專利名稱：接受噴涂的表面、將涂層施加于表面的方法及內燃發動機的制作方法
技術領域：
本公開涉及一種制備用于接受熱噴涂的表面的方法以及如此制備并且其上還應用了熱噴涂的表面的結構。
背景技術：
具有鑄鋁氣缸體的內燃發動機可被制造成具有鑄鐵缸套，鑄鐵缸套提供與發動機的活塞和活塞環接觸的耐磨表面。4至8缸的缸套給發動機增加了相當大的重量，這降低了燃料經濟性。 使用熱噴涂工藝來在基材上提供硬的光滑表面。圓筒表面(例如，內燃發動機的缸壁)和平坦表面(例如，制動盤)兩者都可設置有熱噴涂層。需要進行表面處理(surfacepreparation),以在基材和熱噴涂表面之間提供足夠長期的附著力。本申請中底切的產生通常涉及工裝的使用，所述工裝具有特征非常精細的多個插入件(insert)。用于生產這些底切的工裝的特點總體上是成本高和/或壽命短。制備用于接受熱噴涂的表面存在問題且成本高。接受熱噴涂的表面必須粗糙，通常通過噴丸處理或通過專門的機加工以沿著非常小的凹槽的長度產生連續底切，由此使接受熱噴涂的表面粗糙。專用的拉削或機加工刀具的刀具磨損需要頻繁地更換刀具。額外的工藝步驟以及除去機加工碎片和碎屑增加了工藝成本，如果沒有合適地制備表面，則可能產生會降低熱噴涂層的附著力的缺陷，這會導致產生廢料或降低涂層壽命。保證附著力的另一種方法就是在施加熱噴涂材料之前使用助熔劑(flux)或者涂覆化學粘合層。化學粘合和助熔準備工作增加了制造成本，并且會涉及危險材料的使用。
發明內容
申請人:研發的制備用于接受熱噴涂的表面的方法以及制備并以熱噴涂層涂覆的表面的結構致力于解決上述問題，并且對于本領域普通技術人員來說，與表面處理相關的其他問題將是明顯的。下面將概括申請人提出的方案。根據本公開的一方面，公開了一種制備用于將噴涂層機械地固定到表面的方法。所述方法包括在表面中切割第一組凹槽；在表面中滾壓與第一組凹槽交叉的第二組凹槽，從而在第一組凹槽和第二組凹槽的交叉點處形成進入于第一組凹槽中的多個隔開的倒鉤；以及噴涂所述表面，并將噴涂層機械地固定于倒鉤。所述方法的其他方面可包括通過將圓周螺紋切入于缸壁中而形成第一組凹槽以及利用壓花刀具形成第二組凹槽，第二組凹槽通過所述螺紋的任何導程角以偏離垂線的一定角度與第一組凹槽交叉。在另一實施例中，所述方法可包括通過將多個同心圓環形凹槽切入于缸壁中而形成第一組凹槽以及利用細齒直紋壓花刀具形成與第一組凹槽垂直地交叉的第二組凹槽。或者，可通過細齒菱形圖案壓花刀具形成第二組凹槽。任何一種壓花刀具都可具有間隔為0. 2mm的齒。公開的涉及制造發動機氣缸體的特定方法的其他方面還可包括選擇鑄鋁氣缸體，該鑄鋁氣缸體限定多個氣缸，每個氣缸包括缸壁。第一組凹槽主要形成在缸壁的最大磨損部分中，該最大磨損部分被設計成與隨后將被裝配到發動機的活塞的活塞環接合。第二組凹槽也主要形成于氣缸孔壁的最大磨損部分中。第一組凹槽和第二組凹槽與氣缸體的缸體上平面和曲軸箱隔開，以使當通過將熔化的鋼或合金(其硬度大于鑄鋁的硬度)噴涂到整個缸壁上來完成工藝過程時的任何過噴涂的不利影響最小化。缸壁在沒有缸套的情況下直接設置在氣缸體上，以通過減小發動機的重量(由于氣缸體中不包括任何缸套)來提高發動機效率和燃料經濟性。本公開的另一方面涉及通過上述方法制備的用于接受熔化的噴涂層的表面。多個倒鉤形成在多個隔開的位置。倒鉤部分地懸于第一組凹槽之上。噴涂層被施加于所述表面并被機械地附著到倒鉤。涉及表面的結構和形式的其他方面可包括所述表面是發動機的氣缸孔的內表面。所述表面可基本上限于發動機氣缸孔的內表面的與發動機的活塞的活塞環接合的部分。所述表面處理和火焰噴涂不會延伸到缸體上平面或曲軸箱，以使這些區域中的過噴涂 的可能性最小化。