擠壓的氣缸套的製作方法

2023-06-02 22:02:01

本公開涉及例如用於鑄鋁發動機缸體的擠壓的氣缸套。

背景技術：

鋁製發動機缸體通常包括鑄鐵缸套，或者如果沒有缸套，則缸孔表面上包括塗層。鑄鐵缸套通常增加缸體的重量並導致鋁製缸體和鑄鐵缸套之間的熱性能不匹配。對於無缸套的缸體，可能必須對將接受塗層的每個缸體進行相當大的投資(例如，等離子體塗覆缸孔工藝)。製造無缸套缸體的物流(logistics)會是複雜的，這會增加生產成本。此外，用於使從氣缸缸孔的頂部到底部形成均勻的等離子體塗層厚度的幾何尺寸控制可能是困難的。

技術實現要素：

在至少一個實施例中，提供一種擠壓的發動機氣缸套。所述缸套可包括：圓筒形主體，具有縱向軸線，並限定內表面和外表面；多個間隔開的特徵，從所述外表面突出，所述特徵在相對於縱向軸線傾斜的方向上延伸。

所述多個間隔開的特徵可在相鄰的特徵之間限定多個通道，所述通道在相對於縱向軸線傾斜的方向上延伸。所述特徵可沿著圓筒形主體的整個高度延伸。在一個實施例中，所述特徵圍繞所述外表面的圓周等間距地間隔開。在另一實施例中，所述特徵沿著圓筒形主體的整個高度在相對於縱向軸線傾斜的方向上延伸。所述特徵可包括在與縱向軸線平行的方向上延伸的部分。在一個實施例中，所述特徵在與縱向軸線成5至85度的方向上延伸。在另一實施例中，所述特徵在與縱向軸線成20至70度的方向上延伸。所述特徵可具有矩形的截面形狀或三角形的截面形狀。

在至少一個實施例中，提供一種發動機缸體。所述發動機缸體可包括包含第一材料的主體和包含第二材料的至少兩個鑄入式氣缸套；每個氣缸套包括多個間隔開的特徵，所述多個間隔開的特徵從氣缸套的外表面突出並在相對於氣缸套的縱向軸線傾斜的方向上延伸；所述第一材料包圍所述特徵並在所述特徵之間延伸。

所述多個間隔開的特徵可在相鄰的特徵之間限定多個通道，所述通道在相對於縱向軸線傾斜的方向上延伸。所述第一材料可充分地填充所述多個通道。在一個實施例中，所述第一材料圍繞所述特徵並在所述特徵之間延伸，所述第一材料抵抗鑄入式氣缸套與主體之間在水平方向和豎直方向上的相對運動。第一鑄入式氣缸套的特徵可與第二鑄入式氣缸套的通道直接相鄰。

在至少一個實施例中，提供一種形成氣缸套的方法。所述方法可包括：通過模具擠壓金屬材料，以形成限定內表面和外表面的圓筒形主體以及從所述外表面突出的多個間隔開的特徵；在擠壓步驟的至少一部分期間圍繞縱向軸線旋轉模具，使得所述特徵在相對於縱向軸線傾斜的方向上延伸。

可在擠壓步驟期間連續旋轉所述模具，使得所述特徵在氣缸套的整個長度上在相對於縱向軸線傾斜的方向上延伸。在另一實施例中，在擠壓步驟的至少一部分期間不旋轉所述模具，使得所述特徵在氣缸套的長度的一部分上在與縱向軸線平行的方向上延伸。所述方法可包括：在擠壓步驟和旋轉步驟之後，將擠壓出的金屬材料分段為多個氣缸套。所述方法還可包括：在擠壓步驟和旋轉步驟之後並在將擠壓出的金屬材料分段之前，將耐磨塗層塗敷到內表面。在一個實施例中，旋轉所述模具，使得所述特徵在與縱向軸線成20度至70度的方向上延伸。

附圖說明

圖1是發動機缸體的示意性透視圖；

圖2是根據實施例的氣缸套的透視圖；

圖3是根據實施例的缸套塗裝系統的示意圖；

圖4是根據實施例的包括圓角三角形軸向特徵的擠壓件的橫剖面；

圖5是根據實施例的包括矩形軸向特徵的擠壓件的橫剖面；

圖6是根據實施例的包括三角形軸向特徵的擠壓件的橫剖面；

圖7是根據實施例的包括圍繞擠壓件的周邊旋轉的特徵的擠壓件的透視圖；

圖8是根據實施例的將擠壓出的包括軸向特徵的中空圓筒分成多個氣缸套的示意圖；

圖9a是根據實施例的包括旋轉的軸向特徵的兩個相鄰氣缸套的透視圖；

圖9b是圖9a的放大圖，示出了一個缸套的軸向特徵嵌在另一缸套的通道中；

圖10示出了根據實施例的鑄入式氣缸套的截面圖；

圖11是根據實施例的具有軸向特徵的鑄入式氣缸套的橫剖面；和

圖12是根據實施例的形成具有鑄入式缸套的發動機缸體的方法的流程圖。

具體實施方式

根據需要，在此公開本發明的詳細實施例；然而，應理解，所公開的實施例僅是本發明的示例，本發明可以以各種和替代的形式實施。附圖不一定按比例繪製；可誇大或最小化一些特徵以顯示特定部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅作為用於教導本領域技術人員以各種方式利用本發明的代表性基礎。

