CN109382637A - 一种包含内置冷却油道的全钢活塞制造方法 - Google Patents

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黄齐文
熊钊颋
黄闻欣
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Abstract

本发明提出一种包含内置冷却油道的全钢活塞的制造方法。铸造出含有用作封闭油道开口槽部分的活塞头部预留凸缘的活塞毛坯后，使用热旋压的方法使在活塞头部预留的凸缘发生塑性变形并封闭冷却油道。然后使用等离子束将旋压后的凸缘与油道内表面的结合面进行熔融焊接，经加工成为活塞成品。本工艺简单可靠，可以有效地降低生产成本并提高生产效率，且生产出的活塞拥有良好的抵抗热疲劳和机械疲劳的能力，能够适应日渐提高的活塞使用要求。

Description

一种包含内置冷却油道的全钢活塞制造方法
技术领域
本发明涉及一种包含内置冷却油道的全钢活塞的制造工艺。
背景技术
近年来，由于内燃机强化程度的不断提高和排放要求的日益严格，传统铝合金活塞越来越难以满足使用要求。相比于铝质材料，钢质材料具有更高的机械强度、更好的耐磨性能和高温力学性能。同时，钢质材料热膨胀系数小，可以实现更小的活塞和气缸间隙，提高发动机输出功率，降低燃油消耗。
然而，作为活塞钢质材料也具有自身的缺点。除去密度偏大和加工较为困难等因素外，一个需要着重考虑的问题是钢质材料的导热性不及铝合金，从而导致钢质活塞的冷却尤为关键。传统的铝合金活塞采用内置冷却油道的方式来实现活塞在使用过程中的冷却。由于铝合金的低熔点，这种冷却油道可以采用预置盐芯的铸造工艺制造。这种方法却不能被用在具有高熔点的钢制材料上。
面对这一问题，最常见的解决方法为将活塞分为两部分，然后采用螺纹、过盈配合或是焊接等工艺实现两部分的结合，并在结合的过程中形成环形的冷却油道。其中，焊接工艺，尤其是摩擦焊和高能束焊接被使用得比较普遍。但是这些方法中依然存在焊接处结合强度不高或是工艺复杂成本偏高等问题，阻碍了其在大规模生产中的应用。
发明内容
本发明提出一种包含内置冷却油道的全钢活塞制造方法。相对于当前较为主流的全钢活塞生产工艺，该工艺加工方法更为简单可靠，可以有效地降低生产成本并提高生产效率，且生产出的活塞拥有良好的抵抗热疲劳和机械疲劳的能力，能够适应日渐提高的活塞使用要求。
本发明的实施方案为：
1. 铸造出活塞毛坯，该毛坯包含有燃烧室、销孔、未完全封闭的冷却油道和用作封闭油道开口槽部分的凸缘；
2. 通过热旋压的方式使凸缘发生塑性形变从而封闭冷却油道；
3. 采用高能束焊接工艺对塑性变形后的凸缘与活塞主体的接触缝隙进行熔焊，制成活塞半成品；
4. 将活塞半成品加工成为活塞成品。
这种活塞制造工艺的优点在于：
1. 通过铸造行成包含燃烧室、销控、冷却油道等部分的活塞毛坯，相比较CN100453253C、CN201326733Y、CN101793205A、CN201620966U、CN102423843B、CN103016194A、CN103174537A、CN104005876A、CN104801847A、CN105156222A等采用锻造来制作活塞毛坯，加工余量小，材料成本低。且铸造工艺使活塞的结构设计更为灵活，使应力场、温度场的优化成为可能。针对铸造整体强度低于锻钢零件材料和精铸件热处理成品率低于锻造件等缺点，本发明中采用表面强化技术对零件进行局部强化和优化热处理工艺予以弥补；
