形狀復雜的活塞油道與由鑄造金屬或粉末金屬工藝制成的活塞冠部的制作方法
【專利說明】形狀復雜的活塞油道與由鑄造金屬或粉末金屬工藝制成的活塞冠部
相關(guān)串請的交叉引用
[0001]本申請要求2013年2月18日提交的第61/766，055號美國臨時申請的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入此處。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體涉及用于內(nèi)燃機，特別是柴油發(fā)動機的活塞，更具體地涉及具有油道的活塞。
【背景技術(shù)】
[0003]眾所周知，在內(nèi)燃機的應(yīng)用中，特別是在柴油發(fā)動機中，活塞的本體被形成為具有封閉的冷卻油的油道。油在油道中流通并冷卻活塞的容易受到燃燒熱損壞的部件。圍繞燃燒碗的上邊緣在過熱時特別容易被損壞。
[0004]冷卻油道大致為具有恒定橫截面的環(huán)形或環(huán)狀，該冷卻油道設(shè)置于活塞環(huán)帶的內(nèi)側(cè)并且鄰近活塞本體的頂壁和邊緣。油道由鄰近燃燒碗的內(nèi)壁界定。油道可以敞開或封閉。如果封閉，油道的底部通過底壁封閉。對于封閉的油道來說，用于將冷卻油引入油道的入口可設(shè)置在底壁上，或冷卻油可以通過其他方式流入油道。
[0005]傳統(tǒng)地，柴油發(fā)動機的燃燒碗具有圓形的對稱形狀，并具有從外邊緣到中心凹陷部分的平滑的無間斷的表面。然而，今天，新設(shè)計的碗具有非傳統(tǒng)的或復雜的形狀。應(yīng)該理解的是，這些非傳統(tǒng)的形狀被用來更有效地燃燒燃料并帶來更少的不希望的排放。然而，復雜的碗的形狀使帶有傳統(tǒng)的活塞油道的碗和邊緣的冷卻更為困難。利用車削操作的傳統(tǒng)加工無法為油道提供與復雜形狀的燃燒碗相似或相應(yīng)的復雜形狀。
[0006]如果燃燒碗和油道之間的結(jié)構(gòu)上的差異導致壁具有明顯不同的厚度，或?qū)е卤谔穸鵁o法通過油道內(nèi)流通的油充分冷卻，那么活塞可能會在材料過熱的地方導致“熱點”。該熱點區(qū)域可能成為活塞的薄弱點，導致此處的材料破裂或失效。如果活塞發(fā)生故障，這將導致發(fā)動機失效造成重大損失，并可能需要為車輛更換一個全新的發(fā)動機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個目的是提供由鑄造金屬或粉末金屬工藝制成的帶有油道的活塞冠部，以及形成這種油道的方法，本發(fā)明適應(yīng)于非傳統(tǒng)的復雜形狀的燃燒碗，并維持薄且均勻的壁厚以避免產(chǎn)生過熱。
[0008]本發(fā)明提供用于鑄造金屬和粉末金屬的活塞的油道，該活塞帶有復雜形狀的燃燒碗，以及用于形成這種油道的方法，其提供燃燒碗和油道之間的大體均勻的壁厚。本發(fā)明減少或消除熱點，并允許油道內(nèi)的油將活塞的邊緣和其他區(qū)域以及燃燒碗維持在可接受的溫度極限的范圍內(nèi)。
[0009]該油道的形狀被形成為與復雜形狀的燃燒碗相同或基本相似。油道由鑄造金屬工藝或粉末金屬工藝成型，然后在合適的地方通過常規(guī)的車削操作加工來擴大油道并修整某些表面。無法通過常規(guī)的車削加工操作進行修正的油道內(nèi)的區(qū)域和表面(諸如凹陷和凸起)保留其初始狀態(tài)。在車削加工過程中，環(huán)形槽被形成，將油道的形狀以朝向碗邊緣的方向延伸。
[0010]本文中所用的術(shù)語“復雜”是指活塞冠部內(nèi)的燃燒碗的形狀并不是傳統(tǒng)的形狀，或者在其外周邊，或者在外周邊的內(nèi)側(cè)，或兩者都不是傳統(tǒng)的形狀?！皬碗s”的形狀指的是燃燒碗的與傳統(tǒng)不同的所有形狀，其可以具有，例如包括筆直的、彎曲的、或弧形的區(qū)段的邊緣，或者在碗內(nèi)、或其外周邊、或兩者均具有凸塊，突起，肋，凹陷等等?？傊瑥碗s的形狀是不可通過常規(guī)的車削加工操作加工的任何形狀。
[0011]本發(fā)明優(yōu)選用于柴油發(fā)動機的活塞，盡管本發(fā)明也可用于任何內(nèi)燃機的活塞，以及用于使用液體或氣體燃料的發(fā)動機。
[0012]在形成活塞的冠部后，該冠部連接至活塞的第二部分以形成完整的活塞。該第二部分通常包括側(cè)壁和銷轂的剩余部分。冠部和第二部分通過任何已知的方式連接在一起，但優(yōu)選通過摩擦焊接。這種類型的連接工藝例如在專利US6260472中公開。
【附圖說明】
