專利名稱：發動機氣缸體的鑄模的制作方法
技術領域：
本發明涉及這樣的模具，其用于生產要求圓柱形物體被嵌入鑄件中的鑄件，并且更具體而言涉及具有鑄入式氣缸套的發動機氣缸體的鑄模。
背景技術：
內燃機的氣缸孔的內壁需要承受活塞及其密封環的磨損作用。在具有鑄鐵發動機氣缸體的型號中，鑄鐵提供了所需要的耐磨性。在其他型號中，包括使用鋁或其他輕質材料的一些V型發動機氣缸體，氣缸套被插入氣缸孔中以提供足夠的耐磨性。
在許多發動機氣缸體鑄造工藝中，氣缸套是鑄造工藝的必要部分，并且在熔融金屬被引入模具腔中形成發動機氣缸體之前被組裝到模具中。在鑄造后，當模具被拆卸時，這些鑄入式缸套永久地嵌入氣缸孔的鑄造金屬壁內。為了改進氣缸套和氣缸孔的壁之間的機械接觸并避免由氣缸套和熔融金屬之間的熱變化造成的缺陷，氣缸套有時使用例如感應加熱器進行預熱。
在通常稱為“精密砂型工藝”的砂型鑄造工藝中，如圖1所示的一次性模具套件或套件組合件40由各個模具段和模芯44組裝而成，這些模具段和模芯44被結合起來以與鑄入式氣缸套46一起限定出發動機氣缸體的內外表面。模具段和模芯由樹脂粘合砂制成。在預熱和鑄造期間缸套在模具中的正確定位和防止缸套移動提出了當下的挑戰。
解決此問題的一些嘗試提出倒角的氣缸套在熱膨脹期間保持安放在模芯對應的倒角座表面上。現有技術規定倒角面以特定角度相對于與氣缸孔軸線垂直的平面傾斜，該特定角度被計算來確保缸套在預熱和鑄造期間保持安放在座表面上并與其接觸。這些角度使用氣缸套的長度和半徑的公稱(理論)尺寸來計算并且假定缸套有均勻的現場熱膨脹。實際上，不能滿足這些理想條件，并且其變動可能導致氣缸套逆著約束模具座而施加力。結果，模具座將相對于彼此移動并且/或樹脂粘合砂將斷裂或壓碎，從而污染模具。這些意外結果中的任何一項都是不符合需要的，并且可能比小量的氣缸套移動更具災難性。
所以，仍然需要改進的帶鑄入式氣缸套的鑄模。
發明內容
本發明的一個實施例提供了一種用于發動機氣缸體的鑄模。所述鑄模包括具有雙曲面的第一模具座和鑄入式氣缸套。該氣缸套具有軸線和錐形倒角。在氣缸套的熱膨脹之前的安放位置中該錐形倒角與雙曲面相切接觸。在一相關實施例中，在熱膨脹時該氣缸套從該安放位置略微移位。
在本發明的另一個實施例中，鑄模包括具有雙曲面的第二模具座，該雙曲面在熱膨脹之前與氣缸套接觸。
在又一個實施例中，第一和第二模具座具有與氣缸套的對應端面相接觸的錐形面，使得在熱膨脹時，氣缸套從安放位置略微移位。氣缸套的端面可以為錐形面或雙曲面。
在分析以下附圖和詳細說明時，本發明的其他系統、方法、特征和優點將對本領域技術人員顯而易見。意在將所有這樣的額外的系統、方法、特征和優點包括在本說明書內、在本發明范圍內、并受所附權利要求的保護。
本發明將從詳細說明和附圖中得到更全面理解。附圖中的部件不一定按比例繪制，而是將重點放在舉例說明本發明的原理上。此外，在附圖中，相似的標號在全部不同視圖中指示對應部件。
圖1是表示為組裝在臨時基座上的部分模具套件的剖視圖；圖2a是根據本發明的鑄模的實施例的局部剖視圖；圖2b是根據本發明的鑄模的另一個實施例的局部剖視圖；圖2c是根據本發明的鑄模的另一個實施例的局部剖視圖；圖3是根據本發明的鑄模的另一個實施例的局部剖視圖；圖4是圖2a的細部D的放大視圖；圖5是圖2a的細部E的放大視圖；圖6是用于圖示根據本發明在氣缸套熱膨脹時的軸向移位量的簡圖；和圖7是示出橫向移位量的本發明鑄模的剖視圖。
