CN102574252A - 活塞组件多级形成处理 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造活塞顶的方法。该方法包括以下步骤：提供坯段，接着在第一台上镦粗坯段，以大致减小坯段的长度，并且大致增加坯段的横截面宽度。然后，在第二台上将坯段预形成活塞顶的中间构造，其中活塞顶具有初步形状。第一台和第二台为分离的部件。将活塞顶的中间构造形成为活塞顶的最终形状，其中最终形状具有预定体积。接着，将活塞顶精密形成为近终形构造，其中活塞顶的近终形构造具有近终形体积。预定体积可以约等于近终形体积。

Description

活塞组件多级形成处理

技术领域

本发明涉及用于制造活塞的多级形成处理。

背景技术

活塞，尤其活塞顶，典型地通过铸造或锻造来制造。与铸造的活塞顶相比时，锻造的活塞顶具有不同的材料特性。例如，锻造的活塞顶往往比铸造的活塞顶具有更大的材料密度，至少在一些应用中更希望制造锻造的活塞顶而非铸造的活塞顶。然而，与采用铸造操作相比，锻造活塞顶可能更费时，并且制造成本更高。在一种锻造处理中，将坯段放在冲压机中，并且由模具以单冲程的方式锻造成近似活塞顶的形状。在锻造之后，可以对活塞顶进行机械加工以形成诸如冷却通道、环形槽和排出通道等特征，然后精加工至最终尺寸。在另一种锻造处理中，将坯段放置在冲压机中，并且使用同一模具通过在坯段上施加多个冲程来形成最终形状。然而，最终形状可能制造得不够精确，进而还需要对活塞顶进行大范围的机械加工。

机械加工可能是劳动密集型处理，从而可能增加成本。由于机械加工较费时，因此也很难大量地生产锻造的活塞顶。最后，机械加工导致材料浪费。制造近终形部件将减小为获得活塞顶的最终尺寸所需的机械加工量。

因此，需要提供一种利用锻造处理来生产近终形活塞顶并且然后利用活塞顶来完成活塞组件的方法。

附图说明

图1是包含连接在一起的活塞顶和活塞裙的活塞组件的局部剖视图；

图2A是示例性坯段的示意图；

图2B是图2A中的坯段在第一台中被镦粗的示意图；

图2C是坯段在第二台中被预形成活塞顶的中间构造的示意图；

图2D是活塞顶的中间构造在第三台中被形成为活塞顶的最终构造的示意图；

图2E是活塞顶的最终构造在第四台中被精密锻造成近终形活塞顶的示意图；以及

图3是示例性活塞组件形成处理的处理流程。

具体实施方式

下面，参考以下讨论和附图来详细说明本发明的系统和方法的示例性方案。尽管附图表示一些可能的方案，但附图不一定成比例，某些特征可能被放大、移除，或者局部剖开以便更好地说明并解释本发明。此外，文中所作的说明并非穷举，也并非将权利要求书限制为附图所示的及以下详细说明中所公开的确切形式和构造。

此外，以下讨论中可能引入了很多常量。在一些情况下，提供常量的示例性值。在其它情况下，未给出具体值。常量的值取决于相关硬件的特性和这些特性彼此之间的相互关系，以及与所公开系统相关的环境条件和操作条件。

图1示出了包含活塞顶30和活塞裙32的示例性活塞组件20。活塞组件20包括固定地连接至活塞裙的活塞顶30。在图1的示例中，活塞顶30和活塞裙通过摩擦焊接56连接在一起，然而也可以使用诸如电子束焊接、激光焊接或利用一个或多个螺栓或螺钉进行机械固定等其它形式的连接处理。活塞顶30包括燃烧凹腔40、条环部42和冷却通道44。条环部42包括用于容纳活塞环(未示出)的多个环形槽。具体而言，条环部42可以包括第一环形槽50、第二环形槽52、和第三环形槽54，其中第三环形槽容纳油控制环。

冷却通道44可以位于活塞组件20内，并且可以包括冷却通道表面60，其中冷却通道表面至少部分由活塞顶30的内壁62和活塞裙32的内壁64限定。冷却通道44还可以包括一个或多个进液孔70和一个或多个排液孔72。

