套頭環(huán)槽上具有層的氣缸套的制作方法
【專利摘要】一種用于發(fā)動機(10)的氣缸套(12)包括中空圓柱形套筒，該中空圓柱形套筒包括內(nèi)表面(22)和外表面(24)，其沿著縱向軸線(20)從第一端延伸到第二端。氣缸套還可以包括在靠近第一端的內(nèi)表面上的環(huán)形套頭環(huán)槽(48)，其具有弧形圓角區(qū)域(48a)。氣缸套還可以包括形成在套筒內(nèi)表面上的硬化層(40)。所述層在套頭環(huán)槽的圓角區(qū)域的基部下方延伸。
【專利說明】套頭環(huán)槽上具有層的氣缸套
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體涉及一種內(nèi)燃機的氣缸套，更具體地，涉及一種在至少一部分套頭環(huán)槽上具有層(case)的氣缸套。
【背景技術】
[0002]內(nèi)燃機，比如柴油機或汽油機，包括限定多個氣缸孔的氣缸體?；钊跉飧卓變?nèi)往復運動，產(chǎn)生機械功率。典型地，每個氣缸孔包括可更換的氣缸套。氣缸套包括配合在氣缸孔內(nèi)的圓柱形套筒。氣缸套也可以包括在它的頂端處的徑向凸緣，其在發(fā)動機缸體上支撐套。氣缸套的內(nèi)表面(稱為工作表面)用作活塞環(huán)的滑動表面。由于發(fā)動機運行期間活塞環(huán)在工作表面上滑動，氣缸套可能隨著時間的流逝而磨損。當氣缸套磨損不利地影響發(fā)動機性能時，氣缸套可能被新的或者整修的氣缸套替換。
[0003]通常，氣缸套可以由鋼或者鑄鐵制成。鋼和鑄鐵都主要是鐵，帶有碳作為主合金元素。鋼包括少于2% (通常少于1%)的碳，而鑄鐵包括超過2%的碳。由于2%是鐵能固化為單相合金的大致最大碳含量，因此鑄鐵固化為在它們的微觀結(jié)構(gòu)中帶有碳(為石墨)的多相合金。鑄鐵中的石墨用作潤滑劑，并且提供了在氣缸套應用中的耐磨性。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)中石墨的形態(tài)，鑄鐵可以分類為灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵或者球墨鑄鐵。在灰鑄鐵(或者片石墨鑄鐵)中，石墨以片狀形式存在。在球墨鑄鐵(ductile iron或nodular iron)中，石墨以小球形式存在。具有球形狀的石墨使得球墨鑄鐵相對于灰鑄鐵具有提高的剛度、強度和抗沖擊性。因此，在要求較高的強度的應用中，氣缸套可以由球墨鑄鐵制造。為了增加氣缸套的耐磨性，氣缸套的工作表面可以通過感應淬火硬化。
[0004]在發(fā)動機缸體中安裝氣缸套期間，以及在發(fā)動機運行期間，可能導致氣缸套中的高應力。這些應力可能在靠近支撐發(fā)動機缸體上的氣缸套的凸緣的基部或者根部尤其高。因為所導致的這些高應力，靠近凸緣根部的區(qū)域容易疲勞失效。因此，可能在氣缸套上執(zhí)行各種加強操作，以增加氣缸套在這個關鍵區(qū)域中的強度。美國專利N0.6，732，699 (專利’ 699)公開了一種具有徑向上部凸緣的鑄鐵氣缸套，徑向上部凸緣包括形成在氣缸套的凸緣和外表面之間的連接處的弓形圓角。在專利’699的氣缸套中，臨近弓形圓角(即凸緣根部)的部分材料被激光硬化，以增加這個區(qū)域中材料的抗疲勞強度。雖然激光硬化凸緣根部可以增加氣缸套的疲勞壽命，這個方法可能不適合一些應用。例如，執(zhí)行后處理過程，比如激光硬化，可能增加氣缸套的成本。另外，在一些應用中，氣缸套的潛在失效引發(fā)位置對于激光硬化而言可能不容易達到。
[0005]本發(fā)明關注克服現(xiàn)有技術中這些或其它缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一方面,公開了一種用于發(fā)動機的氣缸套。氣缸套可以包括具有內(nèi)表面和外表面的中空圓柱形套筒，其沿著縱向軸線從第一端延伸到第二端。氣缸套還可以包括在靠近第一端的內(nèi)表面上的環(huán)形套頭環(huán)槽，其具有弧形圓角區(qū)域。氣缸套還可以包括形成在套筒內(nèi)表面上的硬化層。所述層可以在套頭環(huán)槽的圓角區(qū)域的基部下方延伸。
