CN114352432A - 活塞毛坯及活塞成型模组及多路顺序控冷成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞毛坯及活塞成型模组及多路顺序控冷成型方法，包括活塞本体，活塞本体的裙部设有1～1.5mm裙部外圆，活塞本体的镶圈外围设有6～10mm镶圈鼓包，活塞本体的头部外周面设有1.5～2mm头部外圆、活塞本体的头部顶面设有4～8mm头部积渣顶面，头部积渣顶面的内侧设有3～5mm头部内圈顶面，头部内圈顶面与冒口之间设有3～6mm缩口区；裙部外圆、镶圈鼓包、头部外圆自下至上顺次连接；头部积渣顶面、头部内圈顶面、缩口区以及冒口自外至内顺次连接，冒口的直径为活塞毛坯外径的25％～35％。本申请有效地减少了活塞毛坯加工余量，节约材料，降低生产成本，采用顺序控冷方式，使活塞基体金相组织得以细化，避免产生铸造缺陷，有效地提升活塞成品质量。

Description

活塞毛坯及活塞成型模组及多路顺序控冷成型方法

技术领域

本发明涉及活塞成型技术领域，更具体地说，涉及一种活塞毛坯。还涉及一种用于成型及加工活塞毛坯的活塞成型模组。还涉及一种应用于活塞成型模组的多路顺序控冷成型方法。

背景技术

铝合金活塞的基本结构可分解为内腔01、止口02、裙部03、头部04、燃烧室05，大部分活塞还包括镶圈06和油道07，如图1所示。铝合金活塞通过活塞毛坯加工得到，现有活塞毛坯的基本结构可分解为裙部外圆08、镶圈鼓包09、头部外圆010、头部顶面011、头部定位锥面012、冒口013，在止口02、裙部外圆08、头部04均设置了加工余量。活塞毛坯结构如图2所示。

然而，市面上的活塞毛坯燃烧室05和冒口013加工余量过大，加工浪费大，生产成本较高。

发明内容

本发明提供一种活塞毛坯，能够减少活塞毛坯加工余量，减少材料耗损，降低生产成本。本发明还提供一种用于成型及加工活塞毛坯的活塞成型模组。本发明还提供一种应用于活塞成型模组的多路顺序控冷成型方法。

本发明提供一种活塞毛坯，包括活塞本体，所述活塞本体的裙部设有1～1.5mm裙部外圆，所述活塞本体的镶圈外围设有6～10mm镶圈鼓包，所述活塞本体的头部外周面设有1.5～2mm头部外圆、所述活塞本体的头部顶面设有4～8mm头部积渣顶面，所述头部积渣顶面的内侧设有3～5mm头部内圈顶面，所述头部内圈顶面与冒口之间设有3～6mm缩口区；所述裙部外圆、所述镶圈鼓包、所述头部外圆自下至上顺次连接；所述头部积渣顶面、所述头部内圈顶面、所述缩口区以及所述冒口自外至内顺次连接，所述冒口的直径为所述活塞本体外径的25％～35％。

优选的，所述头部内圈顶面的内侧设有头部定位锥面，所述缩口区设于所述定位锥面与所述冒口之间。

优选的，所述头部定位锥面为15°～45°的锥形面。

优选的，裙部止口设置15°～45°止口定位锥面。

本发明还提供一种活塞成型模组，用于对上述任一项的活塞毛坯进行成型和加工，包括活塞浇铸模，所述活塞浇铸模包括用于成型毛坯内腔的内模、用于成型毛坯外圆的外模和用于成型毛坯头部的模盖；所述内模设有环向分布的内模水道，所述内模水道的顶端为仿活塞内顶形状，所述外模设有用以冷却裙部外圆及部分镶圈鼓包且上下分布的裙部下端慢冷水道和裙部上端快冷水道；所述模盖设有用以冷却头部外圆的头部外圆长通激冷水道、用以冷却头部内圈的头部内圈快冷水道以及用以冷却头部缩口的头部缩口区慢冷水道；还包括保温冒口；所述内模水道、所述裙部下端慢冷水道、所述头部外圆长通激冷水道、所述头部内圈快冷水道、所述头部缩口区慢冷水道以自下至上、自外至内多路顺序循环控冷方式对活塞毛坯顺序控冷。

