JP2003025076A - 内燃機関のピストン製造方法 - Google Patents
内燃機関のピストン製造方法Info
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- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/0015—Multi-part pistons
- F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/0015—Multi-part pistons
- F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
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Abstract
(57)【要約】
【課題】閉断面の冷却用環状空洞厚を極力薄くして低質
量の鋼製鍛造ピストンを回転摩擦圧接でカールを極力小
さく抑えた上で接合強度を確保し、かつスケール除去し
て製造可能にした内燃機関ピストンの製造方法を提供す
る。 【解決手段】クラウン部１とスカート部２を冷却用環状
空洞部６，９で上下に分割してそれぞれ鋼材により鍛造
成形し、分割面１２、１３、１４、１５をブレーキ式回
転摩擦圧接機により、摩擦圧２０ＭＰａ〜８０ＭＰａ、
アプセット加圧力１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａ、摩擦寄
り代１．５ｍｍ〜６ｍｍ、アプセット寄り代３ｍｍ〜１
０ｍｍの各範囲内で選択し、圧接により閉断面の冷却用
環状空洞部１６内に生じるカールのカール付け根Ｒは
０．２ｍｍ及びカール谷高さは母材より２．０ｍｍを最
低限値とし、カール付け根幅は３〜１０ｍｍの条件で摩
擦圧接により一体化する。
量の鋼製鍛造ピストンを回転摩擦圧接でカールを極力小
さく抑えた上で接合強度を確保し、かつスケール除去し
て製造可能にした内燃機関ピストンの製造方法を提供す
る。 【解決手段】クラウン部１とスカート部２を冷却用環状
空洞部６，９で上下に分割してそれぞれ鋼材により鍛造
成形し、分割面１２、１３、１４、１５をブレーキ式回
転摩擦圧接機により、摩擦圧２０ＭＰａ〜８０ＭＰａ、
アプセット加圧力１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａ、摩擦寄
り代１．５ｍｍ〜６ｍｍ、アプセット寄り代３ｍｍ〜１
０ｍｍの各範囲内で選択し、圧接により閉断面の冷却用
環状空洞部１６内に生じるカールのカール付け根Ｒは
０．２ｍｍ及びカール谷高さは母材より２．０ｍｍを最
低限値とし、カール付け根幅は３〜１０ｍｍの条件で摩
擦圧接により一体化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のピスト
ン製造方法に関するものである。
ン製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】クラウン部の頂部に形成されたキャビテ
ィの周囲に潤滑油等の冷却液を循環させる閉断面の冷却
用環状空洞を設けたディーゼルエンジン等のピストンの
製造において、クラウン部とスカート部とを分割成形
し、分割面を摩擦圧接で一体構造とする技術で、開放断
面の冷却用環状空洞を備えたものでは例えば、米国特許
第５，２４５，７５２号、同第５，３５９，９２２号に
開示されており、閉断面の冷却用環状空洞を備えたもの
では例えば、実開平３−６５８４０号、特開平６−２６
１３号、特開平７−２９３３２６号に開示されているよ
うに周知である。
ィの周囲に潤滑油等の冷却液を循環させる閉断面の冷却
用環状空洞を設けたディーゼルエンジン等のピストンの
製造において、クラウン部とスカート部とを分割成形
し、分割面を摩擦圧接で一体構造とする技術で、開放断
面の冷却用環状空洞を備えたものでは例えば、米国特許
第５，２４５，７５２号、同第５，３５９，９２２号に
開示されており、閉断面の冷却用環状空洞を備えたもの
では例えば、実開平３−６５８４０号、特開平６−２６
１３号、特開平７−２９３３２６号に開示されているよ
うに周知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ディーゼルエンジンの
ピストンにおいて、動力性能、燃費、排ガス等の諸要求
から爆発圧力を上昇させて対策する結果、ピストン素材
に高強度、高耐熱性を求められ、ガソリンエンジンにお
いて、通例アルミニウムを素材とするキャビティ及びリ
ングベルトを構成するクラウン部を鋼素材とした２ピー
ス若しくはアーティキュレート型と称される鋼製ピスト
ンヘッドを有するピストンが採用されている。
ピストンにおいて、動力性能、燃費、排ガス等の諸要求
から爆発圧力を上昇させて対策する結果、ピストン素材
に高強度、高耐熱性を求められ、ガソリンエンジンにお
いて、通例アルミニウムを素材とするキャビティ及びリ
ングベルトを構成するクラウン部を鋼素材とした２ピー
ス若しくはアーティキュレート型と称される鋼製ピスト
ンヘッドを有するピストンが採用されている。
【０００４】鋼製ピストンヘッド部分を鍛造成形で製造
する場合に、鍛造の高い生産性と内部欠陥の少なさを理
由に多く採用されているが、この場合では上記のような
