CN100516491C - 大功率柴油机活塞及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大功率柴油机活塞及制备方法，针对带镶圈内冷油道，功率600-2000马力的大功率活塞存在头部热负荷大、温度较高、废气压力偏高的问题。本发明在已有大功率柴油机活塞结构的基础上进行结构改变，主要改变活塞的型线，第一环槽位置、内冷油道位置和将内冷油道设为不同形状的环形，降低活塞头部工作温度和废气压力、提高发动机的功率，降低成本，提高成品率。本发明还提供了活塞的金属型重力整体铸造或挤压铸造整体铸造制备方法，不必分部件制造，再行电子束焊接成型。提高了产品的成品率，提高活塞的工作功率和可靠性。本发明的大功率柴油机活塞及方法所用的活塞合金可以是铝合金，也可是铝基复合材料。本发明所制备带镶圈内冷油道活塞耐高温、耐磨损、耐疲劳、尺寸稳定性好，满足大功率柴油机对活塞的要求。

Description

大功率柴油机活塞及其制备方法

技术领域

本发明涉及大功率柴油机活塞及其制备方法，主要涉及带镶圈内冷油道的大功率柴油机活塞及其制备方法。

背景技术

大功率发动机活塞的实际工作条件对活塞裙部和头部具有不同的要求，活塞头部与燃烧室相连，其工作温度在350℃以上，而活塞裙部由于有空气和油的冷却，工作温度150℃左右，活塞各部分的工作温度如图1所示。由于工作温度不同，材料在工作时的体积膨胀性不同，对材料的性能要求和活塞的结构要求就相当严格。大功率活塞以前头部采用铸造成型，裙部采用锻压成型，用电子束焊接将两部分连接，这种工艺制造活塞不但产品的废品率很高，而且影响活塞的工作功率和可靠性。

已有大功率柴油机活塞结构，由于第一环槽太高、内冷油道太低，因此减弱了油对活塞顶部的冷却作用。加之活塞的配缸间隙太大、活塞的型线不利于活塞在高温下运转，从而增大发动机的废气压力、降低发动机功率。

文献检索发现，国内外关于柴油机活塞的文献很多，但关于带镶圈内冷油道的大功率柴油机活塞结构设计和整体铸造技术尚未见报道。李风义和李志林在《铸造》1999第6期发表了“铸铁/铝合金复合镶铸活塞的研制”一文，该文报道了带镶圈活塞的整体铸造技术，该文报道的活塞属于一般柴油机活塞，其活塞直径小于120mm，并且活塞内没有内冷油道，与本发明的活塞不相关；专利申请号为200310120801.3报道了“一种发动机活塞用铝基材料”，该专利主要是针对活塞材料的研究，与本发明的新型活塞结构不相关；孙海亭在《小型内燃机》1998年第05期发表了“高温强度和耐磨性优良的粉末冶金铝合金活塞”一文，该文中报道的材料均采用成本高的粉末冶金成型，与本发明活塞金属型整体铸造技术不相关；发明人为李秉哲、王汝耀等人的中国专利85108934披露了“一种铝硅铜镁镧钛活塞合金”，该专利主要是针对活塞材料的研究，与本发明的新型活塞结构及其整体铸造技术不相关。

经在现有的信息系统和网络中检索，尚未发现有与本发明相同的文献报道。

发明内容

本发明结合活塞的具体工作条件设计活塞的结构和生产工艺，其目的是降低活塞头部工作温度和废气压力、提高发动机的功率，同时降低制造成本，提高活塞的成品率，制备满足大功率柴油机(功率600-2000马力)所需要的活塞。

本发明的实现是在大功率柴油机活塞，带镶圈内冷油道，功率为600-2000马力的已有大功率活塞结构的基础上改变活塞的第一环槽的位置、内冷油道位置和形状，第一环槽的位置：距活塞顶部1端面的距离为20.7～23.5mm±0.15mm，见图2。活塞的内冷油道位置：距活塞底部4底面的距离为107.6～113.2mm，内冷油道为环形，其剖面形状为似蛋形或圆角矩形，见图2和图4。

该结构的改变可以降低第一环槽位置、升高内冷油道位置，加强油对活塞顶部的冷却作用，降低活塞顶部的温度和热负荷。

本发明的实现还在于大功率柴油机活塞的活塞配缸间隙：0.022～0.016mm；活塞的型线：第一环槽椭圆量由0.09mm渐变为0.05mm；第二环槽椭圆量由0.16mm渐变为0.11mm；第三环槽为正圆段；裙部渐变为椭圆段。

