JP2014514159A - 内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

ピストン上側部分（３）が鍛造法で製造され、ピストン下側部分（４）が鋳造または鍛造法で製造され、次いで互いに溶接される内燃機関用の鋼製のピストン（１）を製造する方法が提案される。製造法を単純にするために、ピストン上側部分を温間変形加工法を用いて最後まで鍛造し、これにより燃焼キャビティと上側クーリングチャンネル領域のさらなる加工を省略することができるようにする。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の内燃機関用ピストンの製造方法に関する。

内燃機関用の鋼から成るピストンを製造するために、まずピストン上側部分を鍛造法で製造し、ピストン下側部分を鍛造法または鋳造により製造し、次いでピストン上側部分をピストン下側部分に溶接することが公知先行技術から一般的に知られている。これに関してドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５０１４１６号明細書、ドイツ連邦共和国特許第２９１９６３８号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６０３５８９号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８４６１５２号明細書を参照することができる。この場合、熱間変形加工法、つまり９５０℃〜１３００℃の鋼温度における熱間鍛法が使用される。

この方法は、鍛造ブランクの加熱のために高いエネルギ消費が必要であるという欠点を有している。さらに、鍛造ブランクの表面に、制御不能な酸化層が形成される。この酸化層を除去するためには、鍛造ブランクの表面に粗い投射材を噴射（ブラスト）する必要がある。これによって鍛造物輪郭の大きな変動が生じるので、その結果、切削加工法による鍛造ブランクの手間のかかる後加工が必要となる。

したがって本発明の課題は、公知先行技術の上述の欠点を回避することであり、この場合、特に燃焼キャビティおよびクーリングチャンネルの手間のかかる後加工が回避されることが望ましい。

本発明の別の課題は、回転対称ではなく、もしくは偏心的に形成された燃焼キャビティおよびクーリングチャンネルを備えたピストンを廉価な方法で製造することができる方法を提供することである。

最後に、本発明の課題は、燃焼キャビティの縁部とクーリングチャンネルの上側部分との間の壁が全周にわたって一定の厚さを有するピストンが製造可能である方法を提供することである。

これらの課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明の有利な態様は従属請求項に記載されている。

ピストン上側部分が亜熱間変形加工もしくは温間変形加工（Halbwarmschmiede）法によって製造されることにより、比較的高い精度および改善された表面品質を備えるピストン上側部分が製造され得る。これによって、鍛造ブランクの、特に燃焼キャビティおよび上側のクーリングチャンネルの領域における手間のかかる後加工が不要になる。この場合、低い変形加工温度に基づいて、ピストンブランクの表面の酸化は著しく減じられるので、表面をきれいにするブラスト法（Strahlverfahren）を使用することができるか、もしくはブラストを完全に省略することができる。さらに、鍛造型用に比較的小さな耐熱性と、比較的高い強度および硬さを有する材料が使用され得る。これによって、クーリングチャンネルのために必要とされるような比較的深い輪郭を製造することができる。最終的に、鍛造ブランクの加熱のために、熱間鍛造時におけるよりも小さなエネルギ消費しか必要とならない。

本発明の幾つかの実施の形態を以下に図面に付き説明する。

本発明による方法により製造されたピストンを、ピン孔軸線に対して垂直に位置する切断平面で示す断面図である。 ピストンを、ピン孔軸線に沿った切断平面で示す断面図である。 温間変形加工後のピストン上側部分を示す断面図である。 ピストン上側部分を、外側輪郭および摩擦溶接のために設けられた載置領域の旋削加工後に示す断面である。 非対称に形成され、偏心的に配置された燃焼キャビティを備えるピストン上側部分の態様を示す上から見た平面図である。 図５に示したＶＩ−ＶＩ線に沿ったピストン上側部分の断面図である。 摩擦溶接による接合前のピストン上側部分とピストン下側部分を示す図である。 非対称に形成され、偏心して配置された燃焼キャビティとバルブリセスとを有するピストン上側部分の態様を上から見た平面図である。 図８に示したＩＸ−ＩＸ線に沿ったピストン上側部分の断面図である。

