气缸衬套及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201180012712.X | 申请日 | 2011-03-02 | 公开(公告)号 | CN102781606B | 公开(公告)日 | 2015-10-21 |
| 申请人 | 株式会社MORESCO; | 发明人 | 山县裕; 岛秀贵; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种与 气缸 体具有高接合强度的气缸衬套。本发明还公开了一种用于制造所述气缸衬套的方法。所述气缸衬套使用 硅 铝 合金 作为材料；在其外表面形成有多个凸部；并且所述凸部各自含有从所述外表面延伸的柱部以及在所述柱部的末端形成的头部。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种气缸衬套， |
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| 说明书全文 | 气缸衬套及其制造方法技术领域[0001] 本发明涉及一种气缸衬套及其制造方法。 背景技术[0002] 用于汽车发动机等的气缸体包括多个气缸内径，在各气缸内径内部有活塞滑动。此处，出现了气缸内径的内表面由于活塞的滑动而磨损的问题。为了解决这一问题，提议了一种气缸体，其中通过由高硅铝合金如A390铸造其整个气缸体而保证了耐磨性。然而，由A390形成的气缸体非常坚硬，使得难以进行铸造后的加工。为了解决这一问题，提议了具有设置在气缸内径中的气缸衬套的气缸体(专利文献1)。这种气缸体具有下列结构：其中只有气缸衬套由高硅铝合金形成，而它的其余部分由不含硅的铝合金形成。因此，这种气缸体的优点在于，可以在活塞滑动表面上达到高耐磨性，而且同时在铸造后易于加工。 [0003] 引文列表 [0004] 专利文献 [0005] PTL 1：日本未经审查的专利公开号2002-504435。 [0006] 发明概述 [0007] 技术问题 [0008] 上述用于气缸体的气缸衬套在外表面上包括凹部和凸部，并且通过被铸成铝合金而固定在气缸内径中。然而，这样的气缸衬套具有的缺点在于，它与气缸体的接合强度不足。 [0009] 本发明的目的是提供一种具有高的与气缸体的接合强度的气缸衬套及其制造方法。 [0010] 解决问题的方案 [0011] 为了达到上述目的，本发明的发明人进行了深入研究并发现，气缸衬套和气缸体之间的接合强度取决于所述凹部和凸部的形状，特别是气缸衬套的外表面的凸部的形状。基于这一发现，完成了本发明。更具体地说，本发明的气缸衬套使用硅铝合金作为材料，并且包括在其外表面上形成的多个凸部，其中所述凸部中的每一个包括从所述外表面延伸的柱部以及在所述柱部的末端形成的头部。 [0012] 在所述气缸衬套中，在外表面上的凸部中的每一个具有通过头部和柱部形成的收缩部。因而，如果通过使用低压铸造、型铸等，通过将气缸衬套嵌入铝合金的等金属中而使该气缸衬套与气缸体一体化，则因为熔融的金属可以可靠地进入凸部的收缩部，因此气缸衬套与气缸体可以牢固结合。注意，本发明的气缸衬套的概念不仅包括仅由硅铝合金形成的那些，也包括由含有除硅铝合金以外组分的材料形成的那些。 [0013] 在所述气缸衬套中，从所述外表面至所述头部的末端表面的距离与从所述外表面至所述柱部的最小直径部分的距离的比率优选为2至80∶1。 [0014] 还可以连接多个所述气缸衬套以形成气缸衬套连结体。 [0015] 可以通过例如使用模具制造所述气缸衬套，所述模具包括多个在其内表面中形成有凹部的滑动件和型芯。