專利名稱：具有粗糙表面的活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于具有粗糙內(nèi)表面的內(nèi)燃機的活塞。
背景技術(shù)：
與內(nèi)燃機的其它組件相比，用于內(nèi)燃機的活塞組件在使用期間通常會變得非常熱并且受到比較嚴(yán)重的熱應(yīng)力，特別是活塞的頂壁或頂部尤為如此，活塞的頂壁或頂部直接暴露于由活塞部分地限定的燃燒室內(nèi)的熱氣。由于內(nèi)燃機動力輸出增加而產(chǎn)生的熱負荷增力口，對于現(xiàn)代內(nèi)燃機而言，活塞組件頂部溫度的問題變得更嚴(yán)重。


圖I是包括活塞裙和活塞頂?shù)幕钊木植科室晥D；圖2是圖I的活塞內(nèi)部的底視圖；圖3是圖I的活塞中包括表面積增大區(qū)域的頂?shù)撞糠?undercrown)的一部分的首丨J視圖;圖4是用以形成圖3的頂?shù)撞糠值蔫T造工具的頂視圖；圖5是圖I的活塞中包括多個表面積增大區(qū)域的頂?shù)撞糠值捻斠晥D；圖6是用以形成圖5的多個表面積增大區(qū)域的另一鑄造工具的頂視圖；
圖7是示例性活塞鑄造工藝的工藝流程圖；圖8是圖4中的鑄造工具的另一實例的頂視圖；圖9A是圖I的活塞中包括另一表面積增大區(qū)域的頂?shù)撞糠值捻斠晥D；圖9B是圖9A中交叉影線部分的放大視圖；圖10是包括圖9A的頂?shù)撞糠值幕钊麅?nèi)部的頂視圖，該頂?shù)撞糠职硪槐砻娣e增大區(qū)域；以及圖11是用以形成圖9A中的表面積增大區(qū)域的鑄造工具的頂視圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參照下面的論述以及附圖，它們詳細地示出了實現(xiàn)所公開的系統(tǒng)和方法的示例性方案。盡管附圖示出了一些可能的方案，但為了更好地對本發(fā)明進行舉例說明和解釋，附圖未必按比例繪制，某些特征可能被放大、去除或局部剖開。此外，本文中的描述并不旨在窮舉性的或?qū)?quán)利要求限制為或限定為附圖中示出的確切形式和構(gòu)造以及在下述詳細描述中公開的內(nèi)容。
此外，在下面的論述中可能會引入一些常量。在一些情況下，提供了這些常量的示例性數(shù)值。在其它情況下，這些常量的數(shù)值將取決于相關(guān)部件的特性、這些特性彼此間的相互關(guān)系以及與所公開的系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境條件和操作條件。現(xiàn)在回到附圖特別是圖1，圖中公開了用于內(nèi)燃機的示例性活塞20?；钊?0包括活塞頂30和活塞裙32?；钊?0包括燃燒碗40和環(huán)帶部分42。環(huán)帶部分42包括用于接納多個活塞環(huán)(未示出)的多個環(huán)槽50、52和54。具體地，環(huán)帶部分42可以包括最接近活塞頂30的第一環(huán)槽50、第二環(huán)槽52以及離活塞頂最遠的第三環(huán)槽54。第一個環(huán)槽50和第二環(huán)槽52可以具有布置在其中的壓縮環(huán)(未示出)，而第三環(huán)槽54可以具有布置在其中的潤滑油控制環(huán)(未示出)。
