專利名稱：砂模鑄造帶有鑄態(tài)凹角的燃燒碗狀物的柴油機(jī)活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)部件的裝置和方法，并且更具體地涉及帶有復(fù)雜特征的先進(jìn)的雙金屬活塞和其鑄造方法。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃機(jī)中使用的活塞通常由頭部(也稱作圓頂)、裙部、一個(gè)或多個(gè)環(huán)槽、和環(huán)槽之間的環(huán)槽脊構(gòu)成。更加嚴(yán)格的排放和效率要求規(guī)定未來活塞將需要在更接近化學(xué)當(dāng)量的條件下、更高的氣缸壓力下和更緊的封裝體制下運(yùn)行，這進(jìn)而將使更高的部件負(fù)載和運(yùn)行溫度狀況成為必然。這對(duì)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞來說尤其如此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)除了作為大型、商用車輛的主流發(fā)動(dòng)機(jī)形式外，還被日益廣泛地用于為載客車輛提供動(dòng)力。同樣，需要開發(fā)更加先進(jìn)的圓頂設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)更加徹底、高效的燃燒過程，這愈加提高了燃燒室內(nèi)的溫度。這些先進(jìn)的圓頂設(shè)計(jì)，由于它們的三維(3D)輪廓，要求更加復(fù)雜的鑄模形狀，這增加了鑄造這些活塞的難度，或使得必須采用過度的機(jī)加工來實(shí)現(xiàn)期望的圓頂幾何形狀。更高的運(yùn)行溫度要求使用能在這些狀況下運(yùn)行的材料。冷卻方案已被用作提高活塞和相關(guān)的高溫部件的壽命的方式。實(shí)現(xiàn)冷卻的一種方法是使已經(jīng)存在的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑穿過形成在活塞中的通道。用于圓頂直接暴露給燃燒過程，所以冷卻該圓頂會(huì)有顯著的益處。 然而，添加冷卻通路進(jìn)一步增加了鑄造活塞的難度。傳統(tǒng)的可長期使用的形式的鑄造，例如永久鑄模鑄造，不能很好地適用于形成復(fù)雜的形狀。特別地，該鑄模的永久本質(zhì)，結(jié)合在一些形狀(例如上面討論的3D圓頂形狀)中出現(xiàn)的凹角區(qū)域，限制了在鑄造件被固化后就縮回該零件的能力。結(jié)果，需要對(duì)該鑄造機(jī)進(jìn)行大量的機(jī)加工來產(chǎn)生復(fù)雜的形狀。這種額外的機(jī)加工是永久鑄模鑄造方法的復(fù)雜性和成本的原因之一。由于永久鑄模鑄造，零件質(zhì)量還可能變差。冒口的存在可能影響活塞的微結(jié)構(gòu)和可實(shí)現(xiàn)的晶粒細(xì)化的量。例如，大冒口的相對(duì)大的熱質(zhì)量往往減慢鑄造部件的固化， 而快速冷卻和伴隨的改進(jìn)的機(jī)械性質(zhì)(如被較小的二次枝晶間距(SDAS)的存在所證實(shí)的) 通常是期望的。在將澆口內(nèi)位置與冒口側(cè)相比時(shí)，機(jī)械性質(zhì)會(huì)有多達(dá)20%的差異。圖1示出了鑄態(tài)活塞的俯視圖的一個(gè)實(shí)施例。圖2示出了機(jī)加工后的活塞的立體圖，清晰地證實(shí)了產(chǎn)生所述圓頂所需要的大量的機(jī)加工。為了克服永久鑄模鑄造的形狀限制，可采用其它方法，包括各種不同形式的可消耗鑄模鑄造，例如熔模(或失蠟)鑄造、砂模鑄造等。砂模鑄造方法的一個(gè)變型，已知為鹽芯鑄造，采用與砂模鑄造大體相似的技術(shù)，除了將水溶性鹽用于內(nèi)部鑄模幾何形狀，而不是用濕砂或干砂。一旦零件被制成，可用水將鹽鑄模沖走，無需使該零件經(jīng)歷任何額外的熱載荷。鹽芯鑄造具有存儲(chǔ)和處理的問題，這減弱了它的吸引力。
