JP2005344884A - ピストン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リング溝の耐久性をより容易に向上することのできるピストン及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ピストンの外周に、その外周端部が本来の寸法よりも幅狭となるようにリング溝１１を粗成形した後、その幅狭に形成された外周端部の溝幅を本来の寸法に仕上げるべく、リング溝１１にロール加工を施す。ロール加工において、本来の寸法よりも幅狭とされた外周端部は、塑性変形によって表面層が圧縮され、加工硬化による硬化層が形成される。これにより、最も摩耗し易い外周端部の表面を容易且つ的確に硬化させて、リング溝１１の摩耗に対する耐久性を向上することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ピストンリング装着用のリング溝が外周に形成されたピストン及びそうしたピストンを製造する方法に関し、特にリング溝の耐久性を向上するための構造及び製造方法の改良に関する。

内燃機関のピストンには、燃焼室の気密保持やオイルの燃焼室への侵入を防止するためのピストンリングが取り付けられている。ピストンリングは、ピストン外周に形成されたリング溝（リンググルーブ）に装着される。一般に内燃機関では、２種類のピストンリング、すなわち上記気密保持の役割を主として担うコンプレッションリングとシリンダ壁面の余剰したオイルを掻き落とす役割を主として担うオイルリングとが設けられている。

機関運転中の高温高圧の環境下でピストンが動作されると、リング溝がピストンリングに叩かれたり、凝着したりすることでリング溝が摩耗する。この摩耗は、リング溝の外周端部から進行し、リング溝を図５のような外周端部の広がったラッパ形状としてしまう。こうしたリング溝の摩耗は、ピストンリングにがたつきを生じさせ、気密性の低下やピストンリングの凝着を招いてしまう。特にトップリングのリング溝は、燃焼室内の燃焼圧がリングに直接作用して極めて高い面圧を受けることから、摩耗が進行し易くなっている。

そこで従来、摩耗へのリング溝の耐久性を向上させる技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。同文献では、リング溝をめっき層によって被覆するとともに、そのめっき層をレーザー照射によって局所的に加熱して、リング溝表面に硬化層を形成するようにしている。

こうしてリング溝表面に硬化層を形成すれば、リング溝の耐久性は確かに向上される。しかしながら、めっき処理やレーザー加熱処理など、工程が複雑で、ピストンの製造コストの増大を招いてしまう。
特開平０５−３０６６５０号

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、リング溝の耐久性をより容易に向上することのできるピストン及びその製造方法を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果を記載する。
請求項１に記載の発明は、ピストンリング装着用のリング溝が外周に形成されたピストンであって、加工硬化による硬化層を前記リング溝の表面に形成したことをその要旨とする。

上記ピストンでは、摩耗に対する耐久性を向上させるための硬化層が、リング溝表面の機械加工に伴う加工硬化によって形成されているため、リング溝の耐久性を、比較的簡易な工程のみで容易に向上することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピストンにおいて、前記硬化層が、前記リング溝の外周端部の表面がその内周側の表面に比して硬くなるように形成されていることをその要旨とする。

上記ピストンでは、特に摩耗し易いリング溝の外周端部の表面が重点的に硬化されているため、リング溝の耐久性を効率的に向上することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のピストンにおいて、前記硬化層が、前記リング溝の塑性加工にて形成されていることをその要旨とする。

上記のように塑性加工を用いれば、加工硬化による硬化層を的確に形成することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載のピストンにおいて、前記硬化層が、前記リング溝のロール加工にて形成されていることをその要旨とする。

ここでのロール加工とは、加工対象に対して十分に硬いローラを加工対象の表面に回転圧縮接触させることで、加工対象の表面層に塑性変形を与えて表面仕上げを行う塑性加工の一種であり、ローラバニシングとも呼ばれる。こうしたロール加工を用いれば、ピストン外周を周回するリング溝の全長に渡って容易に塑性加工を施すことができる。そのため、リング溝の耐久性の向上を更に容易に図ることができる。

