BRPI0614300B1 - Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, cabeçote de cilindro e molde para fundição de uma peça inacabada de cabeçote de cilindro. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PEÇA INA- CABADA DE CABEÇOTE DE CILINDRO FUNDIDO, CABEÇOTE DE CI- LINDRO E MOLDE PARA FUNDIÇÃO DE UMA PEÇA INACABADA DE CABEÇOTE DE CILINDRO". A presente invenção refere-se a uma fundição de cabeçote de cilindro inacabado para produção de um cabeçote de cilindro para motores de combustão interna energizados com combustível de diesel, possuindo uma superfície de vedação destinada à montagem no estado acabado em uma superfície de vedação correspondente de um bloco de motor, e projeta- do em uma seção de superfície de vedação da fundição de cabeçote de ci- lindro inacabada, a espessura da seção no estado de fundição exibindo uma sobre-espessura de usinagem com relação à sua espessura determinada, obtida após um acabamento de remoção de material da superfície de veda- ção, a superfície de vedação incluindo adicionalmente uma região de câma- ra de combustão, associada com uma câmara de combustão formada no bloco do motor.

Ademais, a invenção refere-se a um cabeçote de cilindro, fundi- do a partir de uma fusão de metal, para motores de combustão interna ener- gizado com combustível a diesel, possuindo uma superfície de vedação des- tinada à montagem em uma superfície de vedação correspondente de um bloco de motor, obtido pelo acabamento com remoção de material, incluindo uma região de câmara de combustão, que é associada com uma câmara de combustão formada no bloco de motor.

Finalmente, a invenção também se refere a um processo de fun- dição de uma fundição de cabeçote de cilindro inacabada, onde uma fusão de metal, em particular, uma fusão de liga leve, é fundida em um molde, que para reprodução da fundição de cabeçote de cilindro inacabada compreende uma cavidade de molde, que possui uma periferia reproduzindo uma super- fície de vedação na dita fundição de cabeçote de cilindro inacabada, e onde após a fundição, a solidificação e remoção do molde da fundição de cabeço- te de cilindro inacabada, a superfície de vedação é acabada através da usi- nagem, pela remoção do material de fundição através de uma espessura na região da superfície de vedação, a fim de produzir uma superfície de veda- ção acabada para montagem em uma superfície de vedação correspondente de um motor de bloco.

No caso dos cabeçotes de cilindro para motores de combustão interna energizados com combustível a diesel, particularmente no caso de motores de injeção de combustível direta, a região da câmara de combustão não tem a geometria em forma de cúpula, como normalmente é o caso com cabeçotes de cilindro de motores a gasolina, mas incorporada de forma ho- mogênea em superfícies de vedação igualmente planas, pela qual o cabeço- te de cilindro a diesel se apóia no estado instalado contra a superfície de vedação, associada com a mesma, do bloco de motor respectivo. A região de câmara de combustão do cabeçote de cilindro dessa forma se encontra no plano de vedação do bloco de motor. A fim de se ser capaz de produzir a superfície de vedação com a precisão necessária para um assento justo permanentemente garantido, no caso da fundição de cabeçote de cilindro inacabada, uma sobre-espessura de usinagem, que é removida durante o acabamento do cabeçote de cilin- dro, é normalmente pré-fundida. Na prática, a espessura adicional da seção, transportando a superfície de vedação, da fundição de cabeçote de cilindro inacabada, fornecida como sobre-espessura de usinagem e removida no curso do acabamento normal mente resulta em 2 mm a 3 mm. A remoção mecânica dessa espessura permite que a superfície de vedação seja produ- zida com extrema precisão e igualdade necessárias.

Durante o serviço, a região da câmara de combustão do cabeço- te de cilindro é carregada ao máximo devido a altas pressões e altas tempe- raturas que surgem no caso dos motores a diesel. Essa carga, em particular com a fundição dos cabeçotes de cilindro a partir de ligas metálicas leves, nos assentos de válvula e peças cruzadas de válvula normalmente incorpo- radas em suas regiões de câmara de combustão, resulta em uma suscetibi- lidade de formação de trincas aumentada. Essa suscetibilidade é particular- mente problemática se for considerado o desejo de se ter cabeçotes de ci- lindro com uma capacidade de carga ainda maior, que por parte dos fabri- cantes e dos usuários dos motores a diesel é maior em vista da exigência por o maior rendimento de potência possível.

