CN1539570A - 制造柱塞的方法、实现该方法的工具和由此得到的柱塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造柱塞的方法、实现该方法的工具和由此得到的柱塞。通过对金属块锻造获得柱塞坯件。利用冲头(12)，该金属块在空心砧台(13)内被锻造，以把所述金属块碾压出环形区，同时还形成从基座中心伸出的突起，该冲头包括用于使所述突起升起的开腔(24)。随后对该突起进行车削加工，从而形成用于接纳连接杆铰接销的孔。

Description

制造柱塞的方法、实现该方法的工具和由此得到的柱塞

技术领域

本发明主要涉及制造柱塞或者其至少一部分的方法，其中该至少一部分包括外缘和形成在所述外缘内用于与连接杆连接的结构。本发明还涉及实现该方法的工具以及由此得到的任何柱塞。本发明特别用于为大功率内燃机制造较大尺寸的柱塞。

背景技术

为了制造内燃机的柱塞，一般采用铝，至少形成容纳连接杆及其铰链末端上的柱塞外缘。在最近几年，铝逐渐被高强度的金属或合金替代，特别是被钢替代。

柱塞通常包括两个部分：形成燃烧腔移动壁的柱塞头部被连接杆保持在构成柱塞外缘的另一部件上，而该另一部件具有较大的空腔，该空腔罩住以叉形接头形式安装的横向销，连接杆的末端铰接到所述销上。该部件可通过对如钢的金属块进行锻造而得到，从而构成了其形状和尺寸尽可能接近需要部件的坯件。在一定程度的为修整进行的车削操作后，得到该部件。

在需要形成的空腔的尺寸和复杂性方面存在着困难。在柱塞外缘的传统结构中，连接杆的最末端铰接在重心上，很难放置足够金属来形成这样的空腔。

对于较大尺寸的柱塞，问题更严重了。例如，较大尺寸的锻造外缘就要有这样的坯件，其中在锻造后，该坯件需要为修整而进行的大量车削加工，以致于其最终重量减少到大约一半。

因此可以看出，这样的方法需要大量和复杂的车削加工操作，因此实施起来费用非常高。

发明内容

本发明的宗旨包括对传统上采用的外缘的形状进行修正，从而使锻造操作更容易，同时使形成的锻造形状更接近最后的形状，这样减少了为修整而需要的车削加工工作量。

已知的柱塞包括一个中心立柱，在该立柱中形成有接纳铰接销或连接杆的短轴的孔，所述连接杆本身的末端包括形成分叉部的两个分支。例如，第2 135 429号法国专利中描述了这种结构，但该专利涉及一种具有大约60毫米(mm)直径的小尺寸柱塞，该柱塞由铝制造，并完全通过车削加工而形成。

通过采用特定形状的柱塞，已经发现的是，由于不需要在中心部挖出较大空腔，因此锻造通常变得容易，相反，在外围形成挖空部，这样在锻造过程中容易放置金属。得到的坯件于是更接近部件的最终形状，从而相应地减小最后修整需要的加工工作量。

更具体地说，本发明涉及一种制造柱塞的方法，其特征在于包括对所述柱塞的至少一部分的坯件进行锻造的步骤，该锻造步骤适合于对金属块碾压出环形区，同时形成从圆形基座伸出的突起，所述突起的形状和尺寸设计成由孔穿透，该孔接纳连接杆的铰接销。该连接杆具有形成分叉部的两个分支部。

优选的是，所述突起加工成具有两个大致平直表面，该二表面相互成一个角度，从而所述突起朝所述基座扩宽。该形状由于容易与冲头分开而对于锻造而言是有利的。还可以为孔提供优选的结构，该孔穿过所述突起。在这样情况下，在柱塞头部和垂直于该柱塞轴孔的纵向中平面之间的孔的那部分圆筒区域大于该孔其他部分的圆筒区域，这就具有了一个特征，该特征有利于接受传递到安装在孔上连接杆铰接销的各种应力。

根据另外特征，锻造还形成两个相对朝向的外缘部，该外缘部具有大致圆筒状的外表面，对称延伸并在铰接销(即连接杆的铰接轴)方向的两侧上彼此相对朝向。在这两个外缘部之间，两个较大槽口大致垂直于铰接销方向延伸。