更具体地，将粒状脱模剂附着在滑动件中的凹部的边缘部分，并且在上述条件下使熔融的硅铝合金流入到空腔和凹部中，由此铸造气缸衬套中间体。在气缸衬套中间体的外表面上形成有凸部。脱模剂进入每一个凸部的根部。其后，将气缸衬套中间体从模具中取出，并除去附着在气缸衬套中间体的表面上的脱模剂，从而获得具有凸部的气缸衬套，所述凸部中的每一个的根部是收缩的。在本说明书中，术语空腔是指在其中模塑气缸衬套中间体的空间。 [0016] 在上述制造方法中，可以例如通过电晕放电使脱模剂带电的方法，使粒状脱模剂附着在模具的每一个凹部的边缘部分。在这种方法中，因为大量的带电的脱模剂附着在电力线集中的每一个凹部的边缘部分，所以可以使大量脱模剂进入气缸衬套中间体的凸部的根部，从而在气缸衬套中间体的凸部的每一个根部形成深的收缩。 [0017] 在上述制造方法中，可以用含有有机组分的材料覆盖粒状脱模剂的外表面。在该方法中，当脱模剂附着在每一个凹部的边缘部分时，因为由于模具的热而导致的脱模剂外表面上的有机组分熔融，所以脱模剂可以牢固地附着在每一个凹部的边缘部分。此外，因为外表面熔融的脱模剂的粒子相互粘合，所以脱模剂可以在凹部的边缘部分中层积。这使得更大量的脱模剂能够进入气缸衬套中间体的每一个凸部的根部，从而在气缸衬套中间体的凸部的根部中形成深的收缩。 [0018] 在上述制造方法中，空腔中的空气可以从分别形成在滑动件中的每一个凹部的底部的出口排出。更优选地，可以通过经所述出口抽气而积极地移除空腔中的空气。根据这种方法，可以将空腔通过从中排出空气而压缩，从而，硅铝合金可以有效地流入凹部中。这使得气缸衬套的凸部能够以可靠的方式形成。 [0019] 在上述制造方法中，被模具分隔的每一个空腔可以具有这样的形式：连接两个以上的筒。这使得制造适用于多气缸发动机的气缸体的气缸衬套连结体成为可能。作为结果，可以缩短生产时间，并且获得生产成本方面的优势。 [0020] 通过使用包括如上所述的模具以及用于将脱模剂附着至凹部的边缘部分的附着部的生产设备，也可以制造气缸衬套。 [0021] 在上述生产设备中，附着装置可以通过电晕放电而使脱模剂带电。 [0022] 所述生产设备还可以包括：用于使用熔融的硅铝合金铸造气缸衬套中间体的铸造部；用于将通过铸造部形成的气缸衬套中间体从模具中释放的部分；用于从气缸衬套中间体中除去脱模剂的部分；等等。铸造部的实例包括重力铸造、低压铸造、型铸等。用于使气缸衬套中间体释放的部分可以使得：移动滑动件以使气缸衬套中间体释放，或者当使用型芯时，将气缸衬套中间体或型芯拉出或推出。除去手段的实例包括使用刷子、在能够溶解有机组分的溶剂中浸渍、超声清洗等。 [0023] 发明的有益效果 [0024] 本发明可以提高气缸衬套和气缸体之间的接合强度。 [0026] 图1是对根据上述实施方案的气缸衬套和气缸体进行示意性说明的透视图。 [0027] 图2是根据上述实施方案的气缸衬套的局部正视图。 [0028] 图3是对根据上述实施方案的模具和型芯进行示意性说明的平面图。 [0029] 图4是对根据上述实施方案的模具进行示意性说明的局部正视图。 [0030] 图5是对用于制造根据上述实施方案的气缸衬套的方法进行示意性说明的局部正视图。 [0031] 图6是示出了根据上述实施方案的气缸衬套的一部分的横截面照片。 [0032] 图7是对根据上述实施方案的更改实施例的模具和型芯进行示意性说明的平面图。 [0033] 实施方案描述 [0034] 以下参照附图，详细说明本发明的气缸衬套的一个实施方案、其生产设备和其制造方法。 [0035] 首先，以下说明根据本实施方案的气缸衬套1。 [0036] 如图1所示，通过将其嵌入气缸体2的气缸内径21中，使用气缸衬套1。气缸衬套1由硅铝合金制成，并在它的外表面包括多个凸部12，如图2所示。