開放断面の冷却用環状空洞の採用が不可避である。冷却
用環状空胴はピストンヘッド内部、すなわち、キャビテ
ィ及びリングベルトの中間近傍に存在し、その冷却用環
状空洞内に主として潤滑油を循環させて冷却し、アルミ
ニウム、鋼等素材の種類に関係なく燃焼熱によってもた
らされるキャビティ及びリングベルトの温度上昇を抑制
してピストン耐熱製維持に重要不可欠の構造である。
する場合に、鍛造の高い生産性と内部欠陥の少なさを理
由に多く採用されているが、この場合では上記のような
開放断面の冷却用環状空洞の採用が不可避である。冷却
用環状空胴はピストンヘッド内部、すなわち、キャビテ
ィ及びリングベルトの中間近傍に存在し、その冷却用環
状空洞内に主として潤滑油を循環させて冷却し、アルミ
ニウム、鋼等素材の種類に関係なく燃焼熱によってもた
らされるキャビティ及びリングベルトの温度上昇を抑制
してピストン耐熱製維持に重要不可欠の構造である。
【０００５】金型内部に鋼を加圧充満して成形する鍛造
工程では、成形品内部への冷却空洞成形が極めて困難で
あり、殆どの事例では鍛造後の切削加工によって開放断
面の冷却用環状空洞を形成するが、切削加工の関係で加
工面を開放しなければならないため、上記開放断面の冷
却用環状空洞の採用が不可避となるのである。
工程では、成形品内部への冷却空洞成形が極めて困難で
あり、殆どの事例では鍛造後の切削加工によって開放断
面の冷却用環状空洞を形成するが、切削加工の関係で加
工面を開放しなければならないため、上記開放断面の冷
却用環状空洞の採用が不可避となるのである。
【０００６】開放断面の冷却用環状空洞では、その一面
に配置される開放面の存在で爆発圧力によるピストンヘ
ッド部及びリングベルトの変形が生じる。この変形を防
止するために非開放面に必要以上の余肉を付した強化構
造を採用せざるを得ず、これが鋼製鍛造ピストンの質量
低減に限界があった。
に配置される開放面の存在で爆発圧力によるピストンヘ
ッド部及びリングベルトの変形が生じる。この変形を防
止するために非開放面に必要以上の余肉を付した強化構
造を採用せざるを得ず、これが鋼製鍛造ピストンの質量
低減に限界があった。
【０００７】ディーゼルエンジンのピストンの一部が従
来のアルミニウム製から廉価、高強度、高耐熱である鋼
製鍛造ピストンに置換されてきたが、上記のように鋼製
鍛造ピストンの質量低減限界があるために質量増を容認
可能な比較的大型若しくは高出力中型エンジンへの採用
に止どまっており、それ以外のエンジンにおいては従来
のアルミニウム素材を踏襲し質量増を回避しているが、
アルミニウムの有する強度、耐熱性に基づく動力性、燃
費、排ガス性能等において鋼製鍛造ピストンに比較して
劣っていることは余儀無いことであった。
来のアルミニウム製から廉価、高強度、高耐熱である鋼
製鍛造ピストンに置換されてきたが、上記のように鋼製
鍛造ピストンの質量低減限界があるために質量増を容認
可能な比較的大型若しくは高出力中型エンジンへの採用
に止どまっており、それ以外のエンジンにおいては従来
のアルミニウム素材を踏襲し質量増を回避しているが、
アルミニウムの有する強度、耐熱性に基づく動力性、燃
費、排ガス性能等において鋼製鍛造ピストンに比較して
劣っていることは余儀無いことであった。
【０００８】ディーゼルエンジンのピストンにおいて、
動力性、燃費、排ガス対策等の諸要求は中型乃至小型エ
ンジンにおいても益々増大の一途をたどり、平均爆発圧
力２０Ｎｐａを超える時期に従来のアルミニウム素材で
は耐えられない。現在もアルミニウムピストンを採用す
るエンジンにおいて、鋼製鍛造ピストンへの移行の障害
は質量が主因であり、また、比較的大型、中型エンジン
にあってすでに鋼製ピストンを商用化された事例があっ
ても、質量増と開放断面の冷却用環状空洞の切削加工コ
スト増に課題を有している。
動力性、燃費、排ガス対策等の諸要求は中型乃至小型エ
ンジンにおいても益々増大の一途をたどり、平均爆発圧
力２０Ｎｐａを超える時期に従来のアルミニウム素材で
は耐えられない。現在もアルミニウムピストンを採用す
るエンジンにおいて、鋼製鍛造ピストンへの移行の障害
は質量が主因であり、また、比較的大型、中型エンジン
にあってすでに鋼製ピストンを商用化された事例があっ
ても、質量増と開放断面の冷却用環状空洞の切削加工コ
スト増に課題を有している。
【０００９】一方、閉断面の冷却用環状空洞によるディ
ーゼルエンジン等のピストンにおいては、開放断面の冷
却用環状空洞のように鍛造後における開放断面の冷却用
環状空洞を形成するための切削加工が不要であり、爆発
圧力でピストンヘッド部及びリングベルトの変形が生じ
ことがなく、これにより変形を防止するために閉断面の
冷却用環状空洞壁に必要以上の余肉を付して強化構造を
採用する必要がない。
ーゼルエンジン等のピストンにおいては、開放断面の冷
却用環状空洞のように鍛造後における開放断面の冷却用
環状空洞を形成するための切削加工が不要であり、爆発
圧力でピストンヘッド部及びリングベルトの変形が生じ
ことがなく、これにより変形を防止するために閉断面の
冷却用環状空洞壁に必要以上の余肉を付して強化構造を
採用する必要がない。
【００１０】従って、閉断面の冷却用環状空洞の場合は
キャビティ側の空洞壁厚を極力薄くして低質量の鋼製鍛
造ピストンの製造を可能とするが、クラウン部とスカー