在一个示例性示例中，活塞顶30和活塞裙32可以由不同的材料构造。例如，活塞顶30可以由与活塞裙32不同等级的钢材料构造。更具体而言，较之活塞裙32，用于活塞顶30的钢可以具有不同的机械性能，诸如屈服点、抗拉强度或缺口韧性。活塞顶30还具有外径D，其中最终直径D通常小于约200mm(大约7.87英寸)。这是因为，以下更详细讨论的用于制造活塞顶30的多级锻造处理可以在活塞顶30上施加大小有限的力或能量。因此，可以限制由图2A至图2E所示处理制造的活塞顶30的直径D的尺寸。

活塞顶30可以通过利用至少两个不同的形成台的多级锻造处理来制造，这大致在图2A至图2E中以示例性方式示出。多级锻造处理制造近终形活塞顶530。近终形活塞顶530可以固定地连接至活塞裙32，然后进行精加工，从而形成图1所示的活塞组件20。在一个示例性示例中，可以通过单个机器在自动热锻处理中来执行多级锻造处理。

虽然示出了三个台，但根据活塞顶的性质可以是比三个台更少或更多的台。此外，虽然台表示分开的热锻操作，但台可以是整个形成机构组件的一部分。在多级锻造处理的另一个示例中，坯段130也可以加热至温锻温度。作为选择，坯段130也可以冷锻，从而在形成之前不需要加热金属合金。

可以提供如图2A所示的活塞顶坯段130，其中活塞顶坯段130具有长度L和横截面宽度C。坯段130可以通过将棒料送入形成机构组件并且将棒料剪切至长度L来形成。在一个示例中，可以利用从棒料上切割下坯段的切割机来进行剪切。

如果使用热锻处理，则先于形成坯段130，可以在将棒料剪切至长度L之前将棒料加热至预定的锻造温度。作为选择，坯段130自身可以在低温剪切之后加热至期望的锻造温度。在两种情形下，热锻温度典型地为比指定金属的再结晶温度高的温度。例如，一种钢基金属合金可以具有约1095℃至约1150℃的热锻温度(2003℉至约2102℉)。然而，也可以使用诸如铝合金等其它类型的金属合金。

可以将坯段130从剪切台运送至图2B所示的第一台。在一个示例中，剪切台和第一台是同一形成机构组件的一部分。在第一台上，坯段130形成为使长度L大致减小至第二长度L’，并且横截面宽度C大致减小至第二横截面宽度C’，从而形成坯段230。更具体而言，坯段230可以通过镦粗坯段130，将长度L大致减小至第二长度L’，并且将横截面宽度C大致减小至第二横截面宽度C’来锻造。在图2B所示的一种方案中，第一形成台包括具有密封线294的一组闭合的第一模具290。尤其与由开式模具制造的坯段相比时，在闭合的第一模具290内镦粗坯段230，可以改善最终活塞顶30的材料分布和同心度。然而，也可以使用开式模具。

参考图2C，坯段230在第二形成台上预形成活塞顶330的中间构造。也就是，活塞顶330具有最终近终形活塞顶530的初步形状。更具体而言，坯段230可以预形成活塞顶330的中间构造。活塞顶330具有最终近终形活塞顶530(图2E中所示)的初步形状。预形成活塞顶330包括在后续锻造操作之前将活塞顶330成型为预定尺寸和轮廓，并且可以包括诸如压平或修边等操作。在图2C的示例中，可将活塞顶330进一步从第二横截面宽度C’压平至第三横截面宽度C”，并且第二长度L’可以进一步减小至第三长度L”。另外，还可以在预形成阶段形成边缘392。

活塞顶330的预形成可以通过具有密封线394的一组闭合的第二模具390来形成。类似于图2B，第二台也可以包括开式模具，然而与使用开式模具相比，使用闭合模具能够使最终活塞顶530更接近近终形。在图2B和图2C的示例中，第一模具290可以是与第二模具390分离的部件。换句话说，坯段130从第一台移动至第二台。

