JP4226128B2 - 内燃機関用のピストンの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レシプロ型式のエンジン等の内燃機関に使用されるピストンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば乗用車やオートバイのエンジンに使用されるピストンでは、鋳造により形成されているものが多くあるが、近年ではアルミ合金等を使用した鍛造により形成されたピストンが現れてきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようなエンジンではシリンダヘッドに吸気バルブ及び排気バルブが配置されているので、ピストンのヘッド部の外周部近くに凹部状のバルブリセスを形成したものがあり、ピストンが上死点に達した際に、開操作された吸気バルブ及び排気バルブがピストンのヘッド部のバルブリセスに入り込むようにして、吸気バルブ及び排気バルブの開閉にピストンが干渉しないように構成している。
この場合、ピストンのヘッド部はシリンダで爆発する高圧の燃焼ガスを受け止めるので、ピストンのヘッド部にヒケやヒケによるキズ等が生じていると、ピストンの耐久性の低下を招くおそれがある。
本発明は内燃機関用のピストンにおいて、ピストンを鍛造により製作する場合に、特にバルブリセスにヒケやヒケによるキズ等が生じないようにすることを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
［Ｉ］
例えば図８（ロ）に示すように、ピストンのヘッド部５の外周部近くにバルブリセス６が形成される場合、ヘッド部５の外周部で金型が終わり、ヘッド部５の外周部から外方に素材が流れないように構成されていたとする。
図８（ロ）に示す状態において、ピストン軸芯方向に金型を移動させてピストンの鍛造を行うと、例えば図８（ロ）の矢印Ａ１に示すように、素材が中側から金型のバルブリセス６の底面部６ａに対応する部分に沿って流れて、バルブリセス６が形成されると考えられる。
この図８（ロ）に示す状態の場合、矢印Ａ１に示す素材の流れが大きなものとなると考えられ、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分に沿って素材があまり流れ込まずに、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分に素材が滞留するものと考えられる。これにより、矢印Ａ１に示す素材の流れによって発生する断層によって、バルブリセス６の底面部６ａと縦壁部６ｂとの間の部分に、ヒケやヒケによるキズ等の欠陥Ｂが発生し易いものと考えられる。
【０００５】
図８（ロ）に示す状態において、金型の表面（ヘッド部５の表面に対応する部分）を粗くし、矢印Ａ１に示す素材の流れに抵抗が加わるようにして、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分に素材が滞留し難くするように構成することも可能である。しかしながら、このように構成するとヘッド部５の表面が粗くなり、ヘッド部５の表面に疲労破壊が発生し易くなって、ピストンの耐久性の低下を招くおそれがある。
【０００６】
［ＩＩ］
請求項１の特徴によると、ピストン軸芯方向に金型を移動させてピストンの鍛造を行うと、例えば図８（イ）の矢印Ａ２に示すように、素材が中側から金型のバルブリセス６の底面部６ａに対応する部分に沿って流れて、バルブリセス６が形成されるのであり、図８（イ）の矢印Ａ３に示すように、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分及び金型のヘッド部５の外周部に対応する部分に素材が流れ込み、素材がさらに外方に流れて、ヘッド部５の外周部におけるバルブリセス６付近の縁部から突出する突出部１０が、形成されるものと考えられる。
【０００７】
請求項１の特徴について言い換えると、図８（イ）に示すように金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分及び金型のヘッド部５の外周部に対応する部分から、素材がさらに外方に流れて、ヘッド部５の外周部におけるバルブリセス６付近の縁部から突出する突出部１０が形成されるように構成しているのであり、図８（ロ）に示すように素材の行き着く先を金型のヘッド部５の外周部に止めるのではなく、図８（イ）に示すように突出部１０にまで少し先に延ばしている。
