CN104379301A - 制造内燃机用活塞的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造内燃机用活塞(10，110)的方法，所述活塞包括活塞本体(11，111)和活塞环形元件(12，112)，其中所述活塞本体(11，111)具有至少一个活塞裙部(15，115)和一燃烧室(21，121)的至少一个底部区域(27，127)，所述活塞环形元件(12，112)具有活塞顶(19，119)、所述燃烧室(21，121)的至少一个壁区(28，128)、环绕式顶岸(22，122)和一设有环槽的环绕式环槽部分(23，123)的至少一个部分，并且所述活塞本体(11，111)和所述活塞环形元件(12，112)形成一封闭的环绕式冷却通道(24，124)，其特征在于下列处理步骤：(a)提供所述活塞本体(11，111)的毛坯(11’，111’，211’)，所述毛坯中通过预加工形成有环绕式外接合面(29，129，229)、朝所述燃烧室(21，121)的底部区域(27，127)方向加宽的环绕式内接合面(31，131，231)以及位于两个接合面(29，31；129，131；229，231)之间的环绕式冷却通道下部(24a，124a，224a)，(b)提供所述活塞环形元件(12，112)的毛坯(12’，112’，212’)，所述毛坯中通过预加工形成有环形外接合面(32，132，232)、环形内接合面(33，133，233)以及位于两个接合面(32，33；132，133；232，233)之间的环绕式冷却通道上部(24b，124b，224b)，(c)通过所述接合面(29，129，229；31，131，231；32，132，232；33，133，233)将所述毛坯(11’，111’，211)与所述毛坯(12’，112’，212)接合成一活塞毛坯(10’，110’)，使得至少在所述燃烧室(21，121)的底部区域(27，127)中，所述毛坯(11’，111’，211)的加宽接合面(31，131，231)的一分区(34，134，234)保持空置状态，(d)在移除所述加宽接合面(31，131，231)的分区(34，134，234)的情况下将所述活塞毛坯(10’，110’)修整和/或精加工成一活塞(10，110)。

Description

制造内燃机用活塞的方法
技术领域
本发明涉及一种制造内燃机用活塞的方法，所述活塞包括活塞本体和活塞环形元件，其中所述活塞本体具有至少一个活塞裙部和一燃烧室的至少一个底部区域，所述活塞环形元件具有活塞顶、所述燃烧室的至少一个壁区、环绕式顶岸和一设有环槽的环绕式环槽部分的至少一个部分，并且所述活塞本体和所述活塞环形元件形成一封闭的环绕式冷却通道。
背景技术
同类型活塞例如公开自专利申请公开案US 2011/0107997 A1。此类活塞可以具有很浅很大的燃烧室，特别是用于商业用车的活塞。一方面优选用锻造工艺制造活塞本体和活塞环形元件的毛坯，另一方面优选用摩擦焊接工艺将二者的毛坯接合起来，在此过程中沿接合缝形成摩擦焊接凸出部。但是在燃烧室浅而大的活塞的活塞本体中很难通过锻造工艺来形成大体相当于一管端且与活塞环形体的接合面相对应的接合面。
发明内容
本发明的目的是提供一种同类型活塞的制造方法，这种方法能够借助锻造工艺制造任何结构形式的活塞本体和活塞环形元件的毛坯，同时还能采用摩擦焊接工艺来接合这些毛坯。
达成该目的的解决方案为一种包括下列步骤的方法：(a)提供所述活塞本体的毛坯，所述毛坯中通过预加工形成有环绕式外接合面、朝所述燃烧室的底部区域方向加宽的环绕式内接合面以及位于两个接合面之间的环绕式冷却通道下部；(b)提供所述活塞环形元件的毛坯，所述毛坯中通过预加工形成有环形外接合面、环形内接合面以及位于两个接合面之间的环绕式冷却通道上部；(c)通过所述接合面将所述毛坯与所述毛坯接合成一活塞毛坯，使得至少在所述燃烧室的底部区域中，所述毛坯的加宽接合面的一分区保持空置状态；(d)在移除所述加宽接合面的所述部分的情况下将所述活塞毛坯修整和/或精加工成一活塞。
