一种复合型活塞及其成型装置的制作方法

1.本发明主要涉及内燃机活塞成型技术，尤其涉及一种复合型活塞及其成型装置。


背景技术：

2.活塞是工作环境最恶劣的部件，承受来自顶部高温、交变载荷的冲击，还要承受往复运动而产生超过其自身重量数倍的惯性力，为满足不同工况、活塞材料有铝合金、铸铁、合金钢等，铝合金比重小，运动惯性小，容易制造等优势得到了广泛运用；活塞头部承受着冷热气流的冲刷及热应力与机械应力的交互作用，随着爆发压力的增加，铝合金活塞顶部高温造成过热疲劳和开裂烧损，特别是销孔上部燃烧室喉口部位交变应力引起的局部疲劳、开裂、烧损严重影响发动机的正常使用。
3.为强化铝合金活塞顶部以及燃烧室喉口承受热机交变负荷能力，对铝合金顶部进行结构强化现有技术提出了很多解决方案，主要有：顶部阳极氧化、顶部涂覆热障涂层、顶部镶铸薄壁耐热钢顶、铸钢(铁)活塞顶部等；这些方案较好的提高了活塞顶部及喉口的耐热能力，但存在着以下主要问题：一是顶部阳极氧化厚度小隔热效果有限，铝合金易开裂熔化；二是顶部涂覆热障涂层，将陶瓷涂层沉积在铝合金表面起到隔热作用，但热障涂层与铝合金热膨胀系数差异较大，热障涂层易脱落；三是铝合金本体与钢顶镶铸结合，在活塞顶部形成耐热钢结构，钢的散热能力差、钢顶温度远高于钢铝嵌合连接处温度，活塞运动过程中高温气体对钢顶的热冲击放大钢顶与铝合金本体的镶嵌结合缺陷，造成钢顶与铝合金本体的镶嵌失效，同时还降低钢顶抵抗交变负荷的能力，高温增加钢顶喉口开裂失效风险；四是铸铁活塞顶部存在铸造缺陷，顶部存在烧蚀、开裂等风险。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、防止耐高温活塞顶与活塞基体剥离、提高活塞头部及环槽部冷却效果、易于成型的复合型活塞及其成型装置。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种复合型活塞，包括轻质活塞基体和耐高温活塞顶，所述耐高温活塞顶顶部成型有燃烧室，耐高温活塞顶上于燃烧室侧部成型有环形槽，所述耐高温活塞顶与轻质活塞基体顶部相结合形成复合型活塞，耐高温活塞顶与轻质活塞基体之间形成镶嵌式的锁合固定，所述轻质活塞基体对环形槽的槽口进行封堵后形成一环形冷却油道。
7.作为上述技术方案的进一步改进：
8.所述耐高温活塞顶于燃烧室对应的底面成型多个用于轻质活塞基体材料进入的第一嵌槽。
9.所述耐高温活塞顶的侧部成型用于和轻质活塞基体顶部相结合时排气并便于轻质活塞基体材料进入的排气孔。
10.所述耐高温活塞顶侧部具有火力岸，耐高温活塞顶侧部于火力岸下方成型有侧部
环槽，所述排气孔成型在所述侧部环槽内。
11.所述耐高温活塞顶侧部具有火力岸，耐高温活塞顶侧部于火力岸下方成型有侧部环槽，所述排气孔成型在侧部环槽的下方。
12.所述耐高温活塞顶侧部具有火力岸，耐高温活塞顶侧部于火力岸下方成型有侧部环槽，所述排气孔成型在火力岸上。
13.所述环形槽内焊接有螺柱，所述螺柱伸至轻质活塞基体内形成镶嵌式的锁合固定。
14.所述环形槽内焊接有环形板，所述环形板一侧构成所述的环形冷却油道，另一侧构成便于轻质活塞基体材料进入的嵌腔，所述环形板上成型有用于轻质活塞基体材料进入的第二嵌槽。
15.一种用于成型上述复合型活塞的成型装置，包括顶模、侧模、底模和陶瓷型芯，所述侧模和底模围合形成模腔，所述耐高温活塞顶置于模腔底部并被所述底模支撑，所述陶瓷型芯置于环形槽内，所述轻质活塞基体以液态注入模腔内，所述顶模对模腔内的轻质活塞基体加压驱使耐高温活塞顶与轻质活塞基体之间形成镶嵌式的锁合固定。
16.作为上述技术方案的进一步改进：
17.所述底模包括底座、冷却支撑板和弹性顶杆，所述冷却支撑板上具有冷却通道，所述冷却支撑板安装在底座顶部并对耐高温活塞顶的燃烧室两侧形成支撑，所述弹性顶杆安装在冷却支撑板上并对燃烧室形成支撑。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.本发明复合型活塞，耐高温活塞顶上于燃烧室侧部成型有环形槽，轻质活塞基体对环形槽的槽口进行封堵后形成一环形冷却油道，环形冷却油道通入冷却润滑油对活塞喉口直接强制冷却，提高了冷却效果，能有效降低活塞喉口温度，提高耐高温活塞顶承受热负荷的能力，阻隔顶部高温向轻质活塞基体的传递，提高轻质活塞基体抵抗交变负荷的能力；环形冷却油道的冷却润滑油能降低活塞顶部温度，并减少顶部高温向活塞环槽部传递热量，有效降低环槽部的温度，提高活塞头部及环槽部冷却效果；耐高温活塞顶与轻质活塞基体之间形成镶嵌式的锁合固定，形成良好的机械嵌合，消除了耐高温活塞顶与轻质活塞基体的剥离风险；环形冷却油道完全成型在耐高温活塞顶上，降低了轻质活塞基体的成型难度，简化了整体成型工艺；耐高温活塞顶的内外表面制备热障涂层，可以减少燃烧室高温向轻质活塞基体的传递，提高活塞承受交变负荷的能力，减少热流失，提高热效率。本发明的复合型活塞的成型装置，其结构简单可靠。
