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CN105050766A - 制造用于内燃机的活塞的方法和通过所述方法制造的活塞 - Google Patents

制造用于内燃机的活塞的方法和通过所述方法制造的活塞 Download PDF

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CN105050766A
CN105050766A CN201480014569.1A CN201480014569A CN105050766A CN 105050766 A CN105050766 A CN 105050766A CN 201480014569 A CN201480014569 A CN 201480014569A CN 105050766 A CN105050766 A CN 105050766A
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赖纳·米勒
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Abstract

本发明涉及一种制造用于内燃机的活塞(10)的方法，活塞包括活塞上部(11)和活塞下部(18)，其中活塞上部(11)有活塞底板(12)，该活塞底板包括有圆顶(14)的燃烧槽(13)，圆周形火地(15)和圆周形环部分(16)，其中活塞底部(18)包括提供有销孔(21)的活塞销毂(19)，所述活塞销毂通过波状表面(23,24)彼此连接。根据本发明，方法包括以下步骤：a)借助于成形方法制造活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)，b)借助于成形方法或铸造方法制造活塞下部(18)的坯件，c)通过焊接方法连接活塞上部(11)和活塞下部(18)的坯件形成活塞体，d)二次加工和/或完成加工活塞体形成完成的活塞(10)。根据本发明，在步骤a)制造活塞上部(11)的坯件期间，完成远离圆顶区域(14’，114’，214’)的燃烧槽(13)轮廓，在燃烧槽(13)的圆顶区域(14’，114’，214’)形成剩余材料(25，125，225)，并且在步骤d)中，燃烧槽(13)圆顶区域(14’，114’，214’)的剩余材料(25，125，225)以所述总额去除，以致产生燃烧凹处(13)预定的体积。

Description

制造用于内燃机的活塞的方法和通过所述方法制造的活塞
技术领域
本发明涉及一种制造用于内燃机的活塞的方法，该活塞有活塞上部和活塞下部，其中活塞上部有活塞冠，该活塞冠有圆顶的燃烧凹处，有环绕的火地并且有环绕的环部分，其中活塞下部配备有销孔的活塞销毂，活塞销毂借助于波状表面彼此连接，该方法有以下方法步骤：
a)借助于变形过程制造活塞上部的坯件，b)借助于变形过程或铸造过程制造活塞下部的坯件，c)借助于焊接过程连接活塞上部和活塞下部的坯件形成活塞体，d)对活塞体进行二次加工和/或完成加工形成完成的活塞。本发明同样涉及借助于所述方法制造的活塞。
背景技术
一般的制造方法和由此制造的活塞从德国专利申请102011013141A1和DE102011013067A1得知。根据该专利申请，活塞上部的坯体通过锻造在燃烧凹处的整个区域完成，以致燃烧凹处的轮廓不需二次加工过程。
但是，发现在坯体的焊接期间对活塞体的局部加热导致微观结构的变化以及材料压力的损耗，产生燃烧凹处的几何构造以及因此体积变化的影响。因此，完成的活塞的燃烧凹处体积可与预期限定的值有相当大的偏差。因为燃烧凹处通过锻造完成，附加的切割加工不再可行。这特别适用于有复杂几何构造的燃烧凹处。
发明内容
本发明的目的是进一步发展一般的方法，以致在尽可能简单的方式中，即使在几何构造复杂的情况下，完成的活塞的所述燃烧凹处体积在预先限定的公差范围内。
解决方法包括，在步骤a)中制造所述活塞上部的坯体期间，完整制造在圆顶区域外部的所述燃烧凹处轮廓，在所述燃烧凹处的圆顶区域形成多余材料，并且包括，在步骤d)中，去除在燃烧凹处的圆顶区域的所述多余材料，导致所述燃烧凹处为预定的体积。
本发明同样涉及可借助于根据本发明所述方法制造的活塞。
