JP2017500485A - 内燃エンジン用ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼ボウル（２）を備えたピストン（１）を製造するための方法であって、ピストン（１）用の鋳型において、燃焼ボウル（２）の周縁部を補強するのに適した形状を有する環状の繊維プリフォーム（３）をピストン軸（１０）と同軸状にピストンヘッド（５）の平面において固定することと、鋳型内に、ピストンブランクを作るために金属溶融物を導入することと、溶融物と繊維プリフォーム（３）との間に、繊維プリフォーム（３）内への溶融物の浸透のための圧力差を生じさせることと、ピストン（１）を仕上げるためのチップ除去製造方法によってピストンブランクを加工することとを含む方法に関する。溶融物と繊維プリフォーム（３）との間の圧力差は、吸引管（１０，１１）によって鋳型内に保持された繊維プリフォーム（３）によって生じる。吸引管（１０，１１）内には、溶融物が繊維プリフォーム（３）内に吸引されて当該繊維プリフォーム（３）に浸透するように真空状態が生じている。最適化された凝固挙動は、吸引管（１０，１１）の少なくとも１つに含まれる少なくとも１つの部分（１３，１４）が、吸引管（１０，１１）に入る溶融物の凝固を促進する場合に生じる。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部に係るピストンの製造方法に関する。

シリンダ内においてピストンがプッシュロッドを介して伝達される周期的な直動運動を行う流体エネルギー機械は、機械工学においてピストン機関として知られている。おそらく最も広く普及しているタイプのピストン機関は、この場合において往復機関であり、当該往復機関は、ガスの体積変化を上述したピストンの直動運動に変換し、それをさらにコネクティングロッドおよびクランクを介して回転運動へ変換する。おそらく最も一般的なピストン機関の変形例である内燃エンジンでは、ピストンはこの目的のために燃焼ボウルを備えている。

適当なピストンは、通常、特に専門的な鋳造技術を用いて、従来技術に係る一次成形法によって製造される。金属加工から知られている永久鋳型鋳造法は、実質的に重力の作用のみによって溶融物が頂部の湯口を介して金属永久鋳型に注がれてその内部の空洞を満たすものであって、特に成功している。

エンジンの作動中に燃焼ボウルの周縁領域において生じる非常に高い熱的負荷は、好ましくない状況下でのピストンにおけるクラックの形成につながり得るものであって、その相殺が問題であることがここで判明している。この問題に関して、例えば冷却リングキャリアの使用が従来技術から公知である。ボウルの縁部は、また、鋳造におけるセラミック繊維の混合によっていっそう補強される。この目的のために、鋳型充填後の加圧が時折、アルミ溶融物内におけるセラミック繊維の浸透を完全なものにし、よって金属微細構造へのセラミック繊維の混合を促進するために、永久鋳型鋳造法として使用される。

対応する方法が、特許文献１の請求項４の実施形態から公知である。当該アプローチによると、第一に、環状の繊維プリフォームが燃焼ボウルの周縁部を補強するために鋳型に固定される。続いて、液状のアルミまたはアルミ合金の溶融物が鋳型内へ導入され、繊維プリフォームがそれにより浸透して鋳造作業の一部としてボウル周縁部にモールドされる。このようにして作られたピストンブランクは、続いて、ピストンがチップ除去製造方法によって仕上げられる前に熱処理にかけられる。アルミ合金溶融物と繊維プリフォームとの間の圧力差は、この場合において、繊維プリフォームが（存在しているかも知れない他の留め具に加えて）吸引管によって鋳型内に保持されていることにより生じており、吸引管内にはアルミ合金溶融物が繊維プリフォーム内に吸引されて当該繊維プリフォームに浸透するように負圧が生じている。負圧によって繊維プリフォームを保持するために吸引管を用いることの実現性を別にして、取り付けられている真空ポンプは、残留ガス圧力を好ましくは０．１バール以下まで低下させることにより、溶融物の浸透に先立って繊維プリフォーム内の空隙からより完全に気体を抜き、その結果として空気含有物の形成を防止するのに役立つ。加えて、溶融物は、永久鋳型内の溶融物への正圧の適用によって典型的には２０バールに達する圧力下に置かれる。その結果として、非常に高品質であって特に高い負荷に耐えられるピストンを製造することが意図され、当該ピストンはまた浸透された繊維プリフォーム内に空気が含まれていない。

