專利名稱：一體式鑄鋼整體活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及柴油機重型活塞，特別涉及頭部設(shè)有一體式活塞邊緣和油冷卻溝道的整體活塞。
背景技術(shù)：
眾所周知，整體活塞是工業(yè)中常用的一種重型活塞，通常包括上活塞頭部。該上活塞頭部設(shè)有圍繞凹狀燃燒碗狀區(qū)域的外環(huán)區(qū)域和位于該外環(huán)和燃燒碗狀區(qū)之間的環(huán)狀油冷卻溝道。工作過程中，將冷卻油注入環(huán)狀油冷卻溝道中以冷卻該活塞的上部。這種活塞進一步具有一對側(cè)面間隔的銷轂對準(zhǔn)鉆孔，以收容活塞銷，從而與一連接桿連接。該銷轂位于活塞頭部下方的活塞下部內(nèi)。整體活塞進一步包括活塞邊緣區(qū)域，該活塞邊緣區(qū)域與銷轂一體形成以相對該銷轂固定，與將活塞邊緣分離地形成且連接于樞接型銷轂中以通過活塞銷相對銷轂樞接運動的方式不同。
一般整體活塞由整塊鋁或鑄鐵鑄件制造，或者由鑄造和/或鍛造出的各種含鐵和鋼的材料形成兩塊或更多塊結(jié)構(gòu)，隨后再通過各種方法例如螺栓連接、銅焊或者焊接結(jié)合在一起形成整體連接結(jié)構(gòu)。各種通道和凹槽特別是冷卻溝道區(qū)域的復(fù)雜性將材料的選擇局限于鋁和鑄鐵。采用多塊結(jié)合結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點是，可將活塞結(jié)構(gòu)分為分散部分，各部分單獨制造而后結(jié)合成一體。典型的多部分整體活塞越過經(jīng)油冷卻室的分界線被分隔開來。這樣，部分冷卻室形成于較高的頭部或“上冠”部分內(nèi)，冷卻室的其余部分形成于較低的銷轂內(nèi)或“下冠”部分內(nèi)。該上冠通常由鋼或鑄鐵鑄造或鍛造成，越過分界線結(jié)合至可由鐵鑄造或鋁鍛造而成的下冠。鋼具有較鐵更高的伸縮系數(shù)，因此更適用于上冠部分，以承受燃燒的熱度及循環(huán)負載。因下冠無需具有上冠所需的受熱和負載水平，故下冠可僅用鑄鐵材料制成。


為了更清楚地說明本發(fā)明的特征及優(yōu)點，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明較佳實施例構(gòu)造的活塞部分斷開狀態(tài)的立體圖；圖2是圖1中的活塞另一個角度、部分斷開狀態(tài)的立體圖；圖3是圖1中的活塞不同角度的立體圖；圖4是所述活塞的平面圖；圖5是沿圖4中5-5線的剖視圖；圖6是沿圖5中6-6線的剖視圖；以及圖7是沿圖4中7-7線的剖視圖。
具體實施例根據(jù)本發(fā)明實施例構(gòu)造的活塞10如圖所示。該活塞為整體構(gòu)造，由一塊鋼完整鑄成，優(yōu)選SAE 4140H號鋼。該活塞具有上頭部12，該上頭部12設(shè)有上壁14。上壁14一般為平面，并包括燃燒碗狀部16。該燃燒碗狀部16凹入上壁14并以成型燃燒碗狀壁18為界。該成型燃燒碗狀壁18具有底切角區(qū)域20，該區(qū)域20由燃燒碗狀部16的上緣22徑向向外延伸，為燃燒碗狀部16提供凹狀或具深度的結(jié)構(gòu)。底切區(qū)域20內(nèi)部，該燃燒碗狀壁18為圓頂狀，且該圓頂狀壁18的中心朝向上壁14升起，高于底切區(qū)域20，但最終低于上緣22。
上頭部12進一步包括從上壁14向下延伸的外環(huán)壁24，該外環(huán)壁24上設(shè)有多個環(huán)狀槽26。該環(huán)狀槽26通過先鑄入所述環(huán)，而后進行加工形成，或者整體加工鑄件形成。通常，環(huán)狀槽26容納相應(yīng)多個活塞環(huán)(圖未示)。
上頭部12具有鑄造狀態(tài)油冷卻溝道28，設(shè)置在外環(huán)24內(nèi)部、燃燒碗狀部16下方。該油冷卻溝道28具有外環(huán)24界定的外環(huán)壁和燃燒碗狀壁18的底切區(qū)域20界定的上壁。溝道28的內(nèi)環(huán)壁30與外環(huán)24徑向向內(nèi)間隔并從燃燒碗狀壁18向下延伸至底切區(qū)域20徑向向內(nèi)的位置。外環(huán)24相對內(nèi)環(huán)壁30較厚，該內(nèi)環(huán)壁30則相對燃燒碗狀壁18較厚。
