ITRM990749A1 - Procedimento per la produzione di un basamento di motore di autoveicolo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: "PROCEDIMENTO PER LA PRODUZIONE DI UN BASAMENTO DI MOTORE DI AUTOVEICOLO"

L'invenzione concerne un procedimento per la produzione di un basamento per motore a combustione interna in materiale contenente prevalentemente alluminio secondo il tipo definito più dettagliatamente nel preambolo della rivendicazione 1.

Grazie ai vantaggi relativi al peso, generalmente è noto e usuale produrre basamenti in alluminio e rispettivamente in leghe di alluminio. A causa delle elevate sollecitazioni meccaniche delle superfici di scorrimento del cilindro, nei basamenti in materiali di alluminio spesso vengono prese in fondita canne dei cilindri in materiale più duro e più resistente all'usura. In questo caso, queste canne dei cilindri sono costituite, nella maggior parte dei casi, da materiale fuso contenente prevalentemente ferro come, ad esempio, la ghisa grigia. A causa del suo alto contenuto di grafite, la ghisa grigia offre, inoltre, sufficienti proprietà di emergenza in caso di breve mancanza di lubrificazione.

Nella pratica, i basamenti in alluminio con canne dei cilindri incorporate all'atto della colata vengono realizzati, in linea di principio, con le due fasi operative descritte in seguito.

I basamenti in alluminio vengono realizzati, ad esempio, per pressocolata, laddove le canne dei cilindri costituite, ad esempio, da ghisa grigia vengono disposte in precedenza nella forma. Dopo il raffreddamento del basamento con le canne dei cilindri incorporate all'atto della colata, le superfici di scorrimento delle canne dei cilindri vengono lavorate fino ad ottenere la loro misura definitiva.

Questo procedimento presenta però alcuni problemi tecnici. Uno dei problemi è dato dai diversi coefficienti di dilatazione termica della canna in ghisa grigia e del basamento in alluminio. Ad esempio, se durante il funzionamento del motore a combustione interna il basamento si riscalda, detto basamento in alluminio si dilata più accentuatamente della canna in ghisa grigia e tra la canna e il basamento si formano tensioni. Queste tensioni possono, infine, addirittura deformare l'alesaggio del cilindro e creare problemi con gli stantuffi che scorrono in questi alesaggi.

Un secondo problema tecnico nell'impiego di basamenti in alluminio con canne di cilindri è dato però dalle proprietà del materiale di alluminio. Con il passare del tempo, un materiale di alluminio invecchia, cosa che avviene in funzione della temperatura e del tempo. Ciò significa che il materiale di alluminio, in seguito a processi di cristallizzazione, aumenta leggermente di volume, mentre la canna del cilindro in ghisa grigia non mostra questo comportamento. Pertanto, durante il funzionamento del motore a combustione interna si formerà una fessura da invecchiamento tra la ghisa grigia e l'alluminio. La fessura tra la canna del cilindro e il materiale in alluminio del basamento, anche in caso di impiego di canne in ghisa grigia, aumenterà di dimensione durante il funzionamento del motore e possono sorgere problemi relativi alla precisione dimensionale geometrica delle canne dei cilindri che possono creare altri problemi e disturbi.

Questa fessura creatasi tra la canna del cilindro e il basamento, oltre al suo influsso meccanico negativo sul comportamento di scorrimento degli stantuffi, crea anche grandi problemi termici nelle canne dei cilindri. Attraverso il traferro si ha un isolamento termico tra la canna del cilindro e il basamento di alluminio che cinge la canna. Siccome i canali previsti per il raffreddamento dei cilindri sono disposti però soltanto nel basamento, il raffreddamento delle canne dei cilindri non può più essere garantito dal traferro isolante. Ciò può generare problemi termici, come la distorsione termica o addirittura un bloccaggio dello stantuffo nell'alesaggio del cilindro.

Nell'edizione speciale del giornale tecnico per automobili e motori (ATZ/MTZ) della Mercedes-Benz A-Klasse (1997) è descritto un procedimento in cui una canna cilindro è eseguita a guisa di cosiddetta canna di massa fusa ruvida. Ciò significa che la canna del cilindro, esternamente, presenta una struttura di massa fusa ruvida. Durante l'avvolgimento del basamento con materiale di alluminio si ottiene una immorsatura meccanica tra il materiale di alluminio che scorre intorno alla canna di massa fusa ruvida e le rugosità superficiali della canna. In questo modo, l'alluminio, dopo il raffreddamento, può ancorarsi meccanicamente alla canna di massa fusa grezza, dal momento che, in linea di principio, non si possono avere collegamenti metallurgici tra l'alluminio e la ghisa grigia. Con questa struttura, i problemi sopra descritti relativi alla formazione della fessura possono essere parzialmente ridotti, però qui si hanno in parte tensioni di materiale molto alte tra il basamento e la canna cilindro rigida in ghisa grigia che, durante la loro lavorazione finale, si riducono in modo svantaggioso .

