JP2007064129A - Piston for internal combustion engine and method for manufacturing same - Google Patents
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本発明は、内燃機関のピストンに関し、特に、摩擦撹拌処理を利用してリング溝を形成する技術に関する。 The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, and more particularly to a technique for forming a ring groove using a friction stirring process.
周知のように、内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周には、ピストンリングが装着されるリング溝が形成されている。このリング溝の表面には、耐摩耗性を向上するために、例えば特許文献1のようにアルマイト処理が施されていた。 As is well known, a ring groove in which a piston ring is mounted is formed on the outer periphery of a piston that reciprocates in a cylinder of an internal combustion engine. In order to improve the wear resistance, the surface of the ring groove has been subjected to alumite treatment as disclosed in Patent Document 1, for example.
ところで、近年、摩擦撹拌接合技術を応用して被処理部材の表面に摩擦撹拌処理を施す技術が注目されている(特許文献2参照)。この摩擦撹拌処理は、回転工具を被処理部材に挿入した状態で軸回りに回転させながら相対移動させることによって、その表面の組織を微細化するものである。
しかしながら、前者のように、粗大な結晶粒をもつ鋳造アルミニウム合金のような軽合金製のピストンに対し、そのリング溝にアルマイト処理を施すものでは、リング溝表面の粗度が大きく、十分なシール性を確保することが困難であった。また、比較的硬度の低い鋳造アルミニウム合金製のピストンにアルマイト処理を施すだけでは、十分な耐摩耗性を確保することが困難であり、更なる改良が望まれていた。 However, if the ring groove is anodized on a light alloy piston such as a cast aluminum alloy with coarse crystal grains as in the former, the ring groove surface has a large roughness and a sufficient seal. It was difficult to ensure the property. Moreover, it is difficult to ensure sufficient wear resistance simply by subjecting a piston made of cast aluminum alloy having a relatively low hardness to an alumite treatment, and further improvement has been desired.
後者の摩擦撹拌処理では、回転工具を被処理部材から引き抜く際に、ピンを引き抜いた穴が残るという特有の課題があった。 In the latter friction agitation processing, when the rotary tool is pulled out from the member to be processed, there is a specific problem that a hole from which the pin is pulled out remains.
本発明は、摩擦撹拌処理を利用してリング溝を形成する新規な内燃機関のピストン及びその製造法を提供するものである。すなわち、本発明は、内燃機関用の軽合金製のピストンの外周部に、回転工具のピンを挿入した状態で軸回りに回転させながら、ピストンと回転工具とを周方向に相対移動させることによって、摩擦撹拌された摩擦撹拌領域をピストン全周にわたって形成し、この摩擦撹拌領域にリング溝を形成する。 The present invention provides a novel piston for an internal combustion engine in which a ring groove is formed using friction stirring and a method for manufacturing the same. That is, the present invention allows the piston and the rotary tool to move relative to each other in the circumferential direction while rotating around the axis with the pin of the rotary tool inserted into the outer peripheral portion of the light alloy piston for the internal combustion engine. The friction stir zone subjected to friction stir is formed over the entire circumference of the piston, and a ring groove is formed in this friction stir zone.
このようにピストン外周部のリング溝が形成される部分に予め摩擦撹拌処理を施すことにより、その摩擦撹拌領域が動的な再結晶微細化や表面酸化膜の分散化により強化され、この摩擦撹拌領域に形成されるリング溝の耐摩耗性を向上することができる。これにより、ピストンのランド幅を縮小して、ピストンの小型化、軽量化及び排気改善を図ることができる。 In this way, by subjecting the part where the ring groove is formed in the outer periphery of the piston in advance to friction stir processing, the friction stir zone is strengthened by dynamic recrystallization refinement and surface oxide film dispersion. The wear resistance of the ring groove formed in the region can be improved. Thereby, the land width of the piston can be reduced, and the piston can be reduced in size, weight, and exhaust can be improved.
