CN114320653B

CN114320653B - 活塞、活塞加工方法及用于活塞的喷射工装

Info

Publication number: CN114320653B
Application number: CN202210204416.XA
Authority: CN
Inventors: 倪玉权; 朱桂香; 刘成; 晁坤; 王蒙山; 孙楠楠
Original assignee: Weichai Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Power Co Ltd
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2042-03-03
Also published as: CN114320653A

Abstract

本发明提供了一种活塞、活塞加工方法及用于活塞的喷射工装。其中，活塞包括：活塞本体；裙部，设置在活塞本体上，裙部的外表面包括强化层，强化层具有多个第一凹部和多个第二凹部，多个第一凹部沿第一方向和/或第二方向间隔设置；每相邻的两个第一凹部之间设置有至少一个第二凹部；第一方向与活塞的高度方向一致，第二方向与活塞的长度方向或者宽度方向一致；多个润滑部，与多个第一凹部一一对应地设置，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部内。本发明有效地解决了现有技术中由于活塞裙部与缸套之间易发生摩擦而影响发动机正常运行的问题。

Description

活塞、活塞加工方法及用于活塞的喷射工装

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体而言，涉及一种活塞、活塞加工方法及用于活塞的喷射工装。

背景技术

目前，在发动机的活塞运动过程中，在润滑不良导致活塞裙部与缸套之间的摩擦系数增大，引起发动机油耗的增加。造成的后果是容易发生拉缸现象，甚至导致缸套或者活塞报废，影响发动机的正常使用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种活塞、活塞加工方法及用于活塞的喷射工装，以解决现有技术中由于活塞裙部与缸套之间易发生摩擦而影响发动机正常运行的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种活塞，包括：活塞本体；裙部，设置在活塞本体上，裙部的外表面包括强化层，强化层具有多个第一凹部和多个第二凹部，多个第一凹部沿第一方向和/或第二方向间隔设置；每相邻的两个第一凹部之间设置有至少一个第二凹部；第一方向与活塞的高度方向一致，第二方向与活塞的长度方向或者宽度方向一致；多个润滑部，与多个第一凹部一一对应地设置，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部内。

进一步地，第一凹部的内径大于或等于10μm且小于或等于20μm；和/或，第二凹部的内径大于或等于10μm且小于或等于20μm。

进一步地，第一凹部的深度大于或等于1μm 且小于或等于3μm；和/或，第二凹部的深度大于或等于1μm 且小于或等于3μm。

进一步地，全部第一凹部和第二凹部的总面积S₁与强化层的表面积S之间满足：0.25S≤S₁≤0.35S。

进一步地，润滑部的厚度大于或等于1μm 且小于或等于3μm。

根据本发明的另一方面，提供了一种活塞加工方法，适用于上述的活塞，活塞加工方法包括：对活塞的裙部进行喷丸处理，以使裙部的至少部分外表面形成具有第一凹部和第二凹部的强化层；向第一凹部内填充润滑剂，以形成润滑部。

进一步地，喷丸处理为微粒子喷丸处理。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于活塞的喷射工装，适用于上述的活塞，包括：机壳，具有安装孔和配合面，配合面用于与活塞的裙部相配合，安装孔贯穿配合面；粒子管，穿设在安装孔内，从粒子管排出的粒子用于对裙部进行喷丸处理，以使裙部朝向配合面的表面形成强化层，强化层具有与安装孔相对应的第一凹部和第二凹部；填充装置，用于向第一凹部内填充润滑剂，以形成润滑部。

进一步地，安装孔为多个，粒子管为多个，多个所示粒子管与多个安装孔一一对应地设置。

进一步地，喷射工装还包括：过渡结构，位于填充装置与强化层之间，过渡结构具有多个通孔和多个盲孔，多个通孔与活塞的多个第一凹部一一对应地设置，多个盲孔与活塞的多个第二凹部一一对应地设置。