この関連で、繊維プリフォームに浸透しているアルミ溶融物の凝固挙動が重要であることが分かる。浸透の完了に先立った繊維プリフォーム内の溶融物の早すぎる凝固によって、望ましくない空隙が空いたままになる。対照的に、溶融物が浸透後に吸引管を通って流れると、それが真空ポンプに流入してその中のダクトを塞ぐか狭めるかも知れない。この点において、溶融物の早い硬化および遅い硬化の両方ともが、方法の結果物の質を著しく損ない得る。

独国特許出願公開第１０２００４０５６５１９号明細書

したがって、本発明の目的は、一般的な製造方法を改善して、繊維プリフォームに空気含有物を生じさせることなく、使用される溶融物の規定された凝固を可能とすることである。

この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。

本発明は、したがって、鋳型内で繊維プリフォームを保持するためにも用いられる吸引管に、当該吸引管の所望の部分における溶融物の選択的な凝固を促進しかつ結果として後に続く溶融物に対して吸引管を塞ぐ具体的に設計された部分を設けるという基本的な考え方に基づいている。本発明によると、溶融物の流れは、吸引管内で故意に生じさせる凝固によって、繊維プリフォームの完全な浸透の後にのみ静止状態となる。そのような「ターゲット凝固部分」は、この場合において、一方では熱的なアプローチによって、他方では幾何学的なアプローチによって実現され得る。この場合において、吸引管の具体的に設計された部分は、それが特に別の構成要素または挿入物なしで、すなわち本質的に溶融物の素早い凝固を選択的に促進するように構成される。

溶融物の凝固は、例えば吸引管の局所的な冷却によって熱的な態様で生じさせられてもよい。その代わりに、適当な材料の選択が、対応する材料が溶融物と比べて高い熱伝導率を有する限り、溶融物の凝固を促進し得る。例えば、亜共晶アルミシリコン溶融物との組み合わせにおいて、管の材料としての銅の使用が考えられる。

問題に対する幾何学的な解決方法が、また、異なる方法で行われてもよい。まず第一に、吸引管の流路における狭小箇所の形成が、それは吸引管の流路断面積を局所的に小さくするものであって、考えられる。似たような効果が、曲げられたもしくは捻られた管断面によって、断面積の狭小化および／または方向の変更の組み合わせによって、または概して、吸引管の流路に沿った任意の入り組んだ障害部によって実現され得る。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した図の関連する説明から明らかになるだろう。

上述したあるいは後述する特徴が、各ケースにおいて特定された組み合わせにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組み合わせまたは単独で使用可能であることは言うまでもない。

図１は、本発明に係る方法によって製造されたピストンのヘッドの概略平面図である。 図２は、本発明に係る２つの異なる実施形態の吸引管を伴うピストン軸に沿った鋳型の概略断面図であって、それぞれの吸引管が図の右側および左側に示されている。

以下、本発明の好ましい代表的な実施形態について図示すると共により詳細に説明する。同じ参照符号は、同一のもしくは類似のまたは機能的に同一の構成要素を示す。

図１および図２は本発明のある実施形態に係る製造方法の実施例を示しており、ここで特定の軽金属溶融物が製造されるピストン１の基材として用いられる。それは、この場合において好ましくは、ピストン１の動作中に見込まれる機械的負荷に関する仕上げによってその微細構造が影響を受けた亜共晶アルミシリコン合金（ＡｌＳｉ合金）である。

ピストンヘッド５の燃焼ボウル２の周縁部は、この場合において、繊維プリフォーム３によって補強される。軽金属溶融物と繊維プリフォーム３との間の十分に大きな圧力差が、この場合において、軽金属溶融物が凝固する前に、鋳造の間において使用される軽金属溶融物が繊維プリフォーム３に完全に浸透することを確実にする。