図１は、摩擦溶接シーム５を介して互いに結合されたピストン上側部分３とピストン下側部分４とから成る、本発明による方法により製造されたピストン１の態様をピン軸線２に対して垂直方向の断面で示している。

ピストン１は、ピストン頂部６を有している。ピストン頂部６には燃焼キャビティ７が加工成形されている。半径方向外側では、ピストン頂部６に、ピストンリング（図示せず）のためのリング溝部分９を備えた下方に向けられた環状壁８が一体成形されている。環状壁８の半径方向内側に、ピストン１はピストン頂部６の下面に一体成形された環状の支持部１０を有している。

ピストン下側部分４は、互いに反対の側に位置する２つのスカートエレメント１１，１２を有している。これらのスカートエレメント１１，１２は、互いに反対の側に位置する２つのピンボス１３，１４を介して、それぞれ１つのピン孔１５，１６に互いに結合されている。図１には、切断平面の位置に基づいて、ピン孔１５を備えたピンボス１３しか示されていない。

ピストン下側部分４の上面には、ピンボス１３，１４に結合された環状の載置部１７が配置されている。さらに、ピストン下側部分４の上面は、載置部１７の半径方向外側に配置され、スカートエレメント１１，１２に結合された環状に延びる環状リブ１８を有している。載置部１７と環状リブ１８との間には、半径方向に位置調整された環状エレメント１９が延びている。

この場合、支持部１０と載置部１７とは、支持部１０の下面と載置部１７の上面とが互いに接触し、第１の載置領域２０を形成するように、配置されている。さらに、環状壁８と環状リブ１８とは、環状壁８の下側の端面と環状リブ１８の上面とが同様に互いに接触し、第２の載置領域２１を形成するように、配置されている。第１および第２の載置領域２０，２１は、ピストン１の製造時に摩擦溶接面を形成する。

これにより、ピストン頂部６の近傍で半径方向外側に配置された環状に延びるクーリングチャンネル２２は、上方ではピストン頂部６により、半径方向内側では部分的にピストン頂部６により、部分的に支持部１０により、かつ部分的に載置部１７により、下方では環状エレメント１９により、半径方向外側では部分的に環状壁８により、かつ部分的に環状リブ１８により画定されている。クーリングチャンネル２２は、冷却オイルの導入のための流入開口と、冷却オイルの導出のための流出開口とを有しているが、これらは図面には示されていない。

図２には、ピストン１がピン孔軸線２に沿った断面で示されている。図２では両方のピンボス１３，１４と、環状エレメント１９とが示されている。ピンボス１４，１５は該ピンボス１３，１４に一体成形された載置面１７を有している。環状エレメント１９は該載置面１７もしくはピンボス１３，１４に結合されている。

ピストン１は、たとえばクロム鋼４２ＣｒＭｏ４のような調質鋼から製造されている。この場合、ピストン下側部分４の製造は、従来のように鋳造または熱間鍛造により行われている。

ピストン上側部分３は、温間変形加工法により製造される。これにより、ピストン上側部分３は、高い表面品質を得、特に燃焼キャビティ７および上側のクーリングチャンネル２２の領域ならびに内側のドーム領域２９において高い精度で製造され得る。

