CN105121056B - 具有锻造的复杂形状油腔的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包含有油腔的钢活塞和成型这种钢活塞油腔通道的工艺，该油腔通道的形状相应于活塞头中燃烧碗的复杂形状。首先，油腔通道通过锻造形成与燃烧碗壁形状相应的基本形状。冷却油腔的机械车削表面可以通过机加工按要求形成。油腔中不能进行传统车削工艺加工的表面，例如凹陷和凸起仍保留原锻造状态。

Description

具有锻造的复杂形状油腔的活塞

技术领域

本发明涉及内燃机用的活塞,尤其是柴油机用的活塞，特别是有油腔的活塞。

背景技术

众所周知，内燃机，尤其是柴油机具有活塞，活塞的本体上形成有一道封闭的冷却油腔。冷却油在该油腔中循环并冷却活塞易受燃烧过热损坏的部分。燃烧碗上边缘当过热时尤其易受损害。

冷却油腔通常具有环形的等截面并位于活塞环带内部邻近活塞本体的顶壁和边缘。该油腔以邻近燃烧碗的内壁为界。油腔既能够开启也能闭合。如果闭合，油腔通道由一个底壁在底部闭合。对于关闭的油腔，在底壁中可以设入口用来将冷却油导入到油腔，或者通过其它方式向油腔供应冷却油。

传统的内燃机燃烧碗具有圆对称的形状和自外边缘至底部中心都很光滑完整的表面。但是，如今新型的燃烧碗被设计成非传统和复杂的形状。采用这些非传统的形状被理解为是为了提高燃料燃烧效率和减少不利的排放物。然而，这种复杂的燃烧碗形状使具有传统活塞油腔的燃烧碗及其边缘的冷却变得更加困难。传统车削机加工不能将油腔加工成与复杂形状的燃烧碗相似或相应的形状。

由于燃烧碗和油腔结构的不同产生明显不同的壁厚，或者由于壁太厚而不能被油腔中循环的油充分冷却，那么在活塞上就会产生“热点”而导致热点上的材料过热。热点区域会在活塞上产生致材料破裂或失效的薄弱点。如果活塞失效就会导致发动机失效，这样就会产生大的花费甚至可能需要给车辆换一个新的发动机。

本发明的一个目标是提供一个锻钢油腔及制造方法，这种锻造油腔能顺应非传统复杂形状的燃烧碗并保持薄且均匀的壁厚，从而防止过热问题。

发明内容

本发明提供了一种包含油腔的具有复杂形状燃烧碗的锻钢活塞及油腔的成型方法，使燃烧碗和油腔之间的壁厚基本均匀。本发明减少或消除热点并使油腔中的油将活塞边缘和其它区域以及燃烧碗的温度保持在可接受的温度范围内。

油腔形状相同或基本类似于燃烧碗的复杂形状。油腔的成型先是通过锻造，然后由传统车削工艺机加工以尽可能扩大油腔和完成特定表面的加工。油腔中那些不能通过传统车削机加工完成的区域和表面，比如上凹陷和凸起，则保留其最初的锻造状态。在车削机加工中，朝向燃烧碗边缘沿油腔的形状延伸形成一环形槽。

这里所用的术语“复杂”所涉及的活塞头燃烧碗的形状为非传统成形，包括其外周，或其外周内部以及两者兼具。该“复杂”形状涉及燃烧碗所有形状而非传统形状，例如燃烧碗中或其外周或既包括该碗中也包括其外周的边缘具有直边，曲线，圆弧部分，或者有凸包，突出物，肋，凹陷或者类似形状包含于燃烧碗中，或者在燃烧碗外周或者两者兼有。一般来说，复杂形状就是不能由传统车削机加工形成的任意形状。

本发明优选用于柴油机的活塞，当然也能用于其它任何内燃机的活塞以及用于采用气体或者液体燃料的发动机。

活塞头一旦成型后，就与活塞的第二部分相结合以形成完整的活塞。活塞第二部分通常包括剩余的侧壁和销孔。活塞头和第二部分可以用任何已知的方式连接，但最好通过摩擦焊接，这种类型的连接工艺例如，已经在如美国专利号6，260，472中公开。

附图说明

结合附图和以下的详细描述，可以更容易地理解本发明的这些和其它特征和优点：

图1示出一个含有封闭油腔的活塞；

图2A，图2B和图2C给出三种通用类型复杂的燃烧碗的示意图。

图3是一个活塞头的俯视示意图，说明了一种具有代表性的燃烧碗的复杂形状。

图4是沿图3所示活塞头的4-4线和箭头方向的横截面图。

图5是油腔至少一表面经过车削机加工后的与图4所示活塞头相似的另一个横截面图。

图6是按照本发明的***和方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

如果燃烧碗具有图1所示的复杂形状，那么本发明可用于一代表性活塞100。该活塞100包括一活塞头10和下部102，该下部包含侧壁104和销孔106。活塞头10与下部102最好是通过摩擦焊固定在一起，以形成完整的活塞100。

