JP2004516144A - シリンダーヘッド鋳造のための中子アッセンブリ法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】接着剤、ネジその他の締結具のような異材を使用せず、中子要素自身を形成するのと同じ中子砂及び樹脂を使って、中子要素を一体に締結する方法を提供する。中子要素の間の境界面を跨ぐ穴又はキャビティ（５１、２１）内の硬化した中子砂と樹脂（１３）のボディによって、中子砂要素はアッセンブリ状態に保持される。中子砂要素には、整列させることのできる穴（１１ａ、１２ａ）又はキャビティが設けられ、その中に、中子砂と硬化性樹脂、望ましくは中子砂要素を形成する際に使用したのと同じ樹脂、の混合物を加え、硬化性樹脂を硬化させて、望ましくは中子砂要素に粘着し中子砂要素を一体に締結する、硬化した中子砂と樹脂のボディを形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、内燃機関用のシリンダーヘッドを鋳造するための方法に、より詳細には、中子アッセンブリの中子要素をアッセンブリする方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
内燃機関用シリンダーヘッドの製造は、難しい製造上の問題を抱えている。内燃機関のシリンダーヘッドは、火花点火式のガソリン内燃機関用であれ、圧縮着火式のディーゼル機関用であれ、製造に多くの要件がある複雑な部品である。シリンダーヘッドは、一般的には、エンジンシリンダーを閉鎖して内燃機関を駆動する何回もの燃料爆発を閉じ込め、シリンダーへの吸気用及びエンジン排気用の個別の通路を提供し、吸気とエンジン排気を制御するために必要な多数の弁を装備し、シリンダーヘッドから熱を取り除くための冷却液用の個別の通路を提供し、更に、燃料噴射器用の個別の通路と燃料噴射器を操作するための手段を提供することができる。
【０００３】
シリンダーヘッドの複雑な通路とキャビティを形成する壁は、内燃機関の運転によって生じる極端な内圧、温度及び温度変動に耐えなければならず、圧縮着火式のディーゼルエンジンでは特に強くなければならない。一方、シリンダーヘッドの内部壁は、特に冷却液通路とシリンダー蓋部の間の壁は、シリンダーヘッドからの熱を効果的に伝達できることが望ましく、また、重量とコストを下げるため、シリンダーヘッドに含まれている金属の量が最小であることも重要なことである。
【０００４】
これらの相反する要件のために、信頼性の高いシリンダーヘッドの製造が困難になる。更に、これら複雑な部品が色々なところで作られて車に組み立てられるが、その車は多様な作動条件の下で高い信頼性を発揮しなければならない。シリンダーヘッドの交換には費用がかかるため、信頼性の高いシリンダーヘッドの製造は特別に重要である。従って、その様なシリンダーヘッドの製造は、近年世界中のエンジン及び自動車製造業者が開発に努力を傾ける課題となっている。
【０００５】
シリンダーヘッドの最も一般的な製造法は、鉄系の合金を使った鋳造である。シリンダーを閉じ、吸排気弁と燃料噴射器を装備し、吸気、排気及び冷却液用の通路を提供するシリンダーヘッド部分の鋳造には、複数の中子要素を担う鋳型が必要である。内燃機関のシリンダーヘッドを効果的に冷却し、シリンダーに対し効果的に吸気及び排気するには、吸気及び排気用の通路を、シリンダーヘッド部内で冷却液通路と、最良の状態で組み合わせられることになる。冷却液、吸気及び排気用のキャビティは、勿論、鋳造金属が固体化したときには除去することのできる鋳型内中子要素で形成しなければならない。
その様な中子要素は、中子砂と硬化性樹脂の混合物で形成され、硬化すると、硬化前に付与された形状を保ち、鋳物が固体化した後、中子砂及び樹脂の残留物は鋳物から除去される。
【０００６】
