后，形成热喷镀镀层的热喷镀装置的整体示意图。在该热喷镀装置中，气体喷镀型热喷镀枪31被插入缸膛中央，并且主要成分是铁的熔化金属材料的喷镀滴33，作为热喷镀材料从喷嘴31a喷射，从而热喷镀镀层32被形成在缸膛表面10上。
主要成分是铁的金属材料作为热金属线(thermal wire rod)37从热喷镀送料器35供给到热喷镀枪31，并且燃烧气体和氧气经管子43和45从其中存储诸如乙炔、丙烷、或乙烯之类的燃料的燃气瓶39和其中存储氧气的氧气瓶41分别供给。
上述热金属线37从垂直贯通热喷镀枪中央的热金属线进给孔47的顶缘向下输送材料。燃料和氧气被进给到形成为垂直贯通圆筒部49的气体引导通道51，该圆筒部49在热金属线进给孔47的外侧。燃料和氧气的混合进给气从图9中的气体引导通道51的底部开口51a流出，并被点燃以形成燃烧火焰53。
雾化气流通道55被设置在上述圆筒49的外圆周，并且在其较远的外周缘上，加速空气流动通道61被形成在均为圆筒形状的分隔壁57与外壁59之间。
在雾化气流通道55中流动的雾化空气将燃烧火焰53的热量传送到前方(图9中向下)，由此冷却周边，并且还把熔化的热金属线37传送到前方。沿加速空气流动通道61流动的加速空气，与进给方向相垂直地向上述缸膛内表面10传送被向上传送并熔化为熔化滴33的热金属线37，以在缸膛内表面10上形成热喷镀镀层32。
雾化空气从雾化空气供给源67经具有减压阀69的空气进给管71供给到雾化气流通道55。加速空气从加速空气供给源73经具有减压阀和微雾过滤器(micro-mist filter)77的空气进给管79供给到加速空气流动通道61。
在雾化气流通道55与加速空气流动通道61之间的分隔壁57包括转动圆筒83，该转动圆筒83经图9中在其底部边缘上的轴承81可相对于外壁59转动。位于加速空气流动通道61中的转动叶片85被设置在转动圆筒83的顶部外圆周上。当在加速空气流动通道61中流动的加速空气被施加到转动叶片85上时，转动圆筒83转动。
以与转动圆筒83一体的方式转动的边缘构件87被固定在转动圆筒83的边缘(底部边缘)表面83a上。具有经轴承81连接到上述加速空气流动通道61的喷流通道89的突出部91，被设置在边缘构件87的一部分圆周上，并且喷射熔化滴33的上述喷嘴31a被设置在喷流通道89的边缘上。
在喷镀枪31沿缸膛的轴线方向移动的同时，具有喷嘴31a的边缘构件87以与转动圆筒83一体的方式转动，由此使在缸膛内表面的几乎整个区域上形成热喷镀镀层32。
尽管以上仅详细说明了一些典型实施例，但本领域的技术人员将容易地认识到，可对典型实施例进行多种修改，而不实质脱离这里所叙述的新颖讲授和优点。因而，在所附权利要求书的范围内意图包括所有这样的修改。

Claims (12)

1.一种用于在工件上形成粗糙表面的热喷镀预处理方法，其包括以下步骤：
使具有不平表面的加工辊压靠在所述工件表面上；以及
使所述加工辊相对于所述工件表面转动，以使所述工件表面粗糙化。
2.根据权利要求1所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，所述加工辊具有遍及其整个外圆周的所述不平表面，并且所述不平表面沿轴向的长度大于所述工件表面沿同一方向的长度。
3.根据权利要求1或2所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，在相对于支撑所述加工辊的支撑部的中心的相对侧设置一对所述加工辊。
4.根据权利要求1或2所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，绕支撑所述加工辊的支撑部的中心以等间隔设置四个所述加工辊。
5.根据权利要求1至4任一项所述的热喷镀预处理方法，进一步包括在所述不平表面与所述工件表面相接触之前把镍材料附着到所述不平表面的步骤，由此在所述工件表面被所述不平表面粗糙化的同时，将所述镍材料附着到所述工件表面。
6.根据权利要求1至5任一项所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，在所述工件表面上形成热喷镀镀层之前，进行所述加工辊对所述工件表面的所述压靠和所述加工辊的所述转动。
7.根据权利要求1至7任一项所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，所述工件是发动机气缸体。
8.根据权利要求7所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，所述粗糙化表面包括所述气缸体的内表面。
9.根据权利要求8所述的热喷镀预处理方法，其特征在于，所述气缸体由铝合金制成。
10.一种发动机气缸体，其具有在热喷镀镀层形成之前通过根据权利要求1或2所述的热喷镀预处理方法形成的粗糙表面。
11.一种热喷镀预处理设备，其包括：
主轴；
辊，其上具有不平表面；
辊支撑轴，其上可转动地支撑所述辊；以及
加压机构，其与所述辊连接，其中，所述加压机构迫使至少一个所述辊远离所述主轴。
12.一种用于在气缸体的内表面上形成粗糙表面的热喷镀预处理方法，该热喷镀预处理方法包括以下步骤：
使在外表面上具有不平表面的加工辊压靠在所述气缸体的内表面上；以及
使所述加工辊和所述气缸体相对转动，以使所述气缸体的所述内表面粗糙化。
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