專利名稱：用于半永久型鑄模氣缸蓋鑄件的燃燒室壁冷卻室設計的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于半永久型鑄模氣缸蓋鑄件的燃燒室壁冷卻室設計。
背景技術：
在發動機運行中，氣缸蓋鑄件內的燃燒室壁處于高應力狀態。在該區域需要高強度材料使得部件具備長的壽命。盡管合金選擇以及熱處理對于合金最后的強度起著重要作用，但凝固期間的條件同樣起著不相上下的作用。燃燒室壁的凝固速率取決于壁的設計、鑄模材料、芯材料、冷卻設計和工藝變量。在使用的合金和這些變量之間的平衡很難優化最高強度。其中必須要平衡的一個工藝變量就是鑄模壁的溫度。如果形成燃燒室的鑄模壁是冷的，這會提高凝固速率，但是它對鑄模腔的裝模是不利的。在裝模期間金屬溫度的過大損失會導致冷隔缺陷并且促成了表面下的氣孔。熱鑄模將最小化液態金屬的溫度損失，但是也會延長鑄件的凝固時間并且增加燃燒室壁材料的微結構尺寸。為了實現裝模期間熱鑄模和凝固期間冷鑄模，用于燃燒室鑄件壁的鑄模冷卻室通常在裝模之后激活。為了最大化鑄件的凝固速率，期望從冷卻室具有最大的高熱通量。為了在凝固期間達到該最大高熱通量， 形成燃燒室鑄件壁的鑄模冷卻室設計就變得很重要。典型的鋁硅或鋁銅鑄件合金的微結構尺寸的量度是二次枝晶間距(SDAS)。該測量的長度來自于燃燒室壁的一個切樣。在高輸出發動機氣缸蓋橋壁處的SDAS規格通常是最大為25微米。在整個燃燒室表面期望該微結構長度，但是不能通過常規工藝獲得。用于鋁合金氣缸蓋的傳統半永久型鑄模組件在每個燃燒室鑄件壁下面具有水冷室。一般將單獨的工具插入較大的基體鑄模中制成燃燒室特征和冷卻線路。通常利用定位接合銷和四個螺栓凸起將這些鑲件(insert)從下面精確地定位并固定到基體鑄模中。冷卻線路的入口和出口管道同樣也從下面連接。冷卻室與這些特征之間需要存在間隙，這就嚴重限制了它的尺寸大小。附圖1-2所示為典型的燃燒室冷卻鑲件10的一個實例。附圖1示出了內部幾何結構。冷卻鑲件10通常由H13號鋼制成。上表面形成鑄件表面15。冷卻腔20具有冷卻劑入口 25和冷卻劑出口 30。導流板35引導冷卻劑流從冷卻劑入口 25朝向冷卻劑腔20的頂表面到達冷卻劑出口 30。圖2中示出燃燒室鑲件10的底部，其具有四個螺栓凸起40和定位接合銷45。用于螺栓凸起40和定位接合銷45的空間要求限制了用于冷卻室直徑本身的空間。這要求大約25毫米的壁厚(或者50毫米的總壁厚)。結果，總直徑為75毫米的燃燒室鑲件具有僅為約25毫米的典型冷卻劑腔直徑，85毫米的鑲件具有大約35毫米直徑的冷卻劑腔，95毫米的鑲件具有大約45毫米直徑的冷卻劑腔，以及105毫米的鑲件具有大約55 毫米直徑的冷卻劑腔。因此，將難以通過標準的冷卻室設計來實現25微米或是更小的SDAS 的冷卻要求。受限的室表面面積和位于螺栓凸起之上的鋼質量致使從活動的冷卻劑到鑄件壁具有緩慢的熱響應。
發明內容
本發明一方面是一種冷卻氣缸蓋鑄件的方法。在一個實施例中，該方法包括將冷卻圓蓋鑲件固定到氣缸蓋鑄件鑄模內，其中冷卻圓蓋鑲件包括鑲件本體，其具有限定出冷卻室的頂壁、側壁和底部，并具有與冷卻劑室流體連通的冷卻劑入口和冷卻劑出口，側壁總厚度為小于大約40毫米；將熔融鋁或鋁合金引入氣缸蓋鑄件鑄模內；通過冷卻劑入口和冷卻劑出口循環冷卻劑至冷卻室，其中氣缸蓋橋壁處的SDAS為大約25微米或更小。本發明的另一方面是一種冷卻圓蓋鑲件。在一個實施例中，冷卻圓蓋鑲件包括鑲件本體，其具有在其中限定出冷卻室的頂壁、側壁、和底部，并具有與冷卻劑室流體連通的冷卻劑入口和冷卻劑出口，側壁的總厚度為小于大約40毫米，并且其中在氣缸蓋橋壁處的預計SDAS為大約25微米或更小。本發明進一步包括下面的技術方案。1. 一種冷卻氣缸蓋鑄件的方法，包括將冷卻圓蓋鑲件固定到氣缸蓋鑄件鑄模內，其中所述冷卻圓蓋鑲件包括鑲件本體，所述鑲件本體具有限定出冷卻室的頂壁、側壁和底部，并具有與冷卻劑室流體連通的冷卻劑入口和冷卻劑出口，所述側壁總厚度小于大約40毫米；將熔融鋁或鋁合金引入所述氣缸蓋鑄件鑄模內；通過所述冷卻劑入口和所述冷卻劑出口將冷卻劑循環至所述冷卻室，使得氣缸蓋橋壁處的SDAS為大約25微米或更小。2、如技術方案1所述的方法，其中所述側壁的總厚度小于大約30毫米。