油冷卻溝道28包括底壁或底面32，該底壁或底面32在外環(huán)24和內(nèi)環(huán)壁30之間延伸，以對底部關(guān)閉該油冷卻溝道28，來提高活塞冷卻效率和結(jié)構(gòu)。這一點將在下面做進一步詳細描述。
活塞進一步包括一對側(cè)面間隔的銷轂34，該銷轂34與頭部12整體鑄造，并從頭部的底壁32向下突出。該銷轂34鑄造有一組沿銷軸38排列的銷鉆孔36，以收容活塞銷(圖未示)，從而通過常用方法將該活塞10與一連接桿連接。
該活塞10進一步具有活塞邊緣40，與頭部12及銷轂34作為一整體鑄造。該活塞邊緣40與外環(huán)24和銷轂34連接，除此以外是無支撐的。該活塞邊緣40在每一銷轂34側(cè)向相對面上設(shè)有鑄入該活塞邊緣40內(nèi)的一組窗口或開口42?；钊吘?0上共設(shè)有四個或少于四個這樣的窗口42。該窗口42消除了材料堆積，從而減小了無需活塞邊緣的區(qū)域的活塞總重量。
再看油冷卻溝道28，可以看到相對較薄的內(nèi)環(huán)壁30和燃燒碗狀壁18的底切區(qū)域20設(shè)有加強肋44，以提供局部加厚壁區(qū)域，從而加強該壁部分的結(jié)構(gòu)剛度以承受燃力，同時最小化相鄰無加強肋區(qū)域的壁厚，從而使得活塞重量總體降低?？梢钥吹郊訌娎?4在外環(huán)24后延伸，僅部分伸入油溝道28，因此未在圓周方向上隔離該溝道28，使得該溝道在圓周方向上保持開通并連續(xù)。加強肋44的形狀不均勻，與銷軸38成一線排列的銷轂34上的加強肋最厚。
燃燒碗狀壁18的下面、內(nèi)環(huán)壁30內(nèi)部徑向上也設(shè)有肋46，以加強圓頂區(qū)域內(nèi)燃燒碗狀壁18的薄壁結(jié)構(gòu)。
銷轂34設(shè)有中空區(qū)域或凹陷48，該中空區(qū)域或凹陷48通常形成在底壁32下方延伸的鞍狀室，以作為油冷卻溝道28的延伸，從而減小材料堆積并允許冷卻油從油冷卻溝道28排入銷轂34的中空區(qū)域28。該中空區(qū)域48在銷鉆孔36的任一側(cè)向下延伸入銷轂34，并終止到達銷軸38。底壁32不在中空區(qū)域48內(nèi)，使得可與油冷卻溝道28直接連通。
在銷轂34之間的區(qū)域內(nèi)，底壁32優(yōu)選具有至少一個或多個開口50。該開口50允許油冷卻溝道和溝道內(nèi)各種相互連接的中空區(qū)域及肋在鑄造過程中借助鑄芯形成。該鑄芯隨著鑄造過程可被移動至完全穿過開口50。此外，該開口50使得活塞10的整體重量減少。如圖所示，優(yōu)選設(shè)置四個這種開口50，每對開口由底壁32的中間脊部分開，雖然本發(fā)明在需要的情況下可考慮除去每組或每兩組開口之間的橋部52。該開口50進一步用于提供至油冷卻溝道28的入口，以在運行期間將冷卻油注入活塞，并至少部分地允許油從溝道流出。該中空區(qū)域48也可包括油排出孔(圖未示)，以向銷鉆孔36和/或銷轂34內(nèi)表面提供潤滑油，以增強活塞銷與連接桿接觸面的潤滑。
該活塞優(yōu)選SAE 4140H鋼鑄造而成。雖然不限于特定處理方式，該活塞可使用慢速填充反重力鑄造技術(shù)鑄造，該技術(shù)能夠使鋼傾向不同于包含物、凝固、收縮及多孔性，而是被鑄成具有復(fù)雜特征的復(fù)合薄壁部分，例如活塞10，不會在合成鑄件內(nèi)產(chǎn)生不合格的多孔和凝固等缺失。
很顯然，根據(jù)上述說明，可對本發(fā)明作多種修改和變化。因此，可以理解，本發(fā)明并不局限于以上特定描述，而可涵蓋所附權(quán)利要求范圍的所有實現(xiàn)方式。
權(quán)利要求
