专利名称：用于半永久型铸模气缸盖铸件的燃烧室壁冷却室设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于半永久型铸模气缸盖铸件的燃烧室壁冷却室设计。
背景技术：
在发动机运行中，气缸盖铸件内的燃烧室壁处于高应力状态。在该区域需要高强度材料使得部件具备长的寿命。尽管合金选择以及热处理对于合金最后的强度起着重要作用，但凝固期间的条件同样起着不相上下的作用。燃烧室壁的凝固速率取决于壁的设计、铸模材料、芯材料、冷却设计和工艺变量。在使用的合金和这些变量之间的平衡很难优化最高强度。其中必须要平衡的一个工艺变量就是铸模壁的温度。如果形成燃烧室的铸模壁是冷的，这会提高凝固速率，但是它对铸模腔的装模是不利的。在装模期间金属温度的过大损失会导致冷隔缺陷并且促成了表面下的气孔。热铸模将最小化液态金属的温度损失，但是也会延长铸件的凝固时间并且增加燃烧室壁材料的微结构尺寸。为了实现装模期间热铸模和凝固期间冷铸模，用于燃烧室铸件壁的铸模冷却室通常在装模之后激活。为了最大化铸件的凝固速率，期望从冷却室具有最大的高热通量。为了在凝固期间达到该最大高热通量， 形成燃烧室铸件壁的铸模冷却室设计就变得很重要。典型的铝硅或铝铜铸件合金的微结构尺寸的量度是二次枝晶间距(SDAS)。该测量的长度来自于燃烧室壁的一个切样。在高输出发动机气缸盖桥壁处的SDAS规格通常是最大为25微米。在整个燃烧室表面期望该微结构长度，但是不能通过常规工艺获得。用于铝合金气缸盖的传统半永久型铸模组件在每个燃烧室铸件壁下面具有水冷室。一般将单独的工具插入较大的基体铸模中制成燃烧室特征和冷却线路。通常利用定位接合销和四个螺栓凸起将这些镶件(insert)从下面精确地定位并固定到基体铸模中。冷却线路的入口和出口管道同样也从下面连接。冷却室与这些特征之间需要存在间隙，这就严重限制了它的尺寸大小。附图1-2所示为典型的燃烧室冷却镶件10的一个实例。附图1示出了内部几何结构。冷却镶件10通常由H13号钢制成。上表面形成铸件表面15。冷却腔20具有冷却剂入口 25和冷却剂出口 30。导流板35引导冷却剂流从冷却剂入口 25朝向冷却剂腔20的顶表面到达冷却剂出口 30。图2中示出燃烧室镶件10的底部，其具有四个螺栓凸起40和定位接合销45。用于螺栓凸起40和定位接合销45的空间要求限制了用于冷却室直径本身的空间。这要求大约25毫米的壁厚(或者50毫米的总壁厚)。结果，总直径为75毫米的燃烧室镶件具有仅为约25毫米的典型冷却剂腔直径，85毫米的镶件具有大约35毫米直径的冷却剂腔，95毫米的镶件具有大约45毫米直径的冷却剂腔，以及105毫米的镶件具有大约55 毫米直径的冷却剂腔。因此，将难以通过标准的冷却室设计来实现25微米或是更小的SDAS 的冷却要求。受限的室表面面积和位于螺栓凸起之上的钢质量致使从活动的冷却剂到铸件壁具有缓慢的热响应。
发明内容
本发明一方面是一种冷却气缸盖铸件的方法。在一个实施例中，该方法包括将冷却圆盖镶件固定到气缸盖铸件铸模内，其中冷却圆盖镶件包括镶件本体，其具有限定出冷却室的顶壁、侧壁和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，侧壁总厚度为小于大约40毫米；将熔融铝或铝合金引入气缸盖铸件铸模内；通过冷却剂入口和冷却剂出口循环冷却剂至冷却室，其中气缸盖桥壁处的SDAS为大约25微米或更小。本发明的另一方面是一种冷却圆盖镶件。在一个实施例中，冷却圆盖镶件包括镶件本体，其具有在其中限定出冷却室的顶壁、侧壁、和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，侧壁的总厚度为小于大约40毫米，并且其中在气缸盖桥壁处的预计SDAS为大约25微米或更小。本发明进一步包括下面的技术方案。1. 一种冷却气缸盖铸件的方法，包括将冷却圆盖镶件固定到气缸盖铸件铸模内，其中所述冷却圆盖镶件包括镶件本体，所述镶件本体具有限定出冷却室的顶壁、侧壁和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，所述侧壁总厚度小于大约40毫米；将熔融铝或铝合金引入所述气缸盖铸件铸模内；通过所述冷却剂入口和所述冷却剂出口将冷却剂循环至所述冷却室，使得气缸盖桥壁处的SDAS为大约25微米或更小。