凸部12包括柱部13和直径大于柱部13的直径的头部14。注意，在气缸衬套1的凸部12中，柱部13的直径D1和头部14的直径D2之间的差优选为2μm以上，其中，D1优选为300μm以上，并且D2优选为302μm以上。柱部13的高度H1优选为50至1,000μm，头部14的高度H2优选为50至2,000μm，且H1与H2的比率优选为1∶1至40(H1∶H2＝1∶1-40)，更优选H1∶H2＝1∶1，条件是H1≤H2。图6示出了形成于气缸衬套的外表面上的凸部的形状的一个实例。 [0037] 以下说明用于制造上述气缸衬套1的设备。 [0038] 如图3至5中所示，生产设备安置有模具3和用于将粒状脱模剂5附着至模具3的附着装置6。 [0039] 如图3所示，模具3限定空腔7，且空腔7用于铸造下述的气缸衬套中间体8。模具3由第一至第四滑动件3a至3d和型芯4构成，所述第一至第四滑动件3a至3d可以在对角线方向上(如图3中所示箭头方向上)打开/关闭。在第一至第四滑动件3a至3d中的每一个中的内表面31上形成多个凹部32。凹部32将在气缸衬套中间体8的外表面上形成凸部82，并沿第一至第四滑动件3a至3d的对角线方向延伸。如图4所示，用于从空腔7排放空气的出口33在每一个凹部32的底部形成。为了型铸气缸衬套中间体8，由金属制成型芯4并将其安置于第一至第四滑动件3a至3d的中心。 [0040] 如图5(a)中所示，设计附着装置6，使得通过将粒状脱模剂5沿着气流通过通道61，将其喷在或吹在第一至第四滑动件3a至3d和型芯4上。通过在通道61端部安置的针状电极62和位于通道61外部的外部电源63，附着装置6也可以使脱模剂5带电。更具体地，将来自外部电源63的电能提供至高压产生器(未示出)以产生高压，并且将所产生的高压施加于针状电极62。这产生电晕放电，从而在针状电极62周围形成电晕离子。因为电晕离子吸附在通过通道61的脱模剂5上，使得脱模剂5带电。附着装置6的实例包括可商购的电晕粉末涂层枪，如MATSUO X-1a(由MatsuoIndustry Corporation制造)。 [0041] 脱模剂5优选粒径为1至100μm，且更优选5至50μm。此外，脱模剂5优选具有如下结构：其中它的中央部分由含有无机组分的材料形成，而它的外表面被含有有机组分的材料覆盖。有机组分的实例包括：聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、巴西棕榈蜡、丙烯酸类树脂、环氧树脂、聚苯乙烯、聚氨酯、尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、纤维素、脂肪酸、高级醇、金属皂、脂肪酸酰胺、脂肪酸酯、脂肪酸的碱盐等。无机组分的实例包括：滑石、云母、石墨、金刚石、二硫化钼、氮化硼、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化铁、硅藻土、沸石等。用于本实施方案的脱模剂5通过用 H-50TF(由NOF Corporation制造)覆盖Nano SiO2(由C.I.Kasei Co.，Ltd.制造的可商购材料)的表面而获得。 [0042] 以下主要参照图5，说明使用上述生产设备制造气缸衬套的方法。注意，图5仅说明了第一滑动件3a；然而，第二至第四滑动件3b至3d遵循与第一滑动件3a同样的程序。 [0043] 首先，如图5(a)中所示，加热第一滑动件3a并使用地线9将其接地。第一滑动件3a的温度优选高于包覆脱模剂5的有机组分的熔点或软化点，并且具体地为100至300℃。 随后，随着模具3打开，通过附着装置6向针状电极62施加高电压以使粒状脱模剂5带电，并且将带电的脱模剂5喷向第一滑动件3a的内表面31。