1.一種活塞，包括活塞頭部，具有燃燒碗狀部、環(huán)和環(huán)狀油溝道；一對銷轂，從所述活塞頭部下垂并具有排列成行的銷鉆孔；活塞邊緣；其中所述活塞頭部、所述銷轂及所述活塞邊緣作為單一整體由鋼鑄造而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，該活塞包括油溝道底面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的活塞，其特征在于，所述油溝道底面作為整體由鋼鑄造而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的活塞，其特征在于，所述油溝道底面上鑄有至少一個開口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，包括多個圓周向間隔的肋，該肋突入所述油溝道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活塞，其特征在于，所述活塞頭部包括燃燒碗狀壁，所述肋在所述油溝道內(nèi)沿所述燃燒碗狀壁的下表面延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞，其特征在于，該活塞包括內(nèi)環(huán)壁，該內(nèi)環(huán)壁與所述外環(huán)徑向向內(nèi)間隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的活塞，其特征在于，所述肋從所述燃燒碗狀壁的下表面沿所述內(nèi)環(huán)壁延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其特征在于，包括多個肋，該肋于內(nèi)環(huán)壁30內(nèi)部徑向沿所述燃燒碗狀壁的下表面延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述銷轂包括與所述油溝道連通的中空區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的活塞，其特征在于，所述中空區(qū)域為鞍狀，并在每一銷轂內(nèi)形成的銷鉆孔的任一側(cè)上，于所述油溝道底面下方延伸入所述銷轂。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)壁的橫斷面比所述環(huán)的橫斷面薄。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的活塞，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)壁的橫斷面相對厚于所述燃燒碗狀壁的橫斷面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞邊緣內(nèi)鑄有至少一個窗口。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的活塞，其特征在于，包括四個所述窗口。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活塞，其特征在于，所述肋的徑向厚度不同。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的活塞，其特征在于，所述肋的最厚處位于具有所述銷轂內(nèi)一組鉆孔的公共軸的平面處。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柴油機活塞(10)，具有由整塊鋼完整鑄造的活塞主體，并包括具有燃燒碗狀部(16)、環(huán)(24)及油冷卻溝道(28)的活塞頭部(12)。一對銷轂(34、36)和一活塞邊緣(40)利用同一鋼材與所述活塞頭部一體鑄造。
文檔編號F16J1/04GK101040136SQ200580031520
公開日2007年9月19日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月21日
發(fā)明者希羅·朱, 愛德華多伊羅基·馬特索 申請人:費德羅-莫格爾公司