生产用于内燃活塞式发动机的气缸盖的方法、内燃活塞式发动机的气缸盖坯料和气缸盖与流程

本发明涉及生产用于内燃活塞式发动机的气缸盖的方法。

本发明还涉及内燃活塞式发动机的气缸盖坯料和气缸盖。

背景技术：

在内燃发动机中，通过使用冷却流体在其中循环的不同种类的冷却孔或导管来保持足够的温度水平。特别地，气缸盖包括诸如冷却通道的多个流体通道，以便将操作温度保持于优选范围。然而，在燃烧处理期间温度水平一直有变化，因此，尤其是，冷却孔暴露于不同的操作条件。此外，冷却孔或通道在不同温度期间以不同流速和压力传递冷却流体。因此，冷却孔、通道等可暴露于腐蚀或裂纹开裂。在通道的中心部分中出现裂纹是极其不期望的。

自增强处理(autofrettagetreatment)已经被用于金属制品，以增加它们针对应力腐蚀开裂的耐久性和耐受力。在自增强处理中，将液压流体导入工件的通道等中，使其中的压力显著增加，从而在通道等的内壁中产生材料内应力。因此，在自增强处理中，内表面层发生塑性变形。更具体地，塑性变形是不可逆处理，而弹性变形是可逆处理。一般而言，工件的内表面或内层已经被拉伸超过弹性极限，使得一旦压力被释放，内表面层不返回其原始形状。因此，自增强处理增加了工件的疲劳强度。更具体地，经受塑性变形的工件的内表面层的疲劳强度增大。

us4571969a公开了通过向气缸的内部孔循环施加高压的厚壁气缸的自增强处理。提供循环压力级中的气缸构件的自增强处理，以在供应残余切向压应力的同时，限制气缸孔的塑性变形。

us2010154501a1公开了其中厚壁工件经受自增强处理的又一个自增强处理过程。工件定位在自增强处理设备中，并且工件的内部空间被填充流体，被闭合，以便形成压力密闭。通过将活塞移动到工件的内部空间中，使工件的内部空间中的流体可用的容积减小。工件的内部空间中的压力增大，以对工件的内部空间的内表面进行自增强处理。

本发明的目的是提供生产内燃活塞式发动机的气缸盖的方法，在该方法中，相比于现有技术方案，性能被大幅提高。

技术实现要素：

本发明的目的是通过一种生产内燃活塞式发动机的气缸盖的方法来满足的，该方法包括以下步骤：

-形成工件，所述工件将被完成，以变成所述气缸盖；

-形成第一腔室部分，所述第一腔室部分从所述工件的第一面部分延伸到所述工件内的预定距离，所述第一腔室部分具有第一端部和第二端部，并且所述第一端部是敞开端部而所述第二端部是闭合端部；

-密封所述第一腔室部分的所述第一端部，从而适于经受自增强处理过程；

-对所述第一腔室部分执行所述自增强处理过程；并且

-通过形成第二腔室部分，将所述第一腔室部分的所述闭合端部敞开，所述第二腔室部分从所述第一腔室部分的所述第二端部延伸到第二面部分，从而形成包括所述第一腔室部分和所述第二腔室部分的腔室，并且所述腔室从所述工件的所述第一面部分延伸到所述第二面部分。

这提供了可以借以以改进方式生产高质量气缸盖的方法。从工件的第一面部分延伸到工件内的预定距离的第一腔室部分意味着，第一腔室部分基本上布置在工件内并且只具有位于第一面部分处的一个敞开端部。所述工件的材料形成闭合端部。所述预定距离比沿着所述第一腔室部分的纵轴的所述工件的总长度短。由于第一腔室部分使其一个端部闭合而使另一个端部敞开的事实，导致只有第一腔室部分的第一端部需要被密封，以便进行自增强处理过程。即，所述第一腔室部分的闭合端部充当另一个塞，而另一个端部被密封形成另一个塞。当第一腔室部分的闭合端部因在其中形成了第二腔室部分而敞开时，于是第一腔室部分和第二腔室部分形成从所述工件的第一面部分延伸到第二面部分的腔室。在没有将闭合形成的第二腔室部分敞开的情况下，腔室没有完成。

有利地，该方法为中心/中间腔室部分提供了非常硬的表面，从而增大其中的疲劳强度，以防止出现裂纹或裂纹开裂。即，特别不期望在腔室的中心/中间部分中出现裂纹。这部分是由于以下事实：如果在操作使用期间出现裂纹开裂，则这些区域可能难以再经受自增强处理过程。因此，有用的是，用事先准备好的自增强处理过程来处理腔室的中心部分。

