CN109653896B - 活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种活塞和用于制造活塞的工艺，包括上部，其提供上燃烧表面，包括顶岸、岸环和燃烧室。下冠面形成在所述燃烧室之下。下部包括销壳和形成在下冠面之下的活塞裙。上部和下部中的至少一个由金属注塑成型形成。

Description

活塞及其制造方法

背景技术

活塞是一种移动部件，其包括于往复式发动机的汽缸、往复泵、气体压缩机和气动缸以及其他机械。在发动机中，活塞可以通过活塞杆和/或连接杆将力从在汽缸中的膨胀的气体传输至曲轴。在泵中，为了压缩或喷射在汽缸内的液体的目的，该功能逆转且力从曲轴传输至活塞。在一些发动机中，活塞也可以通过覆盖和揭开在汽缸壁上的口而起到阀门的作用。

发明内容

根据某些方面，本系统和方法提供了一种活塞和用于制造活塞的工艺，包括上部，其提供上燃烧表面，上燃烧表面包括顶岸、岸环和燃烧室。下冠面形成在所述燃烧室之下。下部包括销壳并且活塞裙形成在下冠面之下。所述上部和所述下部的至少一个由金属注塑成型形成。

根据某些方面，活塞由多个部分形成。

根据某些方面，多个部分通过烧结粘合、摩擦焊接、钎焊、翻边或销联接连结。

根据某些方面，一个部分由MIM(金属注塑成型)形成并且另一部分由另一工艺形成。

根据某些方面，两部分均由MIM形成。

其他系统、方法、特征和优势在经过如下附图和详细说明后将变得清楚。其目的在于，所有这样的额外系统、方法、特征和优势都包括在本说明中并通过权利要求保护。

附图说明

结合下面的详细描述，将参照附图进行说明，其中不同附图中的相似附图标记可以指代相同的部件。附图的特征不一定是按比例绘制的。

图1是安装在发动机上的示例活塞的示意图。

图2A是示例活塞的侧剖视图。

图2B是示例活塞的侧剖视图。

图3A是另一示例活塞的侧剖视图。

图3B是另一示例活塞的侧剖视图。

图4A是另一示例活塞的侧剖视图。

图4B是另一示例活塞的侧剖视图。

图5A是另一示例活塞的侧剖视图。

图5B是另一示例活塞的侧剖视图。

图5C是另一示例活塞的侧剖视图的一部分。

图6A是另一示例活塞的侧剖视图。

图6B是另一示例活塞的侧剖视图。

图6C是另一示例活塞的侧剖视图的一部分。

图7A是另一示例活塞的侧剖视图。

图7B是另一示例活塞的侧剖视图。

图7C是另一示例活塞的侧剖视图的一部分。

图8A是另一示例活塞的侧剖视图。

图8B是另一示例活塞的侧剖视图。

图8C是另一示例活塞的侧剖视图的一部分。

具体实施方式

虽然本公开能够以在附图中示出的且在此详细描述的不同形式的实施例体现，但是可以理解，本公开的特定实施例应被视为本公开的原理的一个例证，并且不应以在此说明和描述的内容限制本公开。因此，除非另有说明，在此公开的特征能够组合在一起以形成为了简洁起见而没有显示的另外的组合。应当进一步认识到，在一些实施例中，在附图中以举例方式示出的一个或多个部件能够在本发明的范围内被排除和/或被替代的部件代替。

图1是安装在发动机4上的示例活塞2的示意图。发动机4可以包括小型实用内燃机，可以应用于多种应用，包括例如，各种类型的动力机械。例如，发动机4可以是KDI(Kohler直喷型)发动机。可以理解的是，在某些情况下，发动机4可应用于陆地车辆例如割草机、扫雪机，和其他小型车辆如多用途运载车。其他非限制性应用可包括动力洗衣机、空气压缩机、建筑机械等。在替代的实施例中，也有可能是活塞2与其他类型的发动机(例如，除了小型实用发动机以外)一起实施和/或与其他类型的应用和/或车辆一起实施。在图1中，假设活塞2通过发动机制造商安装在发动机4上。然而，还假设，活塞2可以作为售后附加产品出售，其能够由发动机制造商以外的一方安装在发动机上。