另一已被用于建造鑄態(tài)圓頂?shù)姆椒ㄊ前胗谰描T模鑄造。這種方法仍要求燃燒碗狀物被機(jī)加工。和上面討論的永久鑄模鑄造一樣，仍要求冒口顯著地離開圓頂。另外，更高的輸出(即，高性能)活塞還可要求碗狀物邊沿再熔化。這些額外的工藝顯著地增加了活塞的成本。這對(duì)于再熔化作業(yè)和碗狀物機(jī)加工的成本來說尤其如此，并且對(duì)于被構(gòu)造為在高溫度和高壓力狀況下運(yùn)行的活塞(例如高輸出柴油機(jī)活塞)來說更是如此。這種活塞可運(yùn)行在約200巴氣缸壓力和約400攝氏度下，并且包含在甚至更顯著的成本影響下使用鋼鍛件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是制造柴油機(jī)活塞的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括提供用于活塞的模型，該模型包括圓頂和凹角的碗狀物；在該模型周圍形成活塞鑄模，所述鑄模包括骨料材料和結(jié)合劑；從所述活塞鑄模去除所述模型；將熔融金屬引入所述活塞鑄模；用所述結(jié)合劑的溶劑接觸所述活塞鑄模并去除結(jié)合劑和骨料；冷卻所述熔融金屬；并且固化所述熔融金屬以形成帶有圓頂和凹角的碗狀物的活塞而無需鑄造后的處理。本發(fā)明還提供了如下方案
方案1. 一種制造柴油機(jī)活塞的方法，包括 提供用于該活塞的模型，該模型包括圓頂和凹角的碗狀物； 在該模型周圍形成活塞鑄模，該鑄模包括骨料材料和結(jié)合劑； 從該活塞鑄模去除所述模型； 將熔融金屬引入所述活塞鑄模；
用所述結(jié)合劑的溶劑接觸所述活塞鑄模并去除所述結(jié)合劑和骨料； 冷卻所述熔融金屬；和
將所述熔融金屬固化以形成帶有所述圓頂和所述凹角的碗狀物的活塞，而無需鑄造后的處理。方案2.如方案1所述的方法，其中所述結(jié)合劑是水溶性的，并且其中所述溶劑是水。方案3.如方案1所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬和固化所述熔融金屬是單獨(dú)受控的。方案4.如方案3所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬和固化所述熔融金屬是通過在其它區(qū)域之前將所述溶劑應(yīng)用到所述活塞的一個(gè)區(qū)域上或通過向活塞的不同區(qū)域應(yīng)用不同量的溶劑而單獨(dú)受控的。方案5.如方案1所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、陶瓷微球、或它們的各種組合。方案6.如方案1所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬包括用溶劑接觸所述熔融金屬周圍的固化金屬殼。方案7.如方案1所述的方法，還包括
提供用于內(nèi)部冷卻通道的鑄模，用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模包括第二骨料材料和第二結(jié)合劑；
在將所述熔融金屬引入到所述活塞鑄模內(nèi)前，將用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模放置在所述活塞鑄模中；和用所述第二結(jié)合劑的溶劑接觸用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模并去除所述第二結(jié)合劑和第二骨料。方案8.如方案6所述的方法，其中所述第二骨料材料和第二結(jié)合劑與用于所述活塞鑄模的骨料材料和結(jié)合劑相同。方案9.如方案1所述的方法，其中用所述結(jié)合劑的溶劑接觸所述活塞鑄模包括用所述溶劑噴灑所述活塞鑄模。方案10. —種制造柴油機(jī)活塞的方法，包括
提供用于該活塞的模型，該模型包括圓頂和凹角的碗狀物；
在該模型周圍形成活塞鑄模，該鑄模包括骨料材料和水溶性結(jié)合劑；
從該活塞鑄模去除所述模型；
將熔融金屬引入所述活塞鑄模；用水接觸所述活塞鑄模并去除所述結(jié)合劑和骨料；
冷卻所述熔融金屬；和
將所述熔融金屬固化以形成帶有所述圓頂和所述凹角的碗狀物的活塞，而無需鑄造后的處理。方案11.如方案10所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬和固化所述熔融金屬是單獨(dú)受控的。方案12.如方案11所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬和固化所述熔融金屬是通過在其它區(qū)域之前將水應(yīng)用到所述活塞的一個(gè)區(qū)域上或通過向活塞的不同區(qū)域應(yīng)用不同量的水而單獨(dú)受控的。方案13.如方案10所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、陶瓷微球、或它們的各種組合。方案14.如方案10所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬包括用水接觸所述熔融金屬周圍的固化金屬殼。方案15.如方案10所述的方法，還包括