附图说明
20.图1是本发明活塞实施例1的结构示意图。
21.图2是本发明活塞实施例1中耐高温活塞顶的结构示意图。
22.图3是本发明活塞实施例2的结构示意图。
23.图4是本发明活塞实施例2中耐高温活塞顶的结构示意图。
24.图5是本发明活塞实施例3的结构示意图。
25.图6是本发明活塞实施例3中耐高温活塞顶与的环形板连接的结构示意图。
26.图7是本发明活塞实施例3中耐高温活塞顶的结构示意图。
27.图8是本发明活塞实施例3中环形板的结构示意图。
28.图9是本发明成型装置的结构示意图。
29.图10是本发明成型装置中冷却支撑板的结构示意图。
30.图中各标号表示：
31.1、轻质活塞基体；2、耐高温活塞顶；21、燃烧室；22、环形槽；221、嵌腔；23、第一嵌槽；24、排气孔；25、火力岸；26、侧部环槽；3、环形冷却油道；4、螺柱；5、环形板；51、第二嵌槽；6、顶模；7、侧模；8、底模；81、底座；82、冷却支撑板；821、冷却通道；83、弹性顶杆；9、陶瓷型芯。
具体实施方式
32.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
33.活塞实施例1：
34.如图1和图2所示，本发明复合型活塞的第一种实施例，包括轻质活塞基体1和耐高温活塞顶2，耐高温活塞顶2顶部成型有燃烧室21，耐高温活塞顶2上于燃烧室21侧部成型有环形槽22，耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1顶部相结合形成复合型活塞，耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1之间形成镶嵌式的锁合固定，轻质活塞基体1对环形槽22的槽口进行封堵后形成一环形冷却油道3。该结构中，耐高温活塞顶2上于燃烧室21侧部成型有环形槽22质活塞基体1对环形槽22的槽口进行封堵后形成一环形冷却油道3，环形冷却油道3通入冷却润滑油对活塞喉口直接强制冷却，提高了冷却效果，能有效降低活塞喉口温度，提高耐高温活塞顶2承受热负荷的能力，阻隔顶部高温向轻质活塞基体1的传递，提高轻质活塞基体1抵抗交变负荷的能力；环形冷却油道3的冷却润滑油能降低活塞顶部温度，并减少顶部高温向活塞环槽部传递热量，有效降低环槽部的温度，提高活塞头部及环槽部冷却效果；耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1之间形成镶嵌式的锁合固定，形成良好的机械嵌合和冶金结合，消除了耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1的剥离风险；环形冷却油道3完全成型在耐高温活塞顶2上，降低了轻质活塞基体1的成型难度，简化了整体成型工艺；耐高温活塞顶2的内外表面制备热障涂层，可以减少燃烧室21高温向轻质活塞基体1的传递，提高活塞承受交变负荷的能力，减少热流失，提高热效率。
35.本实施例中，耐高温活塞顶2于燃烧室21对应的底面成型多个用于轻质活塞基体1材料进入的第一嵌槽23。该第一嵌槽23用于轻质活塞基体1材料进入形成凹凸配合的镶嵌式的锁合固定形式，消除了耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1的剥离风险。
36.本实施例中，耐高温活塞顶2的侧部成型用于和轻质活塞基体1顶部相结合时排气并便于轻质活塞基体1材料进入的排气孔24。该结构中，排气孔24一方面利于高温金属液体的流动和排气，减少钢耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1镶嵌结合缺陷，另一方便，排气孔24也利于轻质活塞基体1材料进入，进一步提高了镶嵌结合强度，消除了耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1的剥离风险。