本发明的理念是朝燃烧室方向加宽活塞本体毛坯的内接合面。因此，这个接合面的尺寸大于活塞环形元件毛坯的相应内接合面。该接合面不再像以往那样相当于一个管端，而是被大体构造成环板，因而远不像现有技术中的接合面那么易损。活塞本体毛坯的环绕式内接合面这种结构简易的设计使得利用锻造工艺制造毛坯成为可能。同时，本发明的方法能够采用摩擦焊接工艺接合毛坯，因为形成于燃烧室区域的摩擦焊接凸出部在保持空置状态的接合面上方展开且可在修整或精加工时通过简单方式加以移除。最后，本发明的方法能够适当地或者按需要地通过加工后续增大燃烧室的深度。这样就能用相同的活塞本体毛坯制造出具有不同深度的燃烧室的活塞。这能合理化活塞毛坯的制造，进而降低制造成本。
进一步的有益方案包含于从属权利要求中。
在步骤(a)和步骤(b)中优选采用锻造工艺制造所述毛坯和/或所述毛坯，而后对其进行预加工。此外，在步骤(c)中优选采用摩擦焊接工艺在形成至少一个摩擦焊缝的情况下将所述毛坯与所述毛坯接合起来。这些是应用广泛、久经考验的制造方法。
根据特别优选的进一步方案，在步骤(c)之前采用摩擦焊接工艺进行接合前，在所述毛坯的内接合面和外接合面和/或所述毛坯的内接合面和外接合面上设置环绕式扩张部。具有这种构造的接合面的一个区域能在摩擦焊接期间容置过剩材料。借此可避免形成常见的摩擦焊接凸出部。
所述扩张部可呈任意形状，例如斜面、斜边或凹槽。所述扩张部例如可具有1.0mm至1.5mm的轴向延伸度和/或至少为0.5mm的径向延伸度。
所述毛坯有利地由调质钢或沉淀硬化钢制成。这种情况下特别有益的方案是，在步骤(c)之前对所述毛坯进行调质处理并且在步骤(c)中在所述至少一个摩擦焊缝(35，36，135，136)区域形成一热影响区的情况下将所述毛坯接合起来，以及在步骤(c)之后在保持所述一或多个热影响区的情况下通过退火或去应力退火对所形成的活塞毛坯进行热处理。所述方法在紧邻摩擦焊缝的周边区域以已知方式增大毛坯材料的硬度。这个区域的硬度最高增大400HV(维氏硬度)。这个硬度增大的区域被称为“热影响区”。热影响区的硬度大于活塞毛坯位于热影响区以外的调质材料的硬度。摩擦焊接接合后不必再进行调质处理。而是只需对摩擦焊接所形成的活塞毛坯进行退火或去应力退火，以便消除可能存在的应力。在此过程中热影响区的硬度稍有下降，但仍存在程度最高达200HV(维氏硬度)的硬度增大。由于活塞毛坯位于热影响区以外的调质材料的硬度同样因退火或去应力退火而稍有下降，这样就能基本保持热影响区。也就是说，热影响区在成品活塞中是一个分布于摩擦焊缝周围的区域，该区域的维氏硬度大于活塞的其余材料。
这个热影响区可用来形成活塞上磨损相对更重的分区或子结构。为此需将摩擦焊缝或活塞部件的毛坯上需要通过摩擦焊接连接起来的接合面如此这般进行定位，使得待制活塞上磨损相对更重、因而需加以硬化的分区或子结构在摩擦焊接之后位于热影响区内。这样就不必再对这些分区或子结构进行单独的硬化处理如渗氮或激光照射处理。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明的实施例。以下各图均是未按比例绘示的示意图，其中：
图1为现有技术中用于制造同类型活塞的毛坯实施例；
图2为用于按本发明方法制造活塞的毛坯的第一实施例，其中图的右半部相对于左半部旋转了90°；
图3为用图2所示的毛坯以摩擦焊接工艺接合起来的活塞毛坯的第一实施例，其中图的右半部相对于左半部旋转了90°；
图4为用图3所示的活塞毛坯加工而成的活塞的第一实施例，其中图的右半部相对于左半部旋转了90°；
图5为用于按本发明方法制造活塞的毛坯的另一实施例，其中图的右半部相对于左半部旋转了90°；
图6为用图5所示的毛坯以摩擦焊接工艺接合起来的活塞毛坯的另一实施例，其中图的右半部相对于左半部旋转了90°；
图7为用图6所示的活塞毛坯加工而成的活塞的另一实施例，其中图的右半部相对于左半部旋转了90°；
图8为用于按本发明方法制造活塞的毛坯的另一实施例的局部放大图。
具体实施方式
图4和图7示出按本发明方法以摩擦焊接工艺制成的成品活塞10、110。活塞10、110由活塞本体11、111和活塞环形元件12、112构成。这两个部件可由任何一种适于摩擦焊接的金属材料构成并且通过摩擦焊缝35、36、135、136彼此相连。