[0007]在另一方面，公開了一種制造氣缸套的方法。所述方法可以包括制造中空圓柱形套筒，中空圓柱形套筒包括內(nèi)表面和外表面，其沿著縱向軸線從第一端延伸到第二端。所述方法還可以包括在套筒的內(nèi)表面上形成硬化層，使得靠近第一端的層的厚度大于在內(nèi)表面的其它區(qū)域上的層的厚度。所述方法還可以包括在套筒的靠近第一端的內(nèi)表面上加工套頭環(huán)槽，使得在加工后，在套頭環(huán)槽的基部上保留至少部分所述層。
[0008]在又一方面，公開了一種發(fā)動機。發(fā)動機可以包括發(fā)動機缸體，發(fā)動機缸體包括一個或多個氣缸孔以及定位于至少一個氣缸孔中的氣缸套。氣缸套可以包括具有沿著縱向軸線從第一端延伸到第二端的內(nèi)工作表面的中空圓柱形套筒、以及從第一端朝向第二端延伸的環(huán)形套頭環(huán)槽。發(fā)動機還可以包括通過表面硬化形成在工作表面上的硬化層。所述層可以在至少部分套頭環(huán)槽下方延伸。發(fā)動機還可以包括位于套頭環(huán)槽中的防磨環(huán)或者套頭環(huán)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是具有氣缸套12的部分發(fā)動機10的橫斷面視圖；
[0010]圖2A是現(xiàn)有技術氣缸套12的一部分的橫斷面視圖；
[0011]圖2B是圖2A的現(xiàn)有技術氣缸套的套頭環(huán)槽的圓角區(qū)域的放大圖；
[0012]圖3是圖1的部分氣缸套的橫斷面視圖；以及
[0013]圖4是示出了制造圖3中氣缸套的示例方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014]圖1是具有氣缸套12(“套12”)的部分發(fā)動機10的橫斷面視圖。發(fā)動機10包括具有活塞孔16的發(fā)動機缸體14。套12能夠可移除地安裝在活塞孔16中。套12具有沿著縱向軸線20延伸的中空的大致圓柱形主體，其包括內(nèi)工作表面22和外表面24。套12還包括從套12的頂端徑向延伸的環(huán)形凸緣32。凸緣32的外表面與形成在發(fā)動機缸體14中的環(huán)形階梯狀安裝表面匹配。雖然這里示出了套12由凸緣32支撐在發(fā)動機缸體14上，但是套12也可以通過其它方法支撐在發(fā)動機缸體14上。例如，在一些實施例中，套12可以壓配合在孔16中。在這些實施例中，套12可以不包括凸緣32。固定到發(fā)動機缸體14的氣缸蓋34封住發(fā)動機10在孔16內(nèi)的燃燒室。燃燒室被套12的工作表面22界定側(cè)面。在發(fā)動機10運行期間，發(fā)生在燃燒室中的燃燒加熱套12。發(fā)動機缸體14可以包括水套腔18，其沿著外表面24循環(huán)水以冷卻套12。在一些實施例中，套可以通過其它方法冷卻。
[0015]套12可以由任何類型的鋼或者鑄鐵制成。在一些實施例中，套12可以由球墨鑄鐵制成。還可想到，在一些實施例中，套12可以由鋼或者其他類型的鑄鐵制成，比如灰鑄鐵或者蠕墨鑄鐵。在一些具有鋼套的實施例中，如共同未決的美國申請N0.13 / 036,249中描述的，鋼的形成片狀珠光體的退火步驟可以被正火熱處理步驟替代。美國申請N0.13 /036，249的說明書的全部內(nèi)容通過弓I用結(jié)合入本申請中。
[0016]如現(xiàn)有技術所知，活塞26可以在活塞孔16內(nèi)在接近套頂部的上止點(TDC)位置和接近套12底部的下止點(BDC)位置之間往復運動。當活塞26往復運動時，(活塞26的)活塞環(huán)36在套12的工作表面22上滑動。由于活塞環(huán)36在工作表面22上重復滑動，工作表面22可能遭受磨料磨損。為了提高工作表面22的耐磨性，工作表面22可以包括硬化殼或者層40。層40是工作表面22的表面區(qū)域，在該表面區(qū)域中套材料的晶體結(jié)構(gòu)通過熱量應用而基本上轉(zhuǎn)化為馬氏體。層40可以通過任何表面硬化工藝形成，例如，火焰淬火、感應淬火、激光淬火或者任何其它已知的表面硬化方法。
