JP2009074365A - 内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

内燃機関用ピストンの製造方法 Download PDF

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Abstract

【目的】冷却液を良好に流通させることのできる環状空洞部をもつ高品質の内燃機関用ピストンを効率よく製造する方法を提供する。
【構成】ピストン本体１を構成するクラウン部２とスカート部３を個別に形成する。その両者２，３を接合して一体化する前に、クラウン部２の底部には環状空洞部６と成すための環状溝６１と該環状溝の開口縁に連なる環状の凸条６２とを形成しておく。そして、その凸条６２を加圧して環状溝６１の開口部６１Ａ側に屈曲せしめる。これにより、環状溝６１の開口部６１Ａを閉鎖して環状空洞部６を形成した後、当該クラウン部２とスカート部３とを接合一体化してピストン本体１を得る。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関用ピストンの製造技術に係わり、特に高温下に晒されるクラウン部内に冷却液（冷却用オイル）を流通させるための環状空洞部を有する内燃機関用ピストンの製造方法に関する。
一般に、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンといった内燃機関に用いられるピストンはアルミ合金や鉄により作られるが、大型ディーゼルなどはその負荷に耐えるため鉄の鍛造品が好まれる。しかし、鉄製のピストンでは運転中にクラウン部の頂面が約５００℃にも達するし、アルミ製でも約３５０℃と高温になる。又、ピストンリングを取り付ける溝部（リング溝）の周辺も高温になるので、ピストンリングの過熱による悪影響を防ぐため、リング溝の内側に冷却液を流通させるための環状空洞部を設けることが一般に広く行われている。
ここに、係る環状空洞部は、鋳造品にして砂などから作られる易崩壊性の中子を用いて形成することができるが、中子を成型したり鋳込後の中子を崩壊させて鋳物内から抜き取ったりする作業は容易でなく、時間が掛かる上にコスト高にもなる。
そこで、ピストン本体のクラウン部とスカート部とを鍛造により分割状態で個別に成形し、その後で係るクラウン部とスカート部との分割面を圧接溶接などにより接合することにより環状空洞部を形成することが行われている（例えば、特許文献１）。
又、クラウン部の頂面や上部外周面に環状溝を形成すると共に、その環状溝の開口縁に連ねて突条を形成し、その突条を加圧ローラなどにより環状溝の開口部側に加圧屈曲せしめて環状空洞部を形成することが行われている（例えば、特許文献２）。
特開２００１−１０７８０３号公報
特開２００６−４６３２０号公報
ここに、特許文献１によれば、中子を用いる一体成型品に比べてピストン本体を効率よく生産できるという効果を得られるが、クラウン部とスカート部を圧接してその両者間に環状空洞部を形成するものでは、環状空洞部の内側に圧接によるカール状のバリを生じて環状空洞部の容積が狭められ、これにより冷却液の流通性が損なわれてピストンのクラウン部とスカート部が焼き付いたり、クラウン部の過熱によりノッキングを惹起したりする虞がある。
一方、特許文献２では、クラウン部の頂面や上部外周面に環状空洞部の形成時に発生する筋目（環状溝の開口部と突条との接合部分）があらわれるので、加工が不適切に行われた場合、その筋目を通じて環状空洞部内の冷却液が燃焼室内に噴出する虞がある。
又、クラウン部の頂面や上部外周面は高温高圧下に晒されるので、筋目の部分に高温高圧による応力集中が生じてピストンが破損する虞があった。
本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的は冷却液を良好に流通させることのできる環状空洞部をもつ高寿命、高品質の内燃機関用ピストンを効率よく製造する方法を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、
