本发明专利技术涉及砂型铸造用于轻型或中型柴油机的具有铸造凹入式燃烧碗的铝柴油机活塞。一种铝基柴油发动机活塞及制造该活塞的方法。该方法涉及铸造具有复杂几何形状的活塞，包括凹槽或凹入式特征。铸造采用了聚集体一次性模具，其可以从所铸造部件中去除。在一种形式中，复杂几何形状包括形成在活塞拱顶中的凹槽燃烧碗，而在另一种形式中，其可以包括内部冷却通道。凹槽碗和内部通道可以采用聚集体一次性模具生产。
【技术实现步骤摘要】
砂型铸造用于轻型或中型柴油机的具有铸造四入式燃烧碗的铝柴油机活塞相关情况的声明 本申请为2011年5月17日提交的并且目前放弃的题为“SAND CASTING A DIESELPISTON WITH AN AS-CAST,UNDERCUT COMBUSTION BOWL”的美国申请序列号 N0.13/109, 033的部分继续申请，该申请要求2010年10月22日提交的题为“SAND CASTING A DIESELPISTON WITH AN AS-CAST,UNDERCUT COMBUSTION BOWL”的临时申请序列号 N0.61/405，739的权益。
本专利技术大体上涉及用于铸造发动机部件的设备和方法，并且更具体地涉及一种具有复杂特征的高级铝基柴油机活塞及其铸造方法。
技术介绍
用在内燃发动机中的活塞通常由头部(也被称为拱顶或冠部)、裙部、一个或多个环形沟槽以及在这些沟槽之间的环台形成。更严格的排放和效率要求规定，活塞需要在更接近化学计量的条件、更高气缸压力、以及将来在更加紧密的包装模式中操作，这继而将不可避免地要求更高的部件负载和操作温度条件。这对于用在柴油机的活塞而言尤其如此，除了作为用于更大型商用车辆的主要发动机形式之外，柴油机日益用于给客车供能。同样，正在研制更复杂的拱顶设计以实现更彻底有效的燃烧过程，这更加提高了在燃烧室中的温度。具有其三维(3D)轮廓的这些先进的拱顶设计需要更复杂的模具形状，从而提高了铸造活塞的难度，或者需要使用额外的机加工来实现所期望的拱顶几何形状。更高的操作温度需要使用能够在那些条件下操作的材料。同样，已经采用了冷却方法作为提高活塞和相关高温部件的使用寿命的手段。实现冷却的一种方式是将已经存在的发动机润滑油路由通过形成在活塞中的通道(也被称为通路)。这对于冷却拱顶而言有着显著的好处，因为它直接暴露给燃烧过程。但是增加冷却通道还提高了铸造活塞的难度。传统可回收(nonexpendable)形式的铸型例如永久模铸型不适用于形成复杂形状。具体地说，与在一些形状例如如上所述3D拱顶形状中存在的凹入区域连接的模具的永久特性限制了一旦铸型已经固化则使得该部件回缩的能力。因此，需要对铸型进行进一步机加工以生产复杂形状。这些额外的机加工导致了永久模铸型方法的复杂性和成本高。部件质量也会受到永久模铸型的影响。冒口的存在会影响活塞的微观结构以及可以实现的晶粒细化量。例如，大型冒口的相对较大的热质量会减缓铸件的固化，而如更小的次级枝晶臂间隔(SDAS)的存在所验证的更快冷却和伴随的机械性能改进往往是理想的。将浇口位置与冒口侧比较，在机械性能方面存在20%的差异。为了克服永久铸型的形状限制，可以采用其它方案，包括各种形式的不可回收铸型，例如熔模(或失蜡)铸型、砂型等。熔模铸型通常涉及使用不可回收模具和型式(pattern)，并且采用陶瓷模具材料，其中部件在模具中固化使得只需要最少的铸造后机加工。砂型方案的变型已知为盐核铸型，采用类似于砂型的技术，除了对于内部模具几何形状采用可溶盐，而不是生砂或干砂。一旦制造部件，则可用水将盐模冲掉，而不用使得部件受到任意额外的热负载。盐芯铸型具有存放和处理问题，这降低了其吸引力。已经用来产生铸造拱顶的另一种方案是半永久模铸。该方案仍然需要对燃烧碗进行机加工。与上述永久模铸一样，也需要从拱顶溢出显著量。另外，输出更高(即高性能)活塞也会需要碗缘重熔。这些额外的过程明显增加了活塞的成本。这对于重熔作业和碗机加工成本而言尤为如此，甚至对于构成为高温和高压条件(如将在下面更详细描述的一样还被称为“重型”用途)下工作的活塞例如高输出柴油机活塞而言更是如此。这些活塞可以在高于200巴(甚至高达230巴)的气缸压力和高达400摄氏度的温度下操作，因此需要采用钢锻件，这带来了更加显著的成本影响。在操作条件例如上述的温度和压力条件方面的显著变化使得在重型(可以包括公共汽车、拖车、高速卡车、建筑设备等)柴油机活塞和轻型用途(可包括客车、轻型卡车等)或中型用途的那些活塞之间需要相应的结构差异，其中柴油机供能的车辆(及其负载)在USA、欧洲和各地都有法律规定。例如，在USA，在重型、中型和轻型发动机之间通过毛车辆重量定额(GVWR)进行区分，其中重型车辆重量超过一定量(例如根据联邦和加利福尼亚州规定大约33000磅)的车辆，中型(例如根据联邦规定在19500和33000磅之间，并且根据加利福尼亚州规定在14000和33000磅之间)和轻型(例如根据联邦规定在8400和19500磅之间，并且根据加利福尼亚州规定在8500和14000磅之间)车辆对应于更低的重量。也可以采用其它量度，其中例如中型柴油发动机为排量为大约4升至大约7升之间的发动机，而重型柴油发动机其排量为大约10升至大约15升之间。另外，在柴油发动机领域，负载循环可以通过牵引要求来限定(这继而可以规定气缸压力)。具体地说，重型用途依赖钢基活塞，从而它们将承受通过上述温度和压力施加在它们上的苛刻环境。