所述表面可以是鋁的，并且第一組凹槽和第二組凹槽可涂覆有附著到底切部分的熔化的鋼噴涂物。在本公開的另一實施例中，所述表面可具有深度不同的第一組凹槽和第二組凹槽。第一組凹槽被切割到第一深度，第二組凹槽被滾壓到第二深度，第二深度小于第一深度。根據本公開的另一方面，所述表面還可被用于為熱噴涂而制備的表面的其他應用中，例如，所述表面還可以是諸如制動盤的平坦表面。本公開的上述方面和其他方面對于制備用于接受熱噴涂的表面的領域的普通技術人員而言將是明顯的。
圖I是以截面的形式部分地示出了氣缸體、活塞以及曲軸的發動機的局部示意圖；圖2是具有切入于缸壁內的第一組凹槽的發動機氣缸體的局部不意性截面圖；圖3是制備有交叉的第一組凹槽和第二組凹槽的表面的局部示意圖；圖4是沿著圖3中的4-4線截取的截面圖；圖5是細齒直紋壓花輥的立體圖；圖6是制備有第一組凹槽和第二組凹槽的表面的局部示意圖，第二組凹槽通過細齒菱形壓花輥形成；圖7是細齒菱形壓花輥的立體圖；圖8是示出用于形成第二組凹槽的壓花刀具的局部示意性截面圖。
具體實施例方式公開了本發明的詳細實施例，這些實施例僅僅是本發明的示例性實施例，本發明可以以各種和替代的形式體現。附圖不一定是成比例的，一些特征可能會被夸大或最小化，以示出特定組件的細節。具體的結構和功能細節不應該被解釋為限制，而僅僅作為教導本領域技術人員如何實施本發明的代表性基礎。參照圖1，示出了發動機10的一部分，其包括氣缸體12、活塞14和曲軸18。活塞14被示出為與缸壁20相鄰。缸壁20從缸體上平面(top deck face) 22延伸至曲軸箱24。熱噴涂層28被施加于活塞環行程區域30中的缸壁20。熱噴涂層28被施加于有毛刺的制備表面20b，該制備表面20b在應用熱噴涂工藝后被珩磨，以提供光滑表面20s。活塞環行程區域30是在活塞14在缸壁20內往復運動時缸壁20的與一組活塞環16接合的區域。在熱噴涂層28和缸體上平面22之間設置有間隔32。在熱噴涂層28和曲軸箱24之間也設置有間隔34。活塞環行程區域30和缸體上平面22之間的間隔32為大約3mm至5mm,活塞環行程區域30和曲軸箱24之間的間隔34為大約13mm至15mm。間隔34也可被稱為珩磨間隙區域，設置該區域以給珩磨刀具(honing tool)的操作留出間隙。參照圖2，示出了缸壁20的一部分，氣缸體12的一部分以截面形式表示。示出了 缸壁20具有切入的第一組凹槽36。應當理解，這些凹槽可以是利用機加工中心的切割刀具切入到缸壁20內的同心凹槽或螺紋。切入的第一組凹槽或螺紋36包括凸起部分38 (或螺紋牙頂(thread crest))以及凹入部分40 (或螺紋牙底(thread root))。參照圖3，示出了可以是缸壁20或者也可以代表平坦的制動盤的表面。示出了第一組凹槽36具有貫穿缸壁20的長度在軸向上交替的凸起部分38和凹入部分40。示出了滾壓而成的第二組凹槽42，第二組凹槽42被壓在第一組凹槽36的凸起部分38上。滾壓而成的第二組凹槽形成在凹入部分40之上稍微延伸的隔開的倒鉤44。隔開的倒鉤44彼此隔開。熱噴涂層28被噴涂于整個缸壁20上，并且在凹入部分40的相對兩側上的隔開的倒鉤44之間設置足夠的間隙，所述倒鉤44也沿著第一組凹槽36的長度隔開，從而提供足夠的間隙以使熱噴涂層28流入隔開的倒鉤44內和倒鉤44周圍。參照圖4，示出了隔開的倒鉤44從由滾壓而成的第二組凹槽42形成的表面向外延伸。第二組凹槽42之間的區域保持在第一組凹槽36的凸起部分38的高度。示出了熱噴涂層28被部分地施加于凸起部分38和凹入部分40之上。