该结构的改变可以减小活塞的配缸间隙、活塞型线的改变有利于活塞在高温下运转，从而减少发动机的废气压力、降低发动机功率。

本发明的实现还在于大功率柴油机活塞的制备方法，其特征在于：采用整体铸造一次成型，包括整体重力铸造和挤压铸造。

该制备方法可以一次成型，整体铸造，不必分部件制造，电子束焊接成型，提高产品的成品率，提高活塞的工作功率和可靠性。

本发明的实现还在于大功率柴油机活塞的制备方法，为金属型整体重力铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注。

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，该模具的结构同本发明所述的活塞结构，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配，见图3；

5).将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中

6).浇注，浇注温度760℃，5分钟脱模。

本发明的实现还在于为大功率柴油机活塞的挤压铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，经精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配；

5).将预热温度为300℃内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，挤压压强80MPa，保持40秒后取出。

本发明的实现还在于大功率柴油机活塞，其特征在于：所用的活塞材料可以是铝合金或铝基复合材料。

本发明结合活塞的具体工作条件设计大功率发动机活塞的结构和成型工艺，对带镶圈内冷油道，功率为600-2000马力的已有大功率活塞的结构进行了改进，即活塞的第一环槽的位置、内冷油道位置和形状、活塞配缸间隙和型线的改变。并采用了整体重力铸造和挤压铸造方法一次成型。解决了现有活塞第一环槽太高、内冷油道太低，以及活塞的配缸间隙太大、活塞的型线不利于活塞在高温下运转，从而增大发动机的废气压力、降低发动机功率的问题。提供了一种结构优化，可以有效提高活塞顶部的抗热性能、降低活塞顶的工作温度、降低废气压力的大功率柴油机活塞，同时提供这种大功率柴油机活塞的整体铸造技术，可以有效地降低活塞的制造成本，提高成品率和发动机的功率。

附图说明

图1：已有技术中活塞不同部位的工作温度示意图；

图2：本发明活塞镶圈、第一环槽位置和内冷油道芯的位置示意图；

图3：本发明活塞整体铸造模具装配图；

图4-1：本发明活塞的内冷油道剖面形状之一尺寸图；

图4-2：本发明活塞的内冷油道剖面形状之二尺寸图。

具体实施方式

实施例一：参见图2，功率为800马力，带镶圈内冷油道的活塞，其第一环槽2的位置距活塞顶部1端面的距离为20.7mm±0.15mm；活塞的内冷油道3位置距活塞底部4底面的距离为107.6mm，内冷油道3为环形，其剖面形状为似蛋形，其尺寸见图4-1。活塞材料为铝合金，活塞的制备方法为金属型整体重力铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，该模具的结构同本发明所述的活塞结构，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配；

5).将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，5分钟脱模。

与通常同功率的柴油机活塞相比，该活塞具有活塞顶部的工作温度降低和热负荷低，发动机废气压力小，满足大功率柴油机(功率800马力)对活塞的要求。

实施例二：活塞的结构尺寸、材料和制备方法均同实施例一，活塞的型线：第一环槽椭圆量由0.09mm渐变为0.05mm；第二环槽椭圆量由0.16mm渐变为0.11mm；第三环槽为正圆段；裙部渐变为椭圆段。活塞的配缸间隙0.022mm。

实施例三：参见图2功率为800马力，带镶圈内冷油道的活塞，其第一环槽2的位置距活塞顶部1端面的距离为22.0mm±0.15mm；活塞的内冷油道位置距活塞底部4底面的距离为109.4mm，内冷油道3为环形，其剖面形状为似蛋形，其尺寸见图4-1。活塞材料为铝合金，活塞的制备方法同实施例一。与通常同功率的柴油机活塞相比，该活塞具有活塞顶部的工作温度降低5％，发动机废气压力小，满足大功率柴油机(功率800马力)对活塞的要求。

实施例四：活塞的结构尺寸、材料和制备方法均同实施例三，活塞的型线：第一环槽椭圆量由0.09mm渐变为0.05mm；第二环槽椭圆量由0.16mm渐变为0.11mm；第三环槽为正圆段；裙部渐变为椭圆段。活塞的配缸间隙0.018mm。

实施例五：活塞的结构尺寸、材料和制备方法均同实施例三，活塞的型线：第一环槽椭圆量由0.09mm渐变为0.05mm；第二环槽椭圆量由0.16mm渐变为0.11mm；第三环槽为正圆段；裙部渐变为椭圆段。活塞的配缸间隙0.016mm。

实施例六：活塞的结构尺寸、材料、型线、配缸间隙和制备方法均同实施例三，内冷油道为环形，其剖面形状为圆角矩形，其尺寸见图4-2。

实施例七：功率为600马力，活塞的结构尺寸、材料、型线、内冷油道的剖面形状、配缸间隙和制备方法均同实施例五。带镶圈内冷油道的活塞，其第一环槽的位置距活塞顶部1端面的距离为23.2mm±0.15mm；活塞的内冷油道位置距活塞底部4底面的距离为113.2mm。该活塞与通常同功率的柴油机活塞相比，该活塞具有活塞顶部的工作温度降低8％，发动机废气压力减少4％。

