專利名稱：鑄造中空曲軸及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的鑄造中空曲軸。更具體地，本發(fā)明涉及這樣一種中空曲軸，即，在鑄造時(shí)該中空曲軸內(nèi)圍繞其軸線的一部分被去芯，本發(fā)明還涉及上述中空曲軸的制造方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于內(nèi)燃機(jī)，希望在消耗同樣燃油的情況下可行駛更多的里程以及具有更高的性能。對(duì)于曲軸，希望重量減小和摩擦力小。此外，目前為了降低成本必須使制造過程簡(jiǎn)化。通常，球墨鑄鐵被用于鑄造曲軸。但是，在這種情況下，因?yàn)榍S直徑或類似物必須制造得很大以確保機(jī)械性能，所以曲軸的整體重量增加。這使得在例如內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生所需扭矩增加的問題。
通過包套鑄造(enveloped-casting)將被接合到曲軸內(nèi)部的薄壁金屬管形成中空曲軸是公知的解決上述問題的方案。在該曲軸中，減小了重量并省去了油孔的加工。參見例如日本專利公開文獻(xiàn)No.Sho 56-147914。但是，通過沿軸向彎曲用作中空部的管來制造薄壁金屬管是很難的，小直徑的管從該管類似分支地延伸，用作油孔。該曲軸還存在一些制造技術(shù)上的問題，質(zhì)量、成本等，例如由于在鑄造過程中管的冷卻作用使曲軸內(nèi)部硬化而導(dǎo)致剛性不夠，以及由管和鑄鐵材料的粘合劑產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，管表面的氧化等。因此，這種曲軸是不實(shí)用的。
此外，已知通過利用型芯(core)去芯而形成曲軸的銷部、軸頸部以及臂部，從而減小曲柄的重量(例如見日本實(shí)用新型公開文獻(xiàn)No.Sho 57-139722)。另外，還應(yīng)指出上述技術(shù)中臂部中心的強(qiáng)度不夠。為了克服該問題，日本實(shí)用新型公開文獻(xiàn)No.Sho59-177820描述了一種結(jié)構(gòu)，其中在曲柄的臂部的肩部設(shè)置隆起部以增加臂部型芯的截面積，以及護(hù)板在型芯的兩端處支承整個(gè)型芯。但是，通過去芯使臂部變薄受到限制，這是因?yàn)闀?huì)對(duì)曲軸施加很大的應(yīng)力。隆起部的尺寸和位置也由于內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)而受到限制。即使臂部型芯的截面積在型芯的兩端處的護(hù)板支承整個(gè)型芯的結(jié)構(gòu)中被制造得更大，臂部型芯的強(qiáng)度仍然不夠，這是因?yàn)檩S頸部的型芯和銷部的型芯與臂部的型芯相比也變得更大和更重。尤其是，如果使用多缸曲軸等的彎曲單件型芯，在型芯的局部被施加大的應(yīng)力，而不像使用直的型芯的情況。因此，即使當(dāng)臂部型芯的截面積更大，型芯的強(qiáng)度仍然不夠。這使得當(dāng)其被設(shè)置在模具中時(shí)型芯彎曲，或者在澆注熔融金屬時(shí)使型芯浮動(dòng)或損壞。
通常使用芯撐(chaplet)來補(bǔ)充型芯的強(qiáng)度不足。但是，當(dāng)制造中空曲軸時(shí)，并不優(yōu)選使用芯撐。這是因?yàn)樾緭谓?jīng)過各種金屬鍍層工藝，包含了不同于熔融金屬的材料。例如，用于鑄鐵的芯撐由于利用錫進(jìn)行了防腐蝕處理，因而包含了不同于熔融金屬的材料。此外，芯撐被熔化為熔融金屬，最后成為最終鑄件的一部分。另外，如果鑄砂保持在曲軸的中空部中，其將落入到發(fā)動(dòng)機(jī)中并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成很大影響。也就是說，在去芯之后中空部中的鑄砂應(yīng)完全去除。為此，中空曲軸也存在技術(shù)問題。另外，曲軸的軸頸部和銷部的油孔通過機(jī)加工形成。因此，毛邊和碎屑保留在中空部中并產(chǎn)生類似的上述技術(shù)問題。