在某些实施例中，活塞2，或至少活塞2的一部分，使用金属注塑成型(MIM)工艺制造，如下文更详细地描述。在某些实施例中，活塞2使用一个或多个坯体制造。就多于一个坯体被用于制造活塞2的情况下，活塞2的各部分可以使用烧结粘合和/或通过感应或摩擦焊接，和/或通过包括活塞销来连接块并提供铰接组件，连结在一起。在某些实施例中，活塞2的各部分可以使用不同的工艺制造，包括但不限于MIM、铸造、锻造、坯加工等等。在某些实施例中，活塞2通过失蜡铸造制成。用于制作活塞的材料包括但不限于铝合金、钢合金等。在某些实施例中，活塞2是由钢合金粉末制造的。在某些实施例中，MIM工艺可以构成为向活塞2提供冷却通道。在某些实施例中，活塞2不包括冷却通道。在某些实施例中，活塞可以承受高峰值压力，例如高达250bar以上。

针对多部分活塞2，在某些实施例中，不同的部分由相同的材料和/或工艺制造，并且在其他例子中，这些部分使用不同的材料和/或工艺制造。例如，两部分可以均使用MIM工艺制造，或一部分由MIM工艺制造，另一部分由锻造金属毛坯制造等等。表1包括一些用于生产活塞坯体的可能的组合的例子。也可以是其他组合。

表1：

以不同制造类型生产的部分的组合可以以多种方式连结，例如，烧结粘合、摩擦焊接、钎焊、翻边或销联接等等。在某些实施例中，MIM工艺可以用于生产固体活塞2，或MIM可以用于生产活塞2的一个或多个部分。烧结粘合可用于将MIM成型部分与由相同工艺成型的部分或由不同的工艺成型的部分彼此连结来提供固体活塞2。如下文更详细地描述，活塞2可以形成有一个或多个部分和/或形成不同几何特征，包括但不限于：单部分油冷却通道；具有冷却通道的单个部分；多部分通道；具有冷却通道的多部分；形成在活塞2的上部和下部的冷却通道；冷却通道的下部，在活塞的冠部上形成并由盖在其顶部封闭；冷却通道，在活塞主坯的下冠中形成并用盖封闭来产生底板和油冷却通道的入口和出口开口端等等。在某些实施例中，多部分活塞2可以通过接头和销连结，如下文更详细地描述。连结处可以包括圆柱形或其他形状的开口。

图2A和2B是示例活塞2的侧剖视图。在某些实施例中，活塞2是使用MIM工艺从单个坯体制造的整体活塞。活塞2包括上部10，其包括顶壁20，其提供了直接暴露在发动机4的缸膛内的燃烧中的上燃烧表面50。上燃烧表面50包括阀套(如果有)、燃烧室60和活塞冠70。上部也可以包括顶岸280和环岸120，环岸120包括环形槽130。下冠面140在燃烧室壁部下侧形成。当从底部直上观察活塞2时，下冠面140是可见的表面，销孔40不可见。主体150可以进一步包括下部160，其包括一对销壳170和活塞裙180。每个销壳170具有销孔40，其沿垂直延伸至中心纵轴线30的销孔轴线190彼此同轴地横向间隔开。每个销壳170一般可具有相互间隔开例如以适合活塞销的长度的止动环槽200。

图3A和3B是另一示例活塞2的侧剖视图。在图3A和3B中，活塞2是由至少两个部件如上部10和下部160彼此连结构成的无油活塞。半成品坯体之一可以形成为上部，并且第二半成品坯体可以形成为下部160的活塞裙180。上部10和下部160固定地连结，例如通过焊接(包括摩擦焊接、感应焊接、烧结粘合或其他)，来形成活塞2。上部10包括顶壁20，其提供直接暴露于发动机3的缸膛内的燃烧的上燃烧表面50。上燃烧表面50包括阀套(如果有)、燃烧室60和活塞冠70。上部可以包括顶岸280和包括环形槽130的环岸120。下冠面140形成在燃烧室壁部的下侧。当从底部直上观察活塞时，下冠面140是可见的表面，销孔40不可见。活塞还包括下部160，其包括一对销壳170和活塞裙180。每个销壳170具有销孔40，其沿垂直延伸至中心纵轴线30的销孔轴线190彼此同轴地横向间隔开。每个销壳170可一般具有相互间隔开例如以适合活塞销的长度的止动环槽200。

