JP2004322211A - ピストンの製造方法、これを行うための器具、及び、これにより得られたピストン - Google Patents

Abstract

【課題】一般的に用いられているスカートの形状を、鍛造工程をより容易に行えるように且つ鍛造の結果得られるものが完成形により近くなるように変更することで、仕上げに必要となる機械加工量を低減する。
【解決手段】金属塊を鍛造することにより、ピストンとなるブランクを得る。金属塊１８はポンチ１２を用いて凹状アンビル１３内で鍛造される。このときポンチによって金属塊の環状領域に凹部を形成すると同時に基部の中央から突出する突起を形成する。ポンチは上記突起を形成可能な開口キャビティ２４を含んでいる。突起には機械加工により連結ロッドのヒンジピンを収容可能な穴が形成されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、スカートと当該スカート内に形成される連結ロッドとの接続手段とを備えたピストン又はピストンの少なくとも一部の製造方法に関する。本発明はまた、その方法を行うための器具、及び、その方法によって得られたあらゆるピストンに関する。本発明は、特に、高出力の内燃エンジンにおける大きな寸法のピストンの製造に適用可能である。

エンジン用ピストンを製造するには、連結ロッドの小端及びヒンジを収容するスカートを少なくとも形成するために、アルミニウムを用いるのが一般である。しかしアルミニウムはここ数年にわたって徐々により強度の高い金属又は合金、特に鋼に取って代えられてきている。

ピストンはたいてい以下の２つの部分を備えている。燃焼室の移動壁を構成するピストンのヘッドは、ピストンのスカートにおける上記とは別の部分にタイ・バーによって固定されている。ピストンのスカートにおける他の部分は、連結ロッドの端部に分岐部を結合するものとして取り付けられた横断ピンであって連結ロッドにヒンジ結合された横断ピンを収容する大きな穴を有する。この部分は、金属塊、例えば鋼の塊を、できるだけ所望の形状及び寸法のブランクが形成されるように、鍛造することにより得られる。またこの部分は、所定の機械加工を施すことによって仕上げられる。

しかしながら、形成すべき上記穴のサイズ及び複雑さに関連して、様々な困難が生じる。通常のピストンのスカートでは、連結ロッドの小端が重心を軸として動くので、上記のような穴が形成されるだけ十分な量の金属を移動させるのは非常に困難である。

ピストンが大きなサイズである場合この問題はさらに顕著になる。例えば、ブランクを形成するのに大きなサイズのスカートを鍛造すると、鍛造工程後の仕上げに、完成したものの重量が略半分になるほどの多くの機械加工が必要となる。

したがってこのような方法では多くの且つ複雑な機械加工作業が必要であると共に、結果的にコストが非常に高くつくということがわかるであろう。

課題を解決するための手段及び効果

本発明は、一般的に用いられているスカートの形状を、鍛造工程をより容易に行えるように且つ鍛造の結果得られるものが完成形により近くなるように変更することで、仕上げに必要となる機械加工量を低減する、という考えに基づくものである。

連結ロッドのヒンジピン又はスタブアクスルを収容する穴が形成された中央ピラーを含むピストンが知られており、連結ロッドはその端部に分岐された２つのブランチを有する。例えば仏国特許第２，１３５，４２９号明細書にこの種の構成が開示されているが、これは、径が略６０ミリメータ（ｍｍ）という小さな寸法のピストンで、アルミニウムからなり且つ全体的に機械加工を施されることにより形成されるピストンに関する。

上記ピストンにおける特有の形状を採用すれば、多くの場合において、鍛造工程がより容易になるということが見出された。これは、上記部分の中央に大きな穴を形成する必要がないので、くり抜いた部分が逆に周囲に移動しやすく、鍛造工程の間に金属がより移動し易くなるからである。したがって、鍛造の結果得られたブランクが完成形により近くなり、仕上げに必要となる機械加工量が低減される。

