專利名稱：活塞組件多級形成處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于制造活塞的多級形成處理。
背景技術：
活塞，尤其活塞頂，典型地通過鑄造或鍛造來制造。與鑄造的活塞頂相比時，鍛造的活塞頂具有不同的材料特性。例如，鍛造的活塞頂往往比鑄造的活塞頂具有更大的材料密度，至少在一些應用中更希望制造鍛造的活塞頂而非鑄造的活塞頂。然而，與采用鑄造操作相比，鍛造活塞頂可能更費時，并且制造成本更高。在一種鍛造處理中，將坯段放在沖壓機中，并且由模具以單沖程的方式鍛造成近似活塞頂的形狀。在鍛造之后，可以對活塞頂進行機械加工以形成諸如冷卻通道、環(huán)形槽和排出通道等特征，然后精加工至最終尺寸。在另一種鍛造處理中，將坯段放置在沖壓機中，并且使用同一模具通過在坯段上施加多個沖程來形成最終形狀。然而，最終形狀可能制造得不夠精確，進而還需要對活塞頂進行大范圍的機械加工。機械加工可能是勞動密集型處理，從而可能增加成本。由于機械加工較費時，因此也很難大量地生產鍛造的活塞頂。最后，機械加工導致材料浪費。制造近終形部件將減小為獲得活塞頂的最終尺寸所需的機械加工量。因此，需要提供一種利用鍛造處理來生產近終形活塞頂并且然后利用活塞頂來完成活塞組件的方法。


圖1是包含連接在一起的活塞頂和活塞裙的活塞組件的局部剖視圖；圖2A是示例性坯段的示意圖；圖2B是圖2A中的坯段在第一臺中被鐓粗的示意圖；圖2C是坯段在第二臺中被預形成活塞頂的中間構造的示意圖；圖2D是活塞頂的中間構造在第三臺中被形成為活塞頂的最終構造的示意圖；圖2E是活塞頂的最終構造在第四臺中被精密鍛造成近終形活塞頂的示意圖；以及圖3是示例性活塞組件形成處理的處理流程。
具體實施例方式下面，參考以下討論和附圖來詳細說明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的示例性方案。盡管附圖表示一些可能的方案，但附圖不一定成比例，某些特征可能被放大、移除，或者局部剖開以便更好地說明并解釋本發(fā)明。此外，文中所作的說明并非窮舉，也并非將權利要求書限制為附圖所示的及以下詳細說明中所公開的確切形式和構造。此外，以下討論中可能引入了很多常量。在一些情況下，提供常量的示例性值。在其它情況下，未給出具體值。常量的值取決于相關硬件的特性和這些特性彼此之間的相互關系，以及與所公開系統(tǒng)相關的環(huán)境條件和操作條件。圖1示出了包含活塞頂30和活塞裙32的示例性活塞組件20?；钊M件20包括固定地連接至活塞裙的活塞頂30。在圖1的示例中，活塞頂30和活塞裙通過摩擦焊接56 連接在一起，然而也可以使用諸如電子束焊接、激光焊接或利用一個或多個螺栓或螺釘進行機械固定等其它形式的連接處理。活塞頂30包括燃燒凹腔40、條環(huán)部42和冷卻通道44。 條環(huán)部42包括用于容納活塞環(huán)(未示出)的多個環(huán)形槽。具體而言，條環(huán)部42可以包括第一環(huán)形槽50、第二環(huán)形槽52、和第三環(huán)形槽M，其中第三環(huán)形槽容納油控制環(huán)。冷卻通道44可以位于活塞組件20內，并且可以包括冷卻通道表面60，其中冷卻通道表面至少部分由活塞頂30的內壁62和活塞裙32的內壁64限定。冷卻通道44還可以包括一個或多個進液孔70和一個或多個排液孔72。在一個示例性示例中，活塞頂30和活塞裙32可以由不同的材料構造。例如，活塞頂30可以由與活塞裙32不同等級的鋼材料構造。更具體而言，較之活塞裙32，用于活塞頂 30的鋼可以具有不同的機械性能，諸如屈服點、抗拉強度或缺口韌性?；钊?0還具有外徑D，其中最終直徑D通常小于約200mm(大約7. 87英寸)。這是因為，以下更詳細討論的用于制造活塞頂30的多級鍛造處理可以在活塞頂30上施加大小有限的力或能量。因此， 可以限制由圖2A至圖2E所示處理制造的活塞頂30的直徑D的尺寸?；钊?0可以通過利用至少兩個不同的形成臺的多級鍛造處理來制造，這大致在圖2A至圖2E中以示例性方式示出。多級鍛造處理制造近終形活塞頂530。