CN105163899A - Dykes活塞环和用于制造该活塞环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有精加工的外直径和可忽略的切向张力的dykes活塞环。该方法包括步骤：将坯料杆机加工成比活塞环(20)的精加工的外直径略大的初始外直径，将坯料杆的初始外直径精加工成具有等于精加工的外直径的公称直径的圆形轮廓，并将坯料杆机加工成优选的横截面。Dykes活塞环可具有梯形或半梯形的横截面。该方法继续步骤：响应于完成包括上述步骤的所有张力产生操作来使用切断工具将活塞环(20)从坯料杆分离。该方法继续步骤：将活塞环研磨成最终纵向厚度(48)并纵向切割活塞环以形成最终间隙(50)。

Description

Dykes活塞环和用于制造该活塞环的方法
技术领域
本发明提供一种用于制造低张力活塞环，特别是具有精加工的外直径和可忽略的切向张力的dykes活塞环的制造方法。
背景技术
活塞环是内燃发动机的关键部件。发动机包括至少一个汽缸和活塞。活塞环是布置在汽缸壁和活塞之间的金属密封件，用于从曲柄箱密封燃烧室，并便于从活塞到汽缸的热传递。活塞环的其它功能是用来防止润滑不需要的油从曲柄箱移动到燃烧室并在汽缸孔表面上提供均匀的燃油膜。为此，活塞环必须保持接触汽缸和活塞。径向接触通常通过活塞环的固有弹簧力实现。活塞环还被用作旋转轴的金属密封件，并还用作收缩和膨胀密封件。
现在，活塞环一般通过两种方式制造。在一种方法中，活塞环被铸成非圆形的单个环。这些环然后通常通过双凸轮车削被机加工成所需形状，在该工艺中，被轴向研磨过的环毛坯件同时在内直径和外直径上被凸轮车削。在相当于自由间隙的部分从活塞环上切除后，其呈现自由形状，在装配到汽缸时给予其必须的径向压力分布。一旦位于汽缸内，活塞环向汽缸壁施加预定的径向压力。除了使用双凸轮车削，环毛坯件还可通过分别机加工内直径和外直径成形。这包括凸轮车削非圆形毛坯件的外直径并机加工内直径，活塞环处于压缩状态中。在外直径和内直径机加工之间的步骤中切出自由间隙。
根据不同的方法，钢制活塞环通过异形钢丝形成。首先环被卷绕成圆形，然后间隙被切出。使用热处理工艺获得必须的形状，其中，环被安装到柄轴上，柄轴被适当地设计成施加所需的径向压力分布。根据活塞环设计，外直径的仿形切削在自动外直径车床或者仿形磨床上使用仿形切削工具进行。
根据上述方法制造活塞环的问题在于活塞环被制造为具有残余切向张力。由于这种活塞环具有扭曲或弯曲的倾向，所以具有残余切向张力的活塞环的制造存在问题。这种环的扭曲或弯曲可能引起过量的燃油消耗和漏气，在该状态中，燃烧气体沿着活塞环和汽缸之间的活塞穿过，从而逃离燃烧室。因而，具有残余切向张力的活塞环可能不利地影响发动机的效率、性能、排放和/或可靠性。
已经发展了旨在生产具有减小的扭曲或弯曲的倾向的活塞环的方法。一个这种方法包括在高温下例如1100°华氏温度(593.33°摄氏度)对由铸铁制成的坯料杆进行热处理，以去除铸造应变和硬点。在坯料杆被热处理以后，活塞环毛坯件从坯料杆切出。一旦活塞环毛坯件从坯料杆分离，该方法继续进行常规的步骤：将活塞环毛坯件机加工和精加工到最终的外直径和内直径。最后的步骤是在活塞环上切出最终的自由间隙。尽管该方法生产的环具有较小的扭曲或弯曲倾向，但是较大的切向张力仍残留在活塞环中。
需要的是这样一种制造活塞环的方法，其中仅仅可忽略的残余切向张力残留在精加工的产品中。没有残余张力，环不会具有扭曲或弯曲的倾向。残余张力特别与具有非常规的横截面的活塞环相关，例如具有L形横截面的dykes活塞环(dykes-typepistonrings)。
dykes活塞环允许在更高的发动机速度和燃烧压力下的更好的密封。然而，dykes活塞环的非对称形状导致活塞环相比常规的活塞环更容易扭曲或弯曲。因此，存在对于具有可忽略的切向张力的活塞环特别是dykes活塞环的需求。
发明内容
根据本发明的优选实施例，在完成所有的张力产生操作后，活塞环使用切断工具从坯料杆分离，该张力产生操作包括步骤：将坯料杆机加工成最终的外直径，将坯料杆精加工成预定的轮廓，并将坯料杆机加工成预定的横截面。直到所有的机加工和精加工步骤完成，所述活塞环才从所述坯料杆分离。通过这种方式，与机加工和精加工操作相关的应力在活塞环分离之前由更厚的坯料杆承受。
特别对于dykes活塞环，本发明提供一种dykes活塞环，其包括在自由和未压缩状态下具有从0到25牛顿的可测量的切向张力的环形环体。根据该设计，dykes活塞环限定了最终间隙，当环形环体处于其自由和未压缩状态时，最终间隙在一对侧表面之间的可测量的间隙宽度为0到0.4mm。
附图说明
