具有用於接收活塞的開孔的工件的製作方法

2023-06-06 23:02:01 3

具有用於接收活塞的開孔的工件的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有用於接收活塞的開孔的工件，例如以內燃發動機曲軸箱的形式。本發明始於具有開孔(12a、12b)的工件(10)，該開孔(12a、12b)具有塗層(17)。這允許活塞(19)與開孔(12a、12b)之間的摩擦係數儘可能小。為了能夠特別精確地設定從開孔(12a、12b)區域到工件(11)環境中所期望的熱傳遞，依據本發明提出：開孔(12a、12b)具有不同於中空圓筒形狀的形狀，以產生不同的塗層(17)厚度。因此，通過適當地選擇開孔(12a、12b)的輪廓以及因此適當地選擇塗層(17)，能夠為開孔(12a、12b)的每個區域設定理想的熱傳遞。
【專利說明】具有用於接收活塞的開孔的工件

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種依據權利要求1的前序部分所述的具有用於接收活塞的開孔的工件。

【背景技術】
[0002]在EP1022351A1中描述了形式為發動機本體或者內燃發動機曲軸箱的工件，其具有多個用於接收能夠沿著軸向方向來回移動的活塞的開孔。該氣缸形式的開孔具有塗層，該塗層形成活塞的跑合面，其中該跑合面為中空圓筒。施加該塗層以實現活塞與氣缸之間儘可能小的摩擦係數，此外還使得磨損的趨勢非常小。
[0003]除了所提到的塗層效果外，塗層還對氣缸與繞氣缸流動的冷卻液之間的熱交換產生影響。塗層越厚，所提到的熱交換通常越小。因此，通過選擇塗層厚度能夠影響熱交換。


【發明內容】

[0004]針對該背景，本發明的目的尤其在於提出一種具有用於接收活塞的開孔的工件，其中所期望的從開孔區域到工件環境中的熱傳遞能夠被特別精確地設定。依據本發明，該目的通過具有權利要求1所述特徵的工件來滿足。
[0005]依據本發明的工件具有基體，該基體具有開孔，所述開孔用於接收能夠沿著軸向方向來回移動的活塞。該開孔具有塗層，該塗層形成用於活塞的跑合面。在這方面，該跑合面為中空圓筒形的。
[0006]依據本發明，基體的開孔在跑合面區域中具有與中空圓筒形狀不同的形狀。由於活塞的跑合面為中空圓筒形的，所以在跑合面區域中產生不同的塗層厚度。因此，在活塞來回移動的軸向區域中，任何情況下，開孔都具有不同於中空圓筒形狀的形狀。因此，能夠通過適當地選擇開孔的輪廓，從而為開孔的每個區域適當地選擇塗層厚度，來設定理想的熱傳遞。
[0007]此外，在具有加劇磨損的區域中，塗層可以更厚。
[0008]對於內燃發動機而言，所提到的工件特別被設計為包括鋁合金或鎂合金或鑄鐵的發動機本體或曲軸箱，或者是特別包括鑄鐵的氣缸套。
[0009]由於在施加塗層後，跑合面並未精確地具備工件後續操作所要求的尺寸，所以對活塞的跑合面進行後續機加工，尤其是磨加工。
[0010]例如，如在 申請人:的EP1022351A1中所述，塗層可以被設計為含鐵層。又例如，該層還可以包括比如在 申請人:的EP1507020A2或EP1174524A2中所述的材料。此外，自然能夠想到其它適合塗層的合適材料。
[0011]層的厚度特別是可以介於30μπι和約2mm之間，其中除過渡區域之外，所述層特別地僅具有兩種不同的厚度。一方面，是具有薄塗層的第一區域，該薄塗層具有30 μ m至200 μ m的第一厚度，而另一方面，是具有厚塗層的第二區域，該厚塗層具有0.5mm至2mm的第二厚度。因此，到繞工件流動的冷卻液的熱傳遞相當不同，尤其是比第一區域中的要小。在這方面，第二區域中的熱傳遞是減少還是增加，取決於塗層材料的熱導率與工件材料的熱導率比較。如果塗層材料的熱導率小於工件材料的熱導率，則第二區域中的熱傳遞減少。在另一種情況下，熱傳遞增加。