在实施例中，活塞本体由钢材如42CrMo4构成。活塞本体11、111具有活塞裙部15、115，该活塞裙部以已知方式设有活塞毂16、116和用于容置活塞销(未图示)的毂孔17、117以及工作面18、118。在实施例中，活塞环形元件12、112同样由钢材如38MnVS6制成。活塞环形元件12、112具有包含燃烧室21、121的活塞顶19、119以及环绕式顶岸22、122和用于容置活塞环(未图示)的环绕式环槽部分23、123。活塞本体11、111和活塞环形元件12、112共同形成一封闭的环绕式冷却通道24、124。
图4所示的活塞10系按照本发明如下所述的方法制成。
根据图2所示，首先提供活塞本体11的预加工毛坯11’和活塞环形元件12的预加工毛坯12’。在实施例中，毛坯11’、12’系采用锻造工艺制成。之后对毛坯11’、12’进行预加工。根据实施例，在此过程中例如用旋压成形工艺在毛坯11’中形成燃烧室21的底部区域27。此外还通过预加工形成冷却通道24的环绕式冷却通道下部24a。由此形成环绕式外接合面29和环绕式内接合面31。与现有技术中如图1所示的活塞毛坯相比，本发明的内接合面31明显朝底部区域27方向加宽。
根据实施例，例如用旋压成形工艺在毛坯12’中形成燃烧室21的壁区28。此外还形成冷却通道24的环绕式冷却通道上部24b。由此形成环绕式外接合面32和环绕式内接合面33。毛坯11’的外接合面29对应于毛坯12’的外接合面32。相应地，毛坯11’的加宽内接合面31对应于毛坯12’的内接合面33。这意味着，两个毛坯11’、12’可以沿其接合面29、31和32、33相连接成一活塞毛坯10’。
从图2中可以清楚看到，特别是与图1所示的现有技术相比较，毛坯11’的加宽内接合面31与毛坯12’的内接合面33在本发明中如此这般相对应，使得接合面31上指向燃烧室21的底部区域27的分区34保持空置状态。
连接两个毛坯11’、12’时通过已知方式将其对齐夹紧并采用摩擦焊接工艺接合起来。在摩擦焊接工艺的一个实施例中，使两个毛坯11’、12’中的其中一个发生旋转，直至达到1500转/分钟至2500转/分钟的转速。接下来通过接合面29、31和32、33使毛坯11’、12’相接触并对接合面29、31和32、33施加10N/mm2至30N/mm2的压紧力以压紧毛坯。该旋转运动和压紧力使得接合面29、31和32、33摩擦生热。根据所用材料选择转速和压紧力，使接合面29、31和32、33的温度上升至接近材料的熔点。在此之后(根据具体材料需用时1至3秒)，在保持压紧力的情况下停止旋转，即尽快地(尽量在短于1秒钟的时间内)制动和停住夹紧装置。在此过程中保持压紧力。停住夹紧装置后针对接合面29、31和32、33将压紧力提高至100N/mm2至140N/mm2的接合压力，并且在该接合压力下将毛坯11’、12’压紧约5秒钟。
图3示出以上述方式制成的活塞毛坯10’。上述摩擦焊接过程使得活塞毛坯10’具有摩擦焊缝35、36。
根据毛坯11’、12’的构造以已知方式对活塞毛坯10’进行修整或精加工。例如可加工形成外廓、表面、燃烧室、环槽部分、毂孔等等。本发明优选通过车削移除接合面31的空置分区34。在该处理步骤过程中加工形成燃烧室21的底部区域27和壁区28。可以在移除接合面31的分区34的过程中自由选择燃烧室21的深度。这样就能用相同构造的活塞本体11的毛坯11’制造出具有不同深度的燃烧室21的活塞10。最终将获得图4所示的上述成品活塞10。
毛坯11’、12’可由调质钢或沉淀硬化钢制成并在接合前加以调质处理。通过摩擦焊接进行接合时，所形成的摩擦焊缝35、36周围分别形成一个热影响区。这些热影响区在摩擦焊缝35、36的上方和下方各延伸约1mm至3mm。热影响区区域的材料硬度比毛坯11’、12’位于热影响区以外的调质材料的硬度大约高400HV(维氏硬度)。在摩擦焊接之后对所产生的活塞毛坯10’进行热处理即退火或去应力退火。这一热处理能使热影响区内外的材料硬度均减小200HV(维氏硬度)左右。借此能长久保持硬度较大的热影响区与毛坯11’、12’的其余材料之间的硬度差。