进一步地，过渡结构呈板状且与裙部相适配，过渡结构的厚度大于或等于2mm且小于或等于4mm。

进一步地，各第一凹部在其相对应的通孔上的正投影位于通孔内，通孔的内径与第一凹部的内径之差大于或等于1μm 且小于或等于2μm。

应用本发明的技术方案，活塞包括活塞本体、裙部及多个润滑部，裙部的外表面包括强化层，强化层具有多个第一凹部和多个第二凹部。多个润滑部与多个第一凹部一一对应地设置，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部内。这样，第一凹部和第二凹部的上述设置提升了强化层的结构强度，且各润滑部设置在第一凹部内，进而降低了第一凹部的摩擦系数。由于第二凹部内并未设置润滑部，以使强化层为软硬相间的减摩面，这种减摩面具有协同效应包括无润滑剂的凹坑有储油及磨屑的作用，有润滑剂凹坑发挥润滑的作用，且经处理的软硬相间表面的硬度高、表面粗糙度小。因此有利于提高活塞缸套摩擦副的使用寿命和降低摩擦系数，进而提高发动机的热效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的活塞的实施例的主视图；

图2示出了根据本发明的活塞与喷射工装装配后的实施例的主视图；

图3示出了图2中的喷射工装与活塞装配后的侧视图；

图4示出了图2中的喷射工装与活塞装配后的仰视图；

图5示出了根据本发明的喷射工装的机壳和粒子管装配后的实施例的主视图；

图6示出了图5中的喷射工装的机壳和粒子管装配后的侧视图；

图7示出了图5中的喷射工装的机壳和粒子管装配后的俯视图；

图8示出了图5中的喷射工装的过渡结构的立体结构示意图；

图9示出了图8中的过渡结构的主视图；

图10示出了图8中的过渡结构的侧视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、机壳；11、安装孔；12、配合面；20、活塞；21、裙部；211、第一凹部；212、第二凹部；22、活塞本体；30、粒子管；40、过渡结构；41、通孔；42、盲孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中由于活塞裙部与缸套之间易发生摩擦而影响发动机正常运行的问题，本申请提供了一种活塞、活塞加工方法及用于活塞的喷射工装。

如图1至图10所示，活塞包括活塞本体22、裙部21及多个润滑部。其中，裙部21设置在活塞本体22上，裙部21的外表面包括强化层，强化层具有多个第一凹部211和多个第二凹部212，多个第一凹部211沿第一方向和/或第二方向间隔设置。每相邻的两个第一凹部211之间设置有至少一个第二凹部212；第一方向与活塞的高度方向一致，第二方向与活塞的长度方向或者宽度方向一致。多个润滑部与多个第一凹部211一一对应地设置，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部211内。

应用本实施例的技术方案，活塞包括活塞本体22、裙部21及多个润滑部，裙部21的外表面包括强化层，强化层具有多个第一凹部211和多个第二凹部212。多个润滑部与多个第一凹部211一一对应地设置，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部211内。这样，第一凹部211和第二凹部212的上述设置提升了强化层的结构强度，且各润滑部设置在第一凹部211内，进而降低了第一凹部211的摩擦系数。由于第二凹部212内并未设置润滑部，以使强化层为软硬相间的减摩面，这种减摩面具有协同效应包括无润滑剂的凹坑有储油及磨屑的作用，有润滑剂凹坑发挥润滑的作用，且经处理的软硬相间表面的硬度高、表面粗糙度小。因此有利于提高活塞缸套摩擦副的使用寿命和降低摩擦系数，进而提高发动机的热效率。

在本实施例中，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部211的内表面上。

可选地，第一凹部211的内径大于或等于10μm且小于或等于20μm；和/或，第二凹部212的内径大于或等于10μm且小于或等于20μm。这样，在保证过渡结构40强度的前提下，上述设置能够增厚填充在第一凹部211内的润滑剂，进一步提升了裙部21的表面润滑度。

在本实施例中，第一凹部211的内径为15μm，第二凹部212的内径为15μm。

在本实施例中，第一凹部211和第二凹部212的内径一致。需要说明的是，第一凹部211和第二凹部212的内径关系不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，第一凹部211的内径和第二凹部212的内径不一致。

需要说明的是，第一凹部211的内径的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，第一凹部211的内径为12μm、或16μm、或18μm。

需要说明的是，第二凹部212的内径的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，第二凹部212的内径为12μm、或16μm、或18μm。

可选地，第一凹部211的深度大于或等于1μm 且小于或等于3μm；和/或，第二凹部212的深度大于或等于1μm 且小于或等于3μm。

在本实施例中，第一凹部211的深度为2μm，第二凹部212的深度为2μm。

在本实施例中，第一凹部211和第二凹部212的深度一致。需要说明的是，第一凹部211和第二凹部212的深度关系不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，第一凹部211和第二凹部212的深度不一致。