請求項１の特徴のように、素材の行き着く先を金型のヘッド部の外周部に止めるのではなく、突出部にまで少し先に延ばすことにより、図８（イ）の矢印Ａ３に示すように、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分及び金型のヘッド部５の外周部に対応する部分に素材が流れ込み易くなって、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分に素材が滞留すると言う状態を回避することができるのであり、バルブリセス６にヒケやヒケによるキズ等が生じると言う状態を防止することができる。
【０００８】
請求項１の特徴のように、ヘッド部の外周部におけるバルブリセス付近の縁部から突出する突出部が形成されるようにすれば、前項［Ｉ］に記載のように金型の表面を粗くしなくても、金型のバルブリセスの縦壁部に対応する部分に素材が滞留すると言う状態を回避することができるのであり、ヘッド部の表面が粗くなってヘッド部の表面に疲労破壊が発生し易くなると言う状態を伴うことがない。
【０００９】
［ＩＩＩ］
更に、以下のような「作用」を備えている。
ヘッド部の外周部におけるバルブリセス付近の縁部から、突出部がピストン軸芯方向に突出するようにしており、突出部の突出方向が金型の移動方向に沿っている。これにより、金型をピストン軸芯方向に移動させて鍛造を行う際、金型の押し作用によって素材が抵抗少なく円滑に突出部側に流れ込んで、突出部が形成されると考えられる。
又、請求項１の特徴のように、ガイド部の内周面と第２金型との間に、ピストンの壁部の厚さに応じた幅を有し、第１金型と反対側に開放された隙間を形成すれば、隙間に合金素材が不足なく流れて入り込むことになる。
【００１０】
［ＩＶ］
請求項２の特徴によると、請求項１の場合と同様に、前項［ＩＩ］［ＩＩＩ］に記載の「作用」を備えており、これに加えて以下のような「作用」を備えている。
請求項２の特徴によると、ヘッド部の外周部の全周に亘って突出部が形成されて、突出部を形成するのに必要な素材の量が多いものになっており、金型の突出部に対応する部分に、多くの素材が流れ込むようになっている。これにより例えば図８（イ）の矢印Ａ３に示すように、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分及び金型のヘッド部５の外周部に対応する部分に、さらに多くの素材が流れ込み、金型のバルブリセス６の縦壁部６ｂに対応する部分に素材が滞留すると言う状態をさらに回避することができるのであり、バルブリセス６にヒケやヒケによるキズ等が生じると言う状態をさらに防止することができる。
【００１１】
［Ｖ］
請求項３の特徴によると、請求項１又は２の場合と同様に、前項［ＩＩ］[ＩＩＩ]［ＩＶ］に記載の「作用」を備えており、これに加えて以下のような「作用」を備えている。
請求項３の特徴のように空間の厚さを０．３〜５ｍｍに設定すると、素材（例えばアルミ合金等）が鍛造により支障なく突出部側に流れ込んで、突出部を形成すると考えられ、突出部の厚さが不必要に大きくなり過ぎないものと考えられる。
【００１２】
［ＶＩ］
請求項４の特徴によると、請求項１〜３のうちのいずれか一つの場合と同様に前項［ＩＩ］〜［Ｖ］に記載の「作用」を備えており、これに加えて以下のような「作用」を備えている。
請求項４の特徴によると、ピストンを鍛造した後に突出部を削り落とす。この場合、ヘッド部の外周部の機械加工を行うので、この機械加工によって突出部も一緒に削り落とすようにすることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１（イ）（ロ）は、乗用車やオートバイ等の４サイクルのエンジンに使用されるピストンの本体１を示しており、後述するように本体１に機械加工が施されて、ピストンが得られるのであり、本体１はアルミ合金を材料として鍛造によって製作される。
【００１４】
次に、前述のようにして鍛造された本体１について説明する。
図１（イ），２，４に示すようにヘッド部５の表側において、凹部状のバルブリセス６が４つ形成されており、図２の紙面右又は左側の一方の一対のバルブリセス６が吸気バルブ（図示せず）用で、他方の一対のバルブリセス６が排気バルブ（図示せず）用である。４つのバルブリセス６に亘る外周面部７が、ピストン軸芯方向に直交する平面に形成され、中央面部８が緩やかな凹面状に形成されており、中央面部８の中央に円錐状の凸部９が形成されている。
【００１５】