Pertanto, compito dell'invenzione è quello di realizzare un procedimento in cui il processo di produzione del basamento, costituito prevalentemente da materiale in alluminio con canne dei cilindri in materiale fuso contenente ferro incorporate all'atto della colata, può essere influenzato in modo da garantire un accoppiamento termico delle canne dei cilindri con il basamento e la precisione dimensionale geometrica delle canne dei cilindri durante il funzionamento del motore a combustione interna.

Secondo l'invenzione, questo compito viene risolto con le fasi procedurali descritte nella rivendicazione 1.

Analogamente allo stato della tecnica, in una prima fase procedurale, le canne dei cilindri vengono circonfuse con materiale del basamento che sarà realizzato in seguito.

Dopo il raffreddamento della struttura composita, costituita dalle canne dei cilindri e dal basamento, ha luogo, in una seconda fase operativa secondo l'invenzione, un preparazione della canna del cilindro incorporata all'atto della colata, allargando l'alesaggio del cilindro mediante asportazione di truciolo. La parete della canna del cilindro viene, quindi, ridotta per asportazione di truciolo fino ad uno spessore minore rispetto al suo stato di partenza. Con questa operazione procedurale secondo l'invenzione si ottiene che la canna del cilindro, grazie al minore spessore della parete, presenta una maggiore elasticità di prima della lavorazione preliminare. Lo spessore della parete che rimane dopo la lavorazione preliminare dev'essere scelto in modo che, dopo la fase operativa successiva, anche per la lavorazione finale successiva della canna del cilindro si disponga ancora di materiale sufficientemente abbondante.

La aumentata elasticità e flessibilità della canna del cilindro mostra le sue proprietà particolarmente vantaggiose giusto nella fase procedurale successiva.

La fase operativa successiva, nota nel suo principio, consiste in un invecchiamento artificiale della struttura composita costituita dal basamento e della canne dei cilindri. Con questo invecchiamento artificiale e rispettivamente ricottura di stabilizzazione si ha, praticamente, un invecchiamento artificiale del materiale di alluminio del basamento. In questo caso, il basamento subisce un processo di aumento di volume che si basa sulla ricristallizzazione del materiale contenente prevalentemente alluminio, il quale può essere influenzato dalla variazione della temperatura e del periodo di sosta in modo tale da ritenersi praticamente concluso quando termina l'invecchiamento artificiale.

Pertanto, il processo di aumento di volume dell'alluminio non avviene, come finora, durante il funzionamento del motore a combustione interna ma ha luogo anticipatamente, praticamente in condizioni controllate, durante la produzione del basamento.

Siccome la canna del cilindro viene lavorata preliminarmente fino ad una piccola maggiorazione, essa diventa più elastica e può adattarsi meglio al processo di aumento di volume dell'alluminio. In questo modo si generano tensioni di materiale molto minori di quelle che si hanno nella canna del cilindro non preliminarmente lavorata.

Dopo l'invecchiamento artificiale e rispettivamente la ricottura di stabilizzazione ha luogo una finitura delle canne dei cilindri. In questo modo ha luogo una finitura della superficie interna, in seguito rivolta verso lo stantuffo, delle canne dei cilindri fino ad ottenere la misura definitiva e la necessaria circolarità.

Siccome il processo di invecchiamento dell'alluminio è stato già eseguito in precedenza con l'invecchiamento artificiale e rispettivamente con la ricottura di stabilizzazione, il basamento finito presenterà un numero di tensioni interne molto minore tra la canna del cilindro e il materiale di alluminio del basamento e manterrà molto meglio la circolarità dei cilindri anche per un periodo di tempo più lungo.

In una forma di esecuzione particolarmente vantaggiosa dell'invenzione, le canne dei cilindri sono eseguite in ghisa ruvida. Grazie al processo di aumento di volume del basamento e alla cedevolezza elastica della canna del cilindro, i due materiali possono accoppiarsi fra loro in modo che, durante il funzionamento del motore, non si abbia nessuna fessura o si abbia soltanto una fessura minima e rispettivamente una fessura limitata punto per punto tra il basamento e la canna del cilindro di ghisa ruvida. In questo modo si possono migliorare notevolmente le proprietà di esercizio del motore.

Altre forme di realizzazione vantaggiose dell'invenzione emergono dalle rivendicazioni dipendenti e dall'esempio di esecuzione rappresentato in seguito in linea di principio con riferimento ai disegni. In essi:

La figura 1 mostra una vista in sezione lungo una parte di un basamento con canne dei cilindri incorporate all'atto della colata; e

la figura 2 mostra una vista in sezione secondo la linea II - Il della figura 1.

La figura 1 mostra un basamento 1 per un motore a combustione interna (non rappresentato) con tre canne di cilindri 2 incorporate all'atto della colata. Il basamento 1 è costituito da un lega di alluminio e le canne 2 dei cilindri sono in cosiddetta ghisa ruvida. Con ghisa ruvida, in questo caso, s'intende che una superficie 3 in ghisa ruvida delle canne 2 dei cilindri, rivolta verso il basamento, rimane nella sua struttura superficiale di ghisa ruvida. Grazie a questa superficie di ghisa ruvida 3 della canna cilindro 2, una superficie interna 4 del basamento 1 in lega di alluminio può accoppiarsi molto bene meccanicamente con la superficie 3 della canna cilindro 2.

