CN103596724A - 活塞和制造活塞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一件式活塞（20），其包括被铸造成成品形状并且包括至少一个不规则结构的燃烧碗（26），该不规则结构与中心轴（A）间隔开。活塞（20）首先由连接在一起的上冠部元件（22）和下冠部元件（24）制成。然后活塞（20）被夹持到例如数控车床的机械加工工具（54）中，该机械加工工具定位活塞的顶表面（32）或者燃烧碗（26）的一部分并且将其位置设置为基准平面。该基准平面在活塞（20）的后续机械加工操作中被用作参考位置。

Description

活塞和制造活塞的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月15日提交的第61/476,008号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明涉及活塞，更具体地涉及具有燃烧碗的活塞以及制造带有燃烧碗的活塞的方法。

背景技术

很多用于内燃机的一件式活塞具有以整件形式锻造或铸造成接近成品形状的冠部和裙部。然后，该活塞通常通过传统车削工艺进行机械加工，以便移除在锻造或铸造工艺中形成的多余材料并且呈现一件式活塞的成品形状。燃烧碗优选可用于柴油发动机的活塞，它也可以在车削工艺中被机械加工到冠部的顶表面中。

其它一件式活塞首先以独立的两件形式被铸造或锻造然后再连接到一起。这可能比整件形式的活塞具有优势，因为这使得复杂的结构（例如油道）可以形成在活塞中，否则通过传统铸造或锻造工艺是不可能实现的或者至少无法实现商业化的。一旦两件被连接到一起，一件式活塞被安装在传统机械加工工具（例如机床）上，该工具将特定结构机械加工到活塞中。通常被机械加工到活塞中的结构是一个或多个用于支撑活塞环的环槽以及燃烧碗。当机械工将这些结构机械加工到活塞中时，通常将裙部的底表面用作基准平面或参考平面。燃烧碗可以具有传统的“墨西哥帽”构型，这通常与柴油发动机型活塞相关。传统形状容易通过车削成型，其中，在一个或多个操作中，切削工具将材料从碗的原始表面切削掉以实现精整加工。

发明内容

根据本发明至少一个方面的活塞在某种程度上是唯一的，因为活塞的一部分（包括燃烧碗）被铸造成包括至少一个不规则结构的成品形状，该不规则结构与中心轴间隔开并且不围绕该轴圆周地延伸。这些不规则结构可以改善活塞的性能和/或耐用性。这与用于柴油发动机应用的传统活塞不同，传统活塞缺少这些不规则结构，因为它们不能通过传统机械加工工艺形成。将燃烧碗铸造成成品形状还具有一个显著优点，因为它消除了对燃烧碗进行后续机械加工的需求。

燃烧碗被环形顶表面围绕，该顶表面被铸造成成品形状或者在铸造工艺之后但是在活塞的这部分与任意其它部分连接之前被机械加工成成品形状。于是，在制造工艺的非常早的阶段，这两个结构（燃烧碗和顶表面）被设置为其各自的成品形状。

根据本发明的一个方面，燃烧碗通过熔模铸造形成在上冠部元件中。上冠部元件的顶表面也被铸造成成品形状或者在制造工艺的非常早的阶段被机械加工成成品形状。因此，活塞制造者可以利用碗的复杂形状，如果不能通过传统机械加工技术来形成，这些复杂形状是很难被商业化的，这对后续机械加工操作造成真正的挑战，因为它具有将燃烧碗或顶表面设置成根本的基准参考平面以用于后续连接和机械加工操作的作用。对于带有传统燃烧碗形状的传统一件式活塞，这完全在机械加工工序之后，其中燃烧碗的精加工接近在活塞上进行的最后一次机械加工操作，并且参照通过更早的机械加工操作设置在活塞其它部分上的多个基准点的组合。然而，铸造工艺使得活塞制造者能够相对活塞的其它基准点精确定位顶表面和燃烧碗。于是，对于这种根据本发明将燃烧碗熔模铸造成成品形状的活塞，为了满足这种类型活塞的非常严格的所需公差范围，需要不同的机械加工操作。

根据本发明的一个方面，下冠部元件可以被铸造、锻造、由粉末金属或者通过业界公知的其它技术制造。上冠部元件和下冠部元件都优选由钢材制成，钢材的具体等级将根据具体应用、经济状况等决定。至少上冠部元件可以由AHSS（先进高强度钢）等级的钢材熔模铸造而成。下冠部元件可以由与用于上冠部元件的钢材相同或不同等级的钢材锻造而成。