図１（イ）及び図２に示すようにバルブリセス６は、平面視半円状（図２参照）で中心側から外周側に向けて下るように傾斜する底面部６ａ、平面視円弧状（図２参照）の第１縦壁部６ｂ、外周部の小さな第２縦壁部６ｃにより形成されている。図１（イ），２，４に示すように、本体１のヘッド部５の外周部の縁部から、図１（イ）の紙面上方（ピストン軸芯方向）に突出するように、薄肉のリング状の突出部１０がヘッド部５の外周部の全周に亘って形成されており、突出部１０の厚さＴは、０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定されている。
【００１６】
図１（ロ），３，４に示すようにヘッド部５の裏側において、ヘッド部５の裏側の外周部から図４の紙面下方（ピストン軸芯方向）に延出される縦壁状のスカート部１１が、１８０°位相が異なるように一対形成されており、ヘッド部５の表側の一対のバルブリセス６の間に対向するヘッド部５の裏側に、スカート部１１が位置している（図１（イ）参照）。一対のスカート部１１の間に少し大きめのブロック状のピンボス部１２が形成され、スカート部１１とピンボス部１２とを接続するように縦壁状のリブ１３が形成されている。
【００１７】
図１（ロ）及び図３に示すように、ヘッド部５の外周部とピンボス部１２との間に重量軽減用の２つの凹部１４が形成され、ヘッド部５の外周部とリブ１３との間に重量軽減用の４つの凹部１５が形成されている。図３及び図４に示すように、スカート部１１の少し中央側の位置で、ヘッド部５の表側の一対のバルブリセス６の間に対向するヘッド部５の裏側に、重量軽減用の２つの凹部１６が形成されている。
【００１８】
次に、本体１の鍛造について説明する。
図６及び図７に示すように内面が円筒状のガイド部２に、本体１のヘッド部５の裏側（コンロッド側）を鍛造する第２金型４が固定され、本体１のヘッド部５の表側（シリンダヘッド側）を鍛造する第１金型３が、ガイド部２に沿って移動操作自在に支持されている。
第１金型３において、外周部３ａが段付き軸状に小径に設定されており、ガイド部２の内径に対して第１金型３の外径が少しだけ小さいものに設定されて、ガイド部２と第１金型３との間を通って空気が抜けるように設定されている。図１（イ）に示すヘッド部５のバルブリセス６に対応する４つの凸部３ｂ、及びヘッド部５の凸部９に対応する１つの凹部３ｃが、第１金型３に形成されている。
【００１９】
図６及び図７に示すように第２金型４において、図１（ロ）に示すピンボス部１２に対応する２つの凹部４ａ、リブ１３に対応する４つの凹部４ｂ、スカート
部１１に対応する２つの凹部４ｃ、重量軽減用の凹部１４，１５に対応する６つの凸部４ｇ、図４に示す重量軽減用の凹部１６に対応する２つの凸部４ｄが形成されており、第２金型４の凹部４ａに押し出しロッド１７がスライド操作自在に支持されている。
第２金型４の凹部４ａ，４ｂは底部４ｅ，４ｆを備えており、第２金型４の底部４ｅ，４ｆに、図６の紙面左右方向に向く小径の空気抜き孔（図示せず）が設けられている。第２金型４の凹部４ｃは底部を備えておらず、図６の紙面右側に開放されており、第２金型４の凹部４ｃの端部にテーパー面４ｈが形成されて先細り状に構成されている。
【００２０】
以上の構成により、所定の板厚を持った円盤状のアルミ合金素材（図示せず）を第２金型４に置き、第１金型３を図６の紙面左側から紙面右方に移動操作することによって、ガイド部２、第１及び第２金型３，４により本体１を鍛造する。この場合、第１金型３の移動方向（鍛造方向）が、ピストン軸芯方向（エンジンのシリンダでピストンが往復移動する方向）に設定されている。
【００２１】
第１及び第２金型３，４による押圧により、アルミ合金素材が第１金型３の凹部３ｃ（図１（イ）のヘッド部５の凸部９に対応）に入り込み、第１金型３の表面に沿って中側から外周側に流れて、第１金型３の凸部３ｂ（バルブリセス６に対応）から第１金型３の外周部３ａに入り込む。
この場合、アルミ合金素材が第１金型３の外周部３ａに全周に亘って入り込むことによって、第１金型３の凸部３ｂ付近でアルミ合金素材が中側から外周側に円滑に流れて、第１金型３の凸部３ｂの隅々にアルミ合金素材が行き渡る。アルミ合金素材が第１金型３の外周部３ａに入り込み、第１金型３の凸部３ｂ付近でアルミ合金素材が中側から外周側に流れる。これにより、図１（イ）に示すようにヘッド部５の表側に４つのバルブリセス６、１つの凸部９、及び突出部１０が形成される。
【００２２】