根据本发明的方法，其特征在于，通过变形过程制造所述活塞上部期间，在所述燃烧凹处的圆顶区域形成多余材料，然而燃烧凹处的所述其他区域为完整制造，也就是说不要求进一步的二次加工。通过去除特定额的所述多余材料，可在坯体的焊接后准确设置所述燃烧凹处的预定体积，而不需改变圆顶区域外部所述燃烧凹处的几何构造。
有利的改进将出现在附属权利要求中。
在步骤a)中如果需要的话，有利的是至少一个阀位借助于变形过程在所述活塞冠和/或活塞凹处完整形成，以致同样省略所述至少一个阀位的二次加工。
在步骤a)中，所述活塞冠同样可借助于所述变形过程完整制造，以同样消去所述活塞冠的二次加工。在这种情况下，对于多余材料合适的是在所述火地区域附加形成，因为所述材料可易于从所述区域去除，例如简单的通过车削去除。仅必须确保的是，在所述燃烧凹处的圆顶区域形成足够额的多余材料，以准确设置所述燃烧凹处的预定体积。
根据本发明所述方法的一种改进，在步骤d)中，提供为检查所述燃烧凹处的体积，在所述燃烧凹处的最低点选择参考点并且在完整制造的活塞冠的高度选择参考点，并且因此决定所述燃烧凹处目前的深度。
相反，在步骤a)中，可提供多余材料在所述活塞冠区域附加形成。这样的优点在于，活塞冠的二次加工允许所述压缩高度的灵活设置。
所述方法的一种改进，在步骤d)中，提供为检查所述燃烧凹处的体积，在从所述圆顶区域去除多余材料期间，检验所述燃烧凹处目前的最低点，并且应用与所述活塞中心轴垂直走向的平面至所述最低点，所述平面用作所述活塞冠完成加工的起始点。
在步骤a)和b)中，合适的提供焊接表面和冷却管道区域在所述坯体中形成并且完成加工。在步骤c)的所述焊接过程中，要求准确适合的焊接表面。所述冷却管道区域在焊接所述坯件后不可再接近。
此外在步骤b)和步骤c)之间，有利的是在所述活塞下部的坯体中，所述内部空间完成加工并且用于冷却油的入口和出口开口在所述冷却管道区域形成。为此所述活塞下部比起所述焊接的活塞体更易于处理。
此外，基于所述相同原因，在步骤a)和步骤c)之间，建议在所述活塞上部和/或所述活塞下部的坯体上预加工外径，和/或建议在所述活塞下部的坯体上，预加工所述活塞销毂。
一种优选的改进，在步骤d)，在所述活塞冠完成加工后提供所述销孔在活塞销毂内形成。因为活塞的所述压缩高度由活塞冠和销孔中心轴之间的距离限定，所述完成的活塞的预定压缩高度可以特别简单的方式获得。
可选择多种变形方法用于制造所述活塞上部的坯体。所述坯体可通过在1200℃到1300℃时热加工锻造，并且随后进行冷标定。所述坯体同样可通过在1200℃到1300℃时热加工锻造，并且随后在最高150℃的温度下进行冷标定。此外，所述坯体可通过在600℃到900℃时温加工锻造。此外，在温加工后，所述坯体可在最高150℃的温度下进行冷加工。最后，所述坯体可通过在最高150℃时通过冷加工锻造。
在步骤c)中，合适的提供所述坯体借助于摩擦焊接过程彼此连接。但是，摩擦焊接过程的使用不是强制的。
附图说明
本发明的示例性实施方式将在下面基于所述附图更加详细的讨论，其中该附图在各种情况下为不按比例的示意图：
图1示出借助于根据本发明方法制造的活塞的示例性实施方式；
图2示出活塞上部坯体的第一示例性实施方式，该活塞上部用于如图1的活塞；
图3示出活塞上部坯体的第二示例性实施方式，该活塞上部用于如图1的活塞；
图4示出活塞上部坯体的第三示例性实施方式，该活塞上部用于如图1的活塞；
图5示出有阀位的燃烧凹处的示例性实施方式，该燃烧凹处用于如图1的活塞。
具体实施方式
图1示出根据本发明的活塞10的示例性实施方式。活塞10有包括活塞冠12的活塞上部11。在活塞冠12中，提供有包括中央圆顶14的燃烧凹处13。此外，活塞上部11有环绕的火地15和环绕的环部分16，该环绕的环部分有用于接收活塞环(未示出)的环形槽。在环部分16的高度提供环绕的冷却管道17。
此外，活塞10有活塞下部18，该活塞下部有用于接收活塞销(未示出)的活塞销毂19和销孔21。活塞销毂19借助于波状表面22,23彼此连接。
在目前的示例性实施方式中，活塞上部11和活塞下部18借助于摩擦焊接过程彼此连接。
活塞上部11由可进行变形过程的材料制造。这种材料通常是回火钢，例如42CrMo4，或AFP钢，例如38MnVS6。