この場合、ピストン上側部分３のために設けられたドロップ鍛造機の金型に合わせて成形されたクロム鋼の部分は６００℃〜９００℃にまで加熱され、次いで複数の変形加工ステップ、つまり同一のドロップ鍛造機内における複数の鍛造工程で成形される。鍛造中に発生する薄い酸化被膜は、たとえばウォールナッツ顆粒を用いた精密ブラスト（Feinstrahlen）により除去される。次いで、これにより生じたピストン上側部分３のブランクを材料の要求に応じて調質する。つまりブランクは、約８００℃から９００℃に加熱され、焼き入れされ、次いで約５５０℃〜６５０℃で焼き戻される。酸化を防ぐために、調質は保護ガス雰囲気において行われる。ピストン上側部分３の、これにより生じたブランクは図３に示されている。この場合、燃焼キャビティ７、上側のクーリングチャンネル領域および内側のドーム領域２９は、既に最後まで成形されている、つまり完成しているので、これらの領域では別の加工ステップはもはや必要ではない。この場合、キャビティ縁部とクーリングチャンネル領域との間の壁厚さは、全周にわたってほぼ一定である。ピストン上側部分３が製造加工後にどのように見えるかは図３に一点破線で示されている。

続く方法ステップでは、ピストン頂部６の半径方向外側の領域２３と、ピストン上側部分３の、リング溝部分９のために規定された半径方向外側の領域２４と、環状壁８の下端面２５と、環状壁８の内側面２７の下側領域２６と、支持部１０の載置面２８とが、旋削により加工されるので、ピストン上側部分３は、図４に示されているようになる。クーリングチャンネル２２の下側の領域、環状壁８の下側の端面２５および支持部１０の載置面２８は、この後者の加工ステップ後に最後まで成形されている。ピストン上側部分３が仕上げ加工後にどのように見えるかは一点破線により示されている。

温間変形加工法による製造方法によって、特に図５および図６に示されているように非対称的に形成されかつ偏心的に配置された燃焼キャビティ７’を備えるピストン上側部分３’を製造することができる。この場合も、ピストン上側部分３’の製造のための温間変形加工法によるプロセスが終わっている場合に、燃焼キャビティ７’をさらに加工することはもはや必要ではない。

これに対して択一的には、ピストン上側部分は、精密鋳造法（Feingiessverfahren）により製造され得る。酸化を阻止するために、精密鋳造法は保護ガス雰囲気において行うことが望ましい。

図５および図６に示した実施の形態では、燃焼キャビティ７’がほぼ四つ葉のクローバの形状を有している。しかし、温間変形加工法では燃焼キャビティのあらゆる任意の形状が実現され得る。

図８および図９は、図５および図６に示したピストン上側部分を示している。ピストン上側部分３''のピストン頂部６には、付加的にバルブリセス３０が加工成形されている。

図４，図５，図６，図８および図９によるピストン上側部分３，３’，３''はピストン下側部分４（図示しない）と共に、回転され、互いに対して力をかけながら運動させ、載置領域２０，２１においてピストン上側部分３，３’，３''とピストン下側部分４とを接触させた状態で互いに摩擦溶接させるために、摩擦溶接装置内に緊締されて、図７に示されているように互いに対して位置決めされる。燃焼キャビティ７’が非対称にまたは偏心して形成されている場合、摩擦溶接時には、溶接工程の終了後に燃焼キャビティ７’がたとえばピン軸線２に対して明確に定義された回転位置を占めるように注意される。この場合、図１および図２に示されたピストン１が形成される。

最後の方法ステップの枠内で、リング溝部分９の溝がピストン外壁に加工成形され、図３および図４に示されているように、ピストン頂部６が平らに旋削加工される。さらに、ピストンの精密な輪郭およびボス穴が加工成形される。

１ ピストン
２ ピン軸線
３，３’３'' ピストン上側部分
４ ピストン下側部分
５ 溶接シーム
６ ピストン頂部
７，７’ 燃焼キャビティ
８ 環状壁
９ リング溝部分
１０ 支持部
１１，１２ スカートエレメント
１３，１４ ピンボス
１５，１６ ピン孔
１７ 載置部
１８ 環状リブ
１９ 環状エレメント
２０ 第１の載置領域
２１ 第２の載置領域
２２ クーリングチャンネル
２３ ピストン頂部６の外側の領域
２４ ピストン上側部分の外側の領域
２５ 環状壁８の下側の端面
２６ 環状壁８の内側面２７の下側領域
２７ 環状壁８の内側面
２８ 支持部１０の載置面
２９ 内側のドーム領域
３０ バルブリセス