2、如技术方案1所述的方法，其中所述侧壁的总厚度小于大约30毫米。3、如技术方案1所述的方法，其中镶件本体包括上部和附接到所述上部的下部。4、如技术方案4所述的方法，其中所述下部通过焊接附接到所述上部。5、如技术方案1所述的方法，其中镶件本体进一步包括与所述冷却室的顶壁接触的至少一个支撑柱。6、如技术方案5所述的方法，其中所述支撑柱通过焊接或螺纹连接而连接到所述冷却室的顶壁。7、如技术方案1所述的方法，其中所述冷却剂是水。8、如技术方案1所述的方法，其中所述冷却室的直径是所述镶件本体直径的至少大约55%。9、如技术方案1所述的方法，其中所述冷却室直径和所述侧壁总厚度的比为至少大约1. 12。10、一种冷却圆盖镶件，包括镶件本体，所述镶件本体具有在其中限定出冷却剂室的顶壁、侧壁和底部，并具有与所述冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，所述侧壁的总厚度小于大约40毫米，并且其中在气缸盖桥壁处的预计SDAS为大约25微米或更小。11、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述侧壁的总厚度小于大约30毫米。12、如技术方案11所述的冷却圆盖镶件，其中所述侧壁的总厚度的范围为大约20 毫米至大约25毫米。13、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中镶件本体包括上部和附接到所述上部的下部。14、如技术方案13所述的冷却圆盖镶件，其中所述下部通过焊接附接到所述上部。15、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述镶件本体进一步包括与所述冷却室的顶部接触的至少一个支撑柱。16、如技术方案15所述的冷却圆盖镶件，其中所述支撑柱通过焊接或螺纹连接而连接到所述冷却室的顶壁。17、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述冷却室的直径和所述侧壁的总厚度的比为至少大约1. 12。18、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述冷却室的直径和所述侧壁的总厚度的比为至少大约2.0。19、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述冷却室的直径是所述镶件本体的直径的至少大约55%。20、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述冷却室的直径是所述镶件本体的直径的至少大约60%。21、如技术方案10所述的冷却圆盖镶件，其中所述冷却室的顶壁具有均勻的厚度。22、如技术方案1所述的方法，其中所述冷却室的顶壁具有均勻的厚度。
图1为现有技术中燃烧室冷却镶件的截面图。图2为图1中冷却镶件的底视图。图3所示为本发明燃烧室冷却镶件的一个实施例。图4为燃烧室桥部的温度曲线图。图5为图1现有设计的镶件冷却的表面温度图。图6为图3的本发明实施例的镶件冷却的表面温度图。
具体实施例方式改进的燃烧室镶件冷却室设计具有快速响应时间，在小的操作窗内影响铸造，这改善了燃烧室壁的材料强度。这样的设计还有助于管理金属铸模和熔融铝的热能。它允许在装模期间采用较高的基体铸模温度，降低了冷隔缺陷或浇灌温度降低的风险。铸造废料的减少和较低的能量需求节省了成本。铸件的定向凝固的改善导致较少的凝固收缩多孔废料。
