JP4155423B2 - 鍛造ピストンの製造方法および鍛造済み成形素材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属塊の素材を鍛造用金型により鍛造して成形した成形素材に対して仕上げの機械加工を施すことで製品化されるような内燃機関用の鍛造ピストンに関し、特に、そのような鍛造ピストンの製造方法と、その製造方法で中間製品として製造される略ピストン形状の鍛造済み成形素材の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用エンジンのような内燃機関に使用される軽量なアルミ合金製のピストンにおいては、鋳造によりピストンを成形すると材質の凝固組織が粗くなって強度上不利となることから、アルミ合金の金属塊をピストン素材とし、これを一方向に進退する金型部材と固定された金型部材とを備えた複数の金型部材からなる鍛造用金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた略ピストン形状の成形素材としてから、この鍛造済みの成形素材に対して、ピストンピン挿通用のピン孔を穿設したり、ピストンリング装着用のリング溝を切削したりする等、仕上げの機械加工を施すことで製品化されるような、ファイバーフローを利用して強度を向上させた鍛造ピストンが従来から開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、４サイクルエンジン用のピストンでは、エンジンの運転時に吸・排気バルブがピストンの頂面と接触しないように、ピストンの頂面（ピストンのヘッド部の上面）に対してバルブの逃げ部となるリセス（窪み）を設けるということが従来から一般的に行われており、上記のような鍛造ピストンにおいても、そのヘッド部の上面に吸・排気バルブ用のリセスを形成するということが当然考えられている。
【０００４】
その場合、略ピストン形状に鍛造した成形素材に対して、ピン孔やリング溝の加工と同様に切削加工でバルブリセスを形成することも考えられるが、そうすると仕上げの機械加工の作業工程が増えることとなるため、略ピストン形状の成形素材を複数の金型部材からなる鍛造用金型により成形する際に、ヘッド部の上面に対してバルブリセスを鍛造により同時に形成しておくということが検討されている。
【０００５】
そのような鍛造によるバルブリセスの形成によって、バルブリセスのための切削作業を省略することで仕上げの機械加工の作業を簡略化できると共に、バルブリセスを形成するために鍛造用金型に形成された突起部によりヘッド部に伸び方向のファイバーフローが形成されることとなって、その結果、ヘッド部の強度の向上を図ることができる。
【０００６】
しかしながら、鍛造により成形素材に対してバルブリセスを形成した場合、その後の仕上げの機械加工でピストンピン挿通用のピン孔を穿設する際に、バルブリセスに対するピン孔の位置関係が少しでもずれると、ピストンを内燃機関に組み込んだときに、吸・排気バルブと各バルブリセスの位置がずれることとなり、その結果、内燃機関の運転時に吸・排気バルブがピストンの頂面と衝突してしまうというような問題が生じることとなる。
【０００７】
本発明は、上記のような問題の解消を課題とするものであり、具体的には、内燃機関用の鍛造ピストンにおいて、金型による鍛造によりヘッド部にバルブリセスを形成することで、鍛造後の機械加工の作業工程を簡略化し、且つ、ヘッド部の強度の向上を図ると共に、鍛造済みの成形素材に対して機械加工でピン孔を穿設するに際して、既に鍛造で形成されているバルブリセスとの位置関係がずれることのないようにすることを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するために、金属塊の素材を複数の金型部材からなる鍛造用金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械加工を施すことで製品化するような鍛造ピストンの製造方法において、金属塊の素材から略ピストン形状の成形素材を鍛造する段階で、該成形素材のヘッド部の上面に、吸・排気バルブの逃げ部となるバルブリセスと共に、機械加工によりピンボス部に対してピン孔を形成する際の加工基準となる一対の凸部を、鍛造時に同一の金型部材によってそれぞれ形成しておくことを特徴とするものである。
【０００９】