最近の開発の結果として、中子アッセンブリは、複数の中子要素を中子アッセンブリ内に配置するため相互に係合する表面を有する複数の中子要素により構成されている。例えば、ヘッド中子アッセンブリは、ワンピースの冷却液ジャケット中子、ワンピースの排気中子、ワンピースの吸気中子を、アッセンブリする間に相互係合させたアッセンブリで形成することができるが、その様なアッセンブリを、アッセンブリ後の取り扱い及び鋳造の間に一体のユニットとして維持するため、中子要素は一体に締結しておかねばならない。今までは、中子アッセンブリを、その取り扱いと注湯の間、完全な形に維持するため、接着剤及び／又はネジを使用して、少なくとも２つの中子要素を一体に締結してきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
その様な接着剤を使用するためには、接着剤は、中子要素上に容易に塗ることができ、できるだけ短時間で固まり、鋳造工程の間、中子要素を一体に保ってその位置を維持し、鋳造金属が固体化した後、鋳物から除去できるものでなければならない。その結果、この方法は、中子要素間の境界面に信頼性を欠く恐れがあるため、相当なコストを要し、信頼性を欠く鋳造となる恐れを残している。鋳造の間、接着剤が中子要素を一体に維持する信頼性を保つために、作業者は接着剤を正しく塗布する必要がある。更に、この方法は、接着剤を塗布し、中子要素を一体にアッセンブリし、中子要素を鋳造に使用できるようにする前に接着剤を硬化させるのに時間を要し、しかも、固体化した鋳物内に閉じ込められ欠陥を生じる恐れのあるガスを発生するかもしれない接着剤の形態をした不必要な異物要素を、鋳型内に持ち込むことになる。
中子要素を一体に締結するのに接着剤を用いるのは難しいので、中子アッセンブリの中子要素を一体に締結するのに、ネジが好んで使用されている。中子要素を一体に締結するのにネジを使うと、中子要素のアッセンブリ精度は上がるが、ネジを鋳型内に持ち込むことになり、鋳物が固体化した後ネジが除去されず、組み立てたエンジンの故障の原因となる恐れもある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、接着剤、ネジその他の締結具のような異材を使用せず、代わりに中子要素自身を形成するのと同じ中子砂及び樹脂を使って、アッセンブリされた中子要素を一体に締結する方法を提供する。
【０００９】
本発明では、中子砂要素は、中子要素間の境界面を跨ぎ、中子砂要素同士を一体に締結する硬化した中子砂及び樹脂のボディにより、アッセンブリ状態に保持される。中子砂要素同士は、中子砂要素に整列させることのできる穴又はキャビティを設け、中子砂と硬化性樹脂、好ましくは中子砂要素を形成するのに用いたのと同じ樹脂、の混合物を中子要素の穴又はキャビティに挿入して穴又はキャビティ及び境界面に未硬化の中子砂／樹脂を形成し、硬化性樹脂を硬化して硬化された中子砂及び樹脂のボディを形成し、好適に中子砂要素に粘着して中子砂要素同士を一体に締結する、ことにより一体に締結されれる。本発明の或る好適な方法では、アッセンブリ要素をアッセンブリした後、穴を穿孔し、中子砂と未硬化樹脂の流動性混合物を穿孔した穴に詰め込んで、硬化した中子砂／樹脂の締結要素とアッセンブリされた中子要素の穴表面との間の接着性を改良する。
【００１０】
本発明のこの他のステップ、特徴、利点は、当業者には、添付図面、及び以下の本発明の最良の既知の実施形態の詳細な説明から理解頂けるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による、中子要素１１、１２から成るアッセンブリ（組立体）１０を示しており、中子要素１１、１２は、共に中子砂と硬化した樹脂で形成されており、この樹脂は、当該技術分野では周知のフェノールウレタン・コールドボックス法で使用されるような樹脂で、フェノール樹脂とイソシアン酸塩樹脂から成り、両者を５５対４５で混合し、鋳型要素形成後、トリエチルアミン触媒で硬化したものである。本発明によれば、中子要素１１及び１２は、中子要素１１及び１２を構成する硬化した中子砂及び樹脂と同じ材料のボディ１３で接合されている。図１に示すように、整列可能な穴１１ａ及び１２ａが、中子要素１１及び１２に形成されており、整列させた穴１１ａ及び１２ａには、中子要素１１及び１２の間の境界面１４を跨ぎ、穴１１ａ及び１２ａを形成する表面に好適に粘着する、硬化した中子砂及び樹脂のボディ１３が充填されている。
【００１２】