[0017]為了形成層40，套12的工作表面22被加熱到高溫，并且然后迅速冷卻以產(chǎn)生包含在所述表面上基本上是馬氏體的“層”。如現(xiàn)有技術所知，當鐵合金(鋼、鑄鐵等)被加熱到合金的奧氏體范圍內(nèi)的溫度且保持在這個溫度足夠的時間時，鐵合金的晶體結(jié)構(gòu)改變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)。當隨后合金淬火(或者迅速冷卻)時，碳原子沒有時間擴散出晶體結(jié)構(gòu)并且形成馬氏體。在冷卻期間當奧氏體達到馬氏體開始溫度時，開始向馬氏體轉(zhuǎn)換，并且在馬氏體結(jié)束溫度時終止。馬氏體是晶體結(jié)構(gòu)，堅硬且耐磨損。因此，層40為工作表面22提供了耐磨性。
[0018]在一些實施例中，使用感應淬火工藝將工作表面22的表面上的一層材料轉(zhuǎn)化為層40。感應淬火使用電磁感應原理加熱套12的工作表面22。如現(xiàn)有技術所知，在感應淬火中，感應線圈掃描套12的內(nèi)部表面，以在工作表面22上應用交替磁場，從而加熱工作表面22并且在其上形成層40。通過改變掃描的參數(shù)(例如頻率、功率水平、掃描速度等)，所需深度的層40可以形成在工作表面22上。層40的深度可以通過改變頻率、功率水平或者線圈的掃描率而變化。雖然厚的層40可能似乎對于磨損壽命觀點是期望的，但是可能具有不期望的副作用。例如，增加層40的厚度可能要求增加套12的厚度。增加套12的厚度可能不期望地增加套12的重量。而且，較厚的層40可能對套中的應力有不期望的影響。因此，為了實現(xiàn)有益地增加磨損壽命并同時最小化不期望的副作用來選擇層40的厚度。雖然圖1示出的工作表面22具有在套12的基底材料12a上的一個不同層的層40，在一些實施例中，過渡層可以存在于基底材料12a和層40之間。
[0019]套12可以包括位于靠近TDC的套頭環(huán)槽48中的防磨環(huán)或者套頭環(huán)38。雖然套頭環(huán)槽48可以是任何形狀，在一些實施例中，套頭環(huán)槽48可以是從套筒的頂端延伸的階梯狀槽。套頭環(huán)38通過刮掉發(fā)動機10運行期間在活塞26頂部邊緣上沉積的一些燃燒產(chǎn)物，可以有助于減少套12的磨損。典型地，形成層40后，機械加工操作形成套頭環(huán)槽48。在形成套頭環(huán)槽48期間，弧形圓角區(qū)域48a(參見圖3)也可以形成在套頭環(huán)槽48的壁之間的連接處。由于套頭環(huán)槽48接近凸緣32，已知套頭環(huán)槽48的圓角區(qū)域48a是高應力區(qū)域，其可能是套12內(nèi)的疲勞裂縫引發(fā)位置。
[0020]圖2A示出了具有形成在其上的層140的現(xiàn)有技術套112的一部分的橫斷面視圖。典型的現(xiàn)有技術套112具有沿著套112的長度帶有恒定厚度“t”的層140。典型地，如圖2A所示，層140的厚度小于套112的套頭環(huán)槽148的深度“d”。因此，機械加工操作從套112的頂部完全移除層140，形成套頭環(huán)槽148。如圖2B所示，形成層140的感應淬火操作，在層140中引起殘余壓應力ο。。為了平衡這些壓應力σ。，在套112的下層基底材料112a中引起拉應力σ t。從套頭環(huán)槽148中移除層140減輕了這個區(qū)域中基底材料112a的拉應力σ to然而,套頭環(huán)槽148的圓角區(qū)域148a中的基底材料112a將依然承受殘余拉應力σ t，因為臨近圓角區(qū)域148a的區(qū)域中存在層140。已知殘余拉應力加速疲勞裂縫的引發(fā)和傳播，并且因此不期望殘余拉應力存在于易于疲勞失效的位置。
[0021]圖3示出了本發(fā)明的具有形成在其上的層40的示例氣缸套12的一部分的橫斷面視圖。層40的厚度沿著套12的長度變化。在與套頭環(huán)槽48相關的區(qū)域A中，層40可以具有厚度扒，并且在套12的區(qū)域B、C、D和E中，層40可以分別具有厚度tB、tc、tD、tE。雖然圖3示出了區(qū)域A覆蓋套頭環(huán)槽48的整個長度，但是可想到，在一些實施例中，區(qū)域A可以僅覆蓋圓角區(qū)域48a的基部，而不是套頭環(huán)槽48的整個長度。如之前解釋的，層40可以具有其中引起的壓應力σ。。因此，通過在圓角區(qū)域48a中具有層40，圓角區(qū)域48a暴露的表面上的殘余應力從(在現(xiàn)有技術套112中的)拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s。已知殘余壓應力延遲疲勞裂縫的引發(fā)和傳播。因此，圓角區(qū)域48a中的層40提高了套12的疲勞壽命。