より詳細には、本発明は、ピストンの少なくとも一部となるブランクを鍛造する工程を備え、前記鍛造工程において、金属塊の環状領域に凹部を形成すると同時に外形が円形である基部の中央から突出する突起を形成し、前記突起が連結ロッドのヒンジピンを収容する穴を形成可能な形状及び寸法であることを特徴とする、ピストンの製造方法に関する。前記連結ロッドは、分岐された２つのブランチを有する。

より効果的には、前記ブランクの突起が、前記基部に向かって広がるように互いに角度をなす実質的に平らな２つの面を有してよい。この形状は、ポンチを取り外すのが容易になるので好ましい。またこれは、突起にその後穴を貫通させるのに好都合な構成である。この構成によると、ピストンのヘッドとピストン軸に直交する上記穴の長手方向の中央平面との間に含まれる上記穴の一部の円柱状領域が、上記穴のその他の領域よりも大きくなる。これは、上記穴内に取り付けられる連結ロッドのヒンジピンに伝達された様々な応力に対応するのに効果的である、という特徴を構成する。

本発明の別の特徴によると、鍛造工程において、実質的に円筒形の外側表面を有すると共にヒンジピン方向（即ち、連結ロッドのヒンジ軸）の両側で互いに対称に延在するよう対向配置された、２つのスカート部も形成する。これら２つのスカート部の間には、前記ヒンジピン方向とほぼ直交する方向に延在するよう２つの大きな切欠きが形成される。

中央の突起の周囲に凹部を形成することによって、２つのスカート部と当該突起自体とが形成されるように、金属が金型内で上方向に移動しやすくなることがわかるであろう。本発明に係る方法は、十分な強度があれば、プレス機内にて行うこともできる。この場合、ブランクは２工程で得られる。本発明に係る方法はまた、ハンマーで打つというより一般的な方法によって行うこともできる。これら両方の場合において用いられる器具は同じである。

本発明はまた、実質的に円筒形の内側壁を有する凹状アンビルと、端面に開口キャビティを含むポンチと、を備えた器具であって、前記開口キャビティが、前記凹状アンビルの端壁に形成される外形が円形の基部から突出する突起を画定可能な形状及び寸法を有し、前記突起には機械加工仕上げにより連結ロッドのヒンジピンを収容可能な穴が形成されるようになっていることを特徴とする、ピストンの少なくとも一部となるブランクを鍛造するための器具を提供する。

本発明はまた、上記方法により得られた滑動するスカートと、鍛造工程により形成された突起を機械加工して得た中央ピラーと、を少なくとも一部に含むピストンであって、前記中央ピラーが連結ロッドのヒンジピンを収容可能な穴を含むことを特徴とするピストンを提供する。

ピストンのヘッドとそのスカートとを別々に形成しない場合でも、当然、単体としてのピストンを製造するのに本発明が適用される。

本発明に関する理解及び本発明における他の効果は、添付図面を参照しつつ一実施形態として挙げられる以下の説明によってより明確となるであろう。

図１は、ピストンの少なくとも一部、特に滑動するスカートと連結ロッドのヒンジ手段とを備えた部分となるブランクを鍛造するための器具１１を示す。図２は、鍛造の結果得られたブランク１５を示す。図３は、機械加工仕上げ後の対応する部品１７を詳細に示す。

器具は、ポンチ１２と、実質的に円筒形の内側壁１４及び外形が円形である端壁１６を有する凹状アンビル１３と、を備えている。凹状アンビル内に金属塊１８（本実施形態では略円柱形の金属塊）を挿入し、アンビル内にポンチ１２を係合させて当該金属塊を変形させることにより、当該アンビル内にブランクが形成される。上述のように、アンビル及びポンチはそれぞれプレスパネル（図示せず）に別々に固定されてよい。また鍛造工程は、上記ポンチを具備するドロップハンマーで打つことによっても行うことができる。他の金属製品、特に可鍛性のより大きな金属を用いて、同様の方法を行ってよい。本発明は、鋼を材料として上述のような部分を鍛造することに限定されない。本発明に係る方法では、上述のような部品を得るのに軽量合金を用いる場合でもコスト効率がよくなり得る。ポンチの外側表面２０は、後述する２つの側陥凹２２を除き、概して円筒形である。当該外側表面２０は、鍛造の目的のため、アンビルの内壁１４と同様に若干傾斜している。

