JP2017122456A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】デイーゼルエンジンタイプの燃焼ボウルを有する一体型ピストンの製造方法を改善する。【解決手段】一体型ピストン２０は、その最終形状に鋳造され、かつ、中心軸Ａから隔てられた少なくとも１つの不揃い部を有する燃焼ボウル２６を含む。ピストン２０には、上部冠状部材２２および下部冠状部材２４が最初に形成され、これらの部材は互いに結合される。つぎに、ピストン２０はＣＮＣ旋盤のような工作機械に固定され、ピストンのトップ面３２または燃焼ボウル２６の一部分のいずれかの場所が特定され、その場所が基準面として確定される。この基準面が、ピストン２０の後続の機械加工作業のための基準位置としての役割を果たす。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年４月１５日付で出願された米国仮出第６１，４７６,００８号の
利益を要求するものである。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は一般にピストンに関し、特に燃焼ボウルを有するピストンおよび燃焼ボウルを有するピストンを製造する方法に関する。

２．関連技術
内燃機関のための多くの一体型ピストンは、１つの完全な部品としてほとんど最終形状の状態に鍛造または鋳造された冠状体とスカートとを有している。ピストンは、鍛造または鋳造プロセスの間に生成された余分の材料を除去し、当該一体型ピストンにその最終形状をもたらすために、つぎに従来の旋盤加工によって一般的に機械加工される。ディーゼル燃料エンジン用のピストンに好まれる燃焼ボウルは、当該旋盤加工の際冠状体のトップ面に機械加工することができる。

他の一体型ピストンは、後で相互に結合される２つの別部品としてまず鋳造または鍛造される。これは、他の方法では不可能または従来の鋳造もしくは鍛造プロセスでは少なくとも商業的には非現実的である、オイル通路のような複雑な形体を、ピストン内に形成することを可能にするので、上記の１つの完全な部品のピストンよりも有利かもしれない。一旦２つの部品が相互に結合されると、一体型ピストンは、当該ピストンに所定の形体に加工する旋盤のような従来の工作機械に取り付けられる。ピストンに一般的に機械加工される形体は、ピストンリングを支持する１つ以上の環状溝および燃焼ボウルである。機械工は、ピストンにこれらの形体を機械加工する場合に、スカートの底面を基準面または参照面として一般的に用いる。燃焼ボウルは、デイーゼルエンジンタイプのピストンに一般的に使われる従来の「メキシカンハット」形状が与えられる。この従来の形状は旋盤によって容易に形成され、そこでは切削工具が、最終仕上げを達成するために、１つまたは複数の操作で燃焼ボウルの初期表面から材料を切削する。

発明の概要
本発明の少なくとも１つの態様のピストンは、一部で独特なものである。なぜなら、燃焼ボウルを含むピストンの部分は、中心軸から隔てられ、かつ中心軸を中心に周方向に延設されない少なくとも１つの不揃い部を含む最終形状に鋳造されるからである。このような不揃い部は、ピストンの性能および／または耐久性を改善できる。これは、従来の機械加工処理では不揃い部を形成することができないことから、このような不揃い部がないデイーゼルエンジン適用の従来のピストンとは異なるものである。最終形状に燃焼ボウルを鋳造することは、燃焼ボウルを後で機械加工する必要を除くので著しい利点となる。

燃焼ボウルは、環状のトップ面によって包囲され、このトップ面は、最終形状に鋳造されるかまたは鋳造プロセスの後でその最終形状に機械加工されるかのどちらかで行われるが、これはピストンのこの部分が他のいずれかの部分に結合される前に行われる。このよ
うに、これらの２つの形体（燃焼ボウルおよびトップ面）は、製造プロセスにおいて非常に初期の段階で、それぞれの最終形状に形成される。

本発明の態様に従うと、燃焼ボウルは、インベストメント鋳造によって上部冠状部材に形成される。上部冠状部材のトップ面も、製造プロセスの非常に初期の段階で、最終形状に鋳造されるかまたは最終形状に機械加工される。そのために、ピストン製造業者は、従来の機械加工技術で形成するのは不可能または不可能でないとしても商業的に困難である、ボウルの複雑な形状を利用できる。このことは、後続の機械加工操作において実質的なチャレンジを提示する。なぜならば、これは燃焼ボウルまたはトップ面を、後続の結合および機械加工操作のための基本となる基準参照面として設定するという効果があるからである。これは、従来の燃焼ボウル形状を有する従来の一体型ピストン向けの機械加工シーケンスとは反対のシーケンスとなる。従来の場合では、燃焼ボウルの仕上げはピストンに行われる最終段階の機械加工操作に近い段階にあり、ピストンの他の部分の早い段階での機械加工操作によりもたらされる幾つかの基準点の組み合わせから参照される。しかしながら、鋳造プロセスは、ピストン製造業者にトップ面および燃焼ボウルをピストンの他の基準ポイントに相対して正確に位置付けることを可能にする。このようなことから、燃焼ボウルが本発明に従う最終形状にインベストメント鋳造されるタイプのピストンには、これらタイプのピストンに見られる非常に厳しい要求の許容限界を満たすために、異なる機械加工動作が必要となる。

