CN105263654A - 采用增材制造技术制造的活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于内燃机的整体的活塞本体。该活塞本体包括具有一对裙部和一对销壳的第一部件以及具有冠部的第二部件，该冠部带有上燃烧表面和至少部分封闭的油道。第一部件和第二部件在接缝处连接至一起，该接缝位于油道的与上燃烧表面相对的一侧。第一部件通过铸造或者锻造制造，第二部件通过增材制造工艺制造，比如直接金属激光烧结。

Description

采用增材制造技术制造的活塞
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年4月5日提交的第61/808,976号美国申请的权益，其公开的内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明大致涉及用于内燃机的活塞以及制造用于内燃机的活塞的方法。
背景技术
发动机制造商正面临提高发动机效率和性能的日益增加的需求，包括但不限于，提高燃油经济性，改善燃料燃烧，降低油耗以及增加排气温度以随之用于加热车辆的车厢。诸如直接喷射、增压器和/或涡轮增压器等先进技术正被用于实现一个或多个这些目标。这些先进技术通常的效果是增加了燃烧压力和温度。一些活塞制造商已经转向制造钢活塞本体并且为这些钢活塞本体提供一个或多个油道以在发动机运行过程中进行冷却。为了容许活塞更进一步地增加燃烧压力和温度，需要持续的提高油道的性能。
发明内容
本发明的一个方面提供一种制造用于内燃机的整体的活塞本体的方法。该方法包括铸造或者锻造活塞本体的第一部件的步骤。该方法继而包括通过增材制造工艺制造活塞本体的第二部件的步骤。该方法然后包括将第一部件和第二部件结合至一起的步骤。
部分地通过增材制造工艺制造活塞本体相对于传统工艺具有许多优点。例如，某些特征(比如具有特定复杂形状的油道或者燃烧碗)无法通过传统的制造工艺以有效的低成本制造出来。使用增材制造工艺以制造这些特征克服了这些问题。
根据本发明的另一个方面，铸造或者锻造的第一部件包括一对裙部以及一对销壳，通过增材制造工艺制造的第二部件包括上燃烧表面以及至少部分封闭的油道。由此，具有上燃烧表面的第二部件由比具有裙部和销壳的第一部件的材料更加耐氧化的材料制成，这可是特别有益的。
根据本发明的又一个方面，活塞本体的第一部件和第二部件通过焊接连接至一起，比如摩擦焊。
本发明的另一个方面提供了一种制造用于内燃机的活塞本体的不同的方法。该方法包括铸造或者锻造活塞本体的一部分的步骤。该方法继而包括通过增材制造工艺熔化金属粉末以在活塞本体的铸造或者锻造的部分上构建活塞本体的剩余部分的步骤。
本发明的另一个方面提供了一种用于内燃机的整块的活塞本体。该活塞本体包括具有一对裙部和一对销壳的第一部件以及具有冠部的第二部件，冠部具有上燃烧表面以及至少部分封闭的油道。第一部件和第二部件在接缝处连接至一起，接缝位于油道的与上燃烧表面相对的一侧。
根据本发明的另一个方面，第二部件由与第一部件相比更加抗氧化的材料制造。
附图说明
参阅以下详细说明并结合附图，本发明的这些和其它特征以及优点将更容易领会，其中：
图1是活塞本体的典型实施例的正视图；
图2是图1的活塞本体的仰视图；
图3是图1的活塞本体的立体透视图；
图4是图1的活塞本体的俯视图；
图5是图1的活塞本体的X射线图，并且示出了内部的冷却通道；
图6是立体图，示出了通过直接金属激光烧结操作部分形成的活塞本体的一部分；
图7是图1的典型的活塞本体的剖面图；以及
图8是示意图，示出了通过直接金属激光烧结操作形成的活塞本体的另一部分。
具体实施方式
参阅附图，其中遍及所有附图的相似的附图标记标示相应部件，图1-图4示出了根据本发明的一个方面构造的活塞本体20。更特别地，在其成品状态下，图1-图4的典型的活塞本体20是整体设计，因为其包括冠部22、一对裙部24以及一对销壳26，它们彼此整体地连接以形成一体的活塞本体20，并且该活塞本体20部分地通过增材制造工艺形成，比如直接金属激光烧结(DMLS，directmetallasersintering)。典型实施例的活塞本体20配置为用于采用柴油燃料的压缩点火内燃机中。然而，应当领会的是活塞本体可选择地配置为用于一系列不同类型的内燃机，例如，包括火花点火或者压缩点火的二或四冲程内燃机。
仍参阅附图1-图4，冠部22具有径向面向外且大致圆柱型成型的环带区域，该环带区域具有多个环槽28，环槽28用于容纳一个或多个活塞环(图中未示)以抵靠内燃机的气缸壁(图中未示)密封活塞20。典型的活塞20的冠部22还具有上燃烧表面，其中形成有“墨西哥帽”型的燃烧碗30。应当领会的是燃烧碗30可具有任何合适的形状或者构造，其取决于活塞本体的预设的具体应用，冠部可选择地不具有燃烧碗。
回阅图1-图3，裙部24和销壳26从冠部22下垂并且从冠部轴向向下延伸。如图1和图3最优所示，销壳26具有销孔30，销孔30沿着销孔轴彼此对齐以用于容纳轴头销(也称为活塞销)，从而将活塞20连接至连杆(图中未示)，最终连接至内燃机的曲柄箱(图中未示)。
现在参阅图7的剖面图，活塞本体20的冠部22具有形成于其中的用于容纳并承载冷却油(或者任何其它冷却液体)的封闭的油道32，以在内燃机运行过程中冷却冠部22。在典型的实施例中，油道32是大致圆环或者环形的形状并且围绕轴三百六十度(360°)地延伸。如图5所示，活塞本体20还具有至少一个开口34(在典型实施例中示出为两个开口34)，用于在发动机运行过程中将冷却油从一个或多个喷油孔(图中未示)接入油道32中，并且还从油道32分流冷却油并且将其送回内燃机的曲柄箱。油连续循环进入油道32中起到从冠部22带走热量的效果以冷却冠部22并且容许其在增加的燃烧压力和温度下运行。
回阅图7，根据本发明的这个方面，整体的活塞本体20由单独构造且连接至一起的两件制成。特别地，裙部24和销壳26形成为一个整块(下文统称为“第一部件”)，其通过非增材制造工艺成型，比如铸造或者锻造。包括冠部22的其它块(下文统称为“第二部件”)通过增材制造工艺或者技术形成，比如DMLS。由于第一部件和第二部件是单独成型的，二者可由不同材料制作。例如，具有冠部22的第二部件可由钢制成以承受高燃烧压力和温度，而第一部件可由铝或者铝合金制成以减少活塞本体的总重。可选择地，第一部件和第二部件可由不同等级的钢制造以为活塞本体20提供优化的重量和性能。第二部件还可由比第一部件的材料更抗氧化的材料制成。第一部件和第二部件可通过例如摩擦焊、感应焊、钎焊、机械紧固或者其它适合的技术连接至一起。
如图所示，油道32完全形成于具有冠部22的第二部件中。如此，相对于上方的燃烧表面，第一部件和第二部件之间的焊缝位于油道32的另一侧。油道32完全通过增材制造工艺或者技术(例如DMLS)制造。如此，油道32具有大致光滑的壁并且不包括形成于其中的弧光灼伤，这些弧光灼伤典型的见于具有油道的其它活塞中。由于没有弧光灼伤以干扰油的流入和流出以及在油道32内的流动，这样可实现改善性能。另外，通过增材制造工艺或者技术形成冠部22可容许比其它可能进一步提高冠部22的冷却性能的结构更复杂的形状。更进一步，环带的槽28可在增材制造工艺过程中直接形成于冠部22中，从而消除或者至少减少成型槽28所需的机械加工步骤。这样可提高制造效率并且降低成本。
图6示出了通过DMLS成型的冠部22。在DMLS工艺中，通过大功率激光器38沿着预定的图样有选择地熔化构建平台上的金属粉末36以形成冠部22的一层或者一片。该工艺在变化熔化图样的同时根据各片的不同形状重复预定数量的次数直至所有片均完成以形成冠部22。
现在参阅图8，根据本发明的另一个方面，具有裙部24和销壳26的第一部件通过铸造或者锻造成型并且被载入DMLS机器中。然后DMLS工艺开始沿着预定的图样熔化金属粉末36，从而在第二部件制作的过程中将具有冠部22(图1所示)的第二部件直接连接至第一部件。由于第二部件与第一部件的连接与第一部件的制造同时发生，就不需要单独的连接工艺(例如焊接)。
本发明的另一个方面提供了一种制造用于内燃机的整体的活塞本体20的方法。该方法包括铸造或者锻造活塞本体20的第一部件以包括一对裙部24和一对销壳26的步骤。该方法继而包括通过DMLS制造活塞本体20的第二部件的步骤。制造第二部件的步骤以及将第一部件和第二部件连接至一起的步骤可同时发生(通过在第一部件上直接制造第二部件)或者第二部件与第一部件可单独制造并且这两件可随后连接至一起，例如通过焊接连接。
显然，根据以上教导，本发明具有多种修改以及变化，在权利要求的范围内，本发明还可通过除了具体描述以外的方式实现。