ポンチの端面２５はアンビル１３内に係合され、端面２５には開口キャビティ２４が形成されている。この開口キャビティは、外形が円形の基部３０の中央から突出する突起２８を画定可能な形状及び寸法を有する。基部３０は、アンビルの底部における端壁１６とポンチの端壁２５との間に形成される。ポンチに形成されたこの開口キャビティは実質的に平らな２つの面３２を有し、鍛造の結果得られる突起２８がアンビルの底部に形成された基部３０に向かって広がるよう、これら２つの面３２は互いに角度をなしている。換言すると、開口キャビティがこのような形状であることにより、突起に互いに角度をなす実質的に平らな２つの面３３が形成される。上述したように、突起がこのような形状に形成されることで、鍛造工程に係る目的及び完成形の中央ピラー３４を得るのに必要となる機械加工量を低減するという目的の両方において効果的になる。突起には機械加工仕上げにより連結ロッドのヒンジピン３９を収容可能な穴３６（図３参照）が形成されるようになっている。連結ロッド４０は、図６に詳細に示されているように、その一端に分岐された２つのブランチ４２を有する。ブランチ４２は、突起から得られる中央ピラー３４の両側に位置する。

つまり本発明に係るピストンの製造方法は、ピストンの少なくとも一部（本実施形態では特に、滑動するスカートと連結ロッドとの接続手段とを備えたピストンの基部）となるブランク１５を、図２に示すような形状にする鍛造工程を備えていることを特徴とする。本発明に係る鍛造工程では、金属塊１８の実質的に中央の環状領域に凹部を形成することで、その凹部の内側に、アンビル１３の底部に形成される外形が円形の基部３０の中央から突出する突起２８が残される。基部３０がピストンのヘッド４５を受容する部分であることから、ブランクはその基端部から鍛造される。ピストンのヘッドは一般的な方法により製造され、これは本発明には含まれない。しかしながらピストン全体に対応するブランクを鍛造することは、本発明において想定され得る。

鍛造工程においてさらに、実質的に円筒形の（実際は鍛造工程において必要であることから若干傾斜されている）外側表面を有すると共にヒンジピン方向の両側で互いに対称に対向配置された、２つのスカート部４８を形成する。ここで“ヒンジピン方向”とは、連結ロッドのヒンジピン３９を収容するため後に形成される穴の軸Ｚ方向のことである。これを実現するため、ポンチの外側表面に、２つのスカート部を画定可能な、互いに反対側にある２つの側陥凹が形成されているのがわかるであろう。

同様に、鍛造工程においてこれらスカート部をより容易に形成することができるように、突起とスカート部のそれぞれの内壁との間にウェブ５０が残り得ることが好ましい。これを実現するため、ポンチの各側陥凹２２と突起を形成するための開口キャビティ２４との間に細長穴５２が延在している。

本実施形態では、突起２８とスカート部のそれぞれの内壁との間に小柱５４が残り得る。これを実現するため、上記開口キャビティの内壁に、小柱に対応する凹み５６が形成されている。小柱は突起に沿って盛り上がった形状である。本実施形態の記載からわかるように、ウェブ５０と小柱４３とは同一空間にある。小柱には後に、鍛造の結果得られた部品１７にピストンのヘッド４５を固定するタイ・バーが収容されるよう、穿孔される。

同様に、鍛造工程において基部３０における上記突起が突出する面とは反対側に空洞５７を形成又は少なくとも起こすことが好ましい。より具体的には、凹状アンビルの端壁１６は、後に冷却室の一部を構成する上記空洞５７を形成可能な突出部５８を含む。この突出部は、アンビルの端壁１６の中央に形成された円柱状の凹部６０の端壁から突出している。したがって鍛造の結果得られたブランクは、図２に示すように厚みの異なる２つの部分（即ち、比較的厚みの小さい環状周縁部６１、及び、空洞５７が形成される比較的厚みの大きい中央部６２）を有し且つ外形が円形である基部を含む。