根据本发明，其目的为制造活塞10，该活塞的燃烧凹处13的体积在预定公差范围内。其目的为不管燃烧凹处的几何构造以实现该目标，以致在完成制造过程后，甚至有复杂几何构造的燃烧凹处，例如图5所示，其体积也在预定公差范围内。图5示出在活塞上部11a的燃烧凹处13a的平面图。燃烧凹处13a有四叶草形轮廓。阀位24在活塞冠12上附加形成。借助于根据本发明的方法，其目的为实现根据本发明的目标，甚至是相对于活塞中心轴径向偏离或为倾斜布置的燃烧凹处。
为此，活塞上部11的坯体首先通过变形制造。所述类型的坯体11’的第一示例性实施方式在图2中示出。在示例性实施方式中，坯体11’通过在600°到900°温加工锻造并且随后在最高150℃时冷加工。坯体11’通过阴影以截面示出，然而完成活塞10的活塞上部11的最终轮廓通过点划线指示。在示例性实施方式中，除圆顶14周围的圆顶区域14’外，燃烧凹处13的几何构造和活塞冠12通过锻造完成。这意味着在制造完成的活塞10时，除了圆顶区域14’，活塞冠12和燃烧凹处13不需二次加工。
在锻造过程之后，必要的是圆顶区域14’有足够额的多余材料25，以让燃烧凹处的体积可根据本发明精确设置(在这方面，见下文)。不要求用于设置燃烧凹处13体积的进一步多余的材料26，可在活塞冠12外部形成，在该区域进一步多余的材料可随后成为火地15。
在锻造过程之后，可预加工坯体11’的外径，其中特别的是，可去除多余材料26。此外，冷却管道区域17’在坯体11’中形成，该冷却管道区域在完成的活塞10中形成冷却管道17的一部分。冷却管道区域17’同样可在锻造过程中形成，并且在这种情况下在锻造过程之后完成加工。最终，在锻造过程之后，完成加工焊接表面27，28，坯体借助于该焊接表面27，28连接至活塞下部18(参照图1)的坯体。
活塞下部18的坯体可由任何合适的材料通过变形或铸造制造。在本身已知的方式中，坯体的外径和毂区域可预加工。此外，内部空间29和冷却管道区域17”完成加工，该冷却管道区域在完成的活塞10中形成冷却管道17的一部分。用于冷却油的入口和出口开口31在冷却管道区域17”(参照图1)形成。最终，在锻造过程之后，焊接表面32，33完成加工，坯体11’借助于该焊接表面32，33连接至活塞上部11(参照图1)的坯体。
接着，借助于焊接表面27，28，32，33，坯体借助于摩擦焊接过程以本身已知的方式彼此连接。在这种情况下，摩擦焊接过程导致焊接表面27，28，32，33区域的材料局部加热。所述局部加热招致材料微观结构的变化和压力的损耗。一般这样的影响是，燃烧凹处13的几何构造以及因此其体积与完成的活塞(10)预先限定的值有相对大的偏离。
接着在随后的方法步骤中，在由焊接过程导致的活塞体上，圆顶区域14’凭借多余材料25的去除完成加工。该过程以所述程度执行，结果在坯体焊接之后精确设置预定的体积，而不需操纵圆顶区域14’外部燃烧凹处13的几何构造。燃烧凹处的其他区域已经借助于变形过程完整制造，也就是说不要求进一步的二次加工。
在所述过程中，检查燃烧凹处13的体积。为此，在燃烧凹处13的最低点选择参照点P1并且在完整制造的活塞冠12的高度选择参照点P2。由此决定燃烧凹处13目前的深度。例如，如果燃烧凹处13的深度为公差上限，圆顶区域14’的加工必须大体为公差下限，以致燃烧凹处13体积的实际值尽可能接近预定体积公差范围的中间值。
为完成根据本发明的方法，活塞体的完成加工，例如凭借于制造的最终精轮廓，在环部分16上形成的环形槽和在活塞销毂19上形成的销孔21。销孔21以所述方式形成，以致完成的活塞的预定压缩高度由所述销孔相对于活塞冠12的中心轴决定。结果获得参照图1中的活塞。
用于活塞上部11的所述类型坯体111’的第二示例性实施方式在图3中示出。在示例性实施方式中，坯体111’通过在1200°到1300°时热加工锻造，并且随后通过冷标定进一步处理(在室温下按压坯体111’的上表面)。坯体111’借助于阴影以截面示出，然而完成活塞10的活塞上部11的最终轮廓通过点划线指示。在示例性实施方式中，除圆顶14周围的圆顶区域114’外，燃烧凹处13的几何构造通过锻造完成。这意味着在制造完成的活塞10时，除了圆顶区域114’，燃烧凹处13不需二次加工。
在锻造过程之后，必要的是圆顶区域114’有足够额的多余材料125，以让燃烧凹处的体积根据本发明精确设置(在这方面，见下文)。不要求用于设置燃烧凹处13体积的进一步多余的材料126，可在活塞冠12外部形成，在该区域进一步多余的材料可随后成为活塞冠。