下面，参考图2D，活塞顶330的中间构造在第三形成台上形成为如活塞顶430表示的大致最终形状。第三形成台可以再次使用具有密封线494的一组闭合的第三模具490，但在一些情形下也可以使用开式模具。活塞顶430的形成可以包括锻造活塞顶430的几个不同特征，诸如燃烧凹腔440和冷却通道456。活塞顶430的大致最终形状还可以具有预定的材料体积，如预定体积V所示。

在活塞顶430的一个示例性示例中，冷却通道456可以通过压印(coining)操作来形成。在一个示例中，可以在活塞顶430仍被加热至接近热锻温度的同时来执行压印操作。压印操作还可以在活塞顶430中与由第三形成台的闭合的第三模具490形成的密封线494大致平行的任一表面上执行。

图2E示出了近终形活塞顶530，其中活塞顶430的最终形状已经精密热锻成近终形活塞顶530。精密锻造处理可以用来产生比典型锻造处理通常所产生的公差更精确的公差。近终形活塞顶530可以具有近终形体积V’。预定体积V(图2D中所示)近似等于近终形体积V’(图2E中所示)。在近终形活塞顶530的一个示例中，可以包括条环部542。具体而言，在精密锻造处理期间可以形成条环部542的第一环形槽550、第二环形槽552和第三环形槽554中的至少一个。

在图2E的示例中，第四台包括再次示出为闭合模的一组第四模具590，并且可以布置成与由形成处理产生的特征大致平行。也就是，第四模具590可以与条环部542的第一环形槽550、第二环形槽552和第三环形槽554中的至少一个大致平行。第四模具590示出为具有密封线594，该密封线594相对于图2B至图2D所示的模具290、390和490的相应密封线294、394和494大致成直角。

然后，对近终形部件530进行机械加工。接着，利用上述讨论的多种已知方案中的任一种将机械加工的近终形部件530固定地连接至活塞裙32。然后，使活塞组件潜在地经历精加工操作，以制造图1中所示的活塞组件20。车削、铣削、磨削和珩磨是典型地用于在诸如活塞等圆柱形部件中获取精确尺寸和表面的示例性操作，但也可以应用其它类型的精加工操作。

如上所述，在图2D和图2E的示例中，活塞顶430的预定体积V近似等于近终形活塞顶530的近终形体积V’。这意味着，制造近终形活塞顶530时可以产生最小的材料浪费。相比之下，一些其它类型的锻造部件可能需要进行冲孔操作，以用于形成通孔。形成通孔时会产生从锻造部件分离的冲掉材料，其通常被视为废料金属。在另一个实例中，一些类型的锻造部件可能包括需要在后续材料移除处理中移除的毛边，这也会产生废料金属。因此，多级形成处理的另一个优点是，近终形活塞顶530可以产生最少的废料。

在图2A至图2E所示的多级锻造处理的一个示例性示例中，第一形成台、第二形成台、第三形成台和第四形成台为彼此分离的部件，但均为同一形成机构组件的各个部分，所述形成机构组件可能为单个机器。在该示例中，活塞顶从一个锻造台自动传送至下一个锻造台。具体而言，多级锻造处理可以是通过单个机器将坯段130锻造成近终形活塞顶530的自动热锻处理。自动热锻处理可以执行为，可以将被剪切来制造坯段130的棒料送入示例性自动热锻机的入口侧。近终形活塞顶530可以在示例性自动热锻机的出口端取出。在该示例中，也可以加热自动热锻机的形成台中的每一个闭合模具290、390、490和590，以保持锻造温度。

由于一些原因，使用制造近终形部件530的多级形成处理来制造活塞顶30是有利的。与使用多个冲程来形成最终部件的单级型腔所制造的部件相比，使用多于一个模具的多级形成处理易使部件具有更紧凑的公差范围和改进的可再现性。至少一些现有可用的锻造活塞顶使用单级模具来制造。这些类型的锻造活塞顶可能需要进行大范围的机械加工，以制造出最终活塞顶。此外，由单级型腔制造的活塞顶通常不允许进行更复杂的形成处理，诸如压印操作。这意味着单级模具不能形成活塞顶的某些特征，诸如冷却通道，这些特征可能需要机械加工。与使用不同模具的多级形成处理相比，在同一模具中使用多个冲程的单级形成还可能需要更长的循环时间。因此，与单级模具所制造的部件相比，由于缩短了循环时间，由多级形成处理制造的部件可能形成更大的体积。