可以看出，围绕中心突起形成的凹坑使金属在冲模内更容易爬升，从而产生两个外缘部和突起本身。倘若具有足够能量，该方法可在冲压机中实施。在这种情况下，坯件以两次冲击得到。还可通过更传统锤击方式进行。在两种情况下，工具是相同的。

本发明还提供一种锻造柱塞的至少一部分坯件的工具，该工具的特征在于，它包括具有大致圆筒内壁的空心砧台和包括露出其端面的开腔，所述开腔的形状和尺寸设计成适于限定从圆形基座的中央伸出的突起，而该基座形成在所述空心砧台的端壁上，如上所述，所述突起用于通过车削加工进行修整，形成适于接纳连接杆的铰接销的孔。

本发明还提供一种柱塞，其特征在于，它包括形成滑动外缘的至少一部分，该滑动外缘通过实施上述方法而得到，该至少一部分还包括通过对突起进行车削加工而得到的中心支柱，该突起通过锻造而得到，所述支柱包括用于接纳连接杆的铰接销的孔。

自然地，当没有规定要分别制造柱塞头和其外缘部时，本发明还用于制造作为单件的柱塞。

附图说明

通过阅读下述以单纯实例的方式给出并结合附图作出的描述，可以对本发明有更清晰的理解，本发明的其他优点也将更加显明。

图1为锻造内燃机柱塞一部分的工具的立体图，示出的冲模为局部剖面图；

图2为在锻造方向示出的成形坯件的立体图；

图3为在图2中坯件通过车削修整后，在相同方向示出的部件的立体图；

图4为在相对方向所示沿图3中IV-IV线截取的剖面图；

图5为同样在相反方向沿图3中V-V线截取的剖面图；

图6为以与图5中相同剖面示出的完整柱塞的剖面图，其中为连接杆已经组装到其中后的状态；以及

图7示出了其中连接杆由柱塞侧向引导的变型。

具体实施方式

图1示出了锻造活塞至少一部分的坯件的工具11，该至少一部分具体地说是包括滑动外缘和用于连接杆的铰接部。图2示出了在锻造后的坯件15。在图3中具体地示出了通过车削加工进行修整后的对应部件17。

该工具12包括冲头12和空心砧台13，该砧台13包括大致为圆筒状的内侧壁14和圆形端壁16。通过把金属块18插入在内，并通过利用与砧台配合的冲头12使所述金属块变形，该坯件容纳在空心砧台内。在本例中，该金属块为近似圆柱块。如上所述，该砧台和冲头可固定到冲床(未示出)的相应各板上。也可通过利用带有所述冲头的落锤进行锤击进行锻压。可利用其他金属特别是那些具有延展性的金属来采用相同的方法。本发明不限于用钢制造的部件。该方法甚至在用于获得由轻质合金制造的部件时也可节约成本。除了两个侧面凹口22外，冲头的外表面20为大致圆筒形状，凹口22将在下面描述。为了锻造方便，该外表面20象砧台内壁14一样，略微带有锥度。

冲头包括开腔24，该开腔24朝其与砧台13配合的端面25敞开。该开腔的形状和尺寸设计成适合于限定突起28，该突起28从圆形基座30的中心伸出，其中的圆形基座形成在端壁16和冲头的所述端壁25之间的砧台底部。在冲头上的开腔具有两个大致平直表面32，这两个表面具有一个角度，从而形成的突起28朝形成在砧台底部上基座30而扩宽。换句话说，由于空腔的形状，突起具有两个大致平直的、相互形成一定角度的表面33。如上所述，该突起的形状既有利于锻造，也有助于减少形成中心支柱34最终形状而需要的车削加工的工作量。该突起需要通过车削加工来修整，从而具有适于接纳连接杆铰接销39的孔36(参见图3)。在图6中具体示出的连接杆40一端具有形成叉结构的两个分支42，其中这两个分支位于从所述突起形成的中心支柱34的两侧。