提供用于內(nèi)部冷卻通道的鑄模，用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模包括第二骨料材料和第二結(jié)合劑；
在將所述熔融金屬引入到所述活塞鑄模內(nèi)前，將用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模放置在所述活塞鑄模中；和
用所述第二結(jié)合劑的溶劑接觸用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模并去除所述第二結(jié)合劑和第二骨料。方案16.如方案15所述的方法，其中所述第二骨料材料和第二結(jié)合劑與用于所述活塞鑄模的骨料材料和結(jié)合劑相同。方案17.如方案10所述的方法，其中用水接觸所述活塞鑄模包括用水噴灑所述活
塞鑄模。


當(dāng)結(jié)合下列附圖閱讀時(shí)，能最佳地理解下面對(duì)具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的參考標(biāo)記指示，其中圖1是處于當(dāng)前的鑄態(tài)狀況下的本發(fā)明的柴油機(jī)活塞的俯視圖，其中圓頂完全由鑄造完成，示出了過度的冒口 ；和
圖2是在最終的機(jī)加工后的圖1的柴油機(jī)活塞的立體圖。
具體實(shí)施例方式消融鑄造方法可用于生產(chǎn)帶有包括鑄態(tài)凹角碗狀物的圓頂和任選的內(nèi)部冷卻通道的活塞。消融鑄造使用無機(jī)(即，水溶性)型芯，并且水被噴灑到鑄模上，鑄模慢慢被沖走 (因此術(shù)語“消融”)，從而快速地冷卻鑄造件?？焖倮鋮s產(chǎn)生了改進(jìn)的機(jī)械性質(zhì)。消融鑄造允許產(chǎn)生帶有精細(xì)固化微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件。水的應(yīng)用允許彼此獨(dú)立地控制部件的固化和冷卻(例如，通過在其它區(qū)域之前將水應(yīng)用到鑄造件的特定區(qū)域或者通過向不同的區(qū)域應(yīng)用不同量的水)。通過提供為實(shí)現(xiàn)整個(gè)剖面的更高機(jī)械性質(zhì)(例如在室溫和高溫下的拉伸性質(zhì)和疲勞性質(zhì))經(jīng)常所需要的高固化速率和改善的微結(jié)構(gòu)，消融鑄造允許形成復(fù)雜的零件，例如那些兼有薄和厚剖面的零件，以及帶有復(fù)雜的內(nèi)芯的零件。整個(gè)剖面的性質(zhì)比那些用碗狀物邊沿再熔化制造的零件更優(yōu)，碗狀物邊沿再熔化僅在表面下微小的深度程度上(例如， 幾毫米)提供期望的精細(xì)微結(jié)構(gòu)。消融鑄造工藝大體在美國專利7121318中被描述，該專利通過參考并入本文。由材料形成模型，并且圍繞該模型的至少一部分形成鑄模。該鑄模由骨料材料和結(jié)合劑構(gòu)成。 從該鑄模去除該模型，并且然后將熔融金屬引入到該鑄模內(nèi)。用溶劑接觸該鑄模，并且使所述熔融金屬冷卻，使得該熔融金屬至少部分地固化以形成鑄造件。冷卻步驟包括用溶劑接觸熔融金屬周圍的固化金屬殼。消融鑄造通常還沒有被用于鑄造柴油機(jī)活塞，并且更不用說帶有凹角的碗狀物的柴油機(jī)活塞。美國專利7164963、7618823 和 7225049 描述了消失模鑄造(lost foam casting) (消融鑄造的一種類型)的分析方法，每一個(gè)上述專利都通過參考并入本文。消融鑄造的使用提供了鑄造帶有近凈形圓頂?shù)幕钊鵁o需其它工藝所要求的顯著的鑄造后處理和/或機(jī)加工的可能性。因此，圓頂和燃燒碗狀物可被同時(shí)鑄造。在一個(gè)特別的形式中，凹角的碗狀物和內(nèi)部通道將借助骨料一次性鑄模來生產(chǎn)，可利用澆鑄模具中的可縮回的工具通過傳統(tǒng)的型芯技術(shù)產(chǎn)生該骨料一次性鑄模。在當(dāng)前的背景下，澆鑄介質(zhì)的骨料形式包括，但不限于，硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、陶瓷微球等。與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的益處包括，但不限于，下列中的一項(xiàng)或多項(xiàng)減少的機(jī)加工成本、用于改進(jìn)機(jī)械性質(zhì)的改善的鑄態(tài)微結(jié)構(gòu)、利用砂(或相關(guān)的)澆鑄工藝來專門制造圓頂中的凹角區(qū)域、減小鑄造件重量、和消除對(duì)內(nèi)部鹽芯的需要。