外周面にピストンリングを嵌め込むための溝部を有するクラウン部と、該クラウン部の底部に連なるスカート部とから成るピストン本体に、前記溝部の内側にて冷却液を流通させるための環状空洞部が設けられる構造の内燃機関用ピストンを製造する方法であって、
前記クラウン部とスカート部を個別に形成し、その両者を接合して一体化する前に前記クラウン部の底部に前記環状空洞部と成すための環状溝と該環状溝の開口縁に連なる環状の凸条とを形成しておき、その凸条を加圧して前記環状溝の開口部側に屈曲せしめ、これにより前記環状溝の開口部を閉鎖して前記環状空洞部を形成した後、当該クラウン部と前記スカート部とを接合一体化することを特徴とする。
更に、上記方法において、前記凸条に曲げ荷重を与えるための加圧ローラを押し付けて当該凸条を前記環状溝の開口部側に屈曲せしめることを特徴とする。
又、外周面にピストンリングを嵌め込むための溝部を有するクラウン部と、該クラウン部の底部に連なるスカート部とから成るピストン本体に、前記溝部の内側にて冷却液を流通させるための環状空洞部が設けられる構造の内燃機関用ピストンを製造する方法であって、
前記クラウン部とスカート部を個別に形成し、その両者を接合して一体化する前に前記クラウン部の底部に前記環状空洞部と成すための環状溝と該環状溝の外側開口縁に連なる環状の凸条とを形成しておき、当該クラウン部と前記スカート部とを接合一体化した後、前記凸条を内側に加圧してその先端を前記スカート部の上部外周に押し付けることにより前記環状空洞部を形成することを特徴とする。
本発明によれば、クラウン部とスカート部を個別に形成し、その両者を接合して一体化する前にクラウン部の底部に環状空洞部と成すための環状溝と該環状溝の開口縁に連なる環状の凸条とを形成しておき、その凸条を加圧して環状溝の開口部側に屈曲せしめ、これにより環状溝の開口部を閉鎖して環状空洞部を形成した後、当該クラウン部とスカート部とを接合一体化することから、環状空洞部の内部にカール状のバリが生成されることがなく、このため冷却液を円滑に流通させることができ、しかも環状空洞部の形成により生ずる筋目がクラウン部の頂面や上部外周面といった高温高圧の作用する部分にあらわれないので、破損の虞がない高寿命、高品質の内燃機関用ピストンを得られる。
又、クラウン部に環状空洞部を形成した後、当該クラウン部とスカート部とを接合一体化することから、環状空洞部の形成時にスカート部が邪魔にならず、環状空洞部を容易かつ良好に形成することができる。
加えて、凸条に加圧ローラを押し付けて当該凸条を環状溝の開口部側に屈曲せしめることから、環状空洞部をその全周に亙って均一な断面形状にして効率的に形成することができる。
又、クラウン部とスカート部を個別に形成し、その両者を接合して一体化する前にクラウン部の底部に環状空洞部と成すための環状溝と該環状溝の外側開口縁に連なる環状の凸条とを形成しておき、当該クラウン部とスカート部とを接合一体化した後、凸条を内側に加圧してその先端をスカート部の上部外周に押し付けることにより環状空洞部を形成することから、環状空洞部の形成時に生ずる筋目がクラウン部の頂面や上部外周面といった高温高圧の作用する部分にあらわれず、このため破損の虞がない高寿命、高品質の内燃機関用ピストンを効率よく容易に製造することができる。
以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る内燃機関用ピストンの一形態を示した斜視図、図２は同正面図である。図１、図２において、１は図示せぬシリンダ内を往復移動するピストン本体であり、当該ピストン本体１はその上部構造を成すクラウン部２とその底部に連なるスカート部３とにより構成される。
クラウン部２の外周面には、その周方向に連続する３つの溝部４Ａ，４Ｂ，４Ｃ（リング溝）が軸心方向に所定の間隔で形成され、その各溝部４Ａ〜４Ｃに図示せぬピストンリングが嵌め込まれる構成とされる。
又、図１に示されるように、クラウン部２の頂面２Ａ（ピストンヘッド）には、その中央領域に図示せぬシリンダヘッドとの間で燃焼室を形成する燃焼室凹部５が形成され、その燃焼室凹部５内に燃料が吹き込まれる構成とされる。