請求項５に記載の発明は、ピストンリング装着用のリング溝が外周に形成されたピストンを製造する方法であって、外周端部が本来の寸法よりも幅狭となるように前記リング溝を粗形成する工程と、その幅狭に形成された前記外周端部の溝幅を塑性加工によって本来の寸法に仕上げる工程と、を有することをその要旨とする。

上記方法では、粗成形時に幅狭に形成されたリング溝の外周端部の溝幅が塑性加工によって広げられる際に、その外周端部の表面が押し潰されて加工硬化による硬化層が形成される。そのため、特に摩耗し易いリング溝外周端部の表面に、簡易な工程のみで容易に硬化層を形成することができ、リング溝の耐久性を容易に向上することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のピストンの製造方法において、前記塑性加工を、前記リング溝のロール加工にて行うことをその要旨とする。
上述したように、リング溝の塑性加工にロール加工を用いれば、リング溝の耐久性の向上を更に容易に図ることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の適用対象となるピストン１０の断面構造を示す。なお図１（ｂ）は、同図（ａ）の二点鎖線円Ｂで示された、ピストン１０のリング溝付近の拡大断面構造を示している。

ピストン１０の上部外周には、３つのリング溝１１〜１３が形成されている。これらリング溝１１〜１３にはそれぞれピストンリング１４〜１６が装着される。これらピストンリングのうち、上部２つのリング溝１１，１２に装着されるピストンリング１４，１５は、主として燃焼室の気密保持の役割を担う第１及び第２のコンプレッションリングとなっている。また最下部のリング溝１３に装着されるピストンリング１６は、主としてシリンダ壁面の余剰オイルの掻き落としの役割を担うオイルリングとなっている。

このピストン１０の３つのリング溝１１〜１３のうち、最上部のリング溝１１は、最も摩耗し易くなっている。これは、ピストン１０の配設された気筒の膨張行程に、トップリングであるピストンリング１４には、燃焼圧が直接作用し、その作用を受けたピストンリング１４がリング溝１１を極めて高い面圧で押圧するからである。

そうしたリング溝１１の表面には、その外周端部の表面がその内周側の表面に比して硬くなるように加工硬化による硬化層が形成されている。これにより、特に摩耗が生じ易い外周端部表面の硬さを高められ、リング溝１１の摩耗に対する耐久性が効果的に向上されている。

こうした硬化層は、ピストン１０の製造過程で形成されている。以下、ピストン１０の製造手順を説明する。
《ピストン１０の製造工程》
ピストン１０の製造工程は大きくは、鋳造工程、熱処理工程及び加工工程に分けられる。

鋳造工程では、材料の溶解、鋳造、湯口切、粗加工等が行われる。熱処理工程では、鋳造工程で形成されたピストン１０の粗成形品に対して、焼き入れ、焼き戻し、硬さ検査等が行われる。そして加工工程では、熱処理の施されたピストン１０の粗成形品を所望とする形状や寸法に仕上げるための機械加工が行われ、また寸法検査や表面処理等も行われる。

ピストン１０外周へのリング溝１１〜１３の形成は、加工工程に行われる。このとき、リング溝１２，１３は、切削加工のみでその寸法・形状が仕上げられる。一方、上記硬化層が形成されるリング溝１１は、切削加工で粗成形した後、更にロール加工（ローラバニシング）を施してその寸法・形状が仕上げられる。

図２（ａ）は、切削加工によって粗成形されたリング溝１１の断面図である。同図に示すように、切削加工においては、リング溝１１の外周端部に、溝内側に隆起した突出部１７をあえて残すようにしている。そのため、粗成形されたリング溝１１では、その外周端部が本来の寸法よりも幅狭とされている。

切削加工後、リング溝１１は、ロール加工によって上記のように隆起された外周端部の溝幅を広げられ、図２（ｂ）に示すような所望とされる寸法・形状に仕上げられる。そしてこのロール加工によって、リング溝１１の外周端部の表面に、加工硬化による硬化層が形成される。

ロール加工は塑性加工の一種で、図３に示すようなローラ１８を用いて行われる。ローラ１８は、硬くて表面の滑らかな略円盤形状に形成され、その外周部の断面形状は、仕上げ後のリング溝１１の断面形状と同一とされている。

