CN105986923B - 一种双油腔钢活塞及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种双油腔钢活塞及其加工方法，钢活塞包括活塞头部和活塞裙部，活塞头部中部与活塞裙部中部通过摩擦焊接连接，并围成盆形冷却油腔，活塞头部周边与活塞裙部周边密封连接，并围成环绕盆形冷却油腔的环形冷却油腔，盆形冷却油腔内沿摩擦焊接回转中心轴设置有用于保证摩擦焊接回转精度的回转导向组件。方法包括：S1：零件加工：锻造活塞头部和活塞裙部，对活塞头部与活塞裙部之间的摩擦焊接面以及回转导向组件精加工；S2：径向定位准备：将活塞头部与活塞裙部对接，活塞头部与活塞裙部之间的回转导向槽和回转导向轴套接配合形成回转径向定位；S3：摩擦焊接；S4：后加工：焊后热处理、完成活塞头部和活塞裙部的周边密封连接、机械精加工及表面处理。

Description

一种双油腔钢活塞及其加工方法

技术领域

本发明涉及钢活塞及其加工方法，尤其涉及一种双油腔钢活塞及其加工方法。

背景技术

用于载重汽车、工程机械、船舶等发动机都在向大功率、高爆压方向发展，发动机、尤其是活塞将承受更高的热负荷和机械负荷，促使活塞冷却变得更加重要。

为了降低活塞部件的工作温度，通过设置冷却油腔对活塞头部给予充分的冷却，这种活塞头部油腔有二种结构方式，一是活塞头部单油腔结构，冷却油在活塞头部环形冷却油腔流动，以强化对活塞头部的强制冷却；二是在活塞头部双油腔结构，在活塞头部设置环形冷却油腔和燃烧室底部设置盆形冷却油腔，环形冷却油腔和盆形冷却油腔之间有通孔连接，冷却油在环形冷却油腔和盆形冷却油腔流动，以强化对活塞头部全面的强制冷却。

已知的双油腔全钢结构活塞，活塞头部和裙部分体锻造后焊接成型，较好的解决内冷却油腔成型等问题。如：中国专利文献CN202970933U公开的双冷却油腔焊接式锻钢内燃机活塞；中国专利文献CN103119278A公开的用于内燃机的活塞；中国专利文献CN104153909A公开的一种气体发动机强冷钢活塞。

现有双油腔全钢结构活塞存在以下几个方面的问题：

一是活塞头部和裙部分体锻造后焊接成型，能有效的形成双内冷却油腔，但焊接后活塞头部和裙部径向同轴度误差偏大（0.3-0.7mm以上），轴向长度尺寸公差（±0.25mm）较大，造成活塞头部或裙部长度及壁厚尺寸不均、重量不匀，影响活塞工作性能。

二是活塞头部和裙部分体锻造后焊接成型，并采用双焊接面结构设计，活塞中部和周边的两层环槽之间均设置摩擦焊接面，焊接过程中存在的焊接飞边，防碍了冷却油对活塞顶的冲击振荡，摩擦焊接飞边表面氧化粗糙，冷却油杂质在此容易聚集沾连并结焦，对活塞头部周边、活塞顶部的冷却散热产生不利影响，降低振荡冷却效果；并且双焊接面工艺焊接过程相对复杂，焊接质量的保障难度增大，而且对摩擦焊接设备的吨位要求高，大量的飞边残留在环形内冷却油腔增加了活塞重量。

三是高压冷却油从冷却喷嘴喷出，在活塞下止点时冷却油全部挤入到环形内冷却油腔内，在重力的作用下高压冷却油会产生喷射发散，当活塞在上止点时不论是开式油腔进油口还是闭式油腔进油口，均存在约20%左右的冷却油从进油口“逃逸”到冷却油腔外，现有技术的环形内冷却油腔的出油连接通孔在环形内冷却油腔相对位置较高，活塞排油过程，连接通孔之下的环形冷却油腔的冷却油在惯性的作用下对进油口形成逸出压力，高压冷却油对进油口的“封闭”作用被大大削弱，冷却油“逃逸”量增多，不利于冷却油在活塞内冷却油腔的留存，对活塞的冷却产生不利影响。

