Отливка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания и способ ее получения

 

Изобретение относится к литью в металлические формы. При отливке блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания гильзы перед установкой их в форму нагревают. В процессе заливки сплава в форму знаковые части песчаных стержней через вентиляционные каналы в металлических матрицах формы подсоединяют к вакуумной системе. Гильзы имеют кольцевые уплотняющие буртики на внешней боковой поверхности. Торцевые поверхности буртиков выполнены как плоскими, так и в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону торца гильзы, у которого они расположены. Нагрев гильз до температуры, меньшей температуры начала изменений микроструктуры материала гильз, но большей температуры кристаллизации материала отливки, обеспечивает плотный контакт гильз с телом отливки. Наличие буртиков на гильзе приводит к обжатию их сплавом отливки, что обеспечивает герметичность рубашки охлаждения блока цилиндров. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области литья в металлические формы деталей из алюминиевых сплавов, в частности блоков цилиндров ДВС с залитыми чугунными гильзами, а также к конструкциям указанных гильз цилиндров.

Известны блоки цилиндров ДВС, отлитые из алюминиевых сплавов с залитыми в тело блока чугунными гильзами цилиндров, выполненные методом литья под давлением (ЛПД) [1,2].

Этот способ получения отливок блока экономически целесообразен лишь при производстве ДВС с малым рабочим объемом цилиндров (менее 2,0 л) и относительно небольшой массе отливки, т. к. стоимость литейного оборудования напрямую зависит от массы отливки. Кроме того, технология ЛПД дает возможность получения блоков только с открытой верхней плоскостью (open deck) [3], что затрудняет применение блоков такой конструкции на ДВС c рабочим объемом более 2,0 л.

Известны также отливки блоков цилиндров, получаемые методом гравитационного литья в металлические формы с применением песчаных стержней [1].

В отличие от способа получения отливок ЛПД этот способ не требует применения дорогих и сложных литейных машин, позволяет получать крупногабаритные отливки с массой в несколько десятков килограммов, а также дает возможность конструктивно выполнять такие отливки с закрытой верхней плоскостью (closed deck), что значительно повышает жесткость верхнего пояса блока цилиндров и позволяет более надежно уплотнить газовый стык между блоком и головкой. В то же время при выполнении отливок блоков указанным способом возникают серьезные проблемы по обеспечению плотности и герметичности стенок водяной рубашки, надежности контакта гильз с материалом блока в случае, например, необходимости изготовления отливок с водяными протоками между заливаемыми гильзами, т. к. в таком случае толщина стенок отливки около чугунных гильз может составлять всего 3-3,5 мм.

Известно, что для создания плотного слоя алюминиевого сплава вокруг наружной поверхности гильз, гильзы перед установкой в формы в ряде случаев предварительно нагревают, например, до температуры около 200^oC [2].

Для достижения надежности посадки гильз в тело блока также используется рифление наружной поверхности гильз кольцевыми канавками [2].

При гравитационном способе получения отливок блока с протоками между гильзами упомянутые выше условия посадки гильз в тело блока не гарантируют герметичность водяной рубашки, т.к. при малой толщине стенок отливки в межгильзовом пространстве (как уже указывалось ранее - не более 3,5 мм) не обеспечивается их плотность. В связи с этим может возникать сообщение полости водяной рубашки с атмосферой через поры и неспаи упомянутых стенок, неплотности в пограничном слое между наружной поверхностью гильз и окружающими их стенками водяной рубашки с выходом к торцам гильз.

Опыт освоения промышленного производства отливок блока цилиндров автомобильного 4-цилиндрового ДВС с рабочим объемом цилиндров 2,9 л методом гравитационного литья (масса отливки около 30 кг) показал, что известные приемы обеспечения надежного контакта гильз с телом блока и получения герметичности полости водяной рубашки не дают положительных результатов.

Задачей настоящего изобретения является создание отливки блока цилиндров ДВС и способа ее получения, при котором улучшается контакт залитых чугунных гильз с телом блока и повышается плотность стенок отливки, за счет чего обеспечивается герметичность водяной рубашки блока.