需要说明的是，第一凹部211的深度的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，第一凹部211的深度为1.2μm、或1.5μm、或1.8μm。

需要说明的是，第二凹部212的深度的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，第二凹部212的深度为1.2μm、或1.5μm、或1.8μm。

可选地，全部第一凹部211和第二凹部212的总面积S₁与强化层的表面积S之间满足：0.25S≤S₁≤0.35S。这样，在保证裙部21的结构强度的同时，上述设置提升了裙部21的表面润滑度，以形成有序软硬相间的活塞裙部减摩表面。

在本实施例中，全部第一凹部211和第二凹部212的总面积S₁与强化层的表面积S之间满足：S₁=0.30S。

需要说明的是，全部第一凹部211和第二凹部212的总面积S₁与强化层的表面积S之间的关系不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，全部第一凹部211和第二凹部212的总面积S₁与强化层的表面积S之间满足：S₁=0.28S、或S₁=0.32S。

可选地，润滑部的厚度大于或等于1μm 且小于或等于3μm。这样，上述设置提升了润滑剂的润滑效果，以减小活塞20与缸套之间的摩擦力和摩擦损耗，降低了发动机的油耗。

在本实施例中，润滑部的厚度为2μm。

需要说明的是，润滑部的厚度的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，润滑部的厚度为1.5μm、或1.8μm、或2.5μm、或2.8μm。

本申请还提供了一种活塞加工方法，适用于上述的活塞，活塞加工方法包括：

对活塞的裙部21进行喷丸处理，以使裙部21的至少部分外表面形成具有第一凹部211和第二凹部212的强化层；

向第一凹部211内填充润滑剂，以形成润滑部。

具体地，活塞裙部的表面减摩工艺原理如下：

1）对活塞20的裙部21进行精加工且不进行任何出理；

2）将喷射工装的配合面12与活塞20的裙部21相对应设置，以对裙部21进行微粒子喷丸处理，目的是获取设计所需的有序微凹部（凹坑）分布形式；

3）在裙部21放置过渡结构40，利用热喷涂或者固体润滑剂微粒子喷射将固体润滑剂填充到需要填充到凹部内，即完成活塞裙部的表面减摩操作。

在本实施例中，喷丸处理为微粒子喷丸处理。这样，微粒子喷丸采用直径更小的微粒子以更快速度冲击裙部21，在引入残余压应力的同时降低了裙部21的表面粗糙度，进而提升了活塞20的硬度、耐疲劳强度和耐磨性能。

如图2至图10所示，本申请还提供了一种用于活塞的喷射工装，适用于上述的活塞，喷射工装包括机壳10、粒子管30及填充装置。其中，机壳10具有安装孔11和配合面12，配合面12用于与活塞20的裙部21相配合，安装孔11贯穿配合面12。粒子管30穿设在安装孔11内，从粒子管30排出的粒子用于对裙部21进行喷丸处理，以使裙部21朝向配合面12的表面形成强化层，强化层具有与安装孔11相对应的第一凹部211和第二凹部212。填充装置用于向第一凹部211内填充润滑剂，以形成润滑部。

具体地，当需要对活塞20的裙部21进行减摩处理时，将喷射工装的配合面12朝向裙部21设置并与裙部21相适配，从粒子管30喷射出的微粒子喷射在裙部21与配合面12相对设置的表面上，以使该表面上产生凹部并形成强化层。之后，通过填充装置向凹部内填充润滑剂，以降低裙部21的表面摩擦系数，进而减小活塞20与缸套的摩擦副之间的运动阻力，解决了现有技术中由于活塞裙部与缸套之间易发生摩擦而影响发动机正常运行的问题，进而降低了油耗，提高发动机的热效率。

需要说明的是，喷丸处理指的是将高速弹丸流喷射到裙部21的表面，以使裙部21的外表面发生塑性变形，进而形成一定厚度的强化层，进而提高了活塞的疲劳强度。

在本实施例中，粒子管30设置在机壳10上。在加工加强层的过程中，裙部21与机壳10对应设置，以便从粒子管30排出的粒子对裙部21进行喷丸处理并形成加强层。待完成加强层的加工后，将机壳10从加强层处移走，再将填充装置与加强层对应设置，以便填充装置向第一凹部211内填充润滑剂并形成润滑部。