具體實施例方式
優選實施例的以下說明實質上僅僅是示例性的，而絕非意圖限制本發明、其應用或用途。參照附圖，應當理解到在普通技術人員的認識范圍內并且對理解本發明各個實施例不起作用的那些標準部件或特征從附圖中省略掉了以提高清楚性。此外，將認識到此處說明為“垂直”或“水平”的各個部件和方位特征是僅僅基于用于特定應用的給定部件的特定位置或方位的相對特征。
參照圖2a，以繞“A”所示的對稱軸的局部剖面的形式示出了用于發動機氣缸體的鑄模100的實施例，該對稱軸與發動機氣缸體的氣缸孔之一的縱軸重合。將理解到發動機氣缸體包括一個或多個氣缸孔，例如V-8發動機包括八個氣缸孔，雖然為了簡便起見本發明的各個實施例結合單個氣缸孔進行說明，但不會如此限制本發明。鑄模100包括數個模具部分，例如板型芯102和圓筒型芯104。模具部分是樹脂粘合砂型芯并且可以使用傳統工藝制造，例如呋喃熱芯盒或者酚尿烷冷芯盒型芯制造工藝。型芯可以使用各種砂制造，例如硅土、鋯石、熔凝硅石等。還將認識到板型芯102和圓筒型芯104可以各自制造為一個整體件或者可選地制造為若干更小互連模具部分的組合。鑄入式氣缸套106緊密地約束在板型芯102和圓筒型芯104之間。氣缸套106具有縱軸“B”，當氣缸套106在鑄模中對齊時縱軸B與軸線A重合，并且軸線B相對于軸線A不存在徑向或軸向偏移或者傾斜，如圖2a所示。氣缸套106的此位置此處被定義為“安放位置”。
氣缸套106具有與板型芯102相鄰的第一端108和與圓筒型芯104相鄰的第二端110。在圖2a所示的實施例中，氣缸套106的第一端108與可以由板型芯102的一部分限定的第一模具座112接觸。第一模具座112具有凸的雙曲面114，其繞軸線A對稱并且在每個點處具有兩個曲率半徑。這樣的表面通過將曲線繞作為旋轉或對稱軸線的軸線A旋轉來形成。當一個半徑趨向無窮大時可獲得的錐形或柱形面是單曲面。第一模具座的雙曲面114可以是例如球面或超環面的一部分。
氣缸套106沿著接觸圓118接觸第一模具座112的表面114。接觸圓118位于與軸線A垂直的平面上并且具有半徑R。在一個實施例中，氣缸套的第一端108包括第一端面116，該第一端面116在此實施例中為錐形倒角，如圖4的細部D中最清楚可見。倒角116沿著接觸圓118與第一模具座表面114相切，并且與垂直于軸線A的接觸圓118的平面限定出角度α1。
氣缸套106的第二端110與第二模具座120接觸。第二模具座120可以如圖2a所示在錐形面122處、或者如圖3所示在雙曲面124(其類似于第一模具座112的雙曲面114)處接觸第二端110。在圖2a的實施例中，錐形面122相對于與軸線A垂直的平面以角度α2傾斜，如圖5的細部E最佳地圖示。氣缸套106還可以包括第二端面126，此第二端面126在本實施例中為具有相同傾角α2的錐形倒角。在圖3的實施例中，第二倒角126在由第二倒角126和垂直于軸線A的平面所限定的角度α2下相切地接觸第二模具座120的雙曲面124。當第一和第二模具座112和120的雙曲面114和124彼此成鏡像時，α2＝α1＝α。