參照圖1，示出了發動機缸體或氣缸體10。發動機缸體10可包括一個或更多個氣缸孔12，氣缸孔12可被構造為容納內燃發動機的活塞。發動機缸體主體可以由任何適合的金屬材料(諸如，鋁、鑄鐵、鎂或其合金)形成。此外，發動機缸體可由非金屬材料(諸如，纖維增強複合材料(例如，碳、玻璃、硼或陶瓷纖維等)或陶瓷基材料)形成。在至少一個實施例中，發動機缸體10中的氣缸孔12可包括如圖2中所示的氣缸套14。缸套14可以是具有外表面16、內表面18和壁厚20的中空圓筒或管。在至少一個實施例中，缸套14可鑄入到發動機缸體10。於2015年12月17日提交的共同擁有並共同待決的第14/972,144號美國申請公開了鑄入式氣缸套，所述申請的公開內容通過引用全部包含於此。在此公開的缸套14可包含於上述申請的鑄入工藝中。

在傳統的發動機缸體中，如果發動機缸體母體材料(parentmaterial)是鋁，則可將鑄鐵缸套或塗層設置在發動機缸孔中而為發動機缸孔提供增加的強度、剛度、耐磨性或其它性質。例如，可在發動機缸體已經形成(例如，通過鑄造)之後，將鑄鐵缸套鑄入到發動機缸體或將鑄鐵缸套壓入到氣缸孔中。在另一個示例中，鋁製氣缸孔可以是無缸套的，但可在發動機缸體已經形成(例如，通過鑄造)之後對氣缸孔塗覆塗層。

在至少一個實施例中，所公開的發動機缸體10和缸套14可由鋁(例如，純鋁或鋁合金)形成。在其它實施例中，發動機缸體10和缸套14中的一個或二者可由除了鋁之外的材料形成。如上所述，發動機缸體可由諸如鎂、纖維複合材料或陶瓷的材料形成。缸套14可由可擠壓的金屬形成。相應地，缸體10和缸套14可由同一材料形成(但是特定合金可能不同)，或者，缸體10和缸套14可以是不同的(例如，缸體/缸套可以是「混合材料」)。中空的擠壓件22可被形成為具有比單個缸套14長的長度，例如，多個缸套的長度。中空的擠壓件22可至少在擠壓件22的內表面上是中空的圓筒。然而，中空的擠壓件22可具有非圓形外表面和圓形內表面。在一個實施例中，擠壓件22可具有至少兩個缸套14(諸如，至少4個、6個或8個缸套)的長度。在另一個實施例中，擠壓件22可具有至少2、4、6或8英尺的絕對長度。

參照圖3，可擠壓出中空的擠壓件22並在將其切成各個缸套14之前對其塗覆塗層。在塗覆塗層之前，可對擠壓件22進行機加工和/或對擠壓件22進行其它成型、成形或紋理化工藝。在一個實施例中，在塗覆塗層之前可通過例如車削或其它工藝來調節擠壓件22的內徑和/或外徑。由於材料被去除，所以可使外徑減小到特定尺寸並且可使內徑增加到特定尺寸。因此，擠壓出的擠壓件22可具有比缸套14的最終尺寸大的外徑和比缸套14的最終尺寸小的內徑。

在至少一個實施例中，可在對擠壓件22的內表面塗覆塗層之前，對擠壓件22的內表面和/或外表面進行紋理化或粗糙化。對內表面進行粗糙化可提高塗層對擠壓件22的粘合或粘結強度，對外表面進行粗糙化或紋理化可提高圓筒/缸套對發動機缸體的母體材料或鑄造材料的粘合或粘結強度。用在內表面和外表面上的粗糙化工藝可以是相同的或不同的。粗糙化工藝可以是機械的粗糙化工藝(例如，使用具有切削刃、噴砂或水射流的工具)。其它粗糙化工藝可包括(例如，化學的或等離子體)蝕刻、火花/放電或其它。

在至少一個實施例中，擠壓件22和從擠壓件22得到的缸套14可以由鋁(諸如，鋁合金)形成。鋁合金可以是熱處理合金(例如，可以是沉澱硬化或時效硬化的合金)。在一個實施例中，擠壓件22和缸套14可以由2xxx系列鋁合金製成。2xxx系列鋁合金(例如，根據iads(internationalalloydesignationsystem,國際合金命名系統))包括作為主要的或首要的合金元素的銅(通常從0.7至6.8wt.％(重量百分比))並且可被沉澱硬化至(相對於其它鋁合金)非常高的強度水平。2xxx系列鋁合金通常可被沉澱硬化至比除7xxx系列鋁合金以外的所有鋁合金大的強度。2xxx系列合金還在高溫(諸如，大約150℃)下保持高強度。例如，下面表格1中示出了在t6狀態(沉澱硬化至峰值強度)和在室溫以及150℃下的常規的2xxx系列合金2024和常規的6xxx系列合金6061的對比：

表格1：機械性能的對比

如表格中所示，2xxx系列合金2024在室溫(25℃)和高溫(150℃)下均具有明顯較高的極限拉伸強度(uts)和屈服強度(ys)。事實上，2024鋁在150℃下的uts等於6061鋁在室溫下的uts。2024鋁還具有較高的硬度。雖然這些性能可基於2xxx系列和6xxx系列內的特定合金而改變，但上面描述的總體趨勢保持不變。例如，擠壓件22可以由在室溫(例如，25℃)下具有至少400、425、450或475mpa的uts和至少300、325、350、375或390mpa的ys的2xxx系列鋁合金形成。雖然表格1中示出的是t6狀態，但可使用其它狀態，諸如，t4、t5或t351。