近終形活塞頂530可以固定地連接至活塞裙32，然后進行精加工，從而形成圖1所示的活塞組件20。在一個示例性示例中，可以通過單個機器在自動熱鍛處理中來執(zhí)行多級鍛造處理。雖然示出了三個臺，但根據活塞頂的性質可以是比三個臺更少或更多的臺。此外， 雖然臺表示分開的熱鍛操作，但臺可以是整個形成機構組件的一部分。在多級鍛造處理的另一個示例中，坯段130也可以加熱至溫鍛溫度。作為選擇，坯段130也可以冷鍛，從而在形成之前不需要加熱金屬合金?？梢蕴峁┤鐖D2A所示的活塞頂坯段130，其中活塞頂坯段130具有長度L和橫截面寬度C。坯段130可以通過將棒料送入形成機構組件并且將棒料剪切至長度L來形成。 在一個示例中，可以利用從棒料上切割下坯段的切割機來進行剪切。如果使用熱鍛處理，則先于形成坯段130，可以在將棒料剪切至長度L之前將棒料加熱至預定的鍛造溫度。作為選擇，坯段130自身可以在低溫剪切之后加熱至期望的鍛造溫度。在兩種情形下，熱鍛溫度典型地為比指定金屬的再結晶溫度高的溫度。例如，一種鋼基金屬合金可以具有約1095°C至約1150°C的熱鍛溫度(2003 °F至約2102 0F )。然而，也可以使用諸如鋁合金等其它類型的金屬合金?？梢詫⑴鞫?30從剪切臺運送至圖2B所示的第一臺。在一個示例中，剪切臺和第一臺是同一形成機構組件的一部分。在第一臺上，坯段130形成為使長度L大致減小至第二長度L’，并且橫截面寬度C大致減小至第二橫截面寬度C’，從而形成坯段230。更具體而言，坯段230可以通過鐓粗坯段130，將長度L大致減小至第二長度L’，并且將橫截面寬度C大致減小至第二橫截面寬度C’來鍛造。在圖2B所示的一種方案中，第一形成臺包括具有密封線294的一組閉合的第一模具四0。尤其與由開式模具制造的坯段相比時，在閉合的第一模具四0內鐓粗坯段230，可以改善最終活塞頂30的材料分布和同心度。然而，也可以使用開式模具。參考圖2C，坯段230在第二形成臺上預形成活塞頂330的中間構造。也就是，活塞頂330具有最終近終形活塞頂530的初步形狀。更具體而言，坯段230可以預形成活塞頂330的中間構造?；钊?30具有最終近終形活塞頂530(圖2E中所示)的初步形狀。 預形成活塞頂330包括在后續(xù)鍛造操作之前將活塞頂330成型為預定尺寸和輪廓，并且可以包括諸如壓平或修邊等操作。在圖2C的示例中，可將活塞頂330進一步從第二橫截面寬度C’壓平至第三橫截面寬度C”，并且第二長度L’可以進一步減小至第三長度L”。另外， 還可以在預形成階段形成邊緣392。活塞頂330的預形成可以通過具有密封線394的一組閉合的第二模具390來形成。類似于圖2B，第二臺也可以包括開式模具，然而與使用開式模具相比，使用閉合模具能夠使最終活塞頂530更接近近終形。在圖2B和圖2C的示例中，第一模具290可以是與第二模具390分離的部件。換句話說，坯段130從第一臺移動至第二臺。下面，參考圖2D，活塞頂330的中間構造在第三形成臺上形成為如活塞頂430表示的大致最終形狀。第三形成臺可以再次使用具有密封線494的一組閉合的第三模具490，但在一些情形下也可以使用開式模具?；钊?30的形成可以包括鍛造活塞頂430的幾個不同特征，諸如燃燒凹腔440和冷卻通道456。活塞頂430的大致最終形狀還可以具有預定的材料體積，如預定體積V所示。在活塞頂430的一個示例性示例中，冷卻通道456可以通過壓印(coining)操作來形成。在一個示例中，可以在活塞頂430仍被加熱至接近熱鍛溫度的同時來執(zhí)行壓印操作。壓印操作還可以在活塞頂430中與由第三形成臺的閉合的第三模具490形成的密封線 494大致平行的任一表面上執(zhí)行。圖2E示出了近終形活塞頂530，其中活塞頂430的最終形狀已經精密熱鍛成近終形活塞頂530。精密鍛造處理可以用來產生比典型鍛造處理通常所產生的公差更精確的公差。近終形活塞頂530可以具有近終形體積V’。預定體積V(圖2D中所示)近似等于近終形體積V’(圖2E中所示)。在近終形活塞頂530的一個示例中，可以包括條環(huán)部M2。