活塞100有一油腔，油在其中循环以保持活塞——特别是上表面、燃烧碗及其外缘的温度，处于可以接受的范围内。该油腔有一道开在头部10的油腔通道105。正如现有技术所知，该油腔既可以打开也可以关闭。如果关闭，油腔的底壁通常就属于下部102的一部分。

如图3所示为具有代表性的复杂燃烧碗12的一个活塞头10。该燃烧碗12的形状基本上是一个方形的，具有四个侧面15、16、17和18。如图所示的形状中，四个侧面是直面，拐角21、22、23和24倒有圆角。

应该理解，燃烧碗的形状和侧面15-18的形状仅仅是一种复杂形状燃烧碗的例子。按照本发明，燃烧碗可以有任意周长或内部形状，有任意数量的侧面或侧部。侧面和内表面可以是任意形状，例如如图所示的直面，或曲面，圆弧面，或者有的截面或部分是垂直的，曲面的，圆弧的，或者有鼓包，突起，凹陷，肋等类似形状。另外，拐角21-24，或者侧面的交叉处或连接处，可以是任意形状，可以从该碗凸出或凹入。

该活塞燃烧碗的形状可以如图2A所示在***复杂，也可以如图2B所示在内部区域径向复杂，或者如图2C所示在***和内部区域都复杂。图2A，图2B，图2C代表了复杂形状燃烧碗的三种通用类型。本发明提供一种冷却油腔，其油腔通道可与这种复杂形状的燃烧碗相适应。

该活塞头和整个活塞使用的是钢材料。活塞头10的形状是锻造成型的。

按照本发明的一个较好实施例，加工活塞头中油腔通道的工序与 燃烧碗相同或部分相同。在具体实施例中，油腔通道先采用锻造加工，然后采用机加工。

按照本发明的一个较好实施例，成型燃烧碗的锻造模具与成型油腔通道的模具具有相适应的形状。这两个模具具有相互配合的相似的直段和相似的曲段。

图4所示为活塞头10经过锻造工序后的横截面图。锻造工序成型一油腔通道30，该槽并不一定有均匀的圆周宽度W和均匀的深度D。该油腔通道30在燃烧碗的侧面距离活塞头外表面最远处，其宽度较宽。这些区域由图3中标记40标注。类似的，油腔通道30最窄的部分在侧面部分的交叉或拐角处。

锻造成型的油腔通道30的深度D取决于在锻造工序中使用的锻造模具。锻造模具进入活塞头的深度有一个实际限制。锻造模具在被替换或维修前能够重复使用。

按照本发明的一个较好实施例，作为油腔成型的后续工序,油腔被机加工成的形状如图5所示。在机加工的一个工序中，50所代表的加工工具伸入由锻造工序成型的油腔通道30(箭头52的方向)，用来完成油腔通道外表面的加工和形成环绕整个燃烧碗的环形槽60。这道机械车削加工使油腔通道向活塞头的上段(靠近活塞顶部环槽、邻近上表面或者边缘80)延伸。加工完毕的环形槽60沿最初锻造成型的油腔通道30的上方延伸。

“机械车削”或简称“车削”是一种机械加工方法，这种方法是用一种切削工具，通常是一非旋转刀具按照直线移动而工件旋转——例如在车床上。机械车削工序可以应用于工件内表面或外表面的切削或精加工操作。在加工一些油腔通道的表面时，机械车削完成或形成内表面。

机械车削工序可以用来加工和完成油腔通道30的一些内表面加工，例如表面31。由于油腔中的复杂形状要顺应燃烧碗的复杂形状，油腔内表面上可以通过锻模锻造成型许多凸起和凹陷。由于机械加工中采用车削工序，凹陷和凸起之间的区域在此工序中被留下来不加工(即未机加工)。图5所示油腔内表面32和33就是未被加工而保持锻造以后的初始情况。

如图3所示，加工完成的环形槽60外圆周由虚线60’表示。另外，加工完成的复杂形状油腔的内表面(例如表面31)由虚线30’表示。留下来未加工完成的区域(即凹陷)由图5中标记32和数字33表示。图4所示的油 腔通道30如可以由锻模形成。

在标准的锻造加工过程中，活塞头10下表面上的油腔通道成型的同时，另一个锻模则在活塞头上表面或上侧成型具有复杂形状的燃烧碗。

该创造性的工序使得在一个活塞上形成一个环形油腔，而其内周形状与具有复杂形状的燃烧碗的外周形状相似或基本相同。这样就减小了燃烧碗12和油腔间的壁厚70，同时使围绕燃烧碗外侧的壁厚均匀。受加工工序和锻造工序实际条件的限制，围绕燃烧碗周围的所有壁的壁厚达不到完全相同。然而，本发明可以使壁厚70在实际围绕整个油腔时尽可能薄且均匀。这使得当活塞加工完成，油腔中灌注油后，能将燃烧碗壁表面和边缘80的温度保持在合适的范围内，避免出现有害的热点。

