CN103429366B - 内燃机活塞的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由钢构成的内燃机活塞（1）的制造方法，其中以锻造方法制造活塞上部件（3）并且以锻造方法或铸造方法制造活塞下部件（4）然后将它们相互焊接在一起。为了简化制造工艺并且降低制造成本借助于半热成型的方法这样锻造完成活塞上部件，即，可以省略掉对活塞顶凹坑和冷却通道的上部区域的进一步加工。

Description

内燃机活塞的制造方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机活塞的制造方法，该方法具有下面的工艺步骤：
-以锻造方法由调质钢制造活塞上部件，该活塞上部件具有设有活塞顶凹坑的活塞顶、成型在活塞顶的径向外侧的指向下的环形壁和设置在该环形壁的径向上内部的、成型在活塞顶的底侧上的、环形的支撑部，其中，环形壁和支撑部之间构成冷却通道的上面部分，
-以锻造方法或铸造方法由钢制造活塞下部件，该活塞下部件具有两个相互对立的、经由两个相互对立的销毂彼此连接在一起的活塞裙部件、设置在活塞下部件的顶侧上的、环形的并且与销毂相连的支座和环绕的、设置在支座的径向上外部的并且与活塞裙部件相连的环形肋，其中，支座和环形肋之间构成冷却通道的下面部分，
-经由彼此相接触的环形壁的支承面和环形肋的支承面以及支撑部的支承面和支座的支承面将活塞上部件与活塞下部件进行焊接，对此，闭合由活塞上部件和由活塞下部件所构成的冷却通道，
-借助切削加工的制造方法最后加工活塞。
背景技术
通常由现有技术已知可以这样由钢制造内燃机活塞，即，首先以锻造方法制造活塞上部件和以锻造方法或者通过铸造方法制造活塞下部件，然后将活塞上部件和活塞下部件焊接在一起。对此可以参阅专利文献DE 195 01 416 A1、DE-OS 29 19 638、DE 196 03 589 A1和DE 198 46 152 A1。对此应用热成型的方法，即，在950℃至1300℃的钢温度下使用热锻方法。
该方法有不足之处，为了加热锻造毛坯需要高的能量消耗。除此之外在锻造毛坯的表面形成不能控制的氧化层，为了清除该氧化层必须用粗糙的喷丸材料喷射锻造毛坯的表面。由此出现锻造轮廓的大的波动，因此结果是需要借助切削加工方法对锻造毛坯进行成本高的精加工。
发明内容
因此本发明的目的在于，避免所述的现有技术的不足之处，其中，特别是需要避免对活塞顶凹坑和冷却通道进行成本高的精加工。
本发明的另一个目的在于给出一种方法，借助该方法可以以低成本的方式制造具有非轴对称形成的或者非中心形成的燃烧室凹腔和冷却通道的活塞。
最后本发明的目的在于，给出一种方法，借助该方法能够制造这种活塞，在该活塞中在活塞顶凹坑的边缘和冷却通道的上部分之间的侧壁在圆周上具有恒定的强度。
这些目的由此得以实现，即，借助半热成型方法在600℃至900℃下锻造活塞上部件坯件以制造活塞上部件，然后不需要继续加工活塞顶凹坑和/或冷却通道的上面部分，然后最后加工活塞顶的径向外部区域、环形壁的径向外部区域、环形壁的内表面的下面区域和活塞上部件坯件的支撑部的支承面以制造活塞上部件。有利的是，锻造具有在整个圆周上具有恒定厚度的活塞顶凹坑的边缘和冷却通道之间的活塞顶的区域的活塞上部件。
有利的是，半热成型之后，在保护气体的环境下调质活塞上部件坯件。
有利的是，将非轴对称形成的和非中心设置的活塞顶凹坑成型到活塞上部件中。
有利的是，将至少一个阀槽成型到活塞上部件中。
通过借助于半热成型的方法制造活塞上部件，由此可以制造具有较高的尺寸精确度和经改善的表面质量的活塞上部件，由此特别是在活塞顶凹坑和冷却通道上部的区域中不需要对锻造毛坯进行成本高的精加工。在这种情况下，由于低的变形温度明显使活塞毛坯件的表面减少生成氧化层，因此可以应用具有表面保护的喷射方法，或者可以完全放弃使用喷射。除此之外可以对锻模使用耐热性较低但是强度和硬度较高的材料。由此可以制造较深的外形轮廓，就像冷却通道所需要的外形一样。最后，在这种情况下需要比在热锻时更少的能量消耗用于加热锻造毛坯。
附图说明
下面根据图示说明本发明的若干实施例。其中，
图1以垂直于活塞销孔轴的截面示出了依据根据本发明的方法所制造的活塞的剖面图，
图2以位于活塞销孔轴上的截面示出了活塞的剖面图，
图3示出了经半热成型处理之后的活塞上部件的剖面图，
图4示出了对外部轮廓和为摩擦焊接所设置的支撑区域进行精车削之后的活塞上部件的剖面图，