為了改善型芯的強(qiáng)度，可增加添加到鑄砂中的樹脂等的量。但是，樹脂量的增加會(huì)產(chǎn)生氣體并且產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的可能性很高。因此，增加樹脂量并不是優(yōu)選的。
因此，近年來，通過機(jī)加工形成通孔，所述通孔從軸頸部延伸到銷部的連桿軸承。油經(jīng)由設(shè)置在軸頸部的供應(yīng)口供應(yīng)到連桿和銷部(見日本專利公開文獻(xiàn)No.Hei 7-027126和由Seikosha1991年出版的汽車技術(shù)手冊(cè)(Handbook of Automotive Technology)第二卷，Design，第84頁)。
但是，與前述采用鑄造的方法不同，前述采用機(jī)加工的方法不能大幅度地減小曲軸的重量。此外，因?yàn)楦左w由鋁制成，由于熱膨脹不同使軸頸部的間隙增大，當(dāng)油從軸頸部供應(yīng)到曲軸時(shí)油的泄漏增加。因此，油的供給效率降低。另外，前述采用機(jī)加工的方法需要不同的工藝，即，從軸頸部到連桿軸承斜著形成油孔的工藝。因此，從制造和成本考慮，采用機(jī)加工的方法不是優(yōu)選的。
本發(fā)明申請(qǐng)的發(fā)明人認(rèn)真地進(jìn)行了研究以克服上述問題。作為研究成果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)曲軸重量的減小和油孔的形成都可通過將型芯的截面制成橢圓形、分別在對(duì)應(yīng)曲軸的軸頸部和銷部上的油孔的位置處設(shè)置與型芯一體的護(hù)板部、然后進(jìn)行鑄造來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，在澆注熔融金屬過程中型芯的彎曲和型芯的浮動(dòng)可被有效地避免。發(fā)明人以這種方式完成了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于上述試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種鑄造中空曲軸和制造所述曲軸的方法。其可通過去芯減小重量，可防止在澆注熔融金屬過程中在制造和浮動(dòng)型芯過程中型芯彎曲，以實(shí)現(xiàn)精確制造并提供高的生產(chǎn)率，并可不必機(jī)加工油孔。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于內(nèi)燃機(jī)的鑄造中空曲軸包括在軸頸部中的油孔和/或在銷部中的油孔，所述油孔通過去芯形成。
在本發(fā)明的第一方面，形成油孔的護(hù)板部可與形成中空部的型芯成型為一體的。可選地，與型芯形成為分開件的護(hù)板部可在之后與型芯組裝成一體。護(hù)板部與型芯一體使得油孔形成后不需要后序處理。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在第一方面的鑄造中空曲軸中，中空部在軸頸部和/或銷部處的截面是橢圓形。
利用本發(fā)明的第二方面，通過使中空部的截面為橢圓形，使得曲軸的重量可進(jìn)一步減小。另外還可獲得如下優(yōu)點(diǎn)中空的銷部和軸頸部可有利地減小曲軸的重量。采用橢圓形截面，其中在需要足夠強(qiáng)度的位置(方向)的厚度較厚，在其它位置較薄，這樣可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)地減小重量。此外，分別對(duì)應(yīng)銷部和軸頸部的彎曲型芯的彎曲部的強(qiáng)度由于制造原因必須提高。中空部的橢圓形截面還有效地提高了型芯的強(qiáng)度。另外，使中空部的截面為橢圓形可縮短型芯以形成油孔(即護(hù)板部)。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在第一或第二方面的鑄造中空曲軸中，臂部具有截面為橢圓形的中空部。
