復(fù)雜鑄件及其鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機的復(fù)雜鑄件、一種包括復(fù)雜鑄件的內(nèi)燃機、一種包括相應(yīng)內(nèi)燃機的汽車以及一種用于制造復(fù)雜鑄件的鑄造方法。術(shù)語“內(nèi)燃機的復(fù)雜鑄件”在下面例如理解為鑄造出的曲軸、凸輪軸或其它鑄造出的內(nèi)燃機構(gòu)件，該構(gòu)件與簡單的軸或簡單的平滑表面相比具有包括凸部和/或凹部的外部結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在目前的奧托和柴油發(fā)動機中的曲軸借助鍛造或鑄造由黑色金屬制成。在鍛造曲軸時作為材料例如使用調(diào)質(zhì)鋼、如42CrMo4。而在鑄造曲軸時作為材料大多使用含有球狀石墨的鑄鐵、如GJS700。通過鑄造，曲軸通常被鑄造成實心鑄件、即曲軸內(nèi)部無空隙或空腔。然而，已知在特定的承受低負荷的內(nèi)燃機中使用如下的鑄造曲軸，即:其主軸承或連桿軸承出于重量原因鑄造成空心的。
[0003]基于尤其是因渦輪增壓而不斷增大的構(gòu)件負荷并且另一方面希望通過減小軸承直徑來減小摩擦，在制造曲軸時越來越多地使用具有相應(yīng)高強度的鍛造鋼。與鑄造材料相比，這顯著提高了重量并且通常也導(dǎo)致成本上升。內(nèi)燃機中曲軸的負荷是非常復(fù)雜的。根據(jù)轉(zhuǎn)速、負荷以及曲軸上的位置，在內(nèi)燃機運行期間在曲軸上出現(xiàn)不同的負荷狀態(tài)。對于設(shè)計重要的總是最大負荷。在曲軸中，與變速器耦合的軸向端部基于彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合負荷通常比相反的軸向端部承受更高的負荷。
[0004]使用鍛造的曲軸的缺點在于高成本和基于與鑄造的曲軸相比較大密度引起的高重量。此外，自由成型僅是有限的。重量減輕(由結(jié)構(gòu)決定在相對于整個曲軸較大的材料堆積部內(nèi)部進行該重量減輕)只能費事地通過附加孔實現(xiàn)。
[0005]使用鑄造的曲軸的缺點在于其與鍛造的曲軸相比較低的負荷承受能力。這種情況的原因在于不同的生產(chǎn)技術(shù)，其要求不同的合金和/或熱處理。當(dāng)然，鑄造結(jié)構(gòu)與鍛造結(jié)構(gòu)相比可承受的動態(tài)負荷也較低。
[0006]在借助鑄造制造曲軸時，目前主要采用兩種技術(shù)。在第一種形式中，通常借助砂型鑄件在臥式模具中鑄造曲軸。在此由型砂制出所謂的陰模箱，該陰模箱用于液態(tài)金屬的成型。
[0007]可替選地，借助所謂的殼模鑄造方法在立式布置中鑄造曲軸。在殼模鑄造中制出所謂的具有坯件形狀的殼模。根據(jù)待鑄造構(gòu)件的外部造型，制出的殼模包括兩個或更多個殼模部件，它們例如借助粘接彼此連接成完成的殼模。各個殼模部件由樹脂覆膜成形材料或樹脂覆膜砂或砂基樹脂混合物制成。此外，在殼模內(nèi)集成有用于供應(yīng)液態(tài)金屬的澆注系統(tǒng)。
[0008]完成的殼模準(zhǔn)備用于在所謂的鑄造桶中制造曲軸并且為了改善散熱和穩(wěn)定而被鋼珠包圍。然后，從下方升高地以鑄造材料填充整個殼模。在材料凝固期間給料器的任務(wù)在于補償材料收縮。殼模鑄造技術(shù)常用于大批量生產(chǎn)中。此外，與砂型鑄造方法相比，殼模鑄造方法的優(yōu)點在于，尤其是凝固過程基于通過使用鋼球加速的散熱而實現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和尺寸精度。
[0009]然而，即使在使用殼模鑄造方法時依然在凝固過程中在鑄造桶和因此在構(gòu)件中出現(xiàn)不同的溫度或者說不同的溫度分布。這使得凝固的構(gòu)件根據(jù)凝固過程中的冷卻速率而具有不同的材料特性。尤其是在鑄造桶的上部區(qū)域中存在比下部區(qū)域中更高的由熱引起的溫度。這是因為一開始熱量通過鋼球快速從殼模下部區(qū)域消退，但在鋼球的上部區(qū)域中形成集熱。這導(dǎo)致在熔體凝固期間在鑄造的曲軸的上部區(qū)域中的冷卻速率小于下部區(qū)域中的冷卻速率。基于變化的冷卻速率產(chǎn)生不同的凝固條件和因此曲軸或者說構(gòu)件的不同材料特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的任務(wù)在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點并且提供一種在材料特性方面優(yōu)化的內(nèi)燃機復(fù)雜鑄件、尤其是曲軸或凸輪軸以及一種相應(yīng)的制造方法。
