CN107771245A - 具有复杂形状的燃烧室和冷却腔的活塞及其构造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种活塞及其构造方法。活塞具有下部构件以及连接到下部构件的上部构件，下部构件具有直径上对置的裙部和轴向地对准的销孔。上部构件具有基本平坦的上部燃烧表面和从上部燃烧表面悬置的燃烧室。与燃烧室直接相对地形成活塞顶内表面，并且燃烧室缘边将燃烧室与上部燃烧表面过渡连接。燃烧室、活塞顶内表面和上部燃烧表面中的至少一个具有机加工表面和“锻造”表面。

Description

具有复杂形状的燃烧室和冷却腔的活塞及其构造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年4月20日提交的美国临时申请(序列号)No.62/150,154和于2016年4月19日提交的美国实用申请(序列号)No.15/132,924的优先权，这两件申请的全部内容通过引用结合于本文中。
背景
1.技术领域
本发明一般涉及用于内燃机的活塞，更具体地涉及锻造的柴油发动机活塞。
2.相关技术
在内燃机应用中，特别是关于柴油发动机的应用中，众所周知的是为活塞提供形成有用于从发动机曲轴箱进入和流出冷却油的入口和出口开口的封闭通道的主体。油循环通过通道，并冷却最易受燃烧热损坏的活塞部分。围绕悬置到活塞顶上部表面中的燃烧室(combustion bowl)延伸的环形上缘边，特别容易受到热量的损害。
冷却腔(cooling galleries)通常为环形或圆环形，具有恒定形状的横截面，并且通常形成为与活塞环带径向向内对准。所述通道与活塞主体的顶壁和缘边相邻，并且被靠近燃烧室的内壁界定。油腔可以是开放的或封闭的。如果是封闭的，则油腔通道在底部基本上被底壁封闭，其中底壁可以设置有用于冷却油进入和流出的入口和出口。
传统上，柴油发动机的燃烧室具有对称的圆形形状，并且具有从外缘径向向内到凹谷和中心峰的平滑的不间断表面。然而，今天，新的燃烧室正在被设计成具有非传统的复杂形状。应当理解，这些非传统的形状被用于更有效地并且以更少的非所需的排放来燃烧燃料。然而，复杂的燃烧室形状使得，如在平面图和横截面中所看到的，以传统的恒定形状的冷却腔绕其延伸的燃烧室和缘边的冷却变得更困难。通过车削操作的常规加工无法为油腔提供与复杂形状的燃烧室类似或对应的复杂形状。
如果在燃烧室和油腔之间延伸的壁结构的差异导致显着不同和变化的壁厚，或者如果壁太厚而不能被在油腔中循环的油充分冷却，则“热点”在活塞中可能发生。热点区域可能在活塞中产生弱化点，材料可能会在此弱化点处开裂或失效。如果活塞发生故障，则会导致发动机故障，从而造成重大费用，并可能需要更换车辆发动机。
本发明的目的是提供一种锻钢活塞，和一种形成锻钢活塞的方法，该锻钢活塞具有非传统的复杂形状的燃烧室和相应的冷却腔，其提供相对薄且均匀的壁厚，以便避免过热的问题，并且还为活塞提供最小的成品压缩高度公差，从而提高所得到的活塞的性能，并且还允许增加“锻造”压缩高度公差，从而使活塞的制造经济。
发明内容
本发明提供了锻钢活塞中的油腔(oil galleries)，其成形为与复杂形状的燃烧室配合，以及用于形成这种油腔和复杂形状的燃烧室的方法，其在整个燃烧室与整个油腔之间提供了均匀的或基本上均匀的壁厚。本发明使活塞内的热点的形成最小化或消除，并允许通道中的油将燃烧室缘边与活塞及燃烧室的其它区域保持在可接受的温度范围内。本发明进一步增强了根据本发明构造的活塞的可制造性的容易性和可靠性，并且进一步提供了一种最佳工艺方法，用于确保在燃烧室、油腔和活塞顶内表面(undercrown surface)之间延伸的壁的尺寸厚度是最佳的，以增强活塞的强度和使用寿命。此外，本发明提供了一种工艺方法，其中可以使锻造活塞的压缩高度公差最小化，而不会危及活塞的结构完整性。
通道形成为具有与燃烧室相同或基本类似的复杂形状。通道初始通过锻造形成，然后可以通过机械加工操作至少部分机加工，例如在可能的情况下进行车削加工，以扩大通道并精加工某些表面。通道中的不能通过机械加工操作精加工的区域和表面，例如凹部和凸起，或者被认为不必进一步处理以增强活塞性能的区域和表面，可以保留在其初始的“锻造”状态。在加工操作期间，可以形成环形槽，其沿着朝向燃烧室缘边和上部燃烧表面的方向延伸过油腔的轴向全深度，以形成具有均匀或基本均匀厚度的燃烧室壁。