如果所有模具部件都正確形成和組裝，在此初始狀態下，在預熱過程(如果采用)或鑄造過程引起任何加熱之前，氣缸套106被安放在第一和第二模具座112和120上；也就是氣缸孔的軸線A與氣缸套106的軸線B重合，因此氣缸套106沒有相對于氣缸孔軸線A橫向偏移。氣缸套106由第一和第二模具座112和120約束。角度α1和α2被選擇為使得氣缸套106在加熱時將變得“移位”，或者說不再由第一和第二模具座112、120緊密地約束。因此，氣缸套106的軸線B將相對于軸線A變得橫向偏移一定量，如圖7所示。移位的氣缸套106將被重力、氣缸套到座112、120之一或兩者的局部粘合或者不平衡的金屬壓力移動出適當位置。
在另一個實施例中，如圖2b和2c所示，圖2a的第一模具座112也可以構造為具有錐形面，此錐形面與錐形面122成鏡像并相對于與軸線A垂直的平面以角度α1＝α2傾斜，使得在熱膨脹時氣缸套106變得從第一和第二模具座112和120上的安放位置移位。氣缸套106具有與模具座112、120的錐形面114、122相匹配的第一和第二端面116、126。在圖2b的實施例中，端面116、126是錐形倒角。在圖2c的實施例中，氣缸套106的端面116、126是雙曲面。
與如果在預熱和/或鑄造過程期間氣缸套106被約束到第一和第二模具座112、120上的情況下可能造成的損壞相比，在這些過程期間軸線B相對于軸線A的小移動或者不重合是無關緊要的。根據本教導，與理論不同的氣缸套106的預料之外和/或未考慮到的熱膨脹將被容納而不會將模具座推開分離和/或使模具座材料壓碎或斷裂并污染模具。預料之外和/或未考慮到的熱膨脹通常由模具座112、120的實際尺寸和角度的正常加工變動以及預熱和/或模具填充期間的不均勻熱膨脹引起。
通過設計模具座112、120和氣缸套使得在熱膨脹期間氣缸套變得略微移位，在本發明中避免了氣缸套106的不可預測熱膨脹的不合需要的結果。這通過允許在氣缸套106的一個或兩個端部108、110處有未約束膨脹量來實現。為此，倒角角度α1和α2被選擇為超過受約束的安放理論上所需要的公稱值一個不會引起氣缸套106有過度移位或不重合度的量。對圖2a、2b和3的實施例，恒定安放所需要的公稱角度通過以下等式確定R1×tanα1+R2×tanα2＝L其中L是氣缸套106在其與模具座112、120的接觸處所確定的長度，并且R1和R2是在與模具座的接觸處的對應半徑。如果R1＝R2＝R并且α1＝α2＝α，那么tanα＝L/2R作為示例，考慮R＝47.5mm并且L＝140mm的鑄鐵缸套。對于此缸套，受約束安放的公稱角度α等于55.84°，并且熱膨脹系數(k)等于5.9×10-6/。對于1000的溫度變化，如果α1和α2都選擇為比公稱角度值高10°，或者說為65.84°，則軸向移位量Ga可以計算如下。長度變化是ΔLΔL＝1000×5.9×10-6×140＝0.826mm半徑R的變化是ΔRΔR＝1000×5.9×10-6×47.5＝0.280mm參照圖6，在初始接觸點處從切線到模具座測量軸向移位GaGa＝2ΔRtan(65.84°)-ΔL＝0.424mm。
類似地，如果僅第一角度α1增大10°到65.84°，而第二角度α2保持為公稱值55.84°，則軸線移位Ga是Ga＝ΔRtan(65.84°)+ΔRtan(55.84°)-ΔL＝0.212mm。
所以，對于此示例的氣缸套，一個倒角角度增大10°使得氣缸套106軸向移位僅0.212mm。兩個倒角角度α1和α2都增大10°使得氣缸套106軸向移位僅0.424mm。
