专利名称：具有一体气缸筒衬套和筒状芯零件的铸型用衬套安置结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来生产需要将圆筒形物体嵌入其中的铸件的铸型，更具体而言，涉及具有多个铸造就位的气缸筒衬套的发动机缸体用铸型。
背景技术：
内燃机的气缸筒内壁需要经受住活塞和布置在其上的密封环的磨损作用。在具有铸铁发动机缸体的多种模型中，铸铁提供所需的耐磨性。在其它多种模型中，包括一些使用铝或其它轻质材料的“V”型发动机缸体中，将气缸筒衬套安置在气缸筒中以便提供足够的耐磨性。
在许多发动机缸体铸造过程中，气缸筒衬套是该过程的一个整体部分。在将熔融金属引入型腔以便形成发动机缸体之前，把多个气缸筒衬套组装在铸型内。气缸筒衬套在筒状芯上的放置用将该气缸筒衬套放在筒状芯零件上的方法来完成。这通常被命名为组装衬套法。另一种可选方式是，气缸筒衬套可与筒状芯结合在一起，其方法为将气缸筒衬套放入一个筒状芯器具中从而在该衬套内侧形成该筒状芯零件。这通常被命名为吹入衬套法。
在进行铸造之后，在铸型被除去时，铸造就位的气缸筒衬套被永久嵌入该气缸筒的铸件金属壁内。在用铝充填铸型之前该气缸筒衬套通常被预热以便改善该气缸筒衬套和气缸筒壁之间的机械接触，并且避免由气缸筒衬套和熔融金属之间的热偏差造成的多种缺陷。任何传统加热法例如感应加热均可用来预热该气缸筒衬套。
在一种通常被称作精密砂型铸造工艺的砂型铸造工艺中，一种一次性(不重复使用的)铸型组件40被组装在一起，如图1所示。铸型组件40用多个不同铸型部分和包括凹部芯42、曲轴箱芯43、筒板状芯44和水套芯45的多个型芯组装在一起。这些型芯结合在一起以便限定出发动机缸体的内外表面。所述铸型部分和型芯用树脂粘结砂制成。气缸筒衬套46在铸型内的适当定位以及气缸筒衬套46在预热和浇注期间的位移防止是当前所遇到的问题。
处理该定位和位移问题的一些尝试需要已倒角的气缸筒衬套在热膨胀期间保持安置在型芯43和/或44的相应已倒角安置表面上。现有技术为相对于一个垂直于该气缸筒衬套轴线的平面倾斜的倒角表面提供特殊的角度，以保证在预热和浇注期间该气缸筒衬套保持安置并与铸型组件40的安置表面接触。这些角度用气缸筒衬套的长度和半径标称(理论)尺寸进行计算，并且该衬套在预热和浇注期间呈现均匀的就地热膨胀。
在实践中，该理论状态通常不会遇到，而变化会造成正在膨胀的气缸衬套顶着多个约束铸型支座施加力。其结果是，该铸型支座或者造成彼此相对的运动，或者是该支座破裂从而造成树脂粘结砂弄脏铸型。这些后果是不符合需要的并且比气缸筒衬套的小量位移可能更具灾难性。
因此，所希望的是提供一种用来生产具有多个铸造就位的气缸筒衬套的铸型的改进方法。
发明内容
根据本发明，令人惊讶地披露了一种生产具有铸造就位的气缸筒衬套(cylinder bore liner)的铸型的改进方法。
在一个实施例中，生产发动机缸体用铸型的方法包括以下步骤提供一个具有纵向轴线的铸造就位的气缸筒衬套，所述气缸筒衬套具有在其第一端部上形成的倒角；以及采用吹入法形成型芯，所述型芯包括一个具有安置表面的铸型支座，所述气缸筒衬套被布置在与所述铸型支座的安置表面接触的安置位置，其中所述气缸筒衬套的所述倒角在所述气缸筒衬套产生热膨胀时从所述安置表面处移位。
在另一个实施例中，生产用于铸造发动机缸体的铸型组件的方法包括以下步骤提供至少一个具有纵向轴线的铸造就位的气缸筒衬套，所述至少一个气缸筒衬套具有一个在其第一端部上形成的安置表面，其中所述安置表面的至少一部分相对于垂直于所述纵向轴线的平面按一定角度进行布置；以及提供多个适于进行组装以形成所述铸型组件的型芯，采用吹入法形成至少一个所述型芯，采用所述吹入法形成的所述型芯包括一个具有安置表面的铸型支座，所述至少一个气缸筒衬套的所述安置表面安置在所述铸型支座安置表面上的第一位置，其中在加热所述至少一个气缸筒衬套时，所述至少一个气缸筒衬套的所述安置表面从所述铸型支座安置表面上的所述第一位置处移位。