优选的，所述外模包括分体设置的下外模及上外模，所述裙部下端慢冷水道和所述裙部上端快冷水道分设于所述下外模和所述上外模。

优选的，所述模盖包括外模盖、中模盖和内模盖，所述头部外圆长通激冷水道、所述头部内圈快冷水道以及所述头部缩口区慢冷水道分设于所述外模盖、所述中模盖和所述内模盖。

优选的，还包括用以定位活塞裙部的裙部定位夹具和用以定位头部定位锥面的头部定位夹具，所述裙部定位夹具的下端外沿和所述头部定位夹具的上端外沿切削形成外锥端面。

本发明还提供一种多路顺序控冷式成型方法，应用于上述任一项的活塞成型模组，包括如下步骤：

浇铸后开始计时，凝固时间为T；

滞后0秒，通水(0.6～1)T；

裙部下端慢冷水道通水冷却，滞后0～10秒，通水(0.1～0.3)T；

裙部上端快冷水道通水冷却，滞后5～10秒，通水(0.5～0.7)T；

头部外圆长通激冷水道通水冷却，滞后0秒，通水(0.6～1)T；

头部内圈快冷水道通水冷却，滞后10～20秒，通水(0.5～0.7)T；

头部缩口区慢冷水道通水冷却，滞后(0.3～0.4)秒，通水(0.3～0.6)T；

安装保温冒口对冒口凝固补缩。

优选的，还包括头部定位夹具和裙部定位夹具组合双向锥面定位活塞毛坯，所述头部定位夹具通过锥面配合定位活塞毛坯头部，所述裙部定位夹具通过锥面配合定位活塞毛坯裙部。

本申请中的活塞毛坯设计结构，采用在活塞本体的基础上，在裙部外圆增加不超过1.5mm的毛坯裙部外圆，在镶圈外围增设6～10mm的镶圈鼓包，在头部外圆增设不超过2mm的头部外圆，在活塞本体的头部外圈增加4～8mm的头部积渣顶面，在积渣顶面的内侧增设3～5mm的内圈顶面，头部内圈顶面与冒口之间的燃烧室增设3～6mm的少余量缩口区，相较于传统的活塞毛坯，显著地减少了毛坯加工余量，节省毛坯材料，降低生产成本。

本发明还提供一种用于生产活塞的活塞成型模组，通过在内模、裙部下端、裙部上端、头部外圆、头部内圈以及头部缩口区分别设置冷水道，极大地增加了浇铸模对活塞毛坯的冷却速度，提升了浇铸模对毛坯的顺序控冷效果，在快速凝固时不产生铸造缺陷，提高成品质量。

本发明还提供一种应用于活塞成型模组的多路顺序控冷式成型方法，针对活塞毛坯的凝固顺序采用从下到上，从外到内，通过多路水道对毛坯进行顺序控冷方式，缩短了毛坯凝固时间，细化了活塞基体金相组织，提升成品性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的活塞的示意图；

图2为现有技术中的活塞毛坯的剖视图；

图3为本发明所提供的活塞毛坯的剖视图；

图4为本发明所提供的活塞成型模组中活塞浇铸模与活塞毛坯处于装配状态下的剖视图；

图5为本发明所提供的活塞成型模组中头部定位夹具、活塞毛坯与裙部定位夹具的爆炸图；

图6为本发明所提供的活塞成型模组中头部定位夹具、活塞毛坯与裙部定位夹具处于装配状态下的剖视图。

其中，01-内腔、02-止口、03-裙部、04-头部、05-燃烧室、06-镶圈、07-油道、08-裙部外圆、09-镶圈鼓包、010-头部外圆、011-头部顶面、012-头部定位锥面、013-冒口；

1-活塞本体、2-活塞浇铸模、3-裙部定位夹具、4-头部定位夹具；

11-裙部外圆、12-镶圈鼓包、13-头部外圆、14-头部积渣顶面、15-头部内圈顶面、16-缩口区、17-冒口、18-头部定位锥面、19-止口定位锥面、20-保温冒口、21-内模、22-下外模、23-上外模、24-外模盖、25-中模盖、26-内模盖、31-裙部定位外锥端面、41-头部定位外锥端面；