No momento em que os cabeçotes de cilindro começam a ser feitos de material de liga leve, por exemplo, uma liga de alumínio, essas de- mandas só são capazes de ser correspondidas até agora com um esforço técnico substancial no que se refere à liga, desenho ou produção. Dessa forma, a capacidade de carga dos assentos de válvula na região da câmara de combustão pode ser aperfeiçoada, por exemplo, pela incorporação de elementos feitos de metal com uma capacidade de carga maior na fundição. O esforço relacionado com a incorporação dos assentos de válvula na fundi- ção e as medidas necessárias para sua integração suficientemente sólida na liga leve do cabeçote do cilindro, no entanto, resulta em custos de produção adicionais. O mesmo se aplica à possibilidade de aumento das propriedades de resistência e alongamento da região da câmara de combustão por trata- mento térmico adicional.

Com esses antecedentes o objetivo da invenção é criar uma fundição de cabeçote de cilindro inacabado, capaz de ser produzida de for- ma simples, a partir da qual um cabeçote de cilindro para motores a diesel com capacidade de carga ideal pode ser fabricado de forma simples. Da mesma forma, um cabeçote de cilindro para motores a diesel produzidos de acordo, em particular fundidos a partir de uma liga metálica leve seguido por usinagem deve ser indicado, que também satisfaz de forma permanente as demandas crescentes por uma capacidade de carga ideal de tais cabeçotes de cilindro. Finalmente, a invenção também tem por objetivo fornecer um processo adequado para a produção de tais cabeçotes de cilindro.

Com relação ao molde de fundição esse objetivo foi alcançado com base em uma fundição de cabeçote de cilindro inacabada do tipo des- crito inicialmente, visto que com tais fundições inacabadas, a sobre- espessura de usinagem da seção de superfície de vedação na região da câmara de combustão da superfície de vedação, de acordo com a invenção, resulta em um máximo de 15% de excesso de tamanho da seção de superfí- cie de vedação na região restante da superfície de vedação. A invenção é baseada no reconhecimento de que as caracterís- ticas estática e dinâmica da região da câmara de combustão, incluídas pela superfície de vedação do cabeçote de cilindro a ser produzido, sejam afeta- das de forma considerável pela configuração da estrutura de fundição. O significado especial nesse caso é atribuído à qualidade estrutural substanci- almente dependente da taxa de solidificação.

Durante a fundição da fusão de liga leve, a solidificação é con- trolada pela extração de calor através do molde e é mais rápida na área de contato entre o molde e a fusão fundida dentro do molde. Visto que a inven- ção propõe a limitação da espessura da usinagem na região da câmara de combustão a um mínimo, se alcançou agora que a estrutura de fusão rapi- damente solidificada adjacente à superfície na região da câmara de combus- tão, também depois do acabamento por remoção de material, que é inevitá- vel para a produção da homogeneidade necessária da superfície de veda- ção, não é removida, mas permanece intacta na superfície da região da câ- mara de combustão. As características mecânicas são correspondentemente boas, em comparação com o estrato solidificado mais lentamente do cabe- çote de cilindro de fundição que se encontra mais para dentro. A região de câmara de combustão, dessa forma, contém a estrutura mais bem solidifica- da e, portanto, possui uma capacidade de carga maior ao longo de uma vida de serviço mais longa.

No que se refere a um cabeçote de cilindro para motores de combustão interna energizados com combustível a diesel, possuindo as ca- racterísticas inicialmente detalhadas, a solução do objetivo indicado acima consiste, de acordo, no fato de o cabeçote de cilindro de acordo com a in- venção exibir uma estrutura fundida, que corresponde à estrutura fundida na região da câmara de combustão adjacente à sua superfície, que está pre- sente na região da superfície de vedação, adjacente à superfície antes de seu acabamento de remoção de material.

Finalmente, a solução de acordo com a invenção do objetivo in- dicado acima com relação a um processo do tipo inicialmente descrito pro- põe que a periferia do molde compreende uma elevação, que forma uma região de câmara de combustão na superfície de vedação da fundição de cabeçote de cilindro inacabada, onde a elevação possui uma superfície que se estende substancialmente de forma paralela à periferia, que é disposta a uma distância da superfície de vedação, resultando em pelo menos 85% da espessura do material removido no curso do acabamento de remoção de material da superfície de vedação. É comum que as várias modalidades da invenção que a região de câmara de combustão formada na superfície de vedação do cabeçote de cilindro já é produzida quando a fundição do cabeçote de cilindro tão perto da dimensão final que apenas uma quantidade mínima de material seja re- movida no máximo na região da câmara de combustão durante o acabamen- to de remoção de material da superfície de vedação, que depois da fundição é inevitável para a produção de sua homogeneidade. Dessa forma, uma es- trutura fundida rapidamente solidificada da textura fina permanece na região da câmara de combustão, incluída pela superfície de vedação, do cabeçote de cilindro acabado.