[0012]在本發明的一個方面中，基體的開孔具有中空圓筒的基本形狀，以及在徑向方向上的至少一個切口。除在軸向方向上(一個或多個)邊緣處的過渡區域之外，所述切口特別是在徑向方向上具有相同的深度。過渡區域可以特別被設計為斜面、具有相同半徑或不同半徑組合的倒角。切口可以被布置在開孔的邊緣處，或者還與邊緣間隔開。開孔在軸向方向上可以具有一個或多個切口。因此，可以簡單地制出基體的開孔。
[0013]特別地，一個或多個切口完全處於外圍並且是圓環形狀。因此，它們能夠被特別簡單地制出。塗層特別藉助於被引入到開孔中的旋轉等離子體焰炬來施加。還可以連同旋轉的基體一起來使用固定焰炬。如果切口完全處於外圍，則塗層可以首先僅被施加在切口中，並且當切口被充滿時，塗層能夠被擴展到整個開孔。因此，在塗層的製造中，並不需要首先施加在後續工藝步驟中必須再次被移除的材料。這就允許快速且經濟地製造工件。
[0014]此外，在工件為氣缸套的設計中，後者可以被設計為相對於其縱向軸線對稱，這允許氣缸套特別簡單地安裝到發動機本體或者曲軸箱中。
[0015]在本發明的一個方面中，切口具有不同的深度，其中該深度與切口在上述過渡區域外部的徑向範圍有關。特別是切口具有凹部，該凹部被布置在切口的軸向邊緣區域中。切口的軸向邊緣區域應被理解為與所提到的過渡區域之一鄰接的區域。為了在施加塗層方面設法使用儘可能少的材料，明智的是不總在開孔的整個軸向範圍上施加塗層，而是以局部限制的方式僅施加在切口區域中。因此，等離子體焰炬只須在開孔內，並且實際上是在所提到的切口的軸向邊緣區域中回動。結果是，與邊緣區域外部相比，在回動點(reversalpoints)的區域中以及因而在邊緣區域中施加了更多材料。如果開孔具有恆定的深度，則邊緣區域中的該材料在後處理中必須再次被移除。相比之下，如果切口在邊緣區域中具有凹部，則額外的材料至少可以被部分接收在該凹部中，這使得付出較小的努力來處理成為可能，從而實現更加經濟的後處理。
[0016]切口可以被布置在開孔的邊緣處或者開孔內。在布置在開孔邊緣處的情況中，切口特別地僅在設置成與開孔邊緣相對的過渡區域處具有凹部。在另一種情況下，切口特別地在兩個過渡區域都具有各自的凹部。
[0017]在本發明的一個方面中，切口具有介於0.5mm和2_之間的深度，以及具有在軸向方向上介於5mm和50mm之間的高度。
[0018]在本發明的一個方面中，塗層具有第一層和第二層，其中第一層至少部分地被布置在第二層上。在這方面，兩個層具有不同的屬性，特別是包括不同的材料。例如，形式為熱障塗層的第二層被布置在形成跑合面的第一層與基體之間。在這方面，可以在用於活塞的跑合面的整個區域中，或者僅在用於活塞的跑合面的一個或多個局部區域中，形成熱障塗層。例如，可以僅在上述切口內形成熱障塗層。也可以選擇第二層的材料以產生增加的熱傳遞。第二層還可以被設計為所謂的底塗層，其允許在工件和第一層之間形成特別強的連接。底塗層也能對熱傳遞產生影響。
[0019]通過提供第二層特別是熱障塗層，從開孔到環境的熱傳遞能夠被特別精確地設定。
[0020]塗層還可以具有多於兩層，也就是說，例如三個或四個不同的層。
[0021]在本發明的一個方面中，僅僅第一層形成用於活塞的跑合面。因此，在跑合面的整個區域中，第二層被布置在第一層和工件之間。
[0022]當塗層具有兩層且僅第一層應當形成用於活塞的跑合面時，上述在切口邊緣區域處的凹部尤其有利。沒有所提到的凹部的風險在於，在切口的邊緣區域中，必須在後處理中移除如此多的材料，以至於第一層變得不可接受的薄，或甚至不再覆蓋第二層。然後，活塞與第二層之間將會發生不需要乃至不可接受的接觸。因此，所提到的凹部使得在這種情況下也可以可靠地產生所期望的塗層成為可能。
