专利名称：用于水套的有机体状铸造方法
技术领域：
本发明总的涉及诸如气缸体和气缸盖之类的发动机部件的熔融金属铸造，并且更具体地，涉及一种方法和铸造型芯，用于改进水套(即，冷却通道)的结构以改善热流动和机械强度。
背景技术：
气缸体和气缸盖是用于内燃机的发动机部件的不例，所述发动机部件一般通过在由硬化的砂芯制造的模具中对铝合金进行铸造而制造。使用现有的铸造方法在气缸体和气缸盖中形成的水套(即，冷却通道)，导致热传递效率与铸件的结构支撑和刚度之间的强制的折衷。水套提供了从发动机部件向冷却系统的热传递方法。为了将热量从发动机本身高效地转移到在水套中流动的冷却剂，将水套与热源仅仅通过铸件金属的薄壁分开。然而，得到最低程度的支撑的材料的薄部表现出减小的强度以对抗于机械负载和燃烧负载。由于缺乏支撑，水套附近的结构的承载能力会受到水套腔与气缸或燃烧室之间的材料壁厚的较小变化的显著影响。由于水套区域中的结构的缺乏导致的结构要求，可能需要更多的材料厚度/材料量来提供结构性能，虽然较少的材料厚度会提供较好的热传递和冷却。期望减小壁厚以实现更好的冷却效率，同时保持壁的强度以实现更好的机械性倉泛。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种用于铸造发动机部件的方法。硬化的颗粒由具有三维实心形状的型芯材料形成。辅助粘结剂被应用于硬化的颗粒。多个颗粒在呈发动机部件的水套的形状的主模中聚团，并且辅助粘结剂被硬化以形成具有连续的网状结构的有机体状型芯(organic-like core)。多个其他的芯形成在相应的主模中，以限定发动机部件的相应表面。有机体状型芯与其他的型芯组装在一起以形成铸造模具。通过使熔融金属流入铸造模具中来铸造发动机部件，从而形成桥接具有预定孔隙度的水套的连续的母体金属。在铸造之后将型芯材料从发动机部件中取出。根据本发明的一个实施例，所述颗粒各自具有用于与相邻的颗粒结合的至少一个凸起表面。根据本发明的一个实施例，所述颗粒各自具有基本球形形状。根据本发明的一个实施例，所述颗粒各自具有在大约Imm到大约5mm的范围内的
最大直径。根据本发明的一个实施例，所述颗粒各自具有在大约2mm到大约4mm的范围内的
最大直径。根据本发明的一个实施例，所述多个颗粒包括较小颗粒的组和较大颗粒的组，其中所述较大颗粒全部具有大于所述较小颗粒的最大直径的最大直径，并且其中所述多个颗粒在主模中在所述有机体状型芯的中间区域中以较大颗粒的最高浓度聚团以及在所述主模中在所述有机体状型芯的边缘区域中以较小颗粒的最高浓度聚团。根据本发明的一个实施例，形成硬化颗粒的步骤包括将砂与胶的混合物布置在颗粒模具中以及然后使所述混合物硬化。 根据本发明的一个实施例，所述型芯材料包括砂。根据本发明的一个实施例,所述型芯材料包括盐。根据本发明的一个实施例，所述发动机部件是气缸体。根据本发明的一个实施例，所述发动机部件是气缸盖。另一方面，本发明还提供一种用于铸造发动机部件的型芯，包括多个硬化颗粒，每个硬化颗粒具有三维形状，该三维形状带有用于与相邻的颗粒结合的至少一个凸起表面，其中每个硬化颗粒具有在大约Imm到大约5mm的范围内的最大直径；以及辅助粘结剂，所述辅助粘结剂将所述颗粒结合成具有水套形状的团块，其中所述团块具有连续的网状结构并且限定出预定孔隙度。根据本发明的一个实施例，所述颗粒是基本球形的并且具有在大约2mm到大约4mm的范围内的最大直径。根据本发明的一个实施例，所述多个颗粒包括较小颗粒的组和较大颗粒的组，其中所述较大颗粒全部具有大于所述较小颗粒的最大直径的最大直径，并且其中所述颗粒在主模中在有机体状型芯的中间区域中以较大颗粒的最高浓度聚团以及在所述主模中在所述有机体状型芯的边缘区域中以较小颗粒的最高浓度聚团。根据本发明的一个实施例，硬化颗粒包括砂和主粘结剂。根据本发明的一个实施例，硬化颗粒包括盐。