As investigações práticas mostraram que os cabeçotes de cilin- dro projetados e produzidos de acordo com a invenção, em sua região de câmara de combustão respectiva, possuem resistências à tensão, que são maiores por 5% a 15% do que as resistências à tensão dos cabeçotes de cilindro usinados e projetados de forma convencional produzidos a partir das mesmas ligas de fundição. Além disso, essas investigações mostraram uma capacidade de deformação dos cabeçotes de cilindro inventivos aumentados por 15% a 25%, em comparação com os cabeçotes de cilindro convencio- nais.

Os aperfeiçoamentos característicos alcançados de acordo com a invenção podem ser adicionalmente otimizados pela minimização da so- bre-espessura de usinagem na região da câmara de combustão da superfí- cie de vedação. De acordo com as configurações vantajosas a invenção se propõe a limitar a sobre-espessura de usinagem na região da câmara de combustão para um máximo de 10%, em particular 7% e ainda mais preferi- velmente a um máximo de 4% do tamanho excessivo da seção de superfície de vedação na região restante da superfície de vedação. Dessa forma, no caso de uma fundição de cabeçote de cilindro inacabada configurada de a- cordo com a invenção, o tamanho excessivo da espessura na região da câ- mara de combustão, por exemplo, se encontra entre 0,1 mm e 0,2 mm, en- quanto na superfície de vedação restante, incluindo a região de câmara de combustão pode, de forma convencional, continuar a ser de 2 mm a 3 mm. A invenção é descrita em detalhes abaixo com base em um de- senho ilustrando uma modalidade ilustrativa, em cada caso sendo ilustrado de forma esquemática: a figura 1 é um recorte em seção transversal de uma fundição de cabeçote de cilindro inacabada, fundida a partir de uma liga de fundição de alumínio; a figura 2 é um recorte em seção transversal de um molde para a fundição da fundição de cabeçote de cilindro inacabada, ilustrada na figura 1; a figura 3 é um recorte em seção transversal de um cabeçote de cilindro inacabado a partir da fundição de cabeçote de cilindro inacabada ilustrada na figura 1. A fundição de cabeçote de cilindro inacabada 1 em seu lado mais baixo, na condição montada, possui uma superfície de vedação 2, que se estende sobre a largura e comprimento totais da fundição de cabeçote de cilindro inacabada 1. A superfície de vedação 2 é formada substancialmente de forma igual já no estado bruto da fundição inacabada ilustrado na figura 1. A superfície de vedação 2 inclui uma região de câmara de com- bustão 3, que é associada com uma câmara de combustão de um bloco de motor, não ilustrado aqui. Uma sede de válvula 4 para uma válvula de entra- da, não ilustrada, e uma sede de válvula 5 para uma válvula de exaustão, também não ilustrado, são formados na região da câmara de combustão 3.

Adicionalmente, as passagens de resfriamento 6, 7 são formadas na fundi- ção de cabeçote de cilindro inacabada 1, a porta de conexão da qual para união com as passagens correspondentes do bloco de motor se abre na su- perfície de vedação 2 a uma distância da região de câmara de combustão 3. A superfície de vedação 2 é transportada com a região da câma- ra de combustão por uma seção de superfície de vedação 8 se estendendo sobre a largura e comprimento da fundição de cabeçote de cilindro inacaba- da 1. Essa seção de superfície de vedação 8 disposta na área entre as se- ções, corre em paralelo à superfície de vedação 2, das passagens de resfri- amento 6, 7, a dita superfície de vedação 2 também é descrita no linguajar técnico como "deck de câmara de combustão".

Na região da superfície de vedação 2 a espessura D da seção de superfície de vedação 8 no estado bruto de fundição é mais espessa por uma sobre-espessura de usinagem Dz2 do que a espessura determinada Dn da seção de superfície de vedação 8 no estado acabado ilustrado na figura 3. Na prática, a sobre-espessura de usinagem Dz2 soma 2 mm, por exemplo.