Nella figura 2 è rappresentata un'altra vista in sezione lungo il basamento 1.

Nel loro processo di produzione, le canne 2 dei cilindri vengono realizzate con uno spessore di parete maggiore rispetto allo stato definitivo. Nelle figure 1 e 2, ciò viene indicato con una linea punteggiata 5.

Durante la produzione, la canna cilindro 2, la quale poi presenta ancora la sua dimensione originale come indicato dalla linea 5, viene disposta in una forma da fonderia per il basamento 1, la quale può essere, ad esempio, uno stampo per pressofusione.

Nella forma da fonderia per il basamento 1, le canne 2 dei cilindri disposte in essa vengono circonfuse dal materiale di alluminio del basamento 1. In questo modo sì ottiene la struttura composita desiderata, costituita dal basamento 1 e dalle canne 2 dei cilindri.

Dopo il raffreddamento della struttura composita costituita dal basamento 1 e dalle canne 2 dei cilindri, le superfici di scorrimento 6 delle canne 2 dei cilindri vengono lavorate preventivamente in modo grossolano ad asportazione di truciolo. In questo caso, esse vengono tornite internamente fino ad ottenere un diametro prestabilito dell'alesaggio del cilindro. Pertanto, questo diametro, il quale nelle figure è indicato con una linea di contorno a punti e tratti 7, dev'essere scelto in modo che, dopo il decorso delle fasi operative successive, rimanga uno spessore di parete della canna 2 del cilindro sufficientemente spesso per lavorare in modo finito la canna 2 del cilindro e rispettivamente l'alesaggio del cilindro fino ad ottenere una misura definitiva di essa e una forma geometrica definitiva di essa.

Nella fase operativa successiva si ha un invecchiamento artificiale e rispettivamente una ricottura di stabilizzazione della struttura composita, costituita dal basamento 1 e dalle canne 2 dei cilindri. In questo "invecchiamento artificiale" del basamento 1 e delle canne 2 dei cilindri ad una temperatura tra 200 e 250°C per più ore, preferibilmente da 3 a 5 ore, ha luogo il processo di aumento di volume descritto del materiale di alluminio del basamento 1. Una parete 8 relativamente sottile rimasta dopo la prima lavorazione della canna 2 del cilindro consente che la canna cilindro 2, in particolare la parete 8 di questa, possa adattarsi più facilmente al materiale di alluminio in fase di aumento di volume del basamento 1.

Dopo l'invecchiamento artificiale, cioè dopo il processo di aumento di volume controllato del materiale di alluminio del basamento 1, la canna 2 del cilindro rimane con una certa acircolarità che viene prodotta dal processo di aumento di volume del materiale di alluminio e dalla deformazione della parete 8 della canna 2 del cilindro. Nella fase di lavorazione fine conclusiva, la superficie di scorrimento interna 6 della canna 2 del cilindro viene lavorata poi in modo da ottenere la forma geometrica definitiva e la misura definitiva. Eventuali differenze dimensionali e acircolarità vengono così eguagliate.

La combinazione di una canna cilindro 2 in ghisa ruvida con il procedimento di produzione descritto produce un accoppiamento ideale tra la canna cilindro 2 e il materiale di alluminio del basamento 1, in modo che, anche quando il motore a combustione interna è in funzione, non si abbiano formazioni di fessure tra il basamento 1 e la canna cilindro 2.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di un basamento per un motore a combustione interna in alluminio oppure in lega di alluminio, con canne di cilindri (2), laddove le canne (2) dei cilindri sono costituite da un materiale fuso contenente prevalentemente ferro, e laddove 1.1 in una prima fase procedurale, le canne (2) dei cilindri vengono cinconfuse, in una forma da fonderia per il basamento (1), con il materiale del basamento, caratterizzato dal fatto che 1.2 in una seconda fase posteriore al raffreddamento della struttura composita, costituita dal basamento (1) e dalle canne (2) dei cilindri, ha luogo una lavorazione grezza delle superfici di scorrimento interne (6) delle canne (2) dei cilindri; 1.3 in una terza fase, la struttura composita costituita dal basamento (1) e dalle canne (2) dei cilindri subisce, per un certo periodo di sosta, in presenza di elevata temperatura, un invecchiamento artificiale; 1 . 4 in una quarta fase, le canne (2) dei cilindri vengono finite in modo da ottenere la forma geometrica definitiva e la misura definitiva.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la canna cilindro (2) presenta, sulla sua superficie esterna (3), una struttura di ghisa ruvida.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che il basamento (1) è costituito da una lega di alluminio con parti di rame e/o di silicio.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, 2 oppure 3, caratterizzato dal fatto che l'invecchiamento artificiale avviene ad una temperatura tra 200 e 250°Celsius .
5. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che l'invecchiamento artificiale viene eseguito per un periodo di tempo tra 3 e 5 ore.
6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la lavorazione grezza della canna cilindro (2) avviene nella seconda fase procedurale mediante tornitura interna .