图1是发动机缸体的截面的透视图，以示出内部的水套。图2是示出组装型芯以形成铸造模具的框图。图3是示出现有技术的铸造工艺的流程图。图4描绘了用于形成本发明的有机体状型芯的多个球状颗粒。图5是示出本发明的一种优选方法的流程图。图6是示出本发明的铸造发动机缸体的截面图。图7是示出有机体状型芯的不同区域中的不同尺寸的颗粒的透视图。
具体实施例方式本发明一般用多孔金属铸件来替代水套的一部分或全部，其中该多孔金属铸件具有遍布该铸件的限定空洞。该有机体状铸件(OLC)类似于海绵或开孔型蜂巢，其中材料和空洞遍布整个结构。经过材料的孔隙的液体(即，冷却剂)流量取决于遍布金属的空洞的结构，并且具有预定的空洞/体积比(即，空洞的总的三维体积除以水套区域的总体积)。常规的水套将具有为I的空洞/体积比。该常规水套当完全堵塞(即，被环氧树脂填塞)时将具有为O的空洞/体积比。本发明的OLC水套结构具有在I与O之间的空洞/体积比，并且通过调节该比值来调节结构对(Versus)冷却流特性。当该比值增大时，流量增大并且结构支撑减小。当该比值减小时，流量减小并且结构支撑增大。
通过使用由常规的型芯材料制成的离散的球形或其他几何形状将水套型芯形成为有机体状型芯来形成OLC水套形状。当这些离散的形状彼此接触时，剩余的空气空间限定出基体结构，该基体结构将作为铸造金属件中的发动机缸体的金属而保留。在球用作模具填充物的情况下，当该球的直径增大时，空洞/体积比也增大，从而允许了液体冷却剂更大的流量。当球的直径减小时，则发生相反的情况，直到球的尺寸与砂粒的颗粒尺寸相等并且在结构中没有空洞产生。可以认为OLC方法带来了铸件中期望的受控的孔隙度。本发明提供一种用于水套的两步式模具制造方法。首先，填充物形状(即，颗粒)必须以填充用于型芯的模具所需的量形成并硬化。颗粒可以形成为例如砂子滚珠。然后，用这些预硬化的形状与辅助粘结剂一起来填充模具，以将单独颗粒彼此粘结在OLC型芯内。颗粒形状和尺寸根据需要而变化，以获得结构与流量之间正确的平衡。用于气缸体的其他型芯，使用常规的材料来被单独地形成/硬化并与用于水套的复合型芯一起组装成完整的型芯组件。该完整的型芯组件可以用胶结合并且硬化，以将所有的单独的型芯粘结在一起。然后以与常规的型芯相同的方式，使用该型芯组件来铸造发动机缸体。在一些情形下，由于很多离散的型芯元件以及由于水套的孔隙度，在铸造之后将砂芯与发动机气缸体或气缸盖分开可能是个问题。在这些情形下可以使用诸如在液体中溶解的盐或其他材料之类的替代性模具填充物材料，而本发明的其他方面不变。产生的水套具有低的空洞/体积比，具有遍布水套的由铸造材料形成的明确限定的连续支撑基体，具有优异的结构特性，同时实现了充分的冷却介质流量。本发明的OLC方法和设计具有水套与气缸或燃烧室之间的标定壁厚能够显著减小这一优点，这是因为结构被连续地支撑在水套侧而不需要像常规的水套的情况那样具有相对较薄的壁部的长的不受支撑部。通过标定壁厚的减小，大大地增加了有效的热传递，从而允许对发动机内的材料温度的更好的控制。由于水套区域中改进的结构特性，能够减小壁厚以实现更好的冷却性能，同时整体发动机部件强度由于通过该方法形成的内部基体的连续属性而能够显著地提高。这避免了其他不太理想的获得结构改进的方式，例如在水套内结合离散的肋，这抑制了被支撑区域中的水流并且还容易导致关键区域的局部应力升高。OLC水套的连续属性使应力升高最小化，同时提供了最大的支撑。现在参照图1，发动机10的一部分包括含有活塞组件12的气缸体11。气缸体11部分地以截面示出，以显示壁14与壁15之间的水套13。循环通过水套13的冷却剂移除燃烧产生的热。尽管在本示例中示出了气缸体，但本发明能够等同地应用于气缸盖以及含有水套或其他冷却通道的任何其他铸造部件。气缸体11可以利用如下的铸造方法来形成，其中单独的砂芯被结合入组件以限定将被气缸体的金属占据的区域。