具體而言，在精密鍛造處理期間可以形成條環(huán)部M2的第一環(huán)形槽550、第二環(huán)形槽552和第三環(huán)形槽554中的至少一個。在圖2E的示例中，第四臺包括再次示出為閉合模的一組第四模具590，并且可以布置成與由形成處理產生的特征大致平行。也就是，第四模具590可以與條環(huán)部M2的第一環(huán)形槽550、第二環(huán)形槽552和第三環(huán)形槽5M中的至少一個大致平行。第四模具590示出為具有密封線594，該密封線594相對于圖2B至圖2D所示的模具四0、390和490的相應密封線四4、394和494大致成直角。然后，對近終形部件530進行機械加工。接著，利用上述討論的多種已知方案中的任一種將機械加工的近終形部件530固定地連接至活塞裙32。然后，使活塞組件潛在地經歷精加工操作，以制造圖1中所示的活塞組件20。車削、銑削、磨削和珩磨是典型地用于在諸如活塞等圓柱形部件中獲取精確尺寸和表面的示例性操作，但也可以應用其它類型的精加工操作。如上所述，在圖2D和圖2E的示例中，活塞頂430的預定體積V近似等于近終形活塞頂530的近終形體積V’。這意味著，制造近終形活塞頂530時可以產生最小的材料浪費。相比之下，一些其它類型的鍛造部件可能需要進行沖孔操作，以用于形成通孔。形成通孔時會產生從鍛造部件分離的沖掉材料，其通常被視為廢料金屬。在另一個實例中，一些類型的鍛造部件可能包括需要在后續(xù)材料移除處理中移除的毛邊，這也會產生廢料金屬。因此，多級形成處理的另一個優(yōu)點是，近終形活塞頂530可以產生最少的廢料。
在圖2A至圖2E所示的多級鍛造處理的一個示例性示例中，第一形成臺、第二形成臺、第三形成臺和第四形成臺為彼此分離的部件，但均為同一形成機構組件的各個部分，所述形成機構組件可能為單個機器。在該示例中，活塞頂從一個鍛造臺自動傳送至下一個鍛造臺。具體而言，多級鍛造處理可以是通過單個機器將坯段130鍛造成近終形活塞頂530 的自動熱鍛處理。自動熱鍛處理可以執(zhí)行為，可以將被剪切來制造坯段130的棒料送入示例性自動熱鍛機的入口側。近終形活塞頂530可以在示例性自動熱鍛機的出口端取出。在該示例中，也可以加熱自動熱鍛機的形成臺中的每一個閉合模具四0、390、490和590，以保持鍛造溫度。 由于一些原因，使用制造近終形部件530的多級形成處理來制造活塞頂30是有利的。與使用多個沖程來形成最終部件的單級型腔所制造的部件相比，使用多于一個模具的多級形成處理易使部件具有更緊湊的公差范圍和改進的可再現(xiàn)性。至少一些現(xiàn)有可用的鍛造活塞頂使用單級模具來制造。這些類型的鍛造活塞頂可能需要進行大范圍的機械加工， 以制造出最終活塞頂。此外，由單級型腔制造的活塞頂通常不允許進行更復雜的形成處理， 諸如壓印操作。這意味著單級模具不能形成活塞頂的某些特征，諸如冷卻通道，這些特征可能需要機械加工。與使用不同模具的多級形成處理相比，在同一模具中使用多個沖程的單級形成還可能需要更長的循環(huán)時間。因此，與單級模具所制造的部件相比，由于縮短了循環(huán)時間，由多級形成處理制造的部件可能形成更大的體積。在一個優(yōu)選示例中，近終形活塞頂530可以通過一種自動熱鍛機即哈特貝爾 (Hatebur)式鍛造機來制造。哈特貝爾式鍛造機是將部件從一個金屬鍛造臺自動地傳送至下一個金屬鍛造臺的多級金屬加工機器。也就是，哈特貝爾式鍛造機這樣傳送部件，其不需要操作者手動地將部件從一個臺移動并放置在下一個臺上。將部件從一個臺自動地傳送至下一個臺減小了循環(huán)時間。從而，與由其它類型的鍛造處理制造的鍛造部件相比，由哈特貝爾式鍛造機制造的部件往往具有減少的循環(huán)時間。圖2A至圖2E中所示的多級形成處理將產生近終形活塞頂530。與傳統(tǒng)鍛造處理所鍛造的部件相比，近終鍛件通常鍛造成盡可能接近最終部件所需的尺寸，以使大部分表面僅需要減少的機械加工。在近終形鍛件的一個示例性實例中，近終形鍛件要求從鍛件的任一功能表面上移除大約0.76mm(0.03英寸)或更少的材料。結果，近終形部件產生更少的機械加工，以及潛在地更少的機械加工步驟，以制造最終產品。此外，與傳統(tǒng)鍛件相比時， 由于近終鍛件典型地不包括毛邊并且接近最終公差，因此近終形鍛件還減小了形成最終產品而移除的材料量。從而，與由形成最終活塞頂30的傳統(tǒng)鍛造處理所鍛造的部件相比，雖然可以執(zhí)行一些機械加工以使近終活塞頂530適于連接處理，但活塞頂只需減少的機械加工。具體參考圖3，其描述了使用近終形活塞頂530來形成活塞組件20的示例性處理 300。處理300通常從步驟302開始。在步驟302中，將坯段剪切成預定的坯段體積。接著， 處理300進入步驟304。