Em contraste com a região da superfície de vedação 2, a seção de superfície de vedação 8 na região de câmara de combustão 3 é apenas ligeiramente mais espessa do que a espessura determinada prescrita Dn no estado acabado. Dessa forma, a sobre-espessura de usinagem DZ3 na regi- ão de câmara de combustão soma apenas 0,1 mm, isso é, 5% da sobre- espessura de usinagem DZ2 no caso da fundição de cabeçote de cilindro ina- cabada 1.

Em conseqüência da espessura minimizada da sobre-espessura de usinagem Dz3 a fundição de cabeçote de cilindro inacabada 1 na região de câmara de combustão 3 possui, com base em sua superfície livre, uma estrutura de fundição fina por toda uma profundidade T, devido à solidifica- ção rapidamente progressiva, que se estende para dentro da região da es- pessura determinada Dn do cabeçote de cilindro acabado Z. Na região da superfície de vedação 2, no entanto, apenas uma estrutura relativamente bruta está presente na região da espessura determinada Dn, visto que devi- do à distância da superfície livre da superfície de vedação 2, que é maior como resultado da maior sobre-espessura de usinagem Dz2, o material de fundição de alumínio é solidificado mais lentamente aí do que no estrato per- to da superfície.

Para fundição da fundição de cabeçote de cilindro inacabada 1 um molde 100 é fornecido, com o qual suas paredes laterais 101, 102 e sua base 103 englobam uma cavidade de molde (104). Os núcleos de fundição 105 nesse caso servem para reproduzir os assentos de válvula 4, 5 e as passagens de resfriamento 6 ou 7 da fundição de cabeçote de cilindro ina- cabada 1. A fim de, por um lado, se produzir a superfície de vedação 2 e, por outro lado, a região de câmara de combustão 3 formada na superfície de vedação 2 da fundição de cabeçote de cilindro inacabada 1, uma periferia plana 106 associada com a cavidade de molde 104, é formada na base 103 do molde 100. Em sua seção associada com a região de câmara de com- bustão 3 da fundição de cabeçote de cilindro inacabada, isso possui uma elevação 107, o contorno externo da qual corresponde ao formato da região da câmara de combustão 3. A elevação 107 nesse caso possui em seu lado de extremidade livre uma superfície plana 108, que é alinhada em paralelo à periferia 106. A altura H, na qual a superfície 108 é disposta acima da perife- ria 106, nesse caso soma 95% da sobre-espessura de usinagem Dz2 a ser fundida na região da superfície de vedação 2 na fundição de cabeçote de cilindro inacabada 1, portanto, 1,9 mm no presente caso.

Durante o acabamento da fundição de cabeçote de cilindro ina- cabada 1 a sobre-espessura de usinagem espessa DZ2 na região da superfí- cie de vedação 2 e sobre-espessura de usinagem DZ3 na região da câmara de combustão 3 são removidas pela remoção de material, de forma que uma superfície de vedação homogênea F, que muda de forma contínua para den- tro da região de câmara de combustão igualmente plana R incluída, é for- mada no cabeçote de cilindro acabado Z. A quantidade de material removido na região da superfície de vedação 2 nesse caso é tão grande que apenas a estrutura de fundição relativamente bruta está presente na face livre da su- perfície de vedação acabada F. Em contraste, a estrutura de fundição fina resultante da solidificação rápida adjacente à superfície ainda está presente na região da câmara de combustão R do cabeçote de cilindro acabado Z, devido à quantidade muito reduzida de material removido. Isso garante que a resistência aumentada e os valores de alongamento aperfeiçoados este- jam presentes na região da câmara de combustão R do cabeçote de cilindro acabado Z.

Depois da montagem do cabeçote de cilindro acabado Z nas superfícies de vedação, associadas com o mesmo, do bloco de motor, não ilustradas aqui, a região da câmara de combustão R e a superfície de veda- ção F que engloba a mesma, do cabeçote de cilindro Z se encontram no mesmo plano de vedação. A região de câmara de combustão R nesse caso cobre à câmara de combustão, associada com a mesma, do motor de bloco.

