专利名称：接受喷涂的表面、将涂层施加于表面的方法及内燃发动机的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种制备用于接受热喷涂的表面的方法以及如此制备并且其上还应用了热喷涂的表面的结构。
背景技术：
具有铸铝气缸体的内燃发动机可被制造成具有铸铁缸套，铸铁缸套提供与发动机的活塞和活塞环接触的耐磨表面。4至8缸的缸套给发动机增加了相当大的重量，这降低了燃料经济性。 使用热喷涂工艺来在基材上提供硬的光滑表面。圆筒表面(例如，内燃发动机的缸壁)和平坦表面(例如，制动盘)两者都可设置有热喷涂层。需要进行表面处理(surfacepreparation),以在基材和热喷涂表面之间提供足够长期的附着力。本申请中底切的产生通常涉及工装的使用，所述工装具有特征非常精细的多个插入件(insert)。用于生产这些底切的工装的特点总体上是成本高和/或寿命短。制备用于接受热喷涂的表面存在问题且成本高。接受热喷涂的表面必须粗糙，通常通过喷丸处理或通过专门的机加工以沿着非常小的凹槽的长度产生连续底切，由此使接受热喷涂的表面粗糙。专用的拉削或机加工刀具的刀具磨损需要频繁地更换刀具。额外的工艺步骤以及除去机加工碎片和碎屑增加了工艺成本，如果没有合适地制备表面，则可能产生会降低热喷涂层的附着力的缺陷，这会导致产生废料或降低涂层寿命。保证附着力的另一种方法就是在施加热喷涂材料之前使用助熔剂(flux)或者涂覆化学粘合层。化学粘合和助熔准备工作增加了制造成本，并且会涉及危险材料的使用。
发明内容
申请人:研发的制备用于接受热喷涂的表面的方法以及制备并以热喷涂层涂覆的表面的结构致力于解决上述问题，并且对于本领域普通技术人员来说，与表面处理相关的其他问题将是明显的。下面将概括申请人提出的方案。根据本公开的一方面，公开了一种制备用于将喷涂层机械地固定到表面的方法。所述方法包括在表面中切割第一组凹槽；在表面中滚压与第一组凹槽交叉的第二组凹槽，从而在第一组凹槽和第二组凹槽的交叉点处形成进入于第一组凹槽中的多个隔开的倒钩；以及喷涂所述表面，并将喷涂层机械地固定于倒钩。所述方法的其他方面可包括通过将圆周螺纹切入于缸壁中而形成第一组凹槽以及利用压花刀具形成第二组凹槽，第二组凹槽通过所述螺纹的任何导程角以偏离垂线的一定角度与第一组凹槽交叉。在另一实施例中，所述方法可包括通过将多个同心圆环形凹槽切入于缸壁中而形成第一组凹槽以及利用细齿直纹压花刀具形成与第一组凹槽垂直地交叉的第二组凹槽。或者，可通过细齿菱形图案压花刀具形成第二组凹槽。任何一种压花刀具都可具有间隔为0. 2mm的齿。公开的涉及制造发动机气缸体的特定方法的其他方面还可包括选择铸铝气缸体，该铸铝气缸体限定多个气缸，每个气缸包括缸壁。第一组凹槽主要形成在缸壁的最大磨损部分中，该最大磨损部分被设计成与随后将被装配到发动机的活塞的活塞环接合。第二组凹槽也主要形成于气缸孔壁的最大磨损部分中。第一组凹槽和第二组凹槽与气缸体的缸体上平面和曲轴箱隔开，以使当通过将熔化的钢或合金(其硬度大于铸铝的硬度)喷涂到整个缸壁上来完成工艺过程时的任何过喷涂的不利影响最小化。缸壁在没有缸套的情况下直接设置在气缸体上，以通过减小发动机的重量(由于气缸体中不包括任何缸套)来提高发动机效率和燃料经济性。本公开的另一方面涉及通过上述方法制备的用于接受熔化的喷涂层的表面。多个倒钩形成在多个隔开的位置。倒钩部分地悬于第一组凹槽之上。喷涂层被施加于所述表面并被机械地附着到倒钩。涉及表面的结构和形式的其他方面可包括所述表面是发动机的气缸孔的内表面。所述表面可基本上限于发动机气缸孔的内表面的与发动机的活塞的活塞环接合的部分。所述表面处理和火焰喷涂不会延伸到缸体上平面或曲轴箱，以使这些区域中的过喷涂 的可能性最小化。所述表面可以是铝的，并且第一组凹槽和第二组凹槽可涂覆有附着到底切部分的熔化的钢喷涂物。在本公开的另一实施例中，所述表面可具有深度不同的第一组凹槽和第二组凹槽。第一组凹槽被切割到第一深度，第二组凹槽被滚压到第二深度，第二深度小于第一深度。根据本公开的另一方面，所述表面还可被用于为热喷涂而制备的表面的其他应用中，例如，所述表面还可以是诸如制动盘的平坦表面。本公开的上述方面和其他方面对于制备用于接受热喷涂的表面的领域的普通技术人员而言将是明显的。