3、如技術方案1所述的方法，其中鑲件本體包括上部和附接到所述上部的下部。4、如技術方案4所述的方法，其中所述下部通過焊接附接到所述上部。5、如技術方案1所述的方法，其中鑲件本體進一步包括與所述冷卻室的頂壁接觸的至少一個支撐柱。6、如技術方案5所述的方法，其中所述支撐柱通過焊接或螺紋連接而連接到所述冷卻室的頂壁。7、如技術方案1所述的方法，其中所述冷卻劑是水。8、如技術方案1所述的方法，其中所述冷卻室的直徑是所述鑲件本體直徑的至少大約55%。9、如技術方案1所述的方法，其中所述冷卻室直徑和所述側壁總厚度的比為至少大約1. 12。10、一種冷卻圓蓋鑲件，包括鑲件本體，所述鑲件本體具有在其中限定出冷卻劑室的頂壁、側壁和底部，并具有與所述冷卻劑室流體連通的冷卻劑入口和冷卻劑出口，所述側壁的總厚度小于大約40毫米，并且其中在氣缸蓋橋壁處的預計SDAS為大約25微米或更小。11、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述側壁的總厚度小于大約30毫米。12、如技術方案11所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述側壁的總厚度的范圍為大約20 毫米至大約25毫米。13、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中鑲件本體包括上部和附接到所述上部的下部。14、如技術方案13所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述下部通過焊接附接到所述上部。15、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述鑲件本體進一步包括與所述冷卻室的頂部接觸的至少一個支撐柱。16、如技術方案15所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述支撐柱通過焊接或螺紋連接而連接到所述冷卻室的頂壁。17、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述冷卻室的直徑和所述側壁的總厚度的比為至少大約1. 12。18、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述冷卻室的直徑和所述側壁的總厚度的比為至少大約2.0。19、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述冷卻室的直徑是所述鑲件本體的直徑的至少大約55%。20、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述冷卻室的直徑是所述鑲件本體的直徑的至少大約60%。21、如技術方案10所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述冷卻室的頂壁具有均勻的厚度。22、如技術方案1所述的方法，其中所述冷卻室的頂壁具有均勻的厚度。
圖1為現有技術中燃燒室冷卻鑲件的截面圖。圖2為圖1中冷卻鑲件的底視圖。圖3所示為本發明燃燒室冷卻鑲件的一個實施例。圖4為燃燒室橋部的溫度曲線圖。圖5為圖1現有設計的鑲件冷卻的表面溫度圖。圖6為圖3的本發明實施例的鑲件冷卻的表面溫度圖。
具體實施例方式改進的燃燒室鑲件冷卻室設計具有快速響應時間，在小的操作窗內影響鑄造，這改善了燃燒室壁的材料強度。這樣的設計還有助于管理金屬鑄模和熔融鋁的熱能。它允許在裝模期間采用較高的基體鑄模溫度，降低了冷隔缺陷或澆灌溫度降低的風險。鑄造廢料的減少和較低的能量需求節省了成本。鑄件的定向凝固的改善導致較少的凝固收縮多孔廢料。
