JP2009221900A - 内燃機関用ピストン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】角部のない横断面形状を有するクーリングチャンネルを形成し得る内燃機関用ピストンの製造方法等を提供する。
【解決手段】可溶性中子１０を溶解する際に、該中子１０を溶解するための水にピストン１の材質よりも高い硬度を有する粒子、いわゆるグリットを混入させて導入穴７を介してクーリングチャンネル６内に噴射させることで、前記中子１０を溶解しながら前記噴流に乗った前記グリットによってクーリングチャンネル６の内壁面の研削を行うことが可能となる。これにより、一対の平面部１１ａ，１１ｂと一対の円弧部１２ａ，１２ｂからなる横断面形状を有する前記中子１０を用いて鋳造を行っても、当該鋳造によってクーリングチャンネル６の内壁面に形成される角部２１は前記中子１０の溶解と共に除去され、結果的として滑らかな内壁面を有するクーリングチャンネル６を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車の内燃機関に適用され、内部に潤滑油の通流をもって冷却の用に供する冷却通路を有する内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。

従来の自動車の内燃機関に用いられる内燃機関用ピストンの製造方法としては、以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

この文献によれば、ほぼ円環状の可溶性中子を用いて内部に冷却通路である一連のクーリングチャンネルを確保しつつピストンを鋳造した後に、前記クーリングチャンネルと連通する複数の差し込み用穴のうち一の差し込み穴に高圧流水を供給するためのノズルを挿入し、該ノズルから一方向にのみ噴出される高圧流水によって前記中子を溶解すると共に、前記他の差し込み用穴から流水及び溶解した中子を回収することとしている。これによって、高圧流水の水圧を効果的に前記中子に作用させることができ、該中子の溶解時間の短縮化を可能としている。
特開平２−１２１７４７号公報

ところで、従来では、前記可溶性中子自体は複数の成形型を用いて成形されるが、二つの成形型によって成形する場合には両型間に少なからず型ずれが生じてしまう関係上、当該中子を横断面円形状とすることは困難となっている。そこで、一般的には、前記中子を一対の平面部と一対の円弧部からなる横断面形状とすることにより、例えば、前記一対の平面部を形成する一対の成形型と、前記一対の円弧部を形成する一対の成形型と、を用いて該各成形型を相互に係合させるようにして各成形型間の位置ずれを防止しながら中子を成形するようになっている。

そして、上述のような形状を有する中子を用いて前記クーリングチャンネルを形成した場合、該クーリングチャンネルの横断面形状は当該中子の横断面形状と同一となることから、前記各平面部と各円弧部の境界部分にそれぞれ角部が形成されてしまう。これにより、前記ピストンにはシリンダ内を摺動する際に軸方向及び径方向の両方向にそれぞれ大きな力が作用することから、前記各角部に応力集中が発生してしまうという技術的課題を招来していた。

本発明は、前記従来のピストンの製造方法の実情に鑑みて案出されたもので、角部のない横断面形状を有するクーリングチャンネルを形成し得る内燃機関用ピストンの製造方法等を提供することを目的としている。

本願発明は、とりわけ、鋳造後においてピストンの冷却通路の内壁面の研削を行い、鋳造によって冷却通路の内壁面に形成される角部を除去することを特徴としている。

以下に、本発明に係る内燃機関用ピストン及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態に供されるピストンは、レシプロ・ガソリンエンジンに適用したものである。

すなわち、このピストン１は、アルミニウム合金材を鋳造してなり、図７及び図８に示すように、円筒状のスカート部２と、該スカート部２の上端に一体に有する冠部３と、前記スカート部２の内周面に対向するように一体に設けられて、それぞれの内部に図外のピストンピンの両端部を支持するピン孔４ａ，５ａを有するほぼ円筒状のピンボス部４，５と、から構成されている。

前記冠部３は、外周側に周方向に沿って形成された厚肉部３ａを有しており、該厚肉部３ａの外周面には、図外のリング部材等がそれぞれ嵌着される三つの環状溝３ｂ〜３ｄが所定の軸方向間隔をもって切欠形成されている。そして、前記厚肉部３ａの内部には、潤滑油等の冷却媒体の通流をもって当該冠部３の冷却の用に供するほぼ円環状の冷却通路であるクーリングチャンネル６が形成されている。

また、前記厚肉部３ａの内側面には、それぞれ前記クーリングチャンネル６内に開口する導入穴７及び図外の排出穴が穿設されており、前記導入穴７を介して導入された潤滑油が前記排出穴を介して排出される、というような潤滑油の一方向の流れが構成されている。なお、前記導入穴７には、ピストン１の下死点近傍に配置されるオイルジェット８から噴出された潤滑油が導入されて、前記排出穴を介して排出された潤滑油は機関内に還流されるようになっている。