图I是以截面的形式部分地示出了气缸体、活塞以及曲轴的发动机的局部示意图；图2是具有切入于缸壁内的第一组凹槽的发动机气缸体的局部不意性截面图；图3是制备有交叉的第一组凹槽和第二组凹槽的表面的局部示意图；图4是沿着图3中的4-4线截取的截面图；图5是细齿直纹压花辊的立体图；图6是制备有第一组凹槽和第二组凹槽的表面的局部示意图，第二组凹槽通过细齿菱形压花辊形成；图7是细齿菱形压花辊的立体图；图8是示出用于形成第二组凹槽的压花刀具的局部示意性截面图。
具体实施例方式公开了本发明的详细实施例，这些实施例仅仅是本发明的示例性实施例，本发明可以以各种和替代的形式体现。附图不一定是成比例的，一些特征可能会被夸大或最小化，以示出特定组件的细节。具体的结构和功能细节不应该被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员如何实施本发明的代表性基础。参照图1，示出了发动机10的一部分，其包括气缸体12、活塞14和曲轴18。活塞14被示出为与缸壁20相邻。缸壁20从缸体上平面(top deck face) 22延伸至曲轴箱24。热喷涂层28被施加于活塞环行程区域30中的缸壁20。热喷涂层28被施加于有毛刺的制备表面20b，该制备表面20b在应用热喷涂工艺后被珩磨，以提供光滑表面20s。活塞环行程区域30是在活塞14在缸壁20内往复运动时缸壁20的与一组活塞环16接合的区域。在热喷涂层28和缸体上平面22之间设置有间隔32。在热喷涂层28和曲轴箱24之间也设置有间隔34。活塞环行程区域30和缸体上平面22之间的间隔32为大约3mm至5mm,活塞环行程区域30和曲轴箱24之间的间隔34为大约13mm至15mm。间隔34也可被称为珩磨间隙区域，设置该区域以给珩磨刀具(honing tool)的操作留出间隙。参照图2，示出了缸壁20的一部分，气缸体12的一部分以截面形式表示。示出了 缸壁20具有切入的第一组凹槽36。应当理解，这些凹槽可以是利用机加工中心的切割刀具切入到缸壁20内的同心凹槽或螺纹。切入的第一组凹槽或螺纹36包括凸起部分38 (或螺纹牙顶(thread crest))以及凹入部分40 (或螺纹牙底(thread root))。参照图3，示出了可以是缸壁20或者也可以代表平坦的制动盘的表面。示出了第一组凹槽36具有贯穿缸壁20的长度在轴向上交替的凸起部分38和凹入部分40。示出了滚压而成的第二组凹槽42，第二组凹槽42被压在第一组凹槽36的凸起部分38上。滚压而成的第二组凹槽形成在凹入部分40之上稍微延伸的隔开的倒钩44。隔开的倒钩44彼此隔开。热喷涂层28被喷涂于整个缸壁20上，并且在凹入部分40的相对两侧上的隔开的倒钩44之间设置足够的间隙，所述倒钩44也沿着第一组凹槽36的长度隔开，从而提供足够的间隙以使热喷涂层28流入隔开的倒钩44内和倒钩44周围。参照图4，示出了隔开的倒钩44从由滚压而成的第二组凹槽42形成的表面向外延伸。第二组凹槽42之间的区域保持在第一组凹槽36的凸起部分38的高度。示出了热喷涂层28被部分地施加于凸起部分38和凹入部分40之上。喷涂层也被施加于隔开的倒钩44之下的凹入部分40中。