繊維プリフォーム３の繊維は、主に技術分野においてエレクトロコランダムとしても知られていて、商品名Ｓａｆｆｉｌの下で販売されている粘土またはシリカ繊維製品に基づいたセラミック材料、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の短繊維として構成されている。代替的な実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなく、ランダム平面規格（random-planaren Standard）から外れた繊維配向を有していてもよい。矩形断面を有する環状体の形態の繊維プリフォーム３の製造では、繊維がまず結合剤を含む水溶性の懸濁液を形成するように加工される。続いて、懸濁液が繊維プリフォーム３の形状に対応する透水性金型に充填され、その中で懸濁液から水分が分離される。繊維プリフォーム３の形態で得られたボディは乾燥され、そしてその強度を高めるために機械的追従プレスにかけられてもよい。ここで望まれるのは、単位体積当たり１０〜２０％の繊維の比率である。鋳型に導入される前に、繊維プリフォーム３は水分含有物を取り除くために予熱される。

出来るだけ漏れも孔もない態様で、円形のめくら穴の形態で具現された燃焼ボウル２を有するピストン１を製造するために、本ケースでは永久鋳型鋳造法が用いられ、当該方法では軽金属溶融物が鋳造取鍋を介して永久鋳型として機能する鋳型内へ重力下で移される。本実施形態では、鋳型充填の完了後に、０．５〜２０バールの圧力が用いられ、鋳型の固定フレーム（図１および図２では図示していない）が、当該固定フレームは斜めに留められた固定ピンによって密封されており、当該圧力を確実に吸収するのに役立つ。

この場合において、まず第一に、例えば繊維プリフォーム３のような鋳造によって実現される部品は、好ましくはソルトコアおよび／またはリングキャリアまたは冷却リングキャリアと組み合わせて、そのために提供された場所で鋳型に固定される。

続いて、径方向外側に設けられた２つの吸引管１０，１１を有するカバーによって鋳型が閉じられ、当該吸引管１０，１１は、真空ポンプ（図示せず）に接続されていて、繊維プリフォーム３が吸引管１０，１１の開口部に対向しかつ吸引管１０，１１内で生じている負圧によってそのために提供された場所に保持されるような箇所において鋳型の内部へ通じている。注入口を介して、軽金属溶融物が鋳型内へと導入され、吸引管１０，１１内で生じている負圧は、吸引管１０，１１に対して保持されている繊維プリフォーム３に軽金属溶融物を浸透させる効果を有している。繊維プリフォーム３に通じる吸引管１０，１１は、この場合において、繊維プリフォーム３に対して弾性的に予荷重がかけられていて、軽金属溶融物の凝固を大いに促進する温度まで冷却されている。高い熱伝導率を有する吸引管１０，１１もまた考えられ、そのような吸引管１０，１１は放熱によって溶融物の素早い凝固を促進する。各吸引管１０，１１に設けられているのは、吸引管１０，１１に入っている溶融物の凝固を促進する少なくとも１つの部分１３，１４である。当該部分は、この場合において、狭小部または曲げ部として構成されていてもよい。

幾何学的な観点からも、特に銅製の吸引管１０，１１が軽金属溶融物の促進された凝固の目的に適っている。この目的のために、吸引管１０，１１の各々は、管軸の局所的なオフセット４を伴う個別の波状部を有しており、より近い観察によると、当該オフセット４は管軸の捻れまたは曲がりで構成されている。曲がりまたはオフセット４の領域では、それぞれにおいて、対向する管壁が互いに近づくことによって局所的な断面狭窄が生じている。しかしながら、本発明によると、断面積の変更なくして曲がりによる管軸方向の変更がまたなされてもよいし、同様に管軸方向の変更なくして断面積の純粋な狭窄または変更がなされてもよい。概して、任意の入り組んだ形状が選択されてもよく、当該形状は狭窄および／または歪曲による溶融物の流れに対する障害部に相当し、好ましくは当該障害部において凝固を開始させることが可能である。

図２の左側に示されている実施形態では、吸引管１０，１１は、銅でまたは溶融物よりも高い熱伝導率を有する他の材料で構成されている。その代わりにまたは加えて、吸引管１０，１１は鋳型内に挿入される前に冷却されてもよい。概して、吸引管１０，１１の熱的特性の結果として、完全な浸透の後に繊維プリフォーム３を通過する溶融物は、好ましくは吸引管１０，１１内で凝固して当該吸引管１０，１１を塞ぐ。