ト部とを回転摩擦圧接するときには質量低減に欠かせな
い接合強度の確保と圧接部位に生じるカール（フラッシ
ュ）形状の最小化及びカール表面に生成するスケールの
除去が不可欠である。
キャビティ側の空洞壁厚を極力薄くして低質量の鋼製鍛
造ピストンの製造を可能とするが、クラウン部とスカー
ト部とを回転摩擦圧接するときには質量低減に欠かせな
い接合強度の確保と圧接部位に生じるカール（フラッシ
ュ）形状の最小化及びカール表面に生成するスケールの
除去が不可欠である。
【００１１】回転摩擦圧接で接合強度を確保するとカー
ル形状は必然的に大きくなる。このカール形状が大きく
なると小型のピストンでは閉断面の冷却用環状空洞内に
残置するカールによって閉断面の冷却用環状空洞が狭隘
となることが避けられず、カールが閉断面の冷却用環状
空洞内を閉塞させて冷却油の流動を妨げることが起こ
る。従って、カールは極力小さく抑えることが必要であ
る。
ル形状は必然的に大きくなる。このカール形状が大きく
なると小型のピストンでは閉断面の冷却用環状空洞内に
残置するカールによって閉断面の冷却用環状空洞が狭隘
となることが避けられず、カールが閉断面の冷却用環状
空洞内を閉塞させて冷却油の流動を妨げることが起こ
る。従って、カールは極力小さく抑えることが必要であ
る。
【００１２】ところで、カールの最小化は有害物質排除
機能を低下させ、接合強度低下を誘発する。すなわち、
カール表面には摩擦発熱で概ね１２４０〜１２６０℃に
上昇させた材料を摩擦圧とアプセット圧の両方の加圧で
スケールが生成し、生成直後から温度低下して数十秒程
度で６００℃前後となるが、この短時間に大気中の酸素
と鋼中の炭素が酸化結合し酸化スケールを生成する。こ
のスケールが閉断面の冷却用環状空洞内に残存している
とエンジン運転に有害でありスケールの生成防止又は除
去を必要とする。また、カールを最小化するには摩擦
圧、アプセット加圧力、摩擦寄り代、アプセット寄り代
を単純に減少することで得られるが、これが接合強度低
下を誘発することになる。従って、カールは極力小さく
抑え、スケールを除去し、かつ信頼性の高い接合を実現
することが必要である。
機能を低下させ、接合強度低下を誘発する。すなわち、
カール表面には摩擦発熱で概ね１２４０〜１２６０℃に
上昇させた材料を摩擦圧とアプセット圧の両方の加圧で
スケールが生成し、生成直後から温度低下して数十秒程
度で６００℃前後となるが、この短時間に大気中の酸素
と鋼中の炭素が酸化結合し酸化スケールを生成する。こ
のスケールが閉断面の冷却用環状空洞内に残存している
とエンジン運転に有害でありスケールの生成防止又は除
去を必要とする。また、カールを最小化するには摩擦
圧、アプセット加圧力、摩擦寄り代、アプセット寄り代
を単純に減少することで得られるが、これが接合強度低
下を誘発することになる。従って、カールは極力小さく
抑え、スケールを除去し、かつ信頼性の高い接合を実現
することが必要である。
【００１３】しかしながら、従来ではキャビティ側の閉
断面の冷却用環状空洞厚を極力薄くして低質量の鋼製鍛
造ピストンを回転摩擦圧接でカールを極力小さく抑えた
上で接合強度を確保し、かつスケールの生成防止又は除
去の要素を満足して製造する方法は提供されていなっ
た。
断面の冷却用環状空洞厚を極力薄くして低質量の鋼製鍛
造ピストンを回転摩擦圧接でカールを極力小さく抑えた
上で接合強度を確保し、かつスケールの生成防止又は除
去の要素を満足して製造する方法は提供されていなっ
た。
【００１４】本発明の目的は、閉断面の冷却用環状空洞
厚を極力薄くして低質量の鋼製鍛造ピストンを回転摩擦
圧接でカールを極力小さく抑えた上で接合強度を確保
し、かつスケール除去して製造可能にした内燃機関ピス
トンの製造方法を提供することである。
厚を極力薄くして低質量の鋼製鍛造ピストンを回転摩擦
圧接でカールを極力小さく抑えた上で接合強度を確保
し、かつスケール除去して製造可能にした内燃機関ピス
トンの製造方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、請求項１に記載の通り、ピストンヘッドの
クラウン部とスカート部とからなり前記クラウン部の頂
面にキャビティが形成され、かつ前記キャビティの周囲
に閉断面の冷却用環状空洞が形成されている内燃機関の
ピストンの製造方法であって、前記クラウン部とスカー
ト部とを前記冷却用環状空洞部で上下に分割してそれぞ
れ鋼材により鍛造成形し、前記鍛造成形したクラウン部
とスカート部の分割面をブレーキ式回転摩擦圧接機によ
り、摩擦圧２０ＭＰａ〜８０ＭＰａ、アプセット加圧力
１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａ、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜
６ｍｍ、アプセット寄り代３ｍｍ〜１０ｍｍの各範囲内
で選択し、圧接により前記冷却用環状空洞部内に生じる
カールのカール付け根Ｒは０．２ｍｍ及びカール谷高さ
Ｈは母材より１．０ｍｍを最低限値とし、カール付け根
幅Ｗは３〜１０ｍｍの条件で摩擦圧接により一体化する
ことを特徴とするものである。
め本発明は、請求項１に記載の通り、ピストンヘッドの
クラウン部とスカート部とからなり前記クラウン部の頂