冷卻通道44可以位于活塞20的內(nèi)部，并且可以包括冷卻通道表面60，其中該冷卻通道表面60至少部分地由活塞頂30的內(nèi)壁62和活塞裙32的內(nèi)壁64限定。冷卻通道44還可以包括一個或多個流體流入孔70和一個或多個流體流出孔72，以促進流體通過冷卻通道44流動。然而，應(yīng)當(dāng)知道，根據(jù)特定應(yīng)用，可以存在或不存在冷卻通道44。如圖I和圖2所示，活塞裙32包括穿過具有內(nèi)表面76、78的活塞壁75、77的一對相對的銷孔74，該銷孔用于接納活塞銷(未示出)，以便將活塞20旋轉(zhuǎn)地連接至連桿(未示出)?；钊?2限定大致杯狀的內(nèi)部空間79?；钊?2還包括具有內(nèi)表面83、85和頂部86,87的一對相對的側(cè)壁82、84，該頂部86、87與頂?shù)撞糠?0成一體。頂?shù)撞糠?0形成于活塞頂30的下表面處并且呈大致杯狀。頂?shù)撞糠?0可以位于活塞20的最高部分的下面。如圖3所示，頂?shù)撞糠?0包括至少一個表面積增大區(qū)域88，在該區(qū)域中，頂?shù)撞糠?0的表面是粗糙的。表面積增大區(qū)域88的粗糙度是由多個凹口 90生成的?？梢栽诨钊?0的鑄造期間在頂?shù)撞糠?0中形成凹口 90，然而與僅僅由于實施鑄造而帶來某種程度的粗糙度的更傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)相比，本發(fā)明是有意識地增加粗糙度。更具體地，凹口 90可以延伸至低于頂?shù)撞糠?0表面約O. Imm至I. Omm的范圍內(nèi)的深度。在某些情況下，可能希望獲得更嚴(yán)格的公差。這樣，每個凹口 90均增加了頂?shù)撞糠?0的表面積。如此，凹口 90在頂?shù)撞糠?0中形成表面積增大區(qū)域88。在一些示例性方案中，這些區(qū)域是相鄰的，并且在其它方案中，這些區(qū)域僅位于有必要更有效地散熱的位置處。頂?shù)撞糠?0的表面積增大區(qū)域88改善了活塞20的散熱，這是由于較大的表面積允許散發(fā)更多的熱量。由于活塞20在工作期間反復(fù)受到嚴(yán)重的熱應(yīng)力和溫度，因此對活塞20的散熱的這些改善可以提高活塞20的性能。由于頂?shù)撞糠?0位于活塞20的最高部分(該部分也是在活塞20的工作期間活塞20的最熱區(qū)域)的下面，因此在頂?shù)撞糠?0中形成至少一個表面積增大區(qū)域88通常是有效的。因此，在頂?shù)撞糠?0中形成的至少一個表面積增大區(qū)域88潛在地對活塞20的散熱具有最大影響。增大表面積增大區(qū)域88的尺寸也會增加能夠由活塞20散發(fā)的熱量。表面積增大區(qū)域88可以占據(jù)活塞20的頂?shù)撞糠?0的任何部分。優(yōu)選地，表面積增大區(qū)域88占據(jù)頂?shù)撞糠?0的表面上如鑄造技術(shù)所允許那樣大的面積。另外，如圖2所示，表面積增大區(qū)域88可以延伸到頂?shù)撞糠?0之外和延伸到活塞20內(nèi)部的其它表面(包括活塞裙32的側(cè)壁82、84的內(nèi)表面83、85中的一個或兩個內(nèi)表面)上。如上所述，可以在活塞20的鑄造期間在頂?shù)撞糠?0中形成表面積增大區(qū)域88。活塞20也可以通過傳統(tǒng)的鑄造方法(諸如但不限于砂型鑄造、消失模鑄造、熔模鑄造或壓鑄法等)形成?？梢愿淖冞@些鑄造方法以增加凹口 90的數(shù)量和深度。僅作為示例，可以通過在包括第一上模具部件(上型箱，未示出)和第二模具部件(下型箱，未示出)的模具中實施壓鑄法來形成活塞20。如圖4所示，這些模具部件可以包括多個型芯或鑄造工具92，這些型芯或鑄造工具92用于形成活塞20的近凈形狀和表面積增大區(qū)域88。鑄造工具92包括彎曲上部94，該彎曲上部94用于在鑄造過程中形成頂?shù)撞糠?0和由活塞裙32限定的大致杯狀的內(nèi)部空間79。鑄造工具92的彎曲上部94的外表面可以包括表面粗糙器96。如圖4所示，表面粗糙器96包括多個鑄造凹口 90，這些鑄造凹口 90形成在鑄造工具92的彎曲上部94中。 可以通過任何合適的方法在鑄造工具92中刻出這些鑄造凹口 90，這些方法包括但不限于電火花腐蝕或磨削。