表格1還包括用於氣缸套的典型的灰鑄鐵的uts。如所示出的，鑄鐵的uts為至少360mpa。因此，灰鑄鐵明顯比6061合金強度更高，但灰鑄鐵具有明顯低於2024合金的uts。傳統的鑄鐵缸套的最小uts明顯高於6xxx系列的uts，因此，在一些實施例中6xxx系列合金可能是不適合的。此外，灰鑄鐵通常具有小於75mpa(例如，大約62mpa)的疲勞強度和小於50w/m-k(例如，大約46.4w/m-k)的熱導率。相比之下，擠壓件22和缸套14可以由具有至少100mpa(諸如，至少110、120或130mpa，例如138mpa)的疲勞強度和至少100w/m-k(諸如，至少110或120w/m-k，例如121w/m-k)的熱導率的2xxx系列鋁合金(例如，2024)形成。

2xxx系列的鋁合金的耐腐蝕性可小於其它合金系列(諸如，6xxx系列)的耐腐蝕性。然而，已經發現對擠壓件22塗覆塗層可以緩解潛在的腐蝕。相應地，已經發現2xxx系列鋁合金可用於形成氣缸套14。2xxx系列鋁合金可具有高於傳統的鑄鐵缸套的uts、ys、疲勞強度和熱導率並且可具有明顯高於其它鋁合金(諸如，6xxx系列)的uts和ys。

此外，雖然高的斷裂伸長率通常是積極的屬性，但已經發現2xxx系列鋁的較低的斷裂伸長率實際上有利於缸套14的機械粗糙化工藝。例如，如表格1中所示，2024鋁具有10％的斷裂伸長率，而6061具有17％的斷裂伸長率。已經發現當使用切削工具進行粗糙化時，6xxx系列鋁的較高的伸長率會導致去除長的線狀材料。這導致形成的表面通常不包括用於塗層進入和機械互鎖的離散凹坑。相比之下，已經發現2xxx系列將更容易地形成這種凹坑。因此，出人意料的是，相比於其它合金系列(例如，6xxx)，具有降低的延展性是2xxx系列鋁的積極的屬性。特定的2xxx系列合金的非限制性示例可包括2024、2008、2014、2017、2018、2025、2090、2124、2195、2219、2324或其變體/變型。2xxx合金還可基於諸如上面描述的那些機械性能(例如，uts、ys、疲勞強度、熱導率等)來限定。

在其他實施例中，擠壓件22和從擠壓件22得到的缸套14可由非鋁金屬(諸如，鎂或鎂合金)形成。例如，擠壓件可由鎂形成，發動機缸體10可由鎂或鋁(或者他們的合金)形成。尤其與具有鑄鐵缸套的鎂缸體相比，使用鎂缸套的鎂基或鋁基發動機缸體可減少潛在的電腐蝕。

在圖3中示出的一個實施例中，可將擠壓件22布置在水平軸線24上並使擠壓件22繞軸線24旋轉，同時通過噴塗器26塗覆塗層。當然，可將擠壓件22布置在任何軸線(諸如，豎直軸線或該軸線在水平軸線與豎直軸線之間成一定角度)上。噴塗器26可以是靜止的，使得擠壓件22的旋轉將塗層塗敷到擠壓件22的整個內表面。然而，在其它實施例中，噴塗器26可代替擠壓件22旋轉或者與擠壓件22一起旋轉。

為了沿著擠壓件22的整個長度(或者擠壓件22的長度的至少75％、85％或95％)塗覆塗層，可使擠壓件22沿著與其縱向軸線平行的方向移動(例如，同時還繞著縱向軸線旋轉)。例如，如圖3所示，當將擠壓件22布置在水平軸線24上時，使擠壓件22在水平方向上移動。然而，如果將擠壓件22布置在其它軸線上，則可使擠壓件22在與所述軸線平行的方向上移動。在使擠壓件22沿著其縱向軸線方向移動的實施例中，噴塗器26可以保持靜止。例如，如圖3所示，擠壓件22可繞軸線24旋轉並且還在軸向方向上水平地移動，同時噴塗器26保持靜止。因此，在不移動噴塗器26的情況下，可沿著擠壓件22的長度將擠壓件22的內表面塗覆上噴塗的塗層。

雖然噴塗器26可以是靜止的和/或不旋轉的，但還可使用擠壓件22和噴塗器26的其它構造。例如，擠壓件22可沿著軸線旋轉但可在軸向方向上保持靜止，而噴塗器26可在該軸向方向上移動以塗覆圓筒的內表面。或者，噴塗器26和擠壓件22可均在軸向方向上移動。在另一個實施例中，擠壓件22可在軸向方向上移動但可不繞著軸線旋轉，而噴塗器26可繞著軸線旋轉但保持在相同的軸向位置處。擠壓件22還可保持完全靜止，即不旋轉也不軸向移動，而噴塗器既繞軸線旋轉還在軸向方向上移動。因此，擠壓件22和噴塗器26的任意組合可在軸向方向上移動和/或繞軸線旋轉，以沿著圓筒的長度塗覆圓筒的內表面。

噴塗器26可以是任何類型的噴塗裝置，諸如熱噴塗裝置。可以使用的熱噴塗技術的非限制性示例包括等離子體噴塗、爆炸噴塗、電弧噴塗(例如，等離子體轉移電弧或ptwa)、火焰噴塗、高速氧燃料(hvof)噴塗、暖噴或冷噴塗。還可使用其它塗覆技術，諸如氣相沉積(例如，pvd或cvd)或化學/電化學技術。在至少一個實施例中，噴塗器26可以是等離子體轉移電弧(ptwa)噴塗裝置。