Claims (5)

1. 内燃機関用のピストン（１）の製造方法において、
   燃焼キャビティ（７，７’）を有するピストン頂部（６）と、半径方向外側で前記ピストン頂部（６）に一体成形された下方に向けられた環状壁（８）と、該環状壁（８）の半径方向内側に配置された、前記ピストン頂部（６）の下面に一体成形された環状の支持部（１０）とを備えたピストン上側部分（３，３’３''）であって、前記環状壁（８）と支持部（１０）との間にクーリングチャンネル（２２）の上側部分が形成されるピストン上側部分（３，３’３''）を調質鋼から鍛造法により製造する方法ステップと
   互いに反対の側に位置する２つのピンボス（１３，１４）を介して互いに結合されている互いに反対の側に位置する２つのスカートエレメント（１１，１２）と、ピストン下側部分（４）の上面に配置された、前記ピンボス（１３，１４）に結合された環状の載置部（１７）と、該載置部（１７）の半径方向外側に配置された、前記スカートエレメント（１１，１２）に結合された環状に延びる環状リブ（１８）とを備えたピストン下側部分（４）であって、前記載置部（１７）と、前記環状リブ（１８）との間に前記クーリングチャンネル（２２）の下側部分が形成されるピストン下側部分（４）を鋼から鍛造法または鋳造法で製造する方法ステップと、
   ピストン上側部分（３，３’、３''）をピストン下側部分（４）に、一方では前記環状壁（８）と前記環状リブ（１８）との互いに接触している載置面に沿って、他方では前記支持部（１０）と前記載置部（１７）との互いに接触している載置面に沿って溶接し、前記ピストン上側部分（３）と前記ピストン下側部分（４）とから形成される前記クーリングチャンネル（２２）を閉じる方法ステップと、
   切削加工法を用いて前記ピストン（１）を仕上げ加工する方法ステップと
   を有する、内燃機関用のピストン（１）の製造方法において、
   前記ピストン上側部分（３，３’，３''）を製造するために、ピストン上側部分ブランクを温間変形加工法により６００℃〜９００℃で鍛造し、これにより前記燃焼キャビティ（７，７’）および／または前記クーリングチャンネル（２２）の前記上側部分を更に加工することはなく、かつこれにより前記ピストン頂部（６）の半径方向外側の領域（２３）と、前記環状壁（８）の半径方向外側の領域と、前記環状壁（８）の内側面（２７）の下側領域（２６）と、ピストン上側部分ブランクの前記支持部の前記載置面（２８）とを、前記ピストン上側部分（３，３’，３''）の製造のために最後まで加工することを特徴とする、内燃機関用のピストン（１）の製造方法。
2. 前記燃焼キャビティ（７，７’）のキャビティ縁部と前記クーリングチャンネル（２２）との間で前記ピストン頂部（６）の領域の厚さが全周にわたって一定であるように前記ピストン上側部分（３，３’，３''）を鍛造する、請求項１記載の内燃機関用のピストン（１）を製造する方法。
3. 前記温間変形加工後に前記ピストン上側部分ブランクを保護ガス雰囲気において調質する、請求項１または２記載の内燃機関用のピストン（１）を製造する方法。
4. 前記ピストン上側部分（３’）に、非対称に形成されかつ偏心的に配置された燃焼キャビティ（７’）を加工成形する、請求項１から３までのいずれか１項記載の内燃機関用のピストン（１）を製造する方法。
5. 前記ピストン上側部分（３''）に少なくとも１つのバルブリセス（３０）を加工成形する、請求項１から４までのいずれか１項記載の内燃機関用のピストン（１）を製造する方法。

Images