吸引管１０または吸引管１１における本発明に係るターゲット凝固領域の幾何学的および熱的な実現は、ただ便宜的に同じ図面に示されている。本発明に係る鋳造方法は、また、ただ一つの変形例において実行され得る。他方で、幾何学的および熱的な解決方法を組み合わせることや、例えば本発明に係る効果を高めるために狭窄部を有する銅製の吸引管を設けることがもちろん可能である。

加えて、永久鋳型は圧縮空気ラインに接続されており、鋳型が軽金属溶融物で満たされた後に当該圧縮空気ラインを介して当該鋳型内に高圧の空気が導入され、それにより凝固したアルミ合金の有孔率が著しく低減され、このためピストン１に十分な強度が与えられる。続いて、繊維プリフォーム３の個々の繊維が凝固した軽金属溶融物に強固に結合され、繊維プリフォーム３はピストン１の残りの領域に結合された凝固した軽金属溶融物の一部となる。

次に、ピストンブランクはチップ除去製造方法によってピストン１の最終形状を与えられる。ピストン１の品質をさらに向上させるために、環状溝（図示せず）の側面および底面に、それらはピストンが一般的なディーゼルエンジンで用いられるときに特に負荷のかかる箇所であって、陽極酸化処理として知られているものによって耐摩耗コーティングが設けられてもよい。

Claims (12)

1. 燃焼ボウル（２）を備えたピストン（１）を製造するための方法であって、
   上記ピストン（１）用の鋳型において、上記燃焼ボウル（２）の周縁部を補強するのに適した形状を有する環状の繊維プリフォーム（３）をピストン軸と同軸状にピストンヘッド（５）の平面において固定するステップと、
   上記鋳型内に、ピストンブランクを作るために金属の溶融物を導入するステップと、
   上記溶融物と上記繊維プリフォーム（３）との間に、該繊維プリフォーム（３）内への該溶融物の浸透のための圧力差を生じさせるステップと、
   上記ピストン（１）を仕上げるためのチップ除去製造方法によって上記ピストンブランクを加工するステップとを含み、
   上記溶融物と上記繊維プリフォーム（３）との間の上記圧力差は、該繊維プリフォーム（３）が上記吸引管（１０，１１）によって上記鋳型内に保持されていることにより生じ、
   上記吸引管（１０，１１）内には、上記溶融物が上記繊維プリフォーム（３）内に吸引されて該繊維プリフォーム（３）に浸透するように負圧が生じており、
   上記吸引管（１０，１１）の少なくとも１つに含まれる少なくとも１つの部分（１３，１４）が、該吸引管（１０，１１）内を通過する上記溶融物の凝固を促進するように構成されている
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１において、
   上記溶融物が、軽金属溶融物、特に亜共晶アルミシリコン溶融物である
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２において、
   上記繊維プリフォーム（３）の１０〜２０％の体積分率を繊維が占めるように該繊維プリフォーム（３）を形成するために、好ましくはＡｌ_２Ｏ_３を含むセラミック繊維の高密度化を先立って行う
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   上記吸引管（１０，１１）に、０．１バール以下のガス圧力を伴う負圧を真空ポンプによって適用する
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記方法を、特に０．５〜２０バールの再高密度化を伴う、永久鋳型鋳造法または低圧鋳造法として実行する
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記鋳型が、少なくとも１つの仕切りを有し、該仕切りは、上記溶融物が該仕切りを通過しないように逆圧にさらされている
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   上記吸引管（１０，１１）の少なくとも１つは、上記繊維プリフォーム（３）に通じかつ該繊維プリフォーム（３）に対して弾性的に予荷重がかけられている
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   上記部分（１３，１４）が、上記溶融物よりも高い熱伝導率を有していて、特に銅で作られている
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項において、
   上記鋳型内に上記溶融物を導入する前に、上記吸引管（１０，１１）の少なくとも１つを冷却する
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、
    上記部分（１３，１４）が、狭小部、特に狭窄部を有している
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項において、
    上記部分（１３，１４）が、少なくとも１つの曲げ部または捻れ部を有している
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項において、
    上記圧力差を、上記溶融物の加圧と上記吸引管（１０，１１）内の負圧との組み合わせによって生じさせる
    ことを特徴とする方法。

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