[0023]在本發明的一個方面中，在切口區域中第二層形成跑合面，而在其它區域中第一層形成跑合面。這被特別實現為使得:首先以恆定的厚度施加第二層，然後第一層被施加在第二層上。因此，這些層依隨切口的輪廓。在對跑合面進行後處理時，即尤其是在進行磨加工時，處理平面被固定，從而跑合面的位置和輪廓也被固定，使得在切口環境中所期望的區域內第一層形成跑合面，而在其它區域中第二層形成跑合面。因此，能夠以簡單且經濟的方式為跑合面提供局部不同的屬性。
[0024]例如，第二層可以由具有長使用壽命的硬質金屬材料構成，而第一層例如可以具有陶瓷特徵。陶瓷特徵在減少摩損方面具有優勢。第一層還可以被設計為用粉末製成的金屬層，該粉末與第二層相比更粗，並且具有約30-60 μ m的顆粒尺寸，這通常會產生更高的表面孔隙率。例如，在這方面，增加的表面孔隙率可以有助於活塞的活塞環更快地達到所謂的流體動力潤滑的狀態，或者有助於降低磨損的趨勢。
[0025]熱障塗層特別包括陶瓷材料。例如，它可以由粉末製成，該粉末包括按重量佔75%的氧化鋯(ZrO2)、按重量介於18%和22%之間的氧化釔(Y2O3)以及作為剩餘部分的其它氧化物。這樣的粉末由 申請人:在銷售品名「MetcO202NS」下在市場上銷售。例如，熱障塗層具有介於0.5mm和2mm之間的厚度。因此，在具有熱障塗層的區域中，能夠實現從開孔到環境的特別小的熱傳遞。
[0026]第二層還可以包括另一種合適的材料，例如鐵或鈷和/或鎳的合金、以及鉻、鋁、釔的合金，已知為所謂的MCrAH合金。這種合金經常被用作底塗層。
[0027]塗層還可以具有超過兩個的具有不同屬性和/或成分的不同層。
[0028]在本發明的一個方面中，藉助於熱噴塗工藝過程，特別是藉助於等離子噴塗工藝過程，來施加塗層。因此，能夠特別經濟地施加塗層。此外，這樣還可以施加特別耐磨的塗層。
[0029]塗層的施加特別藉助於大氣壓下的等離子噴塗工藝過程來執行，即藉助於所謂的APS塗層工藝過程。因此，能夠特別經濟地製成高質量的塗層。例如，塗層材料能夠以粉末的形式存在。在這方面，顆粒尺寸可以達到5 μ m和90 μ m之間。
[0030]還可以使用其它熱塗層工藝過程，例如高速火焰噴塗或電弧噴塗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]參考下面的實施例描述並且參考附圖，來說明本發明的其它優點、特徵和細節，附圖中相同或具有相同功能的元件設置有相同的附圖標記。
[0032]在附圖中示出了:
[0033]圖1具有兩個內覆塗層的氣缸的曲軸箱的截面圖；
[0034]圖2內覆塗層的氣缸套的截面圖示；
[0035]圖3第一實施例中具有兩層塗層的氣缸套的截面圖；
[0036]圖4第二實施例中具有兩層塗層的氣缸套的截面圖；
[0037]圖5第三實施例中具有兩層塗層的氣缸套的截面圖；
[0038]圖6第二實施例中具有單層塗層的氣缸套的截面圖；
[0039]圖7第四實施例中具有兩層塗層的氣缸套的截面圖；
[0040]圖8依據圖7，但是與圖7相比具有不同設計的兩層塗層的氣缸套的截面圖；以及
[0041]圖9第五實施例中具有兩層塗層的氣缸套的截面圖。

【具體實施方式】
[0042]圖1中示出了被設計為內燃發動機曲軸箱10(未進一步示出)的工件的截面圖。曲軸箱10並未按比例繪製，而只是非常示意性地示出。特別地，與本發明相關聯的部分被極大放大地示出。
[0043]曲軸箱10包括鋁，並且具有基體11，基體11具有總共四個氣缸形式的開孔，但是其中僅兩個開孔(或開口)12a、12b被示出。所示的兩個開孔12a、12b具有相同的設計，使得描述等同地適用於開孔12a、12b 二者。