一方、スカート部３は、ピストン本体１の下部構造を成し、図示せぬシリンダ内で側圧を受ける役目をするもので、その周壁部には図示せぬピストンピンを通すためのピン挿入孔３Ａが穿設され、これに挿入されたピストンピンに図示せぬコネクティングロッドの一端（スモールエンド）が連結されるようになっている。
次に、図３はピストン本体の縦断面を示す。この図で明らかなように、クラウン部２内には溝部４Ａ〜４Ｃの内側で燃焼室凹部５を囲む環状空洞部６が形成される。環状空洞部６は、クラウン部２を冷却するために冷却液で満たされ、その冷却液が環状空洞部６と図示せぬオイルクーラとの間で循環されるようになっている。
尚、スカート部３には図示せぬオイルジェットからの冷却液を導入するための切欠部３Ｂが形成され、ここに通した管路を通じて環状空洞部６内に対する冷却液の給排が行われるようにしてある。
ここに、以上のようなクラウン部２とスカート部３は、鍛造や鋳造あるいは切削加工などにより個別に形成され、その後その両者が圧接（加圧溶接）などにより接合一体化されてピストン本体１とされる。尚、図３において、７はクラウン部２とスカート部３の接合面を示している。
以上のようなピストンを製造する方法を説明すれば、先ず上記のようにクラウン部２とスカート部３とを個別に形成する。特に、スカート部３と接合一体化する前のクラウン部２には、その底部に図４のような環状溝６１を形成するほか、その環状溝６１の開口縁に連ねて環状の凸条６２を形成する。
環状溝６１は、最終的にその開口部６１Ａを凸条６２により閉鎖して上記のような環状空洞部６とされるものであるが、環状空洞部６が未完のクラウン部２であれば、鋳造でも複雑な中子を用いず容易に成型でき、鍛造や切削加工でも容易に製作することができる。
尚、図４では係る環状溝６１を底部開放形としてクラウン部２の底部（底面外周部）に形成すると共に、凸条６２を環状溝６１の外側開口縁に沿って形成しているが、凸条６２を環状溝６１の内側開口縁に沿って形成してもよい。又、クラウン部２は、鋳造や鍛造または切削により環状溝６１と凸条６２とを同時もしくは順次形成してもよい。
ここに、上記のような環状空洞部６を形成するには、環状溝６１の開口部６１Ａ側に向けて凸条６２を加圧屈曲せしめ、その凸条６２により環状溝６１の開口部６１Ａを閉鎖する。具体的には、図４のようにクラウン部２を定位置に配置し、好ましくはそのクラウン部２を回転させながら、凸条６２に対し曲げ荷重を与えるための加圧ローラ８を押し付けて当該凸条６２を環状溝６１の開口部６１Ａ側に屈曲せしめるのであり、これにより溝部４Ａ〜４Ｃの内側に冷却液を流通させ得る環状空洞部６が形成される。
しかして、クラウン部２に環状空洞部６を形成した後、そのクラウン部２とスカート部３とを圧接により接合一体化することによりピストン本体１が構成される。
尚、図５に示されるように、環状空洞部６はクラウン部２とスカート部３の接合面７より外側となる位置に形成され、その基になる環状溝６１の内周面には接合面７の外周縁に近接する位置で凸条６２の先端が押し付けられることから、クラウン部２とスカート部３との圧接時に接合面７の外側に生ずるカール状のバリ９が環状空洞部６の筋目１０（環状溝６１の内周面と凸条６２の先端との突合せ部分）を塞ぐシール材として機能する。このため、筋目１０が完全に閉じられた密閉型の環状空洞部６にして冷却液が筋目１０から漏れ出すことを防止できる。但し、本発明は筋目１０をカール状のバリ９やその他の手段で完全に閉鎖することを要件とせず、筋目１０が若干のクリアランスを有して当該部分から冷却液が漏れ出したとしても、その冷却液は燃焼室に入り込むことはなく、これがクランク室に流れ込むようになるので、当該冷却液をクランク室から環状空洞部６に供給して繰り返し使用することができる。
次に、本発明の変更例を図６に基づき説明する。尚、本例においても、クラウン部２とスカート部３が個別に形成される点で上記実施例１と同様であるが、実施例１との相違点は、クラウン部２とスカート部３とを接合一体化した後、環状空洞部６を形成することにある。