该设计允许燃烧室壁在60秒内凝固从而达到期望的25微米以下的SDAS。其还允许镶件和铸模的其它部分采用相同的材料，这就消除了热膨胀差异可能带来的问题。通过匹配铸件表面的外形，燃烧室镶件设计最大化了它的直径以及冷却室的顶表面面积。均勻的H-13钢壁围绕冷却剂室。它通常厚大约8毫米到大约15毫米，典型地大约10毫米到大约12毫米。这使得典型的冷却室铸模的最低壁厚加倍。合适的冷却剂包括但不局限于水。冷却腔直径在燃烧室铸件壁经历的最大热通量方面起着重要的作用。最大化最大热通量允许更热的铸模，以得到更好的装模条件，以及在凝固期间的高冷却速率，以得到改善的机械特性。镶件的直径通常在大约75毫米至大约105毫米范围内。在一个实施例中，总壁厚小于大约40毫米，或者小于大约35毫米，或者小于大约30毫米，或者小于大约25毫米，或者大约20毫米。在一个实施例中，在两侧的壁厚允许大约10毫米(总壁厚大约20毫米)，取决于镶件尺寸大小，冷却剂室直径能达到大约55毫米至大约85毫米，例如，对于75毫米镶件可以达到大约55毫米，对于85毫米镶件可以达到大约65毫米，对于95毫米镶件可以达到大约75毫米，对于105毫米镶件可以达到大约85毫米。例如，在一个实施例中，对于75毫米直径的镶件，冷却室直径至少大约30毫米，或至少大约35毫米，或至少大约40毫米，或至少大约45毫米，或至少大约50毫米，或大约55 毫米。对于85毫米直径镶件，冷却室直径至少大约40毫米，或至少大约45毫米，或至少大约50毫米，或至少大约55毫米，或至少大约60毫米，或大约65毫米。对于95毫米镶件， 冷却室直径至少大约50毫米，或至少大约55毫米，或至少大约60毫米，或至少大约65毫米，或至少大约70毫米，或大约75毫米。对于105毫米镶件，冷却室直径至少大约60毫米， 或至少大约65毫米，或至少大约70毫米，或至少大约75毫米，或至少大约80毫米，或大约 85毫米。在一个实施例中，冷却剂室直径和总壁厚(两侧)的比例通常是至少大约1. 12，或者是至少大约1. 14，或者是至少大约1. 16，或者是至少大约1. 18，或者是至少大约1.2，或者是至少大约1. 4，或者是至少大约1. 5，或者是至少大约1. 6，或者是至少大约1. 7，或者是至少大约1. 8，或者是至少大约1. 9，或者是至少大约2. 0,或者是至少大约2. 1，或者是至少大约2. 2，或者是至少大约2. 3，或者是至少大约2. 4，或者是至少大约2. 5。在一个实施例中，冷却剂室的直径通常占镶件本体直径的至少大约55 %，或者是至少大约60 %，或者是至少大约65 %，或者是至少大约70 %，或者是至少大约75 %，或者是至少大约80%。该设计为105毫米镶件提供了达到大约85毫米的冷却剂室直径，使得顶表面面积大约为7200mm2，这是具有那样尺寸的传统镶件设计的顶表面面积的三倍。对于75毫米镶件提供了 55毫米的冷却剂室，顶表面面积大约为MOOmm2，或大于传统设计的顶表面面积的七倍。如果需要，镶件可以形成为2块。可以将冷却室加工为各部件，并且部件组装和焊接在一起。因为安装和定位孔与传统设计相同，它们可以通过不修改而实现为标准基体铸模设计。
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经过研磨和焊接的镶件设计消除了镶件背后的空间限制，这是因为冷却室能直接位于凸起特征之上，这在现有技术中是不可能的。这允许改进设计从而实现要求的热通量增加。焊接位于板面平面的下方并且远离金属前端以使得它不会与熔融铝接触。10毫米铸模壁厚已经在活塞的铸造中安全地使用了多年。镶件和基体铸模采用相似材料(例如 H-13)减小了由于热膨胀造成的应力风险。燃烧室镶件的仅有的物理负荷是在铝铸件的排出期间，这在焊件上将是微不足道的应力。通过适当的焊接和检查技术，该设计将会在元件寿命期间安全地运行。该设计通过在凝固期间增加冷却速率来帮助改善铝合金气缸盖铸件的燃烧室壁的铸造材料的强度。这样的改善可以在半永久型铸模工艺的标准铸模设计窗口内获得。图3所示为改善的圆盖冷却设计的一个实施例。冷却镶件50被铸造成两部分，上部55和下部60。冷却镶件具有限定出冷却室75的顶壁65，侧壁67以及底部69。在铸件表面70和冷却室75之间的上壁65是等厚的，因为冷却室75遵从燃烧室的圆盖。冷却剂通过冷却剂入口 80进入并且通过冷却剂出口 85离开。如果需要，可以具有一个或多个支撑柱90与上壁65接触，这将影响铸件壁尺寸的风险最小化。如果需要，支撑柱90能通过任何合适的方式，包括但不局限于，焊接或螺纹连接而附接到上壁65。上部55和下部60通常在焊缝95处焊接在一起。