面にキャビティが形成され、かつ前記キャビティの周囲
に閉断面の冷却用環状空洞が形成されている内燃機関の
ピストンの製造方法であって、前記クラウン部とスカー
ト部とを前記冷却用環状空洞部で上下に分割してそれぞ
れ鋼材により鍛造成形し、前記鍛造成形したクラウン部
とスカート部の分割面をブレーキ式回転摩擦圧接機によ
り、摩擦圧２０ＭＰａ〜８０ＭＰａ、アプセット加圧力
１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａ、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜
６ｍｍ、アプセット寄り代３ｍｍ〜１０ｍｍの各範囲内
で選択し、圧接により前記冷却用環状空洞部内に生じる
カールのカール付け根Ｒは０．２ｍｍ及びカール谷高さ
Ｈは母材より１．０ｍｍを最低限値とし、カール付け根
幅Ｗは３〜１０ｍｍの条件で摩擦圧接により一体化する
ことを特徴とするものである。
【００１６】また、請求項２に記載の通り、前記クラウ
ン部とスカート部との圧接直前に環状空洞容積の少なく
とも１／２量の炭酸ガス又は窒素ガスを環状空洞内に封
入してスケールを除去するようにしたことを特徴とする
ものである。
ン部とスカート部との圧接直前に環状空洞容積の少なく
とも１／２量の炭酸ガス又は窒素ガスを環状空洞内に封
入してスケールを除去するようにしたことを特徴とする
ものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１はピストンのクラウン部１とス
カート部２とを冷却用の環状空洞部６、９で上下に分割
してそれぞれ鋼材により鍛造成形した状態を示す断面図
である。すなわち、クラウン部１には頂面３に環状空洞
壁２０によって区画されたキャビティ４が形成されてお
り、このキャビティ４の周囲に潤滑油等の冷却液を循環
させるための前記環状空胴６を有し、環状空胴６の外側
にはリングベルト５を形成している。１２、１３は環状
空洞部６における分割面であり、これがスカート部２と
の接合面となる。８はスカート部２と接合後に切削仕上
げする切削代であり、頂面３、キャビティ４、リングベ
ルト５、環状空洞部６、キャビティ４の下方の凹部７及
び分割面１２、１３の全周面に渡って所要の肉厚で設定
されている。
基づいて説明する。図１はピストンのクラウン部１とス
カート部２とを冷却用の環状空洞部６、９で上下に分割
してそれぞれ鋼材により鍛造成形した状態を示す断面図
である。すなわち、クラウン部１には頂面３に環状空洞
壁２０によって区画されたキャビティ４が形成されてお
り、このキャビティ４の周囲に潤滑油等の冷却液を循環
させるための前記環状空胴６を有し、環状空胴６の外側
にはリングベルト５を形成している。１２、１３は環状
空洞部６における分割面であり、これがスカート部２と
の接合面となる。８はスカート部２と接合後に切削仕上
げする切削代であり、頂面３、キャビティ４、リングベ
ルト５、環状空洞部６、キャビティ４の下方の凹部７及
び分割面１２、１３の全周面に渡って所要の肉厚で設定
されている。
【００１８】前記スカート部２の分割面１４、１５には
前記クラウン部１の環状空洞部６とによって閉断面の冷
却用環状空洞１６（図２参照）を形成する環状空洞部９
が形成されており、これら環状空洞部９、分割面１４、
１５、前記クラウン部１のキャビティ４の下方の凹部７
と対面して内部空間を形成する凹部１０、一側面及び下
面に渡って切削仕上げする切削代１１が所要の肉厚で設
定されている。
前記クラウン部１の環状空洞部６とによって閉断面の冷
却用環状空洞１６（図２参照）を形成する環状空洞部９
が形成されており、これら環状空洞部９、分割面１４、
１５、前記クラウン部１のキャビティ４の下方の凹部７
と対面して内部空間を形成する凹部１０、一側面及び下
面に渡って切削仕上げする切削代１１が所要の肉厚で設
定されている。
【００１９】図２は前記クラウン部１とスカート部２と
を分割面１２、１３、１４、１５で接合一体化した状態
で切削仕上げ前の断面図である。この接合はブレーキ式
回転摩擦圧接機によるものである。この圧接一体化した
分割面１２、１３、１４、１５の接合部には外周面にカ
ール１７が、閉断面の冷却用環状空洞１６にカール１８
が、内部空間内にカール１９が生じる。
を分割面１２、１３、１４、１５で接合一体化した状態
で切削仕上げ前の断面図である。この接合はブレーキ式
回転摩擦圧接機によるものである。この圧接一体化した
分割面１２、１３、１４、１５の接合部には外周面にカ
ール１７が、閉断面の冷却用環状空洞１６にカール１８
が、内部空間内にカール１９が生じる。
【００２０】前記圧接一体化したクラウン部１とスカー
ト部２は切削加工機によって切削代８、１１を切削し、
リングベルト５に所要のリング溝を切削加工して図３の
ように仕上げる。この切削加工時に外周面のカール１７
も切削除去される。内部空間内にカール１９も切削除去
してもよいが残置してもよい。閉断面の冷却用環状空洞
１６内のカール１８は切削加工で除去することができな
いので図４で示すように閉断面の冷却用環状空洞１６内
に残置される。
ト部２は切削加工機によって切削代８、１１を切削し、
リングベルト５に所要のリング溝を切削加工して図３の
ように仕上げる。この切削加工時に外周面のカール１７
も切削除去される。内部空間内にカール１９も切削除去