噴涂層也被施加于隔開的倒鉤44之下的凹入部分40中。這樣，熱噴涂層28被機械地固定在隔開的倒鉤44之下，以在熱噴涂層28和缸壁20之間提供強力的機械結合。參照圖5，示出了細齒直紋壓花輥48在其外徑部分上具有多個壓花肋50。在缸壁20中形成第一組凹槽36之后，壓花肋50滾過缸壁20。通過壓花肋50形成如前所述的滾壓而成的第二組凹槽42。參照圖6，替代實施例示出了形成有切入的第一組凹槽58或螺紋的缸壁56。(圖6也代表平坦的制動盤。)具有菱形壓花的第二組凹槽60與切入的第一組凹槽58的凸起部分62接合，以形成隔開的倒鉤64，在形成第一組凹槽和第二組凹槽以及產生隔開的倒鉤64之后，隔開的倒鉤64懸于切入的第一組凹槽58之上。熱噴涂層28可在第一組凹槽和第二組凹槽中噴涂于缸壁56之上。圖4中示出的熱噴涂層28如前面參照圖4所描述的那樣被機械地鎖定至隔開的倒鉤64。參照圖7，示出了細齒菱形壓花輥66包括對角地交叉的多個壓花肋68。參照圖8，以局部截面的形式示出了發動機氣缸體12。缸壁20在活塞環行程區域30中設置有切入的第一組凹槽36。在活塞環行程區域30和缸體上平面22之間設置有間隔32。在活塞環行程區域30和曲軸箱24之間設置有間隔34。通過設置間隔32和34，熱噴涂工藝可終止于缸壁20的區域內，從而使沉積于缸體上平面22或曲軸箱24(未示出)上的任何過噴涂最小化。示出了壓花輥頭70設置于氣缸體12之上的合適位置，以開始形成滾壓而成的第二組凹槽42。壓花輥頭70支撐多個壓花輥48，可選地，所述多個壓花輥48可以是如圖7中所示的細齒菱形壓花輥66。示意性地示出了擴張器72在壓花輥頭70內，如珩磨刀具領域所公知的，擴張器70可用于使壓花輥伸出和縮回。下面將描述制備發動機10的氣缸體12中的表面(例如,缸壁20)的方法。根據該方法，利用切割刀具將第一組切入凹槽36切入于缸壁20中。凹槽36可以是同心圓或小導程螺紋。在軸向方向上，凹槽36的凸起部分38和凹入部分40的寬度可大致相等。將第二組凹槽42滾壓入表面中，第二組凹槽42與第一組凹槽36交叉。在第一組凹槽36和第二組凹槽42的交叉點處形成多個隔開的倒鉤44。其中，當第一組凹槽36為同心圓時，第二組凹槽42可相對于第一組凹槽36延伸的方向以45度和90度之間的角度形成在缸壁20上；當第一組凹槽36為小導程螺紋時，第二組凹槽42可以通過所述螺紋的任何導程角以偏離 垂線(即，氣缸的軸線)的一定角度與第一組凹槽36交叉。例如，所述一定角度可在0度至90度之間，例如，可以是15度、25度、35度、45度、60度、70度或80度。將熱噴涂層28施加于活塞環行程區域30中的缸壁20。活塞環行程區域30與缸體上平面22隔開，并且與曲軸箱24也隔開。熱噴涂層28在倒鉤周圍流動，進入第一組凹槽36和第二組凹槽42中，并與隔開的倒鉤44機械地鎖定。第二組凹槽可通過細齒直紋壓花刀具或細齒菱形圖案壓花刀具形成，所述壓花刀具具有間隔為大約0. 2mm的齒。氣缸體12優選為限定多個氣缸的鑄招發動機氣缸體,每個氣缸包括缸壁20。第一組凹槽和第二組凹槽主要形成在氣缸的對應于活塞環行程區域30的最大磨損部分中。熱噴涂層28被施加于活塞環行程區域30中并且與缸體上平面22和曲軸箱24都隔開。在通過適當的珩磨或其他機加工步驟進行精加工之后，熱噴涂層的厚度是大約150微米。雖然上面描述了示例性實施例，但是這些實施例并不意圖描述了本發明所有可能的形式。相反，在說明書中使用的詞語是描述性詞語，而不是限制性詞語，應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可進行各種改變。此外，實現的各個實施例的特征可進行結合，以形成本發明的進一步的實施例。