换句话说，制造该柱塞的方法的特征为包括一个锻造步骤，该步骤对于所述柱塞至少一部分(在这种情况下，具体地说，为包括滑动外缘和用于连接到连接杆上结构的底部)而使坯件15成型(见图2)。锻造可在金属块18的大致中心区上挖出凹坑，从而使从圆形基座30中心伸出的突起容纳在其中，其中圆形基座30形成在砧台13的底部。由于基座30是要接纳柱塞头部45的部分，这样坯件从其底端锻造出。该柱塞头部由传统工艺制造，该工艺不构成本发明的一部分。然而，也可以锻造对应于整个柱塞的坯件。

此外，锻造操作可使两个外缘部48形成具有大致为圆筒状的外表面(实际上，该表面略微带有锥度以满足锻造需要)，这两个表面在铰接销方向两侧对称地相互面对。术语“铰接销方向”用于指将来形成孔的轴线Z的方向，其中该孔将接纳连接杆的铰接销39。为此，可以看到，该冲头具有在其外表面凹进的两个相对侧向凹坑22，用于限定柱塞的所述两个相面对的外缘部。

类似地，最好使连接板50保持在突起和每个外缘部内壁之间，从而容易通过锻造形成这些外缘部。为此，槽口52延伸在每个凹坑22和要形成突起的冲头上的所述开腔24之间。

在该实例中，也可使小圆柱54设置在突起28和每个上述外缘部的内壁之间。为此，所述开腔的内壁包括与所述圆柱对应的凹口56，这些凹口于是沿着突起立体地形成。从上述实施例中可以看出，连接板50和小圆柱54相接合。小圆柱随后被钻孔，以接纳固定连杆，该连杆使柱塞头部45固定到锻造出的部件17上。

类似地，最好进行锻造操作以在基座30相对于突起一侧形成或至少开始形成开腔56。更具体地说，所述空心砧台的端壁16包括凸起58，该凸起适于形成所述开腔，该开腔将随后用来构成冷却腔的一部分。该凸起从圆筒凹坑60的端壁上突出，其中该圆筒凹坑形成在砧台端壁16的中心上。接着，通过锻造得到的坯件包括呈现不同厚度两个部分的圆形基座(图2)、厚度相对较小的环形圆周部61和罩住开腔56的较大厚度的中心部62。

从图2中可以看出，突起28的末端是圆的。换句话说，在冲头的开腔24的端壁自身是圆的。

在该阶段锻造操作的描述中，在进行锻造时，金属块18的中心部几乎不被移除，对这种情况的便利程度是可以理解的。该金属被基本上碾压成围绕正在形成突起的金属块环形区域，这样形成基座30，同时使金属在冲模内壁14和两个侧向凹坑22之间升起，从而使两个相互朝向的外缘部48升起。相反，在这两个外缘部之间，由于在冲头外表面(忽略凹坑22)和冲模内表面之间没有留有空隙，则从图2中可以清楚地看到，坯件完全敞开。

图3到6示出了通过机械操作在对图2坯件变形后得到的部件17。这种机械操作非常少。对两个外缘部48的外表面进行修整，从而使其成为精确的圆筒状，对圆柱54进行钻孔，如图6所示，接着形成接纳铰接销39及其轴承39a的孔36。这样就能安装连接杆40，其中连接杆的最末端呈现出两个叉形分支部，该分支部可朝向突起引出的中心支柱34的两个平直表面而旋转。同样对柱塞头部进行车削加工。

此外，槽70形成在基座的修整部，以与柱塞头部进行配合，从而限定了与中心冷却腔72连通的环形冷却腔71。槽70最好在锻造过程中形成。油可通过连接杆和铰接销上的孔(没有示出)进入，以通过孔73提供给腔72，从而通过这种方式对在连接杆末端的铰接进行润滑。腔56形成了腔52的一部分。油经过穿过基座形成的腔71和孔75进入。这种设计是传统的。通过两个连杆，由坯件制造的加工后的部件组装成柱塞头部。