利用本發(fā)明的第三方面，使臂部的中空部的截面為橢圓形具有如下優(yōu)點(diǎn)中空的臂部有效地減小了曲軸的重量。采用橢圓形截面，其中壁在需要足夠強(qiáng)度的位置(方向)上的厚度較厚，在其它位置較薄，這樣可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)地減小重量。此外，對(duì)應(yīng)銷臂部的彎曲型芯的彎曲部的強(qiáng)度由于制造原因必須提高。中空部的橢圓形截面有效地提高了型芯的強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在根據(jù)第一至第三方面任一之一的鑄造中空曲軸或其材料的制造中，使用在水平方向彎曲的型芯，所述型芯在軸頸部件和/或銷部件處具有長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸的橢圓形截面，型芯的軸頸部件和銷部件分別對(duì)應(yīng)曲軸的軸頸部和銷部。
在本發(fā)明的第四方面，由于型芯的截面具有長(zhǎng)軸沿著豎直方向的橢圓形形狀，因此可提供型芯的強(qiáng)度。此外，型芯(其用作在豎直方向形成油孔的護(hù)板部)的長(zhǎng)度也可縮短。因此，可使型芯更加穩(wěn)定。
需要注意，此處描述的曲軸的材料用于表示通過鑄造而非機(jī)加工獲得的產(chǎn)品。
長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸的橢圓形形狀由于下述原因而是非常有利的。在型芯被在其兩端部支承的情況下，由于重力，使型芯彎曲的力被施加到型芯在支承點(diǎn)之間的部分。另外，在澆注熔融金屬過程中，浮力被施加到型芯上。但是，通過采用如下的橢圓形形狀可防止由于該力或浮力而造成型芯的偏離等，其中，型芯的厚度在豎直方向較厚以提高型芯的強(qiáng)度。此外，通過使用型芯在豎直方向延伸的、作為護(hù)板部的部分，可可靠地防止型芯的偏離。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，在根據(jù)第四方面的鑄造中空曲軸或其材料的制造中，中空部和油孔利用型芯通過包套鑄造彼此一體成型，所述型芯在水平方向彎曲并包括在軸頸部件和/或銷部件處朝向模具延伸的多個(gè)護(hù)板部。
在本發(fā)明的第五方面，重的軸頸部件、或重的銷部件，或者軸頸部件和銷部件兩者可被型芯的護(hù)板部固定。因此，可容易地實(shí)現(xiàn)精確鑄造，而不需要用于加強(qiáng)型芯的芯撐。此外，可形成不需要后續(xù)加工的油孔。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，在根據(jù)第四或第五方面的鑄造中空曲軸或其材料的制造中，中空部和油孔利用型芯通過包套鑄造彼此一體成型，所述型芯在水平方向彎曲并包括在軸頸部件和/或銷部件處朝向模具豎直延伸的多個(gè)護(hù)板部。
在本發(fā)明的第六方面，重的軸頸部件、或重的銷部件，或者軸頸部件和銷部件兩者可被從上可下沿豎直方向延伸的、型芯的護(hù)板部固定。因此，可容易地實(shí)現(xiàn)精確鑄造，而不需要用于加強(qiáng)型芯的芯撐。此外，可形成不需要后續(xù)加工的油孔。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，在根據(jù)第四至第六方面任一之一的鑄造中空曲軸或其材料的制造中，曲軸的臂部的型芯的截面具有橢圓形截面，所述橢圓形截面的長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用型芯使曲軸形成中空的可減小曲軸的重量，而不會(huì)降低機(jī)械性能。此外，通過與曲軸內(nèi)部的中空部形成一體的軸頸部的油孔和銷部的油孔，可省去機(jī)加工油孔。
另外，根據(jù)本發(fā)明，中空部形成為橢圓形截面，并且，軸頸部的油孔和/或銷部的油孔利用型芯去芯。因此，可進(jìn)一步減小曲軸的重量，提高生產(chǎn)率，從而降低了成本。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法，通過利用沿水平方向彎曲并在軸頸部件和銷部件的至少之一處具有護(hù)板部的型芯可可靠地固定型芯。這樣，可實(shí)現(xiàn)精確鑄造，同時(shí)，可形成油孔。此外，通過形成用于軸頸部和銷部的型芯，使其具有長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸的橢圓形形狀，從而提高型芯本身的強(qiáng)度并減小曲軸的重量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的鑄造中空曲軸的剖視圖；圖2是沿圖1中A-A線截取的鑄造中空曲軸的剖視圖；圖3是本發(fā)明的制造方法中使用的模具和型芯(沿豎直方向)的局部剖視圖；
