用于内燃机的气缸盖的生产方法与流程

用于内燃机的气缸盖的生产方法
1.相关领域的交叉引用
2.本技术要求2020年6月17日提交的意大利专利申请第102020000014458号的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种用于内燃机的气缸盖的生产方法。


背景技术：

4.内燃机通常包括发动机缸体，其中具有多个气缸，每个气缸都设置有相应的燃烧室和相应的活塞，活塞机械地连接至曲轴，从而向曲轴传递燃烧所产生的力。发动机缸体设置有至少一个气缸盖，其构成了气缸的顶部(即，气缸的上部闭合件)并且被设计为容纳进气阀和排气阀以及对应的控制装置(即，回位弹簧和凸轮轴)。
5.气缸盖目前由钢制成(在没有必要减重的情况下)或由轻质铝合金制成(在要求更小的重量的高性能发动机的情况下)。
6.可使用不同的技术来制造轻质铝合金制成的半成品气缸盖：传统的方案(例如，如专利申请wo2005084851a1、de102009021471a1、us2008017346a1和de102014204859a1中所述)是熔炼工艺，例如使用重力系统的铸造工艺或低温下的铸造工艺(可以是压铸或砂型铸造)，但是目前还推荐增材制造作为一种可行的方案，因为去允许制造商获得特别复杂和轻量化的内部几何结构(即，具有特别薄的壁厚度)。
7.然而，事实证明使用增材制造来制造轻质铝合金制成的半成品气缸盖是不令人满意的，原因在于气缸盖的较大尺寸导致的较长制造时间(因此导致较高的制造成本)，并且特别是在于气缸盖的较小的机械抗性会在火焰板附近的区域中发生破裂。
8.专利申请wo2014165734a1描述了一种内燃机活塞的生产方法，该活塞包括两个零件，它们通过连接件彼此接合并且一个通过铸造或锻造来制造而另一个通过增材制造工艺来制造。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种用于内燃机的气缸盖的生产方法，其允许制造商制造轻量化的且同时具有足够抗性(尤其是在火焰板的区域中)的气缸盖。
10.根据本发明，提供了一种用于内燃机的气缸盖的生产方法，该生产方法包括以下步骤：
11.将气缸盖分为具有构成每个气缸的顶部的火焰板的主体部以及具有阀控制装置的壳体的操作部；
12.首先在模具中通过铸造工艺来制造气缸盖的单独的主体部；
13.然后通过从气缸盖的先前制造的主体部开始进行逐层叠加的增材制造来制造气缸盖的操作部。
14.所附的权利要求描述了本发明的优选实施方式并且形成了本说明书的组成部分。
附图说明
15.现在将参照示出了本发明的非限制性实施方式的附图来描述本发明，其中：
16.图1是根据本发明的内燃机的气缸盖的示意性立体图；
17.图2是图1的气缸盖的示意性立体分解图；并且
18.图3是用于制造图1的气缸盖的生产单元的示意图。
具体实施方式
19.在图1中，附图标记1整体表示内燃机的气缸盖。
20.气缸盖1构成了内燃机的气缸的顶部(即，气缸的上部闭合件)并因此具有构成每个气缸的顶部的火焰板；此外，气缸盖1被设计为容纳进气阀和排气阀以及对应的控制装置(即，回位弹簧和凸轮轴)，因此在气缸盖1中具有进气阀和排气阀的壳体以及阀控制装置的壳体。
21.根据图2，在初始步骤中(即，在设计阶段期间)，气缸盖1被分为具有构成每个气缸的顶部的火焰板的主体部2以及具有阀控制装置的壳体的操作部3。在气缸盖1中，这两个部分2和3彼此以永久且不可分离的方式彼此连接，即，这两个部分2和3在不对气缸盖1进行破坏和切割的情况下不能分离。
22.在气缸盖1的主体部2中具有燃烧室的区域，在该区域中，在机械加工之后，最终的表面将会面对燃烧发生之处的区域；因此，所要求的材料在局部上表现出的机械和应力抗性应非常高。
23.在气缸盖1的操作部3中具有凸轮轴的区域，该区域中的部件设计通常包括空腔以及具有特定形状的回路，这对于润滑和冷却回路来说是必要的；因此，在气缸盖1的操作部3中，必要的特征基本上是轻量化和几何复杂性。
24.在图3中，附图标记4整体表示被设计为生产气缸盖1的生产厂。
25.生产厂1包括设置有铸造台(即，压铸机)的铸造站s1，该铸造台包括模具5，该模具可以被打开并且负向地重现出气缸盖1的单独的主体部2的形状。在铸造站s1中，气缸盖单独的主体部2通过铸造工艺来制造，例如模具5中的重力或低压铸造；即，供应设备向模具5中供应预定量的熔融金属，其通过在模具5中硬化而形成气缸盖1的主体部2。随后，在熔融金属硬化之后，模具5被打开从而将半成品状态的气缸盖1的主体部2移除。在从模具5中取出半成品状态的气缸盖1的主体部2之后，去除多余的部分(即，铸造工艺的剩余物，例如冒口和毛刺)。