图5示出了具有非对称形成的以及偏心设置的活塞顶凹坑的活塞上部件的设计的俯视图，
图6示出了活塞上部件沿着图5中的Ⅵ-Ⅵ直线的剖面图，
图7示出了借助摩擦焊接进行接合之前的活塞上部件和活塞下部件，
图8示出了具有非对称形成的和偏心设置的活塞顶凹坑以及具有阀槽的活塞上部件的设计的俯视图，以及
图9示出了活塞上部件沿着图8中的Ⅸ-Ⅸ直线的剖面图。
附图标记说明
1              活塞
2              销钉轴
3、3’、3’’  活塞上部件
4              活塞下部件
5              摩擦焊接部位
6              活塞顶
7、7’         活塞顶凹坑
8              环形壁
9       活塞环部
10      支撑部
11、12  活塞裙部件
13、14  销毂
15、16  销孔
17      支座
18      环形肋
19      环形部件
20      第一支承区域
21      第二支承区域
22      冷却通道
23      活塞顶6的外侧区域
24      活塞上部件的外部区域
25      环形壁8的下端面
26      环形壁8的内表面27的下部区域
27      环形壁8的内表面
28      支撑部10的支承面
29      内部的拱顶区域
30      阀槽
具体实施方式
图1以垂直于销钉轴2的剖面图示出了依据根据本发明的方法所制造的活塞1的设计方案，该活塞由活塞上部件3和活塞下部件4构成，它们经由摩擦焊接部位5彼此连接在一起。
活塞1具有活塞顶6，在活塞顶中成型有活塞顶凹坑7。在活塞顶6上的径向外侧成型有指向下的环形壁8，该环形壁具有用于图示中未示出的活塞环的活塞环部9。在环形壁8的径向上内部，活塞1具有成型在活塞顶6的底侧上的、环形的支撑部10。
活塞下部件4是由两个相互对立的活塞裙部件11和12构成，该活塞裙部件经由两个相互对立的销毂13和14各与一个销孔15和16相互连接在一起。图1中由于截面的位置仅可以看到具有销孔15的销毂13。
在活塞下部件4的顶侧上设有环形的以及与销毂13、14相连的支座17。此外，活塞下部件4在其顶侧具有环绕的、设置在在支座17的径向上外部的并且与活塞裙部件11、12相连的环形肋18。环形部件19在径向方向上在支座17和环形肋18之间延伸。
对此这样设置支撑部10和支座17，即，支撑部10的底侧和支座17的顶侧相互接触并且构成第一支承区域20。此外这样设置环形壁8和环形肋18，即，环形壁8的下端面和环形肋18的顶侧也相互接触并且构成第二支承区域21。第一支承区域和第二支承区域20和21在制造活塞1时构成摩擦焊接面。
由此得到，靠近活塞顶6的、设置在径向外侧的、环绕的冷却通道22上面由活塞顶6限定，径向内侧一部分由活塞顶6、一部分由支撑部10以及一部分由支座17限定，下面由环形部件19限定，径向外侧一部分由环形壁8以及一部分由环形肋18限定。冷却通道22具有用于导入冷却油的流入口和用于导出冷却油的流出口，然而图示中未示出流入口和流出口。
图2以沿着销孔轴2的剖面图示出了活塞1。这里可以看出两个具有成型在销毂上的支座17的销毂14、15和与支座17或销毂13、14相连的环形部件19。
活塞1由调质钢制造，例如由铬钢42CrMo4制造。在这种情况下以传统方式通过铸造或热锻制造活塞下部件4。
通过半热成型的方法制造活塞上部件3，由此活塞上部件3具有高的表面质量并且特别是在活塞顶凹坑7和冷却通道22的上部区域中以及内部的拱顶区域29中可以以高的尺寸精确度进行制造。
对此，将适合于为活塞上部件3所提供的模锻机的锻模而制造的一件铬钢加热到600℃至900℃然后在多个成型阶段中(即，在相同的模锻机上的锻造过程)进行成型。借助于精细喷射(例如以类核桃颗粒材料)去除锻造过程中所出现的轻微的氧化层。然后根据材料要求对由此所得到的活塞上部件3的坯件进行调质。即，将坯件加热到约800℃至900℃，进行淬火，然后在大约550℃至650℃时进行回火。为了防止生成氧化层，在保护气体的环境下进行调质。由此所得到的活塞上部件3的坯件在图3中示出。在此，活塞顶凹坑7、冷却通道上部区域和内部的拱顶区域29已经成型完成，从而在这些区域中不再需要进行其他的加工步骤。在这种情况下还使在凹坑边缘和冷却通道上部区域之间的侧壁厚度在整个圆周上近似为恒定值。活塞上部件3在最后加工之后的外貌在图3中用虚线表示。
