活塞的制备方法、活塞以及阴极工装与流程

1.本发明涉及机械装配技术领域，尤其涉及一种活塞的制备方法、活塞以及阴极工装。


背景技术：

2.活塞是汽车发动机的"心脏"，其承受交变的机械负荷和热负荷，一般是在高温条件下工作，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，另外活塞顶部还是燃烧室的组成部分。而由于活塞热负荷及机械负荷较大，一般需要在活塞上设置热障层来进行隔热处理，一方面可将更多的热量留在燃烧室内，以便做功和后处理温度的提升，另一方面可有效降低其他零部件的热负荷，延长使用寿命。
3.针对铝活塞，现有技术中，一般是在铝活塞的燃烧室表面采用等离子电解氧化的方式进行氧化，即在电解液环境下铝活塞作为阳极，电极作为阴极，然后铝材料在阴极阳极放电作用下氧化为氧化铝氧化硅等，生成的一层氧化物即为热障层。
4.然而，上述方案中，在铝活塞的燃烧室表面热负荷较高的位置处，容易出现氧化烧蚀破损等现象，从而造成大量的热量损失。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中提到的至少一个问题，本发明提供一种活塞的制备方法、活塞以及阴极工装，能够减轻或避免钢活塞的燃烧室表面热负荷较高的位置处出现氧化烧蚀破损等现象，从而避免造成大量的热量损失，在一定程度上提高了活塞的可靠性。
6.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种活塞的制备方法，所述方法包括：提供阴极工装以及铝制材料制成的活塞本体，且所述阴极工装上形成有至少一个辅助导体，所述活塞本体的上方形成腔室；
7.确定所述活塞本体的所述腔室内壁上的高热负荷区域；
8.将所述阴极工装装配到所述活塞本体上，且所述辅助导体伸入所述腔室内，且所述辅助导体与所述高热负荷区域相对，且所述高热负荷区域与所述辅助导体之间的垂直距离小于所述腔室的内壁除所述高热负荷区域之外的剩余区域与所述阴极工装之间的垂直距离；
9.将装配完成的所述阴极工装和所述活塞本体置于电解液中，并将所述阴极工装与电源的负极电连接，所述活塞本体与所述电源的正极电连接；
10.控制电解时间，通过电解反应，在所述活塞本体的所述腔室的内壁上形成不等厚的保护层。
11.在上述的活塞的制备方法中，可选的是，所述提供阴极工装，包括：提供工装本体；在所述工装本体上形成至少一个辅助导体，制得所述阴极工装。
12.在上述的活塞的制备方法中，可选的是，所述将所述阴极工装装配到所述活塞本体上，包括：将所述工装本体装配到所述活塞本体上，且所述辅助导体和所述工装本体的部
分伸入所述活塞本体的所述腔室内；
13.控制所述辅助导体与所述高热负荷区域之间的垂直距离为5
‑
8mm，控制所述腔室的内壁除所述高热负荷区域之外的剩余区域与所述阴极工装之间的垂直距离为8
‑
15mm。
14.第二方面，本发明提供一种采用上述任一所述的活塞制备方法制备的活塞，该活塞至少包括：活塞本体；所述活塞本体的上方形成腔室，所述腔室的内壁上具有保护层，且所述腔室的内壁上具有高热负荷区域，所述高热负荷区域上的所述保护层厚度大于所述内壁上除所述高热负荷区域之外的区域上的保护层的厚度。
15.在上述的活塞中，可选的是，所述高热负荷区域上的所述保护层的厚度为0.15mm
‑
0.20mm。
16.在上述的活塞中，可选的是，所述内壁除所述高热负荷区域之外的剩余区域处的所述保护层的厚度为0.08mm
‑
0.12mm。
17.在上述的活塞中，可选的是，所述活塞本体的材料为铝材料。
18.在上述的活塞中，可选的是，所述活塞还包括：喷油器，所述喷油器位于所述腔室内；所述喷油器包括喷油器本体以及与所述喷油器本体相连的燃油束，所述高热负荷区域位于所述燃油束的喷口位置处。
19.第三方面，本技术实施例还提供一种阴极工装，所述阴极工装适用于上述任一所述的活塞的制备方法中，所述阴极工装包括工装本体以及与所述工装本体相连的至少一个辅助导体。
20.在上述的阴极工装中，可选的是，所述辅助导体为多个，且所述工装本体与所述多个辅助导体为一体结构。
21.本发明提供的活塞的制备方法、活塞以及阴极工装，该活塞的制备方法包括：提供阴极工装以及铝制材料制成的活塞本体，且所述阴极工装上形成有至少一个辅助导体，所述活塞本体的上方形成腔室；确定所述活塞本体的所述腔室内壁上的高热负荷区域；将所述阴极工装装配到所述活塞本体上，且所述辅助导体伸入所述腔室内，且所述辅助导体与所述高热负荷区域相对，且所述高热负荷区域与所述辅助导体之间的垂直距离小于所述腔室的内壁除所述高热负荷区域之外的剩余区域与所述阴极工装之间的垂直距离；将装配完成的所述阴极工装和所述活塞本体置于电解液中，并将所述阴极工装与电源的负极电连接，所述活塞本体与所述电源的正极电连接；控制电解时间，通过电解反应，在所述活塞本体的所述腔室的内壁上形成不等厚的保护层。