通過噴塗器26或其它塗覆技術施加的塗層可以是為發動機缸體缸孔提供足夠的強度、剛度、密度、泊松比、疲勞強度和/或熱導率的任何適合的塗層。在至少一個實施例中，塗層可以是鋼塗層。合適的鋼成分的非限制性示例可包括從1010至4130鋼的任何aisi/sae鋼等級。所述鋼還可以是不鏽鋼，諸如aisi/sae400系列中的那些鋼(例如，420)。然而，也可以使用其它鋼成分。所述塗層不限於鋼，並且可以由其它金屬或非金屬形成或包括其它金屬或非金屬。例如，所述塗層可以是陶瓷塗層、聚合物塗層或無定形碳塗層(例如，dlc或類似物)。因此，可基於塗層的屬性來描述所述塗層，而不是基於特定成分來描述。

在一個示例中，金屬塗層可具有至少45mpa的粘合強度(由astme633方法測量)。在另一個示例中，在磨損試驗之後，缸套可具有最小的磨損深度，諸如6μm。例如，可使用cameron-plint測試裝置來測試具有通過等離子體雙電弧系統塗覆的300μm的1010鋼基塗層的缸套。該裝置使用以下參數：mo-crni活塞環、在溫度為120℃下的5w-30油、350n載荷、15mm行程長度和10hz測試頻率，在100小時的測試之後，缸套可具有不大於6μm的磨損深度。

參照圖4至圖7，擠壓件22可被擠壓成具有大體上呈圓柱形的內表面28和外表面30。內表面28可限定中空擠壓件22的內部，並如上所述接受塗層。塗覆有塗層的內表面28可在後續處理之後形成成品缸孔12中的缸孔表面。外表面30也可是圓柱形(例如，圓形截面)，然而，其還可包括紋理和/或附加的特徵。在一個實施例中，外表面30可被粗糙化或紋理化。粗糙化/紋理化工藝可以是機械的粗糙化工藝(例如，使用具有切削刃、噴砂或水射流的工具)。其它粗糙化工藝可包括(例如，化學的或等離子體)蝕刻、火花/放電或其它。在將缸套14鑄入到發動機缸體10時，粗糙化或紋理化的外表面30可提供與母體金屬的改善的結合。粗糙表面可因增加的表面面積而提高結合，並允許母體材料與缸套14之間機械互鎖。

在至少一個實施例中，除了粗糙化或紋理化，或者代替粗糙化或紋理化外表面30還可包括軸向特徵32。特徵32可從另一圓柱形外表面30突出。因此，特徵32還可被稱為突起。特徵32可沿著擠壓件22的軸向(例如，沿著長軸線或在擠壓的方向上)延伸。特徵32可沿著擠壓件22的整個軸向尺寸延伸。

在一個實施例中，特徵32可沿軸向(例如，平行於縱向軸線)直線延伸，使得特徵不圍繞擠壓件22的周邊或圓周移動或旋轉。圖4至圖6的截面中示出了沿軸向直線延伸的特徵32的非限制示例。在圖4中，特徵32可形成為截面為圓角三角形34。在圖5中，特徵32可形成為截面為矩形36(當然還可是正方形)。在圖6中，特徵32可形成為截面為三角形38，所述三角形可以是等邊三角形、等腰三角形、直角三角形或其他三角形。雖然在圖4至圖6中示出了這三種截面形狀，但是通過擠壓出可形成的任何合適截面均可用於特徵32。例如，特徵32可以是不完整圓(例如，半圓或半月)、鉤狀、鋸齒狀或其他形狀。特徵32還可呈不同形狀的組合，包括在此示出或描述的形狀的任意組合。

可具有從外表面30延伸的任意數量的特徵32。特徵32的數量可取決於特徵32的尺寸和/或形狀。例如，可具有至少3個特徵，諸如至少5個或至少10個特徵。在一個實施例中，可具有3至20個特徵32(或者其中的任意子範圍，諸如4至18或5至15個特徵32)。在示出的實施例中，特徵32可以是等間距和/或關於至少一個豎直面對稱。然而，在其它實施例中，特徵32可以不均勻地間隔開和/或不對稱。特徵32之間的空間或間隙可被稱為通道40。在特徵32沿軸向直線延伸的實施例中，通道40也可沿直線延伸。類似地，通道40可充分地在擠壓件22的整個長度上延伸。

在將缸套14鑄入母體金屬中時，特徵32和因此形成的通道40可提高缸套14與母體金屬的粘結性或粘合性。特徵32和通道40可與上述粗糙化/紋理化執行類似的功能，但比例更大。例如，當將缸套14鑄入發動機缸體10時，可使母體金屬流入到特徵32之間的通道40中，從而使缸套14和發動機缸體10機械互鎖。除了該互鎖之外，鑄入工藝過程中還發生缸套14的表面的任意熔化，從而形成母體金屬與缸套之間的冶金結合或分子結合。可能並不是缸套的所有的外表面都將熔化並形成所述冶金結合或分子結合，因此，母體金屬和缸套14可由於特徵32導致的附加互鎖而提供附加粘結源或粘合源。