作為Ga的結果，氣缸套106自由橫向移動到期望的氣缸孔中心線。參照圖7，可以顯示出橫向位移GL等于(Ga/2)/tanα。在本示例中，如果兩個角度都增大10°，這導致0.095mm的橫向移動。
從這些計算將認識到，通過將一個或兩個倒角角度α1和α2從在熱膨脹時使氣缸套106保持安放的公稱值增大多達10°，僅僅將產生氣缸套106的小徑向或軸向移位，同時除了防止模具座壓碎或斷裂外還實現了許多其他優點。例如，雙曲面114減小或消除了模具座112貼靠氣缸套106的倒角116的轉角引起的刮傷。在模具100的組裝期間增大的倒角角度α1或α2便于將模具座102插入氣缸套106中，使得氣缸套106可以被正確組裝，尤其是在氣缸套106在組裝模具時通常不豎直的V型發動機情況下，如圖1所示，其中模具套件40支撐在臨時基座50上。
對于給定的軸向移位量Ga，較大的倒角角度α1和α2導致較小的橫向位移量GL。較小的橫向位移GL幫助對在組裝鑄造模具100時由于板型芯102、圓筒型芯104和氣缸套106中的尺寸缺陷而在模具組裝之后移位的任何氣缸套106都提供更好的控制。
雖然已經說明了本發明的各個實施例，但對本領域普通技術人員很清楚的是可以有本發明范圍內的其他實施例和實現。所以，除了根據所附權利要求及其等效方案外，本發明不受限制。
權利要求
1.一種用于發動機氣缸體的鑄模，所述鑄模包括包括雙曲面的模具座；和包括軸線和錐形倒角的鑄入式氣缸套，其中在所述氣缸套未熱膨脹的安放位置中所述錐形倒角與所述雙曲面相切接觸。
2.根據權利要求1所述的鑄模，其中所述錐形倒角與垂直于所述軸線的平面形成角度α，使得所述氣缸套在熱膨脹時從所述安放位置移位。
3.根據權利要求1所述的鑄模，其中所述雙曲面為球面段。
4.根據權利要求1所述的鑄模，其中所述雙曲面為超環面段。
5.一種用于發動機氣缸體的鑄模，所述鑄模包括包括雙曲面第一表面的第一模具座；包括錐形第二表面的第二模具座；和包括軸線與錐形第一和第二倒角的鑄入式氣缸套，其中在安放位置中時所述第一和第二倒角分別在第一和第二接觸圓處與所述第一和第二表面接觸，使得在熱膨脹時所述氣缸套從所述安放位置移位。
6.根據權利要求5所述的鑄模，其中所述第一和第二倒角相對于與所述軸線垂直的平面分別形成角度α1和α2，并且其中α1大于由tan-1(L/2R)定義的角度，和α2等于tan-1(L/2R)，其中L是所述氣缸套在接觸圓之間的長度并且R是所述氣缸套在所述接觸圓處的內徑。
7.根據權利要求5所述的鑄模，其中所述第一和第二倒角相對于與所述軸線垂直的平面分別形成角度α1和α2，并且其中α1大于由tan-1(L/2R)限定的角度，和α2大于tan-1(L/2R)，其中L是所述氣缸套在接觸圓之間的長度并且R是所述氣缸套在所述接觸圓處的內徑。
8.一種用于發動機氣缸體的鑄模，所述鑄模包括包括錐形面的模具座；包括軸線并在未熱膨脹的安放位置中與所述錐形面接觸的鑄入式氣缸套，其中所述錐形面相對于與所述軸線垂直的平面以角度α傾斜，使得在熱膨脹時所述氣缸套從所述安放位置移位。
9.一種用于發動機氣缸體的鑄模，所述鑄模包括包括錐形第一表面的第一模具座；包括錐形第二表面的第二模具座；和鑄入式氣缸套，包括軸線和在未熱膨脹的安放位置中接觸所述第一和第二表面的第一和第二端面，其中所述第一和第二表面相對于與所述軸線垂直的平面分別以角度α1和α2傾斜，使得在熱膨脹時所述氣缸套從所述安放位置移位。