[0044]開孔12a、12b具有中空圓筒形的基本形狀，該基本形狀具有切口 14，切口 14相對於軸向方向13大致居中布置，並且向外指向，並因此沿徑向方向指向。因此，結果是基體11的開孔12a、12b具有不同於中空圓筒形狀的形狀。切口 14完全位於外圍，因而具有圓環形的橫截面。從中空圓筒的基本形狀到切口 14之間的過渡被各自設計為斜面。相對於中空圓筒形的基本形狀，切口 14在徑向方向上具有0.5mm至2mm的深度15,例如說1mm。切口14的高度16介於5mm和50mm之間，例如說20mm,其中中空圓筒形基本形狀的直徑例如能夠達到80_。在這方面，開孔14的高度16被認為是不同於中空圓筒基本形狀的軸向區域範圍。
[0045]開孔12a、12b具有塗層17，塗層17形成被布置在開孔12a、12b內的活塞19所用的跑合面18。跑合面18為中空圓筒形的，並且活塞19能夠在開孔12a、12b內沿著軸向方向13以已知的方式移動。在這方面，活塞19在內燃發動機的操作中越過切口 14移動。使用APS等離子噴塗工藝過程來施加塗層17，並且隨後使用磨加工工藝過程進行後處理。塗層17使用例如在 申請人:的EP1022351A1中所述的含鐵材料來製造。在施加塗層17時，塗層17首先被施加在整個開孔12a、12b內。當在切口 14外達到足夠的層厚度時，塗層僅在切口 14的區域中以目標方式繼續。
[0046]但是，可以首先施加僅切口內的塗層，並且僅當切口被充滿時，才同樣在切口外進行。另外，可在整個塗層工藝過程期間，在整個開孔內施加這樣的厚塗層，以使中空圓筒形的跑合面能夠在後處理時形成。
[0047]由於中空圓筒形的跑合面18和不同於中空圓筒形的開孔12a、12b的形狀的組合，導致塗層17在徑向方向上具有非均勻的厚度。誠然，塗層17在特定的軸向位置周圍具有相同的厚度；但在另一個軸向位置處，厚度可以不同。
[0048]在切口 14外的軸向方向13上，塗層17具有ΙΟΟμπι至200μπι的第一厚度D1，例如說150 μ m。在切口 14的斜面上，厚度增加達到0.5-21mm的最大第二厚度D2，例如說1mm。
[0049]曲軸箱10的基體11附加地具有冷卻液通道20，其中冷卻液循環流動，並且在內燃發動機運行中將熱量從曲軸箱10運走。冷卻液通道20圍繞開孔12a、12b延伸，並且被布置在切口 14的區域中。
[0050]圖2中示出了被設計為氣缸套110的工件。氣缸套110被設置為在內燃發動機的曲軸箱(未示出)中使用。氣缸套110並未按比例繪製，而僅被非常示意性地示出。特別地，與本發明相關聯的部分被極大放大地不出。
[0051]氣缸套110包括鑄鐵，並且具有基體111，基體111具有開孔112。開孔112具有中空圓筒形的基本形狀，該中空圓筒形的基本形狀具有相對於軸向方向113在邊緣處向外指向從而因此沿徑向方向指向的切口 114。因此，結果是基體111的開孔112具有不同於中空圓筒形的形狀。切口 114同樣完全位於外圍，因而具有圓環形的橫截面。從切口 114到中空圓筒形基本形狀之間的過渡被設計為斜面。切口 114的深度和長度可以與圖1中切口14的深度和長度相類似。
[0052]開孔112具有塗層117，塗層117形成被布置在開孔112內的活塞(未示出)所用的中空圓筒形的跑合面118。塗層117與圖1中的塗層17包括相同的材料，並且使用相同的方法製造。
[0053]由於中空圓筒形的跑合面118和不同於中空圓筒形的開孔112的形狀的組合，導致塗層117在徑向方向上具有非均勻的厚度。在這方面，塗層117的厚度可以與圖1中塗層17的厚度相類似。