參照圖7，在至少一個實施例中，特徵32可不沿著特徵32的整個長度的軸向直線(例如，沿著整個長度不平行於縱向軸線)延伸。例如，一個或更多個特徵32可在他們沿軸向延伸時圍繞擠壓件22的周邊旋轉和/或纏繞。因此，特徵32可在相對於軸向/縱向軸線傾斜(例如，不平行或垂直)的方向延伸。因此，特徵可沿著擠壓件22的周邊或圓周在一端42位於與在另一端44不同的位置。在示出的實施例中，特徵32可沿著擠壓件的整個長度圍繞擠壓件的周邊連續旋轉。因此，擠壓件22可具有與來福槍筒(riflebarrel)的設計或構造類似的膛線外表面(rifledoutersurface)的設計或構造。因此，特徵32可沿著擠壓件的長度成螺旋形或連續圍繞擠壓件22的周邊纏繞。特徵32還可被稱為螺旋部(例如，圍繞外表面30形成螺旋)。由於特徵32可以在圍繞所述周邊成螺旋形或螺旋地纏繞，所以特徵之間的間隙或通道40也可圍繞擠壓件22的周邊成螺旋形或螺旋地纏繞。圖7中示出的特徵32為矩形截面，然而，螺旋特徵可形成為具有任意的截面形狀，諸如圖4至圖6中的形狀、上述/下述其他形狀或者任何其他合適的形狀。

雖然示出的實施例具有圍繞擠壓件22的周邊在其整個長度上連續旋轉的特徵32，但特徵32可僅僅在擠壓件22的長度的一部分或多個部分上圍繞其周邊旋轉。例如，特徵32可在擠壓件22的特定部分的長度上圍繞其周邊旋轉，然後特徵32可在另一部分的長度上直線延伸，所述長度可能存在特徵32圍繞所述周邊旋轉然後呈直線的交替部分。所述交替部分可相對較長或者可以是短的離散部分。

如上所述，可通過對鋁(諸如2xxx系列鋁)進行擠壓而形成擠壓件22。擠壓通常包括通過具有開口的模具對大塊金屬(通常被稱為坯料)施加壓力，所述開口具有擠壓部件的期望截面形狀。擠壓工藝可包括直接或間接擠壓。可加熱坯料以允許金屬更容易地變形。例如，在進行擠壓工藝之前，可將鋁坯料加熱到800-925°f的溫度。相應地，模具和模具開口確定擠壓部件的形狀和截面。在特徵32從擠壓開始到擠壓結束沿直線延伸的實施例中，模具可在擠壓期間保持在靜止位置。在特徵32圍繞擠壓件的周邊旋轉的實施例中，可在擠壓期間連續或者間歇地旋轉模具，以使特徵32或通道40旋轉。如果特徵32被設計為連續旋轉，則可連續旋轉模具。如果特徵32具有直線部分，則可使模具保持靜止來形成直線特徵部分。模具的旋轉速度可用於至少部分地控制所述特徵的角度(例如，其他因素保持不變時，更快的旋轉將產生更大的角度)。

特徵32的形狀、數量、間距或(對於膛線實施例而言的)角度可根據缸套和/或發動機缸體設計、生產參數和操作條件而改變。可改變這些參數以提供特定的缸孔間距以及母體金屬的特定最低水平的滲透和結合強度(例如，特徵之間的間距非常小可防止完全滲透)。通常，其他因素相同時，更大數量的特徵32可在缸套與發動機缸體之間提供更大的互鎖。對於膛線式缸套(rifledliners)，通過圍繞缸套周邊的更大角度的旋轉，通常可增大豎直互鎖。

如在此使用的，可測量特徵與縱向軸線的角度，使得0°的角度表示沒有旋轉(例如，諸如圖4至圖6中的直線特徵)，90°的角度表示完全旋轉。90°的角度對於擠壓缸套而言基本不可能。在至少一個實施例中，特徵32可圍繞在所述周邊旋轉，使得特徵與縱向軸線形成至少5°(例如，至少10°、20°或30°)的角度。在另一實施例中，特徵32可圍繞所述周邊旋轉，使得特徵與縱向軸線形成5°至89°(或者其中的子範圍，諸如5°至85°、10°至80°、15°至75°、20°至70°、25至65°、30至60°或40°至50°)的角度。通道40可以以與特徵32相同的角度旋轉。

參照圖8，在塗覆擠壓件22(例如，如上所述)之後，可將塗覆塗層的擠壓件22切割、分段或分成具有可以(例如，通過鑄入)插入缸孔12的尺寸的多個缸套14。圖8示出了特徵32是沿軸向的直線的實施例，然而，還可在具有旋轉特徵32的擠壓件22上執行分段。可將缸套14切成稍微長於它們的最終插入長度以允許精加工或其它最終機加工工藝。在至少一個實施例中，可將擠壓件22切割、分段或分成至少兩個缸套14，諸如至少4個、6個或8個缸套或更多。可使用任何適合的方法(諸如，切割(例如鋸切割)、車削(例如，使用車床)、雷射、水射流或其它機加工方法)將擠壓件22分離成多個缸套14。雖然示出並描述了在將擠壓件22切割成多個缸套14之前先對其進行塗覆，但還可以設想先將擠壓件22切割，然後對每個缸套14進行單獨地塗覆。然而，先對擠壓件22進行塗覆可提高效率並減少循環次數。對擠壓件22進行塗覆並將其分成多個缸套14可消除在切削操作期間在最終加工線或在鑄造車間熱噴塗缸體(例如，無缸套缸體)所需要的額外的工藝。它還提供更大的置信度以在將缸套鑄入到缸體之前均勻地將塗層塗覆至限定的工程規格。由於在費用、時間和機器工時方面，在工藝的結尾處廢棄不合規格的缸套比廢棄不合規格的發動機缸體花費少得多，因此可減少完工的發動機缸體的報廢率和報廢成本。