可选地，填充装置包括多个微粒子喷管，各微粒子喷管向与其相对应的第一凹部211内喷射、填充润滑剂。

在本实施例中，配合面12为与裙部21的表面相适配的弧形面。同时，固体润滑剂被喷射到裙部21表面并选择性地填充到凹部内，润滑剂与裙部21的结合方式是渗层，因而不容易发生固体润滑剂脱落。

可选地，安装孔11为多个，粒子管30为多个，多个所示粒子管30与多个安装孔11一一对应地设置。这样，上述设置使得强化层具有多个第一凹部211和第二凹部212，由于第一凹部211内填充润滑剂，而第二凹部212内并未设置润滑部，以使强化层为软硬相间的减摩层，进而较大程度地提升了裙部21的表面润滑度，降低了裙部21的表面粗糙度。

如图8至图10所示，喷射工装还包括过渡结构40。其中，过渡结构40位于填充装置与强化层之间，过渡结构40具有多个通孔41和多个盲孔42，多个通孔41与活塞的多个第一凹部211一一对应地设置，多个盲孔42与活塞的多个第二凹部212一一对应地设置。这样，润滑剂可通过通孔41填充在第一凹部211内，而润滑剂无法通过盲孔42填充在第二凹部212内，以使强化层上的第一凹部211内具有润滑剂，而第二凹部212内没有润滑剂，以使裙部21的表面为一种有序软硬相间减摩的表面。同时，有固体润滑剂的第一凹部211和无润滑剂的第二凹部212形成软硬相间的表面，以提升减摩效果。

可选地，多个通孔41和多个盲孔42沿裙部21的长度方向间隔设置，每相邻的两个通孔41之间设置有至少一个盲孔42；和/或，多个通孔41和多个盲孔42沿裙部21的高度方向间隔设置，每相邻的两个通孔41之间设置有至少一个盲孔42。这样，上述设置使得过渡结构40上的通孔41和/或盲孔42的分布更加灵活，以满足不同的使用需求和工况，也提升了工作人员的加工灵活性。

在本实施例中，多个通孔41和多个盲孔42沿裙部21的长度方向间隔设置，每相邻的两个通孔41之间设置有至少一个盲孔42。多个通孔41和多个盲孔42沿裙部21的高度方向间隔设置，每相邻的两个通孔41之间设置有至少一个盲孔42。这样，上述设置使得裙部21的表面为有序、软硬相间的表面，进而在降低表面粗糙度的同时增强裙部21的硬度。

可选地，盲孔42和通孔41的分布方式可以为交错式或者平行式，通孔41的间隔可以是每1~5个盲孔42等距或者不等距的距离。

可选地，过渡结构40呈板状且与裙部21相适配，过渡结构40的厚度大于或等于2mm且小于或等于4mm。这样，上述设置使得过渡结构40为弧形板，且降低了过渡结构40的加工成本和加工难度。

在本实施例中，过渡结构40的厚度为3mm。

需要说明的是，过渡结构40的厚度不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，过渡结构40的厚度为2.5mm、或2.8mm、或3.5mm、或3.8mm。

可选地，各第一凹部211在其相对应的通孔41上的正投影位于通孔41内，通孔41的内径与第一凹部211的内径之差大于或等于1μm 且小于或等于2μm。这样，上述设置使得通孔41的内径大于第一凹部211的内径，进而确保穿过通孔41的润滑剂能够充分填充在第一凹部211内，提升了填充装置对第一凹部211的润滑剂填充效果。

需要说明的是，各第一凹部211在于其相对应的通孔41上的正投影指的是垂直于过渡结构40上与该第一凹部211相对应的通孔41处的正投影。

在本实施例中，通孔41的内径与第一凹部211的内径之差为1.5μm。

需要说明的是，通孔41的内径与第一凹部211的内径之差的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，通孔41的内径与第一凹部211的内径之差为1.2μm、或1.6μm、或1.8μm。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