活塞可以通过用连接面(A-A)连结上部和下部160形成。连接面(A-A)可以具有各种形状。上部和下部160可以以不同工艺形成，包括MIM。上部和下部160可以包括彼此相同或彼此不同的材料成分。连结上部和下部160可以以多种方式完成，包括烧结粘合。用其他技术连结活塞2的上部和下部160也是可能的，包括但不限于摩擦焊接、钎焊、感应焊接等等。

图4A和图8C中的活塞2包括冷却通道。在内燃机应用中，包括柴油发动机，活塞2可以设有具有部分闭合的通道(包括冷却油入口和出口开口)的活塞体。例如，来自曲轴箱的油循环通过通道210并冷却活塞2的类似环形上缘的部分，该部分环绕最容易受到燃烧热的破坏的燃烧室和环岸120延伸。

图4A和4B是另一示例活塞2的侧剖视图。在图4A和4B中的活塞2是单部分活塞，例如，作为具有内部冷却通道210的整体活塞生产。通道210位于上冠70之下，并且在燃烧室60和环岸120的外壁220之间延伸。在某些示例中，通道210在铸造工艺期间可以被包括进去。可以用例如铝合金生产具有冷却通道的活塞2。冷却通道210可以包括具有固定形状的横截面的环形或环状，且大体以与活塞环带径向向内对齐方式形成。通道210可以邻近活塞2的顶壁20和轮缘并由邻近燃烧室60的内壁220限定边界。通道210由设有针对油冷却流的入口和出口开口的底板壁230在底部实质上封闭。对于钢合金活塞，通道210可以通过将上部和下部彼此连结而形成，而对于铝合金铸造活塞，通道例如可以通过在铸造工艺中的盐芯形成。

图5A、5B、和5C是另一示例活塞2的侧剖视图。在图5A、5B、和5C中的活塞2包括在(B-B)彼此连结的上部10和下部160。下部160包括裙部180和销壳170，销壳具有沿销孔轴线190轴向排列的销孔40。上部10和下部160紧固在一起，例如通过焊接，包括摩擦焊接、感应焊接、烧结粘合等等以形成活塞2。活塞的下部160和上部10均可以包括油冷却通道210的一部分。下部160包括底板230，具有针对冷却油的入口和出口的入口和出口开口。在某些实施例中，下部160和上部10的连接形成油冷却通道210。上部10和下部160可以由钢或其他材料制成。例如，上部10和/或下部160可以通过包括表1所述的那些的不同组合中的MIM、铸造、锻造、加工等等制造。上部10和下部160均可由相同的材料制造，或者上部10可以由一种材料制造而下部160由不同材料制造。活塞2通过在连接面(B-B)处通过连接上部10和下部160而形成。连接面(B-B)可以包括各种形状，例如示出的形状或不同的形状。在某些示例中，烧结粘合可以用于连结上部10和下部160。可以使用其他粘合技术，包括但不限于摩擦焊接、钎焊、感应焊接等等。

图6A、6B和6C是另一示例活塞2的侧剖视图。在图6A、6B和6C中的活塞2可以包括主体150和顶盖80。活塞的主体150可以包括燃烧室60、顶岸280和提供环形槽130的环岸120。主体150也包括具有入口和出口开口的冷却通道210。主体150还可以包括具有一对销壳170和活塞裙180的下部。销壳170可以分别具有销孔40，其沿垂直延伸至中心纵轴线的销孔轴线190彼此同轴地横向间隔开。主体150的上部提供盖，其在顶面闭合冷却通道210并形成活塞冠。连结主体150和顶盖80来形成油冷却通道210。顶盖80和/或主体150可用钢材料制成。例如，顶盖80和/或主体150可以通过MIM、铸造、锻造、加工等等制造，并如表1中所示连结。顶盖80和主体150可以包括相同或不同的成分材料。活塞2可以通过连结顶盖80和主体150形成，例如通过在连接面(C-C)处烧结粘合。其他粘合技术包括但不限于摩擦焊接、钎焊、感应焊接等等。连接面(C-C)可以具有不同的形状。