特に、ピストンがアルミニウム合金製である場合には、摩擦撹拌処理によって、粗大なシリコン粒子、金属間化合物及びアルミ相が機械的に微細化される。従って、摩擦撹拌処理が施された後のリング溝にアルマイト処理を施した場合、摩擦撹拌処理が施されていないリング溝にアルマイト処理を施した場合に比して、アルマイト被膜の表面粗さが小さくなり、リング溝とピストンリングとのシール性に優れている。あるいは、例えば比較的小型のエンジン用のピストンではアルマイト処理を省略することができ、その分、作業工数の低減化や作業時間の短縮化を図ることができる。 In particular, when the piston is made of an aluminum alloy, coarse silicon particles, intermetallic compounds, and an aluminum phase are mechanically refined by the friction stir processing. Therefore, when the alumite treatment is applied to the ring groove after the friction stirring treatment, the surface roughness of the alumite coating is smaller than when the ring groove is not subjected to the friction stirring treatment. Smaller and better sealing performance between ring groove and piston ring. Alternatively, for example, an alumite treatment can be omitted for a relatively small piston for an engine, and accordingly, the number of work steps and the work time can be shortened.
本発明によれば、リング溝が形成される部分に予め摩擦撹拌処理を施しているので、リング溝の強度及び耐摩耗性を格段に向上することができる。このため、例えばランド幅を小さくしてピストンの小型化・軽量化を図ることができるとともに、ピストンリングとのシール性を高めて排気性能を向上することができる。しかも、摩擦撹拌による表面処理に特有の課題であるピン抜き穴をリング溝を形成する際に同時に無くすことができる。 According to the present invention, since the friction stir processing is performed in advance on the portion where the ring groove is formed, the strength and wear resistance of the ring groove can be remarkably improved. Therefore, for example, the land width can be reduced to reduce the size and weight of the piston, and the sealing performance with the piston ring can be improved to improve the exhaust performance. Moreover, the pin hole, which is a problem specific to the surface treatment by friction stirring, can be eliminated at the same time when the ring groove is formed.
以下、本発明の好ましい実施の形態を図1〜3を参照して詳細に説明する。被処理部材としてのピストン(母材)10は、内燃機関のシリンダに昇降可能に嵌合されるものであって、軽合金としてのアルミニウム合金により鋳造される。このピストン10の外周には、周知のように、チャンネル形状つまり断面略コ字状をなすリング溝15が形成され、このリング溝15に、シリンダとの隙間を塞ぎつつ油膜を確保するためのピストンリングが装着される。なお、図1や図2ではピストン10をリング溝15(図3参照)等が加工される前の母材状態で示している。
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. A piston (base material) 10 as a member to be processed is fitted to a cylinder of an internal combustion engine so as to be movable up and down, and is cast by an aluminum alloy as a light alloy. As is well known, a
図2にも示すように、摩擦撹拌工具としての回転工具11は、直径の太い円筒(柱)状の基部12の一端より直径の細いピン13が突出している。ピン13が突出する基部12の一端側には、ピン13に対して垂直又は鋭角な面であるショルダ14が形成されている。このピン13が良好にピストン母材10内に入り込むように、好ましくはピン13の外周に雄ネジ状のネジ部13Aが形成されている。
As shown also in FIG. 2, in the
図1の(A)及び(B)に示すように、駆動装置16によって回転工具11の基部12及びピン13を軸回りに回転させながらピストン母材10へ向けて駆動し、ピストン母材10の外周におけるリング溝加工位置に押し込む。これにより、ショルダ14がピストン母材10の表面を押さえ込む形で、ピン13がピストン母材10の内部に押し込まれる。この際、図3に示すように、ピン13の周囲の断面略円錐状・お椀状の摩擦撹拌領域18では、ピン13及びショルダ14とピストン母材10の材料との間で発生する摩擦熱により材料の温度が上昇し、降伏点が降下し、材料内部に挿入された状態で回転しているピン13によって材料が機械的に撹拌され、材料に強ひずみが加えられる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