在另一个实施例中，生产用于铸造发动机缸体的铸型组件的方法包括以下步骤提供至少一个具有纵向轴线的铸造就位的气缸筒衬套，所述气缸筒衬套具有在其第一端部上形成的倒角，其中所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角具有大体上呈截锥形的形状；以及提供多个适于进行组装以形成所述铸型组件的型芯，采用吹入法形成至少一个所述型芯，所述至少一个型芯包括一个具有安置表面的铸型支座，所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角安置在所述铸型支座安置表面上的第一位置，其中在加热所述气缸筒衬套时，所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角从所述铸型支座安置表面上的所述第一位置处产生移位。
结合附图并通过对优选实施例的以下详细描述，本领域的技术人员易于理解本发明的上述和其它优点，其中图1为一个局部铸型组件的剖视图；图2为根据本发明的铸型的一个实施例的局部剖视图；图3为根据本发明的铸型的另一个实施例的局部剖视图；图4为根据本发明的铸型的另一个实施例的局部剖视图；图5为采用吹入法生产的根据本发明的铸型的另一个实施例的局部剖视图；图6为根据本发明的铸型的另一个实施例的局部剖视图；图7为图2中所示细部D的放大视图；图8为图2中所示细部E的放大视图；图9为一幅简图，图中示出了根据本发明的气缸衬套在热膨胀时的轴向移位量；图10为示出了具有一定横向移位的根据本发明的铸型的横截面图；和图11为典型的筒板状芯盒的剖视图。
具体实施例方式
以下详细的说明书和附图描述和示出了本发明的多个示范性实施例。该说明书和附图用以使本领域的技术人员能够利用和使用本发明，且不旨在以任何方式限制本发明的范围。就所披露和示出的多种方法而论，列出的步骤实质上是示范性的，因此所述步骤的次序不是必需或关键的。
图2示出了根据本发明的实施例组装衬套的发动机缸体(未显示)用铸型100的局部剖视图。应该理解，发动机缸体包括一个或多个气缸筒，例如用于V-8发动机的8个气缸筒。然而，为了简单起见，本发明的多个实施例被描述成仅与一个单独的气缸筒有关，而本发明不受此限制。铸型100包括数个铸型部分，例如一个板状芯102和一个筒状芯104。所述铸型部分为树脂粘结的砂芯并且可采用例如呋喃热芯盒或酚脲烷(phenolic urethane)冷芯盒制芯工艺等传统工艺制成。该芯可由例如硅石、锆石、熔融石英等多种砂制成。还应意识到，板状芯零件102和筒状芯零件104可各自制成一个整体部分，例如如图1所示的筒板状芯44，或者另一种可选方式是，制成多个分离并互连在一起的铸型部件的组合。
一个组装好的气缸筒衬套46被可靠地分别限制在板状芯102和筒状芯104的安置表面112、120之间。气缸筒衬套46具有一条纵向轴线“B”，当气缸筒衬套46在铸型100内对准并且气缸筒衬套46相对于气缸筒芯104的纵向轴线“A”不存在横向位移或倾斜时，轴线“B”与轴线“A”重合。气缸筒衬套46的这个位置被定义为“安置”位置。此处所用的“安置”意味着正确地装配在一个支座或者说安置表面上处于所需位置处。而移位意味着从一个支座或者说安置表面的所需位置移动或移走，或者说不再被约束在该所需位置处。部分移位也包括在移位含意之中。
气缸筒衬套46具有与板状芯102邻近的第一端部108以及与筒状芯104邻近的第二端部110。在图2所示实施例中，气缸筒衬套46的第一端部108与第一铸型支座112接触，所述第一铸型支座112可由板状芯102的一部分限定。第一铸型支座112具有一个中凸双曲表面114，该表面关于轴线A对称并且在每个位置点处具有两个半径。这样一个表面是通过围绕轴线A旋转一条曲线而形成的，所述轴线A是旋转轴线或者对称轴线。当一个半径变为无穷大时可获得的圆锥或圆柱表面是单曲表面。第一铸型支座的双曲表面114例如可为一个球面或圆环面的一部分。
气缸筒衬套46沿着一个接触圆118接触第一铸型支座112的表面114。接触圆118位于与轴线A垂直的平面上且具有半径R1。在一个实施例中，气缸筒衬套46的第一端部108包括第一端部表面116，所述第一端部表面在这个实施例中是一个大致呈截锥形的倒角，如图7中最佳地示出。倒角116沿着接触圆118与第一铸型安置表面114相切，并且与垂直于轴线A的接触圆118的平面一起限定出角α1。
