用于生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞的方法
【專(zhuān)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(xiàn)(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(jī)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(guò)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(guò)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(gè)吸力管(10、11)的至少一個(gè)管段(13、14)加速進(jìn)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(zhuān)利說(shuō)明】
用于生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(dòng)，公知為機(jī)械工程中的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。在該情況下大概最普遍的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型是往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將氣體的體積的改變轉(zhuǎn)換為描述的活塞的線(xiàn)性移動(dòng)，并且進(jìn)一步經(jīng)由連接桿和曲柄將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)大概最常見(jiàn)的變型中，在內(nèi)燃機(jī)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(zhuān)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?jī)?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?chē)鷧^(qū)域中，在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間發(fā)生的極高熱負(fù)荷的補(bǔ)償會(huì)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(gè)問(wèn)題。關(guān)于此問(wèn)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(guò)鑄造通過(guò)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(shí)用作永久模型鑄造方法，以確保陶瓷纖維完全滲透通過(guò)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(shí)施例公知一種對(duì)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(jìn)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(guò)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(fù)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(fù)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(guò)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(guò)施加正壓力至永久模型中的熔體，熔體被置于典型高達(dá)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(diǎn)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(guò)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(guò)吸力管，那么熔體能夠進(jìn)入其中的真空栗以及塞子或者壓縮導(dǎo)管。在該方案中，過(guò)早以及較晚硬化熔體會(huì)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(guò)具有權(quán)利要求1的特征的方法實(shí)現(xiàn)的。有利實(shí)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(lái)將纖維預(yù)制體保持在鑄造模型中，具有特別設(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)停止，同時(shí)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(jì)的管段分構(gòu)造為，使得其利于選擇性地過(guò)早凝固熔體，尤其無(wú)需另一部件或者插入物，也即是說(shuō)是固有的特性。
[0010]熔體的凝固能夠以熱方式引起，例如通過(guò)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(duì)應(yīng)材料相比于熔體具有增加的傳熱性?？梢钥紤]使用銅作為管的材料，例如與亞共晶鋁-硅熔體組合。
[0011]對(duì)于該問(wèn)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(guò)程中形成窄點(diǎn)，這將局部降低其流動(dòng)截面。類(lèi)似效果能夠依靠彎折或者扭結(jié)管段來(lái)實(shí)現(xiàn)，依靠截面變窄和/或方向改變的組合而實(shí)現(xiàn)，或者一般依靠沿著吸力管的過(guò)程的任何錯(cuò)綜復(fù)雜的障礙物而實(shí)現(xiàn)。
[0012]參考附圖，本發(fā)明的進(jìn)一步重要的特征及優(yōu)勢(shì)能夠收集于見(jiàn)于從屬權(quán)利要求、附圖以及附圖的相關(guān)說(shuō)明。
[0013]毫無(wú)疑問(wèn)，以上提到的以及下文仍將解釋的特征不僅在每個(gè)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(dú)也是有用的，這并不超出本發(fā)明的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選示范實(shí)施例圖示于附圖并且更詳細(xì)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(lèi)似或者功能相同的部件。
[0015]在附圖中，在每個(gè)情況下示意地，
[0016]圖1示出了通過(guò)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(gè)不同的實(shí)施例中，沿著活塞的軸線(xiàn)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(shí)施方式】
[0018]圖1和圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的生產(chǎn)方法的實(shí)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(duì)于在活塞I的操作期間期望的機(jī)械負(fù)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(xiāo)售產(chǎn)品的黏土或者硅石纖維?？商鎿Q實(shí)施例可以具有纖維取向，纖維取向偏離隨機(jī)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?yàn)槔w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(jìn)滲水模型中，滲水模型對(duì)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(jī)械后續(xù)壓制以改善其強(qiáng)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(wú)氣孔的方式生產(chǎn)活塞I連同呈圓形盲孔形式實(shí)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(jìn)入用作永久模型的鑄造模型中。在本實(shí)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(xiāo)加封。
[0022]在該情況下，首先將通過(guò)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(gè)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(jìn)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(kāi)口，并且保持在由主導(dǎo)在管10、11中的負(fù)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(fù)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(jìn)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(guò)散熱急速凝固熔體。至少一個(gè)管段13、14設(shè)置在每個(gè)吸力管10、11上，管段13、14加速進(jìn)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(diǎn)來(lái)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(gè)吸力管10、11具有單獨(dú)波列，波列具有管軸線(xiàn)的局部偏置4，在更靠近的觀察中，局部偏置4由管軸線(xiàn)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(guò)緊靠在一起的對(duì)置管壁使得在每個(gè)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(xiàn)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(xiàn)的方向。總之，能夠選擇任何期望的錯(cuò)綜復(fù)雜的幾何形狀，這些形狀代表通過(guò)變窄和/或偏轉(zhuǎn)對(duì)于流動(dòng)熔體的障礙物，凝固能夠優(yōu)選在所述障礙物處開(kāi)始。
[0025]在圖2的左側(cè)示出的實(shí)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(guò)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(shí)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(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(lái)，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(jìn)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(dòng)機(jī)中時(shí)，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(yáng)極氧化能夠設(shè)置有耐磨損涂層。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(xiàn)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(jī)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(guò)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(fù)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(gè)所述吸力管(10、11)的至少一個(gè)管段(13、14)加速通過(guò)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(shí)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(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 具有低于0.1bar的氣體壓力的負(fù)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(xiàng)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(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 所述鑄造模型具有至少一個(gè)分區(qū)，所述至少一個(gè)分區(qū)經(jīng)受反壓力，使得所述熔體不通過(guò)所述分區(qū)。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 至少一個(gè)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(xiàng)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(xiàng)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(gè)所述吸力管(10、11)。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)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(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述管段(13、14)具有至少一個(gè)彎折或者扭結(jié)。12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓力差通過(guò)所述吸力管(10、11)中的負(fù)壓力以及所述熔體加壓的組合而產(chǎn)生。
【文檔編號(hào)】F02B23/06GK105849400SQ201480071465
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年12月11日
【發(fā)明人】馬丁·呂勒, 烏多·羅特曼
【申請(qǐng)人】馬勒國(guó)際有限公司