当结合附图考虑时，参考下面的具体描述可更好地理解，可以很容易地理解本发明的这些和其它的特征以及优点。
图1是示例性的dykes活塞环的透视图；
图2是示例性的dykes活塞环的横截面视图；
图3是呈现出被称为活塞环扭曲或活塞环弯曲的状态的示例性的dykes活塞环的透视图；
图4-图6是示出了机加工坯料杆形成活塞环的步骤的透视图；
图7是示出了将坯料杆机加工成L形横截面的示例性的步骤的透视图；
图8是示出了将活塞环从坯料杆分离的示例性步骤的透视图；
图9是示出了将活塞环研磨成最终的纵向厚度的示例性的步骤的透视图；
图10是示出了纵向切割活塞环以形成最终间隙的示例性的步骤的透视图；
图11是示出了将活塞环安装到芯轴上以在热处理中将最终间隙的大小形成预定尺寸的透视图；
图12和图13示出了分别具有常规的活塞环和dykes活塞环的示例性的活塞。
具体实施方式
图12示出了其上安装有常规的活塞环18的传统活塞100。图13示出了其上布置有dykes活塞环20的活塞200。
在图中，相似的附图标记在不同的图中表示对应的部分。在图1和图2中，示出了具有精加工的外直径的dykes活塞环20。应该理解的是，活塞环20是圆形的并具有圆周24。精加工的外直径沿着圆周24延伸。
图4-图6中示出了本发明的方法的优选实施例。该方法包括步骤：将坯料杆26机加工成略微大于活塞环20的精加工的外直径的初始外直径28，将坯料杆26的初始外直径精加工成具有公称直径32的预定轮廓30。直径32等于精加工的外直径22。坯料杆26还被机加工形成具有L形横截面的结构。该方法继续步骤：响应于完成所有的张力产生操作来将活塞环20从坯料杆26分离，张力产生操作包括步骤：将坯料杆26机加工成初始外直径28，将坯料杆26精加工成预定轮廓30，并将坯料杆26机加工成L形横截面34。
已发现机加工和精加工操作通常在薄的工件(例如活塞环)内留下残余的拉力。这种残余张力形成在相对于活塞环的圆周的切向上。于是，当受限于内燃机的汽缸内时，活塞环容易围绕圆周扭曲或弯曲。图3中以放大形式示出。
通过本发明，直到所有的机加工和精加工步骤已经完成后，活塞环才从坯料杆26分离，与机加工和精加工操作相关的应力由更厚和更硬的坯料杆26承受。已经发现由机加工和精加工操作引起的切向张力可以通过这种方式更好地控制和减小。于是，活塞环20在从坯料杆26分离时相对于现有技术仅具有可忽略的切向张力。
由于环的非对称(L形)横截面，所以在利用dykes活塞环的应用中，活塞环的扭曲或弯曲是特别有害的。
根据本发明的用于制造dykes活塞环的一个方面，将坯料杆机加工成L形横截面的步骤包括机加工纵向延伸的唇部和从唇部径向向内延伸的尾部。该尾部可被机加工成具有通过一个或两个向内渐缩的梯形(keystone)横截面。
将坯料杆的初始外直径精加工成具有等于精加工的外直径的公称直径的预定轮廓的方法可包括：将坯料杆的初始外直径精加工成具有不同形状的预定轮廓。预定轮廓可具有圆形形状，带有对称或非对称的曲线轮廓。例如，如图6中所示，示例性的圆形轮廓非对称的曲线轮廓可由集中于切点44的一对弧线42限定。弧线42可具有不同的半径。可替换地，预定轮廓可具有沿着纵向方向设置的平坦的线性形状或者相对于纵向方向成角度倾斜。不论预定轮廓形状如何，这里使用的词语“公称直径”表示预定轮廓的最大外直径。
在一个优选的实施例中，将坯料杆26机加工成比活塞环20的精加工的外直径22略大的初始外直径28的步骤可包括：机加工坯料杆26，使得初始外直径28比活塞环20的精加工的外直径22大0.4mm到3.0mm。通过这种方式，当坯料杆26的初始外直径28接近活塞环20的精加工的外直径22时，由于通过仿形切削移除较少的材料，所以仿形步骤可以更快地进行。另外，当仅仅需要移除小厚度的材料时，仿形步骤在坯料杆26上产生较少的切向张力。
该方法还可包括步骤：将活塞环20研磨成最终纵向厚度，并纵向切割活塞环20以形成最终间隙50。应该理解的是，研磨步骤可包括使用磨料摩擦活塞环20。研磨步骤可包括使用双作用研磨机(未图示)，其具有呈现研磨表面的旋转研磨垫。活塞环和研磨垫可沿相反方向旋转，并且活塞环20可跨越该旋转的研磨垫在横向方向上来回往复运动。
如图9和图10中所示，切割步骤可包括使用圆锯片56穿过活塞环20的整个L形横截面进行纵向切割以形成最终间隙50。最终间隙50仅需要尺寸足以防止活塞环20的末端在发动机的操作温度下对接。因此，通过这种方法生产的dykes活塞环20的最终间隙50可以小于传统活塞环的最终间隙很多倍。