根据本发明的一个方面，提供了具有下部构件的活塞，所述下部构件具有直径上对置的裙部和轴向地对准的销孔，以及连接到下部构件的上部构件。上部构件具有基本上平坦的上部燃烧表面和从上部燃烧表面悬置的燃烧室，带有形成为与燃烧室直接相对的活塞顶内表面，和将燃烧室与上部燃烧表面过渡连接的燃烧室缘边。燃烧室、活塞顶内表面和上部燃烧表面中的至少一个具有加工表面和“锻造”表面。
根据本发明的一个方面，提供了一种构造活塞的方法。该方法包括，形成具有直径上对置的裙部和轴向地对准的销孔的下部构件，并且锻造具有基本平坦的上部燃烧表面的上部构件和从上部燃烧表面悬置的燃烧室，带有形成为与燃烧室直接相对的活塞顶内表面，和将燃烧室与上部燃烧表面过渡连接的燃烧室缘边。此外，将下部构件接合到上部构件。另外，还机加工上燃烧面、燃烧室和活塞顶内表面中的至少一个的一部分，并且留下上部燃烧表面、燃烧室和活塞顶内表面中的至少一个的一部分是“锻造”的。
可以初始锻造燃烧室内的上部燃烧表面和燃烧室正下方的活塞顶内表面，在锻造过程中有意地将多余的材料留在局部区域中，从而导致直接在燃烧室下面在燃烧室和活塞顶内表面之间延伸的局部区域中的壁厚增加。然后，在锻造之后，材料厚度增加的局部区域可以被精加工，以形成在燃烧室正下方在燃烧室与活塞顶内表面之间延伸的壁的精确和最佳的厚度。
在燃烧室的底板和上部燃烧室缘边之间延伸的、复杂形状的燃烧室的直立的环形壁，可以初始锻造成具有拔模角度，使得直立壁从最上面的燃烧表面朝向燃烧室收敛。这样，就可以确保锻造工具在形成燃烧室之后被向外拉时不会被卡住。于是，如果需要形成纯粹的圆柱形直立壁，或者如果需要凹式(re-entrant)壁，则可以进行精加工。
根据本发明的另一方面，活塞的上部燃烧表面可以在锻造过程中初始被锻造成至少在环形局部区域中有意地在其上留有额外材料，然后，上部燃烧表面可以被精加工到相对于销孔轴线所需的高度，从而在减小的公差极限内建立活塞的最佳和精确的压缩高度
根据本发明的另一方面，可以对活塞的选定的“锻造”表面进行表面处理以除去任何残留物或颗粒，而不会显著地改变处理的表面的尺寸。这种表面处理可以包括喷丸，蚀刻，流体处理或其它方式。
本文所用的用语“复杂”是指活塞顶中的燃烧室的形状，其无论是在其外周边，或在外周边内部，或者两者，都不是传统形状的。“复杂”形状是指燃烧室的除传统形状以外的所有形状，其可以具有例如这样的边缘，所述边缘在燃烧室中、在其周边或在此二者位置包括直段、弯曲段或弧形段，或者具有凸块、凸起、肋、凹槽等等。通常，复杂形状是不能通过常规机械车削操作加工出的任何形状。
本发明优选用于柴油发动机的活塞，尽管本发明也可用于任何内燃机的活塞。
附图说明
当结合以下详细描述和附图考虑时，本发明的这些和其它特征和优点将变得更容易理解，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个方面的具有闭合油腔的活塞；
图2是根据本发明形成的“锻造”活塞顶的示意性平面图，其描绘了燃烧室的代表性的复杂形状；
图2A-2C描绘了燃烧室的更多的代表性的形状；
图3是大致沿着图2的线3-3截取的横截面；和
图4是在锻造的上部构件12的至少一个表面被机加工之后的类似于图3活塞顶的另一横截面。
优选实施例的描述
更详细地参考附图，图1示出了根据本发明的一个方面构造的代表性活塞10。活塞10包括彼此连接的上部构件12和下部构件14，其中下部构件包括裙部16和销凸台18，带有沿着销孔轴线21轴向地对准的销孔20。上部构件12和下部构件14以固定的方式，例如通过焊接，包括摩擦焊接、感应焊接或其它方式，而固定在一起，以形成活塞10。
活塞10具有冷却腔22，在其中进行油循环以保持活塞10的温度，特别是上部燃烧表面24，其包括在其中悬置的燃烧室26，以及将最上面的燃烧表面24与直立的环形燃烧室壁(也称为燃烧室26的侧或简称为壁30)过渡连接的燃烧室缘边28。冷却腔22可以是开放的或封闭的，如本领域中中很好理解的那样。如果是封闭的，则冷却腔22的底壁或底板通常被包括进来作为下部构件14的一部分，并且可以包括油的入口和出口开口32，其中仅在截面图中示出了一个，作为示例而不限于此。
