製造柱塞的方法、實現該方法的工具和由此得到的柱塞的製作方法
2023-05-29 15:45:36 2
專利名稱：製造柱塞的方法、實現該方法的工具和由此得到的柱塞的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及製造柱塞或者其至少一部分的方法，其中該至少一部分包括外緣和形成在所述外緣內用於與連接杆連接的結構。本發明還涉及實現該方法的工具以及由此得到的任何柱塞。本發明特別用於為大功率內燃機製造較大尺寸的柱塞。
背景技術：
為了製造內燃機的柱塞，一般採用鋁，至少形成容納連接杆及其鉸鏈末端上的柱塞外緣。在最近幾年，鋁逐漸被高強度的金屬或合金替代，特別是被鋼替代。
柱塞通常包括兩個部分形成燃燒腔移動壁的柱塞頭部被連接杆保持在構成柱塞外緣的另一部件上，而該另一部件具有較大的空腔，該空腔罩住以叉形接頭形式安裝的橫向銷，連接杆的末端鉸接到所述銷上。該部件可通過對如鋼的金屬塊進行鍛造而得到，從而構成了其形狀和尺寸儘可能接近需要部件的坯件。在一定程度的為修整進行的車削操作後，得到該部件。
在需要形成的空腔的尺寸和複雜性方面存在著困難。在柱塞外緣的傳統結構中，連接杆的最末端鉸接在重心上，很難放置足夠金屬來形成這樣的空腔。
對於較大尺寸的柱塞，問題更嚴重了。例如，較大尺寸的鍛造外緣就要有這樣的坯件，其中在鍛造後，該坯件需要為修整而進行的大量車削加工，以致於其最終重量減少到大約一半。
因此可以看出，這樣的方法需要大量和複雜的車削加工操作，因此實施起來費用非常高。
發明內容
本發明的宗旨包括對傳統上採用的外緣的形狀進行修正，從而使鍛造操作更容易，同時使形成的鍛造形狀更接近最後的形狀，這樣減少了為修整而需要的車削加工工作量。
已知的柱塞包括一個中心立柱，在該立柱中形成有接納鉸接銷或連接杆的短軸的孔，所述連接杆本身的末端包括形成分叉部的兩個分支。例如，第2 135 429號法國專利中描述了這種結構，但該專利涉及一種具有大約60毫米(mm)直徑的小尺寸柱塞，該柱塞由鋁製造，並完全通過車削加工而形成。
通過採用特定形狀的柱塞，已經發現的是，由於不需要在中心部挖出較大空腔，因此鍛造通常變得容易，相反，在外圍形成挖空部，這樣在鍛造過程中容易放置金屬。得到的坯件於是更接近部件的最終形狀，從而相應地減小最後修整需要的加工工作量。
更具體地說，本發明涉及一種製造柱塞的方法，其特徵在於包括對所述柱塞的至少一部分的坯件進行鍛造的步驟，該鍛造步驟適合於對金屬塊碾壓出環形區，同時形成從圓形基座伸出的突起，所述突起的形狀和尺寸設計成由孔穿透，該孔接納連接杆的鉸接銷。該連接杆具有形成分叉部的兩個分支部。
優選的是，所述突起加工成具有兩個大致平直表面，該二表面相互成一個角度，從而所述突起朝所述基座擴寬。該形狀由於容易與衝頭分開而對於鍛造而言是有利的。還可以為孔提供優選的結構，該孔穿過所述突起。在這樣情況下，在柱塞頭部和垂直於該柱塞軸孔的縱向中平面之間的孔的那部分圓筒區域大於該孔其他部分的圓筒區域，這就具有了一個特徵，該特徵有利於接受傳遞到安裝在孔上連接杆鉸接銷的各種應力。
根據另外特徵，鍛造還形成兩個相對朝向的外緣部，該外緣部具有大致圓筒狀的外表面，對稱延伸並在鉸接銷(即連接杆的鉸接軸)方向的兩側上彼此相對朝向。在這兩個外緣部之間，兩個較大槽口大致垂直於鉸接銷方向延伸。
可以看出，圍繞中心突起形成的凹坑使金屬在衝模內更容易爬升，從而產生兩個外緣部和突起本身。倘若具有足夠能量，該方法可在衝壓機中實施。在這種情況下，坯件以兩次衝擊得到。還可通過更傳統錘擊方式進行。在兩種情況下，工具是相同的。