在锻造过程之后，可预加工坯体111’的外径。此外，冷却管道区域117’在坯体111’上形成，该冷却管道区域在完成的活塞10中形成冷却管道17的一部分。冷却管道区域117’同样可在锻造过程中形成，并且在这种情况下在锻造过程之后完成加工。最终，在锻造过程之后，完成加工焊接表面127，128，坯体111’借助于该焊接表面127，128连接至活塞下部18(参照图1)的坯体。
如上所述，坯体111’和用于活塞主体18的坯体以本身已知的方式连接在一起，借助于所述坯体(参照图1)的焊接表面27，28，32，33。在这种情况下，摩擦焊接过程导致焊接表面27，28，32，33区域的材料局部加热。所述局部加热招致材料微观结构的变化和压力的损耗。一般这样的影响是，燃烧凹处13的几何构造以及因此其体积与完成的活塞10预先限定的值有相对大的偏离。
接着在随后的方法步骤中，在由焊接过程导致的活塞体上，圆顶区域114’凭借多余材料125的去除完成加工。该过程以所述程度执行，结果在坯体焊接之后精确设置预定的体积，而不需操纵圆顶区域114’外部燃烧凹处13的几何构造。燃烧凹处的其他区域已经借助于变形过程完整制造，也就是说不要求进一步的二次加工。
为检查燃烧凹处(13)的体积，在从圆顶区域114’去除多余材料125期间，检验燃烧凹处13目前的最低点P11，并且应用与活塞中心轴垂直走向的平面E至所述最低点，所述平面用作活塞冠12(参照图3)完成加工的起始点。
为完成根据本发明的方法，活塞体的完成加工，例如凭借于制造的最终精轮廓，在环部分16上形成的环形槽和在活塞销毂19上形成的销孔21。此外，活塞冠12凭借于去除多余材料126完成加工。销孔21随后以所述方式形成，以致完成的活塞的预定压缩高度由所述销孔相对于活塞冠12的中心轴决定。在这种情况下，活塞冠12和销孔21的中心轴之间的距离可借助于材料去除的额改变。结果获得参照图1中的活塞。
用于活塞上部11的所述类型坯体211’的第三示例性实施方式在图4中示出。坯体211’大体上对应于参照图3中的坯体111，以致相同的参考符号用于共同结构，并且在这方面，参考用于有关图3的说明。坯体211’借助于阴影以截面示出，然而完成活塞10的活塞上部11的最终轮廓通过点划线指示。在示例性实施方式中，除圆顶区域214’外，燃烧凹处13的几何构造通过锻造完成。圆顶区域214’从圆顶14的顶端延伸至燃烧凹处13的最低点P11。这意味着在制造完成的活塞10时，除了圆顶区域214’，燃烧凹处13不需二次加工。
在锻造过程之后，必要的是圆顶区域214’有足够额的多余材料225，以让燃烧凹处的体积可根据本发明精确设置(在这方面，见下文)。不要求用于设置燃烧凹处13体积的进一步多余的材料126，可在随后成为活塞冠12的区域形成。
在描述参照图3中示例性实施方式的制造方法的情况下，在由焊接过程导致的活塞体上，圆顶区域214’凭借多余材料225的去除完成加工。该过程以所述程度执行，结果在坯体焊接之后精确设置预定的体积，而不需操纵圆顶区域214’外部燃烧凹处13的几何构造。燃烧凹处的其他区域已经借助于变形过程完整制造，也就是说不要求进一步的二次加工。
为检查燃烧凹处(13)的体积，在从圆顶区域214’去除多余材料225期间，检验燃烧凹处13目前的最低点P11，并且应用与活塞中心轴垂直走向的平面E至所述最低点，所述平面用作活塞冠12(参照图4)完成加工的起始点。
参照图3描述的示例性实施方式执行完成加工。结果获得参照图1中的活塞。

Claims (17)

1.一种制造用于内燃机的活塞(10)的方法，该活塞有活塞上部(11)和活塞下部(18)，其中所述活塞上部(11)有活塞冠(12)，该活塞冠有圆顶(14)的燃烧凹处(13)，有环绕的火地(15)并且有环绕的环部分(16)，其中所述活塞下部(18)有配备有销孔(21)的活塞销毂(19)，活塞销毂借助于波状表面(23,24)彼此连接，该方法有下述方法步骤：
a)借助于变形过程制造所述活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)，
b)借助于变形过程或铸造过程制造所述活塞下部(18)的坯件，
c)借助于焊接过程连接活塞上部(11)和活塞下部(18)的所述坯件形成活塞体，
d)对所述活塞体进行二次加工和/或完成加工形成完成的活塞(10)；