してもよいが残置してもよい。閉断面の冷却用環状空洞
１６内のカール１８は切削加工で除去することができな
いので図４で示すように閉断面の冷却用環状空洞１６内
に残置される。
【００２１】接合強度の確保のために、この閉断面の冷
却用環状空洞１６内に残置したカール１８の形状が大き
くなると小型のピストンでは閉断面の冷却用環状空洞１
６が狭隘となり冷却油の流動を妨げ、図５で示すカール
付け根Ｒ、カール谷への応力集中で寿命を低下し、カー
ル付け根幅Ｗが母材Ｍに接し寿命低下の要因となってお
り、これらを払拭するためにはカール１８の形状、大き
さを極力小さく制御して接合強度を確保しなければなら
ない。
却用環状空洞１６内に残置したカール１８の形状が大き
くなると小型のピストンでは閉断面の冷却用環状空洞１
６が狭隘となり冷却油の流動を妨げ、図５で示すカール
付け根Ｒ、カール谷への応力集中で寿命を低下し、カー
ル付け根幅Ｗが母材Ｍに接し寿命低下の要因となってお
り、これらを払拭するためにはカール１８の形状、大き
さを極力小さく制御して接合強度を確保しなければなら
ない。
【００２２】そこで本発明は、鋭意研究の結果、ブレー
キ式回転摩擦圧接機による接合条件として、摩擦圧２０
ＭＰａ〜８０ＭＰａ、アプセット加圧力１００ＭＰａ〜
１５０ＭＰａ、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜６ｍｍ、アプセ
ット寄り代３ｍｍ〜１０ｍｍの各範囲内で選択し、圧接
により前記冷却用環状空洞１６に生じるカール１８のカ
ール付け根Ｒは０．２ｍｍ及びカール谷高さＨは母材よ
り１．０ｍｍを最低限値とし、カール付け根幅Ｗは３〜
１０ｍｍの条件で摩擦圧接により一体化することによっ
て前記不具合の要因を解決したものである。
キ式回転摩擦圧接機による接合条件として、摩擦圧２０
ＭＰａ〜８０ＭＰａ、アプセット加圧力１００ＭＰａ〜
１５０ＭＰａ、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜６ｍｍ、アプセ
ット寄り代３ｍｍ〜１０ｍｍの各範囲内で選択し、圧接
により前記冷却用環状空洞１６に生じるカール１８のカ
ール付け根Ｒは０．２ｍｍ及びカール谷高さＨは母材よ
り１．０ｍｍを最低限値とし、カール付け根幅Ｗは３〜
１０ｍｍの条件で摩擦圧接により一体化することによっ
て前記不具合の要因を解決したものである。
【００２３】上記本発明における発熱条件及び接合条件
について下記する。
について下記する。
【発熱条件１】摩擦回転速度は周速度５ｍ／秒を中心と
する４〜１０ｍ／秒の幅広い条件で使用可能であり、生
産性等を留意して選択する。摩擦圧は上記２０ＭＰａ〜
８０ＭＰａを選択し、摩擦圧でカール１８の基本形状を
後述するように決定する。
する４〜１０ｍ／秒の幅広い条件で使用可能であり、生
産性等を留意して選択する。摩擦圧は上記２０ＭＰａ〜
８０ＭＰａを選択し、摩擦圧でカール１８の基本形状を
後述するように決定する。
【００２４】
【発熱条件２】摩擦寄り代０．５ｍｍで接合強度を得る
が、疲労強度低下減少がバラツキを伴って発生する。従
って、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜６ｍｍとする。
が、疲労強度低下減少がバラツキを伴って発生する。従
って、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜６ｍｍとする。
【００２５】
【発熱条件３】摩擦面の状態は、摩擦寄り代を最小化す
るために、摩擦寄り代を実質的に減少させる凹凸を経済
的に可能な限り少なくする。また、摩擦面に鋼材の製造
時の脱炭、肌あれ、錆は禁物で、接合内部へそれらが吸
蔵され接合強度を著しく低下させる。これらのために摩
擦面を機械加工で凹凸１００ミクロン以下に仕上げるこ
とが望ましい。
るために、摩擦寄り代を実質的に減少させる凹凸を経済
的に可能な限り少なくする。また、摩擦面に鋼材の製造
時の脱炭、肌あれ、錆は禁物で、接合内部へそれらが吸
蔵され接合強度を著しく低下させる。これらのために摩
擦面を機械加工で凹凸１００ミクロン以下に仕上げるこ
とが望ましい。
【００２６】
【接合条件１】接合加圧であるアプセット加圧は１００
ＭＰａ〜１５０ＭＰａを選択する。アプセット加圧は広
い範囲で接合強度は安定であるが、圧接接合は接合しよ
うとする双方の金属原子間距離を金属結合可能距離まで
接近させ、双方の金属原子同士が金属結合を果たす原子
間距離を確保するものであり、上記圧力だけでは１００
％の原子が金属結合を果たす近接原子間距離に達成し得
ず、１例では１２５０℃の加圧のみによる圧接は引張り
強度は母材の４０〜８０％程度で母材強度に到達し得な
った。従って、この強度範囲において上記アプセット加
圧は１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａを選択するものであ
る。
ＭＰａ〜１５０ＭＰａを選択する。アプセット加圧は広
い範囲で接合強度は安定であるが、圧接接合は接合しよ
うとする双方の金属原子間距離を金属結合可能距離まで
接近させ、双方の金属原子同士が金属結合を果たす原子
間距離を確保するものであり、上記圧力だけでは１００
％の原子が金属結合を果たす近接原子間距離に達成し得