本發明還提供一種鍛造柱塞的至少一部分坯件的工具，該工具的特徵在於，它包括具有大致圓筒內壁的空心砧臺和包括露出其端面的開腔，所述開腔的形狀和尺寸設計成適於限定從圓形基座的中央伸出的突起，而該基座形成在所述空心砧臺的端壁上，如上所述，所述突起用於通過車削加工進行修整，形成適於接納連接杆的鉸接銷的孔。
本發明還提供一種柱塞，其特徵在於，它包括形成滑動外緣的至少一部分，該滑動外緣通過實施上述方法而得到，該至少一部分還包括通過對突起進行車削加工而得到的中心支柱，該突起通過鍛造而得到，所述支柱包括用於接納連接杆的鉸接銷的孔。
自然地，當沒有規定要分別製造柱塞頭和其外緣部時，本發明還用於製造作為單件的柱塞。
通過閱讀下述以單純實例的方式給出並結合附圖作出的描述，可以對本發明有更清晰的理解，本發明的其他優點也將更加顯明。
圖1為鍛造內燃機柱塞一部分的工具的立體圖，示出的衝模為局部剖面圖；圖2為在鍛造方向示出的成形坯件的立體圖；圖3為在圖2中坯件通過車削修整後，在相同方向示出的部件的立體圖；圖4為在相對方向所示沿圖3中IV-IV線截取的剖面圖；圖5為同樣在相反方向沿圖3中V-V線截取的剖面圖；圖6為以與圖5中相同剖面示出的完整柱塞的剖面圖，其中為連接杆已經組裝到其中後的狀態；以及圖7示出了其中連接杆由柱塞側向引導的變型。
具體實施例方式
圖1示出了鍛造活塞至少一部分的坯件的工具11，該至少一部分具體地說是包括滑動外緣和用於連接杆的鉸接部。圖2示出了在鍛造後的坯件15。在圖3中具體地示出了通過車削加工進行修整後的對應部件17。
該工具12包括衝頭12和空心砧臺13，該砧臺13包括大致為圓筒狀的內側壁14和圓形端壁16。通過把金屬塊18插入在內，並通過利用與砧臺配合的衝頭12使所述金屬塊變形，該坯件容納在空心砧臺內。在本例中，該金屬塊為近似圓柱塊。如上所述，該砧臺和衝頭可固定到衝床(未示出)的相應各板上。也可通過利用帶有所述衝頭的落錘進行錘擊進行鍛壓。可利用其他金屬特別是那些具有延展性的金屬來採用相同的方法。本發明不限於用鋼製造的部件。該方法甚至在用於獲得由輕質合金製造的部件時也可節約成本。除了兩個側面凹口22外，衝頭的外表面20為大致圓筒形狀，凹口22將在下面描述。為了鍛造方便，該外表面20象砧臺內壁14一樣，略微帶有錐度。
衝頭包括開腔24，該開腔24朝其與砧臺13配合的端面25敞開。該開腔的形狀和尺寸設計成適合於限定突起28，該突起28從圓形基座30的中心伸出，其中的圓形基座形成在端壁16和衝頭的所述端壁25之間的砧臺底部。在衝頭上的開腔具有兩個大致平直表面32，這兩個表面具有一個角度，從而形成的突起28朝形成在砧臺底部上基座30而擴寬。換句話說，由於空腔的形狀，突起具有兩個大致平直的、相互形成一定角度的表面33。如上所述，該突起的形狀既有利於鍛造，也有助於減少形成中心支柱34最終形狀而需要的車削加工的工作量。該突起需要通過車削加工來修整，從而具有適於接納連接杆鉸接銷39的孔36(參見圖3)。在圖6中具體示出的連接杆40一端具有形成叉結構的兩個分支42，其中這兩個分支位於從所述突起形成的中心支柱34的兩側。
換句話說，製造該柱塞的方法的特徵為包括一個鍛造步驟，該步驟對於所述柱塞至少一部分(在這種情況下，具體地說，為包括滑動外緣和用於連接到連接杆上結構的底部)而使坯件15成型(見圖2)。鍛造可在金屬塊18的大致中心區上挖出凹坑，從而使從圓形基座30中心伸出的突起容納在其中，其中圓形基座30形成在砧臺13的底部。由於基座30是要接納柱塞頭部45的部分，這樣坯件從其底端鍛造出。該柱塞頭部由傳統工藝製造，該工藝不構成本發明的一部分。然而，也可以鍛造對應於整個柱塞的坯件。