37.本实施例中，耐高温活塞顶2侧部具有火力岸25，耐高温活塞顶2侧部于火力岸25下方成型有侧部环槽26，排气孔24成型在侧部环槽26内。侧部环槽26与耐高温活塞顶2一体成型，耐高温活塞顶2采用粉末冶金模压成型，环槽结构利于储油和减磨、降低机油消耗。
38.活塞实施例2：
39.如图3和图4所示，本发明复合型活塞的第二种实施例，该复合型活塞与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，排气孔24成型在侧部环槽26的下方。同样一方面利于高温金属液体的流动和排气，减少钢耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1镶嵌结合缺陷，另一方便，排气孔24也利于轻质活塞基体1材料进入，进一步提高了镶嵌结合强度，消除了耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1的剥离风险。
40.本实施例中，环形槽22内焊接有螺柱4，螺柱4伸至轻质活塞基体1内形成镶嵌式的锁合固定。该结构中，一方面螺柱4伸至轻质活塞基体1内形成镶嵌式的锁合固定，连接可靠；另一方面，螺柱4设置在环形槽22内，螺柱4将环形冷却油道3分割成多段，对于气缸v形布局发动机或发动机倾斜状态工作时，处于较高位置的那段冷却油腔润滑油的填充相对不足，当润滑油往下止点流动时，冷却油腔内螺杆减少了润滑油向下流动通道的截面面积，阻挡处于较高位置的润滑油向下流动，使处于较高位置的那段冷却油腔的润滑油填充更充分，从而使处于较高位置的环形油腔获得较为充分的冷却效果。
41.活塞实施例3：
42.如图5至图8所示，本发明复合型活塞的第三种实施例，该复合型活塞与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，排气孔24成型在火力岸25上。同样一方面利于高温金属液体的流动和排气，减少钢耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1镶嵌结合缺陷，另一方便，排气孔24也利于轻质活塞基体1材料进入，进一步提高了镶嵌结合强度，消除了耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1的剥离风险。
43.本实施例中，环形槽22内焊接有环形板5，环形板5一侧构成的环形冷却油道3，另一侧构成便于轻质活塞基体1材料进入的嵌腔221，环形板5上成型有用于轻质活塞基体1材料进入的第二嵌槽51。该结构中，环形板5一侧构成的环形冷却油道3，其结构简单可靠，另一侧构成便于轻质活塞基体1材料进入的嵌腔221，更利于轻质活塞基体1的充型和镶嵌结合强度。而第二嵌槽51的设置则进一步提高了钢耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1镶嵌结合强度。
44.成型装置实施例：
45.如图9和图10所示，本发明复合型活塞的成型装置的一种实施例，包括顶模6、侧模7、底模8和陶瓷型芯9，侧模7和底模8围合形成模腔，耐高温活塞顶2置于模腔底部并被底模8支撑，陶瓷型芯9置于环形槽22内，轻质活塞基体1以液态注入模腔内，顶模6对模腔内的轻质活塞基体1加压驱使耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1之间形成镶嵌式的锁合固定。
46.该结构中，耐高温活塞顶2采用粉末冶金模压成型，耐高温活塞顶2的燃烧室21内熔铸铜合金，然后置于模腔底部并被底模8支撑，陶瓷型芯9置于环形槽22内，将液态轻质活塞基体1注入模腔内，启动顶模6对模腔内的轻质活塞基体1加压驱使耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1之间形成镶嵌式的锁合固定，最后脱模，用溶解液溶解陶瓷型芯9即可。
47.该结构还可以采用重力铸造成型，耐高温活塞顶2采用粉末冶金模压成型然后置于模腔底部并被底模8支撑，陶瓷型芯9置于环形槽22内，将液态轻质活塞基体1注入模腔内，耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1之间形成镶嵌式的锁合固定，最后脱模，用溶解液溶解陶瓷型芯9即可。
48.本实施例中，底模8包括底座81、冷却支撑板82和弹性顶杆83，冷却支撑板82上具有冷却通道821，冷却支撑板82安装在底座81顶部并对耐高温活塞顶2的燃烧室21两侧形成