根据本发明的一个实施方式，通过钻出与工件的第一面部分相距预定距离的孔来形成第一腔室部分，使得第一端部敞开并且第二端部通过工件的完好壁而保持闭合。换句话讲，第一腔室部分没有贯穿工件从一个面延伸到另一个面。在本发明的该实施方式中，第一腔室部分可被称为使一个端部闭合的孔。因此，闭合端部由工件形成，不需要为了闭合目的而需要附加材料。工件本身充当第一腔室部分的第二端部中的塞。根据本发明的另一个实施方式，通过用铸造模具和机械加工表面来生产腔室部分的铸造过程，而生产第一腔室部分。换句话讲，可钻孔或机械加工出第一腔室部分。

根据本发明的一个实施方式，通过钻孔使第一腔室部分的闭合端部敞开，所述孔从第一腔室部分的第二端部延伸到第二面部分，从而形成第二腔室部分。这样形成腔室，所述腔室包括第一腔室部分和第二腔室部分，第二腔室部分从第一腔室部分的第二端部延伸到第二面部分。根据本发明的另一个实施方式，通过机械加工使第一腔室部分的闭合端部敞开。换句话讲，可通过钻孔或机械加工使闭合端部敞开。

根据本发明的一个实施方式，向第一腔室部分的内表面层提供范围在100-1000mpa内的压应力。

根据本发明的一个实施方式，压应力布置在0.15mm-10mm的厚度内。

举例来说，通过本发明的一个实施方式，对于厚度为1.5mm的第一腔室部分的内表面层，可以得到例如超过300mpa的压应力。这样将把疲劳安全因子增大大约30％。必需的压力水平和通过所选择的压力水平而得到的效果取决于诸如受试对象表面材料的环境。

根据本发明的一个实施方式，通过压力密闭地闭合所述第一腔室部分的所述敞开端部并且用不可压缩流体来填充所述第一腔室部分并且增加所述第一腔室部分中的压力来执行自增强处理过程。有利地，第一腔室部分中的压力因设置在自增强处理装置中的泵而增大，自增强处理装置用于执行引起第一腔室部分的内表面层塑性变形的过程。

根据本发明的一个实施方式，通过压力密闭地密封所述第一腔室部分的所述敞开端部并且用不可压缩流体来填充所述第一腔室部分并且通过在所述第一腔室部分中引入容积排代元件而增加所述第一腔室部分中的压力来执行自增强处理过程。此容积排代元件可以是例如金属销或活塞，其被布置成移动到流体容积中而取代流体容积，因此增大密封空间中的压力。

根据本发明的一个实施方式，在所述自增强处理过程中，所述第一腔室部分中的压力增大至超过300mpa。

根据本发明的一个实施方式，在所述自增强处理过程中，所述第一腔室部分中的压力增大至超过500mpa。

所述工件被压力密闭地布置在自增强处理设备的第一主体部分和第二主体部分之间，使得所述第一主体部分在所述自增强处理过程期间压力密闭地密封所述第一腔室部分的所述敞开端部。所述第一腔室部分的所述闭合端部充当塞。所述闭合端部是工件的基础材料。因此，可特别有利地执行自增强处理过程。

根据本发明的一个实施方式，所述自增强处理装置被布置成完全包围所述工件。所述工件被完全布置到形成在第一主体部分和第二主体部分内的空间中。因此，第一主体部分和第二主体部分提高了安全并且防止工件出现任何受损。另外，有利地，工件完全被第一主体部分和第二主体部分包围。这样还将提供非常压力密闭的布置。

根据本发明的一个实施方式，在一个或更多个单独的相继步骤中实践自增强处理过程。根据本发明的一个实施方式，在所述自增强处理过程的第一步骤中，所述压力升高直至所述第一腔室部分中的预定压力比率，并且所述压力被释放。在第二步骤中，所述压力升高直至所述第一腔室部分中的预定压力比率，并且所述压力被释放。

