用于生產(chǎn)用于內(nèi)燃機的活塞的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)具有燃燒室(2)的活塞(1)的方法，該方法包括：以與活塞頭部(5)的平面中的活塞軸線(10)共軸的方式將環(huán)形纖維預(yù)制體(3)緊固在用于活塞(1)的鑄造模具中，環(huán)形纖維預(yù)制體(3)具有適合于加固燃燒室(2)的邊緣的形狀；將金屬熔體引入至鑄造模具以生產(chǎn)活塞毛坯；在熔體和纖維預(yù)制體(3)之間生成壓力差，用于滲透熔體至纖維預(yù)制體(3)；以及依靠切削清除制造方法機加工活塞毛坯以完成活塞(1)，其中，所述熔體和所述纖維預(yù)制體(3)之間的所述壓力差是通過吸力管(10、11)將所述纖維預(yù)制體(3)保持在鑄造模型中引起的，其中，真空主導(dǎo)在吸力管(10、11)中，這使得熔體通過其被抽吸至纖維預(yù)制體(3)并且滲透纖維預(yù)制體(3)。如果至少一個吸力管(10、11)的至少一個管段(13、14)加速進入吸力管(10、11)的熔體的凝固，那么優(yōu)化凝固行為產(chǎn)生。
【專利說明】
用于生產(chǎn)用于內(nèi)燃機的活塞的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分用于生產(chǎn)活塞的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在流體能量機器中，活塞在氣缸中執(zhí)行經(jīng)由推桿傳遞的周期性平移移動，公知為機械工程中的活塞發(fā)動機。在該情況下大概最普遍的活塞發(fā)動機類型是往復(fù)活塞發(fā)動機，往復(fù)活塞發(fā)動機將氣體的體積的改變轉(zhuǎn)換為描述的活塞的線性移動，并且進一步經(jīng)由連接桿和曲柄將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)移動。在活塞發(fā)動機大概最常見的變型中，在內(nèi)燃機中，活塞包括為了該目的的燃燒室。
[0003]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，合適的活塞依靠主要成型方法、尤其借助于專業(yè)鑄造技術(shù)而規(guī)則地生產(chǎn)。永久模型鑄造方法公知于金屬處理，在金屬處理中，熔體經(jīng)由頂部內(nèi)澆道被澆注至金屬永久模型并且基本僅作為重力的結(jié)果而填充其中的腔室，這已經(jīng)被證明特別成功。
[0004]在燃燒室的周圍區(qū)域中，在發(fā)動機操作期間發(fā)生的極高熱負荷的補償會導(dǎo)致在不順利情形下在活塞中形成破裂，這被證明是一個問題。關(guān)于此問題，例如從現(xiàn)有技術(shù)公知的是使用冷卻的環(huán)形滑架。燃燒室外圍還通過鑄造通過并入陶瓷纖維逐漸加固。為了該目的，在模型填充之后加壓有時用作永久模型鑄造方法，以確保陶瓷纖維完全滲透通過鋁熔體，因而利于陶瓷纖維并入金屬微結(jié)構(gòu)。
[0005]從DE102004056519A1的權(quán)利要求4的實施例公知一種對應(yīng)方法。根據(jù)該方法，首先，將環(huán)形纖維預(yù)制體緊固在鑄造模型中以加固燃燒室的外圍。隨后，液體鋁或者鋁合金熔體被引入鑄造模型，從而纖維預(yù)制體滲透并且模制進燃燒室外圍而作為鑄造操作的一部分。在依靠切削清除制造方法完成活塞之前，以該方式生成的活塞毛坯隨后經(jīng)受熱處理。在該情況下通過用吸力管將纖維預(yù)制體保持在鑄造模型中(除了可以存在的其他緊固件)引起了鋁合金熔體和纖維預(yù)制體之間的壓力差，其中，負壓力在吸力管中主導(dǎo)，使得鋁合金熔體在那里被抽吸至纖維預(yù)制體，并且滲透纖維預(yù)制體。除了依靠負壓力使用吸力管保持纖維預(yù)制體的可能性，附接的真空栗有助于通過降低剩余氣體壓力至優(yōu)選小于0.1bar，從而在熔體貫穿之前更徹底地排出纖維預(yù)制體中的腔室，結(jié)果防止形成氣體夾雜物。此外，通過施加正壓力至永久模型中的熔體，熔體被置于典型高達20bar的壓力下。結(jié)果，旨在產(chǎn)生非常高質(zhì)量、尤其高可加載的活塞，其隨后在滲透的纖維預(yù)制體中不包括氣體夾雜物。