上記のように鍛造ピストンを製造することで、ヘッド部に伸び方向のファイバーフローを形成することができて、ヘッド部の強度の向上を図ることができ、また、鍛造済み成形素材に対してバルブリセスを形成するための切削作業を省略することができて、仕上げの機械加工の作業を簡略化できると共に、ピストンピン挿通用のピン孔を穿設するに際して、バルブリセスを形成するのと同一の金型部材によって形成される凸部を加工基準として利用することにより、既に鍛造で形成されているバルブリセスに対するピン孔の位置関係の精度を容易に確保することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鍛造ピストンの製造方法および鍛造済み成形素材の実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、４サイクルエンジン用のピストンの一例を示すもので、図１（Ａ）は、側方から見た外観を示し、図１（Ｂ）は、上方から見た外観を示し、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を示すものである。
【００１２】
ピストン本体１は、燃焼室に上面が露出するヘッド部２と、ピストンピンを支持するためのピンボス部３と、シリンダ内面に側面が摺接するスカート部４とからなり、ヘッド部２の上面には吸・排気バルブの逃げ部となる各バルブリセス５が形成され、ヘッド部２の外周面にはピストンリング嵌着用のリング溝６が形成され、対向する一対のピンボス部３のそれぞれにはピストンピン挿着用のピン孔７が形成されている。
【００１３】
図２は、上記のようなピストン本体１が組み込まれている４サイクルエンジンの一例を概略的に示すものであって、シリンダ内に摺動可能に収容されたピストン本体１は、ピンボス部のピン孔に挿通されたピストンピン１３により、コンロッド１４を介して、クランク室内に軸支されたクランク軸１５のクランクピン１６と連結されており、ピストン本体１よりも上方の燃焼室には、その天井部に開口された吸・排気通路のそれぞれの開口部を開閉するように、吸気バルブ１７と排気バルブ１８がそれぞれ設置されている。
【００１４】
そのような４サイクルエンジンでは、吸気バルブ１７と排気バルブ１８に対してピストン本体１の頂面（ヘッド部の上面）に形成された各バルブリセス５の位置がずれると、エンジンの運転時に各バルブ１７，１８がピストン本体１と衝突するため、ピストン本体１においては、ピストンピン１３を挿通するためのピン孔を各バルブリセス５に対してその位置関係がずれることなく正確な状態で形成しておくことが必要である。
【００１５】
ところで、上記のような内燃機関用のピストン本体１について、これを鍛造によって製造する場合、一般的には、金属塊のピストン素材（ビュレット）を鍛造用金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた略ピストン形状の鍛造済み成形素材とした後、仕上げの機械加工によりピン孔やリング溝等を形成してから、更に必要に応じてメッキ処理等を施すことで製品化している。
【００１６】
そのような鍛造ピストンの製造において、本実施形態では、金属塊のピストン素材から鍛造用金型により鍛造される略ピストン形状の鍛造済み成形素材について、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、そのヘッド部２の上面に対して、吸・排気バルブの逃げ部となるバルブリセス５が形成されていると共に、機械加工の際に加工基準となる凸部８が形成されたようなものとしている。
【００１７】
すなわち、鍛造済み成形素材１１は、ヘッド部２とピンボス部３とスカート部４を備えた略ピストン形状に成形されているものであって、ヘッド部２の上面の吸・排気バルブと対向する位置に、各バルブの逃げ部となるバルブリセス５がそれぞれ形成されていると共に、仕上げの機械加工によりピンボス部３に対してピン孔を形成する際の加工基準となるように、ヘッド部２の上面の外周部に一対の凸部８が形成されている。
【００１８】
この加工基準用の凸部８については、仕上げのための機械加工において、ピンボス部３に対してピン孔を穿設加工した後で、エンジン運転時のスキッシュ（圧縮工程で燃焼室内に発生する渦）の管理のためにヘッド部２の上面の外周部を切削加工する際に、同時に削り取られることとなり、図１に示すように、製造されたピストン本体１には残らないものである。
【００２０】
図４（Ａ）（Ｂ）は、上記のような鍛造済み成形素材１１を厚い円板状のアルミ合金のピストン素材（ビュレット）１０から金型により鍛造する状態の一例を示すもので、この例では、上下方向に移動する金型部材である上型２１と、固定された金型部材である下型２２と円筒型２３とにより鍛造することで、同じ金型部材である上型２１によりバルブリセスと加工基準用凸部を備えたヘッド部の上面側を成形し、下型２２と円筒型２３によりヘッド部の裏面側とピンボス部とスカート部を成形している。
