[发明专利]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

说明书

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 DIESEL PISTON WITH AN AS-CAST，UNDERCUT COMBUSTION BOWL”的美国申请序列号No.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 DIESEL PISTON WITH AN AS-CAST，UNDERCUT COMBUSTION BOWL”的临时申请序列号No.61/405,739的权益。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。