根据本发明的一个实施方式，所述第一步骤中的压力与所述第二步骤中相同。

根据本发明的一个实施方式，所述第二步骤中的压力比所述第一步骤中高。

根据本发明的一个实施方式，所述压力高于300mpa。

根据本发明的一个实施方式，所述压力高于500mpa。

例如，通过本发明的一个实施方式，得到在300mpa压应力内的大约1.5mm深的区域，并且该区域可用自增强处理过程的两个负载周期来得到。

根据本发明的一个实施方式，该方法包括形成第一腔室部分的步骤，所述第一腔室部分的长度是腔室的完工长度的75％至95％，所述腔室从所述工件的第一面部部分延伸。

根据本发明的一个实施方式，所述腔室被形成为流体通道。所述流体通道包括作为第一流体通道部分的第一腔室部分和作为第二流体通道部分的第二腔室部分。换句话讲，流体通道的第一部分从第一面部分延伸到预定距离，并且流体通道的第二通道部分从预定距离处和从第一通道部分的端部延伸到第二面部分，以形成流体通道。有利地，用自增强处理过程来处理流体通道的第一通道部分，从而使其具有比第二通道部分大的疲劳强度。

根据本发明的一个实施方式，所述腔室被形成为冷却流体通道。所述冷却通道包括两个部分：第一冷却孔和第二冷却孔。所述第一冷却孔是所述冷却通道的第一部分，并且所述第一冷却孔从所述第一面部分延伸到所述预定距离。所述第二冷却孔从所述预定距离处和从所述第一冷却孔的端部延伸到所述第二面部分。所述第一冷却孔经受自增强处理过程。该方法特别适于增大冷却通道的冷却孔或一些部分(特别是，冷却通道的中心部分)的疲劳强度。

本发明的另一个目的是通过一种气缸盖坯料来满足的，所述气缸盖坯料包括具有多个面的主体，其中，所述气缸盖坯料包括腔室，所述腔室由第一腔室部分和第二腔室部分形成，并且所述第一腔室部分从第一面部分沿着预定路径延伸到所述气缸盖坯料内的预定距离，并且所述第二腔室部分从所述第一腔室部分的端部延伸到第二面部分，因此所述腔室具有第一端部和第二端部，并且所述第一端部是敞开的而第二端部是敞开的，并且所述第一腔室部分的表面的疲劳强度大于所述第二腔室部分的表面的疲劳强度。

根据本发明的一个实施方式，所述第一腔室部分已因自增强处理过程而硬化，并且在其内表面中具有残余压应力。

本发明的另一个目的是通过由上述方法生产的内燃活塞式发动机的气缸盖来满足的。

附图说明

以下，将参照随附示例性示意图来描述本发明，在附图中：

图1a例示了根据本发明的一个实施方式的工件的剖视图，

图1b例示了根据本发明的图1a中示出的工件的a-a视图，

图2例示了根据本发明的一个实施方式的执行工件的自增强处理过程的方法，

图3例示了根据本发明的一个实施方式的工件的剖视图，

图4例示了根据本发明的一个实施方式的工件的剖视图，以及

图5例示了根据本发明的一个实施方式的工件的剖视图。

具体实施方式

图1a示意性例示了工件20，工件20具有多个面30，因而大体具有块结构等。当将完工的气缸盖组装到发动机时，块结构的一个面将构成燃烧室的壁。当将气缸盖组装到发动机中时，工件20的一个面将构成燃烧室的壁。路径24限定用于腔室40的位置和路线。根据气缸盖的所期望设计来选择路径。因此，该方法还可包括以下步骤：限定用于第一腔室部分40.1和腔室40的路径24，其中，路径24从第一面部分34延伸，在工件20内行进，延伸至第二面部分32。最终腔室40将通过根据本发明的方法由第一腔室部分40.1和第二腔室部分40.2形成，在该方法中，工件被形成为变成发动机的气缸盖。换句话讲，路径24限定将制造第一腔室部分40.1、第二腔室部分40.2并因而制造腔室40的位置。路径24在工件20内行进并且路径24被限定为从第一面30’延伸到第二面30”。在本实施方式中，路径24限定第一腔室部分40.1还有待形成的腔室40的中心轴线。

具体地，路径24被限定为从第一面30’的第一面部分32通向第二面30”的第二面部分34。这意味着，即使在图中未示出，第一面部分32和第二面部分34二者有可能布置在同一面上，即，路径24开始并终止于同一面上。在这个实施方式中，如所示出的，第一面30’与第二面30”对向设置。

该方法的下一个步骤包括形成从第一面部分延伸到位于工件内的预定距离的第一腔室部分。因此，第一腔室部分40.1从第一面30’延伸到工件20内的预定距离d。该腔室具有第一端部40.11和第二端部40.12，第一端部40.11是腔室部分40.1的敞口端部。第一腔室部分40.1的第二端部40.12是闭合端部。第一端部40.11位于第一面30’处，并且第二端部40.12位于工件20内部的路径24上。