[0006]在這一點上，滲透纖維預(yù)制體的鋁熔體的凝固行為被證明是關(guān)鍵的。在滲透結(jié)束之前熔體在纖維預(yù)制體內(nèi)的過早凝固使得不期望腔室釋放。相反，如果在滲透之后熔體流過吸力管，那么熔體能夠進入其中的真空栗以及塞子或者壓縮導(dǎo)管。在該方案中，過早以及較晚硬化熔體會在很大程度上影響損害方法結(jié)果的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明基于的目的是，改善通用生產(chǎn)方法，使得其允許所使用的熔體的限定凝固，而不引起纖維預(yù)制體中出現(xiàn)氣體夾雜物。
[0008]該目的是通過具有權(quán)利要求1的特征的方法實現(xiàn)的。有利實施例是從屬權(quán)利要求的主題。
[0009]因此，本發(fā)明基于的基本構(gòu)思是提供吸力管，吸力管還用來將纖維預(yù)制體保持在鑄造模型中，具有特別設(shè)計的管段，這利于將熔體選擇性地凝固在吸力管的期望管段中，結(jié)果堵塞吸力管用于后續(xù)的熔體。根據(jù)本發(fā)明，僅在通過有意地引起的凝固完成滲透纖維預(yù)制體之后，熔體的流動停止，同時仍在吸力管內(nèi)。在該情況下，一方面依靠熱方法，另一方面依靠幾何學(xué)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)這種“目標(biāo)凝固管段”。在該情況下，吸力管的特別設(shè)計的管段分構(gòu)造為，使得其利于選擇性地過早凝固熔體，尤其無需另一部件或者插入物，也即是說是固有的特性。
[0010]熔體的凝固能夠以熱方式引起，例如通過局部冷卻吸力管?？商鎿Q地，合適的材料的選擇能夠加速熔體的凝固，只要該對應(yīng)材料相比于熔體具有增加的傳熱性。可以考慮使用銅作為管的材料，例如與亞共晶鋁-硅熔體組合。
[0011]對于該問題的幾何學(xué)方案還能夠以不同方式發(fā)生。首先，可以想到的是，在吸力管的過程中形成窄點，這將局部降低其流動截面。類似效果能夠依靠彎折或者扭結(jié)管段來實現(xiàn)，依靠截面變窄和/或方向改變的組合而實現(xiàn)，或者一般依靠沿著吸力管的過程的任何錯綜復(fù)雜的障礙物而實現(xiàn)。
[0012]參考附圖，本發(fā)明的進一步重要的特征及優(yōu)勢能夠收集于見于從屬權(quán)利要求、附圖以及附圖的相關(guān)說明。
[0013]毫無疑問，以上提到的以及下文仍將解釋的特征不僅在每個情況下特定的組合中是有用的，而且在其他組合中或者單獨也是有用的，這并不超出本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選示范實施例圖示于附圖并且更詳細地解釋在以下描述中，其中，相同附圖標(biāo)記指代相同或者類似或者功能相同的部件。
[0015]在附圖中，在每個情況下示意地，
[0016]圖1示出了通過根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的活塞的頭部的平面圖，以及
[0017]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的吸力管的兩個不同的實施例中，沿著活塞的軸線形成的鑄造模型的截面，圖示在圖的右側(cè)和左側(cè)。
【具體實施方式】
[0018]圖1和圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的生產(chǎn)方法的實施，其中，此處使用特定輕金屬熔體作為將被制造的活塞I的基本材料。在該情況下優(yōu)選亞共晶鋁-硅合金(AlSi合金)，亞共晶鋁-硅熔體合金的微結(jié)構(gòu)相對于在活塞I的操作期間期望的機械負荷受拋光影響。
[0019]在該情況下，活塞頭部5上的燃燒室2的外圍依靠纖維預(yù)制體3加固。輕金屬熔體以及纖維預(yù)制體3之間的充分大的壓力差在該情況下確保了纖維預(yù)制體3在后續(xù)凝固之前完全被鑄造期間使用的輕金屬熔體滲透。