此时，带电的脱模剂5附着在除了凹部32的内部之外的整个内表面31上。特别是，大量带电的脱模剂5附着在电力线集中的凹部32的边缘部分34。其后，当将型芯4保持在室温(25℃)时，脱模剂5也通过附着装置6附着在型芯4的外表面41上(图5(b))。优选每次进行铸造时，将脱模剂5附着在第一至第四滑动件3a至3d和型芯4上。施加在针状电极62上的电压优选为20至100kV。 当向第一滑动件3a和型芯4喷脱模剂时，对于空气压力没有特别的限定，并且可以在如下范围内适当地选择空气压力：足以使脱模剂5能够到达第一滑动件3a，并且当脱模剂5经过针状电极62附近时足以使之带电。具体地，空气压力为0.01至0.5MPa。 [0044] 在通过经过第一滑动件3a的出口33从空腔7中吸出空气而降低空腔7中的压力之后，使用熔融的硅铝合金，通过重力铸造、低压铸造、型铸等在空腔7中铸造气缸衬套中间体8(图5(c))。因为空腔7中的压力降低，硅铝合金也可靠地流入凹部32中。硅铝合金的温度优选700至800℃。硅铝合金的硅含量优选为13至23％，更优选为14至18％。在本实施方案中，使用高硅铝合金A390。 [0045] 随后，在对角线方向(如图3中箭头所示方向)上打开第一至第四滑动件3a至3d，并在轴线方向上拉拔气缸衬套中间体8，以从第一至第四滑动件3a至3d和型芯4中取出气缸衬套中间体8。脱模剂5附着在被取出的气缸衬套中间体8的整个表面上，而且特别大量的脱模剂5进入到在外表面81上形成的凸部82的根部83(图5(d))。 [0046] 接着，通过使用刷子，从气缸衬套中间体8的表面除去脱模剂5。然后将气缸衬套中间体8浸入石蜡基矿物油(溶剂)中，以溶解脱模剂5的外表面上的有机组分。在对气缸衬套中间体8进行超声清洗之后，用石油醚洗涤气缸衬套中间体8。这使得能够除去附着在气缸衬套中间体8的整个表面上的脱模剂5和进入气缸衬套中间体8的根部83的脱模剂5，从而得到含有在其外表面11上形成的凸部12的气缸衬套1。此处，每一个凸部12由柱部13和头部14构成，其中柱部13的直径小于头部14的直径(图5(e))。将如此制得的气缸衬套1置入用于气缸体的模具(未示出)中。通过使用低压铸造或型铸的方式用熔融的铝合金铸造，形成具有气缸内径21的气缸体2，在各气缸内径21中固定有气缸衬套1(图1)。其后，对气缸衬套1的内表面进行钻孔加工、镗磨和修边，以获得成品。 [0047] 如上所述，根据本实施方案的气缸衬套1被结构化，使得它含有在外表面11上形成的凸部12，其中柱部13的直径D1小于头部14的直径D2，使得各凸部12的根部变得收缩。因此，当将硅铝合金与气缸衬套1焊合以使气缸衬套1与气缸体2一体化时，硅铝合金有效地进入各凸部12的收缩部分，使得气缸衬套1与气缸体2可靠地结合在一起。作为结果，在对气缸衬套1的内表面进行机加工时，可以不偏离且完成高精度的内表面。这也提高了发动机在实际作业时的性能。而且，在本实施方案中，通过用电晕放电使脱模剂5带电，特别大量的脱模剂附着在模具3的凹部32的边缘部分34。这使得能够铸造含有更大量的进入每一个凸部82的根部83的脱模剂5的气缸衬套中间体8，以及在气缸衬套1的各凸部82的根部形成更深的收缩。而且，在本实施方案中，因为在将型芯4保持在室温的同时使硅铝合金流入空腔7中，所以硅铝合金在空腔7内部迅速被型芯4冷却，并且可以沉积大量硅晶体粒子。这使得在气缸衬套1的内表面15存在许多硅晶体粒子，从而可靠地获得了高耐磨性。 [0048] 以上说明了本发明的一个实施方案；然而，本发明的范围不限于此，且只要不脱离本发明的意图，便可以作各种优化。