气缸筒衬套46的第二端部110与第二铸型支座120接触。第二铸型支座120可在圆锥表面122处接触第二端部110，如图2所示，或者在类似于第一铸型支座112的双曲表面114的双曲表面124处接触第二端部110，如图6所示。在图2所示的实施例中，圆锥表面122相对于垂直于轴线A的平面倾斜成角α2，这在图8中得到最佳的详细图示。气缸筒衬套106还可包括第二端部表面126，所述第二端部表面在这个实施例中是一个具有相同倾角α2的圆锥倒角。在图6所示的实施例中，第二倒角126接触第二铸型支座120的双曲表面124并以角α2相切，角α2由第二倒角126和垂直于轴线A的平面确定。当第一和第二铸型支座112和120的双曲表面114和124互为镜像时，α2＝α1＝α。
如果在其初始状态，即在由预热工艺(如果采用)或由铸造工艺所引起的任何加热之前，所有铸型构件被适当地成形和组装在一起，那么气缸筒衬套46被安置在第一和第二铸型支座112和120上；也就是说，该气缸筒的轴线A与气缸筒衬套46的轴线B重合，从而使得气缸筒衬套46相对于气缸筒的轴线A没有横向位移。气缸筒衬套46受到第一和第二铸型支座112、120的约束。角α1和α2这样选定，以使得在加热时气缸筒衬套46会稍微移位，或者说不再被第一和第二铸型支座112、120牢固地限制住。因此，气缸筒衬套46的轴线B可相对于轴线A横向位移一定量GL，如在图10中夸张所示。移位的气缸筒衬套46可受到重力、气缸筒衬套46对一个或两个支座112和120的局部附着力、或不平衡的金属压力的作用而移动偏离预定位置。
在其它实施例中，如图3和4所示，图2所示的第一铸型支座112也可被构造以具有一个圆锥形表面，所述圆锥形表面与圆锥形表面122互成镜像，并且相对于垂直于轴线A的平面以角度α1＝α2倾斜。在发生热膨胀时，气缸筒衬套46可从第一和第二铸型支座112、120上的安置位置产生移位。气缸筒衬套46具有与铸型支座112、120的圆锥表面114、122紧密配合的第一和第二端部表面116、126。在图3所示的实施例中，端部表面116、126为圆锥倒角。而在图4所示的实施例中，气缸筒衬套46的端部表面116、126为双曲表面。
在图5所示的另一实施例中，一个单独的铸型支座112被成形具有大致呈截锥形的安置表面114。铸型支座112被成形邻近气缸筒衬套46的一个倒角或者说安置表面，其方法为在生产筒状芯104期间将芯砂吹入气缸筒衬套46内部，这将在下文中作出进一步描述。借助于单独的铸型支座112，气缸筒衬套46的导向在其第一端部108处形成。
现在描述图5所示根据本发明的实施例的发动机缸体铸型的生产方法。为了进行图示说明，将对筒板状芯的成形进行描述，不过可以理解，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，能够形成另一种类型的芯例如一种整体筒状曲轴箱芯。
为了制备图1所示的筒板状芯44，将气缸筒衬套46布置在图11所示出的芯盒150中。芯盒150包括一个芯盒盖152，所述芯盒盖布置在下部芯盒部分154上。当芯盒150如图所示那样被组装在一起时，形成一个空隙156。将芯砂(未显示)吹入空隙156从而形成筒板状芯44。任何传统制芯工艺，例如呋喃热芯盒或酚脲烷冷芯盒均可用来形成筒板状芯44。任何传统芯砂例如硅石、锆石、熔融石英等均可使用。通常，该砂和粘结树脂混合在一起再将其吹入芯盒150中。然后该树脂固化而形成筒板状芯44。在该树脂粘结砂已经固化的状态下，从芯盒150中取出在上面设置了多个气缸筒衬套46的筒板状芯44。现在筒板状芯44已准备好与一个水套芯45组装，在此之后再装入一个铸型组件例如图1所示的铸型组件40中。
对于所描述的所有实施例而言，在预热和/或铸造工艺期间轴线B相对于轴线A存在的较小的位移或不对准，与在这些工艺期间如果气缸筒衬套46被强制安置在第一和第二铸型支座112、120上可能造成的损伤相比，是可忽略的。根据本发明的教导，与理论不一致的气缸筒衬套46的未预见和/或未计入的热膨胀会在不推开分离铸型支座112、120和/或压碎或折断铸型支座112、120形成材料并弄脏该铸型的情况下得到调节。该未预见和/或未计入的热膨胀通常起因于在铸型支座112、120和气缸筒衬套46的实际尺寸和角度方面的正常工艺变化，以及在预热和/或铸型充填期间的不均匀热膨胀。