[0020]纖維預(yù)制體3的纖維構(gòu)造為陶瓷材料的短纖維，例如氧化鋁(Al2O3),還主要公知為技術(shù)領(lǐng)域中的電熔剛玉，以及基于商標(biāo)名為Saffil的銷售產(chǎn)品的黏土或者硅石纖維?？商鎿Q實施例可以具有纖維取向，纖維取向偏離隨機平面標(biāo)準(zhǔn)，這并不超出本發(fā)明的范圍。生產(chǎn)呈矩形截面的環(huán)形主體形式的纖維預(yù)制體3，因為纖維初始被處理以形成包含粘合劑的水性懸液。隨后，懸液被填充進滲水模型中，滲水模型對應(yīng)于纖維預(yù)制體3的形狀，其中水與懸液分離。得到的呈纖維預(yù)制體3形式的主體被干燥，并且能夠經(jīng)受機械后續(xù)壓制以改善其強度。此處期望的是每體積單元有10%至20%比例的纖維。在引入鑄造模型之前，為了排除濕度夾雜物，纖維預(yù)制體3被預(yù)加熱。
[0021]為了以盡可能密封以及無氣孔的方式生產(chǎn)活塞I連同呈圓形盲孔形式實施的其燃燒室2，在當(dāng)前情形中使用永久模型鑄造方法，在該方法中，輕金屬熔體在重力下經(jīng)由澆注包進入用作永久模型的鑄造模型中。在本實施例中，在完成模型填充之后，使用0.5bar至20bar之間的壓力，其中，鑄造模型的鎖定框架(圖1和圖2未圖示)用于可靠吸收壓力，所述鎖定框架依靠斜向繃緊的鎖定銷加封。
[0022]在該情況下，首先將通過鑄造并入的部分(諸如纖維預(yù)制體3)緊固在鑄造模型中為其提供的位置，優(yōu)選與鹽芯和/或環(huán)形滑架或者冷卻環(huán)形滑架組合。
[0023]隨后，鑄造模型被蓋子關(guān)閉，蓋子具有布置于徑向外側(cè)的兩個吸力管10、11，吸力管10、11連接至真空栗(未示出)并且被引導(dǎo)進鑄造模型的內(nèi)部，在這樣的位置使得纖維預(yù)制體3抵靠吸力管10、11的開口，并且保持在由主導(dǎo)在管10、11中的負壓力所提供的位置。經(jīng)由入口，輕金屬熔體現(xiàn)在被引入鑄造模型，其中，主導(dǎo)在吸力管10、11中的負壓力具有的效應(yīng)是，保持抵靠吸力管10、11的纖維預(yù)制體3被輕金屬熔體滲透。引導(dǎo)進纖維預(yù)制體3的吸力管10、11在該情況下彈性預(yù)加載抵靠纖維預(yù)制體3，并且被冷卻至在很大程度上加速輕金屬熔體凝固的溫度。還可以想到的是，吸力管10、11具有高傳熱性，這有利于通過散熱急速凝固熔體。至少一個管段13、14設(shè)置在每個吸力管10、11上，管段13、14加速進入吸力管10、11的熔體的凝固。在該情況下管段能夠構(gòu)造為變窄部或者彎折。
[0024]從幾何學(xué)的觀點來看，尤其銅吸力管10、11也被優(yōu)化，目的是加速輕金屬熔體的凝固。為此，每個吸力管10、11具有單獨波列，波列具有管軸線的局部偏置4，在更靠近的觀察中，局部偏置4由管軸線的扭結(jié)或者彎折組成。在彎折或者偏置4的區(qū)域中，通過緊靠在一起的對置管壁使得在每個情況下發(fā)生局部截面變窄。根據(jù)本發(fā)明還能夠使用的是，依靠彎折改變管軸線的方向而不改變截面，但是，也能夠是純碎的壓縮部或者改變截面而不改變管軸線的方向?？傊?，能夠選擇任何期望的錯綜復(fù)雜的幾何形狀，這些形狀代表通過變窄和/或偏轉(zhuǎn)對于流動熔體的障礙物，凝固能夠優(yōu)選在所述障礙物處開始。
[0025]在圖2的左側(cè)示出的實施例中，吸力管10、11由銅或者一些其他材料組成，這些材料比熔體具有更大傳熱性?？商鎿Q地或者此外，吸力管10、11能夠在插入鑄造模型之前被冷卻。通常，作為吸力管10、11的熱屬性的結(jié)果，通過纖維預(yù)制體3的熔體在完全滲透之后優(yōu)選凝固在吸力管10、11中，并且堵塞后者。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，在吸力管10或者11中目標(biāo)凝固區(qū)域的幾何學(xué)以及熱實現(xiàn)僅方便地圖示在相同附圖中。根據(jù)本發(fā)明的鑄造方法還能夠僅利用一個變型執(zhí)行。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)然能夠結(jié)合幾何學(xué)以及熱方案，能夠額外地提供例如由具有壓縮部的銅制成的吸力管以增強效應(yīng)。
[0027]此外，永久鑄造模型連接至壓縮空氣管道，經(jīng)由壓縮空氣管道為了在很大程度上降低凝固鋁合金的多孔性，以及為了以該方式給予活塞I足夠強度，在鑄造模型已經(jīng)被輕金屬熔體填充之后高壓下的空氣被引入鑄造模型。隨后，纖維預(yù)制體3的各個纖維牢固地連接至凝固輕金屬熔體，并且纖維預(yù)制體3用于其連接至活塞I的剩余區(qū)域的部分。