ず、１例では１２５０℃の加圧のみによる圧接は引張り
強度は母材の４０〜８０％程度で母材強度に到達し得な
った。従って、この強度範囲において上記アプセット加
圧は１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａを選択するものであ
る。
【００２７】
【接合条件２】金属原子接近を１００％とするのがアプ
セット寄り代による接近効果である。接合しようとする
金属撹拌による近接を果たすもので、アプセット寄り代
を代用値とする。この理由からアプセット加圧におい
て、アプセット寄り代３ｍｍ〜１０ｍｍとすることが必
要である。アプセット寄り代２ｍｍでも可能であるが、
製造される多数のピストンが万一の不良を許さない接合
の信頼性を得るためには３ｍｍ〜１０ｍｍのアプセット
寄り代とするものである。
セット寄り代による接近効果である。接合しようとする
金属撹拌による近接を果たすもので、アプセット寄り代
を代用値とする。この理由からアプセット加圧におい
て、アプセット寄り代３ｍｍ〜１０ｍｍとすることが必
要である。アプセット寄り代２ｍｍでも可能であるが、
製造される多数のピストンが万一の不良を許さない接合
の信頼性を得るためには３ｍｍ〜１０ｍｍのアプセット
寄り代とするものである。
【００２８】冷却用環状空洞部１６に生じるカール１８
の体積は摩擦寄り代とアプセット寄り代の合計に等しい
ものである。この冷却用環状空洞１６の成立は、カール
１８の最小化と接合強度の最適化に他ならないのでアプ
セット寄り代の最小値が重要因子となる。アプセット寄
り代の最大値は接合強度への影響は殆どない。その理由
はアプセット寄り代の上記最低値以上において母材強度
と同等となり、それ以上にはならないからである。従っ
て、上限はカール１８の許容される大きさで１０ｍｍ以
下を選定するものである。尚、摩擦寄り代が発熱量を決
定するが、発熱のもう一方の製造因子である摩擦圧力は
カール１８の基本形状を決定し、アプセット加圧と摩擦
圧力とが相加的にアプセット寄り代を決定する。
の体積は摩擦寄り代とアプセット寄り代の合計に等しい
ものである。この冷却用環状空洞１６の成立は、カール
１８の最小化と接合強度の最適化に他ならないのでアプ
セット寄り代の最小値が重要因子となる。アプセット寄
り代の最大値は接合強度への影響は殆どない。その理由
はアプセット寄り代の上記最低値以上において母材強度
と同等となり、それ以上にはならないからである。従っ
て、上限はカール１８の許容される大きさで１０ｍｍ以
下を選定するものである。尚、摩擦寄り代が発熱量を決
定するが、発熱のもう一方の製造因子である摩擦圧力は
カール１８の基本形状を決定し、アプセット加圧と摩擦
圧力とが相加的にアプセット寄り代を決定する。
【００２９】図５は上記本発明の条件で圧接したカール
１８の各種の実施例である。
１８の各種の実施例である。
【実施例１】図５（Ａ）については下記の条件による結
果が得られた。 完成品肉厚Ｈ２ 燃焼室側の空洞壁２０の肉厚 3.5mm 摩擦圧力 20MPa 摩擦寄り代 1.5mm アプセット圧力 110MPa アプセット寄り代 7mm カール付け根Ｒ 1mm カール谷高さＨ１ 3mm カール付け根幅Ｗ 7mm 疲労強度 母材Ｍに同等
果が得られた。 完成品肉厚Ｈ２ 燃焼室側の空洞壁２０の肉厚 3.5mm 摩擦圧力 20MPa 摩擦寄り代 1.5mm アプセット圧力 110MPa アプセット寄り代 7mm カール付け根Ｒ 1mm カール谷高さＨ１ 3mm カール付け根幅Ｗ 7mm 疲労強度 母材Ｍに同等
【００３０】
【実施例２】図５（Ｂ）については下記の条件による結
果が得られた。 完成品肉厚Ｈ２ 燃焼室側の空洞壁２０の肉厚 3.5mm 摩擦圧力 40MPa 摩擦寄り代 1.5mm アプセット圧力 120MPa アプセット寄り代 5mm カール付け根Ｒ 0.6mm カール谷高さＨ１ 2.5mm カール付け根幅Ｗ 6mm 疲労強度 母材Ｍに同等
果が得られた。 完成品肉厚Ｈ２ 燃焼室側の空洞壁２０の肉厚 3.5mm 摩擦圧力 40MPa 摩擦寄り代 1.5mm アプセット圧力 120MPa アプセット寄り代 5mm カール付け根Ｒ 0.6mm カール谷高さＨ１ 2.5mm カール付け根幅Ｗ 6mm 疲労強度 母材Ｍに同等
【００３１】
【実施例３】図５（Ｃ）については下記の条件による結
果が得られた。 完成品肉厚Ｈ２ 燃焼室側の空洞壁２０の肉厚 3.5mm 摩擦圧力 60MPa 摩擦寄り代 3mm アプセット圧力 110MPa アプセット寄り代 4.3mm カール付け根Ｒ 0.75mm カール谷高さＨ１ 1.3mm カール付け根幅Ｗ 5.5mm 疲労強度 母材Ｍに同等
果が得られた。 完成品肉厚Ｈ２ 燃焼室側の空洞壁２０の肉厚 3.5mm 摩擦圧力 60MPa 摩擦寄り代 3mm アプセット圧力 110MPa アプセット寄り代 4.3mm カール付け根Ｒ 0.75mm カール谷高さＨ１ 1.3mm カール付け根幅Ｗ 5.5mm 疲労強度 母材Ｍに同等
【００３２】上記の結果で明らかなように図５（Ａ）〜
（Ｃ）の何れにおいても、燃焼室側の空洞壁２０の肉厚
は３．５ｍｍでアルミ時の１２ｍｍの１／３に質量が大
幅に低減され、カール１８のカール付け根Ｒ、カール谷
高さＨ１、カール付け根幅Ｗが小さく応力集中が回避さ
れ寿命を延長し、最小化された形状、大きさでありなが