そうしたローラ１８がリング溝１１に圧縮回転接触されると、その押圧によってリング溝１１の表面層が塑性変形され、リング溝１１が所望とする寸法・形状に仕上げられる。このとき、ローラ１８は、幅狭とされたリング溝１１の外周端部の溝幅を本来の寸法まで広げるべく、上記突出部１７を押し潰す。こうして突出部１７の押し潰されたリング溝１１外周端部では、その表面下の密度が高くなる。そのため、リング溝１１の外周端部の表面に、その内周側の溝表面に比して密度が高くて硬い硬化層が形成される。

以上説明した本実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）ロール加工による加工硬化によって硬化層を形成しているため、リング溝１１の摩耗に対する耐久性を容易に向上することができる。

（２）最も摩耗し易いリング溝１１の外周端部の表面がその内周側の表面に比して硬くなるように加工硬化による硬化層が形成されるため、リング溝１１の耐久性を効果的に向上することができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について、図４を併せ参照して、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、粗成形におけるリング溝１１の形状が、図４（ａ）のように変更されている。すなわち、本実施形態では、粗成形においてリング溝１１を、外周端部から内周側に向かうにつれて溝幅が順次大きくなるように形成している。

こうして粗形成されたリング溝１１は、その外周端部はやはり本来の寸法よりも幅狭とされている。よって仕上げのためのロール加工が施されると、本来の寸法よりも幅狭とされた部分１９では、塑性変形によって表面層が圧縮され、加工硬化による硬化層が形成される。このとき、粗成形時により幅狭に形成されたリング溝１１の外周端部の表面は、その内周側の表面に比して硬くなる。そのため、この場合にも、最も摩耗し易いリング溝１１の外周端部を、容易且つ的確に硬化させることができる。

上記各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・リング溝１１が上記実施形態のものとは異なる形状に仕上げられる場合にも、上記実施形態と同様の加工を通じて、そのリング溝の外周端部の表面に加工硬化による硬化層を形成することができる。

・リング溝１１の寸法・形状の仕上げを、ロール加工以外の塑性加工を用いて行うようにしても良い。
・トップリング用以外のリング溝１２，１３についても、リング溝１１と同様の加工を行って、加工硬化による硬化層を形成するようにしても良い。

・リング溝の本数、断面形状等の異なるピストンにも、本発明は上記実施形態と同様に適用することができる。
・鍛造等の鋳造以外の方法で製造されるピストンにも、上記実施形態と同様にしてリング溝を形成すれば、同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態についてそのピストンの（ａ）部分断面図及び（ｂ）拡大断面図。 同ピストンのリング溝の（ａ）粗成形時及び（ｂ）ロール加工後の断面図。 同ピストンのリング溝へのロール加工態様を示す図。 上記実施形態の変形例についてそのピストンのリング溝の（ａ）粗成形時及び（ｂ）ロール加工後の断面図。 従来のピストンでのリング溝の摩耗形態を示す図。

符号の説明

１０…ピストン、１１〜１３…リング溝、１４〜１６…ピストンリング、１７…突出部、１８…ローラ。

Claims (6)

1. ピストンリング装着用のリング溝が外周に形成されたピストンであって、加工硬化による硬化層を前記リング溝の表面に形成したことを特徴とするピストン。
2. 前記硬化層は、前記リング溝の外周端部の表面がその内周側の表面に比して硬くなるように形成されてなる請求項１に記載のピストン。
3. 前記硬化層は、塑性加工により形成されてなる請求項１又は２に記載のピストン。
4. 前記硬化層は、リング溝表面のロール加工により形成されてなる請求項１又は２に記載のピストン。
5. ピストンリング装着用のリング溝が外周に形成されたピストンを製造する方法であって、
   外周端部が本来の寸法よりも幅狭となるように前記リング溝を粗形成する工程と、
   その幅狭に形成された前記外周端部の溝幅を塑性加工によって本来の寸法に仕上げる工程と、
   を有することを特徴とするピストンの製造方法。
6. 前記塑性加工を、リング溝表面のロール加工により行う請求項５に記載のピストンの製造方法。

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