211-内模水道、221-裙部下端慢冷水道、231-裙部上端快冷水道、241-头部外圆长通激冷水道、251-头部内圈快冷水道、261-头部缩口区慢冷水道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图3。本发明提供一种活塞毛坯，包括活塞本体1，活塞毛坯在活塞本体1的基础上，活塞本体1的裙部外圆11增加1～1.5mm形成毛坯裙部外圆11，活塞本体1的镶圈外围增加6～10mm形成镶圈鼓包12，活塞本体1的头部外圆13增加1.5～2mm形成毛坯头部外圆13，头部顶面外圈增加4～8mm形成头部外圈积渣顶面，用于产生积渣和补缩作用，顶面靠内侧增加3～5mm形成头部内圈顶面15。头部内圈顶面15与冒口17之间的燃烧室增加3～6mm形成头部少余量缩口区16，此处为仿燃烧室形状设计，减少了毛坯加工余量。裙部外圆11、镶圈鼓包12、头部外圆13自下至上顺滑过渡连接。头部积渣顶面14、头部内圈顶面15、缩口区16以及冒口17自外至内顺次连接。

此外，本申请采用小型冒口17，冒口17直径为活塞毛坯外径的25％～35％，以减少毛坯加工余量。

进一步地，头部内圈顶面15的内侧设有头部定位锥面18，缩口区16设于头部定位锥面18与冒口17之间，优选的，头部设置15°～45°的定位锥面，以便于头部定位夹具4适配固定，提升定位精度。

更进一步地，在裙部止口处设置15°～45°止口定位锥面19，以便与裙部定位夹具3适配固定，在头部定位锥面18的基础上，实现头部和裙部双向锥面定位，提高夹具定位精度。

以上具体数值适应于市面上大多数常见的活塞，也可以根据活塞结构、缸径等选择其他数值，本文不作限定。

此种活塞毛坯，有效地减少了活塞毛坯燃烧室和冒口17的加工余量，提高了生产效率，降低了劳动强度和生产成本。

如图4所示。本发明还提供一种活塞成型模组，用于对上述活塞毛坯进行成型和加工，主要包括活塞浇铸模2，活塞浇铸模2包括内模21、外模和模盖，内模21用于成型毛坯内腔，外模用于成型毛坯外圆，模盖用于成型毛坯头部。

其中，内模21为一体式结构，内设内模水道211，该内模水道211为大直径水道或扁形大水道，内模水道211的顶部设置为仿活塞内顶的形状，以快速吸收活塞中央厚大部位的热量。

外模内置裙部下端慢冷水道221和裙部上端快冷水道231，裙部下端慢冷水道221用以冷却裙部下部的外圆，裙部上端快冷水道231用以冷却裙部上部的外圆以及部分镶圈鼓包12结构，裙部下端慢冷水道221设置于裙部上端快冷水道231的下部，实现对裙部进行分段逐冷。

模盖设有头部外圆长通激冷水道241、头部内圈快冷水道251以及头部缩口区慢冷水道261，头部外圆长通激冷水道241用以冷却头部外圆13，头部内圈快冷水道251用以冷却头部内圈，头部缩口区慢冷水道261用以冷却头部缩口结构。

活塞成型模组还包括保温冒口20，保温冒口20固定在内模盖26上，通常选择冒口17直径为活塞缸径的25％～35％，也可以根据活塞结构或缸径另行设置。当活塞头部较厚大时，选择偏大值。

本申请通过在模具内部增设水道，增加了浇铸模对活塞毛坯的冷却速度。上述内模水道211、裙部下端慢冷水道221、头部外圆长通激冷水道241、头部内圈快冷水道251、头部缩口区慢冷水道261以自下至上、自外至内多路的结构分布，通水后，形成自下至上、自外至内顺序循环控冷结构进行活塞毛坯顺序控冷。由此增加了浇铸模对毛坯的顺序控冷效果，可在快速凝固时不产生铸造缺陷。

在一种优选实施例中，外模采用多段式组合结构，包括下外模22和上外模23，裙部下端慢冷水道221和裙部上端快冷水道231分设于下外模22和上外模23。

外模也可以根据活塞结构或缸径另行设置，例如当活塞缸径大于200mm时，可以设置为三段或者三段以上的组合式结构。

进一步地，模盖可以采用多段组合式结构，包括外模盖24、中模盖25和内模盖26，头部外圆长通激冷水道241、头部内圈快冷水道251以及头部缩口区慢冷水道261分设于外模盖24、中模盖25和内模盖26。还可以根据活塞结构或缸径另行设置。例如，当活塞缸径大于200mm时，可以设置为四段或以上组合式结构。

采用将浇铸模设置为更细化的组合式结构，确保浇铸模能够对毛坯进行快速凝固，提高生产效率，提升活塞材料力学性能。

为了确保针对活塞毛坯进行精准定位，实现高精度加工，可以设置裙部定位夹具3和头部定位夹具4，裙部定位夹具3用以定位止口定位锥面19，头部定位夹具4用以定位活塞头部的定位锥面18，裙部定位夹具3的下端外沿切削形成裙部定位外锥端面31，头部定位夹具4的上端外沿切削形成头部定位外锥端面41。