这样，热喷涂层28被机械地固定在隔开的倒钩44之下，以在热喷涂层28和缸壁20之间提供强力的机械结合。参照图5，示出了细齿直纹压花辊48在其外径部分上具有多个压花肋50。在缸壁20中形成第一组凹槽36之后，压花肋50滚过缸壁20。通过压花肋50形成如前所述的滚压而成的第二组凹槽42。参照图6，替代实施例示出了形成有切入的第一组凹槽58或螺纹的缸壁56。(图6也代表平坦的制动盘。)具有菱形压花的第二组凹槽60与切入的第一组凹槽58的凸起部分62接合，以形成隔开的倒钩64，在形成第一组凹槽和第二组凹槽以及产生隔开的倒钩64之后，隔开的倒钩64悬于切入的第一组凹槽58之上。热喷涂层28可在第一组凹槽和第二组凹槽中喷涂于缸壁56之上。图4中示出的热喷涂层28如前面参照图4所描述的那样被机械地锁定至隔开的倒钩64。参照图7，示出了细齿菱形压花辊66包括对角地交叉的多个压花肋68。参照图8，以局部截面的形式示出了发动机气缸体12。缸壁20在活塞环行程区域30中设置有切入的第一组凹槽36。在活塞环行程区域30和缸体上平面22之间设置有间隔32。在活塞环行程区域30和曲轴箱24之间设置有间隔34。通过设置间隔32和34，热喷涂工艺可终止于缸壁20的区域内，从而使沉积于缸体上平面22或曲轴箱24(未示出)上的任何过喷涂最小化。示出了压花辊头70设置于气缸体12之上的合适位置，以开始形成滚压而成的第二组凹槽42。压花辊头70支撑多个压花辊48，可选地，所述多个压花辊48可以是如图7中所示的细齿菱形压花辊66。示意性地示出了扩张器72在压花辊头70内，如珩磨刀具领域所公知的，扩张器70可用于使压花辊伸出和缩回。下面将描述制备发动机10的气缸体12中的表面(例如,缸壁20)的方法。根据该方法，利用切割刀具将第一组切入凹槽36切入于缸壁20中。凹槽36可以是同心圆或小导程螺纹。在轴向方向上，凹槽36的凸起部分38和凹入部分40的宽度可大致相等。将第二组凹槽42滚压入表面中，第二组凹槽42与第一组凹槽36交叉。在第一组凹槽36和第二组凹槽42的交叉点处形成多个隔开的倒钩44。其中，当第一组凹槽36为同心圆时，第二组凹槽42可相对于第一组凹槽36延伸的方向以45度和90度之间的角度形成在缸壁20上；当第一组凹槽36为小导程螺纹时，第二组凹槽42可以通过所述螺纹的任何导程角以偏离 垂线(即，气缸的轴线)的一定角度与第一组凹槽36交叉。例如，所述一定角度可在0度至90度之间，例如，可以是15度、25度、35度、45度、60度、70度或80度。将热喷涂层28施加于活塞环行程区域30中的缸壁20。活塞环行程区域30与缸体上平面22隔开，并且与曲轴箱24也隔开。热喷涂层28在倒钩周围流动，进入第一组凹槽36和第二组凹槽42中，并与隔开的倒钩44机械地锁定。第二组凹槽可通过细齿直纹压花刀具或细齿菱形图案压花刀具形成，所述压花刀具具有间隔为大约0. 2mm的齿。气缸体12优选为限定多个气缸的铸招发动机气缸体,每个气缸包括缸壁20。第一组凹槽和第二组凹槽主要形成在气缸的对应于活塞环行程区域30的最大磨损部分中。热喷涂层28被施加于活塞环行程区域30中并且与缸体上平面22和曲轴箱24都隔开。在通过适当的珩磨或其他机加工步骤进行精加工之后，热喷涂层的厚度是大约150微米。虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图描述了本发明所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述性词语，而不是限制性词语，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。此外，实现的各个实施例的特征可进行结合，以形成本发明的进一步的实施例。