【００２１】
複数の金型部材からなる鍛造用金型については、上記のようなものに限らず、例えば、上下方向に移動する上型２１と固定された円筒型２３によりヘッド部の裏面側とピンボス部とスカート部を成形し、固定された下型２２によりバルブリセスと加工基準用凸部を備えたヘッド部の上面側を成形するようにしても良い。
【００２２】
また、鍛造用金型を構成する金型部材の数についても、上記のように鍛造用金型を３つの金型部材２１，２２，２３により構成するようなものに限らず、例えば、図５（Ａ）に示すように、円筒型を一体化したような下型２４による２つの金型部材により構成しても良く、図５（Ｂ）に示すように、下型２２を分割面２５により内側の下型２６と外側の環状の下型２７とに分割したような４つ以上の金型部材により構成しても良いが、何れにしても、バルブリセスを形成するための凸部２１ａと加工基準を形成するための凹部２１ｂとを同じ金型部材に対して形成しておくことは必要である。
【００２３】
なお、上記のような鍛造用金型による鍛造の場合には、金型内に収容されたピストン素材１０を、金型の少なくとも何れかの金型部材に対して設けられたヒーターにより、４００〜５００℃の間に加熱された状態としてから、熱間鍛造することにより、アルミ合金の延性を充分に利用して、成形素材１１に寸法精度良く鍛造することができる。
【００２４】
熱間鍛造という点に関して、鍛造用金型に収容する前にピストン素材１０を４００〜５００℃の間に加熱した後、金型内に収容して直ちに鍛造するようにしても良く、その場合でも、金型を４００〜５００℃の間に予熱しつつ鍛造する。そのように鍛造工程からピストン素材１０の加熱工程を別の並列工程とすることにより、鍛造工程の時間を短縮することが可能となる。
【００２５】
上記のような本実施形態の鍛造ピストンの製造方法および鍛造済み成形素材によれば、鍛造済み成形素材１１の段階において、金型による鍛造でヘッド部２にバルブリセス５を形成しておくことにより、ピストン本体１のヘッド部２に伸び方向のファイバーフローを形成することができて、ヘッド部２の強度の向上を図ることができると共に、バルブリセス５を形成するための切削作業を省略することができて、仕上げの機械加工の作業を簡略化することができる。
【００２６】
そして、機械加工でピンボス部３にピン孔７を穿設するときの加工基準として、鍛造用金型の同じ金型部材により、鍛造時に、バルブリセス５の形成と同時に、鍛造済み成形素材１１のヘッド部の上面に凸部８を形成しておくことで、バルブリセス５に対して正確な位置関係でピン孔７を形成することができ、その結果、製造されたピストン本体１をエンジンに組み込んだときに、ピストンピンによって支持されるピストン本体１の各バルブリセス５の位置が吸・排気バルブに対してずれるような不都合を回避することができる。
【００２７】
なお、上記のような鍛造ピストンの製造に使用されるピストン素材（ビュレット）１０については、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中に、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２５重量％，鉄（Ｆｅ）を１重量％以下，銅（Ｃｕ）を０．５〜７重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．１〜２重量％，マンガン（Ｍｎ）を１．５重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１．５重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１．５重量％以下の範囲で含むような、アルミ合金を円柱形状の棒状体に連続鋳造した溶製材を切断したものが使用される。
【００２８】
また、上記のような組成のアルミ合金を溶解炉の底部から円柱形状の連続鋳造体として引き出すと共に、溶解炉から出て凝固が始まる部分の外周に電磁石又は超音波発振器からなる攪拌装置を配置して、円柱形状の連続鋳造体の中心部と外周部を攪拌混合しつつ凝固させることにより、析出結晶粒子の成長を抑制して粒子サイズを小さくし、且つ、外周部から中心部に渡って結晶粒子を均一に分散させるようにした固体で円柱形状のアルミ合金の棒状体を、適当な大きさに切断してピストン素材１０として使用しても良い。
【００２９】
そのように円柱形状の連続鋳造体の中心部と外周部を攪拌混合しつつ凝固させたようなピストン素材１０によれば、結晶粒子のサイズが小さく且つ均一に分散されていることで、鍛造時にクラックが発生し難くなるため、鍛造時の歩留りを向上させることができ、且つ、ピストン本体１をエンジンに組み込んで運転した場合のスカート部４の疲労強度を高くすることができる。