ら、接合強度を確保し、かつ閉断面の冷却用環状空洞１
６内の冷却油の流動を円滑とする。
（Ｃ）の何れにおいても、燃焼室側の空洞壁２０の肉厚
は３．５ｍｍでアルミ時の１２ｍｍの１／３に質量が大
幅に低減され、カール１８のカール付け根Ｒ、カール谷
高さＨ１、カール付け根幅Ｗが小さく応力集中が回避さ
れ寿命を延長し、最小化された形状、大きさでありなが
ら、接合強度を確保し、かつ閉断面の冷却用環状空洞１
６内の冷却油の流動を円滑とする。
【００３３】カールを小さくするときカール付け根Ｒは
０．２ｍｍを発生する。このカール付け根Ｒ０．２ｍの
応力集中係数は母材表面の３倍に達し、０．５ｍｍ〜１
ｍｍで２倍前後のほぼ一定値となる。このカール付け根
Ｒ０．５ｍｍは摩擦圧力２０ＭＰａ〜４０ＭＰａ、アプ
セット加圧１００ＭＰａ〜１１０ＭＰａで得られる。
０．２ｍｍを発生する。このカール付け根Ｒ０．２ｍの
応力集中係数は母材表面の３倍に達し、０．５ｍｍ〜１
ｍｍで２倍前後のほぼ一定値となる。このカール付け根
Ｒ０．５ｍｍは摩擦圧力２０ＭＰａ〜４０ＭＰａ、アプ
セット加圧１００ＭＰａ〜１１０ＭＰａで得られる。
【００３４】カール谷への応力集中はカール谷高さＨ１
が母材Ｍから１ｍｍ以上離すことでカール付け根の応力
集中係数と同等値となる。これは摩擦圧力、摩擦寄り代
及びアプセット圧力の３者で決定されるが、前記１ｍｍ
を最低限値とする。
が母材Ｍから１ｍｍ以上離すことでカール付け根の応力
集中係数と同等値となる。これは摩擦圧力、摩擦寄り代
及びアプセット圧力の３者で決定されるが、前記１ｍｍ
を最低限値とする。
【００３５】カール付け根幅Ｗを１０ｍｍ以上に広くす
ると応力集中によって寿命低下するが３〜１０ｍｍと狭
くした本発明では応力集中が回避され寿命を延長する。
ると応力集中によって寿命低下するが３〜１０ｍｍと狭
くした本発明では応力集中が回避され寿命を延長する。
【００３６】因みに下記の本発明に条件外で製造した場
合についての結果を説明する。 完成品肉厚 燃焼室側の空洞壁肉厚 3.5mm 摩擦圧力 20MPa 摩擦寄り代 0.5mm アプセット圧力 80MPa アプセット寄り代 4.8mm カール付け根 0.15mm カール谷高さ 1.8mm 疲労強度 母材の１／５に低下
合についての結果を説明する。 完成品肉厚 燃焼室側の空洞壁肉厚 3.5mm 摩擦圧力 20MPa 摩擦寄り代 0.5mm アプセット圧力 80MPa アプセット寄り代 4.8mm カール付け根 0.15mm カール谷高さ 1.8mm 疲労強度 母材の１／５に低下
【００３７】エンジン運転に有害でるスケールの除去に
ついて説明する。酸化スケールの成分構造は急速な冷却
過程での短時間反応である。そこで、酸化スケールの生
成防止のために大気中の酸素を排除する。そのために、
クラウン部１とスカート部２の圧接直前に炭酸ガス又は
窒素ガスの不活性ガスを予め閉断面の冷却用環状空洞１
６に設けた穴からブレーキ式回転摩擦圧接機に併設した
ノズルより少なくとも環状空洞容積の少なくとも１／２
量を封入する。これにより、１２００℃前後の高温下の
炭酸ガスの還元反応による一酸化炭素の生成でスケール
の生成防止を阻害される懸念があるが、実験では実用充
分なスケール生成防止効果を得た。尚、より安定な窒素
ガス封入においても、酸素の完全排除しなくとも実用充
分なスケール生成防止効果を得た。
ついて説明する。酸化スケールの成分構造は急速な冷却
過程での短時間反応である。そこで、酸化スケールの生
成防止のために大気中の酸素を排除する。そのために、
クラウン部１とスカート部２の圧接直前に炭酸ガス又は
窒素ガスの不活性ガスを予め閉断面の冷却用環状空洞１
６に設けた穴からブレーキ式回転摩擦圧接機に併設した
ノズルより少なくとも環状空洞容積の少なくとも１／２
量を封入する。これにより、１２００℃前後の高温下の
炭酸ガスの還元反応による一酸化炭素の生成でスケール
の生成防止を阻害される懸念があるが、実験では実用充
分なスケール生成防止効果を得た。尚、より安定な窒素
ガス封入においても、酸素の完全排除しなくとも実用充
分なスケール生成防止効果を得た。
【００３８】
【発明の効果】以上述べたように本発明によると、爆発
圧力によるピストンヘッド部及びリングベルトの変形を
阻止する剛性の高い閉断面の冷却用環状空洞を備えた鋼
製の鍛造ピストンにおいて、前記環状空洞の内外壁を極
力薄くして燃焼室周囲とピストンリング溝底の冷却効果
を向上すると共に、質量を低減した軽量化を可能とし、
閉断面の冷却用環状空洞に圧接時に発生する冷却油の流
動の妨げとなるカールを極力最小化して冷却油の流動を
円滑に保ち、しかもカールの最小化することによってカ
ール付け根Ｒ、カール谷高さ、カール付け根幅への応力
集中を回避した接合強度を確保し、また、同時にエンジ
ン運転に有害であるスケールの除去した品質及び信頼性
の高い鋼製の鍛造ピストンを低コストで提供することが
できる。
圧力によるピストンヘッド部及びリングベルトの変形を
阻止する剛性の高い閉断面の冷却用環状空洞を備えた鋼
製の鍛造ピストンにおいて、前記環状空洞の内外壁を極
力薄くして燃焼室周囲とピストンリング溝底の冷却効果
を向上すると共に、質量を低減した軽量化を可能とし、
閉断面の冷却用環状空洞に圧接時に発生する冷却油の流
動の妨げとなるカールを極力最小化して冷却油の流動を