在本发明中借助于设计铸型支座112、120和气缸筒衬套46从而使得气缸筒衬套46在热膨胀期间稍微移位，从而避免出现气缸筒衬套46不可预测热膨胀的不符合需要的后果。这通过允许在气缸筒衬套46的一个或两个端部108、110处的一定的不受约束的膨胀量而实现。在这方面，倒角角度α1和α2被选定以超过标称值，该标称值是用一个不会造成气缸筒衬套46产生过度的移位或不对准的量来约束安置在理论上所需的。例如对于多个不同实施例而言，恒定安置所需的标称角度由下列等式确定对于组装型衬套而言R1×tanα1+R2×tanα2＝L其中L为气缸筒衬套46按其与铸型支座112、120接触处确定的长度，而R1和R2为气缸筒衬套46在与该铸型支座接触处的相应半径。如果R1＝R2＝R而且α1＝α2＝α，则tanα＝L/2R对于吹入型衬套而言R1×tanα1＝L于是tanα＝L/R1作为一个实例，考虑一个具有R1＝R2＝47.5mm和L＝140mm的组装型铸铁气缸筒衬套46。对于这个气缸筒衬套46来说，用于约束安置的标称角度α等于55.84°，而热膨胀系数(k)等于5.9×10-6/。对于1000的温度改变而言，如果α1和α2选定为比该标称角度值高10°，或者说为65.84°，则轴向移位量Ga可计算如下。长度的变化量为ΔLΔL＝1000×5.9×10-6×140＝0.826mm半径R的变化量为ΔRΔR＝1000×5.9×10-6×47.5＝0.280mm参见图9，轴向移位Ga从该铸型支座在初始接触点处的切线测得Ga＝2ΔRtan(65.84°)-ΔL＝0.424mm同样，如果只是第一角α1增加10°成65.84°，而第二角α2保持为55.84°的标称值时，则轴向移位Ga为
Ga＝ΔRtan(65.84°)+ΔRtan(55.84°)-ΔL＝0.212mm因此，对于这个实例中的气缸筒衬套46而言，倒角角度之一增加10°使得气缸筒衬套46的轴向移位仅为0.212mm。而两个倒角角度α1和α2均增加10°使得气缸筒衬套46的轴向移位仅为0.424mm。
由于存在Ga，因此气缸筒衬套46能够自由地横向移动远离符合需要的气缸筒中心线。图10示出该横向位移量GL等于(Ga/2)/tanα。在当前实例中，如果两个角均增加10°，则会导致产生0.095mm的横向移动。
通过这些计算可以意识到，借助于一个或两个倒角角度α1和α2从热膨胀时保持气缸筒衬套46安置的标称值增加10°那么多，仅会产生气缸筒衬套46的较小的径向或轴向移位，在此同时除了防止压碎或折断铸型支座之外还有许多其它优点可以实现。例如，双曲表面114减少或消除铸型支座112因紧靠气缸筒衬套46的倒角116拐角所致的擦伤。倒角角度α1或α2的增大利于铸型支座102在铸型100组装期间插入气缸筒衬套46中，从而使得气缸筒衬套46能够正确地组装，尤其在气缸筒衬套46在铸型组装时通常不垂直的“V”型发动机情况下更是如此。这在图1中示出。
对于一个给定量的轴向移位量Ga而言，更大的倒角角度α1和α2导致更小量的横向位移GL。更小的横向位移GL有助于提供对于任何气缸筒衬套46的更好控制，这是因为所述任何气缸筒衬套46由于组装铸型100时板状芯102、筒状芯104和气缸筒衬套46存在尺寸缺陷而在初期随铸型组件产生移位。
通过上述说明书，本领域的技术人员能够容易地确定本发明的主要特征，并且能够在不偏离本发明的范围和精神的情况下对本发明作出多种改变和变形，以便使其适应不同的用途和状况。
权利要求
1.一种生产用于铸造发动机缸体的铸型的方法，所述方法包括以下步骤提供一个具有纵向轴线的铸造就位的气缸筒衬套，所述气缸筒衬套具有在其第一端部上形成的倒角；以及采用吹入法形成型芯，所述型芯包括一个具有安置表面的铸型支座，所述气缸筒衬套被布置在与所述铸型支座的安置表面接触的安置位置，其中所述气缸筒衬套的所述倒角在所述气缸筒衬套产生热膨胀时从所述安置表面处移位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气缸筒衬套的所述倒角具有大体上呈截锥形的形状。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铸型支座的所述安置表面具有大体上呈截锥形的形状。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型芯是一个筒板状芯。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括提供一个芯盒的步骤，其中所述型芯采用吹入法在所述芯盒中形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气缸筒衬套的倒角相对于垂直于所述气缸筒衬套的纵向轴线的平面的角度超过按理论所需的标称角度，所述标称角度用来在加热所述气缸筒衬套期间将所述倒角约束安置在所述安置表面上。