在铸造之后，来自砂芯的砂返回成松散的形状并且能够从气缸体中倒出。如图2所示，多个型芯元件20-22被结合成型芯组件。在图3中示出了总的常规铸造过程。通过使砂、胶和硬化剂混合在步骤25中制造每个单独的型芯元件。在步骤26中将该混合物倒入或者吹入到用于限定每个单独的型芯元件的模具中，例如用来创建水套或其他冷却通道的模具形状中。当该混合物在模具中时，在步骤27中使硬化剂活化(例如，通过对该混合物进行加热)。在硬化之后，在步骤28中将每个型芯元件从其模具中取出。在步骤29中，将型芯组装成完整的铸造模具。利用组装好的模具，在步骤30中铸造发动机缸体。在其他处理步骤之后，在步骤31中可以将砂取出。根据现有技术的工艺，对应于水套的型芯是限定出水套的空洞形状的实心体。本发明使用聚团成水套的总体形状的颗粒，使得在型芯内存在连续的空洞以允许铸造金属流入，从而创建用于水套的多孔体。在一个优选实施例中，球或球状体35可以结合成团。对于颗粒，可以使用各种三维实心形状。为了在铸件中提供连续的空洞以允许冷却剂流动，有机体状的型芯具有连续的网状结构。通过确保每个颗粒与相邻的颗粒接触来建立连续的网。为了促进适当的接触，每个颗粒的表面的大部分优选是凸起的。型芯中的颗粒之间的空洞同样是基本连续的，以使发动机缸体形成有连续的母体金属，该母体金属桥接具有预定孔隙度的水套。所述孔隙度由颗粒的尺寸和形状决定。可以使用具有大约I毫米到大约5毫米的范围内的直径的球或球状体。更优选地，所述直径可以在大约2毫米到大约4毫米之间的范围内。在一个优选实施例中，颗粒可以由常规的型芯材料(例如，砂、胶和硬化剂)制造并且可以利用具有用于形成单独颗粒的凹座的模具形成。在图5中更详细地示出了本发明的方法。在步骤40创建型芯材料的混合物并且在步骤41中将其形成为颗粒。颗粒在步骤42中被硬化，然后在步骤43中与辅助粘结剂混合并且放置在限定水套型芯的主模中。主粘结剂和辅助粘结剂可以包括如本领域已知的无机粘结剂或有机粘结剂。例如，可以使用常规的苯酚甲醛粘结剂。砂可以例如是锆砂。辅助粘结剂在步骤44中被活化以硬化。在硬化之后，在主模内形成了具有连续的网状结构的有机体状型芯。该型芯包括多个颗粒的团块。当在步骤45中从主模取出复合有机体状型芯之后，在步骤46中将该型芯与其他用于气缸体的型芯组装在一起。在铸造之后，获得了气缸体50，如图6的截面所示。水套51具有位于实心壁之间的多孔结构，实心壁包括面向相邻的活塞筒的壁52。由于水套51内的网提供的增大的机械强度，壁52可以比在现有技术中获得的壁薄。在本发明的另一个实施例中，布置在有机体状型芯内的不同位置中的单独颗粒的直径可以不同。产生的空洞/体积比因此也将在水套内的不同区域中不同，从而允许一些区域中增大的冷却剂流和其他区域中的增大的机械强度。如图7所示，用于水套的型芯55可以具有中间区域56和边缘区域57。使用具有两种不同尺寸的颗粒一组大直径颗粒和一组小直径颗粒。中间区域56主要包括具有较大直径的颗粒，而边缘区域57主要包括具有较小直径的颗粒。如图所示，较大颗粒60和61的组以较大颗粒的最高浓度聚集在中间区域56中，而较小颗粒62-65的组以最高浓度设置在边缘区域57中。较高浓度的意思是颗粒的总体主要是分别来自较大颗粒的组或较小颗粒的组的颗粒。根据期望的特性，任何区域内颗粒尺寸的某种混合可以是可接受的或者甚至是期望的。
权利要求