22.通过上述设置，高热负荷区域与辅助导体之间的垂直距离小于腔室的内壁除高热负荷区域之外的剩余区域与阴极工装之间的垂直距离，这样，装配完成的阴极工装和活塞本体置于电解液中，活塞本体作为阳极，阴极工装作为阴极，阳极与阴极之间放电在腔室的内壁上形成保护层，活塞的高热负荷区域与阴极工装之间的距离较小，能够增强作为阳极的活塞与作为阴极的阴极工装之间的放电，使得高热负荷区域形成较腔室内壁上的剩余区域形成更厚的的保护层，能够减轻或避免活塞的腔室表面热负荷较高的位置处出现氧化烧蚀破损等现象，从而有效避免了因活塞本体的热负荷不均匀造成的局部散热过大的现象，在一定程度上提高了活塞的可靠性。
23.本发明的构造以及它的其他发明目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施例的描述而更加明显易懂。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的活塞中活塞的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的活塞中活塞的腔室内壁的热负荷(温度)分布示意图；
27.图3为现有技术中的活塞中活塞和阴极工装的结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的活塞中活塞和阴极工装的结构示意图；
29.图5为本发明实施例提供的活塞中活塞的腔室内壁的保护层的厚度示意图。
30.附图标记说明：
31.100
‑
活塞；
32.10
‑
活塞本体；
33.101
‑
喷油器；
34.1011
‑
喷油器本体；
35.1012
‑
燃油束；
36.1013
‑
喷口；
37.11
‑
腔室；
38.111
‑
内壁；
39.1111
‑
高热负荷区域；
40.112
‑
保护层；
41.1121
‑
第一保护层；
42.1122
‑
第二保护层；
43.l1
‑
第一垂直距离；
44.l2
‑
第二垂直距离；
45.20
‑
阴极工装；
46.201
‑
工装本体；
47.202
‑
辅助导体；
48.30
‑
间隔。
具体实施方式
49.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.由于活塞热负荷及机械负荷较大，目前通常需要在活塞上涂覆涂层来进行隔热处理，隔热一方面能够将更多的热量留在燃烧室内，以便做功和后处理温度的提升，另一方面隔热能够有效降低其他零部件的热负荷，延长使用寿命。
52.针对活塞的隔热需求，一般是在铝活塞的燃烧室表面采用阳极氧化/微弧氧化/等离子电解氧化对活塞进行保护。氧化层发挥隔热功能，也称热障涂层或功能层，其中，热障涂层的厚度一般在1mm以内，具体地，热障涂层的厚度为0.02mm
‑
0.2mm。
53.针对铝活塞，目前一般采用等离子电解氧化的方式对铝活塞的表面进行氧化，即在电解液环境下铝活塞作为阳极，电极作为阴极，铝材料在阴极阳极放电作用下氧化为氧化铝或氧化硅等，这种氧化物即为热障层，热障层的厚度与富集在活塞表层的电流密度有关，一般情况下在阴极阳极放电作用下形成的热障层厚度是均匀一致的(参见图3所示)。
54.现有技术中，阴极工装一般为平板式，但是由于活塞的形状多变且不规则(参见图3所示)，阴极工装距离活塞燃烧室内的不同位置的距离差异较大，这样会导致活塞内的热障层厚度是非均匀的。
55.另外，活塞燃烧室内的燃料是由喷油器喷射来的，喷油器一般为多孔喷射至燃烧室内，从而容易造成燃烧室内的热负荷是不均匀的(参见图2所示)。热负荷不均则会造成活塞燃烧室寿命不一致，这样容易在热负荷高的区域出现氧化烧蚀破损等现象，而且热负荷高的区域也有大量的热量散失。也就是说，现有技术中在热负荷较高位置的热障涂层的厚度不突出，无法进行有效的阻碍热量损失。
56.基于此，本技术实施例提供一种活塞的制备方法，通过高热负荷区域与辅助导体之间的垂直距离小于腔室的内壁除高热负荷区域之外的剩余区域与阴极工装之间的垂直距离，这样，装配完成的阴极工装和活塞本体置于电解液中，活塞本体作为阳极，阴极工装作为阴极，阳极与阴极之间放电在腔室的内壁上形成保护层，活塞的高热负荷区域与阴极工装之间的距离较小，能够增强作为阳极的活塞与作为阴极的阴极工装之间的放电，使得高热负荷区域形成较腔室内壁上的剩余区域形成更厚的的保护层，能够减轻或避免活塞的腔室表面热负荷较高的位置处出现氧化烧蚀破损等现象，从而有效避免了因活塞本体的热负荷不均匀造成的局部散热过大的现象，在一定程度上提高了活塞的可靠性。
57.下面结合附图，对该活塞的具体结构进行详细介绍。
58.图1为本发明实施例提供的活塞中活塞的结构示意图。图2为本发明实施例提供的活塞中活塞的腔室内壁的热负荷(温度)分布示意图。图3为现有技术中的活塞中活塞和阴极工装的结构示意图。图4为本发明实施例提供的活塞中活塞和阴极工装的结构示意图。图5为本发明实施例提供的活塞中活塞的腔室内壁的保护层的厚度示意图。
59.本发明实施例提供一种活塞的制备方法，该方法至少可以包括：
60.s101：提供阴极工装20以及铝制材料制成的活塞本体10，且阴极工装20上形成有至少一个辅助导体202，活塞本体10的上方形成腔室11。
