用于消除HPDC发动机机体的现铸衬套中残余应力的方法与流程

与示例性实施例一致的装置涉及一种用于在加工之前消除高压压铸(hpdc)发动机机体中残余应力的方法。更具体地，与示例性实施例一致的装置涉及一种用于消除高压压铸(hpdc)发动机机体的现铸衬套中残余应力的方法。

背景技术：

由于高压压铸过程中的快速冷却尤其是不均匀的冷却，hpdc发动机部件中会产生大量的残余应力。关于现铸衬套，衬套和周围铝中甚至形成更多的残余应力。

衬套中孔间区域处的高应力能够在铸造后的加工及耐久性测试期间导致开裂。hpdc后传统的低温时效处理用于强化铝合金机体已被证明对消除解铸造残余应力的作用不大。在有些情况下，由高强度、高耐久性材料制成的衬套被用于避免加工或测试期间因hpdc过程之后部件中的残余应力而经常发生的开裂和压裂。

可以理解，高强度、高耐久性材料的使用在减轻hpdc发动机过程之后影响现铸衬套的残余应力造成的问题方面是有效的，这种方法是昂贵的，难以加工，且会因材料重量增加而降低燃油效率。因此，以下示例性方法的方面提供一种替代性方法，该方法解决了hpdc后残余应力相关问题，同时避免因使用高强度、高耐久性材料衬套而出现的问题。

技术实现要素：

一个或多个示例性实施例通过提供一种用于消除高压压铸(hpdc)发动机机体中残余应力的方法而解决上述问题。更具体地，与示例性实施例一致的装置涉及一种用于在加工之前消除高压压铸(hpdc)发动机机体中残余应力的方法。根据示例性实施例的一个方面，用于消除高压压铸发动机现铸衬套中残余应力的方法包括基于材料热塑性和机械性能计算至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料的温度曲线。

其他方面包括感应加热该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料，以及控制感应加热以获得该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料的计算出的温度曲线。示例性实施例的另一方面包括当松弛残余应力小于或等于预定的松弛残余应力阈值时，均匀冷却该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料至预定的温度。

还有其他方面包括通过至少一个可调节加热路径控制感应加热，以及响应于感应加热，计算该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料的残余应力松弛。示例性实施例的又一方面包括基于计算出的温度曲线，计算该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的机体材料的升温速率。还有另一方面包括测量该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料的松弛残余应力。

示例性实施例的另一方面包括基于该至少一个衬套和包围该至少一个衬套的发动机机体材料的铸态残余应力分布确定该至少一个可调节加热路径。

示例性实施例的其他目标、优点和新特征将通过以下示例性实施例的详细描述和附图而变得更清楚。

附图说明

参照附图，本发明将从下文所述的描述中得到更好地理解，其中：

图1是根据示例性实施例的包括现铸衬套的敞顶式高压压铸(hpdc)发动机机体的图示；

图2a是根据示例性实施例的定位来用于加热hpdc发动机机体的现铸衬套的感应加热装置的图示；

图2b是根据示例性实施例的布置在现铸衬套内的多个可调节路径加热线圈的静默视图图示；

图3是根据示例性实施例的感应加热装置的中央控制系统、加热控制单元和可调节路径加热线圈的示意图图示；以及

图4是用于消除(hpcd)发动机机体的现铸衬套中残余应力的程序的流程图图示。

具体实施方式

以下的描述在本质上仅是示例性的，不旨在限制本公开内容、应用或者用途。

图1提供了根据示例性实施例的方面，敞顶式hpdc发动机机体102的图示，该发动机机体102包括现铸衬套104，发动机机体材料106包围现铸衬套104。在示例性实施例中，发动机机体102由铝(al)或铝合金材料例如但不限于a360、a380或a390制成。现铸衬套104可以由铸铁、钢或各种铸铁或合金钢制成。在铸造过程中，衬套104通过芯棒在将形成发动机的102活塞汽缸内表面的位置处保持就位。在熔融金属发动机机体材料浇注并使其固化之后，衬套成为发动机机体的一部分。

衬套104和包围衬套的发动机机体材料106中的残余应力由于各自材料的热膨胀或收缩系数的不同而产生。大致上，铝的膨胀或收缩是铸铁衬套的大约8倍。热膨胀或收缩系数的不同导致制造过程中hpdc发动机102中不均匀的温度分布，这主要是由于所使用的不同材料(例如，铸铁衬套和包围的铝制发动机机体)的铸造和冷却导致的。当残余应力大于衬套拉伸强度时，衬套104中的高拉伸残余应力可导致开裂和压裂。

现在参照图2a，提供了根据示例性实施例布置用于加热hpdc发动机机体102的现铸衬套104的感应加热装置200的图示。感应加热装置200包括用于向加热控制单元205a、205b、205c和205d提供功率信号的功率信号电路210a、210b、210c和210d，加热控制单元205a、205b、205c和205d控制感应加热元件215a、215b、215c和215d中的感应加热分布(包括升温速率、可调节加热路径和温度曲线)。如按照示例性实施例方面的，一种中央系统225操作用于管理、命令、指导或调节感应加热装置200的功能。可以理解，中央控制系统225可以是开环或闭环系统。对于开环系统，需要进行详细的校准来优化升温时间和施加的功率。对于闭环系统，将靠近现铸衬套104和包围衬套104的发动机机体材料106采用温度感测单元(未示出)来提供实时温度信号返回到控制升温速率、可调节加热路径和温度曲线的加热控制单元205a～205d。