參照圖9a至圖11，可將氣缸套14鑄入到發動機缸體10中的氣缸孔12中。如上所述，發動機缸體10可以由任何適合的材料(諸如，鋁、鑄鐵、鎂或其合金)形成。在至少一個實施例中，發動機缸體10由鋁(例如，純鋁或鋁合金)形成。發動機缸體10可以是鑄造的發動機缸體。可使用任何適合的鑄造方法(諸如，壓鑄(例如，低壓壓鑄或高壓壓鑄)、永久模鑄造、砂型鑄造或其它)來鑄造發動機缸體10。這些鑄造方法是現有技術中已知，將不詳細描述。鑑於本公開，本領域中普通技術人員將能夠使用現有技術中已知的鑄造工藝來實現鑄入過程。

簡言之，壓鑄通常包括在壓力下迫使熔融金屬(例如，鋁)進入模具或模子中。高壓壓鑄可使用8巴(bar)或更大的壓力來迫使金屬進入到模具中。永久模鑄造通常包括使用模具和型芯。可將熔融金屬倒入模具中，或者可施加真空。在永久模鑄造中，模具被多次使用。在砂型鑄造中，通常將成品的複製品或圖案壓制到細砂混合物中。這樣形成用於傾倒金屬(例如，鋁)的模具。考慮到凝固和冷卻期間的收縮，複製品可以比待製造的零件大。

在發動機缸體10由鋁形成的實施例中，鋁可以是任何適合的鋁合金或組合物。可用作發動機缸體母體材料的合金的非限制性示例包括a319、a320、a356、a357、a359、a380、a383、a390或其它，或它們的變體/變型。所使用的合金可取決於鑄造類型(例如，砂鑄、壓鑄等)。母體鋁合金可以與缸套的(例如，2xxx系列)不同。如上所述，可將鋁製氣缸套14鑄入到發動機缸體10的氣缸孔12中。根據特定的鑄造工藝，可在引入熔融的鋁之前，將缸套14插入到合適的鑄造部件中。例如，在壓鑄中，氣缸套14可被包含為附加到形成氣缸孔12的型芯或作為形成氣缸孔12的型芯的一部分。

在將缸套14插入到模具中之後，可執行發動機缸體10的鑄造。鑄造過程的結果是，缸套14被合併(例如，鑄入)到發動機缸體10中。在鑄造過程期間，加熱的液體母體鋁接觸缸套14的外表面16。母體鋁的高溫可使外表面16熔化。該熔化可僅局限於缸套14的外表面16，使得壁厚20的大部分不受影響或不被熔化。在一個實施例中，外表面16的熔化可以是從外表面向裡的10至50μm，或其子範圍。例如，該熔化可以被限制為10至45μm、15至40μm、15至45μm或18至38μm。該熔化可發生在整個外表面16上，或者僅發生在外表面16的某些部分或一定百分比上。當母體鋁冷卻並固化時，其可因此形成與外表面16的熔融部分的冶金結合或分子結合。因此，與在鑄造後再(例如，通過過盈配合)插入缸套不同，鑄入式缸套14可形成僅能夠通過冶金分析來檢測的無縫冶金結合。這種冶金結合非常牢固並且可防止母體材料和缸套(例如，缸體和缸套)之間的任何相對移動。

如上所述，在將缸套14鑄入母體金屬中時，特徵32和因此形成的通道40可提高缸套14與母體金屬的粘結性或粘合性。例如，當將缸套14鑄入發動機缸體10時，母體金屬可流入到特徵32之間的通道40中，從而使缸套14和發動機缸體10機械地互鎖。可能並不是缸套的所有的外表面16都將熔化並形成所述冶金結合或分子結合，因此，母體金屬和缸套14由於特徵32引起的附加互鎖提供附加的粘結源或粘合源。

在特徵32圍繞缸套14的周邊(在一部分長度或整個長度上)旋轉的實施例中，母體材料與缸套14的附加互鎖可尤其有效。特徵32圍繞缸套14的周邊的旋轉可提供水平和豎直兩個方向的互鎖(例如，圍繞所述周邊以及沿軸向)。在鑄入過程期間中，如果在母體金屬與缸套14之間不存在、幾乎不存在或存在較少的完全冶金結合，豎直(軸向)方向的互鎖是有益的。通過在豎直方向上使母體金屬與特徵32互鎖，缸套14可豎向地/軸向地保持就位而不允許其在豎直方向上上下移動。由於特徵32平行於軸向對齊，因此，在具有沿軸向的直線特徵32的缸套14中可不存在豎直形式的互鎖。因此，即使在鑄造期間母體材料和缸套14之間存在不完全冶金結合，圍繞缸套14的周邊旋轉的所公開的特徵32防止或減少缸套14在豎向/軸向上的滑動。

參照圖9a和圖9b，缸套14的布置還可在鑄造過程中起作用。如圖9a和圖9b中所示，可將缸套14布置為使一個缸套的特徵32至少部分地嵌在另一缸套的通道40中。如圖9b的放大圖中所示，左缸套的特徵32可設置為與右缸套的通道40鄰近，或者嵌在右缸套的通道40中。示出的實施例包括具有沿缸套的長度圍繞缸套的周邊旋轉的特徵32的缸套14，然而，嵌入布置可用於具有特徵32的任意公開的缸套。例如，具有圖4至圖6中示出的特徵32的缸套可設置為使得特徵32鄰近相鄰缸套中的通道。

嵌入的缸套可具有若干益處。例如，嵌入可確保在鑄造過程期間在缸套之間具有充足的空間使母體金屬進行流動。通過迫使母體金屬在相鄰的缸套的特徵32與通道40之間(例如，以蛇形方式)迂迴前進或迂迴行進，還可進一步加強母體金屬與缸套之間的互鎖。還可在相鄰缸套之間提供更均勻的母體金屬厚度，代替兩個鄰近特徵32之間的相對小的厚度以及兩個鄰近通道40之間的相對大的厚度。然而，雖然示出的嵌入布置可能是有益的，但是所公開的缸套還可設置為任何布置。