此外，鍛造操作可使兩個外緣部48形成具有大致為圓筒狀的外表面(實際上，該表面略微帶有錐度以滿足鍛造需要)，這兩個表面在鉸接銷方向兩側對稱地相互面對。術語「鉸接銷方向」用於指將來形成孔的軸線Z的方向，其中該孔將接納連接杆的鉸接銷39。為此，可以看到，該衝頭具有在其外表面凹進的兩個相對側向凹坑22，用於限定柱塞的所述兩個相面對的外緣部。
類似地，最好使連接板50保持在突起和每個外緣部內壁之間，從而容易通過鍛造形成這些外緣部。為此，槽口52延伸在每個凹坑22和要形成突起的衝頭上的所述開腔24之間。
在該實例中，也可使小圓柱54設置在突起28和每個上述外緣部的內壁之間。為此，所述開腔的內壁包括與所述圓柱對應的凹口56，這些凹口於是沿著突起立體地形成。從上述實施例中可以看出，連接板50和小圓柱54相接合。小圓柱隨後被鑽孔，以接納固定連杆，該連杆使柱塞頭部45固定到鍛造出的部件17上。
類似地，最好進行鍛造操作以在基座30相對於突起一側形成或至少開始形成開腔56。更具體地說，所述空心砧臺的端壁16包括凸起58，該凸起適於形成所述開腔，該開腔將隨後用來構成冷卻腔的一部分。該凸起從圓筒凹坑60的端壁上突出，其中該圓筒凹坑形成在砧臺端壁16的中心上。接著，通過鍛造得到的坯件包括呈現不同厚度兩個部分的圓形基座(圖2)、厚度相對較小的環形圓周部61和罩住開腔56的較大厚度的中心部62。
從圖2中可以看出，突起28的末端是圓的。換句話說，在衝頭的開腔24的端壁自身是圓的。
在該階段鍛造操作的描述中，在進行鍛造時，金屬塊18的中心部幾乎不被移除，對這種情況的便利程度是可以理解的。該金屬被基本上碾壓成圍繞正在形成突起的金屬塊環形區域，這樣形成基座30，同時使金屬在衝模內壁14和兩個側向凹坑22之間升起，從而使兩個相互朝向的外緣部48升起。相反，在這兩個外緣部之間，由於在衝頭外表面(忽略凹坑22)和衝模內表面之間沒有留有空隙，則從圖2中可以清楚地看到，坯件完全敞開。
圖3到6示出了通過機械操作在對圖2坯件變形後得到的部件17。這種機械操作非常少。對兩個外緣部48的外表面進行修整，從而使其成為精確的圓筒狀，對圓柱54進行鑽孔，如圖6所示，接著形成接納鉸接銷39及其軸承39a的孔36。這樣就能安裝連接杆40，其中連接杆的最末端呈現出兩個叉形分支部，該分支部可朝向突起引出的中心支柱34的兩個平直表面而旋轉。同樣對柱塞頭部進行車削加工。
此外，槽70形成在基座的修整部，以與柱塞頭部進行配合，從而限定了與中心冷卻腔72連通的環形冷卻腔71。槽70最好在鍛造過程中形成。油可通過連接杆和鉸接銷上的孔(沒有示出)進入，以通過孔73提供給腔72，從而通過這種方式對在連接杆末端的鉸接進行潤滑。腔56形成了腔52的一部分。油經過穿過基座形成的腔71和孔75進入。這種設計是傳統的。通過兩個連杆，由坯件製造的加工後的部件組裝成柱塞頭部。
從圖5中清楚地看到，由於通過對突起進行車削加工而得到的中心支柱34具有的特殊形狀，在柱塞頭部(圖5中沒有示出)和垂直於該柱塞軸的孔的縱向中平面P之間的孔的那部分圓筒區域78a大於該孔其他圓筒區域78b。因此，其他部分相同，在柱塞的每次衝程過程中，支柱能抑制來自連接杆的鉸接銷39的應力。切除部分80最好形成在基座旁邊的中心支柱上，從而使孔的末端更具有撓性，使其更好地順應鉸接銷的變形。
在參照圖1到6描述的實例中，中心支柱和連接杆末端正對的表面的梯形形狀需要使連接杆通過曲柄軸在側向被引導，這意味著需要在曲柄軸的臂上對引導面進行車削加工。最好採用圖7所示的設計，在該設計中，可使連接杆40a由柱塞自身引導。為此，中心支柱34的末端部分以特殊方式加工，其特殊之處在於，所述中心支柱34的傾斜表面調整到高於所述中心支柱末端一個高度h的位置，從而限定了引導連接杆的兩個平行表面82，同時兩個分支部同樣加工兩個對應的平行平直表面83。在這樣情況下，就不需要通過曲柄軸上臂的修整面來為連接杆提供側向引導。