附图说明

结合下列具体描述以及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他特征和优点将会更加容易理解，其中：

图1是典型活塞的上冠部元件和下冠部元件的剖面分解图；

图2是上冠部元件和下冠部元件连接后的典型活塞的剖面图；

图3是第一机械加工工艺后的典型活塞的剖面图，其示出用于机械加工的第一基准平面以及活塞被夹持在机械加工工具中的位置；

图4是第二机械加工工艺后的典型活塞的剖面图，其示出用于机械加工的第二基准平面以及活塞被夹持在机械加工工具中的位置；

图5是第三机械加工工艺后的典型活塞的剖面图，其示出用于机械加工的第三基准平面以及活塞被夹持在机械加工工具中的位置；

图6是第四机械加工工艺后的典型活塞的剖面图，其示出用于机械加工的第四基准平面以及活塞被夹持在机械加工工具中的位置；

图7是由图1‐图6依次示出的工艺成型的典型活塞的透视立体图；以及

图8是被夹持在典型机械加工工具中的典型活塞的透视立体图。

具体实施方式

图1‐图6依次示出制造根据本发明目前优选实施例的活塞20的方法，其示出成型过程的各个阶段中的活塞20。

图1示出活塞20，其包括单件式上冠部元件22和单件式下冠部元件24，其中，上冠部元件22和下冠部元件24形成为彼此分离的元件。上冠部元件22优选被精密铸造（或熔模铸造）为包括燃烧碗26，该燃烧碗具有至少一个不规则结构，该不规则结构与中心轴A径向间隔开但不以均匀方式围绕中心轴A圆周地延伸。在典型实施例中，上冠部元件22形成为带有一个凸起的不规则结构28和一个凹陷的不规则结构30。然而，应当注意，燃烧碗26可以包括任意数量的不规则结构28，30，并且这些不规则结构28，30可以呈现任意所需形状。如果需要，不规则结构甚至还可以围绕中心轴A圆周地延伸但是高度或任意其它尺寸围绕圆周变化，并且因此不以均匀方式围绕中心轴A圆周地延伸。此外，如果需要，不规则结构28，30可以以一定模式围绕中心轴A设置。上冠部元件22被这样铸造从而在铸造工艺完成后燃烧碗26处于成品形状，并且因此，燃烧碗26不需要任何后续机械加工工艺。

上冠部元件22也被铸造为包括圆周地围绕燃烧碗26的环形顶表面32以及从环形顶表面32沿着上冠部元件22的外圆周向下延伸的环带34。除了燃烧碗26，顶表面32优选被直接铸造为成品形状而不需任何后续机械加工工艺。可选地，上冠部元件22的顶表面32可以在铸造工艺完成后被精加工为成品形状。无论哪种方式，在上冠部元件22和下冠部元件24彼此连接之前，燃烧碗26和顶表面32都处于各自的最终成品形状。此外如果必要，在上冠部元件22和下冠部元件24连接到一起之前，油道38的上部36和燃烧碗26的冠部底面40可以被机械加工到上冠部元件22中，但是这些也优选被直接铸造为各自的成品形状而不需机械加工。

下冠部元件24也可以被精密铸造（或者熔模铸造），但是它可以可选地通过任意合适工艺制造，包括其它类型的铸造、锻造、粉末金属化或由坯料机械加工等。图1还示出下冠部元件24，其在最初成型之后且与上冠部元件22连接之前被预先机械加工。下冠部元件24包括油道38的下部42以及带有内表面46、外表面48和底表面50的裙部44，如同通常一件式活塞的底部的制造那样。此外，在该阶段，油道孔52（入口和出口）优选被机械加工到油道38的下部42中以便像通常那样将油（或任意其它液体）接收到油道38中和排出油道38外。然而，油道孔52可以可选地在制造工艺的后期被机械加工到下冠部元件24中。

上冠部元件22优选由钢材例如先进高强度钢（AHSS）制成，但是可以根据它的实际应用可选地由各种其它材料制成。下冠部元件24可以由与上冠部元件22相同或不同等级的钢材甚至由完全不同的材料制成。