图5示出用于本发明活塞110的活塞本体111的毛坯111’和活塞环形元件112的毛坯112’的另一实施例。在实施例中，毛坯111’、112’系采用锻造工艺制成。之后对毛坯111’、112’进行预加工。根据实施例，在此过程中例如用旋压成形工艺在毛坯111’中形成燃烧室121的底部区域127。此外还通过预加工形成冷却通道124的环绕式冷却通道下部124a。由此形成环绕式外接合面129和环绕式内接合面131。与现有技术中如图1所示的活塞毛坯相比，本发明的内接合面131明显朝底部区域127方向加宽。
根据实施例，例如用旋压成形工艺在毛坯112’中形成燃烧室121的壁区128。此外还形成冷却通道124的环绕式冷却通道上部124b。由此形成环绕式外接合面132和环绕式内接合面133。毛坯111’的外接合面129对应于毛坯112’的外接合面132。相应地，毛坯111’的加宽内接合面131对应于毛坯112’的内接合面133。这意味着，两个毛坯111’、112’可以沿其接合面129、131和132、133相连接成一活塞毛坯110’。
从图5中可以清楚看到，特别是与图1所示的现有技术相比较，毛坯111’的加宽内接合面131与毛坯112’的内接合面133在本发明中如此这般相对应，使得接合面131上指向燃烧室121的底部区域127的分区134保持空置状态。
在本实施例中，在活塞环形元件112的毛坯112’的内接合面133上分别形成一斜面形式的扩张部137。扩张部137朝燃烧室121的底部区域127方向开口。在实施例中，扩张部137的最大轴向延伸度分别约为1mm。当毛坯111’、112’的接合面129、131和132、133在上述摩擦焊接过程开始时相接触时，扩张部137在实施例中形成一个最大轴向延伸度约为1mm的直角三角形自由空间，熔化材料分布在该自由空间中。其中，过剩材料容置在上述接缝中。当然，也可以结合采用不同几何形状的扩张部。
采用上述摩擦焊接工艺将毛坯111、112接合起来。图6示出以上述方式制成的活塞毛坯110’。上述摩擦焊接过程使得活塞毛坯110’具有摩擦焊缝135、136。进一步如图6所示，沿摩擦焊缝135、136未形成如图3所示的摩擦焊接凸出部。在上述摩擦焊接过程中被排出的熔化过剩材料在摩擦焊接过程中容置在扩张部137所形成的自由空间内。
根据毛坯111’、112’的构造以已知方式对活塞毛坯110’进行修整或精加工。例如可加工形成外廓、表面、燃烧室、环槽部分、毂孔等等。本发明优选通过车削移除接合面131的空置分区134。在该处理步骤过程中加工形成燃烧室121的底部区域127和壁区128。可以在移除接合面131的分区134的过程中自由选择燃烧室121的深度。这样就能用相同构造的活塞本体111的毛坯111’制造出具有不同深度的燃烧室121的活塞110。最终将获得图7所示的上述成品活塞110。
图8示出用于按本发明方法制造活塞的毛坯211、212的另一实施例的局部放大图。在本实施例中，在毛坯211’的两个接合面229、231和毛坯212’的两个接合面232、233上分别形成一斜边形式的环绕式扩张部237a、237b。扩张部237a朝毛坯211’的冷却通道部分224a方向延伸。相应地，扩张部237b朝毛坯212’的冷却通道部分224b方向延伸。在实施例中，扩张部237a、237b的最大轴向延伸度分别约为1.0mm，扩张部237a、237b的径向延伸度则分别约为0.5mm。当毛坯211’、212’的接合面229、231和232、233在上述摩擦焊接过程开始时相接触时，扩张部237a、237b在实施例中形成两个最大轴向延伸度约为2mm的能容置过剩材料的相对接缝。当然，也可以结合采用不同几何形状的扩张部。

Claims (8)

1.一种制造内燃机用活塞(10，110)的方法，所述活塞包括活塞本体(11，111)和活塞环形元件(12，112)，其中所述活塞本体(11，111)具有至少一个活塞裙部(15，115)和一燃烧室(21，121)的至少一个底部区域(27，127)，所述活塞环形元件(12，112)具有活塞顶(19，119)、所述燃烧室(21，121)的至少一个壁区(28，128)、环绕式顶岸(22，122)和一设有环槽的环绕式环槽部分(23，123)的至少一个部分，并且所述活塞本体(11，111)和所述活塞环形元件(12，112)形成一封闭的环绕式冷却通道(24，124)，其特征在于下列处理步骤：