[0022]雖然圖3中示出了五個不同區(qū)域A、B、C、D和E，但是套12的一些實施例可以包括不同數(shù)量(少或者多)的區(qū)域。例如，在一些實施例中，套12可以僅包括三個區(qū)域。在一些這種實施例中，在一些區(qū)域中的層40的厚度可以基本相同。例如，在一些實施例中，層40在區(qū)域C、D和E中的厚度可以基本相同(即，tc tD tE)。厚度tA、tB、tc> tD和tE可以具有提供足夠耐磨性同時最小化不期望的副作用的任意值。在一些實施例中，、可以在大約0.5和1.5mm之間，厚度tB可以在大約0.7和3.5mm之間，并且厚度tc、tD和^可以在大約0.7和1.8mm之間。在一些實施例中，tA可以在大約1.0和1.5mm之間，厚度tB可以在大約2.0和3.0mm之間，并且厚度tc、tjPtE可以在大約1.0和1.8mm之間。在一些其它實施例中，tA可以在大約1.1和1.3mm之間，厚度tB可以在大約2.0和2.5mm之間，并且厚度tc、tD和tE可以在大約1.4和1.8mm之間。雖然層40的厚度(tA、tB、tc、tD和tE)的任意值是可能的，并且位于本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是期望上述厚度提供足夠的耐磨性同時減少不期望的副作用。層40在區(qū)域中的厚度可以基本上是恒定的，或者可以在不同值之間變化。例如，在一些實施例中，層40在區(qū)域A中的厚度可以從大約0.5mm的最小值變化到1.5mm的最大值。
[0023]工業(yè)實用性
[0024]公開的氣缸套可以應用于期望增加氣缸套的疲勞壽命的任何應用中。通過表面硬化在氣缸套的工作表面上形成層。在具有套頭環(huán)槽的氣缸套的示例性實施例中，層在套頭環(huán)槽的圓角區(qū)域的基部下方延伸。為了在圓角區(qū)域的基部下方形成層，在一些實施例中，(相對于其它區(qū)域)較厚的層形成在氣缸套的套頭環(huán)槽將隨后形成的區(qū)域中。然后使用機械加工操作形成套頭環(huán)槽，同時在套頭環(huán)槽的圓角區(qū)域的基部保留至少部分層。然而，也可想到其它實施例，其中在機械加工套頭環(huán)槽之后形成圓角區(qū)域基部下方的層?，F(xiàn)在將描述制造公開的氣缸套的示例性方法。
[0025]圖4公開了制造本申請的氣缸套12的示例性方法。套12首先通過任何公知工藝制造(步驟100)。在一些實施例中，代替制造新套12，可以整修之前使用的套12。在這些實施例中，在發(fā)動機10中之前使用的套12可以被清潔，并且它的工作表面22準備好在其上應用層40。準備工作表面22可以包括去除油污和從工作表面22清除之前的層的殘留(如果有的話)。然后執(zhí)行表面硬化操作(例如感應淬火)，以將工作表面22上的表面層材料轉(zhuǎn)化成層40。與工作表面22的其它區(qū)域相比，較厚的層40形成在工作表面22的選擇區(qū)域中。在感應淬火形成層40的實施例中，通過改變感應淬火工藝的參數(shù)在選擇區(qū)域中形成較厚的層40 (步驟110)。例如，參考圖3，通過降低應用到這個區(qū)域的交替磁場頻率、增加應用到這個區(qū)域的磁場的功率水平、和/或降低這個區(qū)域中的感應線圈的掃描速度，在區(qū)域A中形成較厚的層40。 形成在區(qū)域A、B、C、D和E中具有期望深度的層40之后，通過一次或者多次機械加工操作形成套頭環(huán)槽48。這些機械加工操作可以包括任何已知的機械加工操作。在機械加工操作期間，一些層40從工作表面22的頂端移除，以形成套頭環(huán)槽48。然而，因為區(qū)域A中的較厚的層40，部分層40可以保留在套頭環(huán)槽48的至少圓角區(qū)域48a中(步驟120)。在實施例中，形成在套頭環(huán)槽48的整個長度中的層40的厚度大于套頭環(huán)槽48的深度d，部分層40將沿著套頭環(huán)槽48的整個長度被保留。然而，在僅在圓角區(qū)域48a中形成的層40的厚度大于套頭環(huán)槽48的深度d的實施例中，部分層40將僅保留在圓角區(qū)域48a的基部處。由于層40通過改變現(xiàn)有工藝步驟(即，沒有附加工藝步驟)形成在圓角區(qū)域48a中，減少了成本。在一些實施例中，除了(或者代替)在機械加工套頭環(huán)槽48之前形成在套12的區(qū)域A中的較厚層，比如激光或者火焰淬火工藝的工藝可以用于在機械加工套頭環(huán)槽48之后形成圓角區(qū)域48a中的層40。