图2示出连接到一起之后的上冠部元件22和下冠部元件24。上冠部元件22和下冠部元件24优选通过摩擦焊接、感应焊接、电阻焊接、激光焊接、电荷载子射线、钎焊、胶合、对接、机械变形等永久性地连接到一起。可选地，上冠部元件22和下冠部元件24可以通过例如螺钉或螺栓可拆卸地连接。在典型实施例中，上冠部元件22和下冠部元件24通过摩擦焊接彼此连接。

图3示出上冠部元件22和下冠部元件24连接到一起之后的下一精加工工序。活塞20被夹持在机械加工工具54，例如图8所示的计算机数控（CNC）机床中，该机械加工工具54被夹在环带34的顶部外径上。然后，机械加工工具54定位预加工的顶表面32或者预加工的燃烧碗26的一部分并且将它的位置设置为第一基准平面，即顶表面32或者燃烧碗26用作在机械加工工具54中定位活塞20以便通过机械加工工具54进行机械加工操作的参考平面。在图3中以三角形示出夹具和第一基准平面的位置。一旦适当地夹持和定位，基于基准平面进行机械加工操作（例如车削）以将至少一个环槽56机械加工到环带34中并且限定裙部44的外径的至少一部分。在典型实施例中，两个环槽56在制造工艺的该阶段被机械加工到环带34中。

图4示出典型机械加工工艺的下一工序。由图3得到的活塞20被从机械加工工具54拆下来，并且沿着裙部44的外径夹到同一或不同机械加工工具54上。在典型工艺中，机械加工工具54然后定位裙部44的底表面50或者其它任意表面，并且将它的位置设置为第二基准表面。一旦活塞20被适当地安装和定位，机械加工工具54继续精加工环带34中的所有环槽56以及邻近环槽56的槽岸58。此外，在典型工艺中的此阶段，机械将冠部槽岸58的直径精加工为其成品形状，该直径之前在图3示出的步骤中被夹持在机械加工工具54中。

图5示出在活塞20上进行的下一机械加工操作。将机械加工工具54从与裙部44的外径接合状态释放，并且活塞20被沿着最上环槽56之间的顶部槽岸58的外径夹持在同一或不同机械加工工具54中。接下来，机械加工工具54定位环形顶表面32并且将它的位置设置为第三基准平面。一旦活塞20被适当地安装和定位，机械加工工具54将销孔60（包括埋头孔）和簧环直径机械加工成它们的成品形状，该簧环直径适于容纳簧环（未示出）以将活塞20连接到活塞销（未示出）。

现在参照图6，其示出在活塞20上进行的下一机械加工操作。活塞20再次被从机械加工工具54上释放并且被沿着其顶部槽岸58的直径夹持到同一或不同机械加工工具54上。机械加工工具54定位活塞20的环形顶表面32并且将它的位置设置为第四基准平面。然后机械加工工具54将槽岸58中的至少一个精加工为成品形状并且将裙部44的外表面精加工为成品形状。

图7示出由该工艺成型的典型活塞20。如图所示，燃烧碗26具有带有凸起的不规则结构28和凹陷的不规则结构30的复杂形状，其中每个将是难以商业化的，如果不能通过传统机械加工技术（例如车削）成型为成品形状。燃烧碗26的表面的复杂形状可以有利地通过精密铸造工艺以倒像设置在冠部底面40上，并且活塞20可以在这些复杂结构上保持相对均匀的壁厚。如果需要，燃烧碗26表面可以被喷砂以改善表面（例如减少孔隙），并且这可以在工艺初期（在上冠部元件22和下冠部元件24连接之前）、机械加工工艺末期或者其间的任意阶段进行。

显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。

Claims (31)

1.一种制造活塞的方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备铸造的单件式上冠部元件，其具有被铸造为成品形状的燃烧碗以及邻近燃烧碗成品形状的顶表面；