つまり、クラウン部２には実施例１と同じくスカート部３との接合前に環状溝６１と凸条６２が形成され、詳しくは溝部４Ａ〜４Ｃと燃焼室凹部５との間でクラウン部２の底部に環状空洞部６と成すための環状溝６１が形成されると共に、当該環状溝６１の外側開口縁に連ねて環状の凸条６２が形成されるが、本例においては図６のようにクラウン部２とスカート部３とを圧接により接合一体化した後、スカート部３側に垂下する凸条６２を内側に加圧してその先端をスカート部３の上部外周（環状溝６１の内側に向かって先細りとされる肩部）に押し付けることにより環状空洞部６を形成する。
特に、本例においても、スカート部３と一体化されたクラウン部２を回転させながら、凸条６２に対し曲げ荷重を与えるための加圧ローラ８を押し付けて当該凸条６２を環状溝６１の開口部６１Ａ側に屈曲せしめることが好ましく、これにより凸条６２を効率よく一様に屈曲させることができる。
尚、本例では、接合面７の外周が凸条６２により覆われるので、クラウン部２とスカート部３との圧接により生じたカール状のバリ９が環状空洞部６内に残存して冷却液の流通性を損なう虞があるが、接合面７の外側に発生したカール状のバリ９は環状溝６１を閉鎖する前に凸条６２とスカート部３との間から図示せぬ工具を差し込んで除去することができる。
以上、本発明の適用例を説明したが、本発明は上記例に限定されるものでなく、凸条６２はクラウン部２を回転させることなくプレス機やハンマーを用いて屈曲させることもできる。
本発明に係る内燃機関用ピストンを示す斜視図 同ピストンの正面図 同ピストンの縦断面図 環状空洞部の形成例を示す説明図 環状空洞部が形成されたピストンの部分拡大図 本発明の変更例を示す説明図
符号の説明
１ ピストン本体
２ クラウン部
２Ａ 頂面（ピストンヘッド）
３ スカート部
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 溝部（リング溝）
５ 燃焼室凹部
６ 環状空洞部
６１ 環状溝
６１Ａ 開口部
６２ 凸条
７ クラウン部とスカート部の接合面
８ 加圧ローラ
９ カール状のバリ

Claims (3)

  1. 外周面にピストンリングを嵌め込むための溝部を有するクラウン部と、該クラウン部の底部に連なるスカート部とから成るピストン本体に、前記溝部の内側にて冷却液を流通させるための環状空洞部が設けられる構造の内燃機関用ピストンを製造する方法であって、
    前記クラウン部とスカート部を個別に形成し、その両者を接合して一体化する前に前記クラウン部の底部に前記環状空洞部と成すための環状溝と該環状溝の開口縁に連なる環状の凸条とを形成しておき、その凸条を加圧して前記環状溝の開口部側に屈曲せしめ、これにより前記環状溝の開口部を閉鎖して前記環状空洞部を形成した後、当該クラウン部と前記スカート部とを接合一体化することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
  2. 前記凸条に曲げ荷重を与えるための加圧ローラを押し付けて当該凸条を前記環状溝の開口部側に屈曲せしめることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
  3. 外周面にピストンリングを嵌め込むための溝部を有するクラウン部と、該クラウン部の底部に連なるスカート部とから成るピストン本体に、前記溝部の内側にて冷却液を流通させるための環状空洞部が設けられる構造の内燃機関用ピストンを製造する方法であって、
    前記クラウン部とスカート部を個別に形成し、その両者を接合して一体化する前に前記クラウン部の底部に前記環状空洞部と成すための環状溝と該環状溝の外側開口縁に連なる環状の凸条とを形成しておき、当該クラウン部と前記スカート部とを接合一体化した後、前記凸条を内側に加圧してその先端を前記スカート部の上部外周に押し付けることにより前記環状空洞部を形成することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
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