26.生产厂1包括设置有工业炉9的处理站s2，其中气缸盖1的主体部2经受热淬火和时效处理(在下文所述的开始通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之前)。
27.生产厂1包括加工和安装站s3，其中半成品状态的气缸盖1的主体部2通过机床6进行机械加工(该机械加工在处理站s2中的热处理之后进行)；特别地，首先，主体部2的下表面7(如图2所示)通过机械式去毛刺机加工进行整平，从而允许下表面7获得预定的表面粗糙度，随后主体部2的上表面8(如图2所示，其与下表面7平行且相对)通过机械式去毛刺机加工进行整平，从而允许上表面8获得预定的表面粗糙度。
28.在开始下文所述的通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之前，主体部2的下表面7通过机械式去毛刺机加工(例如，通过铣削)进行整平，从而允许下表面7获得相对较小的预定的表面粗糙度。
29.根据一个优选实施方式，在主体部2的机械加工期间，加工和安装站s3允许在主体部2中获得几何参照物(例如，穿过主体部2的下表面7的孔或螺纹孔)。
30.在主体部2的下表面7的加工(包括形成几何参照物)完成后，气缸盖1的主体部2就耦合至经调节的支撑板10，该支撑板构成用于后续的增材制造的位置参照物；即，气缸盖1的主体部2在支撑板10上被放置和约束在预定的位置中。显然，主体部2的下表面7与支撑板10直接接触，因此主体部2的下表面7优选应该是平整的(归因于先前进行的机械加工)，从而使主体部2与支撑板10之间的耦合更稳定。根据一个可行的实施方式，支撑板10具有撞击体，它们竖直地从支撑板10突出并且被设计为与气缸盖1的主体部2中可用的对应的空腔(与先前形成的几何参照物一致或不一致)进行接合(即，所述空腔尤其是可以被制造为用于耦合至支撑板10或者可以自然地存在于主体部2中)；以这种方式，确保了主体部2与支撑板10之间的更好的且更稳定的耦合。
31.主体部2中获得的(特别是穿过主体部2的下表面7的)几何参照物对主体部2与支撑板10的耦合进行了帮助和改进(使其更精确)。
32.在主体部2被固定在支撑板10上后并且在开始下文所述的通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之前，主体部2的上表面8通过机械式去毛刺机加工(例如，通过铣削)进行整平，从而允许上表面8获得预定的表面粗糙度，该表面粗糙度可以是较小的或者并非过小，以提高气缸盖1的操作部3的后续的粘附性。即，总的来说，上表面8的表面粗糙度大于下表面7的表面粗糙度，因为下表面7应牢固地附着在支撑板10上，而气缸盖1的操作部3应通过增材制造被打印在上表面8上。
33.换句话说，在主体部2的下表面7的加工与主体部2的上表面8的加工之间，通过将主体部2的下表面7放置在支撑板10上而使主体部2固定在支撑板10上。根据一个不同的实施方式，主体部2的下表面7的加工和主体部2的上表面8的加工都在通过将主体部2的下表面7放置在支撑板10上而使主体部2固定在支撑板10上之前进行(显然，对于后续通过增材制造进行的打印工艺来说需要确保合适的平整度)。
34.生产厂1包括设置有三维扫描仪11的测量站s4，该三维扫描仪(在开始下文所述的通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之前)执行主体部2(其被固定在支撑板10上)的三维扫描，以获得主体部2的实际三维轮廓；即，由于三维扫描，主体部2的实际尺寸和形状可以是重建的构造公差净值。操作部3的设计优选针对主体部2的实际三维轮廓来调节(例如，加热和/或变形)；显然，调节是受到限制的并且调节量小于几毫米，但是这些调节无论如何后续都实现了气缸盖1的主体部2与气缸盖1的操作部3之间几乎完美的耦合。