傳統(tǒng)的鹽芯可被與活塞鑄模相同材料的骨料芯代替。在一種形式中，砂模鑄造可被用于生產(chǎn)本發(fā)明的活塞。該工藝將大大減少通常與永久鑄模鑄造一起使用的大而重的冒口，從而導(dǎo)致了改進(jìn)的材料產(chǎn)出。而且，消融鑄造本身固有的高冷卻速率使得更容易使該工藝適合實(shí)現(xiàn)帶有改進(jìn)的材料性質(zhì)的改善的微結(jié)構(gòu)。這些改進(jìn)的材料性質(zhì)會(huì)提供作為整體來說更強(qiáng)的活塞，以及連續(xù)地通過嚴(yán)格的氣缸墊有效性測試所需的活塞碗狀物邊沿強(qiáng)度(無需必須再熔化該區(qū)域)。在一個(gè)具體形式中，該鑄?？捎尚蜕爸瞥?，該型砂能用于消融鑄造，使得能容易地且低成本地制造復(fù)雜的圓頂形狀，包括那些帶有底切和內(nèi)部冷卻通道特征的。如此，型砂鑄?？捎米飨诠に嚨囊徊糠?。改進(jìn)的材料產(chǎn)出可通過消除經(jīng)常被用作永久鑄模鑄造操作的一部分的大冒口來實(shí)現(xiàn)。特別地，通過使用消融鑄造方法，固有的高冷卻速率能允許活塞被形成為具有均勻的微結(jié)構(gòu)和相關(guān)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。除了更精細(xì)的微結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的活塞性質(zhì)以外，使用消融工藝允許更精細(xì)得多的細(xì)節(jié)被鑄造在零件中，包括錯(cuò)綜的冷卻通路。該工藝減少或消除了對(duì)在圓頂周圍區(qū)域中的鑄造后機(jī)加工的需要，尤其是當(dāng)它和凹角區(qū)域相關(guān)時(shí)。因?yàn)橄阼T造是生產(chǎn)完備的，所以擴(kuò)大規(guī)模以制造大量的活塞或相關(guān)的部件相對(duì)來說是簡單的。可采用骨料一次性鑄模來允許活塞圓頂?shù)娜紵霠钗锖蜐櫥鋮s油通道被形成為鑄造件的一部分。將消融鑄造用于柴油機(jī)活塞有助于通過減少或消除對(duì)昂貴的二次鑄造后處理(例如機(jī)加工或再熔化)的需要而實(shí)現(xiàn)顯著的微結(jié)構(gòu)改善。在期望改善的微結(jié)構(gòu)的情況中，例如碗狀物邊緣或活塞的其它復(fù)雜3D區(qū)域，可局部地(在圓頂凹角區(qū)域中)進(jìn)行鎢極惰性氣體 (TIG)或激光再熔化。后續(xù)的機(jī)加工，例如用以產(chǎn)生碗狀物邊緣的適當(dāng)形狀，可被類似地減少或消除。本發(fā)明利用了消融鑄造工藝來消除對(duì)活塞圓頂處的大冒口的需求。更加快速且均勻地冷卻圓頂?shù)哪芰?huì)增強(qiáng)機(jī)械性質(zhì)。特別地，一次性骨料鑄模會(huì)允許燃燒碗狀物以鑄態(tài)形成。而且，骨料鑄模材料還可被用于形成頂部環(huán)槽后面的油通道，從而消除了對(duì)鹽芯的需要。這額外地允許了活塞的快速原型設(shè)計(jì)，這可改進(jìn)總體的開發(fā)測試。應(yīng)當(dāng)注意的是，如“優(yōu)選地”、“一般地”和“通常地”這樣的術(shù)語在本文中不是用于限制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍或用于暗示某些特征對(duì)所要求保護(hù)的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能來說是關(guān)鍵的、必要的、或者甚至重要的。相反，這些術(shù)語僅僅用于強(qiáng)調(diào)替換的或附加的特征， 這些特征可以被用于或可以不被用于本發(fā)明的具體實(shí)施例中。為了描述和定義本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)注意到，術(shù)語“裝置”在本文中被用來代表部件的組合和單獨(dú)的多個(gè)部件，無論這些部件是否與其它部件組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“裝置”可包括電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件或燃料電池、包括根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的車輛等。為了描述和定義本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)注意到，術(shù)語“基本上”在本文中被用于表示固有的不確定度，這個(gè)不確定度可歸因于任何定量比較、值、測量或其它表示。