Claims (15)

1.一种制造用于内燃机的活塞本体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
铸造或者锻造活塞本体的一部分；以及
通过增材制造工艺熔化金属粉末以在活塞本体的铸造或者锻造的部分上构建活塞本体的剩余部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该增材制造工艺是直接金属激光烧结。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，活塞本体的铸造或者锻造的部分包括一对裙部以及一对销壳，其中通过增材制造工艺构建的部分包括上燃烧表面和至少部分封闭的油道。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，金属粉末是与活塞本体的铸造或者锻造的部分不同的材料。
5.一种制造用于内燃机的整体的活塞本体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
铸造或者锻造活塞本体的第一部件；
通过增材制造工艺制造活塞本体的第二部件；以及
将第一部件和第二部件连接至一起。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，铸造或者锻造的第一部件包括一对裙部以及一对销壳，通过增材制造工艺制造的第二部件包括上燃烧表面以及至少部分封闭的油道。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，用于制造活塞本体的第二部件的增材制造工艺是直接金属激光烧结。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过直接金属激光烧结制造活塞本体的第二部件的同时将第一部件和第二部件彼此连接至一起，第二部件的材料直接形成于第一部件上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过直接金属激光烧结制造活塞本体的第二部件包括在第一部件的表面熔化金属粉末。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，活塞本体的第一部件和第二部件通过焊接连接至一起。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将第一部件和第二部件连接至一起的步骤进一步定义为将第一部件和第二部件焊接至一起。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将第一部件和第二部件焊接至一起采用摩擦焊接。
13.一种用于内燃机的整体的活塞本体，其特征在于，包括：
第一部件，第一部件包括一对裙部以及一对销壳；
第二部件，第二部件包括带有上燃烧表面和至少部分封闭的油道的冠部；以及
所述第一部件和第二部件在接缝处连接至一起，该接缝位于所述油道的与所述上燃烧表面相对的一侧。
14.根据权利要求13所述的整体的活塞本体，其特征在于，第一部件和第二部件由不同的材料制造。
15.根据权利要求14所述的整体的活塞本体，其特征在于，第二部件的材料与第一部件的材料相比具有增大的抗氧化性。
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