そして、図1の(B)及び(C)に示すように、回転工具11を一定回転数で軸回りに回転させながら、ピストン母材10と回転工具11とをリング溝中心線(位置)15Aに沿って一定速度及び一定荷重で周方向Y1に相対的に回転させる。この際、駆動装置16により回転工具11を移動しても良く、あるいはピストン母材10を駆動するようにしても良い。この撹拌移動により、回転工具11が通過した後のピン13近傍の摩擦撹拌領域18では、材料が微細な再結晶粒に組織制御され、その強度を高めることができる。また、摩擦撹拌領域18は、撹拌によって鋳物表面に生成されていた硬質な酸化膜が破壊されて分散されることによっても強化される。更に、摩擦撹拌領域18では、摩擦撹拌によって鋳造時に生じる「す」とよばれる空洞部を無くして、このような鋳造欠陥を解消することができる。
Then, as shown in FIGS. 1B and 1C, while rotating the
このようにして回転工具11がピストン母材10の外周をリング溝中心線15Aに沿って周方向Y1に一周したら、回転工具11をピストン母材10から引き抜く。この際、図3に示すように、ピストン母材10には、ピン13を抜いた部分にピン13の大きさに応じたピン抜き穴17が残る。
When the
次いで、摩擦撹拌処理後のピストン母材10に対して、リング溝15を切削加工する。ここで、図3に示すように、ピン13の直径D1は、リング溝15の溝幅D2以下に設定され、かつ、ピン13の高さ寸法H1は、リング溝15の深さ寸法H2以下に設定されている。このようにリング溝15によって切削される部分にピン抜き穴17が形成されており、リング溝15を切削加工することによってピン抜き穴17が消失するので、このピン抜き穴17を後から埋めたりする必要はない。
Next, the
このように本実施例によればリング溝15が形成される部分に予め摩擦撹拌処理を施していることから、リング溝15の強度及び耐摩耗性が格段に向上する。このため、例えばランド幅を小さくしてピストンの小型化・軽量化を図ることができ、かつ、排気HCを低減することができる。しかも、摩擦撹拌による表面処理の特有の課題であるピン抜き穴17も、リング溝15を切削加工すると同時に無くなるので、ピン抜き穴17を後から埋める等の作業が必要ない。
As described above, according to the present embodiment, since the friction stir processing is performed in advance on the portion where the
好ましくは、リング溝15に対して周知のアルマイト処理を施す。ピストン材料であるアルミニウム合金は、鋳造のままでは粗大なシリコン粒子と金属間化合物及びアルミ相で構成されており、硬質なアルマイト皮膜はこのアルミ相のみに形成され、その他の大きなシリコン粒子や金属間化合物には生成されない。そのため、仮に摩擦撹拌処理が施されていないピストン素材のリング溝にアルマイト処理を施すと、シリコン粒子や金属間化合物の分布間隔をひとつのピッチとする凹凸の大きなアルマイト皮膜となって、リング溝の表面粗度が大きくなり、ピストンリングとのシール性が低下し、オイル消費量の増加やブローバイガス流量の増加を招いてしまう。
Preferably, a well-known alumite treatment is performed on the
本実施例では、リング溝15が切削加工される部分に摩擦撹拌処理が施されているので、アルミニウム合金のシリコン粒子、金属間化合物及びアルミ相が微細化・撹拌され、そこに生成するアルマイト被膜の凹凸のピッチは小さくなる。従って、リング溝15の表面粗度が十分に小さくなり、ピストンリングとリング溝15とのシール性が向上し、オイル消費量やブローバイガス流量を十分に低減することができる。
In the present embodiment, since the frictional stirring process is applied to the portion where the
10…ピストン(母材)
11…回転工具
13…ピン
14…ショルダ
15…リング溝
17…ピン抜き穴
18…摩擦撹拌領域
10 ... Piston (base material)
11 ...
Claims (4)
この摩擦撹拌領域にリング溝を形成することを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。 Friction is agitated by moving the piston and the rotary tool relative to each other in the circumferential direction while rotating around the axis with the pin of the rotary tool inserted into the outer periphery of a light alloy piston for an internal combustion engine. A stirring area is formed over the entire circumference of the piston,
A method of manufacturing a piston for an internal combustion engine, wherein a ring groove is formed in the friction stir zone.
ピストン外周部に、回転工具のピンを挿入した状態で軸回りに回転させながら移動させる摩擦撹拌処理により摩擦撹拌領域がピストン全周にわたって形成され、この摩擦撹拌領域にリング溝が形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。 A light alloy piston used in an internal combustion engine,
A friction stir zone is formed over the entire circumference of the piston by a friction stir process that rotates while rotating around the axis with the pin of the rotary tool inserted in the outer periphery of the piston, and a ring groove is formed in this friction stir zone A piston for an internal combustion engine characterized by the above.
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