[0026]使用公開的氣缸套12的示例性方法可以包括在發(fā)動機10上安裝具有在工作表面22上的層40的套12。套12可以包括新制造的或者整修的套12，套12具有至少在套12的套頭環(huán)槽48的圓角區(qū)域48a的基部的層40。然后套頭環(huán)38定位在套頭環(huán)槽48上，并且組裝發(fā)動機10。然后運行發(fā)動機10。由于圓角區(qū)域48a的基部處的殘余應力狀態(tài)是壓縮的，將延遲在這個區(qū)域中的疲勞裂縫的引發(fā)(如果有的話)。此外，如果在圓角區(qū)域48a中引發(fā)疲勞裂縫，這個區(qū)域中的殘余壓應力將減慢裂縫發(fā)展。因此提高了套12的疲勞壽命。
[0027]可以對公開的氣缸套進行各種修改和改變，對于本領域技術人員來說是可以想到的。考慮對公開的氣缸套的說明和實踐，其它實施例對于本領域技術人員來說是可以想到的。說明書和示例僅被認為是舉例，實際范圍將由所附權利要求和它們的等同物表明。
【權利要求】
1.一種用于發(fā)動機(10)的氣缸套(12),其包括: 中空圓柱形的套筒，其包括內(nèi)表面(22)和外表面(24)，并沿著縱向軸線(20)從第一端延伸到第二端； 環(huán)形的套頭環(huán)槽(48)，其位于靠近所述第一端的內(nèi)表面上并具有弧形的圓角區(qū)域(48a);以及 硬化的層(40)，其形成在所述套筒的內(nèi)表面上，所述層在所述套頭環(huán)槽的圓角區(qū)域的基部下方延伸。
2.如權利要求1所述的氣缸套，其中所述層基本上沿著所述套頭環(huán)槽的整個長度延伸。
3.如權利要求1所述的氣缸套，還包括環(huán)形凸緣(32)，所述環(huán)形凸緣從靠近所述第一端的外表面徑向向外延伸。
4.如權利要求1所述的氣缸套，其中所述層基本上沿著所述套筒的整個長度延伸。
5.如權利要求1所述的氣缸套，其中所述層在靠近所述套頭環(huán)槽的區(qū)域中的厚度大于所述層靠近所述第二端的厚度。
6.如權利要求1所述的氣缸套，其中所述層的厚度從靠近所述圓角區(qū)域的區(qū)域到所述套筒的第二端降低。
7.一種制造氣缸套(12)的方法，其包括: 制造中空圓柱形的套筒(步驟100)，所述套筒包括內(nèi)表面(22)和外表面(24)，所述套筒沿著縱向軸線(20)從第一端延伸到第二端； 在所述套筒的內(nèi)表面上形成硬化的層(40)(步驟110)，使得所述層的靠近所述第一端的厚度大于所述層在所述內(nèi)表面其它區(qū)域上的厚度；以及 在所述套筒的靠近所述第一端的內(nèi)表面上機械加工套頭環(huán)槽(48)(步驟120)，使得在機械加工后，在所述套頭環(huán)槽的基部上保留至少部分所述層。
8.如權利要求7所述的方法，其中制造中空圓柱形的套筒包括制造從所述第一端處的外表面徑向向外延伸的環(huán)形凸緣(32)。
9.如權利要求7所述的方法，其中形成層包括形成在靠近所述第一端是大約0.7和3.5mm之間的厚度并且在靠近所述第二端是大約0.7和1.8mm之間的厚度的層。
10.如權利要求9所述的方法，其中機械加工套頭環(huán)槽包括機械加工所述套頭環(huán)槽，使得一層大約0.5和1.5mm之間厚度的所述層保留在所述套頭環(huán)槽的基部上。
【文檔編號】F02F1/00GK103649507SQ201280026827
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年5月25日 優(yōu)先權日:2011年6月2日
【發(fā)明者】M·T·凱澤, J·W·吉, S·D·珀金, M·R·伯羅 申請人:卡特彼勒公司