61.需要说明的是，可以是对如图3所示的平板式阴极进行改进，使得阴极形状根据活塞本体10的腔室11的形状进行随型设计，以形成如图4所示的阴极工装20。
62.可以理解的是，在本技术实施例中，在对阴极工装20的形状进行随型的基础上，通过在活塞本体10上热负荷较大位置处所对应的工装本体201的位置处添加辅助导体202，能够达到减小阴极工装20与活塞本体10上热负荷较大位置之间的距离的目的，增大作为阳极的活塞本体10与作为阴极的阴极工装20之间的放电。
63.s102：确定活塞本体10的腔室11内壁111上的高热负荷区域1111。
64.具体地，可以是根据喷油器101油束落点的位置及范围确定活塞本体10的腔室11的内壁111上热负荷较大的区域。
65.s103：将阴极工装20装配到活塞本体10上，且辅助导体202伸入腔室11内，且辅助导体202与高热负荷区域1111相对，且高热负荷区域1111与辅助导体202之间的垂直距离小于腔室11的内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域与阴极工装20之间的垂直距离。
66.需要说明的是，阴极工装20的至少部分伸入腔室11内，且阴极工装20靠近腔室11的一面与腔室11的内壁111之间具有间隔30。
67.s104：将装配完成的阴极工装20和活塞本体10置于电解液中，并将阴极工装20与电源的负极电连接，活塞本体10与电源的正极电连接。
68.s105：控制电解时间，通过电解反应，在活塞本体10的腔室11的内壁111上形成不等厚的保护层112。
69.这样，活塞本体10的腔室11的内壁111上的保护层112厚度均匀，普遍厚度在0.08
‑
0.12mm左右，即活塞本体10的腔室11的内壁111上除高热负荷区域1111之外的剩余区域的保护层112的厚度(即第二保护层1122的厚度)。同时，在热负荷较高区域(即高热负荷区域1111)形成较剩余区域厚度更厚的保护层112，高热负荷区域1111处的保护层112的厚度(即第一保护层1121的厚度)达到0.15mm
‑
0.20mm左右，以此形成使得高热负荷区域1111与阴极工装20之间孔隙率略高，热容更小，导热系数更小。
70.具体地，在本技术实施例中，提供阴极工装20，可以包括：
71.s1011：提供工装本体201。
72.s1012：在工装本体201上形成至少一个辅助导体202，制得阴极工装20。
73.进一步地，将阴极工装20装配到活塞本体10上，可以包括：
74.s1031：将工装本体201装配到活塞本体10上，且辅助导体202和工装本体201的部分伸入活塞本体10的腔室11内。
75.s1032：控制辅助导体202与高热负荷区域1111之间的垂直距离为5
‑
8mm，控制腔室11的内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域与阴极工装20之间的垂直距离为8
‑
15mm。
76.参照图1至图5所示，本发明实施例还提供一种活塞100，该活塞100至少可以包括：活塞本体10，活塞本体10的上方形成腔室11，腔室11的内壁111上具有保护层112，且腔室11的内壁111上具有高热负荷区域1111，且高热负荷区域1111上的保护层112的厚度大于内壁111上除高热负荷区域1111之外的区域上的保护层112的厚度。
77.具体地，内壁111上可以具有至少一个高热负荷区域1111，高热负荷区域1111与阴极工装20之间的垂直距离(即第一垂直距离l1)小于内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域与阴极工装20之间的垂直距离(即第二垂直距离l2)。
78.这样，活塞本体10作为阳极，阴极工装20作为阴极，阳极与阴极之间放电在腔室11
的内壁111上形成保护层112，活塞本体10的高热负荷区域与阴极工装之间的距离较小，因而能够增强作为阳极的活塞本体10与作为阴极的阴极工装20之间的放电，使得高热负荷区域1111形成较腔室11内壁111上的剩余区域形成更厚的保护层112。
79.通过设计整体均匀，局部增厚的不等厚度的保护层112，结合活塞本体10热负荷的分布规律，能够克服现有技术中等厚设计的保护层容易发生氧化烧蚀及热量散失大的问题。
80.需要说明的是，在本技术实施例中，活塞本体10的材质可以为铝材料。
81.在本技术实施例中，辅助导体202靠近高热负荷区域1111的一端与高热负荷区域1111之间的垂直距离(即第一垂直距离l1)小于工装本体201或辅助导体202靠近内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域的一端与内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域之间的垂直距离(即第二垂直距离l2)。