四是盆形冷却油腔底是向上的穹顶曲面结构，冷却油是一种粘性液体，与盆形内冷却油腔的园弧曲面存在粘附，活塞从下止点上行时，活塞先加速后减速，活塞减速后冷却油紧贴园弧曲面上行，盆形冷却油腔面积较大，对盆形冷却油腔顶的冲击力削弱，冷却效果受到影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成型精度高、冷却效果好的双油腔钢活塞及其加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种双油腔钢活塞，包括活塞头部和活塞裙部，所述活塞头部中部与活塞裙部中部通过摩擦焊接连接，并围成盆形冷却油腔，所述活塞头部周边与活塞裙部周边密封连接，并围成环绕所述盆形冷却油腔的环形冷却油腔，所述盆形冷却油腔内沿摩擦焊接回转中心轴设置有用于保证摩擦焊接回转精度的回转导向组件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述导向组件包括回转导向槽和回转导向轴，所述回转导向槽和回转导向轴分设于活塞头部和活塞裙部，且所述回转导向轴与所述回转导向槽套接。

所述盆形冷却油腔的底部环绕回转导向组件设有多条环形沟槽。

所述盆形冷却油腔与环形冷却油腔通过连通孔连通。

所述活塞裙部于环形冷却油腔底部设有与环形冷却油腔连通的进油孔，所述活塞裙部于盆形冷却油腔底部设有盆形冷却油腔连通的排油孔。

所述排油孔设有多个，多个所述排油孔围绕所述回转导向组件设置。

所述进油孔的出口装设有向环形冷却油腔内延伸的定距套，所述定距套的出口高度高于所述连通孔的高度。

所述活塞头部周边与活塞裙部周边通过缩口结构密封连接。

所述活塞头部周边与活塞裙部周边通过迷宫结构密封连接。

一种双油腔钢活塞加工方法，包括以下步骤：

S1：零件加工：包括锻造活塞头部和活塞裙部，在活塞头部加工盆形冷却油腔和环形冷却油腔的顶面，在活塞裙部加工盆形冷却油腔和环形冷却油腔的底面，对活塞头部与活塞裙部之间的摩擦焊接面以及回转导向组件精加工；

S2：径向定位准备：将活塞头部与活塞裙部对接，并通过活塞头部与活塞裙部之间的回转导向槽和回转导向轴的套接配合形成回转径向定位；

S3：摩擦焊接：活塞头部与活塞裙部相对旋转，同时作轴向进给，活塞头部与活塞裙部摩擦焊接，在摩擦焊接的顶锻阶段回转导向轴的端面与回转导向槽的底面相抵时，停止活塞头部与活塞裙部的轴向进给，保压延时，摩擦焊接完成；

S4：后加工：焊后热处理、完成活塞头部和活塞裙部的周边密封连接、机械精加工及表面处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的双油腔钢活塞，采用活塞头部和活塞裙部分体摩擦焊接成型的结构，摩擦焊接过程中，通过沿摩擦焊接回转中心轴设置的回转导向组件对活塞头部和活塞裙部径向导向，能够提高活塞头部和活塞裙部的焊后同轴度精度，解决了现有双油腔钢活塞中存在的同轴度精度低、壁厚及重量不均匀的问题；活塞头部和活塞裙部采用中部摩擦焊接，周边密封连接的结构，提高了摩擦焊接的工艺性，可以降低焊接设备的吨位，减少焊接工作时间，节约设备采购费用，降低活塞的制造成本，同时减少了环形冷却油腔内的残留焊接飞边，减少活塞头部重量，消除焊接飞边对冷却油的上行阻碍，也提高了环形冷却油腔对活塞头部的强制冷却效果。

本发明的双油腔钢活塞加工方法，在开始摩擦焊接前对活塞头部与活塞裙部进行径向定位，在摩擦焊接过程中通过径向定位结构保持活塞头部与活塞裙部的同轴度，使活塞头部与活塞裙部的摩擦焊接成型精度大大提高，提升双油腔钢活塞的质量和加工成品率。