根据本发明，该方法还可包括步骤：通过将活塞环20放置在400～450℃之间的非氧化气氛中对活塞环20进行热处理，以消除残留在活塞环20中的任何残余张力。在非氧化气氛中热处理活塞环20的步骤可通过在填满非氧化气体(例如氮气)的烤炉中烘烤活塞环20来实现。该方法还可包括步骤：将环安装到芯轴58上，以在热处理步骤中将最终间隙50的尺寸设定为预定的尺寸。如图11中所示。
将坯料杆机加工成初始外直径的方法步骤可包括相对于机加工工具旋转坯料杆。相似地，将初始外直径精加工成预定轮廓的步骤可包括相对于仿形工具62(图5)旋转坯料杆26。将坯料杆26机加工成L形横截面的步骤可包括相对于机加工工具60旋转坯料杆26，将活塞环20从坯料杆26分离的步骤可包括相对于切断工具64(图8)旋转坯料杆26。这里使用的术语，旋转是特定的机加工工艺，其中使用车床相对于工具来旋转活塞环。应该理解的是，提供的机加工、精加工和切断步骤并不限于旋转并可使用不同的其它工具和操作来实现。
发现不同的材料适于活塞环20的制造。根据本发明的方面，坯料杆26可由细粒度的球墨铸铁制成。然而，可设想使用其它的材料。
应该理解的是，本发明的方法不仅应用于低张力dykes活塞环的制造，还应用于其它类型的低张力活塞环的制造。因此，还提供一种用于制造具有精加工的外直径的低张力活塞环的方法。该方法包括步骤：将坯料杆机加工成略大于活塞环的精加工的外直径的初始外直径；将坯料杆的初始外直径精加工成具有等于精加工的外直径的公称直径的预定轮廓；以及将坯料杆机加工成预定横截面。该方法继续步骤：响应于完成所有的张力产生操作来将活塞环从坯料杆分离。这些操作包括：将坯料杆机加工成初始外直径；将坯料杆的初始外直径精加工成预定轮廓；以及将坯料杆机加工成预定横截面。根据该方法的第一个方面，将坯料杆机加工成略大于活塞环的精加工的外直径的初始外直径的步骤可包括将坯料杆的初始外直径精加工成具有圆形形状的预定轮廓。根据本发明的另一个方面，将坯料杆机加工成预定横截面的步骤可包括将坯料杆机加工成梯形横截面或半梯形(semi-keystone)横截面。
上述方法生产具有独特特性的新型dykes活塞环20。如图1和图2中所示，生产的dykes活塞环20包括呈现大致L形横截面34的环形环体68。L形横截面34由唇部36和尾部38组成并限定，唇部36相对于环体68纵向延伸，尾部38具有从唇部36径向向内延伸的一对侧边40。环形环体68还具有一对侧表面70，其间限定最终间隙50。应该理解的是，最终间隙50通过上面描述的纵向切割分离的活塞环20的方法步骤形成。这对侧表面70被布置成它们以相对间隔开的关系面对彼此。在自由和未压缩状态中，环形环体68具有小的切向张力或者不具有切向张力，介于0到25N之间。这一范围明显小于通过现有技术方法生产的活塞环20中残余的切向张力。低切向张力还允许活塞环20相比包括现有技术的dykes活塞环的传统活塞环具有极小的最终间隙50。根据本发明，当环形环体68处于其自由和未压缩状态中时，在侧表面70之间的最终间隙50具有从0到0.4mm的可测量的间隙宽度72。根据本发明的另一个方面，当环形环体68处于其自由和未压缩状态中时，间隙宽度72为0到0.1mm之间。这些范围小于传统的活塞环的最终间隙大约30倍。
本发明的dykes活塞环20还可包括具有不同形状的尾部38。尾部38的侧边可分别向内渐缩，以限定梯形横截面。可替换地，尾部的侧边之一可向内渐缩，以形成半梯形横截面。本发明的dykes活塞环20还可包括具有弧形的预定轮廓的外圆周表面。预定轮廓的弧形或圆形可遵循对称或非对称的曲线。例如，预定轮廓可遵循图5和图6中所示的非对称曲线，其中曲线由集中于切点44的一对弧线42所限定。弧线42可具有不同的半径46。可替换地，预定轮廓30可具有沿着纵向方向设置的平坦线性形状或者相对于纵向方向成角度地倾斜。
显然地，按照上面的教导，本发明的许多改进和变形是可能的，并可以与上面描述不同地实施，这都落入所附权利要求的范围内。

Claims (26)

1.用于制造低张力dykes活塞环的方法，所述活塞环具有精加工的外直径，所述方法包括步骤：
将坯料杆机加工成初始外直径；
将所述坯料杆的初始外直径精加工成具有小于初始外直径的公称直径的预定轮廓；
将所述坯料杆机加工成大致L形横截面，以根据所述坯料杆的剩余部分来生产dykes活塞环；以及