[0011]上述任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機復(fù)雜鑄件、根據(jù)權(quán)利要求9所述的包括復(fù)雜鑄件的內(nèi)燃機、根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括內(nèi)燃機的汽車以及根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于制造內(nèi)燃機復(fù)雜鑄件的鑄造方法來解決。其它有利方案由從屬權(quán)利要求、下述說明及附圖給出。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機復(fù)雜鑄件、尤其是曲軸或凸輪軸包括縱軸線、沿縱軸線的多個區(qū)域和第一空腔，其中，所述多個區(qū)域中的每個區(qū)域在鑄造過程中在凝固過程期間具有特定的冷卻速率，第一空腔設(shè)置在所述多個區(qū)域中的第一區(qū)域中并且具有與第一區(qū)域的第一冷卻速率相關(guān)的體積，由此第一區(qū)域中的材料厚度也與第一冷卻速率相關(guān)。
[0013]現(xiàn)在示例性借助作為復(fù)雜鑄件的曲軸的制造方法來說明本發(fā)明。首先提供用于曲軸的鑄模。此外，提供具有第一體積的第一芯件。第一體積在鑄件完成后構(gòu)成第一空腔并且根據(jù)待鑄造曲軸的第一區(qū)域中的第一冷卻速率選擇出。與此相應(yīng)，第一芯件這樣設(shè)置在鑄模中，使得該第一芯件在后續(xù)的鑄造材料凝固過程中設(shè)置在第一區(qū)域中。此后將鑄造材料、如鑄鐵填充到鑄模中，并且在凝固過程完全結(jié)束后將完成的曲軸取出鑄模。
[0014]通常認為整個實心的復(fù)雜鑄件、即沿鑄件縱軸線的所有區(qū)域的冷卻速率是已知的。實心的復(fù)雜鑄件也稱為傳統(tǒng)或已知的鑄件。因此對于傳統(tǒng)鑄件而言第一區(qū)域中的冷卻速率也是已知的。所述多個區(qū)域中的各個區(qū)域可指的是構(gòu)件的多個區(qū)段，優(yōu)選一個區(qū)域僅包括鑄件的一個區(qū)段的局部。此外，各個區(qū)域也可根據(jù)復(fù)雜鑄件的外部造型而至少部分重疊或彼此間隔開。之后還將參照附圖更詳細地說明這些區(qū)域并且闡明其功能。
[0015]為了僅列出幾種可能性，例如可通過模擬推導(dǎo)或通過實驗測定用于待鑄造的本發(fā)明鑄件的相應(yīng)冷卻速率。第一冷卻速率因此尤其是第一區(qū)域中的可預(yù)規(guī)定或希望的冷卻速率，該第一冷卻速率可通過調(diào)整第一空腔或者說第一芯件的體積而變化。因此，第一芯件和由此產(chǎn)生的第一空腔的體積也根據(jù)第一區(qū)域中的希望的冷卻速率而變化。
[0016]通過這種方式可按希望調(diào)整第一區(qū)域中的第一冷卻速率。按希望的調(diào)整例如可這樣進行，使得整個根據(jù)本發(fā)明的鑄件盡可能均勻地、即以優(yōu)選同一冷卻速度被冷卻。這對于所獲得的復(fù)雜鑄件的強度產(chǎn)生有利影響。
[0017]第一芯件或者說第一空腔的體積與第一區(qū)域的體積之比在下面也稱為第一相對體積。用于在第一區(qū)域中形成第一空腔的第一芯件在此不局限于特定形狀。而是，該形狀與第一區(qū)域中的希望的第一冷卻速率相關(guān)。
[0018]總之，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)雜鑄件的優(yōu)點因此在于，與傳統(tǒng)的實心、即無空腔的鑄件相比，第一區(qū)域中的冷卻速率可基于所用芯件而在該區(qū)域中被提高。如需要，可通過使第一區(qū)域中的冷卻速率例如適應(yīng)其余區(qū)域中的冷卻速率來調(diào)整出沿復(fù)雜鑄件的縱軸線相似或相同的材料特性。通過所用芯件調(diào)整第一區(qū)域中的第一冷卻速率也能夠有意調(diào)整出不同的材料特性。該措施的結(jié)果是使復(fù)雜鑄件在第一區(qū)域中具有減小的材料厚度。
[0019]根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，復(fù)雜鑄件在所述多個區(qū)域中的第二區(qū)域中具有第二空腔。第二空腔的第二體積與第二區(qū)域中的第二冷卻速率相關(guān)地選擇出。第一空腔占據(jù)第一區(qū)域的體積例如小于第二空腔占據(jù)第二區(qū)域的體積。在此第一區(qū)域中的第一冷卻速率高于第二區(qū)域中的第二冷卻速率，在此如開頭所述，傳統(tǒng)的實心鑄件用作參考。所希望的第一和第二冷卻速率因此可以是相同的。因此優(yōu)選復(fù)雜鑄件的第一區(qū)域中的第一材料厚度大于復(fù)雜鑄件的第二區(qū)域中的第二材料厚度。
[0020]為了實現(xiàn)這點，在鑄造方法中提供具有第二體積的第二芯件，第二體積根據(jù)待鑄造曲軸的第二區(qū)域中的第二冷卻速率選擇出。此外，第二芯件占據(jù)第二區(qū)域的體積例如大于第一芯件占據(jù)第一區(qū)域的體積。其原因在于，相對于傳統(tǒng)的實心鑄件，第二區(qū)域例如具有比第一區(qū)域更小的冷卻速率?，F(xiàn)在為了使例如第一和第二區(qū)域在本發(fā)明鑄件凝固期間具有作為希望冷卻速率的相同冷卻速率