实施例八：参见图2，功率为600马力，带镶圈内冷油道的活塞，其第一环槽的位置距活塞顶部1端面的距离为20.7mm±0.15mm；活塞的内冷油道位置距活塞底部4底面的距离为110mm，内冷油道为环形，其剖面形状为似蛋形，其尺寸参考图4-1。活塞材料为铝合金，活塞的制备方法为金属型整体重力铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，该模具的结构同本发明所述的活塞结构，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配；

5).将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，5分钟脱模。

与通常同功率的柴油机活塞相比，该活塞具有活塞顶部的工作温度降低和热负荷低，发动机废气压力小，满足大功率柴油机(功率600马力)对活塞的要求。

实施例九：活塞的结构尺寸、材料、型线、内冷油道的剖面形状和配缸间隙均同实施例六，其制备方法为：

1).熔配活塞铝合金液，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710℃的铝液浸渗10分钟；

4).装配金属型模具，该模具的结构同本发明所述的活塞结构，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配，如图3所示；

5).将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，5分钟脱模。

实施例十：活塞及制备方法同实施例八，不同之处是：步骤3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为730℃的铝液浸渗40分钟；

实施例十一：活塞及制备方法同实施例八，不同之处是：步骤3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为780℃的铝液浸渗5分钟；

实施例十二：活塞及制备方法同实施例八，不同之处是：步骤3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为740℃的铝液浸渗20分钟；

实施例十三：活塞及制备方法同实施例八，不同之处是：步骤1).熔配活塞的材料为铝基复合材料液。

实施例十四：功率为1200马力，带镶圈内冷油道的活塞，其第一环槽的位置距活塞顶部1的距离和活塞的内冷油道位置距活塞底面4的距离以及内冷油道3的形状如同实施例三，活塞的型线：第一环槽2椭圆量由0.09mm渐变为0.05mm；第二环槽椭圆量由0.16mm渐变为0.11mm；第三环槽为正圆段；裙部渐变为椭圆段，活塞的配缸间隙0.018mm。活塞材料为铝基复合材料。活塞的制备方法为挤压铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，经精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配；

5).将预热温度为300℃内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，挤压压强80MPa，保持40秒后取出。

与通常同功率的柴油机活塞相比，该活塞具有活塞顶部的工作温度降低8％，发动机废气压力减少15％，满足大功率柴油机(功率1200马力)对活塞的要求。

实施例十五：活塞的结构尺寸、材料、型线、内冷油道的剖面形状和配缸间隙均同实施例六，其制备方法为：

1).熔配活塞铝合金液，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710℃的铝液浸渗10分钟；

4).装配金属型模具，该模具的结构同本发明所述的活塞结构，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配，如图4所示；

5).将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，5分钟脱模，挤压压强80MPa，保持40秒后取出。

Claims (6)

1.一种大功率柴油机活塞，带镶圈内冷油道，功率为600-2000马力，其特征在于：在已有大功率柴油机活塞结构的基础上改变活塞的第一环槽(2)的位置、内冷油道位置和形状，第一环槽的位置：距活塞顶部(1)端面的距离为20.7～23.5mm±0.15mm；活塞的内冷油道位置：距活塞底部(4)底面的距离为107.6～113.2mm，内冷油道(3)为环形，其剖面形状为似蛋形或圆角矩形。

2.根据权利要求1所述的大功率柴油机活塞，其特征在于：活塞的配缸间隙：0.022～0.016mm；活塞的型线：第一环槽(2)椭圆量由0.09mm渐变为0.05mm；第二环槽椭圆量由0.16mm渐变为0.11mm；第三环槽为正圆段；裙部渐变为椭圆段。

3.根据权利要求1或2所述的大功率柴油机活塞，其特征在于：所用的活塞合金是铝合金或铝基复合材料。

4.制备权利要求1或权利要求2所述的大功率柴油机活塞的方法，其特征在于：采用整体铸造一次成型，包括整体重力铸造或挤压铸造。

5.根据权利要求4所述的制备大功率柴油机活塞的方法，其特征在于：制备方法为金属型整体重力铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，该模具的结构同权利要求1或2中所述的活塞结构相同，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配；

5).将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，5分钟脱模。

6.根据权利要求4所述的制备大功率柴油机活塞的方法，其特征在于：制备方法为挤压铸造方法，具体制造步骤为：

1).熔配活塞铝合金或者铝基复合材料液，经精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；

2).预热金属模具，将内模预热温度控制在300℃，外模具预热温度控制在250℃；

3).将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；

4).装配金属型模具，先将镶圈装入内模，接着按活塞模具装配图装配；

5).将预热温度为300℃内冷油道芯放入铸型中；

6).浇注，浇注温度760℃，挤压压强80MPa，保持40秒后取出。

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