在下面的工艺步骤中通过车削加工活塞顶6的径向外侧区域23、为活塞环部9设置的、活塞上部件3的径向外部区域24、环形壁8的下端面25、环形壁8的内表面27的下部区域26和支撑部10的支承面28，由此得到如图4所示的活塞上部件3。冷却通道22的下部区域、环形壁8的下端面25和支撑部10的支承面28在该最后的工艺步骤之后成型完成。这里也用虚线标出活塞上部件3在最后加工之后的外貌。
半热成型的制造方法可以制造具有活塞顶凹坑7’的活塞上部件3’，如在图5和图6中示出的活塞顶凹坑形成为非对称的或者设置为偏心的。在这种情况下在用于制造活塞上部件3’的半热成型的过程已经结束时也不再需要进一步加工活塞顶凹坑7’。
替代性地也可以通过熔模铸造法制造活塞上部件。为了避免生成氧化层，需要在保护气体环境下实现。
在根据图5和6的本发明的实施例中活塞顶凹坑7’具有近似为四片叶子的苜蓿叶的形状。然而用半热成型的方法可以实现任意形状的活塞顶凹坑。
图8和9示出了根据图5和6的活塞上部件，其中，在活塞上部件3”的活塞顶6中额外地成型有阀槽30。
根据图4、5、6、8、9的活塞上部件3、3’、3”和活塞下部件4一起插入到(在图示中未示出的)摩擦焊接装置中并且如图7中所示相互放到位，以使旋转移动、用力相对地移动并且在活塞上部件3、3’、3”和活塞下部件4接触的情况下在支承区域20和21的区域中相互摩擦焊接在一起。如果活塞顶凹坑7’形成为非对称的或者偏心的，那么在摩擦焊接时要注意焊接过程结束之后活塞顶凹坑7’例如相对于销钉轴2具有唯一确定的转动位置。
由此得出在图1和2中所示的活塞1。
在最后的工艺步骤的过程中活塞环部9的凹槽嵌入到活塞外壁中并且平转活塞顶6，如在图3和4中所示出的。除此之外引入活塞精细的轮廓和毂孔。

Claims (5)

1.一种内燃机活塞(1)的制造方法，所述方法具有下面的工艺步骤：
-以锻造方法由调质钢制造活塞上部件(3、3’、3”)，所述活塞上部件具有设有活塞顶凹坑(7、7’)的活塞顶(6)、成型在活塞顶的径向外侧的指向下的环形壁(8)和设置在所述环形壁(8)的径向上内部的、成型在所述活塞顶(6)的底侧上的、环形的支撑部(10)，其中，所述环形壁(8)和支撑部(10)之间构成冷却通道(22)的上面部分，
-以锻造方法或铸造方法由钢制造活塞下部件(4)，所述活塞下部件具有两个相互对立的、经由两个相互对立的销毂(13、14)彼此连接在一起的活塞裙部件(11、12)、设置在活塞下部件(4)的顶侧上的、环形的并且与销毂(13、14)相连的支座(17)和环绕的、设置在支座(17)的径向上外部的并且与活塞裙部件(11、12)相连的环形肋(18)，其中，所述支座(17)和所述环形肋(18)之间构成冷却通道(22)的下面部分，
-经由彼此相接触的所述环形壁(8)的支承面和所述环形肋(18)的支承面以及所述支撑部(10)的支承面和所述支座(17)的支承面将所述活塞上部件(3、3’、3”)与活塞下部件(4)进行焊接，对此，闭合由活塞上部件(3)和由活塞下部件(4)所构成的冷却通道(22)，
-借助切削加工的制造方法最后加工活塞(1)，其特征在于，
-借助半热成型方法在600℃至900℃下锻造活塞上部件坯件以制造活塞上部件(3、3’、3”)，然后不需要继续加工活塞顶凹坑(7、7’)和/或冷却通道(22)的上面部分，然后最后加工活塞顶(6)的径向外部区域(23)、环形壁(8)的径向外部区域、环形壁(8)的内表面(27)的下面区域(26)和活塞上部件坯件的支撑部的支承面(28)以制造活塞上部件(3、3’、3”)。
2.根据权利要求1所述的内燃机活塞(1)的制造方法，其特征在于，锻造具有在整个圆周上具有恒定厚度的活塞顶凹坑(7、7’)的边缘和冷却通道(22)之间的活塞顶(6)的区域的活塞上部件(3、3’、3”)。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机活塞(1)的制造方法，其特征在于，半热成型之后，在保护气体的环境下调质活塞上部件坯件。
4.根据权利要求3所述的内燃机活塞(1)的制造方法，其特征在于，将非轴对称形成的和非中心设置的活塞顶凹坑(7’)成型到活塞上部件(3’)中。
5.根据权利要求3所述的内燃机活塞(1)的制造方法，其特征在于，将至少一个阀槽(30)成型到活塞上部件(3”)中。
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