圖4是本發(fā)明的制造方法中使用的模具和型芯(沿水平方向)的局部剖視圖；圖5是沿圖2中B-B線截取的曲軸的示例性剖視圖；圖6是沿圖2中B-B線截取的曲軸的另一示例性剖視圖；圖7是沿圖2中C-C線截取的曲軸的示例性剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的鑄造中空曲軸和制造所述曲軸的方法。
圖1和圖2根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的鑄造中空曲軸(材料)的剖視圖。
曲軸本體1包括軸頸部4和臂部15，它們具有多個(gè)沿水平方向彎曲的部分并具有橢圓形截面；銷部5，其具有圓形截面；以及中空部3，其穿過兩軸向端部。曲軸本體1的銷部5和兩軸向端部的截面可以形成為橢圓形。
利用與型芯形成為一體的護(hù)板部，在軸頸部4和銷部5中形成多個(gè)油孔。軸頸部4和銷部5中的油孔6可以下述方式設(shè)置，即，油孔被設(shè)置在軸頸部4和銷部5中每一個(gè)的上壁和下壁中的任一個(gè)中或者上壁和下壁的二者中。油孔6的尺寸要考慮曲軸本身的尺寸等來確定。通常，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，油孔6的尺寸優(yōu)選為Φ5mm或更小。
曲軸本體1還包括連桿軸承的銷部7和作為平衡重的曲軸配重8。
在本實(shí)施例中，描述了中空部3只在軸頸部4處的截面為橢圓形的情況。但是，中空部3在軸頸部4和銷部5處的截面可都為橢圓形，或者只在銷部5處的截面為橢圓形。中空部3在軸頸部4和銷部5處的截面都為橢圓形的情況為最優(yōu)選的實(shí)施例。但是，根據(jù)曲軸的形狀和尺寸，中空部在軸頸部4和銷部5中任一個(gè)處的截面可為橢圓形。
中空部3在中空曲軸的臂部15處的截面為橢圓形的原因與軸頸部4和銷部5的原因相同。
圖5和7示出圖1所示的鑄造中空曲軸(材料)在軸頸部4和銷部5處、沿著徑向截取的截面。在該示例中，中空部3具有橢圓形形狀，其中其長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸。軸頸部4和銷部5在上壁和下壁中具有油孔6。在本實(shí)施例中，中空部3的橢圓形截面形狀的長(zhǎng)軸與短軸的比值是3∶2。但是，該比值可在確保足夠強(qiáng)度的范圍內(nèi)變化。此外，中空部3的截面可為帶圓角的四邊形形狀，如圖6所示，以減小曲軸的重量，只要該形狀不會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成不利影響。
下面描述根據(jù)本實(shí)施例的中空曲軸的制造。
在圖3和4所示的鑄造模具(砂模)9被模制后，在上模具放在下模具上之前，型芯2在作為護(hù)板部11的兩端處被下模具支承。同時(shí)，型芯2的軸頸部件12和銷部件13的護(hù)板部被固定到鑄造模具(砂模)9上。請(qǐng)注意型芯2的軸頸部件12和銷部件13分別對(duì)應(yīng)曲軸的軸頸部4和銷部5。通過這種方式，可防止型芯2的變形和移位。然后，上模具與下模具組裝到一起并澆注熔融金屬，從而形成軸頸部4、銷部5和臂部15中每一個(gè)的中空部并同時(shí)形成軸頸部4和銷部5的油孔6。
此處描述的護(hù)板部11是型芯2的、用作將型芯2固定到鑄造模具(砂模)9上的手柄的部分。在本實(shí)施例中，這些部分被布置在型芯2的兩端部處。另外，由于型芯2被固定到鑄造模具(砂模)9上，因此型芯2的軸頸部件12和銷部件13也用作護(hù)板部。在本實(shí)施例中，油孔6由大致為圓錐形且拔模斜度(draft angle)為Φ5mm或更小的軸頸部件12和銷部件13形成。
在鑄造中使用的材料是球墨鑄鐵例如FCD700、合金鑄鐵等。
除了軸頸部件12和銷部件13的護(hù)板部，可在型芯2上與曲軸的銷部的側(cè)面14對(duì)應(yīng)的部分處形成護(hù)板部，以沿著水平方向延伸。護(hù)板部用于在側(cè)面14中形成開口。在該實(shí)例中，型芯2可被可靠地固定在水平方向，去除砂子的過程例如拋丸處理可容易地通過該開口進(jìn)行。