2. 本专利采用高能束焊接完成冷却油道的封闭，相比于采用摩擦焊的专利CN1944994A、CN101365559B、CN101466938A、CN102149916A、CN201620966U、CN102667124B、CN102844556A、CN102182579A、CN103016194A、CN103174537A、CN104801847A，本专利的结合面强度更高，且无翻边或金属颗粒产生。相比于同为采用高能束焊接的专利CN101468426A、CN101793205A、CN204419382U、CN105298677A、CN204419382U、 CN204677307U，本专利结合旋压成型的方法减少了焊缝数量，减小加工制造难度，降低因焊接质量导致活塞出故障的概率。
3. 相比较同为采用了旋压成型的专利CN102423843B，本专利提出的凸缘结构更易于其局部加热的温度控制，且旋压成型时凸缘所发生的塑性变形量较小。焊缝位置的选择也易于活塞整体结构强度的最优化。
附图说明
图1为采用铸造制造的活塞毛坯剖面图。
图2为经过旋压后的活塞半成品剖面图。
图3为焊接处的细节图。
图4为经过精加工后的活塞成品剖面图，虚线部分为机加工之前的活塞半成品轮廓。
其中，活塞头部1，活塞裙部2，凸缘3，燃烧室4，冷却油道5，活塞销座6，活塞销孔7，油道内表面8，旋压后的凸缘9，结合面10，熔池11，喉口12，活塞环槽区13，活塞销孔内表面14，进出油孔15，环槽16。
具体实施方式
参考附图对本发明提出的活塞制造工艺进行进一步的阐释：
1. 铸造活塞毛坯，材质为42CrMo，毛坯包含活塞头部1，活塞裙部2，凸缘3，燃烧室4，冷却油道5，活塞销座6，活塞销孔7；在油道内表面8处有设置有台阶结构，以便后续旋压工艺的定位；
2. 通过热旋压使凸缘3塑性变形，成为旋压后的凸缘9，封闭冷却油道5；
3. 使用等离子束焊接，在旋压后的凸缘9与油道内表面8的接触面10形成熔池，实现旋压后的凸缘9与油道内表面8的无缝连接；
4. 对活塞半成品进行去应力退火，在600 °C保温2小时，随炉冷却至200 °C，而后空冷；
5. 对活塞半成品的喉口12，活塞环槽区13和活塞销孔内表面14进行局部表面强化；强化的工艺为等离子束表面重熔；
7. 对活塞半成品进行机加工，并加工出进出油孔15和环槽16；
8. 对活塞裙部2表面进行石墨化处理，制成活塞成品。
图5展示了本发明所描述的另外一种结构，凸缘由燃烧室的内圆柱面轴向伸出。除了旋压的方向为由里向外以外，采用与上述相同的工艺亦可得到活塞成品。
本发明的附图仅仅描述和表示了其中一种实施例，具体形状、结构、尺寸可以在不脱离本发明精神和范围的情况下，做出多种变化和调整。

Claims (4)

1.一种包含内置冷却油道的全钢活塞制造工艺，其特征在于，采用铸造的方法制成设计好的活塞毛坯后，使用热旋压的方法使在活塞头部预留的凸缘发生塑性变形并封闭冷却油道，然后使用等离子束将旋压后的凸缘与油道内表面的结合面进行焊接，接下来加工成为活塞成品，具体包括以下步骤：
1）铸造出活塞毛坯；
2）通过热旋压的方式使凸缘发生塑性形变从而封闭冷却油道；
3）采用等离子焊接工艺对塑性变形后的凸缘与活塞主体的接触缝隙进行熔焊，制成活塞半成品；
4）对活塞半成品进行加工成为活塞成品。
2.如权利要求1所述的包含内置冷却油道的全钢活塞制造工艺，其特征在于，所述的材料是钢。
3.如权利要求1所述的包含内置冷却油道的全钢活塞制造工艺，其特征在于，所述步骤1）中的毛坯活塞包含有燃烧室、销孔、未完全封闭的冷却油道和用作封闭油道开口槽部分的凸缘。
4.如权利要求3所述的活塞头部预留的凸缘，其特征在于凸缘部分为活塞毛坯冷却油道的圆柱壁在燃烧室一端轴向的延伸。
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