在步驟304中，能夠將坯段130加熱至預定鍛造溫度。例如，預定鍛造溫度可以是金屬的熱鍛溫度。此外，坯段130也可以被冷鍛，而不需要在形成之前加熱金屬合金。因此， 步驟304是可選的。接著，處理300可以進入步驟306。在步驟306中，如上述討論的使用一組第一模具290在第一臺中鐓粗坯段130，以便將長度L大致減小至第二長度L’，并且將橫截面寬度C減小至第二橫截面寬度C’。接著， 在步驟308中，使用一組第二模具390在第二臺中將坯段230加工成活塞頂330的中間構造。接著，處理300進行到步驟310。在步驟310中，活塞頂330形成為活塞頂430的大致最終形狀。在步驟312中，冷卻通道456可以通過壓印操作來形成，其中壓印操作是制造活塞頂430的最終形狀的形成處理的一部分。接著，處理300可以進行至步驟314。在步驟314中，將活塞頂430精密鍛造成近終形活塞頂530。接著，處理300可以進行至步驟316。在步驟316中，可以對近終形活塞頂530進行機械加工。也就是，可以對活塞頂進行機械加工，以使活塞頂530適于連接至活塞裙。接著，處理300可以進行至步驟318。在步驟318中，活塞頂530固定地連接至活塞裙(諸如圖1所示的活塞裙32等)， 從而形成活塞組件20。最后，在步驟320中，可以對活塞頂530和活塞裙進行精加工操作。 然后，結束處理300。盡管按示例性順序列出了處理300的方法步驟，但可以不同的順序執(zhí)行該步驟。 此外，如上所述，可以去掉一個或多個步驟，并且可以在初始階段和最后階段之間添加其它示例性鍛造步驟。參考前述示例詳細地示出并說明了本發(fā)明，其中這些示例僅為用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式。本領域的技術人員應該理解，在不脫離如所附權利要求書所限定的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，在實施本發(fā)明時可以采用文中所述公開示例的各種可選方案。所附權利要求書將限定本發(fā)明的范圍，并且權利要求書范圍內的方法、裝置及其等同內容將囊括在內。本發(fā)明的說明應該理解為包括文中所述部件的所有新穎的、非顯而易見的組合，并且在本申請或以后申請中可能出現(xiàn)對這些部件的任何新穎的、非顯而易見的組合的權利要求。此外，上述示例是說明性的，沒有一個特征或部件是本申請或以后申請中可能主張的所有可能組合所必須的。
權利要求
1.一種制造活塞頂的方法，包括提供坯段；在第一臺上鐓粗所述坯段，以大致減小所述坯段的長度，并且大致增加所述坯段的橫截面寬度；在第二臺上將所述坯段預形成活塞頂的中間構造，其中所述活塞頂具有初步形狀，并且所述第一臺和所述第二臺為分離的部件；將所述活塞頂的中間構造形成為所述活塞頂的最終形狀，所述活塞頂的最終形狀具有預定體積；以及將所述活塞頂精密形成為近終形構造，其中所述活塞頂的近終形構造具有近終形體積；以及其中所述預定體積約等于所述近終形體積。
2.根據權利要求1所述的方法，包括將棒料剪切成所述坯段。
3.根據權利要求1所述的方法，包括將所述坯段加熱至預定鍛造溫度。
4.根據權利要求1所述的方法，包括通過壓印操作在所述活塞頂中形成冷卻通道，其中所述壓印操作包含于所述最終形狀的形成過程。
5.根據權利要求1所述的方法，包括將所述活塞頂固定地連接至活塞裙。
6.根據權利要求1所述的方法，其中在至少第三臺上執(zhí)行所述中間構造的形成，并且在至少第四臺上進行所述精密形成。