このように、前記ピストン１においては、機関内の各摺動部を潤滑する潤滑油の一部をクーリングチャンネル６内へと導いて該クーリングチャンネル６内を常時循環させることで、燃焼室からの熱伝導によって最も高温となる前記冠部３及び環状溝３ｂを冷却するようになっている。

以下、本発明に係る前記ピストン１の製造方法について、図１〜図６に基づき工程別に具体的に説明する。

第１の工程では、前記ピストン１の鋳造時において前記クーリングチャンネル６を形成に供するほぼ円環状の可溶性中子１０を成形する。この可溶性中子１０は、図３及び図４に示すように、径方向に対向する一対の平面部である内周側平面部１１ａ及び外周側平面部１１ｂと、軸方向に対向する一対の円弧部である上端側円弧部１２ａ及び下端側円弧部１２ｂと、から構成される横断面形状を有し、当該各部を形成する４つの型１３〜１６を用いてＮａＣｌ（塩）材を圧縮プレスにより押し固めることによって成形される。

なお、前記４つの型１３〜１６は、横断面円弧状の端面を有する環状突部１３ａが上面の中央に突設されて、前記下端側円弧部１２ｂを形成するほぼ矩形板状の下型１３と、前記環状突部１３ａの内周面に嵌着されるように前記下型１３に載置されて平坦状の外周面をもって前記内周側平面部１１ａを形成する円板状の第１中型１４と、前記環状突部１３ａの外周面に嵌着されるように前記下型１３に載置されて平坦状の内周面をもって前記外周側平面部１１ｂを形成する第２中型１５と、前記下型１３と同一形状に構成されて下面の中央に突設された環状突部１６ａの円弧面をもって前記上端側円弧部１２ａを形成する上型１６と、からなり、これらが互いに係合するように構成されている。

すなわち、前記可溶性中子１０の成形には、まず、前記下型１３に前記第１、第２中型１４，１５を載置し、これら各型１３〜１５によって画成される円環状の凹部内に塩材を投入する。その後、前記環状突部１６ａを前記凹部に嵌合させるようにして前記上型１６の下面が前記第１、第２中型１４，１５の上面と当接するまで当該上型１６を下降させ、該凹部内に投入された塩材を押し固めることによって前記中子１０の成形が完了する。

次に、第２の工程では、図２に示すような前記ピストン１の内側の形状を形成する金属製中子１７の上部に前記第１の工程において成形した可溶性中子１０を載置する。そして、これら中子１０，１７の構成体を図外の鋳型内に収容配置して、該鋳型内に溶融アルミニウム合金材を注湯することにより、前記ピストン１が鋳造される。

続いて、第３の工程では、まず、前記第２の工程により鋳造されたピストン１を鋳型から取り出して、前記厚肉部３ａの内側面に前記導入穴７及び前記排出穴を切削加工する。その後、図１に示すように、導入穴７内に噴流を供給するためのノズル２０ａを一体に有する中子溶解用治具２０にピストン１を固定し、このピストン１の材質よりも高い硬度（ＨＲＣ４０〜５０）を有する粒子であるいわゆるグリットを混入させた水を所定の圧力（５．０〜１０．０ＭＰａ）をもって前記ノズル２０ａから導入穴７内に噴射する。

そうすると、かかる水の噴流によって可溶性中子１０が徐々に溶解されていき、１０〜１５ｓｅｃで当該中子１０の全てが溶解することになる。なお、この際、当該溶解された塩は、水と共に前記排出穴から随時排出される。また、この中子１０の溶解に伴い、水に混入された前記グリットがクーリングチャンネル６の内壁面に衝突することから、これによってクーリングチャンネル６の内壁面が研削されることになる。

ここで、本実施の形態の特徴的な作用について説明すると、前記可溶性中子１０は、前述したように図４に示すような横断面形状に形成されることから、当該中子１０により形成されるクーリングチャンネル６についても、図５に示すように、この中子１０の形状に倣った横断面形状となるため、前記各平面部１１ａ，１１ｂと各円弧部１２ａ，１２ｂとの各境界部にそれぞれ角部２１が形成されてしまい、これが応力集中の原因となってしまう。

そこで、本実施の形態では、前記中子１０を溶解するための水に前記グリットを混入させて噴射することで、該グリットが噴流に乗ってクーリングチャンネル６の内壁面に衝突しながら流動することになるため、図５に示すような前記各角部２１近傍の凸状部分が削られていき、最終的には、図６に示すように、該各角部２１の近傍が連続した曲面を構成するように、凹凸のない滑らかな面が形成されることになる。