Предлагаемое изобретение решает эту задачу следующим образом. На боковой поверхности гильзы у обоих ее торцев выполнены кольцевые буртики, что обеспечивает обжатие и уплотнение стыка между телом блока и гильзой по внешним торцевым поверхностям буртиков при остывании сплава. Буртики могут выполняться как с плоскими торцевыми поверхностями, так и с торцевыми поверхностями в виде усеченных конусов, большие основания которых обращены к ближнему торцу гильзы. Перед установкой гильз в форму их нагревают до температуры, меньшей, чем температура начала изменений в микроструктуре материала гильзы на 100-120^oC, но большей, чем температура кристаллизации материала отливки на 20-30^oC, а знаковые части песчаных стержней, образующих водяную рубашку блока, через вентиляционные каналы в металлических матрицах формы подсоединяют к вакуумной системе в процессе заливки и кристаллизации металла в форме.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез отливки блока цилиндров до извлечения ее из формы и выбивки песчаных стержней. Отливка изображена в том положении, в котором ведется заполнение формы расплавом. Литниковая система не показана.

На фиг.2 изображен поперечный разрез этой отливки.

На фиг. 3 и фиг. 4 изображены гильзы с различными вариантами выполнения кольцевых буртиков на наружной боковой поверхности.

Форма состоит из боковых матриц 1 и 2 и торцевых матриц 3 и 4, верхнего металлического стержня 5 и нижней плиты 6. На металлических стержнях 7, закрепленных на нижней плите 6, установлены чугунные гильзы 8 с кольцевыми уплотняющими буртиками 9 и 10. В зоне установки гильз размещен песчаный стержень 11 водяной рубашки блока, имеющий несколько знаковых частей 12 с выходом в вентиляционные каналы 13 металлических матриц 1, 2, 3, 4.

Гильзы перед установкой подогреваются до температуры приблизительно 600^oC, которая выбрана исходя из следующих условий.

Увеличение температуры подогрева гильз перед их установкой в форму, например, до температуры заливаемого сплава (700-720^oC) позволяет значительно улучшить заполнение сплавом межгильзовых пространств и повысить плотность стенок отливки, прилегающих к гильзам, в особенности, где толщина стенок минимальная.

Однако при этом происходит недопустимое снижение твердости материала гильз из-за начала изменений в микроструктуре чугуна, в частности в связи с появлением зернистого перлита.

Если снизить температуру предварительного подогрева гильз на 100-120^o, то изменений в микроструктуре чугуна не происходит, твердость гильз практически не меняется, в то же время проливаемость и плотность стенок отливки, в том числе и в межгильзовом пространстве, получается удовлетворительной, т. к. температура гильз остается на 20-30^o выше температуры кристаллизации сплава, которая составляет 570-580^oC, что обеспечивает сохранение жидкотекучести расплава при заполнении полостей вокруг гильз цилиндров.

При заливке жидкий алюминиевый сплав подается в металлическую форму одновременно сверху и снизу, образуя отливку 14 блока цилиндров.

С началом подачи расплава включается вакуумная система, которая через вентиляционные каналы 13 в металлических матрицах формы через знаковые части 12 песчаного стержня 11 отсасывает газы, образующиеся при выгорании стержневой смеси, благодаря чему улучшается проливаемость стенок отливки в межгильзовом пространстве.

После кристаллизации и остывания расплава вследствие различия коэффициентов линейного расширения чугуна и алюминиевого сплава происходит обжатие гильз как по наружной боковой поверхности, так и по торцам материалом тела отливки благодаря наличию у обоих торцев гильз кольцевых уплотняющих буртиков.

Источники информации 1. Смоль Г. И. Американские легковые автомобили (обзор). - М.: ЦНТИ, 1961, с. 23-33.

2. Конструкция малолитражных двигателей. Сборник статей. - М.: Машиностроение, 1969, с. 98-100.

3. Автомобильная промышленность США. 1993, N 4, с. 18-23.

Формула изобретения

1. Отливка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания из алюминиевого сплава, содержащая залитые чугунные гильзы с кольцевыми уплотняющими буртиками, расположенными на внешней боковой поверхности гильз у обоих торцов, отличающаяся тем, что торцевые поверхности буртиков выполнены как плоскими, так и в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону торца гильзы, у которого они расположены.

2. Способ получения отливки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания из алюминиевого сплава методом гравитационного литья в металлические формы с песчаными стержнями для образования водяной рубашки блока, имеющими знаковые части, включающий предварительный нагрев установленных в форму чугунных гильз перед заливкой сплава, отличающийся тем, что гильзы нагревают до температуры, меньшей температуры начала изменений микроструктуры материала гильз, но большей температуры кристаллизации материала отливки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что знаковые части песчаных стержней подсоединяют к вакуумной системе в процессе заливки сплава в форму через вентиляционные каналы в металлической форме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4