7.根據權利要求6所述的方法，包括使所述活塞頂前進經過所述第一臺、第二臺、至少第三臺和至少第四臺，其中所述第一臺、第二臺、至少第三臺和至少第四臺中的每一個是單個形成機構組件的一部分。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述形成機構組件包括哈特貝爾式鍛造機。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述活塞頂的最終直徑大約小于200毫米。
10.一種制造活塞頂的方法，包括將棒料剪切成坯段；將所述坯段加熱至預定鍛造溫度；在第一臺上鐓粗所述坯段，以大致減小所述坯段的長度，并且大致增加所述坯段的橫截面寬度；在第二臺上將所述坯段預形成活塞頂的中間構造，其中所述活塞頂具有初步形狀，并且所述第一臺和所述第二臺為分離的部件；將所述活塞頂的中間構造形成為所述活塞頂的大致最終形狀，所述活塞頂的最終形狀具有預定體積；以及將所述活塞頂精密形成為近終形構造，其中所述活塞頂的近終形構造具有近終形體積；以及其中所述預定體積約等于所述近終形體積。
11.根據權利要求10所述的方法，包括通過壓印操作在所述活塞頂中形成冷卻通道， 其中所述壓印操作是形成所述大致最終形狀所包含的至少一個操作，并且是在形成所述大致最終形狀之前的操作。
12.根據權利要求10所述的方法，包括將所述活塞頂固定地連接至活塞裙。
13.根據權利要求10所述的方法，其中在至少第三臺上執(zhí)行所述中間構造的形成，并且在至少第四臺上進行所述精密形成。
14.根據權利要求13所述的方法，包括使所述活塞頂前進經過所述第一臺、第二臺、至少第三臺和至少第四臺，其中所述第一臺、第二臺、至少第三臺和至少第四臺中的每一個是單個形成機構組件的一部分。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述形成機構組件包括哈特貝爾式鍛造機。
16.根據權利要求10所述的方法，其中所述活塞頂的最終直徑大約小于200毫米。
17.一種制造活塞組件的方法，包括將棒料剪切成坯段；將所述坯段加熱至預定鍛造溫度；在第一臺上鐓粗所述坯段，以大致減小所述坯段的長度，并且大致增加所述坯段的橫截面寬度；在第二臺上將所述坯段預形成活塞頂的中間構造，其中所述活塞頂具有初步形狀，并且所述第一臺和所述第二臺為分離的部件；將所述活塞頂的中間構造形成為所述活塞頂的最終形狀，所述活塞頂的最終形狀具有預定體積；將所述活塞頂精密形成為近終形構造，其中所述活塞頂的近終形構造具有近終形體積，其中所述預定體積約等于所述近終形體積；以及將所述活塞頂固定地連接至活塞裙，以形成活塞組件。
18.根據權利要求17所述的方法，其中在至少第三臺上執(zhí)行所述中間構造的形成，并且在至少第四臺上進行所述精密形成，并且所述至少第三臺是與所述第四臺分離的部件。
19.根據權利要求18所述的方法，包括使所述活塞頂前進經過所述第一臺、第二臺、至少第三臺和至少第四臺，其中所述第一臺、第二臺、至少第三臺和至少第四臺中的每一個是單個形成機構組件的一部分。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述形成機構組件包括哈特貝爾式鍛造機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造活塞頂的方法。該方法包括以下步驟提供坯段，接著在第一臺上鐓粗坯段，以大致減小坯段的長度，并且大致增加坯段的橫截面寬度。然后，在第二臺上將坯段預形成活塞頂的中間構造，其中活塞頂具有初步形狀。第一臺和第二臺為分離的部件。將活塞頂的中間構造形成為活塞頂的最終形狀，其中最終形狀具有預定體積。接著，將活塞頂精密形成為近終形構造，其中活塞頂的近終形構造具有近終形體積。預定體積可以約等于近終形體積。
文檔編號F16J1/09GK102574252SQ201080039388
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權日2009年8月5日
發(fā)明者沃爾夫岡·O·賴因 申請人:馬勒國際公司, 馬勒工業(yè)公司