參照圖10，示出了具有鑄入式缸套14的單個氣缸孔12的側部截面。缸孔壁46可具有勾勒出母體材料與缸套14的輪廓的界面表面48。如上所述，母體材料和缸套14可形成冶金結合或分子結合使得在缸孔壁46和缸套14的外表面16之間沒有間隙或空間。因此，界面表面48在沒有冶金分析(諸如，蝕刻、高倍顯微鏡、成分分析或能夠在兩種分子結合的材料之間進行辨別的其它技術)的情況下會是不可見的。

如上所述，在鑄造過程之前，缸套14可具有塗覆到其內表面18上的塗層50。因此，鑄入式缸套14可包括在其內表面18上的塗層50，塗層50可形成氣缸孔12的至少一部分的最內側表面。在至少一個實施例中，氣缸套14可以被包覆成型，使得發動機缸體10的母體材料在缸套14的外表面16上以及頂部52和底部54上包圍缸套14。母體材料可包圍缸套14的鋁和塗層50兩者。對缸套14進行包覆成型可進一步(例如，除了分子結合和/或特徵32之外)將缸套14鎖定或錨定在發動機缸體10內。

換言之，可使缸套14至少部分地凹入缸孔壁46內，使得缸孔壁46的一部分56在缸套14(例如，鋁和塗層)的頂部52和/或底部54上至少部分地延伸超過缸套14或懸伸到缸套14之外。在一個實施例中，缸孔壁46的一部分56在缸套14的頂部52和/或底部54完全延伸超過缸套14或懸伸到缸套14之外。例如，缸孔壁46的一部分56可以在缸套的頂部52和/或底部54上與塗層50齊平或基本齊平(例如，共面)，以形成氣缸孔12的最內側表面的至少一部分。

參照圖11，示出了具有帶有特徵32的鑄入式缸套14的發動機缸體12的橫剖面(例如，垂直於軸向)。與圖10中示出的側部截面類似，缸套14具有形成氣缸孔12的最內表面的塗層50。界面表面48從缸套14的外表面60勾勒母體材料58的輪廓。母體材料58可填充形成在特徵32之間的通道40。雖然特徵32被示出為矩形並沿軸向為直線，但是同樣將適於任意其他特徵形狀以及特徵32沿著缸套的圓周旋轉的實施例。

雖然上面描述了形成具有鑄入式缸套的發動機缸體的各個步驟，但圖12中示出了描述形成具有鑄入式缸套的發動機缸體的方法的示例的流程圖100。在步驟102中，可以擠壓出中空的長形擠壓件，其具有的長度為單個氣缸套的長度的數倍。如以上所述，擠壓件的內表面可為中空的圓筒，但擠壓件的外部形狀可以是非圓形的，並可包括沿軸向延伸的特徵。為了在擠壓件中形成軸向特徵，可使用具有對應的模具開口的模具。為了產生特徵圍繞缸套的圓周/周邊旋轉的擠壓件，可在擠壓工藝期間旋轉模具。模具的旋轉速率可根據特徵的期望角度、擠壓期間的衝壓力或其他參數而改變。在步驟104中，可將擠壓件車削或以其它方式機加工至預定的內徑(id)和外部形狀。例如，如果在擠壓件中形成有軸向特徵，則可所述特徵進行機加工以改變其形狀或者使他們在特定的公差之內。在某些實施例中，擠壓件公差可足夠嚴格而不需要步驟104。

在步驟106中，擠壓件的id可以是半粗切削的。這可包括從擠壓件的內徑去除材料以進一步精修id。可使用鏜削工藝、銑削工藝或其它材料去除方法執行這個步驟。在步驟108中，可對擠壓件的id進行粗糙化而為待塗覆的塗層做準備。對id進行粗糙化可允許塗層更好地結合到擠壓件(例如，通過增加塗層和id之間的機械互鎖)。在一個實施例中，該粗糙化可以是如上所述機械粗糙化。然而，還可使用其它粗糙化方法。

在步驟110中，可對擠壓件的內徑塗覆塗層。如上所述，塗層可以是例如使用熱噴塗工藝(諸如，等離子體噴塗或電弧噴塗(例如，ptwa))進行噴塗的。可以使用靜止的噴塗器同時擠壓件繞著噴塗器旋轉和/或噴塗器可旋轉來塗覆塗層。可使噴塗器或擠壓件在軸向方向上移動，以沿著擠壓件的長度的至少一部分(例如，長度的至少95％)塗覆id。為了控制塗層飛濺到擠壓件外，可使用物理護罩、空氣幕、空氣排氣管道或其它屏障。塗層可以是鋼塗層，並且可以將塗層直接塗覆到擠壓件的內徑(例如，沒有任何中間塗層)。

在步驟112中，可將塗有塗層的擠壓件分段、分割或切割成多個缸套。擠壓件的長度和從擠壓件切割出的缸套的長度可確定由每個擠壓件形成的缸套的數量。在至少一個實施例中，可從單個擠壓件切割出至少5個缸套。雖然示出了先將擠壓件進行塗覆然後進行分段，但還可以先對擠壓件進行分段然後再進行塗覆，然而，先對擠壓件進行塗覆可提供提高的效率。隨後，分段的缸套可準備被插入到模具/模子中。在一個實施例中，可以對缸套的內徑和/或端部進行精修。例如，在步驟110之後，塗層可能不是圓筒狀並且可能需要被加工以提高圓柱度。缸套的端部可能需要被加工，以將缸套的長度製成用於鑄造的規格或者對將插入到模具/模子型芯中的端部進行整形。對塗覆塗層的缸套進行的加工可取決於待執行的鑄造的類型(諸如，砂鑄或壓鑄等)並基於待執行的鑄造的類型而改變。