在一个优选示例中，近终形活塞顶530可以通过一种自动热锻机即哈特贝尔(Hatebur)式锻造机来制造。哈特贝尔式锻造机是将部件从一个金属锻造台自动地传送至下一个金属锻造台的多级金属加工机器。也就是，哈特贝尔式锻造机这样传送部件，其不需要操作者手动地将部件从一个台移动并放置在下一个台上。将部件从一个台自动地传送至下一个台减小了循环时间。从而，与由其它类型的锻造处理制造的锻造部件相比，由哈特贝尔式锻造机制造的部件往往具有减少的循环时间。

图2A至图2E中所示的多级形成处理将产生近终形活塞顶530。与传统锻造处理所锻造的部件相比，近终锻件通常锻造成尽可能接近最终部件所需的尺寸，以使大部分表面仅需要减少的机械加工。在近终形锻件的一个示例性实例中，近终形锻件要求从锻件的任一功能表面上移除大约0.76mm(0.03英寸)或更少的材料。结果，近终形部件产生更少的机械加工，以及潜在地更少的机械加工步骤，以制造最终产品。此外，与传统锻件相比时，由于近终锻件典型地不包括毛边并且接近最终公差，因此近终形锻件还减小了形成最终产品而移除的材料量。从而，与由形成最终活塞顶30的传统锻造处理所锻造的部件相比，虽然可以执行一些机械加工以使近终活塞顶530适于连接处理，但活塞顶只需减少的机械加工。

具体参考图3，其描述了使用近终形活塞顶530来形成活塞组件20的示例性处理300。处理300通常从步骤302开始。在步骤302中，将坯段剪切成预定的坯段体积。接着，处理300进入步骤304。

在步骤304中，能够将坯段130加热至预定锻造温度。例如，预定锻造温度可以是金属的热锻温度。此外，坯段130也可以被冷锻，而不需要在形成之前加热金属合金。因此，步骤304是可选的。接着，处理300可以进入步骤306。

在步骤306中，如上述讨论的使用一组第一模具290在第一台中镦粗坯段130，以便将长度L大致减小至第二长度L’，并且将横截面宽度C减小至第二横截面宽度C’。接着，在步骤308中，使用一组第二模具390在第二台中将坯段230加工成活塞顶330的中间构造。接着，处理300进行到步骤310。

在步骤310中，活塞顶330形成为活塞顶430的大致最终形状。在步骤312中，冷却通道456可以通过压印操作来形成，其中压印操作是制造活塞顶430的最终形状的形成处理的一部分。接着，处理300可以进行至步骤314。在步骤314中，将活塞顶430精密锻造成近终形活塞顶530。接着，处理300可以进行至步骤316。在步骤316中，可以对近终形活塞顶530进行机械加工。也就是，可以对活塞顶进行机械加工，以使活塞顶530适于连接至活塞裙。接着，处理300可以进行至步骤318。

在步骤318中，活塞顶530固定地连接至活塞裙(诸如图1所示的活塞裙32等)，从而形成活塞组件20。最后，在步骤320中，可以对活塞顶530和活塞裙进行精加工操作。然后，结束处理300。

尽管按示例性顺序列出了处理300的方法步骤，但可以不同的顺序执行该步骤。此外，如上所述，可以去掉一个或多个步骤，并且可以在初始阶段和最后阶段之间添加其它示例性锻造步骤。

参考前述示例详细地示出并说明了本发明，其中这些示例仅为用于执行本发明的最佳方式。本领域的技术人员应该理解，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的主旨和范围的情况下，在实施本发明时可以采用文中所述公开示例的各种可选方案。所附权利要求书将限定本发明的范围，并且权利要求书范围内的方法、装置及其等同内容将囊括在内。本发明的说明应该理解为包括文中所述部件的所有新颖的、非显而易见的组合，并且在本申请或以后申请中可能出现对这些部件的任何新颖的、非显而易见的组合的权利要求。此外，上述示例是说明性的，没有一个特征或部件是本申请或以后申请中可能主张的所有可能组合所必须的。

Claims (20)