82.参照图1所示，活塞本体10还可以包括：喷油器101，喷油器101位于腔室3011内，喷油器101可以包括喷油器本体1011以及与喷油器本体1011相连的燃油束1012，高热负荷区域1111位于燃油束1012的喷口1013位置处。
83.在本技术实施例中，工装本体201或辅助导体202靠近内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域的一端的任意位置与内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域之间的垂直距离(即第二垂直距离l2)均相同。
84.作为一种可选的实施方式，辅助导体202靠近高热负荷区域1111的一端与高热负荷区域1111之间的垂直距离(即第一垂直距离l1)可以大于5mm，且小于8mm。
85.例如，辅助导体202靠近高热负荷区域1111的一端与高热负荷区域1111之间的第一垂直距离l1可以为6.0mm，6.5mm或7.0mm等，本技术实施例对此并不加以限定，也不限于上述示例。
86.需要说明的是，第二垂直距离l2和第二垂直距离l2的具体设置数值可以根据活塞本体10的大小，以及保护层112的厚度进行灵活调整，本技术实施例对此并不加以限定。
87.这里需要说明的是，本技术涉及的数值和数值范围为近似值，受制造工艺的影响，可能会存在一定范围的误差，这部分误差本领域技术人员可以认为忽略不计。
88.作为一种可选的实施方式，工装本体201或辅助导体202靠近内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域的一端与内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域之间的垂直距离(即第二垂直距离l2)可以大于8mm，且小于15mm。
89.例如，工装本体201或辅助导体202靠近内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域的一端与内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域之间的第二垂直距离l2可以为9mm，11mm或13mm等，本技术实施例对此并不加以限定，也不限于上述示例。
90.可以理解的是，在本技术实施例中，高热负荷区域1111处的保护层112的厚度可以为0.15mm
‑
0.20mm。例如，高热负荷区域1111处的保护层112的厚度可以为0.16mm，0.17mm，0.18mm或0.19mm等，本技术实施例对此并不加以限定，也不限于上述示例。
91.内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域处的保护层112的厚度可以为0.08mm
‑
0.12mm。例如，高热负荷区域1111处的保护层112的厚度可以为0.09mm，0.10mm或0.10mm等，本技术实施例对此并不加以限定，也不限于上述示例。
92.本发明提供的活塞100，该活塞100至少可以包括：活塞本体10，活塞本体10的上方
形成腔室3011，阴极工装20的至少部分伸入腔室3011内，内壁111上具有至少一个高热负荷区域1111，高热负荷区域1111与阴极工装20之间的垂直距离小于内壁111除高热负荷区域1111之外的剩余区域与阴极工装20之间的垂直距离。
93.通过上述设置，腔室3011内壁111上的高热负荷区域与阴极工装20之间的垂直距离小于腔室3011内壁111上的剩余区域与阴极工装20之间的垂直距离，活塞本体10作为阳极，阴极工装20作为阴极，阳极与阴极之间放电在腔室3011的内壁111上形成保护层112，活塞本体10的高热负荷区域与阴极工装20之间的距离较小，能够增强作为阳极的活塞本体10与作为阴极的阴极工装20之间的放电，使得高热负荷区域形成较腔室3011内壁111上的剩余区域形成更厚的保护层112，能够减轻或避免活塞本体10的燃烧室表面热负荷较高的位置处出现氧化烧蚀破损等现象，从而有效避免了因活塞本体10的热负荷不均匀造成的局部散热过大的现象，在一定程度上提高了活塞本体10的可靠性。
94.本技术实施例还提供一种阴极工装20，该阴极工装20适用于上述任一的活塞的制备方法中，具体地，阴极工装20可以包括工装本体201以及与工装本体201相连的至少一个辅助导体202。
95.需要说明的是，在本技术实施例中，辅助导体202的数量可以为多个，且工装本体201与多个辅助导体202为一体结构。
96.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
97.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“可以包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
98.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。