JP6027604B2 - ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用ピストンの製造方法、および内燃機関用ピストンに関する。

エンジンのピストンは、最上部の環状溝と燃焼室キャビティの領域が際立った応力を受ける。これは、リングキャリアまたは環状溝補強で対策されることが多い。それとともに、環状のクーリングチャンネルをこの領域に設けることも多い。

リングキャリアを鋳造する技術や、フラッシング後に入口と出口を有する環状のクーリングチャンネルを形成するソルトコアを設ける技術が知られている。

さらに、例えば、特許文献ＤＥ１９９１５７８２Ａｌには、ピストンの製造時に、ピストンの軸方向に送りながら回転することによって、ピストンスカートからクーリングチャンネルを形成し、その後、粉末冶金で製造されたアルミ部品で実質的に閉じることが開示されている。

同様の技術は、特許文献ＤＤ１３０３６８Ｚ、ＤＥ１０３３９５４Ｂ、ＤＥ１０２００６０２７３５５Ａ１、ＤＥ３５１８４９７Ａ、ＪＰ５８１９０５３８Ａ２、ＤＥ１５８３７４７Ｃ、ＵＳ３１８１５１４Ａ、ＦＲ１３０１２９９Ａ、ＤＥ１００１８６２Ｂ、ＦＲ１２４６７９４Ａ、ＤＥ１０２５２２１Ｂ、ＤＥ１０１９５１９Ｂにも記載されている。

本願発明の目的は、効率面で改善された内燃機関用ピストンの製造方法、および、その方法に従って製造されたピストンを提供することである。

上記目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。

それによれば、燃焼室キャビティ側から鋳造ピストンブランク内に向かって、略半径方向に溝が形成され、その後、実質的に閉じられて、クーリングチャンネルが形成される。この方法によって、従来はクーリングチャンネルを形成するために必要とされたソルトコアを使用しなくて済む。そのため、鋳造工程を自動化することができる。さらに広範囲な機械処理が実現され、手動処理が低減される。それによって、信頼性の向上、廃棄物の低減、ひいては、方法のさらなる全体的効率化がもたらされる。さらに、クーリングチャンネルが燃焼室キャビティに「隣接する」領域に位置するため、特に応力のかかる領域内の冷却効果が向上する。特に、従来の設計と比較して、クーリングチャンネルが比較的高い位置、特に最上部の環状溝よりも高い位置に配置されるため、上記利点を実現することができる。最終的に、クーリングチャンネルは、ピストンブランクの鋳造材料とは異なる材料によって覆われる（すなわち、閉じられる）。そうすることによって、耐熱性条件を満たす材料を特定の方法で調整することができる。また、後述するように、上記目的に対して特に好適な特性をその材料に持たせることができる。

本発明に係る好適な方法は、他の請求項に記載される。

クーリングチャンネルを金属板で閉じた場合、これらの条件を特に良好に充足することが可能であり、製造工程の単純化にも有利である。金属板は、ジョイントプロセスによって、対象となる領域を前処理したピストンブランクと結合することができる。

構造をリファインし、それによって、高応力のかかる領域に、特に耐久性のある構造を形成するために、金属板の再溶融を、複数領域で生じさせることができるが好ましい。それはジョイントプロセスによってでも、その後でもよい。金属板の熱物理的性質が、アルミまたはアルミ合金から成るピストンのものと近くなるように、金属板をアルミまたはアルミ合金で作ることが望ましい。両者の合金あるいは素材は本質的に同等であることが望ましい。注目すべきは、閉止材、特に、クーリングチャンネルの金属板の再溶融に関しては、クーリングチャンネルを半径方向に形成しない場合でも、この方法は有利であり、本願は新規なものである。この方法は、本明細書に記載の他の方法と好適に組み合わせることが可能である。

さらに、ピストンの外側において半径方向に溝が掘り込まれ、材料が充填され、その中に環状溝が形成される。これにより、鋳造部品としてのリングキャリアを使用しなくて済むため、鋳造工程をさらに単純化させることができる。例えば、実質的にＶ字形になるように溝を形成し、材料を、例えばサーマルスルーによって充填することができる。注目すべきは、外側の半径方向の溝の形成に関しても、上述のいかなる設計のクーリングチャンネルとも併用が可能であり、特に、軸方向に作成されたクーリングチャンネルとも併用が可能であるということである。また、この場合も、鋳造部品を使用せずに済むので、有利な効果を発揮する。この方法は、本明細書に記載の他の方法と好適に組み合わせることが可能である。