支撑，弹性顶杆83安装在冷却支撑板82上并对燃烧室21形成支撑。该结构中，冷却支撑板82对耐高温活塞顶2的燃烧室21两侧形成支撑，再通过冷却通道821内冷却液的流动实现成型过程的换热降温，提高了成型效率；而弹性顶杆83对耐高温活塞顶2及燃烧室21形成定位和支撑，保证了成型过程中耐高温活塞顶2与轻质活塞基体1间的位置精度，提高了成型质量。
49.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种复合型活塞，其特征在于：包括轻质活塞基体(1)和耐高温活塞顶(2)，所述耐高温活塞顶(2)顶部成型有燃烧室(21)，耐高温活塞顶(2)上于燃烧室(21)侧部成型有环形槽(22)，所述耐高温活塞顶(2)与轻质活塞基体(1)顶部相结合形成复合型活塞，耐高温活塞顶(2)与轻质活塞基体(1)之间形成镶嵌式的锁合固定，所述轻质活塞基体(1)对环形槽(22)的槽口进行封堵后形成一环形冷却油道(3)。2.根据权利要求1所述的复合型活塞，其特征在于：所述耐高温活塞顶(2)于燃烧室(21)对应的底面成型多个用于轻质活塞基体(1)材料进入的第一嵌槽(23)。3.根据权利要求2所述的复合型活塞，其特征在于：所述耐高温活塞顶(2)的侧部成型用于和轻质活塞基体(1)顶部相结合时排气并便于轻质活塞基体(1)材料进入的排气孔(24)。4.根据权利要求3所述的复合型活塞，其特征在于：所述耐高温活塞顶(2)侧部具有火力岸(25)，耐高温活塞顶(2)侧部于火力岸(25)下方成型有侧部环槽(26)，所述排气孔(24)成型在所述侧部环槽(26)内。5.根据权利要求3所述的复合型活塞，其特征在于：所述耐高温活塞顶(2)侧部具有火力岸(25)，耐高温活塞顶(2)侧部于火力岸(25)下方成型有侧部环槽(26)，所述排气孔(24)成型在侧部环槽(26)的下方。6.根据权利要求3所述的复合型活塞，其特征在于：所述耐高温活塞顶(2)侧部具有火力岸(25)，耐高温活塞顶(2)侧部于火力岸(25)下方成型有侧部环槽(26)，所述排气孔(24)成型在火力岸(25)上。7.根据权利要求5所述的复合型活塞，其特征在于：所述环形槽(22)内焊接有螺柱(4)，所述螺柱(4)伸至轻质活塞基体(1)内形成镶嵌式的锁合固定。8.根据权利要求6所述的复合型活塞，其特征在于：所述环形槽(22)内焊接有环形板(5)，所述环形板(5)一侧构成所述的环形冷却油道(3)，另一侧构成便于轻质活塞基体(1)材料进入的嵌腔(221)，所述环形板(5)上成型有用于轻质活塞基体(1)材料进入的第二嵌槽(51)。9.一种用于成型权利要求1至7中任一项所述复合型活塞的成型装置，其特征在于：包括顶模(6)、侧模(7)、底模(8)和陶瓷型芯(9)，所述侧模(7)和底模(8)围合形成模腔，所述耐高温活塞顶(2)置于模腔底部并被所述底模(8)支撑，所述陶瓷型芯(9)置于环形槽(22)内，所述轻质活塞基体(1)以液态注入模腔内，所述顶模(6)对模腔内的轻质活塞基体(1)加压驱使耐高温活塞顶(2)与轻质活塞基体(1)之间形成镶嵌式的锁合固定。10.根据权利要求9所述的复合型活塞的成型装置，其特征在于：所述底模(8)包括底座(81)、冷却支撑板(82)和弹性顶杆(83)，所述冷却支撑板(82)上具有冷却通道(821)，所述冷却支撑板(82)安装在底座(81)顶部并对耐高温活塞顶(2)的燃烧室(21)两侧形成支撑，所述弹性顶杆(83)安装在冷却支撑板(82)上并对燃烧室(21)形成支撑。

技术总结
本发明公开了一种复合型活塞及其成型装置，活塞包括轻质活塞基体和耐高温活塞顶，耐高温活塞顶顶部成型有燃烧室和环形槽，耐高温活塞顶与轻质活塞基体顶部相结合形成复合型活塞，耐高温活塞顶与轻质活塞基体之间形成镶嵌式的锁合固定，轻质活塞基体对环形槽的槽口进行封堵后形成环形冷却油道。装置包括顶模、侧模、底模和陶瓷型芯，侧模和底模围合形成模腔，耐高温活塞顶置于模腔底部并被底模支撑，陶瓷型芯置于环形槽内，轻质活塞基体以液态注入模腔内，顶模对模腔内的轻质活塞基体加压驱使耐高温活塞顶与轻质活塞基体之间形成镶嵌式的锁合固定。具有结构简单可靠、防止耐高温活塞顶与活塞基体剥离、易于成型等优点。易于成型等优点。易于成型等优点。


技术研发人员：彭丽平 强哲菲
受保护的技术使用者：佛山亦虎同质汽车零部件有限公司
技术研发日：2021.11.17
技术公布日：2023/5/18