1.一种制造活塞顶的方法，包括：

提供坯段；

在第一台上镦粗所述坯段，以大致减小所述坯段的长度，并且大致增加所述坯段的横截面宽度；

在第二台上将所述坯段预形成活塞顶的中间构造，其中所述活塞顶具有初步形状，并且所述第一台和所述第二台为分离的部件；

将所述活塞顶的中间构造形成为所述活塞顶的最终形状，所述活塞顶的最终形状具有预定体积；以及

将所述活塞顶精密形成为近终形构造，其中所述活塞顶的近终形构造具有近终形体积；以及

其中所述预定体积约等于所述近终形体积。

2.根据权利要求1所述的方法，包括将棒料剪切成所述坯段。

3.根据权利要求1所述的方法，包括将所述坯段加热至预定锻造温度。

4.根据权利要求1所述的方法，包括通过压印操作在所述活塞顶中形成冷却通道，其中所述压印操作包含于所述最终形状的形成过程。

5.根据权利要求1所述的方法，包括将所述活塞顶固定地连接至活塞裙。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在至少第三台上执行所述中间构造的形成，并且在至少第四台上进行所述精密形成。

7.根据权利要求6所述的方法，包括使所述活塞顶前进经过所述第一台、第二台、至少第三台和至少第四台，其中所述第一台、第二台、至少第三台和至少第四台中的每一个是单个形成机构组件的一部分。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述形成机构组件包括哈特贝尔式锻造机。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述活塞顶的最终直径大约小于200毫米。

10.一种制造活塞顶的方法，包括：

将棒料剪切成坯段；

将所述坯段加热至预定锻造温度；

在第一台上镦粗所述坯段，以大致减小所述坯段的长度，并且大致增加所述坯段的横截面宽度；

在第二台上将所述坯段预形成活塞顶的中间构造，其中所述活塞顶具有初步形状，并且所述第一台和所述第二台为分离的部件；

将所述活塞顶的中间构造形成为所述活塞顶的大致最终形状，所述活塞顶的最终形状具有预定体积；以及

将所述活塞顶精密形成为近终形构造，其中所述活塞顶的近终形构造具有近终形体积；以及

其中所述预定体积约等于所述近终形体积。

11.根据权利要求10所述的方法，包括通过压印操作在所述活塞顶中形成冷却通道，其中所述压印操作是形成所述大致最终形状所包含的至少一个操作，并且是在形成所述大致最终形状之前的操作。

12.根据权利要求10所述的方法，包括将所述活塞顶固定地连接至活塞裙。

13.根据权利要求10所述的方法，其中在至少第三台上执行所述中间构造的形成，并且在至少第四台上进行所述精密形成。

14.根据权利要求13所述的方法，包括使所述活塞顶前进经过所述第一台、第二台、至少第三台和至少第四台，其中所述第一台、第二台、至少第三台和至少第四台中的每一个是单个形成机构组件的一部分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述形成机构组件包括哈特贝尔式锻造机。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述活塞顶的最终直径大约小于200毫米。

17.一种制造活塞组件的方法，包括：

将棒料剪切成坯段；

将所述坯段加热至预定锻造温度；

在第一台上镦粗所述坯段，以大致减小所述坯段的长度，并且大致增加所述坯段的横截面宽度；

在第二台上将所述坯段预形成活塞顶的中间构造，其中所述活塞顶具有初步形状，并且所述第一台和所述第二台为分离的部件；

将所述活塞顶的中间构造形成为所述活塞顶的最终形状，所述活塞顶的最终形状具有预定体积；

将所述活塞顶精密形成为近终形构造，其中所述活塞顶的近终形构造具有近终形体积，其中所述预定体积约等于所述近终形体积；以及

将所述活塞顶固定地连接至活塞裙，以形成活塞组件。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在至少第三台上执行所述中间构造的形成，并且在至少第四台上进行所述精密形成，并且所述至少第三台是与所述第四台分离的部件。

19.根据权利要求18所述的方法，包括使所述活塞顶前进经过所述第一台、第二台、至少第三台和至少第四台，其中所述第一台、第二台、至少第三台和至少第四台中的每一个是单个形成机构组件的一部分。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述形成机构组件包括哈特贝尔式锻造机。

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