本発明の態様に従うと、下部冠状部材は、粉末金属で鋳造、鍛造、成形される、または工業的に良く知られている他の技術によってなされる。上部冠状部および下部冠状部の両方は、好ましくはスチールからなり、特にそのグレードは、特定の用途、経済性等に基づくことになる。少なくとも上部冠状部材は、ＡＨＳＳ（先進的高張力鋼板）グレードのスチールのインベストメント鋳造でなされ得る。下部冠状部は、上部冠状部に用いられたスチールと同じ又は異なるグレードのスチールで鍛造することができる。

図面の簡単な説明
添付図面と合わせて考慮された場合、本発明は以下の詳細な説明の参照によってより理解されることになるので、本発明の上記のおよび他の特徴および効果は容易に認識される。

例示的なピストンの上部冠状部材および下部冠状部材の断面および分解図である。 上部冠状部材および下部冠状部材が互いに結合された後の例示的なピストンの断面図である。 第１の機械加工プロセス後の例示的なピストンの断面図であり、機械加工に用いられる第１の基準面とピストンが工作機械にチャックされた場所とを示す図である。 第２の機械加工プロセス後の例示的なピストンの断面図であり、機械加工に用いられる第２の基準面とピストンが工作機械にチャックされた場所とを示す図である。 第３の機械加工プロセス後の例示的なピストンの断面図であり、機械加工に用いられる第３の基準面とピストンが工作機械にチャックされた場所とを示す図である。 第４の機械加工プロセス後の例示的なピストンの断面図であり、機械加工に用いられる第４の基準面とピストンが工作機械にチャックされた場所とを示す図である。 図１−図６において順次に示されたプロセスから形成された例示的なピストンの斜視立面図である。 例示的な工作機械にチャックされている例示的なピストンの斜視立面図である。

有効な実施例の説明
本発明の好ましい実施例に従うピストン２０を製造する方法は、ピストン２０をその形成の色々な段階で示している図１−図６により順次説明される。

図１は、単一部品の上部冠状部材２２および単一部品の下部冠状部材２４を含むピストン２０を示している。上部冠状部材２２および下部冠状部材２４は、互いに別々の部品として形成されている。上部冠状部材２２は、燃焼ボウル２６を含むよう、好ましくは精密鋳造（インベストメント鋳造）されている。燃焼ボウル２６は、中心軸Ａから半径方向に隔てられ、かつ中心軸Ａを中心に周方向に均一の態様で延設されない少なくとも１つの不揃い部を有している。例示的実施例において、上部冠状部材２２には、１つの凸状不揃い部２８と１つの凹状不揃い部３０とが形成されている。しかしながら、燃焼ボウル２６は任意の数の不揃い部２８、３０を含むことができ、これらの不揃い部はどのような望まれる形状をも取ることができることは理解されねばならない。さらに、望まれるなら、不揃い部は、中心軸Ａを中心として周方向に延設されることができるが、その場合周方向に沿った当該不揃い部の高さまたはその他の寸法は変化する。その結果、不揃い部は中心軸Ａを中心に周方向に均一の態様で延設されない。さらに、もし望まれるなら、不揃い部２８、３０は、あるパターンで中心軸Ａの周りに配置することができる。上部冠状部材２２は、鋳造プロセスが完了すると燃焼ボウル２６がその最終形状を取るように鋳造される。したがって、燃焼ボウル２６は後続の機械加工プロセスを必要としない。