通過在鑄造過程中對應(yīng)于多個鑄造凹口 90在活塞20的頂?shù)撞糠?0上形成凹口 90，這些鑄造凹口 90在活塞20的頂?shù)撞糠?0上生成具有峰和谷的粗糙表面(如圖3中所示)。頂?shù)撞糠?0上的這些凹口 90形成了表面積增大區(qū)域88。由于刻在鑄造工具92中的鑄造凹口 90可以具有可變深度，因此在頂?shù)撞糠?0上形成的凹口 90可以具有相應(yīng)的可變深度。這樣，如圖3所示，可以在頂?shù)撞糠?0上的表面積增大區(qū)域88中形成具有可變深度的凹口 90的圖案。在頂?shù)撞糠?0中形成的表面積增大區(qū)域88的尺寸是由鑄造工具92中刻有鑄造凹口 90的彎曲上部94的表面積大小來確定的。在鑄造工具92中形成有鑄造凹口 90的彎曲上部94的表面積越大，在鑄造過程中形成在活塞20中的表面積增大區(qū)域88的尺寸就越大。事實上，增大鑄造工具92中刻有鑄造凹口 90的彎曲上部94的表面積可以將表面積增大區(qū)域88 (圖2和圖3中所示)形成在除了頂?shù)撞糠?0以外的其它表面(包括活塞裙32的側(cè)壁82,84的內(nèi)表面83,85)上。另外，如圖5所示和以上所述，在鑄造過程中可以在頂?shù)撞糠?0上形成多于一個的表面積增大區(qū)域88。這可以通過下述方式實現(xiàn)在如圖6所示借助于分界線99彼此分隔的獨立表面粗糙器區(qū)段97中，在鑄造工具92的彎曲上部94中刻出鑄造凹口 90。每個獨立表面粗糙器區(qū)段97都將在鑄造過程中在活塞20的頂?shù)撞糠?0中形成表面積增大區(qū)域88。現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖7，圖7示出了用于形成活塞20的工藝流程100。工藝流程100可以從步驟102開始，在步驟102，在鑄造工具92中刻出表現(xiàn)為多個鑄造凹口 90形式的表面粗糙器96。鑄造凹口 90可以刻在鑄造工具92中的允許改變的任何部分，諸如但不限于彎曲上部94。在步驟104，組裝用于鑄造活塞20的模具(包括鑄造工具92)。該模具可以包括多個鑄造工具(型芯)92并且可以以各種方式定位。僅作為示例，可以使用5件鑄造工具92，其中至少存在首先插入和移除的中間部分并且外部型芯圍繞該中間部分。應(yīng)當(dāng)知道，鑄造工具92之間的空隙限定活塞20的最終形狀。在步驟106，通過澆鑄系統(tǒng)將熔融金屬注入或澆注到圍繞鑄造工具92的空隙中以在模具中鑄造活塞20。在鑄造工藝中，在鑄造工具92的彎曲上部94中形成的表面粗糙器96在活塞20的頂?shù)撞糠?0中形成對應(yīng)的粗糙表面。該粗糙表面限定用于改善活塞20的散熱特性的至少一個表面積增大區(qū)域88。然后，在步驟108，通過首先移除中間鑄造工具接著移除外部鑄造工具92來從模具中分離鑄造工具92。然后，在步驟110，從模具中移除活塞20并進行冷卻。在從模具中移除活塞20之后，可以對活塞20進行自然冷卻或可以對活塞20進行熱處理(諸如但不限于退火、表面硬化、析出強化、回火、淬火等)。這些熱處理可以改變所使用材料的物理或化學(xué)特性，并且可以賦予活塞20特定的硬度。另外，如圖8所示，用于在頂?shù)撞糠?0中形成凹口 90的表面粗糙器96可以是施加到鑄造工具92的彎曲上部94的涂層(未示出)，諸如但不限于陶瓷或其它的耐熱涂層。當(dāng)涂層施加到活塞20的頂?shù)撞糠?0時，該涂層可以在鑄造過程中通過在頂?shù)撞糠?0上形成凹口 90來形成頂?shù)撞糠?0上的粗糙表面的至少一部分。頂?shù)撞糠?0上的這些凹口 90形成了表面積增大區(qū)域88。由于施加到鑄造工具92的涂層的特性，形成在頂?shù)撞糠?0上的凹口 90可以具有可變深度。因此，可以在表面積增大區(qū)域88中形成具有可變深度的凹口90的隨機圖案。