其特征在于，在步骤a)中，在制造所述活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)期间，完整制造圆顶区域(14’，114’，214’)外部的所述燃烧凹处(13)的轮廓，在所述燃烧凹处(13)的圆顶区域(14’，114’，214’)形成多余材料(25，125，225)，并且在于，在步骤d)中，所述燃烧凹处(13)圆顶区域(14’，114’，214’)的多余材料(25，125，225)以所述总额去除，以致产生所述燃烧凹处(13)预定的体积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，在所述活塞冠(12)和/或在所述燃烧凹处(13)至少完整制造一个阀位(24)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，完整制造所述活塞冠(12)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，多余材料(26)在所述火地(15)区域附加形成。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，为检验所述燃烧凹处(13)的体积，在所述燃烧凹处(13)的最低点选择参考点(P1)并且在所述完整制造的活塞冠(12)的顶点选择参考点(P2)，并且由此决定所述燃烧凹处(13)目前的深度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，多余材料(126)在所述活塞冠(12)区域附加形成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，为检查所述燃烧凹处(13)的体积，在把多余材料(125，225)从所述圆顶区域(14’)去除期间，察觉所述燃烧凹处(13)目前的最低点(P11)，并且应用与所述活塞中心轴垂直走向的平面(E)至所述最低点，所述平面用作所述活塞冠(12)的完成加工的起始点。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)和b)中，焊接表面(27，28；32,33)和冷却管道区域(17’，117’；17”)在所述坯件中形成并且完成加工。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)和步骤c)之间，在所述活塞下部(18)的坯件，完成加工所述内部空间(29)并且在所述冷却管道区域(17”)形成用于冷却油的入口和出口开口(31)。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)和步骤c)之间，在所述活塞上部(11)和/或所述活塞下部(18)的坯件(11’，111’，211’)上，预加工所述外径，和/或在于，在所述活塞下部(18)的坯件上预加工所述活塞销毂(19)。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，所述活塞冠(12)完成加工后，所述销孔(21)形成在所述活塞销毂(19)中。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)通过在1200℃到1300℃时热加工锻造，并且随后进行冷标定。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)通过在1200℃到1300℃时热加工锻造，并且随后在最高150℃的温度下进行冷标定。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)通过在600℃到900℃时温加工锻造。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述活塞上部(11)的坯件(11’，111’，211’)在温加工后在最高150℃的温度下进行冷加工。
16.一种用于内燃机的活塞，可按照权利要求1至15所述的方法制造。
17.根据权利要求16所述的活塞，其特征在于，所述活塞有燃烧凹处(13)，该活塞凹处不对称和/或相对于所述活塞中心轴径向偏离和/或倾斜。
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