附图说明

图1是本发明第一种双油腔钢活塞实施例的结构示意图。

图2是本发明第二种双油腔钢活塞实施例的结构示意图。

图3是本发明双油腔钢活塞加工方法的流程图。

图4是本发明双油腔钢活塞加工方法中摩擦焊接示意图。

图中各标号表示：

1、活塞头部；2、活塞裙部；3、盆形冷却油腔；31、排油孔；4、环形冷却油腔；41、进油孔；42、定距套；5、导向组件；51、回转导向槽；52、回转导向轴；6、连通孔；7、环形沟槽；8、燃烧室。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一种双油腔钢活塞实施例，该双油腔钢活塞包括活塞头部1和活塞裙部2，活塞头部1中部与活塞裙部2中部通过摩擦焊接连接，并围成盆形冷却油腔3，活塞头部1周边与活塞裙部2周边密封连接，并围成环绕盆形冷却油腔3的环形冷却油腔4，盆形冷却油腔3与环形冷却油腔4通过连通孔6连通，盆形冷却油腔3内沿摩擦焊接回转中心轴设置有用于保证摩擦焊接回转精度的回转导向组件5。本发明的双油腔钢活塞，采用活塞头部1和活塞裙部2分体摩擦焊接成型的结构，摩擦焊接过程中，通过沿摩擦焊接回转中心轴设置的回转导向组件5对活塞头部1和活塞裙部2的径向导向，能够提高活塞头部1和活塞裙部2的焊后同轴度精度，解决了现有双油腔钢活塞中存在的同轴度精度低、壁厚及重量不均匀的问题；活塞头部1和活塞裙部2采用中部摩擦焊接，周边密封连接的结构，提高了摩擦焊接的工艺性，可以降低焊接设备的吨位，减少焊接工作时间，节约设备采购费用，降低活塞的制造成本，同时减少了环形冷却油腔4内的残留焊接飞边，减少活塞头部1重量，消除焊接飞边对冷却油的上行阻碍，也提高了活塞头部1的内冷却油腔强制冷却效果。

本实施例中，导向组件5包括回转导向槽51和回转导向轴52，回转导向槽51设于活塞头部1，回转导向轴52设于活塞裙部2，且回转导向轴52与回转导向槽51套接，在其他实施例中也可将回转导向槽51设于活塞裙部2，回转导向轴52设于活塞头部1。回转导向轴52与回转导向槽51的套接配合在实现了径向定位的同时，还可以实现活塞头部1和活塞裙部2的精确轴向定位，在摩擦焊接的顶锻阶段回转导向轴52的端面与回转导向槽51的底面相抵，确保活塞头部1和活塞裙部2的长度精度；回转导向槽51和回转导向轴52还增加了盆形冷却油腔3的散热面积，促进了冷却油对燃烧室8的冷却，同时定位结构对燃烧室8起到了辅助支撑作用。

本实施例中，盆形冷却油腔3的底部环绕回转导向组件5设有多条环形沟槽7，多条环形沟槽7布满盆形冷却油腔3底面，环形沟槽7可改变冷却油向上运动方向，阻断冷却油沿壁面上升轨迹，同时环形沟槽7对冷却油有一个“托举”作用，可提高冷却油对盆形冷却油腔3顶面的冲击强度，提升盆形冷却油腔3顶面的换热效率，提高冷却效果。

本实施例中，活塞裙部2于环形冷却油腔4底部设有与环形冷却油腔4连通的进油孔41，活塞裙部2于盆形冷却油腔3底部设有与盆形冷却油腔3连通的排油孔31，排油孔31设有多个，多个排油孔31围绕回转导向组件5设置。

本实施例中，进油孔41的出口装设有向环形冷却油腔4内延伸的定距套42，定距套42的出口高度高于连通孔6的高度，该定距套42可保障环形冷却油腔4内冷却油的充分的动态液面高度，消除冷却油的“逃逸”，实现冷却油腔必要的冷却油填充率，利于强制振荡冷却过程中活塞头部1冷却油的换热率达到最高。

本实施例中，活塞头部1周边与活塞裙部2周边通过缩口结构密封连接，该缩口结构能简捷的封闭环形冷却油腔4，工艺简单、经济有效。

图2示出了本发明的第二种双油腔钢活塞实施例，本实施例与上一实施例基本相同，区别仅在于：活塞头部1周边与活塞裙部2周边通过迷宫结构密封连接。

图3示出了本发明双油腔钢活塞加工方法实施例的流程，本实施例的双油腔钢活塞加工方法，包括以下步骤：

S1：零件加工：包括锻造活塞头部1和活塞裙部2，在活塞头部1加工盆形冷却油腔3和环形冷却油腔4的顶面，在活塞裙部2加工盆形冷却油腔3和环形冷却油腔4的底面，对活塞头部1与活塞裙部2之间的摩擦焊接面以及回转导向组件5精加工；