当如图2和图3中所示完成时，第一腔室部分40.1的长度小于腔室40的长度。根据本发明的一个实施方式，第一腔室部分40.1的长度是所形成腔室40的长度的75％至95％。换句话讲，第一腔室部分的长度是路径24的长度的75％至95％。

图1b例示图1a中示出的工件20的视图a-a。第一面30’的第一面部分32被示出为虚线并且它被示意性例示为圆形。还应该注意，为了清晰的缘故，工件通常包括多个通道、通道部分和本文中未示出的其他细节。当工件是未完工的气缸盖时，尤其是这种情况。

该方法的下一个步骤包括密封第一腔室部分的第一端部，使得可执行自增强处理过程。图2例示用工件20生产气缸盖的方法的步骤。这里，第一腔室部分的第一端部40.11被密封，使得适于经受自增强处理过程。图2还例示了该方法中的对第一腔室部分40.1(特别地，第一腔室部分的表面或壁)执行自增强处理过程的步骤。自增强处理设备50结合工件20进行组装，使得它以制止该过程中涉及的力的方式来密封第一腔室部分。在这个实施方式中，自增强处理设备50包括至少两个主体部分：第一主体部分52和第二主体部分54，它们被附接在一起，使得第一主体部分52在自增强处理过程期间对第一腔室部分40.1的敞口端部40.11进行压力密闭地密封。第一主体部分52和第二主体部分54可至少部分或完全地包围工件。第一主体部分52和第二主体部分54被布置成被工件20唯一地支持，使得不需要用于接收该过程中涉及的力的外部支撑。这还防止了在自增强处理过程期间工件20出现受损。根据一个实施方式，第一主体部分52设置有密封件56，用于实现第一腔室部分的端部的密封。有利地，密封件56与第一面30’接触，并且毗邻第一腔室部分40.1的敞口端部40.11。密封件被布置在第一主体部分52和工件20之间，从而密封第一腔室部分40.1，并且防止在自增强处理过程期间出现泄漏。密封构件的数量不必限于仅一个。根据本发明的一个实施方式，自增强处理设备50可只包括一个主体部分52，该主体部分52可以能释放地紧固于工件20。可用任何传统装置(诸如，用布置于工件20的螺栓孔的螺栓(未示出))来提供主体部分52的紧固。

该方法的下一个步骤包括对第一腔室部分执行自增强处理过程的步骤。自增强处理设备50设置有导管58，以便将不可压缩流体从流体源60引入第一腔室部分40.1中。注意的是，不可压缩流体在本文中通常是指用于自增强处理过程的任何合适流体。导管58优选地设置有泵59，以便保持从流体源60引入第一腔室部分40.1中的自增强处理流体的足够压力。可通过将不可压缩流体从流体源60供给到第一腔室部分40.1中并且增加其中的压力来提供自增强处理过程。可通过用泵59增加并保持压力，将第一腔室部分40.1中的压力增大至所期望水平。另一种方法是用不可压缩流体填充第一腔室部分40.1，然后将诸如销等容积排代元件70(由于是替代实施方式而被示出为虚线)导入流体通道的第一腔室部分40.1中，从而增大其中的压力。

有利地，在自增强处理过程期间，第一腔室部分40.1的闭合端部40.12充当第一塞，而自增强处理设备的第一主体部分52充当第二塞。因此，得到第一腔室部分40.1的内表面40.1’或内表面层的疲劳强度的期望增大。当需要用自增强处理过程来处理腔室或流体通道的至少中心部分时，该方法是特别有利的。通常，流体通道的中心部分会是非常关键的，并且在其中出现裂纹开裂或裂纹出现是极其不期望的。

自增强处理过程引起对应第一腔室部分的内表面或内表面层的塑性变形，使第一腔室部分的疲劳强度增大。有利地，在自增强处理过程期间，第一腔室部分40.1中的压力增大至至少300mpa。更有利地，第一腔室部分40.1中的压力增大至超过500mpa。在自增强处理过程之后，第一腔室部分40.1中的压力被释放。自增强处理过程将使第一腔室部分40.1的直径略微增大，并且第一腔室部分40.1因此因自增强处理过程而硬化。可一次、两次或三次或甚至更多次进行将第一腔室部分40.1中的压力增大至预定水平并随后释放压力的过程，以将第一腔室部分的疲劳强度增大至所期望水平。这意味着，可在一个或多个阶段中实践自增强处理过程。最后在自增强处理过程之后，在第一腔室部分40.1中的压力已被释放之后，从第一腔室部分40.1中去除自增强处理流体，这里，准备将闭合端部去除，以形成用图2中的虚线示出的第二腔室部分40.2。

