本發(fā)明涉及金屬鑄造，更具體地涉及鋁制缸體鑄件及制造方法。

背景技術(shù)：

本部分中的陳述僅提供與本公開相關(guān)的背景信息，并且可以構(gòu)成或不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

典型的鑄鋁缸體包括以多種配置布置的多個(gè)汽缸。在所有或大多數(shù)配置中，一些汽缸并排對(duì)齊，使得一個(gè)汽缸可以共享相鄰或鄰近汽缸的鑄造結(jié)構(gòu)。所得到的設(shè)計(jì)享有更緊湊和更輕的發(fā)動(dòng)機(jī)組件，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中為其他車輛部件提供更多的空間。

雖然當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了初始目的，但是該設(shè)計(jì)最初不可靠，并且在若干車輛里程或發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)數(shù)之后很快趨于退化。高里程磨損是在汽缸之間的區(qū)域中具有鋁凹坑的結(jié)果，這導(dǎo)致燃燒氣體從一個(gè)汽缸泄漏到相鄰汽缸。這導(dǎo)致故障的缸蓋墊片和非常昂貴的修復(fù)。因此，本領(lǐng)域需要一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，其具有改進(jìn)的初始可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)健性，同時(shí)保持設(shè)計(jì)和重量的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種用于內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。該缸體包括第一缸孔和第二缸孔以及共用缸孔壁。第一缸孔包括第一孔壁。第二缸孔包括第二孔壁。每個(gè)第一孔壁和第二孔壁包括內(nèi)周邊孔表面。共用缸孔壁包括第一部分和第二部分。第一孔壁的一部分與第二孔壁的一部分結(jié)合以形成共用缸孔壁。共用缸孔壁的第一部分是鑄件部分。共用缸孔壁的第二部分是金屬基復(fù)合材料。

在本發(fā)明的一個(gè)示例中，缸體由鋁合金鑄造。

在本發(fā)明的另一個(gè)示例中，共用缸孔壁的第二部分設(shè)置在第一部分中。

在本發(fā)明的又一個(gè)示例中，共用缸孔壁的第二部分的頂表面與共用缸孔壁的第一部分的頂表面結(jié)合，以形成頭部平臺(tái)的一部分。

在本發(fā)明的又一個(gè)示例中，制造缸體的方法包括多個(gè)工藝步驟。第一步驟提供壓實(shí)粉末的預(yù)制件。第二步驟將預(yù)制件設(shè)置在砂芯工具腔的指定位置。第三步驟將砂和樹脂混合物吹入砂芯工具腔中，固化砂和樹脂混合物，并從工具腔中移除包括預(yù)制件的固化的砂芯。第四步驟將包括預(yù)制件的砂芯與其它砂芯組裝，并將組件放入模具中。第五步驟鑄造缸體。第六步驟執(zhí)行摩擦攪拌工藝以將預(yù)制件改變?yōu)榻饘倩鶑?fù)合材料。

在本發(fā)明的又一個(gè)示例中，該方法還包括：在第五步驟和第六步驟之間或在第六步驟之后的熱處理缸體的第七步驟，從缸體清潔砂和多余金屬的第八步驟，以及機(jī)加工缸體并將缸體組裝到發(fā)動(dòng)機(jī)中的第九步驟。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)制件的壓實(shí)粉末是金屬間化合物粉末、氧化物、碳化物和氮化物中的至少一種。

在本發(fā)明的又一個(gè)示例中，摩擦攪拌工藝包括利用具有平坦肩狀部和螺紋圓柱銷的摩擦攪拌工藝工具。

在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)例中，摩擦攪拌工藝包括：將旋轉(zhuǎn)摩擦攪拌工藝工具插入到共用缸孔壁中，產(chǎn)生熱量，以及將鋁合金與壓實(shí)粉末混合以形成金屬基復(fù)合材料。

從下面結(jié)合附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的缸體的透視圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的缸體的一部分的橫截面(A-A)；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于制造缸體的砂芯的平面圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的鑄件內(nèi)包物的透視圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)焊接工具的透視圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的在利用旋轉(zhuǎn)焊接工具的工藝中的缸體的一部分的橫截面(A-A)；以及

圖7是描繪根據(jù)本發(fā)明的制造缸體的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且不旨在限制本公開、應(yīng)用或用途。