第１及び第２金型３，４による押圧により、アルミ合金素材が第２金型４の凹部４ａ，４ｂに入り込み、第２金型４の底部４ｅ，４ｆに達するのであり、アルミ合金素材が第２金型４の表面に沿って中側から外周側に流れて、第２金型４の凸部４ｄ，４ｇ付近から、第２金型４の凹部４ｃに入り込む。
この場合、第２金型４の凹部４ａ，４ｂに底部４ｅ，４ｆ（小径の空気抜き孔は在る）が備えられているのに対し、第２金型４の凹部４ｃの端部は開放されているので、中側から第２金型４の凹部４ｃにアルミ合金素材が不足なく流れて入り込むのであり、アルミ合金素材が第２金型４の凹部４ｃの端部に達すると、テーパー面４ｈの抵抗によってアルミ合金素材の流れが部分的に止められる。
【００２３】
これにより、図１（ロ）に示すように、ピンボス部１２の端部１２ｂ及びリブ１３の端部１３ｂが、第２金型４の凹部４ａ，４ｂの底部４ｅ，４ｆによって規制を受けた成形端に形成されて、アルミ合金素材が第２金型４の底部４ｅ，４ｆの小径の空気抜き孔に入り込んだ凸部１２ａ，１３ａが形成される。スカート部１１の端部１１ａは、第２金型４の凹部４ｃの規制を受けない自由端に形成される。
【００２４】
以上のようにしてガイド部２、第１及び第２金型３，４により本体１の鍛造が終了すると、第１金型３が図６の紙面左方に移動操作されるのであり、本体１が第２金型４に付着した状態で第１金型３から離れる。次に第２金型４の押し出しロッド１７が図６の紙面左方に移動操作されて、押し出しロッド１７がピンボス部１２の端部１２ｂを押して、本体１が第２金型４から離れる。
【００２５】
図１（イ）〜図４に示すように本体１の鍛造が終了すると、次に本体１の機械加工を行って、図５に示すようなピストンを得るのであり、次に本体１の機械加工について説明する。
図１（イ）に示すヘッド部５の凸部９により本体１の中心が設定されて、ヘッド部５の外周部及びスカート部１１の外周部の切削加工が行われ、図１（イ）に示す突出部１０が全て削り落とされるのであり、図５に示すようにバルブリセス６の外周側が開放された状態となる。次に図５に示すように、ヘッド部５の外周
部に２本のピストンリング溝１８、及び１本のオイルリング溝１９が切削加工されて形成され、半径方向に貫通する複数のオイル孔（図示せず）がオイルリング溝１９に開孔される。
【００２６】
図５に示すように、ピンボス部１２にピストンピン支持孔２０が開孔され、ピストンピン支持孔２０にサークリップ（図示せず）の支持溝（図示せず）が形成されるのであり、図５の紙面上下方向（ピストン軸芯方向）のオイル供給孔（図示せず）が、ピストンピン支持孔２０に接続するようにピンボス部１２に開孔される。
ヘッド部５の裏側において、図１（ロ）に示すピンボス部１２の端部１２ｂ及びリブ１３の端部１３ｂの凸部１２ａ，１３ａが削り落とされ、図１（イ）に示すヘッド部５の凸部９が削り落とされる。図１（ロ）及び図４に示すスカート部１１の端部１１ａが、所定位置で切り落とされる（削り落とされる）。
【００２７】
［発明の実施の別形態］
図１（イ）及び図５に示すピストンにおいて、ヘッド部５の外周部及びスカート部１１の外周部の切削加工を行う場合、図１（イ）に示す突出部１０を全て削り落とすのではなく、突出部１０を少し残して、バルブリセス６の外周側に縦壁部が形成されるようにしてもよい。
逆に突出部１０を全て削り落とす場合には、図１（イ）に示すように突出部１０をヘッド部５の外周部の全周に亘って形成するのではなく、ヘッド部５の外周部においてバルブリセス６の付近にのみ突出部１０を形成してもよい。
【００２８】
図６においては固定の第２金型４にアルミ合金素材を置き、第１金型３を図６の紙面左側から紙面右方に移動操作して鍛造を行うように構成しているが、第１金型３を固定として、第１金型３にアルミ合金素材を置き、第２金型４を図６の紙面右側から紙面左方に移動操作して鍛造を行うように構成してもよい。
図１（イ）に示すリブ１３を備えずに、スカート部１１がヘッド部５の外周部の全周に亘って形成されるようなピストンにも、本発明は適用できる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の特徴によると、内燃機関用のピストンを鍛造により製作する場合、ヘッド部の外周部におけるバルブリセス付近の縁部から突出する突出部が形成されるようにすることによって、バルブリセスにヒケやヒケによるキズ等が生じると言う状態を防止することができるようになり、ピストンの耐久性の低下を未然に防止することができるようになった。