【００３０】
さらに、ピストン素材１０については、初晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下であるシリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％の範囲で含むような、急冷凝固粉末を固化したアルミ合金を使用しても良い。
【００３１】
そのような急冷凝固粉末アルミ合金としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、全体中に、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）を１〜１０重量％，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５〜５重量％，マンガン（Ｍｎ）を１重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１重量％以下，ジルコニウム（Ｚｒ）を２重量％以下，モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以下の範囲で含むようなものがある。
【００３２】
そのような急冷凝固粉末アルミ合金の含有成分において、シリコン（Ｓｉ）は、金属組織中に硬質の初晶や共晶のシリコン粒を晶出させることで耐摩耗性および耐焼付性を高めるために添加され、鉄（Ｆｅ）は、金属組織を分散強化して２００℃以上で高い強度を得るために添加され、また、銅（Ｃｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）は、２００℃以下での強度を高めるために添加されるものであって、それらの添加量については、上記の範囲外では所望の耐摩耗性や耐焼付性および高温での必要な強度を得ることができない。
【００３３】
上記のような急冷凝固粉末アルミ合金によるピストン素材１０では、溶解したアルミ合金を霧状に散布して急冷凝固させることにより粉末化してから成形固化しているため、アルミ合金粉末は平均粒径で約１００μｍ程度となり、その中に含まれているシリコン（Ｓｉ）は、粉末化しつつ凝固するアルミ合金の金属組織中に晶出させた硬質の初晶シリコンが平均粒径が１０μｍ以下となるように微細化されていて、各アルミ合金粒子毎に分散されている。
【００３４】
そのようにシリコン（Ｓｉ）が微細化されて分散されていることにより、ピストン素材１０を鍛造して略ピストン形状の成形素材１１とする際に、特にスカート部４で材料が薄く引き延ばされるように鍛造されても、その部分で初晶シリコンの粒子が割れてクラックが発生するようなことが無く、その結果、鍛造で成形されたピストン本体１は、スカート部４での疲労強度が高いものとなる。
【００３５】
ピストン素材１０として使用する急冷凝固粉末アルミ合金としては、上記のようなものに限らず、例えば、更にその耐摩耗性を高めるために、シリコン（Ｓｉ）よりも硬い成分である炭化シリコン（ＳｉＣ）を所定量含むようなものも使用される。
【００３６】
炭化シリコン（ＳｉＣ）を含有する急冷凝固粉末アルミ合金の一例としては、アルミニウム（Ａｌ）を基材とし、シリコン（Ｓｉ）を１０〜２２重量％，鉄（Ｆｅ）を１〜１０重量％，銅（Ｃｕ）を０．５〜５重量％，マグネシウム（Ｍｇ）を０．５〜５重量％，マンガン（Ｍｎ）を１重量％以下，ニッケル（Ｎｉ）を１重量％以下，クロム（Ｃｒ）を１重量％以下，ジルコニウム（Ｚｒ）を２重量％以下，モリブデン（Ｍｏ）を１重量％以下の範囲で含むと共に、更に、炭化シリコン（ＳｉＣ）を１〜１０重量％の範囲で含むようなものがある。
【００３７】
そのような炭化シリコン（ＳｉＣ）を含有する急冷凝固粉末アルミ合金からなるピストン素材１０では、初晶シリコンの平均粒径が１０μｍ以下となるようにシリコン（Ｓｉ）が微細化されて含まれていると共に、更に耐摩耗性および耐焼付性を高めるために、シリコン（Ｓｉ）よりも硬く非溶解性の非金属物である炭化シリコン（ＳｉＣ）が、平均粒径が１０μｍ以下となるように微細化された状態で金属組織中に分散して含まれており、このピストン素材１０から鍛造されたピストン本体１は、微細な炭化シリコン（ＳｉＣ）がアルミ合金組織中に均等に分散されたものとなり、それによって高い耐摩耗性を得ることができる。
【００３８】