如上所述，施加到鑄造工具92的彎曲上部94的表面粗糙器涂層(未示出)通過在頂?shù)撞糠?0上生成具有凹口 90的粗糙表面而將影響頂?shù)撞糠?0的表面特性。各種涂層 可施加到鑄造工具92上以在頂?shù)撞糠?0上生成粗糙表面，這些涂層包括但不限于粗糙的金屬涂層、陶瓷涂層和黑漿涂層等。可以通過選擇將要施加到鑄造工具92的彎曲上部94的特定涂層和施加到鑄造工具92的彎曲上部94的涂層厚度來控制凹口 90的深度。另外，可以由施加到鑄造工具92的彎曲上部94的涂層的量來確定表面積增大區(qū)域88的尺寸。施加到彎曲上部94的涂層的表面積越大，在鑄造過程中形成在頂?shù)撞糠?0上的表面積增大區(qū)域88的尺寸就越大。事實上,增大施加到彎曲上部94的涂層的表面積可以將表面積增大區(qū)域88形成在除頂?shù)撞糠?0以外的表面(包括活塞裙32的側(cè)壁82、84的內(nèi)表面83、85)上?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖9A，圖9A示出了形成在活塞20的頂?shù)撞糠?0上的表面積增大區(qū)域188的另一實例。活塞20包括示例性的表面積增大區(qū)域188，該表面積增大區(qū)域188是在活塞20的鑄造過程中由結(jié)合在活塞的頂?shù)撞糠?0的表面上的交叉影線圖案190來限定的。圖9B是(交叉影線)交叉影線圖案190的局部放大視圖。交叉影線圖案190可以包括形成在頂?shù)撞糠?0的表面上的兩組大致均勻、平行的凸起192、194。每組中的多個凸起192、194相互交叉，并在凸起192、194之間形成多個孔穴195。凸起192、194可以形成為與活塞20的水平軸線A成角度α。優(yōu)選地，凸起192、194的角度α為約45°。通過將凸起192、194設(shè)置為與水平軸線A成該角度α，以在頂?shù)撞糠?0上生成均勻的方形格柵圖案，該方形格柵圖案包括多個大致菱形的孔穴195。通過將凸起192、194設(shè)置為與水平軸線A成一定角度，以使得凸起192、194的長度比交叉影線圖案190的寬度長。凸起192、194的位于交叉影線圖案190的邊緣處的端部可以朝向頂?shù)撞糠?0的表面漸縮。相鄰的凸起192與相鄰的凸起194之間的距離可以在約O. 5mm至I. Omm的范圍內(nèi)，并且凸起192、194可以具有從頂?shù)撞糠?0的表面起在約O. 4mm至I. Omm的范圍內(nèi)的高度。在某些情況下，可能希望獲得更嚴(yán)格的公差。通過減少相鄰的凸起192、194之間的距離，使得將要形成在頂?shù)撞糠?0上的凸起192、194的數(shù)量更多。通過使得頂?shù)撞糠?0的表面上的凸起192、194的數(shù)量以及這些凸起192、194的高度和寬度最大化，以使得活塞頂?shù)撞糠?0上的表面積增大區(qū)域188的表面積最大化。根據(jù)使用環(huán)境,可能希望盡可能地增大表面積(較大的表面積允許活塞20散發(fā)更多的熱量)，同時仍然考慮到活塞銷和與之配合的活塞表面之間的承載表面的動態(tài)力和靜態(tài)力要求。
由交叉影線圖案190限定的示例性表面積增大區(qū)域188可以形成在頂?shù)撞糠?0的表面的絕大部分上。優(yōu)選地，交叉影線圖案190形成在占據(jù)頂?shù)撞糠?0的表面的最少約百分之四十(40%)的部分上。另外，如圖10所示，交叉影線圖案190可以延伸到頂?shù)撞糠?0之外并且延伸到活塞20內(nèi)部的其它表面(包括活塞裙32的側(cè)壁82、84的內(nèi)表面83、85中的一個或兩個內(nèi)表面)上，從而形成額外的表面積增大區(qū)域188，并且/或者延伸到活塞裙32的活塞壁75、77的內(nèi)表面76、78中的一個或兩個內(nèi)表面上?