1.一种铸造发动机部件的方法，包括以下步骤: 形成具有三维实心形状的型芯材料的硬化颗粒； 向所述硬化颗粒应用辅助粘结剂； 在呈所述发动机部件的水套的形状的主模中使多个颗粒聚团以及硬化所述辅助粘结剂以形成具有连续的网状结构的有机体状型芯； 在相应的主模中形成多个其他的型芯以限定所述发动机部件的相应表面； 将所述有机体状型芯与所述其他的型芯组装在一起以形成铸造模具； 通过使熔融金属流入所述铸造模具中来铸造所述发动机部件，从而形成桥接具有预定孔隙度的所述水套的连续的母体金属；以及 在铸造之后从所述发动机部件中取出所述型芯材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒各自具有用于与相邻的颗粒结合的至少一个凸起表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒各自具有基本球形形状。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒各自具有在大约Imm到大约5mm的范围内的最大直径。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒各自具有在大约2mm到大约4mm的范围内的最大直径。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个颗粒包括较小颗粒的组和较大颗粒的组，其中所述较大颗粒全部具 有大于所述较小颗粒的最大直径的最大直径，并且其中所述多个颗粒在所述主模中在所述有机体状型芯的中间区域中以较大颗粒的最高浓度聚团以及在所述主模中在所述有机体状型芯的边缘区域中以较小颗粒的最高浓度聚团。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，形成硬化颗粒的步骤包括将砂与胶的混合物布置在颗粒模具中以及然后使所述混合物硬化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述型芯材料包括砂。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述型芯材料包括盐。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机部件是气缸体。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机部件是气缸盖。
12.一种用于铸造发动机部件的型芯，包括: 多个硬化颗粒，每个硬化颗粒具有三维形状，该三维形状带有用于与相邻的颗粒结合的至少一个凸起表面，其中每个硬化颗粒具有在大约Imm到大约5mm的范围内的最大直径；以及 辅助粘结剂，所述辅助粘结剂将所述颗粒结合成具有水套形状的团块，其中所述团块具有连续的网状结构并且限定出预定孔隙度。
13.根据权利要求12所述的型芯，其中，所述颗粒是基本球形的并且具有在大约2_到大约4mm的范围内的最大直径。
14.根据权利要求12所述的型芯，其中，所述多个颗粒包括较小颗粒的组和较大颗粒的组，其中所述较大颗粒全部具有大于所述较小颗粒的最大直径的最大直径，并且其中所述颗粒在所述主模中在所述有机体状型芯的中间区域中以较大颗粒的最高浓度聚团以及在所述主模中在所述有机体状型芯的边缘区域中以较小颗粒的最高浓度聚团。
15.根据权利要求12所述的型芯，其中，所述硬化颗粒包括砂和主粘结剂。
16.根据权利要求12 所述的型芯，其中，所述硬化颗粒包括盐。
全文摘要
本发明提供一种用于铸造发动机部件的型芯，包括多个硬化颗粒，每个硬化颗粒具有三维形状，该三维形状带有用于与相邻的颗粒结合的至少一个凸起表面，其中每个硬化颗粒具有在1mm到5mm的范围内的最大直径；以及辅助粘结剂，所述辅助粘结剂将所述颗粒结合成具有水套形状的团块，其中所述团块具有连续的网状结构并且限定出预定孔隙度。本发明改善了发动机部件的热流动和机械强度。
文档编号B22C9/10GK103071768SQ20121040804
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月23日 优先权日2011年10月25日
发明者查尔斯·法布罗斯 申请人:福特汽车公司