图7A、7B和7C是另一示例活塞2的侧剖视图。图7A、7B和7C中的活塞2包括主体150和下部110，例如环盖。主体150可以包括一个或多个燃烧室60、活塞冠70、顶岸280和包括环形槽130的环岸120。下冠面140在燃烧室60的下侧形成。下冠140在此描述为当从底部观察活塞2时可见的表面，不包括销孔40。主体150还包括具有一对销壳170和活塞裙180的下部。每个销壳170可以具有销孔40，其沿垂直延伸至中心纵轴线的销孔轴线190彼此同轴地横向间隔开。每个销壳170可具有止动环槽200；止动环槽200沿销芯轴线190彼此间隔开以适合销。主体150包括冷却通道210(没有其底板)。下部110可以以一个或多个部件构造并形成冷却通道210的底板，所述底板在通道210的底侧部分地闭合通道210，并且包括用于冷却油流的入口开口100和出口开口90。主体150和下部110的连结形成油冷却通道210。主体150和下部110可以通过工艺包括但不限于MIM、铸造锻造、加工等等由钢材料制成。主体150和下部110可以由相同或不同材料制造。活塞2可以通过在连接面(D-D)上连结主体150和下部110形成。连接面(D-D)可以具有各种形状。连结MIM形成的部件可以包括烧结粘合或其它技术包括但不限于摩擦焊接、钎焊、感应焊接等等。

图8A、8B和8C是另一示例活塞2的侧剖视图。在图8A、8B和8C中的活塞2包括上部10和下部160，它们通过使用活塞销300的连结而连接。活塞2的上部10可以包括燃烧室60、活塞冠70、顶岸280和包括环形槽130的环岸120。下冠面140形成在燃烧室壁部的下侧。下冠140在此定义为从底部直上观察活塞可视的表面，销孔290不可见。上部10还具有包括一对销壳270的下部。每个销壳270具有销孔290，其沿垂直延伸至中心纵轴线30的销孔轴线190彼此同轴地横向间隔开。

活塞160的下部包括一对销壳170和活塞裙180；每个销壳170具有销孔40，其沿垂直延伸至中心纵轴线30的销孔轴线190彼此同轴地横向间隔开。每个销壳170在其外侧一般具有止动环槽200；止动环槽200沿销芯轴线310彼此间隔开以适合活塞销。上部10和下部160可以由不同材料制成；上部10和下部160可以由MIM、铸造锻造、机器工艺等等使用与表1中示出的相似材料和混合组合制成。上部10和下部160可以在机械加工和精整加工以后连结，并用活塞销和开口簧环组装在一起。

关于一个或多个图1至图8的活塞2，由钢制成单件的活塞2例如可以使用重力铸造或低压铸造制造。额外地或可替代地，活塞2可由多于一个的部分制成，例如，其中至少一个活塞部分是由MIM钢粉末制成的。活塞部分可以通过不同的软焊或定位焊接工艺连结以得到整体活塞。附加地或可替代地，由一个以上部分构成的活塞2也可以由摩擦焊接装配和连结。连结可以通过烧结粘合、激光焊接、感应焊接等等手段进行。形成活塞部分的第一坯体是由钢MIM制作的，而第二坯体可以由另一个工艺制造，例如微合金化钢。