代表性的复杂燃烧室26被描绘为基本上正方形的，其中四个直立的侧面由壁30建立。在所示的形状中，直立的侧面沿着横向于纵向轴线51的方向是直的，其中以圆角相互连接相邻的侧面。应当理解，燃烧室26的形状和侧面的线性仅仅是复杂燃烧室的一个示例。根据本发明，燃烧室26可以具有任何周边形状或内部形状，其中以任何数量的侧面或侧面部分来界定燃烧室26。如图2A所示，燃烧室26的形状可以是复杂的，或者如图2A所示在其外周边，或者如图2B所示在燃烧室的径向内部区域是复杂的，或者如图2C所示关于外周边和内部区域二者都是复杂的。图2A、2B和2C代表复杂形状的燃烧室26'，26”，26”'的这三种一般的类型。本发明提供了一种冷却腔，其可以容纳具有这种复杂形状的燃烧室，同时为活塞10提供高强度，耐久的结构，其导致长的使用寿命。
上部构件12和下部构件14由钢材制成。可以在这两个构件12，14的钢材料可以是相同的或不同的。至少初始通过锻造工艺形成上部构件12的形状。根据本发明的一优选实施例，上部构件12中的冷却腔通道部分34通过与燃烧室26或其部分相同的工艺制成。在所示的实施例中，上部构件12中的冷却腔通道部分34初始通过锻造工艺(代表性示例示出为“锻造”的，并且是在图2和图3中的机加工之前)形成，随后是在选定区域的机加工处理(如图4中所示的精加工的代表性示例)。
根据一优选实施例，用于形成燃烧室26的锻造模具和用于形成冷却腔部分34的锻造模具具有对应的配合形状。这两个模具具有彼此相对应的类似的直线段和类似的弯曲段。
在锻造工艺之后的活塞顶10的横截面如图3所示。锻造工艺形成环形凹坑(pocket)36，其不必一定具有周向的均匀宽度T或均匀深度“D”。在其中燃烧室26的侧面30最远离外部(通常为圆柱形表面，其最终形成上部构件12的环带区域38)的部分中，凹坑36的宽度W更大。类似地，其中凹坑36最窄的区域是在燃烧室26的侧面之间的转角或相交处。
由锻造制成的凹坑36的深度D取决于在锻造过程中使用的模具。锻造模具可以在钢上部件12中穿透并且在需要更换或翻新之前仍然可被重复使用的穿透深度，是有实际限制的。
作为根据本发明的一优选实施例形成冷却腔部分34的后续步骤，冷却腔部分34的最终形状被机加工成如图4所示的形状。在机加工的一个步骤中，工具构件40所代表的机加工工具被插入到通过(在箭头42的方向)锻造工艺形成的凹坑36中，并被用于精加工冷却腔部分34的外表面，并用于形成整个地围绕燃烧室26的环形槽44。该机械车削操作将冷却腔部分34延伸到活塞顶的上部极限(靠近顶部环槽并且邻近上部燃烧表面24)。经完全加工的槽44在锻造工艺中形成的初始槽36上方延伸。
“机械车削”或简言之“车削”是一种加工工艺，其中通常为非旋转工具钻头的切削工具在工件旋转时线性移动，例如在车床上。“机械车削”可以指在工件的内表面或外表面上的这种切削或精加工操作。在对其上的油腔通道的一些表面进行机加工时，机械车削就精加工或形成了内表面。
机械车削加工也可用于机加工和精加工冷却腔部分34的一些内表面，例如表面46。由于为了遵循燃烧室26的复杂形状而在冷却腔部分34中具有复杂形状，所以，在锻造过程中可以通过锻造模具在冷却腔内表面上形成多个凸块或凹部。由于在机加工过程中使用的车削工序，在该工序步骤中，凹部，以及凸块之间的区域未被精加工(即，未被机加工)。图4中的内腔通道表面48没有被精加工，并且保持其在锻造后的原始状态。在图2中，被精加工的环形槽44的外周由隐藏线44'表示。此外，复杂形状的冷却腔部分34的被精加工的内表面由隐藏线46'表示。
在根据本发明的一个方面的锻造操作中，上部构件12的下表面中的冷却腔部分34将在与另一个锻造模具形成复杂形状的燃烧室26的同时形成，该燃烧室26悬置在上部燃烧表面24中。本发明的方法和所得到的本发明的结构提供了具有与复杂形状燃烧室26的外周形状相似或基本上相同的周边内部形状的冷却腔部分34。这使得冷却腔部分34和燃烧室26之间的直立壁30的厚度最小化，并且使燃烧室26外围的壁厚均匀或基本均匀。由于锻造和加工过程的实际限制，所有壁的厚度在燃烧室26的圆周周围将不完全相同。然而，本发明使得壁厚在整个油腔周围在实践中尽量薄且均匀，同时提供具有期望的高强度的壁厚。这允许被引入冷却腔22中的油将燃烧室壁表面和燃烧室缘边28的温度保持在适当的限度内，并且避免有害的热点，同时为活塞10提供长的使用寿命。