図２からわかるように、突起２８の端部は丸みを帯びている。換言すると、ポンチにおける開口キャビティ２４の端壁自体に丸みがある。

以上に述べた鍛造工程に関する記載から、金属塊１８の中央部分が実際鍛造工程の間にほとんど移動しないことによって、鍛造工程がどれほど容易に行えるようになるかが理解できるであろう。形成すべき上記突起の全周にあたる金属塊の本質的に環状領域に凹部を形成することで、基部３０が形成されると共に、金型の内壁１４と２つの側陥凹２２との間において金属が上方向に移動してこれにより対向する２つのスカート部４８が形成される。一方、側陥凹２２を除いたポンチの外側表面と金型の内面との間には空間が残らないので、図２から明らかであるように、ブランクにおける２つのスカート部の間は完全に囲いの無い状態になっている。

図３、図４、図５、及び図６は、図２に示すブランクに機械加工を施すことにより得られた部品１７を示す。ここで必要となる機械加工は僅かである。２つのスカート部４８の外側表面を円筒状になるよう精密に仕上げ、小柱５４に穿孔し、そして図６に示すようにヒンジピン３９とそのベアリング３９ａとを収容する穴３６を形成する。これにより連結ロッド４０を、分岐され且つ軸回転する２つのブランチを有する連結ロッド４０の小端が上記突起から得られた中央ピラー３４の平らな２つの面と対向するようにして、接続することができる。また、ピストンのヘッドの支持面も機械加工される。

さらに仕上げ加工において、基部に、ピストンのヘッドと共働して中央冷却室７２と連通する環状冷却室７１を画定する溝７０を形成する。好ましくは、鍛造工程の間に溝７０を形成してよい。油は、孔７３を介して中央冷却室７２内に供給されるよう、孔（図示せず）を介して連結ロッド及びヒンジピン内に流入する。したがってこの過程において、連結ロッドの端部にあるヒンジが滑らかになる。空洞５７は、中央冷却室７２の一部を構成する。油は、環状冷却室７１及び基部に貫通する孔７５を介して流出される。このような構成は一般的である。ブランクを機械加工して得た部品は、２つのタイ・ロッドによってピストンのヘッドと組み立てられる。

図５からわかるように、突起を機械加工して得られた中央ピラー３４の特有の形状により、ピストンのヘッド（図５には示されていない）とピストン軸に直交する穴の長手方向の中央平面Ｐとの間に含まれる当該穴の一部の円柱状領域７８ａが、当該穴のその他の円柱状領域７８ｂよりも大きくなる。したがって、他の条件が同じであれば、ピストンの各周期において連結ロッドのヒンジピン３９から伝達される応力を中央ピラーによって効率よく抑制することができる。またヒンジピンの変形に効率よく対応できるよう、中央ピラーの基部近傍にノッチ８０を形成して上記穴の端部をより柔軟にするのが好ましい。

図１〜図６を参照しつつ記載した本実施形態では、中央ピラーと連結ロッドの端部における対向面とが台形形状をなすため、クランクシャフトを用いて連結ロッドを横方向にガイドする必要があり、これは当該クランクシャフトのアームに機械加工を施してガイド側面を形成する必要があることを意味する。そこで好ましくは、ピストンそのものが連結ロッド４０ａをガイド可能な図７に示すような構成としてよい。この構成を実現するため、中央ピラーの末端部を機械加工し、連結ロッドをガイドする２つの平行な表面８２が画定されるよう、中央ピラー３４の傾斜面における端部から高さｈを超す領域を調整する。同様に、連結ロッドの２つのブランチに上記平行な表面８２と対応する平らな２つの平行面８３を形成する。このような構成では、クランクシャフトのアームの側面を調整して連結ロッドの横方向ガイドを形成する必要がない。