在压力已被释放并且从第一腔室部分40.1中去除自增强处理流体之后，工件20准备完成腔室40。图3示出根据本发明的方法的下一阶段中的工件20，其中，该方法包括将第一腔室部分的闭合端部敞开。这意味着，第二腔室部分被敞开，以形成腔室部分，该腔室部分从第一腔室部分的闭合端部开始并且延伸到工件的第二面部分，并以此方式完成腔室，完工的腔室从第一面部分在工件内部通入工件的第二面部分。

在图3中，充当第一塞的第一腔室部分40.1的闭合端部40.12已被去除，使得第一腔室部分40.1的闭合端部40.12敞开。第二腔室部分40.2从第一腔室部分40.1的第二端部40.12延伸到工件20的第二面部分34。因此，通过去除第一塞来形成第二腔室部分40.2。完成腔室40，并且腔室40包括两个腔室部分：第一腔室部分40.1和第二腔室部分40.2。第一腔室部分40.1的表面已因自增强处理过程而硬化，因此第一腔室部分40.1的表面的疲劳强度大于第二腔室部分40.2的表面的疲劳强度。腔室40此时使其第一端部40.11敞开并且也使第二端部40.22敞开。如可见的，腔室40从第一面30’延伸到第二面30”。特别地，腔室40穿过工件20，从而从第一面部分32延伸到第二面部分34。腔室40还遵循所限定的路径24。在本发明的该实施方式中，路径24是腔室40的中心轴线。第一腔室部分和第二腔室部分的横截面形状可不同。腔室40可以是诸如冷却流体通道的流体通道。图3还描绘根据本发明的一个实施方式的气缸盖坯料。坯料由包括具有多个面30的主体的工件形成。气缸盖坯料此时包括由第一腔室部分40.1和第二腔室部分40.2形成的腔室40，并且第一腔室部分40.1从气缸盖坯料的第一面部分32延伸到气缸盖坯料内部的预定距离d，并且第二腔室部分40.2从第一腔室部分40.2的端部40.12延伸到气缸盖坯料的第二面部分34。因此，腔室40具有第一端部40.11和第二端部40.22，并且第一端部40.11敞开且第二端部40.22敞开。在根据本发明的气缸盖坯料中，第一腔室部分40.1的表面的疲劳强度大于第二腔室部分40.2的表面的疲劳强度。

在该坯料中，第一腔室部分40.1因自增强处理过程而硬化并且它在其内表面中具有残余压应力。坯料用于通过根据本发明的方法来生产气缸盖。

第二腔室部分40.2的形状可有所变化，如图3中的虚线所描绘的。本发明适用于在内燃发动机气缸盖中提供出于各种目的的具有硬化表面的通道(诸如，冷却流体通道、用于燃料喷射器的组装空间等)。

图4例示了其中路径24被划分成两个分支并且其中腔室40包括第一腔室部分40.1的实施方式。该腔室还包括第二腔室部分40.2’和第三腔室部分40.2”，第二腔室部分40.2’和第三腔室部分40.2”首先被用作第一塞，在执行自增强处理过程之后敞开，如结合图2至图3说明的。因此，腔室40基本上遵循路径24。此时，腔室使第一端部40.11敞开，使第二端部40.22’敞开并且使第三端部40.22”敞开。在该实施方式中，第一腔室部分40.1的疲劳强度随着自增强处理过程而增大，并且在自增强处理过程之后，通过因第二腔室部分40.2’和第三腔室部分40.2”使闭合端部敞开来形成腔室40。

图4在图的右侧还描绘了本发明的以下实施方式：两个对向的第一腔室部分40.1被布置到公共路径24，使用公共闭合的第二端部40.12作为公共第一塞来限定待形成腔室的位置和路线，以要么同时地要么相继地在这两个第一腔室中执行自增强处理过程。

在图5中，描绘了其中针对腔室限定的路径24偏离直线的本发明的一个实施方式。因此，腔室可具有不同形状。可通过钻孔或以其他方式进行机械加工或甚至在铸造过程期间形成第一腔室部分40.1，在该情况下，在铸造过程中也形成第一塞(即，闭合端部)。

虽然已结合目前被认为最优选实施方式的内容以举例方式在本文中描述了本发明，但要理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在涵盖在随附权利要求书中定义的其特征的各种组合形式或修改形式和包括在本发明范围内的多个其他应用。结合以上任何实施方式提到的细节可结合另一个实施方式(当此结合在技术上可行时)进行使用。