上部冠状部材２２は、さらに、燃焼ボウル２６を周方向に囲む環状のトップ面３２と上部冠状部材２２の外周に沿って環状トップ面３２から下方向に延設される環状ベルト３４とを含むよう鋳造される。燃焼ボウル２６に加えて、トップ面３２は、好ましくは一切の後続の機械加工プロセスなくその最終形状に直接鋳造される。代替的に、上部冠状部材２２のトップ面３２は、鋳造プロセスが完了した後でその最終形状に仕上げられることができる。どちらの方法でも、燃焼ボウル２６およびトップ面３２の両方は、上部冠状部材２２および下部冠状部材２４が互いに結合される前に、それら個々の最終仕上げ形状にある。さらに、もし必要ならば、オイル通路３８の上部部分３６と燃焼ボウル２６の内側冠４０とは、上部冠状部材２２および下部冠状部材２４が共に結合される前に、上部冠上部材２２に機械加工してもよい。しかし、これらは、機械加工ではなく、それぞれの最終形状に直接鋳造されることが好ましい。

下部冠状部材２４も、精密鋳造（インベストメント鋳造）できる。しかし、この下部冠状部材２４は、代わりに、何らかの適当な処理により、少し例を挙げれば、他の種類の粉末金属の鋳造、鍛造、または鋼片からの機械加工により、作ることもできる。図１は、また、上部冠状部材２２と結合される前の、当初の成形後の予備機械加工されている下部冠状部材２４を示している。下部冠状部材２４は、オイル通路３８の下部部分４２と、内面４６、外面４８および底面５０を有するスカート部４４とを含んでいる。これは、一体型ピストンの底部の製造では従来的なものである。さらに、この段階で、オイル通路孔５２（入口および出口）は、従来のように、オイル通路３８の内および外にオイル（または、他の何らかの流体）を受け入れたり、排出したりするために、オイル通路３８の下部部分４２内に好ましくは機械加工される。しかしながら、オイル通路孔５２は、代替的に、当該製造プロセスの後の時点で、下部冠状部材２４に機械加工することができる。

上部冠状部材２２は、先進的高張力鋼板（ＡＨＳＳ）のようなスチールで形成されることが好ましい。しかしながら、代替的に、特定の用途に応じて他の様々な金属で形成することができる。下部冠状部材２４は、上部冠状部材２２と同じグレードもしくは異なるグレードのスチールで、または、全く異なる材料で、作ることができる。

図２は、互いに結合された後の上部冠状部材２２および下部冠状部材２４を示している。上部冠状部材２２および下部冠状部材２４は、摩擦溶接、誘導溶接、抵抗溶接、レーザー溶接、電荷担体熱線、半田付け、接着、シンキング(synching)、機械的な変形作用等により、恒久的に互いに結合されることが好ましい。代替的に、上部冠状部材２２および下部冠状部材２４は、たとえばねじやボルト締めによって着脱可能に結合することができる。例示的な実施例においては、上部冠状部材２２および下部冠状部材２４は、摩擦溶接によって相互に結合されている。

図３は、上部冠状部材２２および下部冠状部材２４の結合に続く仕上げ作業のうちの次のシーケンスを示している。ピストン２０は、例えば、図８に示されるコンピュータ数値制御（CNC）旋盤のような工作機械５４に保持される。工作機械５４は、環状ベルト３４
の頂部外径上に固定されている。工作機械５４は、つぎに予備仕上げされたトップ面３２または予備仕上げされた燃焼ボウル２６の一部分のどちらかの場所を特定し、その場所を第１の基準面として確定する。即ち、トップ面３２又は燃焼ボウル２６は、工作機械５４によって実行される機械工作作業のために、工作機械５４内でのピストン２０を位置決めするための参照面となる。保持する位置および第１の基準面は、三角形で図３に示されている。一旦適切に保持および位置決めされると、旋削のような機械工作作業は、環状ベルト３４内に少なくとも１つの環状溝５６を作るために、かつ、スカート部４４の少なくとも外径部を限定するために、当該基準面に基づき実行される。例示的な実施例において、製造プロセスのこの段階で２つの環状溝５６が環状ベルト３４内に機械加工される。

図４は、当該例示的な機械加工プロセスにおける次のシーケンスを示している。図３のピストン２０は、工作機械５４から取り外され、スカート部４４の外径に沿って、同じ工作機械または異なる工作機械５４に固定される。例示的な処理において、工作機械５４は、スカート部４４の底面５０または他の面の場所を特定し、その場所を第２の基準面として確定する。ピストン２０が適切に取り付けられ位置決めされると、工作機械５４は、環状ベルト３４に環状溝５６の全ての仕上げ加工を続行する。環状溝５６に近接するランド部５８も同様である。さらに、当該例示的処理におけるこの時点で、当該工作機械は、図３に示される工程の際、工作機械５４内にすでに保持されている上部ランド５８の直径をその最終形状に仕上げる。