[0054]圖3、圖4和圖5中分別示出了依據圖2的氣缸套的截面。在這方面，示出了具有開孔的切口的相應截面。圖3、圖4和圖5中的基體和開孔具有相同的設計。這些實施例僅在塗層的方式上有所區別，其中所有三個塗層都包括一個置於另一個之上的兩個不同層。
[0055]依據與圖3相對應的實施例，開孔212的塗層217具有形成活塞(未示出)所用的跑合面218的第一層221。層221與圖1中的塗層17包括相同的材料，並且使用相同的方法製造。在這方面，塗層217的厚度也可以與圖1中塗層17的厚度相類似。
[0056]形式為熱障塗層222的第二層被布置在第一層221和基體211之間的全部軸向範圍上。熱障塗層222包括陶瓷材料，並且事實上還包括粉末，該粉末由 申請人:根據銷售品名「Metco202NS」在市場上銷售。該熱障塗層具有介於0.5mm和2mm之間的均勻厚度，例如說1mm。熱障塗層222同樣藉助於APS等離子噴塗工藝過程來施加。
[0057]跑合面218為中空圓筒形設計，第一層221具有可以與圖2中的塗層117相類似的在軸向方向上可變的厚度。因此，開孔212的切口 214以及熱障塗層222的均勻厚度得到補償。
[0058]依據圖4的實施例相對於依據圖3的實施例僅有少許不同，所以將僅關注差別。在依據圖4的實施例中，塗層317的第一層321具有均勻的厚度，而熱障塗層322具有可變的厚度。熱障塗層322被設計為使得其對開孔312的切口 314進行補償，以使第一層321能夠被施加到已經是中空圓筒形的輪廓。
[0059]依據圖5的實施例相對於依據圖4的實施例僅有少許不同，所以將僅關注差別。在依據圖5的實施例中，塗層417的熱障塗層422被設計為使得其僅填充開孔412的切口414，以使中空圓筒形的輪廓產生，均勻厚度的第一層421能夠被施加到該中空圓筒形的輪廓上。
[0060]依據圖6的實施例相對於依據圖2的實施例僅有少許不同，所以將僅關注差別。在依據圖6的實施例中，切口 514具有不一致的深度。切口 514在軸向邊緣區域523中具有處於邊緣的凹部524。凹部524被布置為使得其經由恆定的倒角526被連接到切口 514的邊緣526。在設置成與邊緣526相對的一側上，凹部524同樣具有倒角527。當僅在切口514的區域中施加塗層517時，凹部524用於接收材料，該材料另外在等離子體焰炬的回動時沉積。
[0061]在依據圖7的實施例中，開孔612的切口 614具有一般與依據圖1的切口 14類似的布置和輪廓。除了這些之外，在其兩個軸向邊緣區域623a、623b，切口 614具有與依據圖6的凹部524相對應的凹部624a、624b。塗層617具有第一層621和第二層622，其中第二層622僅被施加在切口 614的區域中。
[0062]依據圖8的實施例與依據圖7的實施例相比，區別僅在於第二層722不僅被布置在切口 714的區域中，而且還被布置在其外。
[0063]依據圖9的實施例相對於依據圖1的實施例僅有少許不同，所以將僅關注差別。切口 814同樣具有恆定的深度。首先施加第二層822,然後在其上施加第一層821,第一層821具有相應的大致恆定的厚度。因此，該兩層821、822很大程度上依隨切口 814的輪廓。在接下來的後處理上，處理平面被固定，以使第一層821在切口 814的環境中形成跑合面818，而第二層822則在其它區域中形成跑合面。
【權利要求】
1.一種具有基體(11、111、211)的工件，所述基體(11、111、211)具有開孔(12a、12b、112、212、312、412、612)，用於接收能夠沿軸向方向(13)來回移動的活塞(19)，其中，所述開孔(12a、12b、112、212、312、412、612)具有塗層(17、117、217、317、417、517、617)，所述塗層(17、117、217、317、417、517、617)形成用於所述活塞(19)的跑合面(18、118、218、818)，並且其中，所述跑合面(18、118、218、818)為中空圓筒形的，其特徵在於: 所述基體(11、111、211)的開孔(12a、12b、112、212、312、412、612)在所述跑合面(18、118、218、818)的區域中具有不同於中空圓筒形狀的形狀。