10.根據權利要求9所述的鑄模，其中所述第一和第二端面中的至少一個是錐形面。
11.根據權利要求9所述的鑄模，其中所述第一和第二端面中的至少一個是雙曲面。
12.一種用于發動機氣缸體的鑄模，所述鑄模包括包括雙曲面第一表面的第一模具座；包括雙曲面第二表面的第二模具座；和包括軸線與第一和第二倒角的鑄入式氣缸套，其中在安放位置中時所述第一與第二倒角分別在第一和第二接觸圓處與所述第一和第二表面相切接觸，使得在熱膨脹時所述氣缸套從所述安放位置移位。
13.根據權利要求12所述的鑄模，其中所述第一和第二倒角相對于與所述軸線垂直的平面分別以角度α1和α2傾斜，并且其中α1大于由tan-1(L/2R)定義的角度，和α2等于tan-1(L/2R)，其中L是所述氣缸套在接觸圓之間的長度并且R是所述氣缸套在所述接觸圓處的內徑。
14.根據權利要求12所述的鑄模，其中所述第一和第二倒角相對于與所述軸線垂直的平面分別形成角度α1和α2，并且其中α1大于由tan-1(L/2R)限定的角度，和α2大于tan-1(L/2R)，其中L是所述氣缸套在接觸圓之間的長度并且R是所述氣缸套在所述接觸圓處的內徑。
15.根據權利要求14所述的鑄模，其中α1＝α2。
16.根據權利要求12所述的鑄模，其中每個雙曲面包括球面部分。
17.根據權利要求12所述的鑄模，其中每個雙曲面包括超環面部分。
18.一種用于發動機氣缸體的鑄模，所述鑄模包括包括第一表面的第一模具座；包括第二表面的第二模具座；和包括軸線與第一和第二端面的鑄入式氣缸套，其中在安放位置中時所述第一與第二端面分別與所述第一和第二表面相切接觸，使得在熱膨脹時所述氣缸套從所述安放位置移位。
19.根據權利要求18所述的鑄模，其中所述第一表面為雙曲面。
20.根據權利要求18所述的鑄模，其中所述第一表面為錐形。
21.一種制造用于發動機氣缸體的鑄模的方法，所述方法包括提供包括第一表面的第一模具座；提供包括第二表面的第二模具座；和在未熱膨脹時將鑄入式氣缸套放置在安放位置中以分別在所述氣缸套的第一和第二端面處接觸所述第一和第二表面，其中所述第一表面成形為使得在熱膨脹時所述氣缸套變得移位。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述第一表面包括與所述氣缸的第一端面接觸的雙曲面部分。
23.根據權利要求21所述的方法，其中所述第一表面包括與所述氣缸套的第一端面接觸的錐形部分。
24.根據權利要求21所述的方法，其中所述第二表面成形為使得在熱膨脹時所述氣缸套從所述安放位置移位。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述第二表面包括與所述氣缸套的第二端面接觸的雙曲面部分。
26.根據權利要求24所述的方法，其中所述第二表面包括與所述氣缸套的第二端面接觸的錐形部分。
全文摘要
公開了用于發動機氣缸體的鑄模和用于制造該鑄模的方法。在一個實施例中，鑄模包括具有雙曲面的模具座和鑄入式氣缸套。氣缸套具有軸線和端面。在氣缸套的熱膨脹之前的安放位置中端面與雙曲面相切接觸。在各個實施例中，在熱膨脹時氣缸套變得略微移位。
文檔編號B22C9/22GK1921968SQ200580005400
公開日2007年2月28日 申請日期2005年1月21日 優先權日2004年2月20日
發明者T·P·紐坎布, M·G·邁耶 申請人:通用汽車公司