參考圖1，示出了總體上由附圖標(biāo)記10表示的用于內(nèi)燃機(jī)的缸體，現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行描述。所示出的缸體10具有若干主要特征，包括多個(gè)缸孔12、曲軸箱部分(未示出)、頭部平臺(tái)16、緊固件孔18、內(nèi)部冷卻腔20和油道22。更具體地，多個(gè)缸孔12可以包括兩個(gè)缸孔至十六個(gè)或更多個(gè)缸孔。在該示例中，四個(gè)缸孔12以“I”形式對(duì)齊，使得每個(gè)缸孔12的軸線彼此平行。在其它示例中，缸孔12可以布置成“V”形、平形或其他布置，而不脫離本發(fā)明的范圍。每個(gè)缸孔12的頂端終止于頭部平臺(tái)16，而每個(gè)缸孔12的底端終止于缸體10的曲軸箱部分14。

關(guān)于多個(gè)缸孔12，缸孔12以“Siamese”方式布置。更具體地，每個(gè)缸孔12與相鄰的缸孔12共用孔壁26。因此，所得到的結(jié)構(gòu)提供了被稱為水套24的內(nèi)部冷卻腔20的一部分，在缸孔12之間不具有冷卻腔20的任何部分。共用孔壁26允許更緊湊的設(shè)計(jì)并且改善了結(jié)構(gòu)的總體剛度。在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的方法100中加工共用孔壁26，以包括代替母體鑄造金屬的金屬基復(fù)合材料(MMC)材料。

現(xiàn)在參考圖2，示出了共用孔壁26的橫截面，現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行描述。共用孔壁26包括第一部分或鑄造部分28和第二部分或MMC部分30。鑄造部分28是具有第一孔表面32和第二孔表面34的鑄件金屬部分。第一孔表面32是第一孔38的表面，而第二孔表面34是與第一孔38相鄰的第二孔40的表面。鑄造部分28包括頂部或頭部平臺(tái)表面36，該頭部平臺(tái)表面與缸體10的頭部平臺(tái)表面16處于相同的高度。第二部分30或MMC部分30是共用孔壁26的具有金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一部分。MMC部分30具有第一側(cè)面42、與第一側(cè)面42相對(duì)的第二側(cè)面44、頂部或頭部平臺(tái)表面46和底部表面48。MMC部分30設(shè)置在共用孔壁26的中心，使得MMC部分30的第一側(cè)面42距第一孔表面32與第二側(cè)面44距第二孔表面34相同的距離。MMC部分30的頭部平臺(tái)46與共用孔壁26的頭部平臺(tái)表面36齊平。MMC部分30在缸體10的局部區(qū)域中提供改進(jìn)的耐久性和強(qiáng)度。在頭部平臺(tái)46處的典型故障模式是金屬凹坑，導(dǎo)致汽缸壓力的損失和頭部墊片故障。除了故障本身，故障的修復(fù)肯定是昂貴的并且可能是災(zāi)難性的。

現(xiàn)在參考圖3和圖4，圖3中示出了用于制造缸體10的砂芯50，圖4中示出了固定在砂芯50中的預(yù)制件52，現(xiàn)在將對(duì)各自進(jìn)行描述。砂芯50在型腔工具中由砂和固化樹脂形成。所示出的砂芯50是缸體10的水套腔24的砂芯。水套24砂芯50與形成缸體的其他特征(例如曲軸箱、孔、水泵等)的其它砂芯組裝。組裝的砂芯位于可包括汽缸的外部特征以及將液態(tài)金屬供給到砂芯組件的內(nèi)腔中所需的冒口和澆口系統(tǒng)的模具中?？商娲?，可以使用其它鑄造工藝來實(shí)現(xiàn)類似的缸體10。例如，敞開的頭部平臺(tái)將允許由永久模具而不是砂芯來形成水套特征。在這種情況下，預(yù)制件52將被直接設(shè)置到模具中，而不是放置在砂芯中。因此，該工藝可用于高壓、低壓、消失?；蚱渌愋偷匿X合金鑄造工藝。此外，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以考慮其它類型的金屬合金?；诣F、鎂或其它輕金屬鑄件的變型可以通過本發(fā)明的工藝改進(jìn)。