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖11，圖11示出了鑄造工具200的實例，該鑄造工具200用于在鑄造過程中在活塞20的頂?shù)撞糠?0的表面上形成交叉影線圖案190。另外，一旦完成鑄造，就可以進行機加工操作。不管怎樣，在鑄造時，鑄造工具200的表面粗糙器96包括形成在鑄造工具200的彎曲上部201的表面中的多個溝槽202、204。可以通過任何合適的方法在鑄造工 具200的彎曲上部201的表面中形成溝槽202、204，這些方法包括但不限于電火花腐蝕或銑削操作。通過在鑄造過程中對應(yīng)于多個溝槽202、204在頂?shù)撞糠?0的表面上形成凸起192、194，從而這些溝槽202、204在頂?shù)撞糠?0的表面上生成粗糙表面。頂?shù)撞糠?0上的這些凸起192、194形成了用于限定表面積增大區(qū)域188的交叉影線圖案190。另外，形成在頂?shù)撞糠值谋砻嫔系慕徊嬗熬€圖案可以包括形成在頂?shù)撞糠值谋砻嬷械亩鄠€大致均勻、平行的溝槽。為了在頂?shù)撞糠值谋砻嫔闲纬蛇@些溝槽，鑄造工具包括形成在其彎曲上部中的多個大致均勻、平行的凸起。已參照前述實例詳細地示出并描述了本發(fā)明，前述實例僅僅是用于實施本發(fā)明的最佳方式的示例性實例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離由所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在實施本發(fā)明時可以采用本文中所描述的實例的各種變型。其旨在由所附的權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍，并且從而涵蓋落入這些權(quán)利要求的范圍內(nèi)的方法和裝置及其等同內(nèi)容。本發(fā)明的說明書應(yīng)當(dāng)理解為包括了本文中所描述的要素的所有新穎和非顯而易見的組合，并且權(quán)利要求可以以這些要素的任何新穎和非顯而易見的組合的形式記載在該申請或以后的申請中。此外，前述實例是示例性的，單個特征或要素對在該申請或以后的申請中可以要求保護的所有可能的組合不是必需的。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機的活塞，包括 活塞頂，其具有上表面和下表面； 活塞裙，其包括一對相對的側(cè)壁，所述一對相對的側(cè)壁具有頂部和內(nèi)表面，并且所述活塞裙形成于所述活塞頂?shù)南卤砻妫灰约? 大致杯狀的頂?shù)撞糠?，其形成于所述活塞頂?shù)南卤砻娌⑶遗c所述活塞裙的所述一對相對的側(cè)壁的頂部成一體，所述頂?shù)撞糠值谋砻娴闹辽僖徊糠质谴植诘囊韵薅ㄖ辽僖粋€表面積增大區(qū)域，其中，在所述至少一個表面積增大區(qū)域中，所述頂?shù)撞糠值谋砻娴淖罡唿c與最低點之間的距離在約0. Imm至I. Omm的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的活塞，其中， 所述至少一個表面積增大區(qū)域包括形成在所述頂?shù)撞糠值谋砻嬷械亩鄠€凹口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的活塞，其中， 所述多個凹口延伸至低于所述頂?shù)撞糠值谋砻婕s0. Imm至I. Omm的范圍內(nèi)的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的活塞，其中， 所述活塞是通過鑄造工藝形成的，并且所述頂?shù)撞糠值谋砻嬷械乃龆鄠€凹口是在鑄造工藝中通過鑄造工具形成的，所述鑄造工具至少具有局部的彎曲上部，所述鑄造工具的彎曲上部形成為咬合并輔助限定所述頂?shù)撞糠植⑶野ū砻娲植谄鳌?