35.生产厂1包括填充站s5，其中主体部2(其被固定在支撑板10上)被插入到杯形容器12中，该容器在顶部打开并且具有(基本上)平行六面体状的形状；支撑板10优选构成了容器12的基部(在底部界定容器12)，即，通过将支撑板10耦合至四个竖直侧壁来获得容器12。容器12的尺寸被设置为在内部小间隙地容纳主体部2，即，尝试使插入主体部2后容器12内部留存的空白容积最小化。在开始下文所述的通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之后和之前，在主体部2的上表面8中打开的所有的孔或空腔都使用金属粉末13进行填充，该金
属粉末与将用于后续的增材制造的金属粉末13相同；容器12的功能是横向地容纳用于填充主体部2的上表面8中打开的所有孔或空腔的金属粉末13。
36.基本上，仅在填充站s5的外侧具有粉末床13(与主体部2的上表面8平齐)，在该粉末床上可以通过增材制造进行逐层沉积。
37.根据一个可行的实施方式，可以在受控的(改性的)气氛中进行填充站中的粉末13的填充，其中用惰性气体(例如，氩气)替代空气。
38.生产厂1包括具有增材制造机14的增材制造站s6，该增材制造机根据称为pbf(“粉末床融合”)的增材制造工艺来操作，因此使用热能来熔化先前沉积的金属粉末层13中的特定的点；特别地，激光源产生的热能熔化金属粉末13，该金属粉末通过冷却而固化，并借助于此制造操作部3的每个部分。因此，操作部3的制造从层设计开始，通过逐层重复的工艺来获得最终形状。在一个层(水平)融合之后，容纳支撑板10的构建平台降低，刮刀(recoater)沉积一层新的金属粉末13并且重复该程序。
39.气缸盖1的主体部2(其被固定在支撑板10上、容纳在容器12中并且填充有粉末13)被插入到增材制造机14中，从而通过从气缸盖1的先前制造的主体部2开始逐层叠加金属粉末13的增材制造来制造气缸盖1的操作部3；即，气缸盖1的操作部3直接在主体部2(其在先前已通过铸造制成)的顶部逐层地构建。在这方面，应指出的是称为pbf的增材制造不能将粉末层13添加到空隙上，因此在主体部2的上表面8中打开的所有的孔和空腔都在之前使用金属粉末13暂时填充：以这种方式，主体部2(暂时地)具有实心且平整的表面，在该表面中可以逐层地构建气缸盖1的操作部3。
40.容器12可以包括填充元件，其从支撑板10或侧壁突出(即，朝向容器12的内部突出)并且负向地重现出气缸盖1的主体部2的外部形状，从而减少填充容器12所需的粉末13的量(最理想的情况是在开始增材制造工艺之前完全避免用金属粉末13进行填充)。这些填充元件(其被安装在支撑板10上或容器12的侧壁上)还可以是可动的(在单一的方向上移动或在彼此垂直的不同的方向上移动)，从而靠近或远离设置在容器12内的气缸盖1的主体部2；填充元件的运动的作用是既允许主体部2被插入到容器12中或从其中移除(即，填充元件远离，以形成使主体部2移动所需的“操纵空间”)，而且还能够补偿主体部2的构造公差(即，适配与常规尺寸相比略微更大或更小的主体部2)。
41.应指出的是，气缸盖1的主体部2可以被设计为避免(或至少限制)上表面8中打开的孔或空腔的存在，从而简化操作部3的后续构建。
42.在附图所示的优选的但非限制性的实施方式中，使用了要求使用金属粉末13的称为pbf的增材制造工艺；根据其他的实施方式，也可以使用不要求使用和提供技术粉末13的其他的增材制造工艺，例如称为bim(“粘合剂注射成型”)的增材制造工艺、称为mim(“金属注射成型”)的增材制造工艺或者称为lc(“激光熔覆”)的增材制造工艺。显然，由于不再使用称为pbf的增材制造工艺，就不再需要提供容器12和金属粉末13(因此不再需要提供填充站s5和清洁站s7)。
43.生产厂1包括设置有清洁机15的清洁站s7：在操作部3的制造完成后，气缸盖1完工、从容器12中取出、从支撑板10上移除并且被插入到清洁机15中进行清洁，特别是移除为了打印操作部3而沉积的粉末13并且移除先前用于暂时封闭主体部2的上表面8中打开的所有孔或空腔的粉末13。清洁机15使用抽吸来去除粉末13，但是其也可以通过喷砂、超声波或
化学清洗来执行气缸盖1的最终清洁。显然，在执行气缸盖1的清洁(喷砂)之前应(手动地或自动地)去除可能的打印支架。
44.生产厂1还可包括设置有工业炉16的处理站s8，气缸盖1(其现在完整地具有部分2和3)在该工业炉中经受去应力退火热处理。
45.在(可能的)处理站s8之后，气缸盖1准备好进行不同的质量控制以及获得最终产品所需的后续的机械加工。