从图5中清楚地看到，由于通过对突起进行车削加工而得到的中心支柱34具有的特殊形状，在柱塞头部(图5中没有示出)和垂直于该柱塞轴的孔的纵向中平面P之间的孔的那部分圆筒区域78a大于该孔其他圆筒区域78b。因此，其他部分相同，在柱塞的每次冲程过程中，支柱能抑制来自连接杆的铰接销39的应力。切除部分80最好形成在基座旁边的中心支柱上，从而使孔的末端更具有挠性，使其更好地顺应铰接销的变形。

在参照图1到6描述的实例中，中心支柱和连接杆末端正对的表面的梯形形状需要使连接杆通过曲柄轴在侧向被引导，这意味着需要在曲柄轴的臂上对引导面进行车削加工。最好采用图7所示的设计，在该设计中，可使连接杆40a由柱塞自身引导。为此，中心支柱34的末端部分以特殊方式加工，其特殊之处在于，所述中心支柱34的倾斜表面调整到高于所述中心支柱末端一个高度h的位置，从而限定了引导连接杆的两个平行表面82，同时两个分支部同样加工两个对应的平行平直表面83。在这样情况下，就不需要通过曲柄轴上臂的修整面来为连接杆提供侧向引导。

Claims (15)

1.一种制造柱塞的方法，其特征在于包括对所述柱塞的至少一部分的坯件(15)进行锻造(11)的步骤，该锻造步骤适合于对金属块(18)碾压出环形区，同时形成从圆形基座伸出的突起，所述突起的形状和尺寸设计成可以由孔(36)穿透，该孔接纳连接杆的铰接销。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述锻造还形成两个外缘部(48)，各外缘部形成大致圆筒状的外表面，各外表面在铰接销的两侧上彼此对称相对布置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述突起加工成两个大致平直表面(33)，该表面相互成一个角度，从而所述突起朝所述基座扩宽。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述突起和上述每个外缘部的内壁之间设置连接板(50)。

5.根据权利要求2到4任何一项所述的方法，其特征在于，在所述突起和上述每个外缘部的内壁之间设置小圆柱(54)。

6.根据前面权利要求任何一项所述的方法，其特征在于，所述锻造操作用于在与所述突起相对的所述基座一侧形成腔(56)。

7.根据前面权利要求任何一项所述的方法，其特征在于，所述坯件以钢块形成。

8.用于锻造柱塞的至少一部分坯件的工具，该工具的特征在于，它包括具有大致圆筒内壁的空心砧台(13)和包括露出其端面的开腔(24)，所述开腔的形状和尺寸设计成适于限定从圆形基座(30)伸出的突起(28)，而基座形成在所述空心砧台的端壁上，所述突起用于通过车削加工进行修整以形成适于接纳连接杆的铰接销的孔(36)。

9.根据权利要求8的工具，其特征在于，所述冲头包括两个相对的侧向凹坑(22)，该凹坑用于限定在铰接销方向两侧延伸的两个相对的柱塞外缘部。

10.根据权利要求8或9的工具，其特征在于，槽口(52)在每个侧向凹坑和所述腔之间延伸，从而限定两个连接板，每个连接板在外缘部和所述突起之间延伸。

11.根据权利要求8到10任何一项的工具，其特征在于，所述腔的内壁包括用于形成圆柱的凹口(56)。

12.根据权利要求8到11任何一项的工具，其特征在于，所述腔包括两个大致平直表面(32)，该二表面相互成一个角度，从而形成的所述突起朝所述基座扩宽。

13.根据权利要求8到12任何一项的工具，其特征在于，所述空心砧台的端壁包括凸起(58)，该凸起适于在与所述坯件突起相对的所述基座的一侧形成开腔。

14.一种柱塞，其特征在于，它包括形成滑动外缘的至少一部分，该柱塞通过采用权利要求1到7任何一项的方法而得到，该至少一部分还包括通过对突起进行车削加工而得到的中心支柱(34)，该突起通过锻造而得到，所述支柱包括用于接纳连接杆的铰接销的孔。

15.根据权利要求14的柱塞，其特征在于，在柱塞头部和垂直于该柱塞轴的孔的纵向中平面之间孔的那部分圆筒区域(78a)大于该孔其他部分的圆筒区域(78b)。

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