采用本发明，能够减少或者消除会产生热点的厚壁段。活塞过热的区域(也叫“热点”)会产生导致破裂或失效的薄弱点。而活塞这种方式的失效会产生昂贵的修理费或者可能需有更换发动机。

当壁厚相对薄且均匀时会使活塞达到最优的冷却效果。薄壁的活塞还能减轻重量从而减少发动机上的应力。从而降低里程油耗和减少有害排放物。

图6表示一种形成与活塞头上复杂燃烧碗的形状相适应的活塞头的油腔通道的优选方法的流程图108。首先，活塞头用钢材料制造，这可以通过任意的传统制造工艺加工。

其次，如工序112所示，在活塞头顶面或上部形成复杂形状的燃烧碗。这道工序通过钢锻造工艺完成。

同时或者紧接着，在活塞头底面或下部形成油腔通道30，其形状与燃烧碗相似或者相适应。如框114所示，这道工序仍旧采用锻造工艺，并且最好与锻造燃烧碗同时进行。

最后，活塞头油腔通道通过机械加工工序116扩大尺寸，拉近与活塞头和燃烧碗的上表面的距离。在这道工序中，通过刀具形成一个环形槽60，通过车削加工完成的油腔通道的其它表面(即，除了凹陷和凸起之间的区域)可以按要求成形。

尽管本发明是针对上述实施例进行描述，但应该理解，本发明并不局限于此，还存在着许多其它的修改和变化。只要在随后所附的权利要求的范围之内，本发明还可以采用不同于这里所特别指定的方式实施。

Claims (18)

1.一种活塞，包括：

下部件，包括侧壁和销孔；

上部活塞头，与下部件相结合，所述上部活塞头由锻钢制成，其上部有一燃烧碗，下部有一个油腔通道，该油腔通道包括至少一个车削加工的壁面和至少一个锻造而非机加工成型的凹部，所述凹部朝向活塞纵轴径向向内凹陷，所述凹部有多个，该凹部被车削加工的壁面节段沿周向相互隔开。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述凹陷的非机加工的凹部有多个，该凹部在油腔通道中沿周向均匀间隔分布。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，至少一个车削加工的壁面向上轴向延伸到至少一个凹部的上方。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述油腔通道具有一完全由车削加工的壁面制成的外壁。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，车削加工的外壁向上轴向延伸到至少一个凹部的上方。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该油腔通道有一个完全由车削壁面形成的最高的区域。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，该油腔通道是活塞中的封闭油腔的一部分。

8.一种活塞，包括：

下活塞头；

上活塞头，与下活塞头相结合，所述上活塞头由锻钢制造，上部有一个燃烧碗，下部有一油腔通道，所述油腔通道包括一个车削加工的壁面，该壁面和至少一个锻造而非机加工成型的凹部相结合，该凹部相对于机械车削表面凹陷，所述凹部有多个，该凹部被车削加工的壁面节段沿周向相互隔开。

9.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，一段车削加工壁面延伸到至少一个所述凹部上方。

10.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，一段车削壁面延伸到多个凹部上方。

11.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述油腔通道包括一径向外壁，该外壁完全由机械车削壁面的相应节段构成。

12.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述油腔通道包括一最高区域，该区域全部由机械车削壁面的相应节段构成。

13.一种内燃机用活塞，包括：

钢活塞头，具有复杂形状燃烧碗；

油腔通道，位于活塞头中，其形状相应于燃烧碗的复杂形状，所述油腔通道的形状由锻造而成，该油腔通道包括至少一个车削加工的壁面和至少一个锻造而非机加工成型的凹部，所述凹部朝向活塞纵轴径向向内凹陷，所述凹部有多个，该凹部被车削加工的壁面节段沿周向相互隔开；

活塞下部，与所述活塞头相结合，具有侧壁和销孔。

14.根据权利要求13所述的活塞，其特征在于，锻造成型的油腔通道中可通过传统车削工艺加工的表面为机加工而成。

15.根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，不能通过传统车削工艺加工的锻造表面不进行机加工而保留锻造状态。

16.一种在钢制活塞头中形成油腔通道的方法，所述方法包括以下步骤：

用钢材料制造活塞头；

采用锻造工艺在活塞头的上表面形成一个具有复杂形状的燃烧碗，

通过锻造工艺在所述活塞头的下表面形成一个复杂形状的油腔通道，该油腔通道的形状相应于燃烧碗的复杂形状，该油腔通道包括至少一个车削加工的壁面和至少一个锻造而非机加工成型的凹部，所述凹部朝向活塞纵轴径向向内凹陷，所述凹部有多个，该凹部被车削加工的壁面节段沿周向相互隔开。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，油腔通道中不能通过传统车削工艺完成的表面保留其锻造状态。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，至少一个车削表面轴向延伸至锻造油腔上方。