以与上冠部元件分离的元件形式制备下冠部元件；

将上冠部元件和下冠部元件连接到一起；

将上冠部元件的顶表面或者燃烧碗的一部分设置为用于至少一个后续机械加工操作的基准平面；以及

基于基准平面对连接在一起的上冠部元件和下冠部元件的除了所述顶表面和燃烧碗之外的至少一部分进行机械加工。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，成品形状的燃烧碗包括至少一个不规则结构，该不规则结构与中心轴径向间隔开且围绕中心轴小于圆周地延伸或者围绕中心轴以不均匀方式圆周地延伸。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个不规则结构是凸起。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个不规则结构是凹陷。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上冠部元件的顶表面也被铸造为成品形状，并且上冠部元件的顶表面被设置为基准平面。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，下冠部元件以单件形式形成，并且包括裙部和一对销座。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括在将顶表面或者燃烧碗的一部分设置为基准平面的步骤之前，将机械加工工具夹持到活塞的顶部外径上的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，机械加工活塞的至少一部分被进一步限定为机械加工至少一个环槽到活塞的外径上。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括将活塞与机械加工工具拆开并且将同一机械加工工具或另一机械加工工具夹持到裙部的外表面上的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，基于顶表面或者燃烧碗的一部分的基准平面是第一基准平面，并且进一步包括将裙部的表面设置为第二基准表面的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，第二基准表面是裙部的底表面。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括基于第二基准表面机械加工环槽中的至少一个和邻近环槽的至少一个槽岸区域的步骤。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括将活塞与机械加工工具拆开并且夹持同一机械加工工具或另一机械加工工具到邻近环槽的槽岸中的一个上的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括将顶表面或者燃烧碗的一部分设置为第三基准平面并且基于第三基准平面机械加工销孔的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括将槽岸中的一个与机械加工工具拆开并且夹持同一机械加工工具或者另一机械加工工具到槽岸中的一个上的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将顶表面或者燃烧碗的一部分设置为第四基准平面并且基于第四基准平面机械加工环槽、槽岸和裙部中的至少一个的步骤。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，活塞包括完全由上冠部元件和下冠部元件形成的油道。

18.一种制造用于柴油发动机的活塞的方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备铸造的第一冠部部分，其具有分别被铸造成成品形状的燃烧碗和顶表面，并且其中燃烧碗具有至少一个不能通过车削工艺机械加工的不规则结构；

以与第一冠部部分分离的元件形式制备第二冠部部分和裙部，并且其中裙部具有销孔和底表面；

将第一冠部部分和第二冠部部分连接到一起以形成一体的活塞，第一冠部部分的顶表面与裙部的底表面朝向相反方向；

将顶表面或者燃烧碗的一部分设置为第一基准平面；

基于第一基准平面机械加工活塞的外表面以形成至少一个环槽和邻近至少一个环槽的至少一个槽岸；

将裙部的底表面设置为第二基准平面；

基于第二基准平面机械加工至少一个环槽和至少一个槽岸；

将顶表面或燃烧碗的一部分设置为第三基准平面；以及

基于第三基准平面机械加工裙部的销孔。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，至少一个不规则结构是凸起。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，至少一个不规则结构是凹陷。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括将顶表面或者燃烧碗的一部分设置为第四基准平面的步骤。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括基于第四基准平面机械加工环槽、槽岸和裙部中的至少一个的步骤。

23.一种制造活塞的方法，其特征在于，包括：

制备具有铸造的上冠部的活塞坯料，该上冠部具有铸造的顶表面和铸造的燃烧碗；以及

将铸造的顶表面或铸造的燃烧碗设置为基准平面，然后机械加工除了铸造的顶表面或铸造的燃烧碗之外的活塞的至少一部分，实现对活塞的机械加工。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，铸造的燃烧碗包括至少一个不规则结构，该不规则结构与活塞的中心轴径向间隔开且围绕中心轴小于整个圆周地延伸或者围绕中心轴以不均匀方式圆周地延伸。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，至少一个不规则结构是凸起。

26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，至少一个不规则结构是凹陷。

27.一种活塞，其特征在于，包括：

由铸造金属制成的上冠部部分，其具有顶表面和燃烧碗；

以一件式制成的下冠部部分，其具有活塞裙部和至少一个销座；以及

所述活塞具有机械加工的表面和非机械加工的表面，并且所述非机械加工的表面至少包括铸造形式的所述燃烧碗。

28.如权利要求27所述的活塞，其特征在于，所述上冠部部分的所述顶表面是非机械加工的表面。

29.如权利要求27所述的活塞，其特征在于，铸造形式的所述燃烧碗包括至少一个与中心轴径向间隔开的不规则结构。

30.如权利要求29所述的活塞，其特征在于，所述至少一个不规则结构包括至少一个凸起。

31.如权利要求29所述的活塞，其特征在于，所述至少一个不规则结构包括至少一个凹陷。

Images