可執(zhí)行熔融鹽處理例如Kolene工藝，用于從已經(jīng)由本實(shí)施例的制造方法鑄造的鑄造中空曲軸(材料)去除砂子，所述鑄造中空曲軸包括彼此一體成型的中空部3和油孔6。Kolene工藝可與本實(shí)施例的鑄造中空曲軸的制造方法相結(jié)合。
如上所述，利用本實(shí)施例的制造方法鑄造的中空曲軸可以是沒有缺陷(例如其中的收縮腔)的完好中空鑄件，并可相對(duì)于實(shí)心曲軸的重量減輕10-20％的重量。此外，潤(rùn)滑劑可從曲軸的兩端部供應(yīng)到其中心。因此可建立潤(rùn)滑劑的有效路徑。此外，型芯的制造、設(shè)置等可簡(jiǎn)化，所需要的油孔的機(jī)加工也被省去。因此，生產(chǎn)率得以提高。
另外，實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的鑄造中空曲軸的重量的減小不是通過改變曲軸的外部而是通過改變軸頸部4和銷部5的內(nèi)部。因此，在不減小曲軸在銷部5的加工圓角部處產(chǎn)生的最大應(yīng)力的情況下可確保彎曲剛度。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的鑄造中空曲軸，所述曲軸包括在軸頸部中的油孔和/或在銷部中的油孔，所述油孔通過去芯形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造中空曲軸，其特征在于，中空部在軸頸部和/或銷部處的截面是橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鑄造中空曲軸，其特征在于，臂部具有截面為橢圓形的中空部。
4.一種用于制造鑄造中空曲軸或其材料的方法，其中所述鑄造中空曲軸如權(quán)利要求1至3中任一所述，并且使用在水平方向彎曲的型芯，所述型芯在軸頸部件和/或銷部件處具有長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸的橢圓形截面，型芯的軸頸部件和銷部件分別對(duì)應(yīng)曲軸的軸頸部和銷部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制造鑄造中空曲軸或其材料的方法，其特征在于，中空部和油孔利用型芯通過包套鑄造彼此一體成型，所述型芯在水平方向彎曲并包括在軸頸部件和/或銷部件處朝向模具延伸的多個(gè)護(hù)板部。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于制造鑄造中空曲軸或其材料的方法，其特征在于，中空部和油孔利用型芯通過包套鑄造彼此一體成型，所述型芯在水平方向彎曲并包括在軸頸部件和/或銷部件處朝向模具豎直延伸的多個(gè)護(hù)板部。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一所述的用于制造鑄造中空曲軸或其材料的方法，其特征在于，曲軸的臂部的型芯的截面具有橢圓形截面，所述橢圓形截面的長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的鑄造中空曲軸及其制造方法，其可通過去芯減小重量，可防止在澆注熔融金屬過程中在制造和浮動(dòng)型芯過程中型芯彎曲，以實(shí)現(xiàn)精確制造并提供高的生產(chǎn)率，并可不必機(jī)加工油孔。在鑄造中空曲軸中，中空部在軸頸部和/或銷部具有橢圓形截面。軸頸部和銷部的油孔通過去芯形成。中空部還在臂部具有橢圓形截面。曲軸的制造使用了在水平方向彎曲的型芯，所述型芯在軸頸部件和/或銷部件處具有長(zhǎng)軸沿豎直方向延伸的橢圓形截面。中空部和油孔利用型芯通過包套鑄造彼此一體成型，所述型芯在水平方向彎曲并包括在軸頸部件和/或銷部件處朝向模具延伸或朝向模具豎直延伸的多個(gè)護(hù)板部。
文檔編號(hào)B22C9/10GK1968769SQ200580019490
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者柴野光弘, 土田知行, 羽山健二 申請(qǐng)人:株式會(huì)社理研, 豐田自動(dòng)車株式會(huì)社