对于A319合金，在现有技术中，整个燃烧面的预计SDAS范围是23_38微米，而对于改进的设计来说，它是20-27微米。因此，圆盖冷却将桥壁处的SDAS从23微米改进为20 微米，最大的SDAS从38微米减小到27微米，并且总的SDAS范围被从15微米减小到7微米。更精细的微结构增大了铸造材料的强度。图4所示为与现有设计相比具有圆盖冷却的改进冷却。燃烧室桥壁的凝固时间减少了 50%以上，从450秒减少到215秒。图5所示为现有设计中的桥部位和火花塞部位的镶件表面温度。在第60秒，表面温度范围为250-395°C，有145°C的温差。燃烧室内的高的温度梯度导致在桥部的外部形成了不期望的较大的微结构特征。如图6所示，对于冷却圆盖镶件，在第60秒，表面温度范围为180_195°C。冷却室之上均勻的壁厚提供了燃烧室壁的接近均勻的冷却和均勻精细微结构。应该注意到，术语比如“优选地”、“通常地”、以及“一般地”在此不被用来限定提出权利要求的发明范围或者用来暗示某些特征是关键的、必要的、或是对提出权利要求的发明的机构或功能来说是重要的。相反地，这些术语仅仅用来强调选择性的或是附加的特征， 这些特征可能或可能不被用在本发明的特定实施例中。为了描述和限定本发明，注意到在此使用了术语“装置”来表示部件组合和独立部件，而不管部件和其它部件是否组合在一起。例如，根据本发明的“装置”可能包括电化学转换组件或是燃料电池，结合了根据本发明的电化学转换组件的车辆等。为了描述和限定本发明，注意到在此使用了术语“基本上”来表示那些归结于任何定量比较的固有不确定度，数值，量度，或其它表现。还在此使用术语“基本上”来表示程度， 通过该程度来体现定量表现与所述参考值的差异，不导致主题的基本功能的改变。已经详细地并且结合具体实施例描述了本发明，很明显，在不脱离权利要求所限定的本发明的范围内可以做出修改和变化。更具体地，尽管本发明的某些方面在此确定为优选的或是特别有利的，但是本发明不一定限定于本发明的这些优选的方面。
权利要求
1.一种冷却气缸盖铸件的方法，包括将冷却圆盖镶件固定到气缸盖铸件铸模内，其中所述冷却圆盖镶件包括镶件本体，所述镶件本体具有限定出冷却室的顶壁、侧壁和底部，并具有与冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，所述侧壁总厚度小于大约40毫米； 将熔融铝或铝合金引入所述气缸盖铸件铸模内；通过所述冷却剂入口和所述冷却剂出口将冷却剂循环至所述冷却室，使得气缸盖桥壁处的SDAS为大约25微米或更小。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述侧壁的总厚度小于大约30毫米。
3.如权利要求1所述的方法，其中镶件本体包括上部和附接到所述上部的下部。
4.如权利要求1所述的方法，其中镶件本体进一步包括与所述冷却室的顶壁接触的至少一个支撑柱。
5.一种冷却圆盖镶件，包括镶件本体，所述镶件本体具有在其中限定出冷却剂室的顶壁、侧壁和底部，并具有与所述冷却剂室流体连通的冷却剂入口和冷却剂出口，所述侧壁的总厚度小于大约40毫米，并且其中在气缸盖桥壁处的预计SDAS为大约25微米或更小。
6.如权利要求5所述的冷却圆盖镶件，其中所述侧壁的总厚度小于大约30毫米。
7.如权利要求5所述的冷却圆盖镶件，其中镶件本体包括上部和附接到所述上部的下部。
8.如权利要求5所述的冷却圆盖镶件，其中所述镶件本体进一步包括与所述冷却室的顶部接触的至少一个支撑柱。
9.如权利要求5所述的冷却圆盖镶件，其中所述冷却室的顶壁具有均勻的厚度。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却室的顶壁具有均勻的厚度。
全文摘要
本发明提供一种冷却室设计，在铝气缸盖铸造工艺期间，其相比传统设计提高了热传递。
文档编号B22D15/02GK102228976SQ201110078309
公开日2011年11月2日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年2月19日
发明者D·D·格特施 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司