図２Ａ−２Ｄは、２つの中子砂要素を、両者の境界面を跨ぐ硬化された中子砂及び樹脂のボディでアッセンブリ状態に保持する好適な方法を示している。図示の方法では、第１中子要素１１が第２中子要素１２対して、図２Ａに矢印で示すように配置される。中子要素１１及び１２をアッセンブリした後、アッセンブリされた中子要素に、望ましくはドリル１５を使って、図２Ｂに両矢印で示すように、整列した穴１１ａ及び１２ａを設ける。穴１１ａ及び１２ａは、中子要素１１及び１２をアッセンブリした後、図２Ｂに示すように穿孔して設け、中子要素１１及び１２の穴１１ａ及び１２ａを形成する表面が、硬化した中子／樹脂締結ボディ１３との付着を受け入れ易いようにするのが望ましいが、個々の中子要素を形成する際に中子要素内に円筒形ではない形状の整列させることのできる穴又はキャビティを形成してもよい。中子要素１１及び１２をアッセンブリし整列した穴１１ａ及び１２ａを設けた後、アッセンブリされた中子要素に、裏当て板１６、望ましくは空気を逃がす孔（例えば１７）が十分に開いた裏当て板を当て、未硬化の中子砂と樹脂の流動性混合物１３ａを、整列した孔１１ａ、１２ａ内に、少なくとも境界面１４を跨ぐまで、加え、詰め込む。裏当て板１６を取り外した後、未硬化の中子砂樹脂混合物を孔１１ａ及び１２ａ内で硬化し、中子要素１１及び１２をアッセンブリ状態１０に保持する、硬化された中子砂と樹脂のボディ１３を形成する（図２Ｄ）。
【００１３】
図３は、例として、本発明によって、ヘッド中子アッセンブリ状態に、一体に締結することのできる幾つかのヘッド中子要素を示している。
【００１４】
本発明の方法によってシリンダーヘッドを鋳造する際、例えば、複数の中子支持・位置決め表面を有するワンピースの冷却液ジャケット中子３０と、複数の中子支持・位置決め表面を有するフレーム中子２０が設けられ、ワンピースの冷却液ジャケット中子３０は、冷却液ジャケット中子とフレーム中子の対応する支持・位置決め表面を係合することによって、フレーム中子上に支持・位置決めされる。図３に示すように、冷却液ジャケット中子３０は、ワンピースの冷却液ジャケット中子の支持・位置決め表面、例えば３３を、フレーム中子２０の支持・位置決め表面、例えば２３と係合させて、フレーム中子２０内へ降ろされる。４６のような複数の中子支持部分を備えた４２のような複数の排気通路形成部を有するワンピースの排気中子４０は、排気中子から横方向外側に冷却液ジャケット中子３０内の開口（図示せず）を通って突き出る、細長い排気通路形成部分、例えば４２、を伸ばすことによって、アッセンブリされたフレーム中子と冷却液ジャケット中子の中へ挿入され、ワンピースの排気中子４０は、排気中子とフレーム中子の複数の対応する中子支持・係合表面、例えば排気中子の４３、４４とフレーム中子の２５、２６とを係合させることによって、アッセンブリ内に支持・位置決めされる。フレーム中子２０、冷却液ジャケット中子３０、及び排気中子４０と係合できるようになっている複数の中子支持・位置決め表面を有する吸気中子５０は、各中子要素がヘッド中子アッセンブリを形成するよう一体に位置決めされた中子アッセンブリ１００を完成する。吸気中子５０は、フレームから横方向外側に伸びる複数の吸気通路形成部分、例えば５４を提供し、吸気中子５０は、複数の中子支持・位置決め表面、例えば５２、５３、５４を、対応するフレーム中子、冷却液ジャケット及び排気中子の支持・位置決め表面、例えば、フレーム中子の２７、冷却液ジャケット中子の３３、及び排気中子の４５、４７と係合させ、各中子要素を、係合によって一体のユニットにロックすることにより、アッセンブリされたフレーム中子２０、冷却液ジャケット中子３０、及び排気中子４０の上に配置される。締結中子要素を有する中子アッセンブリについては、米国特許第５，１１９，８８１号に更に詳しく記述されている。
【００１５】