为了便于锻造上部构件12，燃烧室壁30被锻造成具有拔模角α，使得壁30的径向向内面向燃烧室26的表面从上部燃烧表面24的最上部区域收敛，如图所示从燃烧室缘边28朝向燃烧室26的凹底板50收敛。在所示的实施例中，整体燃烧室壁30从上部燃烧表面24到底板50收敛，并且还保持为“锻造”的。因此，如图2所示，在平面图中可以看到，壁30从燃烧室缘边28到底板50收敛。在壁30本身稍微倾斜的情况下，在锻造燃烧室26之后取出锻造模具后，锻造模具被确保自由。此外，锻造模具经受的摩擦力被最小化，从而减少锻造模具在使用过程中的磨损，从而延长了锻造模具的使用寿命。壁30的拔模角α可以根据需要形成，例如在约1-15度之间，其中一个目前优选的实施例具有从中心纵向轴线(也称为活塞往复运动所沿着的中心纵向轴线51)的约11度或更小的拔模角。当然，如果需要，可以预期壁30可被精加工，从而形成纯圆柱形的壁面，如果需要的话。如果保持为“锻造”的，任何锻造的表面都可以进行表面处理，例如通过喷丸，蚀刻，流体或化学处理，或其它方式，以去除残留物或颗粒，而不会对成品尺寸或公差有任何明显改变。
为了进一步方便锻造上部构件12，特别是燃烧室26的中心壁52(其在燃烧室26的底板50与直接位于燃烧室26下面的活塞顶内表面54之间延伸)，至少中心壁52的中心部分初始被锻造成具有相对于壁52的精加工厚度t2(图4)增加的厚度t1(图3)。初始厚度t1由锻造模具形成，使得通过在中心壁52的至少一侧或两侧锻造多余材料56来避免过度压缩中心壁52的中心部分，其中多余材料56可以随后通过机械加工去除。通过在锻造过程中避免过度压缩中心壁52，由于锻造多余材料56的区域的结果，中心壁52区域内的材料不会过度受应力或过度变薄和弱化。于是，通过锻造上部构件12，包括多余材料56的中心壁52的部分，其例如在底板50的中心区域和/或活塞顶内表面54的中心区域上，例如可以借助于任何合适的机械加工和表面处理操作被精加工和/或表面处理，比如铣削和喷丸，或者其它方式，如上所述。如果需要，如果多余材料56形成在底板50上，则整个底板50可以被精加工，或者根据需要只有包括多余材料56的区域可以被机加工。因此，如果需要，成品底板50可以包括“锻造”部分和精加工部分二者。无论如何，中心壁50形成为具有精确的精加工厚度t2，从而确保中心壁50足够坚固，而且已经精加工到期望的厚度以促进最佳冷却并实现期望的减小的成品重量。此外，通过允许初始增加的厚度t1，锻造公差可以略微增加，从而降低与锻造相关的成本，并且进一步导致减少的废料。应当认识到，燃烧室26的整个底板50可以被精加工，或者精加工根据需要可以局限于具有多余材料56的中心部分。因此，根据需要，燃烧室台面50可以由“锻造”表面和精加工表面两者组成。
为了进一步促进最小化压缩高度CH(图1)并形成具有最小公差(例如10-50微米)的压缩高度CH，可以初始锻造上部燃烧表面24的至少一部分以留下附加材料58(图3)，其允许锻造公差极限相对宽，从而通过减少成本和潜在的废料来提高活塞的可制造性，然后，例如可以在精加工操作中机加工附加材料58，比如铣削或车削，以形成精密上部燃烧表面24(图4)和具有紧的最小公差范围的精密CH。整个上部燃烧表面24可以被精加工，或者如果需要的话，精加工可以被局限于包括多余锻造材料58的区域，例如环形的最外面区域。
虽然已经关于优选实施例描述了本发明，但是还应当理解到并不限于此，因为可以在如以下的权利要求和最终授权的任何权利要求所详述的本发明的全部范围内对这些优选实施例进行改变和修改。

Claims (18)

1.一种活塞，包括：
下部构件，所述下部构件具有直径上对置的裙部和轴向地对准的销孔；