さらに、上記目的は、請求項５に記載のピストンによって達成される。好適には、当該ピストンは、上述した好適な製造方法の各ステップによって製造される。さらに注目すべきは、専ら方法に関して述べた特徴や方策のすべては、本願発明に係るピストンにも適用可能であるということである。

以下に示す図面を参照して、本願発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。

図１は、実施形態に係るピストンの製造方法の第１段階における断面図を示す。 図２は、実施形態に係るピストンの製造方法の第２段階における断面図を示す。 図３は、実施形態に係るピストンの製造方法の第３段階における断面図を示す。

実施形態に係るピストン１０の上縁領域の半分よりやや広い範囲を図１に示す。該ピストン１０は複数の環状溝を備え、最上部の環状溝１２は特定の方法で形成され、鋳造工程に必要なリングキャリアなどの鋳造部品は備えていない。具体的には、半径方向の、実質的にＶ字形の溝が鋳造ピストンブランクに形成され、特定の耐摩耗性材料１４が、例えばサーマルスルーによって、充填されている。環状溝１２はそこに彫り込まれるため、特に耐摩耗性のある材料の中に全体的に形成され、この領域の際立った応力に、好適に耐えることができる。

クーリングチャンネル１６と、そのカバーとなる金属板１８の具体的設計にも、この方法が同じように適用される。図１に示す製造段階では、鋳造されて機械加工されたピストンブランクに、燃焼室キャビティ２０側から半径方向（図１では左方向）に、後にクーリングチャンネル１６となる溝が設けられる。各図に示すように、クーリングチャンネルを、外方向、すなわち、ピストン１０の環状溝１２方向に、溝底が丸みを帯びた形で、適切に設けることができる。図示された例においては、この溝は、適切なジョイントプロセスによって取り付けられた金属板１８によって閉じられる。後にクーリングチャンネル１６となる溝を閉じる金属板１８は、略リング形状を有している。最上部の環状溝１２の領域にある材料１４およびそれが充填された溝のＶ字形は、「Ｖ」の先端を丸めた形状であってもよい。

図２に示すように、金属板１８を、例えば上下端部において、少なくとも複数領域で再溶融処理して、構造をリファインすることができる。好適には、この処理はピストンブランクと燃焼室キャビティとの隣接領域２２において実行される。上述したように、この再溶融処理は、金属板１８のジョイントプロセスとして行っても良いし、その後の処理ステップで行ってもよい。

最後に、再溶融処理後に、所望の輪郭を形成するために、燃焼室キャビティ２０の境界側面全体を、例えば機械加工によって仕上げる製造段階を図３に示す。以上説明したように、本発明によれば、大幅に処理や部品を省略できるので、自動化が可能である。その結果、効率の向上とミスの頻度の低減が可能である。

Claims (4)

1. ピストンの製造方法であって、
   前記ピストンの燃焼室キャビティ側から、前記ピストンの半径方向外側に向かって、ピストンブランク内部に円周方向に溝を形成するステップと、
   前記溝を少なくともひとつの金属板によって覆うステップと、
   前記少なくともひとつの金属板を前記ピストンブランクに結合するステップと
   を備え、
   前記溝が前記燃焼室キャビティのクーリングチャンネルを構成し、
   前記結合するステップは、前記少なくともひとつの金属板を再溶融するステップを含み、
   前記再溶融するステップは、前記少なくともひとつの金属板の少なくとも一部のジョイントプロセスとして行う、
   ことを特徴とするピストンの製造方法。
2. 前記結合するステップの後に、前記少なくともひとつの金属板を成形するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のピストンの製造方法。
3. 前記ピストンの側面から半径方向に向かって円周方向に実質的にＶ字形状の溝を形成するステップと、
   前記Ｖ字形状の溝の内部に材料を充填するステップと、
   前記充填した材料に対して、環状の溝を形成するステップと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のピストンの製造方法。
4. 前記クーリングチャンネルは、前記環状の溝よりも、前記燃焼室キャビティに近い位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のピストンの製造方法。

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