权利要求
1.一种接受嗔涂的表面，包括 在该表面中的第一组凹槽； 在该表面中的第二组凹槽，第二组凹槽与第一组凹槽在多个交叉点处交叉； 多个倒钩，通过第二组凹槽在沿着所述第一组凹槽的多个隔开的位置形成，所述多个隔开的位置与所述多个交叉点的位置对应，其中，所述倒钩部分地悬于第一组凹槽之上，其中，喷涂层被施加于所述表面上，进入第一组凹槽和第二组凹槽中，并被机械地附着于所述倒钩。
2.如权利要求I所述的表面，其中，所述表面是由气缸体限定的气缸孔的内表面。
3.如权利要求I所述的表面，其中，所述表面是刹车盘。
4.如权利要求I所述的表面，其中，所述表面是铝的，并且所述第一组凹槽和所述第二组凹槽涂覆有附着于倒钩的熔化的钢喷涂物。
5.如权利要求I所述的表面，其中，所述第一组凹槽和所述第二组凹槽具有不同的深度。
6.一种内燃发动机，所述内燃发动机包括铸铝气缸体，该铸铝气缸体限定多个燃烧气缸，所述多个燃烧气缸具有不是缸套插入件的缸壁，所述发动机还包括活塞，该活塞在发动机操作循环期间以往复运动的方式相对于缸壁运动，所述发动机包括 缸壁，包括形成在缸壁上的多个周向地延伸的凹槽以及多个交叉凹槽，其中，在周向地延伸的凹槽和交叉凹槽的交叉点处设置多个倒钩， 硬度比铸铝气缸体的硬度大的合金涂层被施加于缸壁，并机械地附着到倒钩，以增加涂层与缸壁的附着力。
7.如权利要求6所述的内燃发动机，其中，所述交叉凹槽相对于所述周向地延伸的凹槽延伸的方向以45度和90度之间的角度形成在缸壁上。
8.一种用于将涂层施加于表面的方法，包括 在表面中切割第一组凹槽； 在表面中滚压第二组凹槽，第二组凹槽与第一组凹槽交叉，从而在第一组凹槽和第二组凹槽的交叉点处形成进入于第一组凹槽中的多个隔开的倒钩；以及 涂覆所述表面，从而将涂层机械地固定于倒钩。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在表面中切割第一组凹槽包括将圆周螺纹切入于缸壁中，在表面中滚压第二组凹槽包括对表面进行压花，以形成第二组凹槽，第二组凹槽通过所述圆周螺纹的引导以偏离垂线的一定角度与第一组凹槽交叉。
10.如权利要求8所述的方法，其中，在表面中切割第一组凹槽包括将多个同心圆环形凹槽切入于缸壁中，在表面中滚压第二组凹槽包括对表面进行压花，以形成与第一组凹槽交叉的第二组凹槽。
11.如权利要求8所述的方法，还包括 选择限定多个气缸的铸铝气缸体，每个气缸包括缸壁； 仅在缸壁的与气缸体的缸体上平面隔开并且与发动机的曲轴箱隔开的最大磨损部分中形成第一组凹槽，所述最大磨损部分与随后将被装配到发动机的活塞的活塞环接合； 仅在缸壁的最大磨损部分中滚压形成第二组凹槽，以形成悬于第一组凹槽之上的隔开的倒钩；将熔化的钢喷涂到缸壁的最大磨损部分上 。
全文摘要
本发明公开了一种接受喷涂的表面、将涂层施加于表面的方法及内燃发动机，所述方法用于制备表面，以将喷涂层机械地固定到该表面。在表面中形成的第一组凹槽与在表面中形成的第二组凹槽交叉。在交叉点处形成多个倒钩。喷涂层被机械地固定至悬于第一组凹槽之上的倒钩。所述表面包括第一组凹槽和与第一组凹槽交叉的第二组凹槽。第二组凹槽在第一组凹槽和第二组凹槽的交叉点处形成底切部分或倒钩，所述底切部分或倒钩机械地锚固喷涂层。
文档编号F02F1/18GK102966457SQ20121030857
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月27日 优先权日2011年8月29日
发明者罗德尼·G·惠特贝克, 基斯·雷蒙德·巴图, 大卫·艾伦·史蒂芬森, 杰姆斯·威廉·佩里 申请人:福特全球技术公司