図１及び２に関係付けて説明し図４に示すように、本発明では、例えば、吸気中子５０とフレーム中子２０をアッセンブリした後で穴５１、２１を穿孔することによって、吸気中子５０とフレーム中子２０に、穴又はキャビティ５１及び２１を設ける。図４に示すように、中子砂と未硬化の樹脂、望ましくは中子５０及び２０を形成する際に使ったのと同じ樹脂、の混合物を、整列した穴又はキャビティ５１、２１に入れて、望ましくは詰め込み、樹脂を硬化させて硬化した中子砂樹脂の締結要素６０を形成し、アッセンブリされた中子要素２０、３０、４０、５０をこの締結要素６０で一体に締結しヘッド中子アッセンブリ１００とする。図４には、例として、穴５１、２１を一組、硬化した中子砂／樹脂締結ボディ６０を１つだけ示しているが、当業者には理解頂けるように、中子要素２０、３０、４０、５０又はその中の何れか２つを組にしたものに、硬化した中子砂／樹脂の締結具を必要に応じ適宜設けてもよい。
【００１６】
図５は、本発明の中子アッセンブリ１００を、シリンダーヘッドを鋳造するための鋳型内にどの様にアッセンブリするかを示している。中子アッセンブリ１００は、下型１０５内に載置される。中子アッセンブリ１００を下型１０５内の適所に位置決めした状態で、上型１１０を適所まで降ろし、図６に示すような密閉鋳型１２０を形成する。当該技術分野では周知のように、溶融した金属を密閉鋳型１２０内に注げば、鋳物が固体化した後、硬化した中子砂／樹脂締結具ボディ６０の残留物を、中子要素２０、３０、４０、５０を構成する中子砂及び樹脂の残留物と共に、鋳物から取り除くことができる。
【００１７】
図７は、中子要素７１、７２から成る本発明のアッセンブリ７０を示したものであるが、中子要素７１、７２は、共に、中子砂と硬化した樹脂で形成され、テーパの付いた面を有するキャビティ７１ａ、７２ａが設けられている。中子砂と未硬化の樹脂の混合物をキャビティ７１ａ、７２ａに加えると、キャビティ７１ａ、７２ａのテーパの付いた表面と係合する中子砂と樹脂のボディ７３が形成され、未硬化の樹脂を硬化させると、要素７１、７２を一体に連結する中子砂と樹脂の硬化された固体ボディ７３が形成される。中子砂要素が成形される際に形成されるキャビティ７１ａ、７２ａは、直線又はテーパ付の側面を有する正方形、長方形又は多角形など、多種多様な内部形状及び構造を有することができる。
【００１８】
当業者には自明であるように、中子要素は、シリンダーヘッド毎に設計が違うし、圧縮着火のディーゼルエンジンとガソリンエンジンでも異なり、また様々な中子要素を配置・支持し、硬化された中子砂／樹脂締結ボディを、上に示し説明したものとは異なる位置に、異なる方法で設けることもできる。
【００１９】
以上、本発明を実施するのに現在知られている最も優れた実施形態を示し、説明してきたが、当業者には、特許請求の範囲に述べる範囲内で本発明を実施するのに、この他の実施形態及び方法も考えられることを理解頂けるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の方法により、アッセンブリ状態に一体に締結された中子要素の断面図である。
【図２Ａ】
本発明の好適な方法を図解的に示す。
【図２Ｂ】
本発明の好適な方法を図解的に示す。
【図２Ｃ】
本発明の好適な方法を図解的に示す。
【図２Ｄ】
本発明の好適な方法を図解的に示す。
【図３】
例として、本発明によって一体に締結することのできる幾つかのヘッド中子要素を示す。
【図４】
図３のヘッド中子アッセンブリが、本発明によって一体に締結された状態を示す。
【図５】
図４の締結されたヘッド中子アッセンブリが、生砂型とアッセンブリされている状態を図解的に示す。
【図６】
鋳造に向けて、ヘッド中子アッセンブリと生砂型が締結された状態を図解的に示す。
【図７】
事前成形されたキャビティを有する中子要素同士が、本発明のアッセンブリで連結係合した状態を示す。

Claims (9)

1. シリンダーヘッドを鋳造する方法において、
   少なくとも１つの中子支持・位置決め表面を有するフレーム中子を準備するステップと、
   少なくとも１つの中子支持・位置決め表面を有するワンピースの冷却液ジャケット中子を準備するステップと、
   前記ワンピースの冷却液ジャケット中子を、前記冷却液ジャケット中子の前記中子支持・位置決め表面を前記フレーム中子と係合させることによって、前記フレーム中子上に位置決めするステップと、
   横方向に伸びる複数の排気通路形成部分と、少なくとも１つの中子支持・位置決め表面を有するワンピースの排気中子を準備するステップと、