46.根据一个可行的实施方式，在开始通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之前(并且特别是紧接着填充站之前，即，将粉末13添加至主体部2之前)，可以对主体部2的上表面8进行脱氧，即进行化学处理来从主体部2的上表面8上去除所有表面氧化物。主体部2的上表面8的这种脱氧的目的在于提高操作部3的初始的层对主体部2的上表面8的粘附性。
47.根据一个可行的实施方式，在开始通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3之前(并且特别是在主体部2已经位于增材制造机14内部时)，可以例如使用红外灯来对主体部2的上表面8进行加热；主体部2的上表面8的这种加热的目的在于提高操作部3的初始的层对主体部2的上表面8的粘附性。
48.根据一个可行的实施方式，使用第一金属合金(通常是铝基合金，例如a354或a356合金)通过重力铸造来制造气缸盖1的主体部2，并且使用第二金属合金(通常是铝基合金，例如a6061、alsi9cu3或alsi10mg合金)通过增材制造来制造气缸盖1的操作部3，该第二金属合金与第一金属合金不同并且与第一金属合金相容(即，能够牢固地附着在第一金属合金上并且在使用中具有与第一金属合金相同的热膨胀性)。以这种方式，每种金属合金都可以针对其将在使用中经受的应力被优化；事实上，气缸盖1的主体部2在使用中经受来自于气缸中发生的燃烧的较大的机械和热应力(气缸盖1的主体部2由于其包括火焰板而构成了气缸的顶部)，而气缸盖1的操作部3在使用中经受小得多的机械和热应力。
49.根据一个不同的实施方式，气缸盖1的部分2和3通过相同的金属合金制成(通常是铝基合金)。
50.本文所述的实施方式可以彼此结合，但不会由此而超出本发明的保护范围。
51.上述的生产方法具有不同的优点。
52.首先，上述的生产方法允许制造商获得十分轻量化且同时抗性很强的气缸盖1。这是因为气缸盖1的主体部2通过传统的铸造工艺来制造，这确保了较高的抗性(此外，气缸盖1的主体部2不会特别受益于通过增材制造来制造，因为由于其必须抵抗较大的机械和热应力，其需要具有较厚的壁部和不太复杂的几何形状)，而气缸盖1的操作部3通过增材制造来制造，这允许具有十分复杂的几何形状并且为了最大程度上轻量化而具有较小的厚度。
53.此外，使用铸造工艺来制造比常规情况小得多的零件(即，气缸盖1的单独的主体部2，其大约稍大于气缸盖1的总体积的一半)在气缸盖的主体部2中产生了比常规情况高得多的机械抗性；事实上，通过减少要送入到模具5中的熔融金属的量，减少了固化时间，因此增大了最终的机械抗性。
54.换句话说，上述的生产方法将两种生产技术(铸造和增材制造)的优点(即，强项)更好地结合在一起，消除了这两种生产技术的不足(即，弱点)。
55.事实上，铸造是用于制造气缸盖1的主体部2的理想的生产技术，因为其即使在高温下也确保了较高的机械特征值。另一方面，增材制造是用于制造气缸盖1的操作部3的理
想的生产技术，因为其确保了与传统设计相比的复杂且轻质的几何形状以及针对厚度十分受限且难以获得的不同的核心来铸造壁部；此外，为了在铸造工艺期间获得这些几何形状，需要进行称为“模具制造”和“核心组装”的复杂且难以控制的操作，即，通过设备填充和取出砂型的操作，这些砂型随后进行组装来获得所需形状的“负形”。
56.此外，通过增材制造(其是慢速的生产技术，要制造的零件越大，该技术越慢)来制造气缸盖1的单独的操作部3，与单独铸造进行的生产相比生产气缸盖1需要更长的时间，但是这种时间不会过长。
57.通过增材制造制成的操作部3优选在最初以使得打印工艺轻量化和优化的目的进行设计(所谓的“针对增材制造来设计”)，因此减少了打印时间，减轻了产品整体的重量，并且优化了生产工艺。事实上，通过基于增材制造来设计操作部3，能够从一开始就尽可能地减少打印工艺所需的构成缺失的熔融粉末的支架(即，产品清洁阶段期间丢弃和去除的材料)。
58.最后，可以简单且经济地实施上述的生产方法，因为其仅使用商业化的生产和加工技术。
59.附图标记列表
60.1 气缸盖
61.2 主体部
62.3 操作部
63.4 生产厂
64.5 模具
65.6 机床
66.7 下表面
67.8 上表面
68.9 工业炉
69.10 支撑板
70.11 三维扫描
71.12 容器
72.13 粉末
73.14 增材制造机
74.15 清洁机
75.16 工业炉
76.s1 铸造站
77.s2 处理站
78.s3 加工和安装站
79.s4 测量站
80.s5 填充站
81.s6 增材制造站
82.s7 清洁站
83.s8 处理站