金型が部分的に断面で示されている、内燃エンジンのピストンを鍛造するための器具の斜視図である。 鍛造の結果得られたブランクの、鍛造方向における斜視図である。 図２に示すブランクを機械加工仕上げした後の、上記と同一方向における部分斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った、上記鍛造方向と逆方向から見た断面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った、同様に上記鍛造方向と逆方向から見た断面図である。 図５と同じ断面に沿った、連結ロッドが組み込まれた後の完成状態におけるピストンを示す断面図である。 ピストンが連結ロッドを横方向にガイドする変形例を示す図である。

符号の説明

１１ 器具
１２ ポンチ
１３ 凹状アンビル
１５ ブランク
１８ 金属塊
２２ 側陥凹
２４ 開口キャビティ
３４ 中央ピラー
３６ 穴
４８ スカート部
５０ ウェブ
５２ 細長穴
５４ 小柱

Claims (15)

1. ピストンの少なくとも一部となるブランクを鍛造する工程を備え、
   前記鍛造工程において、金属塊の環状領域に凹部を形成すると同時に外形が円形である基部の中央から突出する突起を形成し、
   前記突起が連結ロッドのヒンジピンを収容する穴を形成可能な形状及び寸法であることを特徴とする、ピストンの製造方法。
2. 前記鍛造工程において、実質的に円筒形の外側表面を有すると共にヒンジピン方向の両側で互いに対称に対向配置された、２つのスカート部を形成す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. 前記突起が、前記基部に向かって広がるように互いに角度をなす実質的に平らな２つの面を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のピストンの製造方法。
4. 前記突起と前記スカート部のそれぞれの内壁との間にウェブが残り得ることを特徴とする、請求項２又は３に記載のピストンの製造方法。
5. 前記突起と前記スカート部のそれぞれの内壁との間に小柱が残り得ることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載のピストンの製造方法。
6. 前記鍛造工程が、前記基部における前記突起が突出する面とは反対側に空洞を形成するのに用いられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンの製造方法。
7. 前記ブランクが鋼の塊内に形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンの製造方法。
8. 実質的に円筒形の内側壁を有する凹状アンビルと、端面に開口キャビティを含むポンチと、を備えた器具であって、
   前記開口キャビティが、前記凹状アンビルの端壁に形成される外形が円形の基部から突出する突起を画定可能な形状及び寸法を有し、
   前記突起には機械加工仕上げにより連結ロッドのヒンジピンを収容可能な穴が形成されるようになっていることを特徴とする、ピストンの少なくとも一部となるブランクを鍛造するための器具。
9. 前記ポンチが、ヒンジピン方向の両側で延在するよう対向配置されたピストンの２つのスカート部を画定可能な、互いに反対側にある２つの側陥凹を含むことを特徴とする、請求項８に記載の器具。
10. 前記側陥凹と前記開口キャビティとの間に、スカート部と前記突起との間に延在する２つのウェブを画定するための細長穴が延在していることを特徴とする、請求項８又は９に記載の器具。
11. 前記開口キャビティの内壁に、小柱を画定するための凹みが形成されていることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の器具。
12. 前記開口キャビティが、これにより形成される前記突起が前記基部に向かって広がるよう、互いに角度をなす実質的に平らな２つの面を含むことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の器具。
13. 前記凹状アンビルの端壁が、前記ブランクの前記基部における前記突起が突出する面とは反対側の面に開口する空洞を形成可能な突出部を含むことを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の器具。
14. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法により得られた滑動するスカートと、鍛造工程により形成された突起を機械加工して得た中央ピラーと、を少なくとも一部に含むピストンであって、
    前記中央ピラーが連結ロッドのヒンジピンを収容可能な穴を含むことを特徴とするピストン。
15. 前記ピストンのヘッドとピストン軸に直交する前記穴の長手方向の中央平面との間に含まれる前記穴の一部の円柱状領域が、前記穴のその他の円柱状領域よりも大きいことを特徴とする、請求項１４に記載のピストン。

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