上記のような急冷凝固粉末アルミ合金によるピストン素材１０の製造については、先ず、アルミニウム（Ａｌ）の基材に対して必要な各成分（シリコンや炭化シリコンその他）を予め含有させたアルミ合金のインゴットを準備して、これを約７００℃以上で溶解してから霧状に散布し、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上で急激に冷やして粉末に凝固させるか、或いは、必要な成分を含まないアルミ合金を溶解して急冷凝固することにより形成したアルミ合金粉末に、平均粒径が１〜１０μｍとなるように微細化した必要成分の粉末を所定量だけ混合する等によって、固化する前のアルミ合金粉末を得る。
【００３９】
そして、そのようなアルミ合金粉末について、型の中にアルミ合金粉末を込め、４００〜５００℃（７００℃未満の温度）に加熱且つ加圧して、直接的に所望の大きさおよび形状のピストン素材を成形するか、或いは、アルミ合金粉末を４００〜５００℃に加熱して押し出すことにより丸棒として固形化した後、この丸棒を一個のピストンに相当する適当量の大きさの厚い円板形状に切断する等によって、厚い円板状のピストン素材１０とする。
【００４０】
アルミ合金粉末からピストン素材１０を成形するには、その他にも、アルミ合金粉末を４００〜５００℃に加熱しつつ一対の圧延ロールの間に導いて圧延した後、プレスにより打ち抜くことで厚い円板形状のピストン素材として成形したり、シャーリングで所望の大きさに切断して矩形のピストン素材として成形したりすることも可能であり、更に、そのように矩形に成形してから予備鍛造して厚い円板形状のピストン素材に成形しても良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したような本発明の鍛造ピストンの製造方法および鍛造済み成形素材によれば、金型による鍛造によりヘッド部にバルブリセスを形成することで、ヘッド部の強度を向上させることができると共に、鍛造済み成形素材に対して施す仕上げのための機械加工を簡略化することができ、しかも、仕上げのための機械加工の際に、既に形成されているバルブリセスに対してピストンピン挿通用のピン孔を正確な位置関係で加工することができて、製造されたピストン本体をエンジンに組み込んだ際に、ピストン本体のバルブリセスを吸・排気バルブに対して正確に対向させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鍛造ピストンの製造方法によって製造される内燃機関用の鍛造ピストンの一例を示す（Ａ）側面図，（Ｂ）上面図，および（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図２】図１に示したピストンが使用される４サイクルエンジンの一例についての概略を示す説明図。
【図３】本発明の鍛造済み成形素材の一実施形態を示す（Ａ）側面図，（Ｂ）上面図，および（Ｃ）図ＢのＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図４】図３に示した鍛造済み成形素材を金型による鍛造で成形するときの状態の一例を示す、図３（Ｃ）の断面に相当する断面説明図。
【図５】図３に示した鍛造済み成形素材を鍛造するための金型の他の例について、（Ａ）２つの金型部材によるもの，（Ｂ）４つの金型部材によるものをそれぞれ示す、図３（Ｃ）の断面に相当する断面説明図。
【符号の説明】
１ ピストン本体（鍛造ピストン）
２ ヘッド部
３ ピンボス部
４ スカート部
５ バルブリセス
８ （加工基準となる）凸部
１０ ピストン素材（金属塊の素材）
１１ 鍛造済み成形素材

Claims (3)

1. 金属塊の素材を複数の金型部材からなる鍛造用金型により鍛造することで、ヘッド部とピンボス部とスカート部を備えた鍛造済みの成形素材としてから、仕上げの機械加工を施すことで製品化するような鍛造ピストンの製造方法において、金属塊の素材から略ピストン形状の成形素材を鍛造する段階で、該成形素材のヘッド部の上面に、吸・排気バルブの逃げ部となるバルブリセスと共に、機械加工によりピンボス部に対してピン孔を形成する際の加工基準となる一対の凸部を、鍛造時に同一の金型部材によってそれぞれ形成しておくことを特徴とする鍛造ピストンの製造方法。
2. 金属塊の素材を複数の金型部材からなる鍛造用金型により鍛造することで略ピストン形状とされている鍛造済み成形素材において、該成形素材のヘッド部の上面に、吸・排気バルブの逃げ部となるバルブリセスと、機械加工によりピンボス部に対してピン孔を形成する際の加工基準となる一対の凸部が、鍛造時に同一の金型部材によってそれぞれ形成されていることを特徴とする鍛造済み成形素材。
3. 機械加工によりピンボス部に対してピン孔を形成する際の加工基準となる一対の凸部が、ヘッド部の上面の外周部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の鍛造済み成形素材。

Images