7.一种生产用于铸造发动机缸体的铸型组件的方法，所述方法包括以下步骤提供至少一个具有纵向轴线的铸造就位的气缸筒衬套，所述至少一个气缸筒衬套具有一个在其第一端部上形成的安置表面，其中所述安置表面的至少一部分相对于垂直于所述纵向轴线的平面按一定角度进行布置；以及提供多个适于进行组装以形成所述铸型组件的型芯，采用吹入法形成至少一个所述型芯，采用所述吹入法形成的所述型芯包括一个具有安置表面的铸型支座，所述至少一个气缸筒衬套的所述安置表面安置在所述铸型支座安置表面上的第一位置，其中在加热所述至少一个气缸筒衬套时，所述至少一个气缸筒衬套的所述安置表面从所述铸型支座安置表面上的所述第一位置处移位。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个气缸筒衬套的所述安置表面是倒角。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角具有大体上呈截锥形的形状。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述铸型支座的所述安置表面具有大体上呈截锥形的形状。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个气缸筒衬套的倒角相对于垂直于所述至少一个气缸筒衬套纵向轴线的平面所成的角度超过按理论所需的标称角度，所述标称角度用来在加热所述至少一个气缸筒衬套期间将所述倒角约束安置在所述铸型支座的所述安置表面上。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用所述吹入法形成的所述型芯是一个筒板状芯。
13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括提供一个芯盒的步骤，其中采用所述吹入法形成的所述型芯在所述芯盒中形成。
14.一种生产用于铸造发动机缸体的铸型组件的方法，所述方法包括以下步骤提供至少一个具有纵向轴线的铸造就位的气缸筒衬套，所述至少一个气缸筒衬套具有在其第一端部上形成的倒角，其中所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角具有大体上呈截锥形的形状；以及提供多个适于进行组装以形成所述铸型组件的型芯，采用吹入法形成至少一个所述型芯，所述至少一个型芯包括一个具有安置表面的铸型支座，所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角安置在所述铸型支座安置表面上的第一位置，其中在加热所述气缸筒衬套时，所述至少一个气缸筒衬套的所述倒角从所述铸型支座安置表面上的所述第一位置处产生移位。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个气缸筒衬套的倒角相对于垂直于所述至少一个气缸筒衬套纵向轴线的平面所成的角度超过按理论所需的标称角度，所述标称角度用来在加热所述至少一个气缸筒衬套期间将所述倒角约束安置在所述铸型支座的所述安置表面上。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个型芯是筒板状芯。
17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括提供一个芯盒的步骤，其中所述至少一个型芯在所述芯盒中形成。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述铸型支承的所述安置表面具有大体上呈截锥形的形状。
全文摘要
披露一种生产用于铸造发动机缸体的铸型的方法，该铸型包括用于铸造就位的气缸筒衬套的铸型支座，所述支座具有相对于该气缸筒衬套的纵向轴线成一定角度布置的表面，其中该气缸筒衬套在热膨胀时略微产生移位。
文档编号B22D19/00GK1947889SQ200610135980
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月16日 优先权日2005年10月14日
发明者T·P·纽坎布 申请人:通用汽车环球科技运作公司