仅在完成将所述坯料杆机加工成初始外直径，将所述坯料杆精加工成预定轮廓以及将所述坯料杆机加工成L形横截面的步骤之后将所述活塞环从所述坯料杆分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定轮廓具有由集中于切点的一对弧线限定的圆形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述L形横截面包括纵向延伸的唇部和从所述唇部径向向内延伸的尾部。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述尾部被机加工成梯形横截面。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述尾部被机加工成半梯形横截面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，机加工后的坯料杆的初始外直径比所述活塞环的精加工的外直径大0.4mm到3mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述坯料杆机加工成初始外直径的步骤包括相对于机加工工具来旋转所述坯料杆。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将初始外直径精加工成预定轮廓的步骤包括相对于仿形工具旋转所述坯料杆。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述坯料杆机加工成L形横截面的步骤包括相对于机加工工具旋转所述坯料杆。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述活塞环从所述坯料杆分离的步骤包括相对于切断工具旋转所述坯料杆。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述活塞环研磨成最终纵向厚度的步骤。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括纵向切割所述活塞环以形成最终间隙的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括步骤：通过将所述活塞环放置于400～450℃之间的非氧化气氛中对所述活塞环进行热处理，以消除残留在所述活塞环中的任何残余张力。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括步骤：将所述活塞环安装到芯轴上，以在热处理过程中将最终间隙的尺寸形成到预定尺寸。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯料杆由细粒度的球墨铸铁制成。
16.用于制造低张力活塞环的方法，所述活塞环具有精加工的外直径，所述方法包括步骤：
将坯料杆机加工成初始外直径；
将所述坯料杆的初始外直径精加工成具有小于初始外直径的公称直径的预定轮廓；
将所述坯料杆机加工成大致L形横截面，以根据所述坯料杆的剩余部分生产dykes活塞环；以及
仅在完成将所述坯料杆机加工成初始外直径，将所述坯料杆精加工成预定轮廓以及将所述坯料杆机加工成L形横截面的步骤之后将所述活塞环从所述坯料杆分离。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预定轮廓具有圆形形状。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预定横截面为梯形。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预定横截面为半梯形。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，机加工后的坯料杆的初始外直径比所述活塞环的精加工的外直径大0.4mm到3mm。
21.一种dykes活塞环，其特征在于，包括：
环形环体，其呈现大致L形横截面，包括相对于所述环体纵向延伸的唇部以及具有从所述唇部径向向内延伸的一对侧边的尾部；
所述环形环体具有其间限定最终间隙的一对侧表面；以及
在自由和未压缩状态中，所述环形环体具有从0到25牛顿的可测量的切向张力。
22.根据权利要求21所述的dykes活塞环，其特征在于，当所述环形环体处于自由和未压缩状态中时，在所述侧表面之间的最终间隙具有从0到0.4mm的可测量的间隙宽度。
23.根据权利要求22所述的dykes活塞环，其特征在于，当所述环形环体处于自由和未压缩状态中时，所述间隙宽度为0到0.1mm。
24.根据权利要求21所述的dykes活塞环，其特征在于，所述尾部的一对侧边分别向内渐缩以限定梯形横截面。
25.根据权利要求21所述的dykes活塞环，其特征在于，所述尾部的一对侧边中的一个向内渐缩以形成半梯形横截面。
26.根据权利要求21所述的dykes活塞环，其特征在于，所述环形环体包括具有弧形的预定轮廓的外圆周表面。
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