該設計允許燃燒室壁在60秒內凝固從而達到期望的25微米以下的SDAS。其還允許鑲件和鑄模的其它部分采用相同的材料，這就消除了熱膨脹差異可能帶來的問題。通過匹配鑄件表面的外形，燃燒室鑲件設計最大化了它的直徑以及冷卻室的頂表面面積。均勻的H-13鋼壁圍繞冷卻劑室。它通常厚大約8毫米到大約15毫米，典型地大約10毫米到大約12毫米。這使得典型的冷卻室鑄模的最低壁厚加倍。合適的冷卻劑包括但不局限于水。冷卻腔直徑在燃燒室鑄件壁經歷的最大熱通量方面起著重要的作用。最大化最大熱通量允許更熱的鑄模，以得到更好的裝模條件，以及在凝固期間的高冷卻速率，以得到改善的機械特性。鑲件的直徑通常在大約75毫米至大約105毫米范圍內。在一個實施例中，總壁厚小于大約40毫米，或者小于大約35毫米，或者小于大約30毫米，或者小于大約25毫米，或者大約20毫米。在一個實施例中，在兩側的壁厚允許大約10毫米(總壁厚大約20毫米)，取決于鑲件尺寸大小，冷卻劑室直徑能達到大約55毫米至大約85毫米，例如，對于75毫米鑲件可以達到大約55毫米，對于85毫米鑲件可以達到大約65毫米，對于95毫米鑲件可以達到大約75毫米，對于105毫米鑲件可以達到大約85毫米。例如，在一個實施例中，對于75毫米直徑的鑲件，冷卻室直徑至少大約30毫米，或至少大約35毫米，或至少大約40毫米，或至少大約45毫米，或至少大約50毫米，或大約55 毫米。對于85毫米直徑鑲件，冷卻室直徑至少大約40毫米，或至少大約45毫米，或至少大約50毫米，或至少大約55毫米，或至少大約60毫米，或大約65毫米。對于95毫米鑲件， 冷卻室直徑至少大約50毫米，或至少大約55毫米，或至少大約60毫米，或至少大約65毫米，或至少大約70毫米，或大約75毫米。對于105毫米鑲件，冷卻室直徑至少大約60毫米， 或至少大約65毫米，或至少大約70毫米，或至少大約75毫米，或至少大約80毫米，或大約 85毫米。在一個實施例中，冷卻劑室直徑和總壁厚(兩側)的比例通常是至少大約1. 12，或者是至少大約1. 14，或者是至少大約1. 16，或者是至少大約1. 18，或者是至少大約1.2，或者是至少大約1. 4，或者是至少大約1. 5，或者是至少大約1. 6，或者是至少大約1. 7，或者是至少大約1. 8，或者是至少大約1. 9，或者是至少大約2. 0,或者是至少大約2. 1，或者是至少大約2. 2，或者是至少大約2. 3，或者是至少大約2. 4，或者是至少大約2. 5。在一個實施例中，冷卻劑室的直徑通常占鑲件本體直徑的至少大約55 %，或者是至少大約60 %，或者是至少大約65 %，或者是至少大約70 %，或者是至少大約75 %，或者是至少大約80%。該設計為105毫米鑲件提供了達到大約85毫米的冷卻劑室直徑，使得頂表面面積大約為7200mm2，這是具有那樣尺寸的傳統鑲件設計的頂表面面積的三倍。對于75毫米鑲件提供了 55毫米的冷卻劑室，頂表面面積大約為MOOmm2，或大于傳統設計的頂表面面積的七倍。如果需要，鑲件可以形成為2塊。可以將冷卻室加工為各部件，并且部件組裝和焊接在一起。因為安裝和定位孔與傳統設計相同，它們可以通過不修改而實現為標準基體鑄模設計。
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經過研磨和焊接的鑲件設計消除了鑲件背后的空間限制，這是因為冷卻室能直接位于凸起特征之上，這在現有技術中是不可能的。這允許改進設計從而實現要求的熱通量增加。焊接位于板面平面的下方并且遠離金屬前端以使得它不會與熔融鋁接觸。10毫米鑄模壁厚已經在活塞的鑄造中安全地使用了多年。鑲件和基體鑄模采用相似材料(例如 H-13)減小了由于熱膨脹造成的應力風險。燃燒室鑲件的僅有的物理負荷是在鋁鑄件的排出期間，這在焊件上將是微不足道的應力。通過適當的焊接和檢查技術，該設計將會在元件壽命期間安全地運行。該設計通過在凝固期間增加冷卻速率來幫助改善鋁合金氣缸蓋鑄件的燃燒室壁的鑄造材料的強度。這樣的改善可以在半永久型鑄模工藝的標準鑄模設計窗口內獲得。圖3所示為改善的圓蓋冷卻設計的一個實施例。冷卻鑲件50被鑄造成兩部分，上部55和下部60。冷卻鑲件具有限定出冷卻室75的頂壁65，側壁67以及底部69。在鑄件表面70和冷卻室75之間的上壁65是等厚的，因為冷卻室75遵從燃燒室的圓蓋。冷卻劑通過冷卻劑入口 80進入并且通過冷卻劑出口 85離開。如果需要，可以具有一個或多個支撐柱90與上壁65接觸，這將影響鑄件壁尺寸的風險最小化。如果需要，支撐柱90能通過任何合適的方式，包括但不局限于，焊接或螺紋連接而附接到上壁65。上部55和下部60通常在焊縫95處焊接在一起。