以附加机加工制造的燃烧碗边缘和内冷油腔为特色的单体活塞制造技术

提供了一种用降低的成本制造的、能够承受内燃机燃烧室的高温和极端条件的活塞。制造所述活塞的方法包括由经济的第一材料，诸如钢、铸铁或铝等，铸造或锻造活塞的作为单体的主要部分，所述主要部分带有开放的内冷油腔。所述方法还包括通过附加的机加工过程由第二材料形成一部分燃烧碗表面，所述一部分燃烧碗表面是活塞的直接暴露于燃烧室之中的一个小区域。第二材料比第一材料具有更高的导热性和更高的抗氧化、抗腐蚀以及抗油焦化特性。附加的机加工过程是有效的，并且只产生很少的废料，这进一步降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本美国实用专利申请主张2014年3月3日提交的序列号为61/947,097的美国临时专利申请和2015年3月3日提交的序列号为14/635,348的美国实用专利申请的权益，这些专利申请通过引用而整体并入本文。专利技术背景1.专利
本专利技术总体涉及用于内燃机的活塞和制造活塞的方法。2.相关技术在内燃机中使用的活塞，诸如重型柴油机活塞或轻型汽车钢活塞，在运行期间暴露于高温和严酷的条件下，特别是沿活塞的、面对燃烧室的最上部表面。暴露在燃烧室的严酷的条件下使得活塞易受氧化、腐蚀以及焦化的影响。因此，活塞典型地被设计成在最上方表面的下方带有内冷油腔。冷却油或其他的冷却流体典型地包含在内冷油腔中，用于当活塞在燃烧室下方的缸膛中来回运动时从活塞最上方表面耗散热量。也可以在活塞的燃烧碗下方喷射冷却油来散热。活塞优选由能够承受燃烧室的高温和严酷条件的材料制成。例如，具有高导热性、抗热氧化性能、超常的热学特性和抗腐蚀及油焦化性能的材料是优选的。不幸地，这样的材料典型地是昂贵的，因此常常是不实际的或不经济的选项。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了一种更实际且经济的、制造能够承受燃烧室的极端温度和条件的活塞的方法。所述方法包括由第一材料形成冠状部分和裙状部分，以及通过附加的机加工过程由第二材料形成沿冠状部分的至少一部分燃烧表面。附加的机加工过程是有效的，并且只产生很少的废料，这缩短了生产时间和降低成本。另外，直接暴露在燃烧室的极端条件下、因此更易于受到腐蚀和油焦化影响的燃烧表面，可以由高性能金属形成，诸如由不锈钢、镍基合金、或镍-铬基合金等形成，而远离燃烧室的冠状部分和裙状部分的主要部分则可以由更经济的金属制成。本专利技术的另一方面提供了一种以更低成本制造的、能够承受燃烧室的高温和严酷条件的活塞。所述活塞包括冠状部分、裙状部分和沿所述冠状部分布置的燃烧表面。冠状部分和裙状部分由第一材料形成，而至少一部分燃烧表面通过附加的机加工过程由第二材料形成。所述活塞还包括由沿第一材料的第一边缘和沿第二材料的第二边缘所限定的热影响区，其中第一边缘的形状遵循第二边缘的形状。热影响区的形状指示所述附加的机加工过程被用来形成燃烧表面。附图简要说明本专利技术的其它优点将变得更容易理解，当结合附图考虑时，因为通过参考以下的详细说明，将更好地理解本专利技术，在附图中：图1是按照一示例性实施例的活塞的侧视截面图，显示在内冷油腔上方的燃烧室和通过附加的机加工过程形成的燃烧碗边缘；图2是图1的活塞在附加的机加工过程之后的侧视截面图；以及图3是按照另一个示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中燃烧表面的一部分通过附加的机加工过程形成。具体实施方式本专利技术的一个方面提供了一种经济的、以降低的生产成本和复杂性来制造活塞20的方法，所述活塞20用在内燃机中，能够承受燃烧室的高温和严酷条件。所述方法始于由第一材料形成作为单件体的、包括冠状部分22和裙状部分24在内的活塞20的主要部分。第一材料典型地是经济的金属材料，诸如钢、铸铁、铸铁合金、铝或铝合金。第一材料可包括单种成分，或不同金属成分的混合物。铸造或锻造工艺优选被用来由第一材料形成活塞20的主要部分。活塞20可包括各种不同的设计和几何形状，其取决于活塞类型和/或该活塞被设计用于的引擎。在图1-3显示的示例性实施例中，活塞20被称为轻型汽车(LVD)活塞，包括冠状部分22和裙状部分24在内的活塞20主要部分由钢制成。在这种情形下，铸造和锻造步骤包括形成冠状部分22，其包括燃烧碗26和开放的内冷油腔28。如图1所示，燃烧碗26包括在中心轴A上的顶点，并且从中心轴A向外延伸到自由上端30。内冷油腔底壁32从燃烧碗26的底部向外延伸，带有环形槽36的外部肋34从底壁32向上延伸，以形成围绕中心轴A的开放的内冷油腔28。铸造和锻造步骤还包括围绕中心轴A由第一材料形成裙状部分24。裙状部分24从外部肋34向下延伸到下端38。裙状部分24还包括彼此相对布置的一对活塞销壳40，每个活塞销壳40限定用于接纳活塞销(未示出)的销孔42。方法接着包括通过附加的机加工过程由第二材料形成至少一部分燃烧表面44。图1显示沿上部冠状部分22形成的燃烧表面44，具体在燃烧碗26的上端30与外部肋34之间，用以闭合开放的内冷油腔28。用于通过附加的机加工过程形成燃烧表面44的第二材料不同于第一材料。第二材料被置于更容易受到热氧化、腐蚀和油焦化影响的位置。因此，第二材料的成分被选择成比第一材料具有更高的导热性、更高的抗腐蚀性、更高的抗油焦化特性和更高的抗氧化特性中的至少一种特性。例如，第二材料可以从不锈钢、镍基合金和镍-铬基合金中选择。镍基合金的例子在市场上以的名称销售，镍-铬基合金的例子在市场上以的名称销售。因此，当暴露于燃烧室的高温和极端条件下时，第二材料的性能优于第一材料。第一材料和第二材料的氧化性能可以通过热重量分析(TGA)来确定。TGA测试将确定材料的临界氧化温度。优选高性能的第二材料的临界氧化温度高于在内燃机中运行期间活塞20上端30的预期表面温度。典型地，第二材料比第一材料更昂贵，但是只有很少量的第二材料被用于需要高性能的区域内，因此，与全部用高性能材料形成的活塞相比，生产成本得以降低。