通过头部定位夹具4和裙部定位夹具3组合定位活塞毛坯，可以固定活塞毛坯，其中头部通过锥面配合定位，裙部通过锥面配合定位，实现双向锥面定位，大大提高了原单向锥面定位的精度。活塞毛坯定位加工夹具及方式示意如图5和图6所示。

本申请中的活塞成型模组，其活塞浇铸模2能够对毛坯进行多路顺序控冷快速凝固，提高生产效率，细化活塞金相基体组织，提高活塞基体材料力学性能。定位夹具能够对活塞毛坯进行精准定位，实现高精度加工。

除此之外，本发明还提供一种多路顺序控冷式成型方法，应用于成型活塞毛坯的成型加工，包括如下步骤：

步骤一、浇铸后开始计时，凝固时间为T；

步骤二、滞后0秒，通水(0.6～1)T；

步骤三、裙部下端慢冷水道221通水冷却，滞后0～10秒，通水(0.1～0.3)T；

步骤四、裙部上端快冷水道231通水冷却，滞后5～10秒，通水(0.5～0.7)T；

步骤五、头部外圆长通激冷水道241通水冷却，滞后0秒，通水(0.6～1)T；

步骤六、头部内圈快冷水道251通水冷却，滞后10～20秒，通水(0.5～0.7)T；

步骤七、头部缩口区慢冷水道261通水冷却，滞后(0.3～0.4)秒，通水(0.3～0.6)T；

步骤八、安装保温冒口20对冒口17凝固补缩。

具体地，活塞浇铸后开始计时，凝固T时间，内腔仿型快冷水道通水冷却，滞后0秒，通水(0.6～1)T；裙部下端慢冷水道221为小口径水道，对毛坯裙部壁薄处缓慢冷却，通过对冷水道进行通水冷却，滞后0～10秒，通水(0.1～0.3)T；裙部上端快冷水道231采用大口径水道，对毛坯裙部壁厚处快速冷却立即通水冷却，滞后5～10秒，通水(0.5～0.7)T；头部外圈长通激冷水道为超大口径水道，通水对毛坯头部外圈超快速冷却，滞后0秒，通水(0.6～1)T；头部内圈快冷水道251采用大口径水道，通水对毛坯头部内圈快速冷却，滞后10～20秒，通水(0.5～0.7)T；头部缩口区慢冷水道261采用小口径水道，对毛坯头部缩口区16慢速冷却通水冷却，滞后(0.3～0.4)T，通水(0.3～0.6)T。

冷却时，毛坯的凝固顺序为从下到上，从外到内，通过多路水道，实现毛坯顺序控冷，

以上具体时间段，适用于市面上大多常见的活塞毛坯，也可以根据活塞结构、冷却水温度、模具材料或缸径等参数另行设置。时间T可以根据实际生产需求设定。

本申请中，通过多路顺序控冷方式，可以将活塞毛坯凝固时间缩短40～50％，活塞基体金相组织从3～4级细化至1～3级，完全满足快速凝固的需求。

活塞毛坯成型后，对活塞毛坯进行定位加工，通过组合使用头部定位夹具4和裙部定位夹具3对毛坯进行装夹定位，其头部和裙部均通过双向锥面定位，提高了原单向锥面定位的加工精度。

本申请中成型毛坯的浇铸模增设多重散热水道，且采用顺序循环控冷方式，提升控冷能力，改善活塞毛坯凝固成型速度，缩短单件毛坯生产节拍，提高毛坯生产效率。通过两个锥面定位夹具组合定位活塞毛坯的头部和裙部，增加定位接触面积，定位精准牢靠，提高活塞的加工精度，满足日益增长的高精度尺寸活塞(如国六、高功率密度及高爆压等活塞)的生产需求。