技术实现思路
本专利技术的一个方面为制造柴油机活塞的方法。在一个实施方案中，该方法包括:提供用于所述活塞的型式，所述型式包括拱顶和凹入式碗；形成围绕着所述型式的活塞模具，所述模具包括聚集体材料和粘接剂；从所述活塞模具中去除所述型式；将所述熔融金属导入到所述活塞模具中；使所述活塞模具与用于所述粘接剂的溶剂接触并且去除所述粘接剂和所述聚集体；冷却所述熔融金属；并且使熔融金属固化以形成具有拱顶和凹入式碗的活塞，并且只需要最小程度的铸造后处理。在当前上下文中，铸造后处理包括(但不限于)碗机加工、一些精加工操作或其它方法。这些铸造后处理的显著程度是这样的活动，它们涉及明显的额外成本或时间以便制备出用于其最终形式的铸造部件。与明显的铸造后机加工等不同，常规或意外的清洁或类似的最终准备步骤不构成明显的铸造后机加工。同样，根据本专利技术制造出的基本铸造活塞将不需要这些额外的步骤以便限定出复杂形状例如在拱顶内的碗的基本凹入式形状。另外，聚集体和粘接剂通常构成了模具。这样，根据本专利技术的砂型铸造不需要在铸造之前重复生产出泡沫或蜡型式或从陶瓷模具中去除这些型式。而且，在消融铸造情况下的循环时间预期更短(即从制造模具到生产铸件所花的时间)，因为在从模具中取出铸件之前无需使铸件完全固化。相对于其铁基对等物而言，采用本专利技术的方法对于铸造用于柴油发动机用途(尤其对于轻型和中型发动机，其中气缸压力保持为大约200巴或更低)的铸造铝基活塞而言尤为有利。铝作为选择的金属的一个原因在于其密度大约为钢基部件密度的三分之一(这导致重量减轻和伴随的轴承和相关支撑结构的简化，这在以高速转动或移动的部件中是尤为有利的)。另一个原因在于，铝基材料可以很好铸造，包括在更低处理温度下成型的能力；这反过来有利地影响工具设计、耐久性和成本。另外，因为铝的导热性为钢的两倍，所以铝基部件减少了针对在发动机操作期间被循环通过在活塞中的通路的冷却油，这反过来可以简化发动机油泵设计。这种更高的导热性(以及散发过多热量的附属能力)减小了这样的可能性，即在冠状部和其它与燃烧相邻的部件周围的温度将在排放和效率上产生出不期望的影响。另外，铸造过程例如在本专利技术中所采用的工艺允许包括这本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种砂型铸造用于轻型或中型柴油发动机的铝基活塞的方法，所述方法包括：提供用于所述活塞的型式，所述型式包括拱顶和凹入式碗；形成围绕着所述型式的活塞模具，所述模具包括聚集体材料和粘接剂；从所述活塞模具中去除所述型式；将熔融铝基金属引入到所述活塞模具中；使所述活塞模具与用于所述粘接剂的溶剂接触并且去除所述粘接剂和所述聚集体；并且冷却所述熔融铝基金属，使得在固化时，所述活塞基本上限定出能够承受达大约200巴气缸压力的工作压力以及达大约400摄氏度的温度的所述拱顶和所述凹入式碗。
【技术特征摘要】
2012.09.11 US 13/6098211.一种砂型铸造用于轻型或中型柴油发动机的铝基活塞的方法，所述方法包括: 提供用于所述活塞的型式，所述型式包括拱顶和凹入式碗； 形成围绕着所述型式的活塞模具，所述模具包括聚集体材料和粘接剂； 从所述活塞模具中去除所述型式； 将熔融铝基金属引入到所述活塞模具中； 使所述活塞模具与用于所述粘接剂的溶剂接触并且去除所述粘接剂和所述聚集体；并且 冷却所述熔融铝基金属，使得在固化时，所述活塞基本上限定出能够承受达大约200巴气缸压力的工作压力以及达大约400摄氏度的温度的所述拱顶和所述凹入式碗。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚集体材料为砂基非陶瓷材料。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括迅速冷却所述熔融金属。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述迅速冷却在大约5分钟或更少的时间内进行。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活塞包括冠状部分和裙部部分，它们铸造在一起作为单个部件以限定出单体铸件。6.如权利要求5所述的方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：JC科普基克，MA奥斯博恩，RD里基，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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