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的活塞，其中， 所述表面粗糙器包括形成在所述鑄造工具的彎曲上部中的多個鑄造凹口。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的活塞，其中， 所述表面粗糙器包括施加到所述鑄造工具的彎曲上部的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的活塞，其中， 所述至少一個表面積增大區(qū)域還形成在至少一個所述側(cè)壁的內(nèi)表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的活塞，其中， 所述至少一個表面積增大區(qū)域包括在所述頂?shù)撞糠值谋砻嫔涎由斓亩鄠€大致平行的凸起，所述多個凸起形成交叉影線圖案。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其中， 所述頂?shù)撞糠值谋砻嫔系慕徊嬗熬€中的相鄰?fù)蛊鹚g隔開的距離在約0. 5mm至I. Omm的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其中， 所述多個凸起具有從所述頂?shù)撞糠值谋砻嫫鹪诩s0. 4mm至I. Omm的范圍內(nèi)的高度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的活塞，其中， 所述多個凸起以與所述活塞的水平軸線成角度a的方式形成在所述頂?shù)撞糠值谋砻嫔稀?br> 12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的活塞，其中， 所述角度a為約45°。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的活塞，其中， 所述至少一個表面積增大區(qū)域還形成在至少一個所述側(cè)壁的內(nèi)表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的活塞，其中， 所述活塞是通過鑄造工藝形成的，并且所述頂?shù)撞糠值谋砻嬷械乃龆鄠€凹口是在鑄造工藝中通過鑄造工具形成的，所述鑄造工具至少具有局部的彎曲上部，所述鑄造工具的彎曲上部包括表面粗糙器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的活塞，其中， 所述表面粗糙器包括形成在所述鑄造工具的彎曲上部中的多個溝槽。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的活塞，其中， 利用電火花腐蝕、磨削、銑削和鑄造中的至少一種方法來在所述鑄造工具中形成所述表面粗糙器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于內(nèi)燃機的活塞，該活塞包括活塞頂，其具有上表面和下表面；活塞裙；以及大致杯狀的頂?shù)撞糠?，其形成在所述活塞頂?shù)南卤砻嫔喜⑶遗c所述活塞裙的一對相對的側(cè)壁的頂部成一體，所述頂?shù)撞糠值谋砻娴闹辽僖徊糠质谴植诘囊韵薅ㄖ辽僖粋€表面積增大區(qū)域，其中，在所述至少一個表面積增大區(qū)域中，所述頂?shù)撞糠值谋砻娴淖罡唿c與最低點之間的距離在約0.1mm至1.0mm的范圍內(nèi)。
文檔編號F02F3/00GK102667125SQ201080053273
公開日2012年9月12日 申請日期2010年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者烏多·羅特曼, 沃爾夫?qū)べ囈? 蔡正碩, 道格拉斯·埃里奧特 申請人:馬勒國際公司