   前記ワンピースの排気中子を、その少なくとも１つの中子支持・位置決め表面を、アッセンブリされたフレーム中子及び冷却液ジャケット中子と係合させることによって、前記アッセンブリされたフレーム中子及び冷却液ジャケット中子上に位置決めするステップと、
   複数の吸気通路形成部分と、少なくとも１つの中子支持・位置決め表面を有する吸気中子を準備するステップと、
   前記吸気中子を、その少なくとも１つの中子支持・位置決め表面を、アッセンブリされたフレーム中子、冷却液ジャケット中子及び排気中子と係合させることによって、前記アッセンブリされたフレーム中子、冷却液ジャケット中子及び排気中子上に位置決めするステップと、
   前記アッセンブリされた中子を通して複数の穴を穿孔するステップと、
   中子砂とそれ用の硬化性樹脂の混合物を前記複数の穴の中に加えるステップと、
   前記樹脂を硬化させて、前記アッセンブリされた中子を一体のアッセンブリに保持するステップと、から成ることを特徴とする方法。
2. 前記フレーム中子と、前記ワンピースの冷却液ジャケット中子と、前記ワンピースの排気中子と、前記吸気中子は、中子砂と硬化した樹脂で形成されており、前記硬化性樹脂は、前記アッセンブリされた中子に使われた樹脂と同じ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 内燃機関ヘッド鋳造アッセンブリ用の少なくとも２つの中子砂要素のアッセンブリ法において、前記少なくとも２つの中子砂要素を、前記少なくとも２つの中子砂要素の間の境界面を跨る硬化した中子砂及び樹脂のボディによって、アッセンブリされた状態に保持するステップを含んでいることを特徴とする改良。
4. 少なくとも２つの中子砂要素を備えている内燃機関ヘッド鋳造アッセンブリのアッセンブリ法において、前記ヘッド鋳造アッセンブリの前記少なくとも２つの中子砂要素を、アッセンブリ状態の前記少なくとも２つの中子砂要素を跨ぐ少なくとも１つのキャビティを設け、中子砂と硬化性樹脂の混合物を前記少なくとも１つのキャビティ内に挿入し、前記樹脂を硬化させて前記少なくとも２つの中子砂要素を一体に締結する少なくとも１つの硬化した中子砂／樹脂ボディを形成することによって一体に締結するステップを含んでいることを特徴とする改良。
5. 前記少なくとも２つの中子砂要素は、アッセンブリされ、前記少なくとも２つのアッセンブリされた中子砂要素内に、穿孔によって少なくとも１つのキャビティが設けられることを特徴とする請求項４に記載の改良。
6. 前記少なくとも２つの中子砂要素には、それぞれ、整列させることのできるキャビティ部分が形成されており、前記少なくとも２つの中子砂要素の前記整列させることのできるキャビティ部分は、ヘッド中子アッセンブリにおいて整列させて前記少なくとも１つのキャビティを形成することを特徴とする請求項４に記載の改良。
7. 前記少なくとも２つの中子砂要素それぞれの前記キャビティ部分はテーパの付いた壁で形成されており、前記少なくとも２つの中子砂要素それぞれの前記テーパの付いたキャビティの壁は、ヘッド鋳造アッセンブリ状態の前記少なくとも２つの中子砂要素の境界面から外側に向かって広がっていることを特徴とする請求項６に記載の改良。
8. 少なくとも２つの中子砂要素を内燃機関鋳造のためにアッセンブリ状態にアッセンブリし保持する方法において、前記少なくとも２つの中子砂要素それぞれに整列させることのできる穴を設けるステップと、前記少なくとも２つの中子砂要素の前記穴を整列させるステップと、中子砂と硬化性樹脂の未硬化の混合物を前記整列した穴に入れるステップと、前記硬化性樹脂を硬化させて、前記少なくとも２つの中子砂要素を前記硬化した中子砂と樹脂でアッセンブリ状態に保持するステップと、から成ることを特徴とする方法。
9. 前記整列させることのできる穴は、前記少なくとも２つの中子砂要素を通って伸張しており、前記中子砂と硬化性樹脂の未硬化の混合物を前記整列した穴に入れる前に、前記整列させることのできる穴の少なくとも１つを孔の開いた裏当て板で覆うことを特徴とする請求項８に記載の方法。