權利要求
1.一種製造柱塞的方法，其特徵在於包括對所述柱塞的至少一部分的坯件(15)進行鍛造(11)的步驟，該鍛造步驟適合於對金屬塊(18)碾壓出環形區，同時形成從圓形基座伸出的突起，所述突起的形狀和尺寸設計成可以由孔(36)穿透，該孔接納連接杆的鉸接銷。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，所述鍛造還形成兩個外緣部(48)，各外緣部形成大致圓筒狀的外表面，各外表面在鉸接銷的兩側上彼此對稱相對布置。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述突起加工成兩個大致平直表面(33)，該表面相互成一個角度，從而所述突起朝所述基座擴寬。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，在所述突起和上述每個外緣部的內壁之間設置連接板(50)。
5.根據權利要求2到4任何一項所述的方法，其特徵在於，在所述突起和上述每個外緣部的內壁之間設置小圓柱(54)。
6.根據前面權利要求任何一項所述的方法，其特徵在於，所述鍛造操作用於在與所述突起相對的所述基座一側形成腔(56)。
7.根據前面權利要求任何一項所述的方法，其特徵在於，所述坯件以鋼塊形成。
8.用於鍛造柱塞的至少一部分坯件的工具，該工具的特徵在於，它包括具有大致圓筒內壁的空心砧臺(13)和包括露出其端面的開腔(24)，所述開腔的形狀和尺寸設計成適於限定從圓形基座(30)伸出的突起(28)，而基座形成在所述空心砧臺的端壁上，所述突起用於通過車削加工進行修整以形成適於接納連接杆的鉸接銷的孔(36)。
9.根據權利要求8的工具，其特徵在於，所述衝頭包括兩個相對的側向凹坑(22)，該凹坑用於限定在鉸接銷方向兩側延伸的兩個相對的柱塞外緣部。
10.根據權利要求8或9的工具，其特徵在於，槽口(52)在每個側向凹坑和所述腔之間延伸，從而限定兩個連接板，每個連接板在外緣部和所述突起之間延伸。
11.根據權利要求8到10任何一項的工具，其特徵在於，所述腔的內壁包括用於形成圓柱的凹口(56)。
12.根據權利要求8到11任何一項的工具，其特徵在於，所述腔包括兩個大致平直表面(32)，該二表面相互成一個角度，從而形成的所述突起朝所述基座擴寬。
13.根據權利要求8到12任何一項的工具，其特徵在於，所述空心砧臺的端壁包括凸起(58)，該凸起適於在與所述坯件突起相對的所述基座的一側形成開腔。
14.一種柱塞，其特徵在於，它包括形成滑動外緣的至少一部分，該柱塞通過採用權利要求1到7任何一項的方法而得到，該至少一部分還包括通過對突起進行車削加工而得到的中心支柱(34)，該突起通過鍛造而得到，所述支柱包括用於接納連接杆的鉸接銷的孔。
15.根據權利要求14的柱塞，其特徵在於，在柱塞頭部和垂直於該柱塞軸的孔的縱向中平面之間孔的那部分圓筒區域(78a)大於該孔其他部分的圓筒區域(78b)。
全文摘要
本發明涉及製造柱塞的方法、實現該方法的工具和由此得到的柱塞。通過對金屬塊鍛造獲得柱塞坯件。利用衝頭(12)，該金屬塊在空心砧臺(13)內被鍛造，以把所述金屬塊碾壓出環形區，同時還形成從基座中心伸出的突起，該衝頭包括用於使所述突起升起的開腔(24)。隨後對該突起進行車削加工，從而形成用於接納連接杆鉸接銷的孔。
文檔編號B21J5/12GK1539570SQ20041003721
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月22日 優先權日2003年4月23日
發明者P·布索, P 布索 申請人:S.E.M.T.皮埃爾斯蒂克公司