S2：径向定位准备：将活塞头部1与活塞裙部2对接（如图4所示），并通过活塞头部1与活塞裙部2之间的回转导向槽51和回转导向轴52的套接配合形成回转径向定位；

S3：摩擦焊接：活塞头部1与活塞裙部2相对旋转，同时作轴向进给，活塞头部1与活塞裙部2摩擦焊接，在摩擦焊接的顶锻阶段回转导向轴52的端面与回转导向槽51的底面相抵时，停止活塞头部1与活塞裙部2的轴向进给，保压延时，摩擦焊接完成；

S4：后加工：焊后热处理、完成活塞头部1和活塞裙部2的周边密封连接、机械精加工及表面处理。

本发明的双油腔钢活塞加工方法，在开始摩擦焊接前对活塞头部1与活塞裙部2进行径向定位，在摩擦焊接过程中通过径向定位结构保持活塞头部1与活塞裙部2的同轴度，使活塞头部1与活塞裙部2的摩擦焊接成型精度大大提高，提升双油腔钢活塞的质量。

本实施例中，进一步在步骤S1中将活塞头部1周边和活塞裙部2周边加工成可形成径向接触配合的结构，从而实施辅助径向定位，进一步提高定位精度；在步骤S1中，于活塞头部1顶部加工出装夹凸台，避免摩擦焊接时直接装夹活塞头部1的环形冷却油腔4周边而引起环形冷却油腔4变形。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种双油腔钢活塞，包括活塞头部（1）和活塞裙部（2），其特征在于：所述活塞头部（1）中部与活塞裙部（2）中部通过摩擦焊接连接，并围成盆形冷却油腔（3），所述活塞头部（1）周边与活塞裙部（2）周边密封连接，并围成环绕所述盆形冷却油腔（3）的环形冷却油腔（4），所述盆形冷却油腔（3）内沿摩擦焊接回转中心轴设置有用于保证摩擦焊接回转精度的回转导向组件（5）。

2.根据权利要求1所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述导向组件（5）包括回转导向槽（51）和回转导向轴（52），所述回转导向槽（51）和回转导向轴（52）分设于活塞头部（1）和活塞裙部（2），且所述回转导向轴（52）与所述回转导向槽（51）套接。

3.根据权利要求1所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述盆形冷却油腔（3）的底部环绕回转导向组件（5）设有多条环形沟槽（7）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述盆形冷却油腔（3）与环形冷却油腔（4）通过连通孔（6）连通。

5.根据权利要求4所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述活塞裙部（2）于环形冷却油腔（4）底部设有与环形冷却油腔（4）连通的进油孔（41），所述活塞裙部（2）于盆形冷却油腔（3）底部设有盆形冷却油腔（3）连通的排油孔（31）。

6.根据权利要求5所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述排油孔（31）设有多个，多个所述排油孔（31）围绕所述回转导向组件（5）设置。

7.根据权利要求5所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述进油孔（41）的出口装设有向环形冷却油腔（4）内延伸的定距套（42），所述定距套（42）的出口高度高于所述连通孔（6）的高度。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述活塞头部（1）周边与活塞裙部（2）周边通过缩口结构密封连接。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的双油腔钢活塞，其特征在于：所述活塞头部（1）周边与活塞裙部（2）周边通过迷宫结构密封连接。

10.一种双油腔钢活塞加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：零件加工：包括锻造活塞头部（1）和活塞裙部（2），在活塞头部（1）加工盆形冷却油腔（3）和环形冷却油腔（4）的顶面，在活塞裙部（2）加工盆形冷却油腔（3）和环形冷却油腔（4）的底面，对活塞头部（1）与活塞裙部（2）之间的摩擦焊接面以及回转导向组件（5）精加工；

S2：径向定位准备：将活塞头部（1）与活塞裙部（2）对接，并通过活塞头部（1）与活塞裙部（2）之间的回转导向槽（51）和回转导向轴（52）的套接配合形成回转径向定位；

S3：摩擦焊接：活塞头部（1）与活塞裙部（2）相对旋转，同时作轴向进给，活塞头部（1）与活塞裙部（2）摩擦焊接，在摩擦焊接的顶锻阶段回转导向轴（52）的端面与回转导向槽（51）的底面相抵时，停止活塞头部（1）与活塞裙部（2）的轴向进给，保压延时，摩擦焊接完成；

S4：后加工：焊后热处理、完成活塞头部（1）和活塞裙部（2）的周边密封连接、机械精加工及表面处理。