经过该活塞成型模组生产的活塞毛坯，加工余量少，金相基体组织细小致密，活塞基体材料的力学性能较佳。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的活塞毛坯及活塞成型模组及多路顺序控冷成型方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种活塞毛坯，其特征在于，包括活塞本体(1)，所述活塞本体(1)的裙部设有1～1.5mm裙部外圆(11)，所述活塞本体(1)的镶圈外围设有6～10mm镶圈鼓包(12)，所述活塞本体(1)的头部外周面设有1.5～2mm头部外圆(13)、所述活塞本体(1)的头部顶面设有4～8mm头部积渣顶面(14)，所述头部积渣顶面(14)的内侧设有3～5mm头部内圈顶面(15)，所述头部内圈顶面(15)与冒口(17)之间设有3～6mm缩口区(16)；所述裙部外圆(11)、所述镶圈鼓包(12)、所述头部外圆(13)自下至上顺次连接；所述头部积渣顶面(14)、所述头部内圈顶面(15)、所述缩口区(16)以及所述冒口(17)自外至内顺次连接，所述冒口(17)的直径为活塞毛坯外径的25％～35％。

2.根据权利要求1所述的活塞毛坯，其特征在于，所述头部内圈顶面(15)的内侧设有头部定位锥面(18)，所述缩口区(16)设于所述头部定位锥面(18)与所述冒口(17)之间。

3.根据权利要求2所述的活塞毛坯，其特征在于，所述头部定位锥面(18)为15°～45°的锥形面。

4.根据权利要求1所述的活塞毛坯，其特征在于，裙部止口设置15°～45°止口定位锥面(19)。

5.一种活塞成型模组，用于对上述权利要求1～4任一项的活塞毛坯进行成型和加工，其特征在于，包括活塞浇铸模(2)，所述活塞浇铸模(2)包括用于成型毛坯内腔的内模(21)、用于成型毛坯外圆的外模和用于成型毛坯头部的模盖；所述内模(21)设有环向分布的内模水道(211)，所述内模水道(211)的顶端为仿活塞内顶形状，所述外模设有用以冷却裙部外圆(11)及部分镶圈鼓包(12)且上下分布的裙部下端慢冷水道(221)和裙部上端快冷水道(231)；所述模盖设有用以冷却头部外圆(13)的头部外圆长通激冷水道(241)、用以冷却头部内圈的头部内圈快冷水道(251)以及用以冷却头部缩口的头部缩口区慢冷水道(261)；还包括保温冒口(20)；所述内模水道(211)、所述裙部下端慢冷水道(221)、所述头部外圆长通激冷水道(241)、所述头部内圈快冷水道(251)、所述头部缩口区慢冷水道(261)以自下至上、自外至内多路顺序循环控冷方式对活塞毛坯顺序控冷。

6.根据权利要求5所述的活塞成型模组，其特征在于，所述外模包括分体设置的下外模(22)及上外模(23)，所述裙部下端慢冷水道(221)和所述裙部上端快冷水道(231)分设于所述下外模(22)和所述上外模(23)。

7.根据权利要求6所述的活塞成型模组，其特征在于，所述模盖包括外模盖(24)、中模盖(25)和内模盖(26)，所述头部外圆长通激冷水道(241)、所述头部内圈快冷水道(251)以及所述头部缩口区慢冷水道(261)分设于所述外模盖(24)、所述中模盖(25)和所述内模盖(26)。

8.根据权利要求7所述的活塞成型模组，其特征在于，还包括用以定位活塞裙部的裙部定位夹具(3)和用以定位头部定位锥面(18)的头部定位夹具(4)，所述裙部定位夹具(3)的下端外沿和所述头部定位夹具(4)的上端外沿切削形成外锥端面。

9.一种多路顺序控冷式成型方法，应用于上述权利要求6～8任一项的活塞成型模组，其特征在于，包括如下步骤：

浇铸后开始计时，凝固时间为T；

滞后0秒，通水(0.6～1)T；

裙部下端慢冷水道(221)通水冷却，滞后0～10秒，通水(0.1～0.3)T；

裙部上端快冷水道(231)通水冷却，滞后5～10秒，通水(0.5～0.7)T；

头部外圆长通激冷水道(241)通水冷却，滞后0秒，通水(0.6～1)T；

头部内圈快冷水道(251)通水冷却，滞后10～20秒，通水(0.5～0.7)T；

头部缩口区慢冷水道(261)通水冷却，滞后(0.3～0.4)秒，通水(0.3～0.6)T；

安装保温冒口(20)对冒口(17)凝固补缩。

10.根据权利要求9所述的多路顺序控冷式成型方法，其特征在于，还包括头部定位夹具(4)和裙部定位夹具(3)组合双向锥面定位活塞毛坯，所述头部定位夹具(4)通过锥面配合定位活塞毛坯头部，所述裙部定位夹具(3)通过锥面配合定位活塞毛坯裙部。

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