例如，在上述实施方案中，脱模剂5附着在模具3的整个内表面上；然而，仅需要将脱模剂至少附着在凹部的边缘部分，以及，例如，脱模剂可以以条纹图案形式附着在除边缘部分以外的其它部分。注意，脱模剂优选以0.5g/mm2以上附着在模具的内表面(除凹部外)上，以阻止硅铝合金在流入凹部之前固化。 [0049] 在上述实施方案中，通过电晕放电使脱模剂5带电，以使其附着在模具3和型芯4上。然而，只要脱模剂能够至少附着在凹部的边缘部分，则方法便不限于以上方法，例如，脱模剂可以无需使得带电，而是简单地涂布在模具上。 [0050] 在上述实施方案中，在气缸衬套1的每一个凸部12中仅仅根部收缩；然而，只要各凸部的根部能够收缩，它的结构不限于此，例如，可以在凸部的头部中形成至少一个以上的收缩。 [0051] 此外，在上述实施方案中，凸部12的头部14具有直径几乎一致的柱状形状。然而，头部14的形状不限于此，且可以形成各种形状如球形、圆锥形、棱锥形等。 [0052] 在上述实施方案中，以下列方式从气缸衬套中间体8除去脱模剂5：在用刷子移除粘附在气缸衬套中间体8的表面上的脱模剂5之后，将气缸衬套中间体8浸泡在溶剂中以溶解脱模剂5的外表面，进而进行超声清洗。然而，可以使用任何方法，只要能够从气缸衬套中间体中除去脱模剂即可。例如，可以通过至少一种选自刷除、浸渍在溶剂中、以及使用超声清洗的方法，移除脱模剂。当仅通过浸渍在溶剂中来除去脱模剂5时，脱模剂5的外表面优选覆盖有有机组分。 [0054] 在上述实施方案中，使用包括第一至第四滑动件3a至3d的模具3制造气缸衬套。然而，模具不限于此，只要能够取出在外表面上具有凸部的气缸衬套中间体即可，并且可以使用6块或8块的组合模。 [0055] 在上述实施方案中，型芯4保持在室温；然而，型芯4的温度不限于此，只要它低于所述多个滑动件的温度即可。 [0056] 在上述实施方案中，型芯4是金属的；然而，型芯4的材料不限于金属，只要它能够型铸气缸衬套中间体的中心即可，并且型芯4可以由砂、陶瓷等制成。即使当使用由制成砂或陶瓷的型芯，当其温度保持低于所述多个滑动件的温度时，在气缸衬套内侧仍可形成许多硅晶体粒子。 [0057] 在上述实施方案中，空腔7内的空气通过模具3的出口33被吸出；然而，可行的实施方案不限于此，并且并非必须吸出空腔7内的空气。在这种情况下，可以通过将空气通过出口自然排出而降低空腔的压力。 [0058] 此外，在上述实施方案中制造了单个的气缸衬套1；然而，可行的实施方案不限于此，且可以制造其中连接多个气缸衬套的气缸衬套连结体。在这种情况下，例如，如图7中所示，可以通过排列多套类似于在上述实施方案中所用模具的模具3，并在所述模具之间配置第五和第六滑动件30a、30b，而制造气缸衬套连结体。 [0059] 气缸衬套上形成的多个凸部不必必须具有与如上述实验方案中的形状相同形状，只要能够保证气缸衬套和气缸体之间的牢固接合即可。凸部可以包括，例如，不具有收缩部的那些；从气缸衬套外表面至头部的末端表面的距离与从气缸衬套外表面至柱部最小直径部分的距离的比率为除2至80∶1之外的那些；等等。 [0060] 附图标记说明 [0061] 1气缸衬套 [0062] 2气缸体 [0063] 12凸部 [0064] 13柱部 [0065] 14头部 [0066] 3模具 [0067] 3a-3d第一至第四滑动件(多个滑动件) [0068] 32凹部 [0069] 34边缘部分 [0070] 33出口 [0071] 4型芯 [0072] 5脱模剂 [0073] 6附着装置 [0074] 7空腔 [0075] 8气缸衬套中间体 |
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