對于A319合金，在現有技術中，整個燃燒面的預計SDAS范圍是23_38微米，而對于改進的設計來說，它是20-27微米。因此，圓蓋冷卻將橋壁處的SDAS從23微米改進為20 微米，最大的SDAS從38微米減小到27微米，并且總的SDAS范圍被從15微米減小到7微米。更精細的微結構增大了鑄造材料的強度。圖4所示為與現有設計相比具有圓蓋冷卻的改進冷卻。燃燒室橋壁的凝固時間減少了 50%以上，從450秒減少到215秒。圖5所示為現有設計中的橋部位和火花塞部位的鑲件表面溫度。在第60秒，表面溫度范圍為250-395°C，有145°C的溫差。燃燒室內的高的溫度梯度導致在橋部的外部形成了不期望的較大的微結構特征。如圖6所示，對于冷卻圓蓋鑲件，在第60秒，表面溫度范圍為180_195°C。冷卻室之上均勻的壁厚提供了燃燒室壁的接近均勻的冷卻和均勻精細微結構。應該注意到，術語比如“優選地”、“通常地”、以及“一般地”在此不被用來限定提出權利要求的發明范圍或者用來暗示某些特征是關鍵的、必要的、或是對提出權利要求的發明的機構或功能來說是重要的。相反地，這些術語僅僅用來強調選擇性的或是附加的特征， 這些特征可能或可能不被用在本發明的特定實施例中。為了描述和限定本發明，注意到在此使用了術語“裝置”來表示部件組合和獨立部件，而不管部件和其它部件是否組合在一起。例如，根據本發明的“裝置”可能包括電化學轉換組件或是燃料電池，結合了根據本發明的電化學轉換組件的車輛等。為了描述和限定本發明，注意到在此使用了術語“基本上”來表示那些歸結于任何定量比較的固有不確定度，數值，量度，或其它表現。還在此使用術語“基本上”來表示程度， 通過該程度來體現定量表現與所述參考值的差異，不導致主題的基本功能的改變。已經詳細地并且結合具體實施例描述了本發明，很明顯，在不脫離權利要求所限定的本發明的范圍內可以做出修改和變化。更具體地，盡管本發明的某些方面在此確定為優選的或是特別有利的，但是本發明不一定限定于本發明的這些優選的方面。
權利要求
1.一種冷卻氣缸蓋鑄件的方法，包括將冷卻圓蓋鑲件固定到氣缸蓋鑄件鑄模內，其中所述冷卻圓蓋鑲件包括鑲件本體，所述鑲件本體具有限定出冷卻室的頂壁、側壁和底部，并具有與冷卻劑室流體連通的冷卻劑入口和冷卻劑出口，所述側壁總厚度小于大約40毫米； 將熔融鋁或鋁合金引入所述氣缸蓋鑄件鑄模內；通過所述冷卻劑入口和所述冷卻劑出口將冷卻劑循環至所述冷卻室，使得氣缸蓋橋壁處的SDAS為大約25微米或更小。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述側壁的總厚度小于大約30毫米。
3.如權利要求1所述的方法，其中鑲件本體包括上部和附接到所述上部的下部。
4.如權利要求1所述的方法，其中鑲件本體進一步包括與所述冷卻室的頂壁接觸的至少一個支撐柱。
5.一種冷卻圓蓋鑲件，包括鑲件本體，所述鑲件本體具有在其中限定出冷卻劑室的頂壁、側壁和底部，并具有與所述冷卻劑室流體連通的冷卻劑入口和冷卻劑出口，所述側壁的總厚度小于大約40毫米，并且其中在氣缸蓋橋壁處的預計SDAS為大約25微米或更小。
6.如權利要求5所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述側壁的總厚度小于大約30毫米。
7.如權利要求5所述的冷卻圓蓋鑲件，其中鑲件本體包括上部和附接到所述上部的下部。
8.如權利要求5所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述鑲件本體進一步包括與所述冷卻室的頂部接觸的至少一個支撐柱。
9.如權利要求5所述的冷卻圓蓋鑲件，其中所述冷卻室的頂壁具有均勻的厚度。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述冷卻室的頂壁具有均勻的厚度。
全文摘要
本發明提供一種冷卻室設計，在鋁氣缸蓋鑄造工藝期間，其相比傳統設計提高了熱傳遞。
文檔編號B22D15/02GK102228976SQ201110078309
公開日2011年11月2日 申請日期2011年2月18日 優先權日2010年2月19日
發明者D·D·格特施 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司