Claims (12)

1. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido para motores de combustão interna energizados por combustível a diesel, possuindo uma superfície de vedação (2) destinada à montagem no estado acabado em uma superfície de vedação correspondente de um bloco de motor, e projeta- da em uma seção de superfície de vedação (8) da fundição de cabeçote de cilindro inacabada (1), a espessura (D) no estado de fundição exibindo uma sobre-espessura de usinagem (DZ2) com relação à sua espessura determi- nada (Dn) obtida após um acabamento de remoção de material da superfície de vedação (2), a superfície de vedação (2), incluindo adicionalmente uma região de câmara de combustão (3), associada com uma câmara de com- bustão formada no bloco de motor, caracterizada pelo fato de a sobre-espessura de usinagem (DZ3) da seção de superfície de vedação (8) na região da câmara de combustão (3) da superfície de vedação (2) soma um máximo de 15% da sobre- espessura de usinagem (Dz2) da seção de superfície de vedação (8) na regi- ão restante da superfície de vedação.

2. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a sobre-espessura de usi- nagem (Dz3) da seção de superfície de vedação (8) na região da câmara de combustão (8) somar um máximo de 10% da sobre-espessura de usinagem (Dz2) da seção de superfície de vedação (8) na região restante da superfície de vedação (2).

3. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a sobre-espessura de usi- nagem (Dz3) da seção de superfície de vedação (8) na região de câmara de combustão (8) somar um máximo de 7% da sobre-espessura de usinagem (Dz2) da seção de superfície de vedação (8) na região restante da superfície de vedação (2).

4. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a sobre-espessura de usi- nagem (Dz3) da seção de superfície de vedação (8) na região de câmara de combustão (8) somar um máximo de 4% da sobre-espessura de usinagem (DZ2) da seção de superfície de vedação (8) na região restante da superfície de vedação (2).

5. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de a superfície de vedação (2) e a região de câmara de combustão (3) serem formadas de for- ma plana.

6. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de pelo menos uma sede de válvula (4, 5) ser formada na região da câmara de combustão (3).

7. Peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de ser fundida a partir de uma liga metálica leve, em particular uma liga de alumínio.

8. Cabeçote de cilindro fabricado a partir de peça inacabada de cabeçote de cilindro fundido, como definida na reivindicação 1, fundido a partir de uma fusão metálica, em particular, uma fusão de liga leve, para mo- tores de combustão interna energizados com combustível a diesel, possuin- do uma superfície de vedação (F) destinada à montagem em uma superfície de vedação correspondente de um bloco de motor, produzido por um aca- bamento de remoção de material, associado com uma câmara de combus- tão formada no bloco de motor, caracterizado pelo fato de o cabeçote de cilindro (Z) na região da câmara de combustão (R) adjacente à sua superfície possuir uma estrutura fundida, que corresponde à estrutura fundida, que está presente na região da superfície de vedação (F) adjacente à superfície antes de seu acabamen- to por remoção de material.

9. Cabeçote de cilindro, de acordo com a reivindicação 8, carac- terizado pelo fato de a superfície de vedação (F) e a região da câmara de combustão (R) serem formadas de forma plana.

10. Cabeçote de cilindro, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de pelo menos uma sede de válvula (4, 5) ser forma- da na região de câmara de combustão (R).

11. Cabeçote de cilindro, de acordo com uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de consistir em uma fusão de liga leve, em particular uma fusão de alumínio.

12. Molde para fundição de uma peça inacabada de cabeçote de cilindro, como definida na reivindicação 1, onde uma fusão metálica, em par- ticular uma fusão de liga leve, é fundida dentro de um molde (100), que compreende uma cavidade de molde (104) reproduzindo uma fundição de cabeçote de cilindro inacabada (1), possuindo uma periferia (106), reprodu- zindo uma superfície de vedação (2) na fundição de cabeçote de cilindro i- nacabada (1), e onde, após a fundição, solidificação e formação da fundição de cabeçote de cilindro inacabada (1), a superfície de vedação (2) é acaba- da através da remoção de material, pela fundição do material sendo removi- do através de uma espessura na região da superfície de vedação (2), a fim de produzir uma superfície de vedação acabada (F) para montagem em uma superfície de vedação correspondente de um bloco de motor, caracterizado pelo fato de a periferia (106) do molde possuir uma elevação (107) que forma uma região de câmara de combustão (3) na superfície de vedação (2) da fundição de cabeçote de cilindro inacabada (1), pela elevação (107) possuindo uma superfície (108) que se estende subs- tancialmente de forma paralela à periferia (106), que é disposta a uma dis- tância (H) da superfície de vedação, resultando em pelo menos 85% da es- pessura (DZ2) do material removido no curso do acabamento por remoção de material da superfície de vedação (2).