請求項１の特徴によると、金型の表面を粗くしなくても、バルブリセスにヒケやヒケによるキズ等が生じると言う状態を防止することができ、ヘッド部の表面が粗くなってヘッド部の表面に疲労破壊が発生し易くなると言う状態を伴うことがないので、ピストンの耐久性の低下を防止すると言う面で有利なものとなった。
【００３０】
更に、以下のような「発明の効果」を備えている。
突出部がピストン軸芯方向に突出するようにすることにより、金型の押し作用によって抵抗少なく円滑に突出部が形成されると考えられるので、バルブリセスにヒケやヒケによるキズ等が生じると言う状態をさらに防止することができるようになり、ピストンの耐久性の低下をさらに未然に防止することができるようになった。
【００３１】
請求項２の特徴によると、請求項１の場合と同様に、前述の請求項１の「発明の効果」を備えており、この「発明の効果」に加えて以下のような「発明の効果」を備えている。
請求項２の特徴によると、ヘッド部の外周部の全周に亘って突出部が形成されるようにすることによって、突出部側に多くの素材が流れ込むようになるので、バルブリセスにヒケやヒケによるキズ等が生じると言う状態をさらに防止することができるようになり、ピストンの耐久性の低下をさらに未然に防止することができるようになった。
【００３２】
請求項３の特徴によると、請求項１又は２の場合と同様に、請求項１又は２の「発明の効果」を備えており、この「発明の効果」に加えて以下のような「発明の効果」を備えている。
請求項３の特徴によると、空間の厚さを０．３〜５ｍｍに設定することにより、素材（例えばアルミ合金等）が鍛造により支障なく突出部を形成すると考えられるので、不良率の低減による生産コストの低減を図ることができた。さらに、不必要に厚さが大きくなり過ぎずに、素材（例えばアルミ合金等）が鍛造により支障なく突出部を形成すると考えられるので、素材の節約による生産コストの低減も図ることができた。
【００３３】
請求項４の特徴によると、請求項１〜３のうちのいずれか一つの場合と同様に請求項１〜３の「発明の効果」を備えており、この「発明の効果」に加えて以下のような「発明の効果」を備えている。
請求項４の特徴によると、ピストンを鍛造した後に突出部を削り落とすことにより、ヘッド部の外周部の機械加工を行う際に、突出部も一緒に削り落とすようにすることが可能になるので、生産コストの低減と言う面でも有利なものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 鍛造後で機械加工前のピストンを表側及び裏側から見た斜視図
【図２】 鍛造後で機械加工前のピストンを表側から見た平面図
【図３】 鍛造後で機械加工前のピストンを裏側から見た底面図
【図４】 鍛造後で機械加工前のピストンの縦断側面図
【図５】 機械加工後のピストンを表側から見た斜視図
【図６】 第１及び第２金型、ガイド部の縦断側面図
【図７】 第１及び第２金型の斜視図
【図８】 ヘッド部の外周部におけるバルブリセス付近の縁部から突出する突出部が形成されている状態と、突出部が形成されていない状態とを示す図
【符号の説明】
３，４ 金型
５ ヘッド部
６ バルブリセス
１０ 突出部

Claims (4)

1. 内周面が円筒状のガイド部と、
   ピストンのヘッド部の外周部付近に周方向に点在する状態で形成された複数のバルブリセスに対応する凸部を形成し、前記ガイド部に挿入して鍛造する際に、前記ガイド部の内周面に密接すると共に、前記ガイド部の内周面との間に前記ヘッド部の外周部における前記バルブリセス付近の縁部からピストン軸芯方向に突出する薄肉の突出部を形成する空間を形成する第１金型と、
   前記ガイド部に挿入して鍛造する際に、前記ガイド部の内周面との間に前記ピストンの壁部の厚さに応じた幅を有し、前記第１金型と反対側に開放された隙間を形成する第２金型と、を備え、
   前記ピストンの材料となる合金板を前記第１金型と前記第２金型との間に配置し、
   前記ガイド部に沿って前記第１金型と前記第２金型とを前記ピストン軸芯方向に相対移動させて前記ピストンを鍛造する内燃機関用のピストンの製造方法。
2. 前記突出部を前記ヘッド部の外周部の全周に亘って形成する請求項１記載の内燃機関用のピストンの製造方法。
3. 前記空間の厚さを０．３〜５ｍｍに設定する請求項１又は２記載の内燃機関用のピストンの製造方法。
4. 前記ピストンを鍛造した後に、前記突出部を削り落とす請求項１〜３のうちのいずれか一つに記載の内燃機関用のピストンの製造方法。

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