[0028]接下來，依靠切削清除制造方法給定活塞毛坯以活塞I的最終形狀。為了進一步改善活塞I的質(zhì)量，尤其當(dāng)活塞使用在通用柴油發(fā)動機中時，經(jīng)受特定加載的環(huán)形凹槽的側(cè)面和基底(未示出)可以依靠公知的陽極氧化能夠設(shè)置有耐磨損涂層。
【主權(quán)項】
1.一種用于生產(chǎn)具有燃燒室(2)的活塞(I)的方法，該方法包括以下方法步驟: -以與活塞頭部(5)的平面中的活塞軸線共軸的方式將環(huán)形纖維預(yù)制體(3)緊固在用于所述活塞(I)的鑄造模型中，所述環(huán)形纖維預(yù)制體(3)具有適合于加固所述燃燒室(2)的外圍的形狀， -將金屬熔體引入所述鑄造模型以生產(chǎn)活塞毛坯， -在所述熔體和所述纖維預(yù)制體(3)之間生成壓力差，用于滲透所述熔體至所述纖維預(yù)制體⑶， -依靠切削清除制造方法機加工所述活塞毛坯以完成所述活塞(I)，其中，所述熔體和所述纖維預(yù)制體(3)之間的所述壓力差是通過吸力管(10、11)將所述纖維預(yù)制體(3)保持在鑄造模型中引起的，其中，負壓力主導(dǎo)在吸力管(10、11)中，使得所述熔體被抽吸至此次的所述纖維預(yù)制體(3)，以及滲透所述纖維預(yù)制體(3)， 其特征在于， 至少一個所述吸力管(10、11)的至少一個管段(13、14)加速通過所述吸力管(10、11)的所述熔體的凝固。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，所述熔體是輕金屬熔體，尤其是亞共晶鋁-硅熔體。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 將陶瓷纖維先前密實化，優(yōu)選包括Al2O3,以形成所述纖維預(yù)制體(3)，使得所述纖維占據(jù)所述纖維預(yù)制體(3)的1 %至20 %的體積分?jǐn)?shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法， 其特征在于， 具有低于0.1bar的氣體壓力的負壓力經(jīng)由真空栗施加至所述吸力管(10、11)。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述方法作為永久模型鑄造方法或者低壓力鑄造方法被執(zhí)行，尤其具有0.5和20bar之間的致密化。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述鑄造模型具有至少一個分區(qū)，所述至少一個分區(qū)經(jīng)受反壓力，使得所述熔體不通過所述分區(qū)。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法， 其特征在于， 至少一個所述吸力管(10、11)引導(dǎo)至所述纖維預(yù)制體(3)并且彈性預(yù)加載抵靠后者。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法， 其特征在于， 所述管段(13、14)比所述熔體具有更大傳熱性，尤其由銅制成。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法， 其特征在于，在所述熔體被引入所述鑄造模型之前冷卻至少一個所述吸力管(10、11)。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述管段(13、14)具有窄部，尤其壓縮部。11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，所述管段(13、14)具有至少一個彎折或者扭結(jié)。12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其特征在于，所述壓力差通過所述吸力管(10、11)中的負壓力以及所述熔體加壓的組合而產(chǎn)生。
【文檔編號】F02B23/06GK105849400SQ201480071465
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月11日
【發(fā)明人】馬丁·呂勒, 烏多·羅特曼
【申請人】馬勒國際有限公司