发动机活塞毛坯及其加工方法与流程

本发明涉及发动机制造领域，特别是涉及一种发动机活塞毛坯。此外，本发明还涉及一种发动机活塞毛坯的加工方法。

背景技术：

目前，发动机活塞普遍采用下抽芯金属型重力铸造工艺，其优点就是顺应了活塞裙部薄头部厚大的特点，能较好地实现活塞毛坯铸造过程中自下而上的顺序凝固，有利于预防活塞头部缩松及气孔缺陷的产生，较好地保障产品的铸造质量。但其缺点是活塞头部的厚大部分相对于裙部等其它较薄的区域而言，最后凝固，凝固时间长，晶粒长大充分，造成该区域材料组织粗大，特别是燃烧室喉口部位材料组织粗大，随着燃爆压力的不断提高，对活塞头部燃烧室喉口部位材料的高温疲劳性能的要求更高，造成喉口疲劳裂纹、头部开裂等失效的情形时有发生。

目前，活塞毛坯普遍采用传统的顶冒口侧浇口下抽芯金属型重力铸造，冒口直接设置于毛坯头部的顶面，燃烧室及喉口需要通过机械加工的方式完全加工出来，加工余量较大、耗时较长。由于机械加工出来的燃烧室喉口正处于冒口下方的厚大部位，材料组织粗大，疲劳强度较低，潜在开裂失效风险较大。

因此，如何提供一种能够避免喉口疲劳裂纹及头部开裂等失效情况的发动机毛坯活塞是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种发动机活塞毛坯，通过设置环形槽，有效避免喉口疲劳裂纹及头部开裂等失效情况，节省材料，提高活塞成品质量。本发明的另一目的是提供一种上述发动机活塞毛坯的加工方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发动机活塞毛坯，包括裙部和头部，所述头部的顶面设置有冒口，所述头部的顶面设置有围绕所述冒口的向下凹陷的环形槽，所述环形槽的底面靠近活塞成品的燃烧室底面，所述环形槽的内侧壁为所述冒口的外周侧面，所述环形槽的外侧壁为加工定位面并靠近活塞成品的喉口，所述加工定位面和所述喉口之间以及所述环形槽的底面和所述燃烧室的底面之间均设置有加工余量层。

优选地，所述加工定位面和所述冒口外周侧面均倾斜设置，所述环形槽的内侧壁和外侧壁之间的距离由底面向开口逐渐增大。

优选地，所述头部的顶面设置有围绕所述环形槽的环形斜面，所述加工定位面和所述环形斜面的交界处低于所述头部的顶面，所述环形斜面与所述喉口之间设置有所述加工余量层。

优选地，所述冒口的外周侧面与所述环形槽的底面之间设置有过渡斜面。

优选地，所述加工定位面与所述喉口凸起之间的距离为1.5至2.5毫米，所述加工定位面与中轴线的夹角为30度至45度，所述加工定位面和所述环形斜面的交界处距所述环形槽底面的距离为8至15毫米。

优选地，所述头部的外周侧面和顶面均设置有加工余量层。

本发明提供一种发动机活塞毛坯的加工方法，包括步骤：

向模具内灌注金属液，一体铸造成型裙部和头部，在所述头部的顶面形成冒口和围绕所述冒口的环形槽，所述环形槽的底面靠近活塞成品的燃烧室底面，所述环形槽的内侧壁为所述冒口的外周侧面，所述环形槽的外侧壁为加工定位面并靠近活塞成品的喉口；

冷却所述模具，并在所述模具接触所述环形槽的位置通过水冷进行局部区域金相组织细化；

以所述加工定位面为基础机械加工去除冒口及所述环形槽内的加工余量层，在所述头部顶面形成燃烧室及喉口；

机械加工去除活塞毛坯表面的加工余量层，形成活塞成品。

优选地，所述一体铸造成型裙部和头部还包括：

在所述头部的顶面形成围绕所述环形槽的环形斜面，所述加工定位面和所述环形斜面的交界处低于所述头部的顶面；

在所述冒口的外周侧面与所述环形槽的底面之间形成过渡斜面。

本发明提供一种发动机活塞毛坯，包括裙部和头部，头部的顶面设置有冒口，头部的顶面设置有围绕冒口的向下凹陷的环形槽，环形槽的底面靠近活塞成品的燃烧室底面，环形槽的内侧壁为冒口的外周侧面，环形槽的外侧壁为加工定位面并靠近活塞成品的喉口，加工定位面和喉口之间以及环形槽的底面和燃烧室的底面之间均设置有加工余量层。加工方法为向模具内灌注金属液，一体铸造成型裙部和头部，在头部的顶面形成冒口和围绕冒口的环形槽；冷却模具，并在模具接触环形槽的位置通过水冷进行局部区域金相组织细化；以加工定位面为基础机械加工去除冒口及环形槽内的加工余量层，在头部顶面形成燃烧室及喉口；机械加工去除活塞毛坯表面的加工余量层，形成活塞成品。