金属注塑成型的工艺可以包括多个步骤。首先，可以制备可注塑的起始材料，包括粘合剂和微细金属粉末，含金属粉末重量的90％以上。类似于塑料，这种材料用塑料注塑机(塑料注塑成型)加工成模压部件(绿色部分)。在注塑之后，使能够成型的粘结剂含量从模制部件中滤出，而部件本身不失去其形状(棕色部分)。粘结剂是由有机分子例如石蜡、聚烯烃和硬脂酸的混合物。粘合剂的组成确定针对绿色部分的脱脂模式。脱脂能够以不同的方式实现，包括但不限于：加热以融化、分解，并最终蒸发聚合物粘合剂。该过程可以细心地完成，以避免模制件的破坏，并且在这方面，使用具有在不同温度下分解或蒸发的多种成分的粘合剂是有利的。粘结剂去除所需的时间取决于部件的壁厚。使用气态硝酸或草酸进行原料催化分解可降低粘结剂去除的时间和部件损坏的风险。粘结剂去除工艺是使用合适的溶剂(例如丙酮、乙醇或己烷)析出粘合剂。有些粘合剂成分甚至是水溶性的。通常加热被用作最后一步，通过蒸发来完成去除。

在进一步的步骤中，部件可以烧结，从而得到金属的特性。烧结是加热工艺，其中单独的颗粒熔接在一起并提供成品中所需的强度。该工艺可以在可控气氛炉中进行，有时在真空环境中，在金属熔点以下的温度。烧结可以在气体气氛中或在真空中进行。为了避免金属氧化，通常使用还原性气体。除了保护金属以外，这样的气氛还具有减少粉末颗粒表面上的氧化物的进一步的优点。随着颗粒尺寸的减小，该表面氧化物增加。烧结气氛的成分取决于被烧结的金属。对许多金属来说，所需要的就是包含氢的简单气氛，但对于钢，碳是必不可少的合金元素，那么气氛必须是惰性或包含碳化合物或化合物，使得其与钢处于平衡状态，例如，其既不被碳化也不解碳钢。由于“棕色”部分孔非常多，在烧结期间发生了非常大的收缩并且烧结温度被严密控制以保持形状并防止“塌陷”。使用的金属粉末确定产生的活塞的机械和几何特性。优选的金属粉末组合物包括针对其抗拉性和耐温性的钢基粉末。

尽管结合附图阐释并描述了特定实施例，可以预见，本领域技术人员可以想到各种不同的修改而不脱离所附权利要求的精神和范围。应当意识到，说明书和权利要求的范围不局限于在此说明和参照附图讨论的特定实施例，任何修改和其他实施例拟包括在本公开及附图的范围中。此外，尽管上述描述和相关附图描述在部件和/或功能的特定示例组合的上下文中的示例实施例，但应当意识到，不同部件和/或功能的组合可以通过替代的实施例提供，而不脱离说明书和权利要求的范围。

得益于在前面描述和相关附图中示出的教示的本领域技术人员将会想到在此描述的许多修改和其他实施例。虽然在此使用了特定术语，但它们仅在一般性和描述性意义上使用而不用于限制。

Claims (3)

1.一种活塞，包括：

主体，提供上燃烧表面，上燃烧表面包括顶岸、岸环、燃烧室和形成在燃烧室之下的下冠面，所述主体还包括销壳和形成在下冠面之下的活塞裙，其中，每个销壳具有相互间隔开以适合活塞销的长度的止动环槽；

环盖，在其顶部具有连接面；以及

冷却通道，其中所述主体形成所述冷却通道的顶面，所述环盖的所述连接面以大于所述冷却通道的径向宽度的宽度，在所述冷却通道的底侧的左右两侧底面连结至所述主体，以形成所述冷却通道的底板，部分地闭合所述冷却通道；

所述主体和所述环盖中的至少一个由金属注塑成型形成，所述金属注塑成型包含可注塑的起始材料，所述起始材料包含粘合剂和微细金属粉末，含金属粉末重量的90％以上，并且其中，所述粘合剂从模制部件中滤出，而所述模制部件本身不失去其形状，所述粘合剂具有在不同温度下分解或蒸发的多种成分。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述主体和所述环盖中的一个由金属注塑成型形成，并且所述主体和所述环盖中的另一个由另一工艺形成。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述另一工艺包括锻造、铸造和坯加工中的至少一个。

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