図５は、ピストン２０に実行される次の機械加工作業を示している。工作機械５４は、スカート部４４の外径との係合から解除され、そして、ピストン２０は、最も上部の環状溝５６間の頂部ランド５８の外径に沿って、同じ工作機械または異なる工作機械５４に保持される。つぎに、工作機械５４は、環状トップ面３２の場所を特定し、その場所を第３の基準面として確定する。ピストン２０が適切に取り付けられ位置決めされると、工作機械５４は、リストピン（図示せず）にピストン２０を結合するためのカウンタボアとスナップリング（図示せず）を受け入れるスナップリング径とを含むピンボア６０を、その最終形状に機械加工する。

図６を参照すれば、ピストン２０で実行される次の機械加工作業が示されている。再びピストン２０が工作機械５４から解除され、つぎに頂部ランド５８の径に沿って、同じ機械または異なる工作機械５４に保持される。工作機械５４は、ピストン２０の環状トップ面３２の場所を特定し、その場所を第４の基準面として確定する。工作機械５４は、つぎに少なくとも１つのランド５８をその最終形状に機械加工を仕上げるとともにスカート部４４の外面をその最終形状に機械加工を仕上げる。

当該プロセスから形成された例示的なピストン２０は、一般的に図７に示されている。図示されるように、燃焼ボウル２６は、凸状不揃い部２８と凹状不揃い部３０とがある複合形状を有している。各々は、従来の機械加工技術（例えば、旋削）では最終形状に形成
および仕上げられることが不可能または不可能でないとしても商業的に困難である。燃焼ボウル２６の表面の複合形状は、精密鋳造プロセスによって内側冠４０上に反転像として有利に反映させることができる。ピストン２０は、これらの複合形状において相対的に均一の壁厚を保つことができる。燃焼ボウル２６の表面は、もし所望なら、当該面を精緻化する（例えば、気孔率を減らす）ために、ショットブラストされ得る。この処理はプロセスの始めに（上部冠状部材２２および下部冠状部材２４の結合前）、または機械加工プロセスの終わりに、または両者の間の任意の段階に、行うことができる。

明らかに、本発明の多くの変形例および変更例は、上記開示の説明に照らして可能であり、添付の特許請求の範囲内に具体的に記載のされている以外の他の方法でも実施することができる。

Claims (31)