图2b提供了当根据示例性实施例定位于现铸衬套104内时，设置在感应加热元件215a～215d内的多个可调节路径加热线圈220a、220b、220c和220d的静默视图的图示。可以理解，根据示例性实施例的方面，可调节路径加热线圈操作用于受加热控制单元210a～210d选择性地控制以便感应加热现铸衬套104和发动机机体材料106的任何部分或整体。

图3是根据示例性实施例的中央控制系统225、加热控制单元205a～205d以及感应加热装置200的可调节路径加热线圈305a～305d、310a～310d、315a～315d和320a～320d的示意图300的图示。如图所示，每个感应加热元件215a～215d可以由多个可调节加热线圈220a～220d构成。

在示例性实施例中，每个感应加热元件215a～215d包括4个可调节加热线圈220a～220d，其中每个可调节加热线圈操作用于加热现铸衬套104和包围衬套104的发动机机体材料106(未示出)的四分之一。每个现铸衬套104和发动机机体材料106的升温速率、加热路径和温度曲线能通过中央控制系统225或各自的控制单元205a～205d调节，因为每个线圈单独接线用于独立控制。

因此，可以不定地在所需的温度下、以顺序的方式或在同一时间持续不同的时间，以及根据待获得的温度曲线通过独立的可调节加热路径220a～220d对每个孔加热。

现在参照图4，提供了用于在加工之前消除(hpdc)发动机机体的现铸衬套中残余应力的方法的程序400的流程图图示。在框405处，该方法开始于计算至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106的残余应力。这包括确定熔化的发动机机体材料和待填充铸模的初始温度。此后，对模具的填充、熔融材料的固化以及通过空气或液体淬火完成的冷却过程进行热分析。热分析的相关计算如下：在模具填充期间，移动液态金属的热传递可以使用以下等式进行计算：

其中焓，h＝∫ρcpdt。在凝固期间，凝固的铝铸件的热传递遵循能量等式，并且可以简化为如下等式：

其中ρ是密度(kg/m³)；cp是比热容(j·kg^-1·k^-1)；t是温度(k)；v是速度矢量(m·s^-1)，l是潜热(j·kg^-1)；k是导热系数(w·m^-1·k^-1)。

热分析结果进一步用于根据示例性实施例的方面确定至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106中的节点残余应力分布。

在框410，该方法继续计算至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106响应于感应加热的应力松弛。铸态残余应力分布值被用于感应加热的有限元模拟分析，以便确定至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106的应力松弛。根据示例性实施例，所使用的等式如下。由于铸造中温差引起的总应变可以由固有强度和应变硬化来确定：

其中，和分别是针对固有强度和应变硬化的速度修正温度；t是以开氏计量的温度，是应变速率；μ0(＝28.815gpa)是在0k下并针对铝铸件的参考剪切模量值；且是受温度影响的剪切模量；μ(t)是温度依赖的剪切模量。屈服后，流动应力可以通过应变硬化演化来模拟：

其中，θ0代表参考状态(0k，)中屈服下应力-应变曲线的斜率并且是材料性能之一的参数的。

在框415，该方法继续基于该至少一个衬套104和发动机机体102的材料热塑性和机械性能而计算至少一个现铸衬套104和包围至少一个现铸衬套104的发动机机体材料106的温度曲线和升温速率。

根据示例性实施例的方面，发动机机体102由铝或铝合金材料形成，衬套104由铸铁形成。可以理解，这些材料具有不同的热塑性和机械性能，但温度曲线和升温速率主要依赖于发动机机体材料，从而避免了材料的初熔或起泡。例如，在10-30℃/s的升温速率下加热包围铸铁衬套104的铝发动机机体材料106避免熔化的最高温度在400-500℃之间，而相同速率下加热铸铁熔化前的最高温度在1000-1100℃之间。

较慢的升温速率(例如，10℃/s)适用于低延展性的铝材料，较高的升温速率(例如，30℃/s)适用于高延展性的材料，其中根据以下等式，有限元分析被用于确定实际的温度曲线和升温速率：σ＝eα△t<σuts，其中σ是热应力，e是杨氏模量，α是线热膨胀系数，△t是给定时间内温度的变化，σuts是发动机机体材料的极限抗拉强度。根据示例性实施例的方面，加热路径可调节用于将至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106加热至所需的应力松弛水平，特别是在加工过程中预计易压裂/开裂的铸态残余应力分布节点。

现在参照框420，根据示例性实施例的各方面，该方法继续基于在至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106中获得所需应力松弛水平所需要的温度曲线、升温速率和加热路径来控制感应加热。可以理解，加热控制通过加热控制单元205a-205d和中央控制系统225借助封闭系统或开环系统的运行来执行，封闭系统需要用于反馈的感测电路(未示出)，而开环系统将需要进行初始的及周期性的详细校准，作为设备维修的一部分。

在框425，根据示例性实施例，该方法继续响应于感应加热而测量松弛残余应力。松弛残余应力通过破坏性或非破坏性的方法来测量，但不限于应变计法、钻孔法、x射线衍射法或中子衍射法。

在框430，该方法继续确定所测的松弛残余应力是否小于或等于计算出的松弛残余应力阈值。如果确定所测的松弛残余应力小于或等于计算出的松弛残余应力阈值，则至少一个现铸衬套104和包围该衬套的发动机机体材料106均匀地冷却至预定温度。根据示例性实施例的方面，冷却过程将自然地在静止环境空气中进行，但也可以用其他方法，如强制环境空气或强制热空气以便在加工前达到预定温度。如果所测的松弛残余应力不小于或等于计算出的松弛残余应力，则该方法返回到框420进一步控制感应加热直至所测的松弛残余应力小于或等于计算出的松弛应力阈值。

本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，不脱离本发明要旨的变型都预期属于本发明的范围内。这种变型不脱离本发明的精神和范围。