连接到所述下部构件的上部构件，所述上部构件具有基本上平坦的上部燃烧表面和从所述上部燃烧表面悬置的燃烧室，其中活塞顶内表面形成为与所述燃烧室直接相对，并且燃烧室缘边将所述燃烧室与所述上部燃烧表面过渡连接，所述燃烧室、所述活塞顶内表面和所述上部燃烧表面中的至少一个具有机加工表面和“锻造”表面。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述燃烧室和所述活塞顶内表面中的至少一个具有机加工表面和“锻造”表面。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述机加工表面相对于所述活塞的中心纵向轴线一般居中定位，并且所述“锻造”表面围绕所述机加工表面环形地延伸。
4.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述燃烧室和所述活塞顶内表面具有机加工表面和“锻造”表面。
5.根据权利要求4所述的活塞，其中，所述上部燃烧表面具有机加工表面和“锻造”表面。
6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述上部燃烧表面具有机加工表面和“锻造”表面。
7.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述燃烧室、所述活塞顶内表面和所述上部燃烧表面具有机加工表面和“锻造”表面。
8.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述燃烧室具有凹底板和燃烧室壁，所述燃烧室壁相对于中心纵向轴线以倾斜角度收敛，所述活塞沿着所述中心纵向轴线从所述上部燃烧表面到所述凹底板往复运动。
9.根据权利要求9所述的活塞，其中，所述燃烧室壁保持为“锻造”的。
10.根据权利要求9所述的活塞，其中，所述燃烧室壁相对于所述中心纵向轴线以约1-15度的倾斜角度延伸。
11.一种构造活塞的方法，包括：
形成具有直径上对置的裙部和轴向地对准的销孔的下部构件；
锻造上部构件，所述上部构件具有基本平坦的上部燃烧表面和从所述上部燃烧表面悬置的燃烧室，其中活塞顶内表面形成为与所述燃烧室直接相对，并且燃烧室缘边将所述燃烧室与所述上部燃烧表面过渡连接；
将所述下部构件接合到所述上部构件，并且机加工所述上部燃烧表面、所述燃烧室和所述活塞顶内表面中的至少一个的一部分，并且留下所述上部燃烧表面、所述燃烧室和所述活塞顶内表面中的至少一个的一部分为“锻造”的。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括，加工所述燃烧室和所述活塞顶内表面的一部分，并且留下所述燃烧室和所述活塞顶内表面的一部分为“锻造”的。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括，机加工所述燃烧室和所述活塞顶内表面的相对于所述活塞的中心纵向轴线一般居中定位的那一部分，留下所述燃烧室和所述活塞顶内表面的围绕所述机加工表面环形地延伸的那一部分为“锻造”的。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括，机加工所述上部燃烧表面的一部分，并留下所述上部燃烧表面的一部分为“锻造”的。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括，机加工所述燃烧室、所述活塞顶内表面和所述上部燃烧表面的一部分，并且留下所述燃烧室、所述活塞顶内表面和所述上部燃烧表面的一部分为“锻造”的。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括，锻造所述燃烧室，所述燃烧室具有凹底板和燃烧室壁，所述燃烧室壁相对于中心纵向轴线以倾斜角度收敛，所述活塞沿着所述中心纵向轴线从所述上部燃烧表面到所述凹底板往复运动。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括，留下所述燃烧室壁为“锻造”的。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括，锻造所述燃烧室壁，所述燃烧室壁相对于所述中心纵向轴线具有在约1-15度之间的倾斜角度。
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