術(shù)語“基本上”在本文中還被用于表示一種程度，定量的表示可從所述的參考點(diǎn)在該程度上變化而不會(huì)導(dǎo)致所討論的主題的基本功能的變化。雖然已經(jīng)為說明本發(fā)明的目的示出了某些代表性的實(shí)施例和細(xì)節(jié)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種制造柴油機(jī)活塞的方法，包括提供用于該活塞的模型，該模型包括圓頂和凹角的碗狀物； 在該模型周圍形成活塞鑄模，該鑄模包括骨料材料和結(jié)合劑； 從該活塞鑄模去除所述模型； 將熔融金屬引入所述活塞鑄模；用所述結(jié)合劑的溶劑接觸所述活塞鑄模并去除所述結(jié)合劑和骨料； 冷卻所述熔融金屬；和將所述熔融金屬固化以形成帶有所述圓頂和所述凹角的碗狀物的活塞，而無需鑄造后的處理。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述結(jié)合劑是水溶性的，并且其中所述溶劑是水。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬和固化所述熔融金屬是單獨(dú)受控的。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬和固化所述熔融金屬是通過在其它區(qū)域之前將所述溶劑應(yīng)用到所述活塞的一個(gè)區(qū)域上或通過向活塞的不同區(qū)域應(yīng)用不同量的溶劑而單獨(dú)受控的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、陶瓷微球、或它們的各種組合。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中冷卻所述熔融金屬包括用溶劑接觸所述熔融金屬周圍的固化金屬殼。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括提供用于內(nèi)部冷卻通道的鑄模，用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模包括第二骨料材料和第二結(jié)合劑；在將所述熔融金屬引入到所述活塞鑄模內(nèi)前，將用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模放置在所述活塞鑄模中；和用所述第二結(jié)合劑的溶劑接觸用于所述內(nèi)部冷卻通道的所述鑄模并去除所述第二結(jié)合劑和第二骨料。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二骨料材料和第二結(jié)合劑與用于所述活塞鑄模的骨料材料和結(jié)合劑相同。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中用所述結(jié)合劑的溶劑接觸所述活塞鑄模包括用所述溶劑噴灑所述活塞鑄模。
10.一種制造柴油機(jī)活塞的方法，包括提供用于該活塞的模型，該模型包括圓頂和凹角的碗狀物；在該模型周圍形成活塞鑄模，該鑄模包括骨料材料和水溶性結(jié)合劑；從該活塞鑄模去除所述模型；將熔融金屬引入所述活塞鑄模；用水接觸所述活塞鑄模并去除所述結(jié)合劑和骨料；冷卻所述熔融金屬；和將所述熔融金屬固化以形成帶有所述圓頂和所述凹角的碗狀物的活塞，而無需鑄造后的處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及砂模鑄造帶有鑄態(tài)凹角的燃燒碗狀物的柴油機(jī)活塞。一種柴油機(jī)活塞和制造該活塞的方法。該方法包括鑄造帶有復(fù)雜幾何形狀的活塞，包括底切特征。該鑄造使用骨料一次性鑄模，該鑄?？蓮蔫T態(tài)零件移除。在一種形式中，復(fù)雜的幾何形狀包括形成在活塞圓頂中的底切燃燒碗狀物，而在另一種形式中，其可包括內(nèi)部冷卻通道。底切碗狀物和內(nèi)部通道可使用骨料一次性鑄模來生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B22C1/16GK102451889SQ201110322558
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者C. 科普基克 J., A. 奧斯博恩 M., D. 里基 R. 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司