典型地，少于活塞20体积的30％由第二材料形成。附加的机加工过程还降低了生产成本，因为它是有效的，不浪费很多更昂贵的第二材料。可以使用任何类型的机加工过程，也称为3D打印。示例性的附加机加工过程包括等离子转移弧(PTA)、高速氧燃料喷射(HVOF)、激光熔覆、激光烧结、电弧焊和附加焊(additive welding)。图1是高速氧燃料喷射过程的一般性说明图。附加的机加工过程典型地包括沿燃烧碗26的上端30或沿外部肋34熔化第一材料；在熔化第一材料的同时熔化第二材料；以及将多层熔化的第二材料沉积在熔化的第一材料上。在图1和2显示的示例性实施例中，附加的机加工过程被用来形成从外部肋34向内延伸且包括燃烧碗26边缘的燃烧表面44。在这个实施例中，外部肋34和燃烧碗26的其余部分由经济的第一材料制成。在图3显示的另一个实施例中，附加的机加工过程被用来由第二材料形成燃烧表面44的、位于外部肋34与燃烧碗26边缘之间的部分，而外部肋34、边缘，以及燃烧碗26的其余部分由第一材料形成。在示例性实施例中，将多层熔化的第二材料沉积在熔化的第一材料上的步骤通过使用自由成型技术实施。替换地，代替自由成型技术或在自由成型制造技术以外，可以采用核上制造技术(fabrication on core technique)。在这种技术中，核芯材料被布置在外部肋34和燃烧碗26之间的活塞20上，或在燃烧碗26的边缘上。核芯材料具有模仿想要的内冷油腔28的几何形状，并且可以通过以下技术中的任一种来构建：砂芯、石英陶瓷芯或盐芯技术。高性能的第二材料然后被直接沉积在所添加的核芯材料上，并且经由多层而形成燃烧表面44，通过冶金结合到活塞外部肋34和燃烧碗26，或结合到燃烧碗26的边缘，因此形成密封的内冷油腔28。在附加的机加工过程之后，经材料从属处理，诸如冲刷、落砂或化学淋溶处理，从活塞20中去除所安装的核芯。本专利技术的另一个方面提供了一种在内燃机中使用的、能够承受燃烧室的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造在内燃机中使用的活塞的方法，所述方法包括以下步骤：由第一材料形成冠状部分和裙状部分；以及通过附加的机加工过程由第二材料形成沿所述冠状部分的至少一部分燃烧表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.03 US 61/947,097;2015.03.02 US 14/635,3481.一种用于制造在内燃机中使用的活塞的方法，所述方法包括以下步骤：由第一材料形成冠状部分和裙状部分；以及通过附加的机加工过程由第二材料形成沿所述冠状部分的至少一部分燃烧表面。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加的机加工过程包括通过等离子转移弧将所述第二材料施加到所述第一材料上。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加的机加工过程包括通过高速氧燃料喷射将所述第二材料施加到所述第一材料上。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加的机加工过程包括通过激光熔覆或选择性激光烧结而将所述第二材料施加到所述第一材料上。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加的机加工过程包括通过电弧焊或附加焊而将所述第二材料施加到所述第一材料上。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在形成所述冠状部分之后沿所述冠状部分的区域熔化所述第一材料；所述附加的机加工过程包括熔化所述第二材料并把熔化的第二材料施加到熔化的第一材料上。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述附加的机加工过程包括把多层熔化的第二材料施加到熔化的第一材料上。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二材料比所述第一材料具有更高的导热性、更高的抗腐蚀性、更高的抗油焦化特性、更高的强度和更高的抗氧化性中的至少一项。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二材料从不锈钢、镍基合金、和镍-铬基合金中选择；所述第一材料从钢、铸铁、铸铁合金、铝和铝合金中选择。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成冠状部分和裙状部分的步骤包括通过铸造或锻造形成作为单体的冠状部分和裙状部分。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述铸造或锻造步骤包括形成冠状部分，其包括从中心轴向外延伸到上端的燃烧碗、从所述燃烧碗的底部向外延伸的内冷油腔底壁，以及从所述内冷油腔底壁向上延伸的外部肋，以限定围绕所述中心轴的开放的内冷油腔；所述铸造或锻造步骤包括形成从所述外部肋延伸到下端并且围绕所述中心轴的裙状部分。12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述附加的机加工过程包括形成位于所述燃烧碗的上端与所述外部肋之间的燃烧表面，以闭合所述开放的内冷油腔。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述通过附加的机加工过程由第二材料形成燃烧表面的步骤包括在燃烧碗的上端形成燃烧碗的边缘。14.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·埃弗斯，S·肯宁利，W·克罗默，
申请(专利权)人：费德罗莫格尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US