活塞包括活塞本体、裙部及多个润滑部，裙部的外表面包括强化层，强化层具有多个第一凹部和多个第二凹部。多个润滑部与多个第一凹部一一对应地设置，各润滑部设置在与其相对应的第一凹部内。这样，第一凹部和第二凹部的上述设置提升了强化层的结构强度，且各润滑部设置在第一凹部内，进而降低了第一凹部的摩擦系数。由于第二凹部内并未设置润滑部，以使强化层为软硬相间的减摩面，这种减摩面具有协同效应包括无润滑剂的凹坑有储油及磨屑的作用，有润滑剂凹坑发挥润滑的作用，且经处理的软硬相间表面的硬度高、表面粗糙度小。因此有利于提高活塞缸套摩擦副的使用寿命和降低摩擦系数，进而提高发动机的热效率。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种活塞，其特征在于，包括：

活塞本体（22）；

裙部（21），设置在所述活塞本体（22）上，所述裙部（21）的外表面包括强化层，所述强化层具有多个第一凹部（211）和多个第二凹部（212），多个所述第一凹部（211）沿第一方向和/或第二方向间隔设置；每相邻的两个所述第一凹部（211）之间设置有至少一个所述第二凹部（212）；第一方向与所述活塞的高度方向一致，第二方向与所述活塞的长度方向或者宽度方向一致；

多个润滑部，与多个所述第一凹部（211）一一对应地设置，各所述润滑部设置在与其相对应的所述第一凹部（211）内；所述第二凹部（212）内并未设置润滑部，以使所述强化层为软硬相间的减摩面。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一凹部（211）的内径大于或等于10μm且小于或等于20μm；和/或，所述第二凹部（212）的内径大于或等于10μm且小于或等于20μm。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一凹部（211）的深度大于或等于1μm且小于或等于3μm；和/或，所述第二凹部（212）的深度大于或等于1μm 且小于或等于3μm。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，全部所述第一凹部（211）和所述第二凹部（212）的总面积S₁与所述强化层的表面积S之间满足：0.25S≤S₁≤0.35S。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述润滑部的厚度大于或等于1μm 且小于或等于3μm。

6.一种活塞加工方法，其特征在于，适用于权利要求1至5中任一项所述的活塞，所述活塞加工方法包括：

对所述活塞的裙部（21）进行喷丸处理，以使所述裙部（21）的至少部分外表面形成具有第一凹部（211）和第二凹部（212）的强化层；

向所述第一凹部（211）内填充润滑剂，以形成润滑部。

7.根据权利要求6所述的活塞加工方法，其特征在于，所述喷丸处理为微粒子喷丸处理。

8.一种用于活塞的喷射工装，其特征在于，适用于权利要求1至5中任一项所述的活塞，包括：

机壳（10），具有安装孔（11）和配合面（12），所述配合面（12）用于与活塞（20）的裙部（21）相配合，所述安装孔（11）贯穿所述配合面（12）；

粒子管（30），穿设在所述安装孔（11）内，从所述粒子管（30）排出的粒子用于对所述裙部（21）进行喷丸处理，以使所述裙部（21）朝向所述配合面（12）的表面形成强化层，所述强化层具有与所述安装孔（11）相对应的第一凹部（211）和第二凹部（212）；

填充装置，用于向所述第一凹部（211）内填充润滑剂，以形成润滑部。

9.根据权利要求8所述的喷射工装，其特征在于，所述安装孔（11）为多个，所述粒子管（30）为多个，多个所述粒子管（30）与多个所述安装孔（11）一一对应地设置。

10.根据权利要求8所述的喷射工装，其特征在于，所述喷射工装还包括：

过渡结构（40），位于所述填充装置与所述强化层之间，所述过渡结构（40）具有多个通孔（41）和多个盲孔（42），多个所述通孔（41）与所述活塞的多个第一凹部（211）一一对应地设置，多个所述盲孔（42）与所述活塞的多个第二凹部（212）一一对应地设置。

11.根据权利要求10所述的喷射工装，其特征在于，所述过渡结构（40）呈板状且与所述裙部（21）相适配，所述过渡结构（40）的厚度大于或等于2mm且小于或等于4mm。

12. 根据权利要求10所述的喷射工装，其特征在于，各所述第一凹部（211）在其相对应的所述通孔（41）上的正投影位于所述通孔（41）内，所述通孔（41）的内径与所述第一凹部（211）的内径之差大于或等于1μm 且小于或等于2μm。