采用增材制造技術制造的活塞的制作方法
【專利說明】采用增材制造技術制造的活塞
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年4月5日提交的第61/808，976號美國申請的權益，其公開的內容通過引用合并于此。
技術領域
[0003]本發明大致涉及用于內燃機的活塞以及制造用于內燃機的活塞的方法。
【背景技術】
[0004]發動機制造商正面臨提高發動機效率和性能的日益增加的需求，包括但不限于，提高燃油經濟性，改善燃料燃燒，降低油耗以及增加排氣溫度以隨之用于加熱車輛的車廂。諸如直接噴射、增壓器和/或渦輪增壓器等先進技術正被用于實現一個或多個這些目標。這些先進技術通常的效果是增加了燃燒壓力和溫度。一些活塞制造商已經轉向制造鋼活塞本體并且為這些鋼活塞本體提供一個或多個油道以在發動機運行過程中進行冷卻。為了容許活塞更進一步地增加燃燒壓力和溫度，需要持續的提高油道的性能。
【發明內容】
[0005]本發明的一個方面提供一種制造用于內燃機的整體的活塞本體的方法。該方法包括鑄造或者鍛造活塞本體的第一部件的步驟。該方法繼而包括通過增材制造工藝制造活塞本體的第二部件的步驟。該方法然后包括將第一部件和第二部件結合至一起的步驟。
[0006]部分地通過增材制造工藝制造活塞本體相對于傳統工藝具有許多優點。例如，某些特征(比如具有特定復雜形狀的油道或者燃燒碗)無法通過傳統的制造工藝以有效的低成本制造出來。使用增材制造工藝以制造這些特征克服了這些問題。
[0007]根據本發明的另一個方面，鑄造或者鍛造的第一部件包括一對裙部以及一對銷殼，通過增材制造工藝制造的第二部件包括上燃燒表面以及至少部分封閉的油道。由此，具有上燃燒表面的第二部件由比具有裙部和銷殼的第一部件的材料更加耐氧化的材料制成，這可是特別有益的。
[0008]根據本發明的又一個方面，活塞本體的第一部件和第二部件通過焊接連接至一起，比如摩擦焊。
[0009]本發明的另一個方面提供了一種制造用于內燃機的活塞本體的不同的方法。該方法包括鑄造或者鍛造活塞本體的一部分的步驟。該方法繼而包括通過增材制造工藝熔化金屬粉末以在活塞本體的鑄造或者鍛造的部分上構建活塞本體的剩余部分的步驟。
[0010]本發明的另一個方面提供了一種用于內燃機的整塊的活塞本體。該活塞本體包括具有一對裙部和一對銷殼的第一部件以及具有冠部的第二部件，冠部具有上燃燒表面以及至少部分封閉的油道。第一部件和第二部件在接縫處連接至一起，接縫位于油道的與上燃燒表面相對的一側。
[0011]根據本發明的另一個方面，第二部件由與第一部件相比更加抗氧化的材料制造。
【附圖說明】
[0012]參閱以下詳細說明并結合附圖，本發明的這些和其它特征以及優點將更容易領會，其中:
[0013]圖1是活塞本體的典型實施例的正視圖；
[0014]圖2是圖1的活塞本體的仰視圖；
[0015]圖3是圖1的活塞本體的立體透視圖；
[0016]圖4是圖1的活塞本體的俯視圖；
[0017]圖5是圖1的活塞本體的X射線圖，并且示出了內部的冷卻通道；
[0018]圖6是立體圖，示出了通過直接金屬激光燒結操作部分形成的活塞本體的一部分;
[0019]圖7是圖1的典型的活塞本體的剖面圖；以及
[0020]圖8是示意圖，示出了通過直接金屬激光燒結操作形成的活塞本體的另一部分。
【具體實施方式】
[0021]參閱附圖，其中遍及所有附圖的相似的附圖標記標示相應部件，圖1-圖4示出了根據本發明的一個方面構造的活塞本體20。更特別地，在其成品狀態下，圖1-圖4的典型的活塞本體20是整體設計，因為其包括冠部22、一對裙部24以及一對銷殼26，它們彼此整體地連接以形成一體的活塞本體20，并且該活塞本體20部分地通過增材制造工藝形成，比如直接金屬激光燒結(DMLS，direct metal laser sintering)。典型實施例的活塞本體20配置為用于采用柴油燃料的壓縮點火內燃機中。然而，應當領會的是活塞本體可選擇地配置為用于一系列不同類型的內燃機，例如，包括火花點火或者壓縮點火的二或四沖程內燃機。
[0022]仍參閱附圖1-圖4，冠部22具有徑向面向外且大致圓柱型成型的環帶區域，該環帶區域具有多個環槽28，環槽28用于容納一個或多個活塞環(圖中未示)以抵靠內燃機的氣缸壁(圖中未示)密封活塞20。典型的活塞20的冠部22還具有上燃燒表面，其中形成有“墨西哥帽”型的燃燒碗30。應當領會的是燃燒碗30可具有任何合適的形狀或者構造，其取決于活塞本體的預設的具體應用，冠部可選擇地不具有燃燒碗。
[0023]回閱圖1-圖3，裙部24和銷殼26從冠部22下垂并且從冠部軸向向下延伸。如圖1和圖3最優所示，銷殼26具有銷孔30，銷孔30沿著銷孔軸彼此對齊以用于容納軸頭銷(也稱為活塞銷)，從而將活塞20連接至連桿(圖中未示)，最終連接至內燃機的曲柄箱(圖中未示)。
[0024]現在參閱圖7的剖面圖，活塞本體20的冠部22具有形成于其中的用于容納并承載冷卻油(或者任何其它冷卻液體)的封閉的油道32，以在內燃機運行過程中冷卻冠部22。在典型的實施例中，油道32是大致圓環或者環形的形狀并且圍繞軸三百六十度(360° )地延伸。如圖5所示，活塞本體20還具有至少一個開口 34(在典型實施例中示出為兩個開口 34)，用于在發動機運行過程中將冷卻油從一個或多個噴油孔(圖中未示)接入油道32中，并且還從油道32分流冷卻油并且將其送回內燃機的曲柄箱。油連續循環進入油道32中起到從冠部22帶走熱量的效果以冷卻冠部22并且容許其在增加的燃燒壓力和溫度下運行。
[0025]回閱圖7，根據本發明的這個方面，整體的活塞本體20由單獨構造且連接至一起的兩件制成。特別地，裙部24和銷殼26形成為一個整塊(下文統稱為“第一部件”)，其通過非增材制造工藝成型，比如鑄造或者鍛造。包括冠部22的其它塊(下文統稱為“第二部件”)通過增材制造工藝或者