如上所述，砂芯50通過將砂和樹脂混合物吹入工具腔中而形成。然后對(duì)混合物放氣以將樹脂固化并硬化成工具腔的形狀。然而，在形成包括預(yù)制件52的該特定砂芯50時(shí)，在將砂和樹脂混合物吹入工具腔中之前，將預(yù)制件52放置在工具腔中的特定位置處。然后將砂和樹脂混合物吹入工具腔中，使預(yù)制件52保持在其設(shè)置位置。接下來，通過放氣固化樹脂將預(yù)制件52固定在適當(dāng)位置。

圖4中所示出的預(yù)制件52包括壓實(shí)粉末部分54和保持器部分56。壓實(shí)粉末54由微米或納米級(jí)氧化物、碳化物、氮化物或其它金屬間化合物粉末(例如氧化鋁Al₂O₃或碳化硅SiC)制成。保持器部分56可以由鋁或鋼形成，然而，可以使用其他材料，而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。

壓實(shí)粉末54形成為遵循缸體10的共用孔壁26的輪廓的形狀。例如，壓實(shí)粉末54包括第一凹側(cè)面58、與第一凹側(cè)面58相對(duì)的第二凹側(cè)面60、頂表面62、與頂表面62相對(duì)的底表面64、第一端66、以及與第一端66相對(duì)的第二端68。更具體地，保持器56包括細(xì)長(zhǎng)的線部分70和固定到線部分70的端部的平圓盤部分72。線部分70從第一端66到第二端68穿過壓實(shí)粉末54。圓盤部分72保持暴露于壓實(shí)粉末54，直到將壓實(shí)粉末54放置在工具腔中并且吹制并固化砂芯50。當(dāng)從工具腔中移除砂芯50時(shí)，圓盤部分72被包在硬化的砂和樹脂中，同時(shí)壓實(shí)粉末54暴露。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，預(yù)制件52也可以以其他方式與砂芯50組合。例如，可以在沒有預(yù)制件52的情況下形成砂芯50，同時(shí)在將型芯組裝到模具中之前，將預(yù)制件52插入砂芯50的槽中。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5和圖6，示出了形成缸體10的其他工藝步驟，現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行描述。在鑄造缸體10并移除砂之后，需要其他工藝步驟以形成共用孔壁26的MMC部分30。然而，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，在該工藝步驟之前，可以進(jìn)行熱處理工藝或其它清潔、去除毛刺或體積測(cè)量工藝。其他工藝步驟包括使用摩擦攪拌工藝將壓實(shí)粉末54變成金屬基復(fù)合材料。圖5示出了具有平坦肩狀部82和螺紋圓柱銷84的摩擦攪拌工藝工具80。圖6示出了該工藝的步驟，其中攪拌工藝工具80旋轉(zhuǎn)并插入到共用孔壁26的MMC部分30中。隨著攪拌工藝工具80的旋轉(zhuǎn)，工具80產(chǎn)生熱量并將母體金屬鋁的鄰近部分與壓實(shí)粉末54的材料混合并形成MMC。

注意圖7，示出了以流程圖用于制造缸體10的過程或方法100，現(xiàn)在將進(jìn)行描述。方法100的第一步驟102包括提供具有由氧化物、碳化物、氮化物或其它金屬間化合物粉末制成的壓實(shí)粉末部分54的預(yù)制件52。第二步驟104包括將預(yù)制件52設(shè)置到砂芯工具腔的指定位置。第三步驟106包括將砂和樹脂混合物吹入并固化到砂芯工具空腔中，并從工具腔中移除包括預(yù)制件的固化砂芯50。第四步驟108將包括預(yù)制件52的砂芯50與其它砂芯組裝，并將組件放入模具中。第五步驟110包括鑄造缸體10。第六步驟112包括從缸體10清潔砂和多余金屬。第七步驟114包括對(duì)缸體10進(jìn)行熱處理。第八步驟116包括執(zhí)行如上所述的摩擦攪拌工藝。第九步驟118包括機(jī)加工缸體10并將缸體10組裝到發(fā)動(dòng)機(jī)中。

雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式，但是本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)用于實(shí)施本發(fā)明的各種替代設(shè)計(jì)和實(shí)例。