そして、最後に、第４の工程において、前記ピストン１の厚肉部３ａの外周面に前記各環状溝３ｂ〜３ｄを切削加工することにより、前記ピストン１の製造が完了となる。

以上のことから、この実施の形態によれば、前記可溶性中子１０を溶解するための水に前記グリットを混入させてクーリングチャンネル６内へ噴射するようにしたことから、前記中子１０の溶解と共にクーリングチャンネル６の内壁面の研削を行うことが可能となっている。これにより、前記中子１０を溶解して除去した時点で該中子１０の形状に倣って形成された前記各角部２１が除去されることとなり、凹凸のない滑らかな内壁面を有するクーリングチャンネル６を形成することができる。

この結果、本実施の形態に係る製造方法によって得られたピストン１は、機関作動時に様々な力を受けて変形した場合でも、クーリングチャンネル６の内壁面には角部２１を有しないことから、当該内周面の特定の箇所において応力集中が発生してしまうおそれがなくなり、従来のような応力集中の発生によるピストンの耐久性の低下や破損を防止することができる。

また、前述のクーリングチャンネル６の内壁面の研削は、前記中子１０の溶解と同時に行うことができるため、加工工数の増大化などのデメリットを伴うことなく、凹凸のない最適な内壁面を有するクーリングチャンネル６を形成することができる。

さらに、前記クーリングチャンネル６の内壁面の研削は、前記中子１０の溶解と共に行うことから、当該研削時に少なからず生じる切り粉が溶解に供する水流によって除去されるため、当該研削と前記中子１０の溶解とを別工程で行う場合に比べて、加工作業に付随する作業の工数をも省くことができる。

本発明は、前記実施の形態の構成に限定されるものではなく、例えば前記クーリングチャンネル６の大きさ、位置及び形状は、適用する内燃機関の仕様や用途により自由に変更することができる。

また、前記実施の形態では、前記グリットによる前記クーリングチャンネル６の内壁面の研削を可溶性中子１０の溶解と同時に行うこととしているが、該中子１０の溶解のみを先に行い、その後グリットのみを前記導入穴７からクーリングチャンネル６内に噴射することによって当該クーリングチャンネル６の内壁面の研削を行うこととしてもよい。

この場合には、前記中子１０の溶解時間に制限されることなく、前記各角部２１をより確実に除去することができる。

なお、本発明に係るピストン１は、前述のようなガソリンエンジンのみならず、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。

ピストンの製造方法の第３工程を示し、本発明の要部を説明する概略図である。 金属製中子に可溶性中子をセットした状態を示す斜視図である。 ピストンの製造方法の第１工程を示す斜視断面図である。 図３の要部拡大図である。 鋳造直後におけるクーリングチャンネルの横断面形状を示す要部断面図である。 可溶性中子の溶解終了後におけるクーリングチャンネルの横断面形状を示す要部断面図である。 クーリングチャンネルによるピストンの冷却作用について説明する。 ピストンの内周部を示す斜視図である。

符号の説明

１…ピストン
６…クーリングチャンネル
７…導入穴
１０…可溶性中子
１１ａ，１１ｂ…平面部
１２ａ，１２ｂ…円弧部
２１…角部

Claims (7)

1. 潤滑油の通流をもって冷却の用に供する冷却通路を内部に有する内燃機関用ピストンの製造方法であって、周方向に沿って少なくとも一対の平面部を有するほぼ円環状の可溶性中子を用いて鋳造した後、前記ピストンの材質よりも高い硬度を有する粒子を混入させた流体の噴流によって前記可溶性中子を溶解しつつ前記冷却通路の内壁面の研削を行うこと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. 潤滑油の通流をもって冷却の用に供する冷却通路を内部に有する内燃機関用ピストンの製造方法であって、周方向に沿って少なくとも一対の平面部を有するほぼ円環状の可溶性中子を用いて鋳造し、該可溶性中子を除去した後、前記ピストンの材質よりも高い硬度を有する粒子を前記冷却通路の内壁面に吹き付けて研削を行うことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
3. 前記可溶性中子は二つ以上の成形型を用いて成形されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
4. 前記可溶性中子を溶解する際に用いる噴流の流体圧は５．０〜１０．０ＭＰａの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
5. 前記可溶性中子の溶解時間は１０〜１５秒に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
6. 前記粒子は、ＨＲＣ４０〜５０の硬度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
7. 潤滑油の通流をもって冷却の用に供する冷却通路を内部に有する内燃機関用ピストンであって、
   前記冷却通路は、前記ピストンの軸心方向に延びる一対の平面部と、該各平面部の端部に滑らかに接続された径方向外側に凸となる一対の円弧部と、から構成される横断面形状を有することを特徴とする内燃機関用ピストン。

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