円滑に保ち、しかもカールの最小化することによってカ
ール付け根Ｒ、カール谷高さ、カール付け根幅への応力
集中を回避した接合強度を確保し、また、同時にエンジ
ン運転に有害であるスケールの除去した品質及び信頼性
の高い鋼製の鍛造ピストンを低コストで提供することが
できる。
【図１】鍛造後のクラウン部とスカート部の断面図
【図２】本発明の実製造方法によってクラウン部とスカ
ート部を接合一体化したピストンの断面図
ート部を接合一体化したピストンの断面図
【図３】所要部位を切削加工仕上げしたピストンの断面
図
図
【図４】閉断面の冷却用環状空洞内に発生したカールを
示す断面図
示す断面図
【図５】本発明の製造方法によるカールの形態の各種を
示す断面図
示す断面図
１ クラウン部
２ スカート部
３ 頂面
４ キャビティ
５ リングベルト
６ 冷却用の環状空洞部（クラウン部側の）
７ 凹部（クラウン部側の）
８ 切削代（クラウン部側の）
９ 冷却用の環状空洞部（スカート部側の）
１０ 凹部（スカート部側の）
１１ 切削代（スカート部側の）
１２ 分割面（クラウン部側の）
１３ 分割面（クラウン部側の）
１４ 分割面（スカート部側の）
１５ 分割面（スカート部側の）
１６ 閉断面の冷却用環状空洞
１８ カール
２０ 環状空洞壁
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 河原 隆幸
群馬県前橋市元総社町395番地の３ 理研
鍛造株式会社内
Ｆターム(参考） 4E067 BG00 DA13 DA17 DB02
Claims (2)
- 【請求項１】 ピストンヘッドのクラウン部とスカート
部とからなり前記クラウン部の頂面にキャビティが形成
され、かつ前記キャビティの周囲に閉断面の冷却用環状
空洞が形成されている内燃機関のピストンの製造方法で
あって、 前記クラウン部とスカート部とを前記冷却用環状空洞部
で上下に分割してそれぞれ鋼材により鍛造成形し、 前記鍛造成形したクラウン部とスカート部の分割面をブ
レーキ式回転摩擦圧接機により、摩擦圧２０ＭＰａ〜８
０ＭＰａ、アプセット加圧力１００ＭＰａ〜１５０ＭＰ
ａ、摩擦寄り代１．０ｍｍ〜６ｍｍ、アプセット寄り代
３ｍｍ〜１０ｍｍの各範囲内で選択し、 圧接により前記冷却用環状空洞部内に生じるカールのカ
ール付け根Ｒは０．２ｍｍ及びカール谷高さＨは母材よ
り１．０ｍｍを最低限値とし、カール付け根幅Ｗは３〜
１０ｍｍの条件で摩擦圧接により一体化することを特徴
とする内燃機関のピストン製造方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の内燃機関のピストン製
造方法において、クラウン部とスカート部との圧接直前
に環状空洞容積の少なくとも１／２量の炭酸ガス又は窒
素ガスを環状空洞内に封入してスケールを除去するよう
にしたことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001207724A JP2003025076A (ja) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | 内燃機関のピストン製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001207724A JP2003025076A (ja) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | 内燃機関のピストン製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003025076A true JP2003025076A (ja) | 2003-01-28 |
Family
ID=19043665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001207724A Pending JP2003025076A (ja) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | 内燃機関のピストン製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003025076A (ja) |
Cited By (16)
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|---|---|---|---|---|
| WO2007031107A1 (de) * | 2005-09-17 | 2007-03-22 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Kolben, insbesondere kühlkanalkolben, mit drei reibschweisszonen |
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-
2001
- 2001-07-09 JP JP2001207724A patent/JP2003025076A/ja active Pending
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