在步驟114中，可將塗有塗層的缸套轉移(例如，運送)到鑄造車間以被鑄入到發動機缸體中。在示出的實施例中，步驟102至步驟112是在不同於鑄造車間的地方被執行的，然而，某些步驟或全部步驟可在該鑄造車間發生。此外，步驟102至步驟112可發生在多個地方，使得額外的運送步驟可發生在這些步驟之間。在步驟116中，缸套的外表面可被準備用於鑄造。例如，可對缸套進行處理以從外表面去除氧化物，以便於鑄造並提高缸套和母體材料之間的結合。所述處理可包括化學處理(例如，溶劑)或機械處理(例如，拋光、研磨、噴砂)。

在步驟118中，可在缸套待鑄入的情況下鑄造發動機缸體。如上所述，可使用壓鑄(例如，高壓壓鑄(hpdc))、永久模鑄造或砂型鑄造來執行鑄造。可使用氣缸孔型芯或其它適合的方法來將缸套鑄入。在步驟120中，可執行切削操作。切削操作可包括將毛坯鑄件加工成半成品狀態並建立用於最終加工的基準。例如，切削步驟可建立氣缸孔中心。在步驟122和步驟124中，可執行粗鏜和精鏜操作以進一步精修發動機缸孔的內徑。雖然這些步驟被描述為鏜削，但還可使用其它材料去除工藝(諸如，銑削)。粗鏜相比於精鏜可以使id增加更大量。在步驟126中，可執行珩磨操作以進一步精修並最終確定發動機缸孔的內徑。珩磨步驟可包括多個珩磨操作(諸如，粗珩磨和精珩磨)。步驟120至步驟126可以與在鑄鐵缸套上執行的步驟相同或類似。因此，所公開的工藝能夠被併入或引入到現有的製造工藝中，而無需完全革新目前使用的設備或後處理步驟。這可允許以具有成本效益和時間效益的方式來實施所公開的工藝。

所公開的形成具有鑄入式缸套的發動機缸體的方法和由此形成的發動機缸體具有優於傳統的發動機缸體的多個優點和益處。與在鑄造之後塗覆塗層的發動機缸體不同，所公開的方法省去了若干步驟並簡化其它步驟。例如，省去了遮蓋發動機缸體的某些部分以防止塗層過噴的步驟和移除遮蓋材料的步驟。除了過噴之外，還可能存在來自正常機加工過程的汙染。可執行缸體的高壓力清洗來減少或消除該汙染，這會在附加設備或周期時間方面增加成本。公開的擠壓缸套可在插入缸體中之前進行噴塗或機加工，可減少在組裝或使用之前能夠進入缸體的汙染的量。

此外，為了塗覆鑄造缸體的缸孔，必須使噴塗器或整個發動機缸體繞著缸孔軸線旋轉。旋轉噴塗器或旋轉又大又重的發動機缸體給塗覆工藝增加了額外的複雜性和難度。在所公開的方法中，可使中空的擠壓件圍繞靜止的噴塗器旋轉。除了簡化工藝之外，這還可允許單個噴塗裝置使用多個不同的擠壓件直徑和長度。其他益處可包括及早檢測潛在缺陷。如果在傳統的熱噴塗無缸套缸體中沒有實現結合，塗層會與缸孔分開。在這種情況下，必須將塗層碾出、對缸孔進行再準備、噴塗和機加工。如果不能進行這些步驟中的一個或更多個，則必須報廢整個缸體。通過公開的擠壓出的並進行塗覆的缸套，能夠在將缸套鑄入缸體中之前檢測任何分離或缺陷。此外，公開的擠壓缸套可以以預塗覆和充分粗加工的狀態到達發動機缸體鑄造車間。因此，在組裝車間，可僅僅需要進行最終機加工(例如，最終珩磨)。這可減少組裝車間所需設備的數量，並且結果是使周期時間更短、減少成本。

所公開的方法和發動機缸體還具有優於鑄入式鐵製缸套或者在鑄造後再(例如，通過過盈配合)插入的缸套的優點。相比於鑄鐵缸套，所公開的方法和發動機缸體中的2xxx系列鋁製缸套可具有較低的密度、較高的uts、較高的疲勞強度和較高的熱導率。由於鑄入式鋁製缸套和母體鋁之間的分子、無間隙結合，減少或消除了發動機缸孔周圍的冷卻路徑中的洩漏。無縫缸套和發動機缸孔在缸孔的周邊周圍還具有非常均勻的機械性能，允許缸套除了作為耐磨表面(缸套的傳統目的)之外還分配機械載荷。緊密結合的鋁製缸套和母體鋁材料還具有非常相似的熱膨脹性能。

所公開的缸套具有紋理化/粗糙化的外表面和/或沿軸向延伸的特徵，進一步提高了缸套與鑄造發動機缸體的母體材料之間的結合。所述特徵可提供附加的機械互鎖，以防止或減少缸套和母體金屬之間的運動。沿軸向圍繞缸套的周邊旋轉的特徵可在豎直和水平兩個方向上提供互鎖，從而即使在缸套與母體金屬之間存在不完全冶金結合，也防止或減少缸套在任一方向上的運動。

雖然以上描述了示例性實施例，但並不意味著這些實施例描述了本發明的所有可能的形式。更確切地，說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，並且可以理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種改變。此外，各個實施的實施例的特徵可以組合以形成本發明的進一步的實施例。