[0013]結(jié)合下面的詳細描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他特征以及優(yōu)點將更為容易理解，其中:
[0014]圖1示出了帶有封閉的油道的活塞。
[0015]圖2A，2B和2C示意性地示出了三種通用類型的復雜的燃燒碗。
[0016]圖3是活塞冠部的示意性平面圖，示出了燃燒碗的典型的復雜形狀。
[0017]圖4是如圖1所示的活塞冠部沿著4-4的箭頭方向截取的橫截面視圖。
[0018]圖5是隨后進行油道的至少一個表面的車削加工的類似于圖4的活塞冠部的另一橫截面視圖。
[0019]圖6是按照本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)和方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出了一種典型的活塞100，如果燃燒碗具有復雜的形狀，那么本發(fā)明可被應(yīng)用在該活塞中?；钊?00包括活塞冠部構(gòu)件10和下部構(gòu)件102，該下部構(gòu)件102包括側(cè)壁104和銷轂106?；钊诓?0和下部構(gòu)件102優(yōu)選通過摩擦焊接牢牢地固定在一起以形成完整的活塞100。
[0021]該活塞100具有油道，油在該油道中流通以將活塞(特別是上表面，燃燒碗和外邊緣)的溫度維持在可接受的溫度極限的范圍內(nèi)。該油道包括位于冠部構(gòu)件10內(nèi)的油通道105。該油道可像本領(lǐng)域中公知的那樣敞開或封閉。如果封閉，油道的底壁通常作為下部構(gòu)件102的一部分。
[0022]活塞冠部構(gòu)件10具有在圖3中繪制出的典型的復雜的燃燒碗12。碗12的形狀基本上是一個具有四個側(cè)面15，16，17和18的方形。在所繪制的形狀，該側(cè)面是筆直的，帶有圓角 21,22,23 和 24。
[0023]應(yīng)當理解的是，該燃燒碗的形狀和側(cè)面15-18的線性僅僅是復雜的燃燒碗一個例子。按照本發(fā)明，燃燒碗可以具有任何周邊或內(nèi)部形狀，帶有任何數(shù)量的側(cè)面或側(cè)部。該側(cè)面和內(nèi)表面也可以具有任何形狀，例如被示出的筆直的，或彎曲的，或弧形的，并且可具有筆直的，彎曲的或弧形的區(qū)段或部分，或可以具有凸塊，突起，凹陷，肋等等。此外，角21-24，或側(cè)部之間的交叉點或接頭，可以具有任何形狀，并且可以伸入碗內(nèi)或從其凹陷。
[0024]活塞碗的形狀可以在其外圍上(如圖2A所示)是復雜的，或者在碗的徑向內(nèi)部區(qū)域(如圖2B所示)是復雜的，或者同時在其外圍和內(nèi)部區(qū)域(如圖2C所示)都是復雜的。圖2A，2B和2C示出了典型的這三種通用類型的復雜形狀的燃燒碗。本發(fā)明提供了一種適應(yīng)于具有這種復雜形狀的燃燒碗的油道和油通道。
[0025]該活塞冠部和整個活塞由鑄造金屬或粉末金屬材料制成?；钊诓?0的形狀通過這些工藝形成。在示出的實施例中，油通道通過鑄造金屬或粉末金屬工藝制成，隨后進行加工工藝。
[0026]圖4是最初成形的活塞冠部10的橫截面圖。該工藝形成了一個環(huán)形槽30，該環(huán)形槽30并不一定具有周向均勻的寬度“W”或者均勻的深度“D”。在燃燒碗的側(cè)面離活塞冠部的外表面最遠處，槽30的寬度較大。圖3中的數(shù)字40指示出這些區(qū)域。類似地，在側(cè)部之間的角或交叉點處的該區(qū)域中，槽30最窄。
[0027]在按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的形成油道的后續(xù)步驟中，油道的形狀被加工成圖5所示的形狀。在加工處理的一個步驟中，由構(gòu)件50表示的加工工具(以箭頭52示出的方向)被插入到油道30內(nèi)，并用于修整油通道的外表面，以完全圍繞碗形成環(huán)形槽60。該車削加工使油通道延伸到活塞冠部的上游(靠近頂部環(huán)槽和鄰近活塞的頂面或邊緣80)。完全加工成形的槽60在初始通道30的上方延伸。
[0028]“車削加工”或簡稱的“車削”是一種加工工藝，其中，當工件旋轉(zhuǎn)(例如在車床上旋轉(zhuǎn))時，切割工具(通常是非旋轉(zhuǎn)的刀頭)線性移動。“車削加工”可以指的是在工件的內(nèi)表面或外表面上的這種切割或修整操作。在加工油通道的某些表面中，該車削加工修整或形成內(nèi)表面。
[0029]該車削加工工藝也可用于加工和修整油通道30的某