直接铸造出燃烧室及喉口的大致形状，细化局部区域金相组织，容易实现，效果更好且成本更低，提高其疲劳强度，实现了大幅降喉口开裂失效风险的目的，并利用成型出来的毛坯面作为后续机械加工的加工定位面，进行后续的机械加工。消除了毛坯的冗余设计，减少了燃烧室区域的加工余量，减少了机械加工刀具的磨损，材料利用率提高，材料成本降低；增加了燃烧室及喉口区域的通水冷却，铸件凝固时间缩短，活塞毛坯生产效率提高。且加工定位面不设置在冒口下方，有利于保温，冒口对头部补缩，极大地减小了头部缩松倾向，提高了活塞质量。

附图说明

图1为本发明所提供的发动机活塞毛坯的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的发动机活塞毛坯的一种具体实施方式的剖面示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种发动机活塞毛坯，通过设置环形槽，有效避免喉口疲劳裂纹及头部开裂等失效情况，节省材料，提高活塞成品质量。本发明的另一核心是提供一种上述发动机活塞毛坯的加工方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供的发动机活塞毛坯的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的发动机活塞毛坯的一种具体实施方式的剖面示意图。

本发明具体实施方式提供一种发动机活塞毛坯，包括裙部2和头部1，头部1的顶面设置有冒口3，即活塞毛坯竖直放置时，头部1位于裙部2的上方，冒口3位于头部1的上方，最终形成的活塞成品的头部顶面设置有燃烧室11及喉口12。

在头部1的顶面设置有围绕冒口3的向下凹陷的环形槽4，环形槽4具有底面、内侧壁、外侧壁和开口，环形槽4的开口向上，环形槽4的底面靠近活塞成品的燃烧室11底面，且环形槽4的底面低于头部1的顶面，环形槽4的内侧壁为冒口3的外周侧面，环形槽4的外侧壁为加工定位面41并靠近活塞成品的喉口12，加工定位面41和喉口12之间以及环形槽4的底面和燃烧室11的底面之间均设置有加工余量层。

加工方法为向模具内灌注金属液，一体铸造成型裙部2和头部1，在头部1的顶面形成冒口3和围绕冒口3的环形槽4，环形槽4的结构如上所述，即环形槽4的底面靠近活塞成品的燃烧室11底面，环形槽4的内侧壁为冒口3的外周侧面，环形槽4的外侧壁为加工定位面41并靠近活塞成品的喉口12。然后冷却模具，并在模具接触环形槽4的位置通过水冷进行局部区域金相组织细化。以加工定位面41为基础机械加工去除冒口3及环形槽4内的加工余量层，在头部1顶面形成燃烧室11及喉口12。机械加工去除活塞毛坯表面的加工余量层，形成活塞成品。

直接铸造出燃烧室11及喉口12的大致形状，由于燃烧室11及喉口12部位的材料直接与模具接触，模具采用通水冷却的方式使其快速凝固，细化局部区域金相组织，相较于全部毛坯的金相组织细化更容易实现，效果更好且成本更低，提高其疲劳强度，实现了大幅降喉口12开裂失效风险的目的，并利用成型出来的毛坯面作为后续机械加工的加工定位面41，进行后续的机械加工。消除了毛坯的冗余设计，减少了燃烧室11区域的加工余量，减少了机械加工刀具的磨损，材料利用率提高，材料成本降低；增加了燃烧室11及喉口12区域的通水冷却，铸件凝固时间缩短，活塞毛坯生产效率提高。且加工定位面41不设置在冒口3下方，有利于保温，冒口3对头部1补缩，极大地减小了头部1缩松倾向，提高了活塞质量。

具体地，为了匹配燃烧室11的形状，加工定位面41和冒口3外周侧面均倾斜设置，即均为锥形面，环形槽4的内侧壁和外侧壁之间的距离由底面向开口逐渐增大。

为了匹配喉口12的形状，头部1的顶面设置有围绕环形槽4的环形斜面42，同样是一个锥形面，环形斜面42的内环边缘为加工定位面41和环形斜面42的交界处，且低于头部1的顶面，环形斜面42的外环边缘为环形斜面42与头部1顶面的交界处，即以水平面为基准时，加工定位面41的倾斜角度相较于环形斜面42的倾斜角度更大，使环形斜面42和加工定位面41的形状与燃烧室11及喉口12的大致形状匹配，环形斜面42与喉口12之间同样设置有加工余量层。

进一步地，在冒口3的外周侧面与环形槽4的底面之间设置有过渡斜面43。加工方法为在一体铸造成型裙部2和头部1的工程中，同时在头部1的顶面形成围绕环形槽4的环形斜面42，加工定位面41和环形斜面42的交界处低于头部1的顶面，并在冒口3的外周侧面与环形槽4的底面之间形成过渡斜面43。

在本发明具体实施方式提供的发动机活塞毛坯的基础上，加工定位面41与喉口12凸起之间的加工余量d的距离为1.5至2.5毫米，冒口3的大小根据燃烧室11顶部的形状和与顶面的距离进行设计，确保燃烧室11尖端没有缩松缺陷，加工定位面41与中轴线的夹角a为30度至45度，加工定位面41和环形斜面42的交界处距环形槽4底面的距离h为8至15毫米，根据冒口3的尺寸，采用更深的设计为宜，以便更多的减少燃烧室11的加工余量。也可根据情况调整各位置的尺寸的形状，均在本发明的保护范围之内。

在上述各具体实施方式提供的发动机活塞毛坯的基础上，需要在头部1的外周侧面和顶面以及裙部2各面均设置有加工余量层。

以上对本发明所提供的发动机毛坯活塞及其加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。