1. ピストンを製造する方法であって：
   最終形状に鋳造された燃焼ボウルと最終形状の前記燃焼ボウルに隣接するトップ面とを有する鋳造された単一部品の上部冠状部材を準備するステップ；
   前記上部冠状部材から分離された別個の部品としての下部冠状部材を準備するステップ；
   前記上部冠状部材および前記下部冠状部材を結合するステップ；
   少なくとも１つの後続の機械加工作業のために、前記上部冠部状材の前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分を基準面として確定するステップ；および
   前記基準面に基づいて、前記トップ面および前記燃焼ボウル以外の、結合された前記上部冠状部材および下部冠状部材の少なくとも一部分を機械加工するステップを備える、方法。
2. 最終形状の前記燃焼ボウルは、中心軸から半径方向に隔てられ、かつ前記中心軸を中心に周方向に延設されないまたは前記中心軸を中心に均一でない態様で周方向に延設される、少なくとも１つの不揃い部を含む、前記請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの不揃い部は凸部である、請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの不揃い部は凹部である、請求項２に記載の方法。
5. 前記上部冠状部材の前記トップ面もその最終形状に鋳造され、前記上部冠状部材の前記トップ面は基準面として確定される、請求項１に記載の方法。
6. 前記下部冠状部材は単一部品として形成され、スカート部と一対のピンボスとを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分を基準面として確定するステップの前に、前記ピストンの頂の外径に工作機械を固定するステップをさらに備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記ピストンの少なくとも一部分を機械加工することは、前記ピストンの外径に少なくとも１つの環状溝を機械加工することとしてさらに定義される、請求項７に記載の方法。
9. 前記ピストンから前記工作機械を解除し、同じ前記工作機械または他の工作機械を前記スカート部の外周面上に固定するステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分に基づく基準面は第１の基準面であり、さらに第２の基準面として前記スカートの表面を確定するステップを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の基準面は前記スカート部の底面である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の基準面に基づき、少なくとも前記環状溝の少なくとも１つと前記環状溝に隣接する少なくとも１つのランド領域とを機械加工するステップをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ピストンから前記工作機械を解除し、同じ前記工作機械または異なる工作機械を前記環状溝に隣接する１つのランドに固定するステップをさらに備える、請求項１０に記載
    の方法。
14. 前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分のいずれかを第３の基準面として確定し、前記第３の基準面に基づいてピン孔を機械加工するステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記１つのランドから前記工作機械を解除し、同じ前記工作機械または他の工作機械を前記ランドの１つに固定するステップをさらに備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分のいずれかを第４の基準面として確定し、前記第４の基準面に基づいて環状溝、ランドおよび前記スカート部のうちの少なくとも１つを機械加工するステップをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ピストンは上部冠状部材および前記下部冠状部材によって完全に形成されたオイル通路を含む、請求項１に記載の方法。
18. ディーゼル燃料式エンジンのためのピストンを形成する方法であって；
    各々が最終形状に鋳造された燃焼ボウルとトップ面とを含む鋳造された第１の冠状部を準備するステップを備え、前記燃焼ボウルは旋盤処理による機械加工ができない少なくとも１つの不揃い部を有し；
    前記第１の冠状部とは別の構成要素として第２の冠状部とスカートとを準備するステップを備え、前記スカートはピン孔と底面とを含み；
    一体化されたピストンを形成するために、前記第１の冠状部の前記トップ面が前記スカートの前記底面とは反対方向に向いて、前記第１の冠状部および第２の冠状部を結合するステップ；
    前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分を第１の基準面として確定するステップ；
    前記第１の基準面に基づき、少なくとも１つの環状溝と前記少なくとも１つの環状溝に隣接する少なくとも１つのランドとを形成するために、前記ピストンの外側面を機械加工するステップ；
    前記スカートの底面を第２の基準面として確定するステップ；
    前記第２の基準面に基づき、前記少なくとも１つの環状溝と前記少なくとも１つのランドとを機械加工するステップ；
    前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分を第３の基準面として確定するステップ；および
    前記第３の基準面に基づき前記スカートの前記ピン孔を機械加工するステップを備える、方法。
19. 前記少なくとも１つの不揃い部は凸部である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つの不揃い部は凹部である、請求項１８に記載の方法。
21. 前記トップ面または前記燃焼ボウルの一部分のいずれかを第４の基準面として確定するステップをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
22. 前記第４の基準面に基づき、環状溝、ランドおよびピストンスカート部のうちの少なくとも１つを機械加工するステップをさらに備える、請求項２１に記載の方法。
23. ピストンを製造する方法であって；
    鋳造されたままのトップ面および鋳造されたままの燃焼ボウルを有する鋳造された上部冠状体を含むピストン未完成品を準備するステップ；および
    前記鋳造されたままのトップ面または前記鋳造されたままの燃焼ボウルを基準面として確定し、つぎに前記鋳造されたままのトップ面または前記鋳造されたままの燃焼ボウル以外の、前記ピストンの少なくとも一部分を機械加工することによって前記ピストンを機械加工するステップを備える、方法。
24. 前記鋳造されたままの燃焼ボウルは、前記ピストンの中心軸から半径方向に隔てられ、かつ前記中心軸を中心に周方向に延設されないまたは前記中心軸を中心に不均一に周方向に延設される、少なくとも１つの不揃い部を含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記少なくとも１つの不揃い部は凸部である、請求項２４に記載の方法。
26. 前記少なくとも１つの不揃い部は凹部である、請求項２４に記載の方法。
27. ピストンであって、
    トップ面および燃焼ボウルを有する鋳造された金属からなる上部冠状部と、
    一体型に形成されたピストンスカートおよび少なくとも１つのピンボスを有する下部冠状部とを備え、
    前記ピストンは、機械加工された面と機械加工されていない面とを有し、前記機械加工されていない面は、鋳造されたままの状態の前記燃焼ボウルを少なくとも含む、ピストン。
28. 前記上部冠状部の前記トップ面は機械加工されていない面である、請求項２７に記載のピストン。
29. 前記鋳造されたままの状態の前記燃焼ボウルは、中心軸から半径方向に隔てられた少なくとも１つの不揃い部を含む、請求項２７に記載のピストン。
30. 前記少なくとも１つの不揃い部は少なくとも１つの凸部を含む、請求項２９に記載のピストン。
31. 前記少なくとも１つの不揃い部は少なくとも１つの凹部を含む、請求項２９に記載のピストン。

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