權利要求
1.一種接受嗔涂的表面，包括 在該表面中的第一組凹槽； 在該表面中的第二組凹槽，第二組凹槽與第一組凹槽在多個交叉點處交叉； 多個倒鉤，通過第二組凹槽在沿著所述第一組凹槽的多個隔開的位置形成，所述多個隔開的位置與所述多個交叉點的位置對應，其中，所述倒鉤部分地懸于第一組凹槽之上，其中，噴涂層被施加于所述表面上，進入第一組凹槽和第二組凹槽中，并被機械地附著于所述倒鉤。
2.如權利要求I所述的表面，其中，所述表面是由氣缸體限定的氣缸孔的內表面。
3.如權利要求I所述的表面，其中，所述表面是剎車盤。
4.如權利要求I所述的表面，其中，所述表面是鋁的，并且所述第一組凹槽和所述第二組凹槽涂覆有附著于倒鉤的熔化的鋼噴涂物。
5.如權利要求I所述的表面，其中，所述第一組凹槽和所述第二組凹槽具有不同的深度。
6.一種內燃發動機，所述內燃發動機包括鑄鋁氣缸體，該鑄鋁氣缸體限定多個燃燒氣缸，所述多個燃燒氣缸具有不是缸套插入件的缸壁，所述發動機還包括活塞，該活塞在發動機操作循環期間以往復運動的方式相對于缸壁運動，所述發動機包括 缸壁，包括形成在缸壁上的多個周向地延伸的凹槽以及多個交叉凹槽，其中，在周向地延伸的凹槽和交叉凹槽的交叉點處設置多個倒鉤， 硬度比鑄鋁氣缸體的硬度大的合金涂層被施加于缸壁，并機械地附著到倒鉤，以增加涂層與缸壁的附著力。
7.如權利要求6所述的內燃發動機，其中，所述交叉凹槽相對于所述周向地延伸的凹槽延伸的方向以45度和90度之間的角度形成在缸壁上。
8.一種用于將涂層施加于表面的方法，包括 在表面中切割第一組凹槽； 在表面中滾壓第二組凹槽，第二組凹槽與第一組凹槽交叉，從而在第一組凹槽和第二組凹槽的交叉點處形成進入于第一組凹槽中的多個隔開的倒鉤；以及 涂覆所述表面，從而將涂層機械地固定于倒鉤。
9.如權利要求8所述的方法，其中，在表面中切割第一組凹槽包括將圓周螺紋切入于缸壁中，在表面中滾壓第二組凹槽包括對表面進行壓花，以形成第二組凹槽，第二組凹槽通過所述圓周螺紋的引導以偏離垂線的一定角度與第一組凹槽交叉。
10.如權利要求8所述的方法，其中，在表面中切割第一組凹槽包括將多個同心圓環形凹槽切入于缸壁中，在表面中滾壓第二組凹槽包括對表面進行壓花，以形成與第一組凹槽交叉的第二組凹槽。
11.如權利要求8所述的方法，還包括 選擇限定多個氣缸的鑄鋁氣缸體，每個氣缸包括缸壁； 僅在缸壁的與氣缸體的缸體上平面隔開并且與發動機的曲軸箱隔開的最大磨損部分中形成第一組凹槽，所述最大磨損部分與隨后將被裝配到發動機的活塞的活塞環接合； 僅在缸壁的最大磨損部分中滾壓形成第二組凹槽，以形成懸于第一組凹槽之上的隔開的倒鉤；將熔化的鋼噴涂到缸壁的最大磨損部分上 。
全文摘要
本發明公開了一種接受噴涂的表面、將涂層施加于表面的方法及內燃發動機，所述方法用于制備表面，以將噴涂層機械地固定到該表面。在表面中形成的第一組凹槽與在表面中形成的第二組凹槽交叉。在交叉點處形成多個倒鉤。噴涂層被機械地固定至懸于第一組凹槽之上的倒鉤。所述表面包括第一組凹槽和與第一組凹槽交叉的第二組凹槽。第二組凹槽在第一組凹槽和第二組凹槽的交叉點處形成底切部分或倒鉤，所述底切部分或倒鉤機械地錨固噴涂層。
文檔編號F02F1/18GK102966457SQ20121030857
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月27日 優先權日2011年8月29日
發明者羅德尼·G·惠特貝克, 基斯·雷蒙德·巴圖, 大衛·艾倫·史蒂芬森, 杰姆斯·威廉·佩里 申請人:福特全球技術公司