(a)提供所述活塞本体(11，111)的毛坯(11’，111’，211’)，所述毛坯中通过预加工形成有环绕式外接合面(29，129，229)、朝所述燃烧室(21，121)的底部区域(27，127)方向加宽的环绕式内接合面(31，131，231)以及位于两个接合面(29，31；129，131；229，231)之间的环绕式冷却通道下部(24a，124a，224a)；
(b)提供所述活塞环形元件(12，112)的毛坯(12’，112’，212’)，所述毛坯中通过预加工形成有环形外接合面(32，132，232)、环形内接合面(33，133，233)以及位于两个接合面(32，33；132，133；232，233)之间的环绕式冷却通道上部(24b，124b，224b)；
(c)通过所述接合面(29，129，229；31，131，231；32，132，232；33，133，233)将所述毛坯(11’，111’，211)与所述毛坯(12’，112’，212)接合成一活塞毛坯(10’，110’)，使得至少在所述燃烧室(21，121)的底部区域(27，127)中，所述毛坯(11’，111’，211)的加宽接合面(31，131，231)的一分区(34，134，234)保持空置状态；
(d)在移除所述加宽接合面(31，131，231)的分区(34，134，234)的情况下将所述活塞毛坯(10’，110’)修整和/或精加工成一活塞(10，110)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)和步骤(b)中采用锻造工艺制造所述毛坯(11’，111’，211’)和/或所述毛坯(12’，112’，212’)，而后对其进行预加工。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中采用摩擦焊接工艺在形成至少一个摩擦焊缝(35，36，135，136)的情况下将所述毛坯(11’，111’，211’)与所述毛坯(12’，112’，212’)接合起来。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(c)之前在所述毛坯(111’，211’)和/或所述毛坯(112’，212’)的内接合面和/或外接合面(133，229，231，232，233)上设置环绕式扩张部(137；237a，237b)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述至少一个环绕式扩张部(137；237a，237b)构造成斜面、斜边或凹槽。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述环绕式扩张部(137；237a，237b)构造成具有1.0mm至1.5mm的轴向延伸度和/或至少为0.5mm的径向延伸度。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用调质钢或沉淀硬化钢制造所述毛坯(11’，111’，211’)和所述毛坯(12’，112’，212’)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(c)之前对所述毛坯(11’，111’，211’，12’，112’，212’)进行调质处理，在步骤(c)中在所述至少一个摩擦焊缝(35，36，135，136)区域形成一热影响区的情况下将所述毛坯(11’，111’，211’，12’，112’，212’)接合起来，并且在步骤(c)之后在保持所述一或多个热影响区的情况下通过退火或去应力退火对所述活塞毛坯(10’，110’)进行热处理。
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