2.根據權利要求1所述的工件，其特徵在於:所述基體(11、111、211)的開孔(12a、12b、112、212、312、412、612)具有中空圓筒形的基本形狀，並且具有在徑向方向上的至少一個切口 (14、114、214、314、414、514、614、714、814)。
3.根據權利要求2所述的工件，其特徵在於:所述切口(14、114、214、314、414、514、614、714、814)完全位於外圍。
4.根據權利要求2或3所述的工件，其特徵在於:所述切口(514、614、714)具有不同的深度。
5.根據權利要求4所述的工件，其特徵在於:所述切口(514、614、714)具有凹部(524、624a、624b)，所述凹部(524、624a、624b)被布置在所述切口(514、614、714)的軸向邊緣區域(523,623a,623b)中。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的工件，其特徵在於:所述切口(14、114、214、314、414、514、614、714、814)具有介於 0.5mm 和 2mm 之間的深度(15)。
7.根據權利要求2至6中任一項所述的工件，其特徵在於:所述切口(14、114、214、314、414、514、614、714、814)在軸向方向上具有介於5mm和50mm之間的高度(16)。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的工件，其特徵在於:所述塗層(217、317、417、617)具有第一層(221、321、421、621、821)和第二層(222、322、422、522、722、822)，其中所述第一層(221、321、421、621、821)至少部分地被布置在所述第二層(222、322、422、622、722,822)上。
9.根據權利要求8所述的工件，其特徵在於:僅所述第一層(221、321、421、621)形成所述跑合面(218)。
10.根據權利要求8所述的工件，其特徵在於:所述第二層(822)在所述切口(814)的區域中形成所述跑合面(818)，而在其它區域中所述第一層(821)形成所述跑合面。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的工件，其特徵在於:所述第二層(222、322、422、622、722、822)包括陶瓷材料。
12.根據權利要求8至11中任一項所述的工件，其特徵在於:所述第二層(222、322、422、622、722、822)具有介於0.5mm和2mm之間的厚度。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的工件，其特徵在於:所述塗層(17、117、217、317、417、517、617)藉助於熱噴塗工藝過程來施加。
14.根據權利要求13所述的工件，其特徵在於:所述塗層(17、117、217、317、417、517、617)藉助於等離子噴塗工藝過程來施加。
【文檔編號】F02F1/00GK104373245SQ201410445673
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】P·埃恩斯特, B·迪斯特勒 申請人:蘇舍美特科公司