JP4253644B2 - 内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はピストンの製造技術に係わり、特に高温下に晒されるクラウン部内に冷却液を循環させるための環状空洞部を有する内燃機関用ピストンの製造方法に関する。
一般に、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンといった内燃機関に用いられるピストンはアルミ合金や鋳鉄により作られるが、アルミ製のピストンでは駆動中にクラウン部の頂面（ピストンヘッド）が約３００℃、鋳鉄製のもので約５００℃にも達する。
又、ピストンリングを取り付けるリング溝も運転時に高温によるピストンリングの機能への悪影響を防ぐため、温度上昇を抑制する必要があり、その近傍にオイルをはじめとする冷却液を循環させるための環状空洞部を設けることが一般に広く行われている。
ここに、係る環状空洞部は、鋳造品にして砂などから作られる易崩壊性の中子を用いて形成することができるが、中子を成型したり鋳込後の中子を崩壊させて鋳物内から抜き取ったりする作業は容易でなく、時間が掛かる上にコスト高にもなる。
そこで、ピストン本体のトップランド部とスカート部とを鍛造により分割状態で個別に成形し、その後で係るトップランド部とスカート部との分割面を圧接溶接などにより接合することにより環状空洞部を形成することが行われている（例えば、特許文献１）。
これによれば、中子を用いる一体成型品に比べてピストン本体を効率よく生産できるという利点がある。
特開２００１−１０７８０３号公報
然し乍ら、特許文献１のようにトップランド部とスカート部から成る２つの部品を圧接溶接すると、その圧接面の縁にカール状のスケールが生成される。係るスケールは圧接力の大きさに比例して大きくなり、これが大きく成長した場合には圧接面の内側に形成される環状空洞部の容積が狭められ、これにより冷却液の流通性が損なわれてピストンヘッドが焼き付いたり、ピストンヘッドの過熱によりノッキングを惹起したりする虞がある。
本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的は冷却液を良好に循環させることのできる環状空洞部をもつ高品質の内燃機関用ピストンを効率よく製造する方法を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、外周面にピストンリングを嵌め込むための溝部を形成するクラウン部と、該クラウン部の下部に連なるスカート部とから成る一体形のピストン本体における前記クラウン部の頂面に燃焼室を形成する受圧用凹部が設けられると共に、その受圧用凹部の周囲に冷却液を流通させるための環状空洞部が設けられる構造の内燃機関用ピストンを製造する方法であり、
前記クラウン部の頂面周縁部若しくは該クラウン部の外周面上部に前記環状空洞部と成すための環状溝を形成すると共に、前記環状溝の開口縁に連ねて環状の突条を形成し、更に前記環状溝の内壁部に前記突条に対向する段部を形成しておき、
前記ピストン本体を回転させながら、前記突条に曲げ荷重を与えるための加圧ローラを押し付けて前記突条を前記環状溝の開口部側に屈曲せしめて該突条の先端部を前記段部に密着させ、これにより前記環状溝の開口部を閉鎖して前記受圧用凹部の周囲に冷却液を流通させるための環状空洞部を形成することを特徴とする。
本発明によれば、クラウン部の頂面周縁部若しくは該クラウン部の外周面上部に環状溝を形成すると共に、該環状溝の開口縁に連ねて環状の突条を形成し、その突条を加圧して環状溝の開口部側に屈曲せしめ、これにより環状溝の開口部を閉鎖して受圧用凹部の周囲に冷却液を流通させるための環状空洞部を形成することから、複雑な中子を用いて環状空洞部を鋳造したり、２つの部品を摩擦圧接したりするものに比べ、クラウン部の内部に実質的に密閉された環状空洞部をもつ高品質の内燃機関用ピストンを効率よく容易に製造することができる。
特に、環状溝の開口縁に連なる突条を屈曲せしめて環状空洞部を形成することから、その内部にカール状のスケールが生成されることがなく、このため冷却液を円滑に流通させてクラウン部の焼付きやノッキング現象を未然に防止することができる。
加えて、ピストン本体を回転させながら、突条に曲げ荷重を与えるための加圧ローラを押し付けて突条を環状溝の開口部側に屈曲せしめることから、環状空洞部をその全周に亙って均一な断面形状にして効率的に形成することができる。
以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。図１は、本発明に係る内燃機関用ピストンを示した縦断面図である。図１において、１は円柱状のピストン本体であり、このピストン本体１はクラウン部２とその下部に連なるスカート部３とを鍛造、鋳造、乃至は切削加工などにより一体成形して構成される。
クラウン部２の外周面には、その周方向に連続する３つの溝部４Ａ，４Ｂ，４Ｃ（リング溝）が軸心方向に所定の間隔で形成され、その各溝部４Ａ〜４Ｃに図示せぬピストンリングが嵌め込まれる構成とされる。
又、クラウン部２の頂面２Ａ（ピストンヘッド）には、その中央領域に図示せぬシリンダヘッドとの間で燃焼室を形成する受圧用凹部５が形成され、その受圧用凹部５内に燃料が吹き込まれる構成とされる。
特に、クラウン部２内には受圧用凹部５の周囲で環状空洞部６が形成され、その環状空洞部６内が冷却液（本例においてオイル）で満たされ、その冷却液が環状空洞部６内で流通されつつ図示せぬオイルクーラとの間で循環されるようになっている。
一方、スカート部３は最終の溝部４Ｃよりも下の部分であり、これは文字通りの中空状で、その周壁部には図示せぬピストンピンを通すためのピン挿入孔７が形成され、これに挿入されたピストンピンに図示せぬコネクティングロッドの一端が連結されるようになっている。
尚、スカート部３の下部開口縁には図示せぬ管路を通すための切欠部８が形成され、ここに通した管路を通じて環状空洞部６内への冷却液の供給、及び環状空洞部６からの冷却液の排出が行われるようにしてある。ここに、図１に示した環状空洞部６は上記の管路が接続する部分を除いて密閉された空間とされる。
以上のようなピストンを製造する方法を説明すれば、先ずピストン本体１を図２のような形態に製作する。つまり、鍛造、鋳造、乃至は切削加工などによりクラウン部２とスカート部３が一体構造のピストン本体１を成形し、特にクラウン部２には受圧用凹部５の周囲において、最終的に上記のような環状空洞部６と成すための環状溝９を形成するほか、その環状溝９の開口縁に連ねて環状の突条１０を形成する。
このように環状空洞部６が未完のピストン本体１であれば、鋳造でも複雑な中子を用いず容易に成型でき、鍛造や切削加工でも容易に製作することができる。
尚、図２では係る環状溝９を上部開放形としてクラウン部２における頂面２Ａの周縁部に形成すると共に、突条１０を環状溝９の外側開口縁に沿って形成しているが、本発明はこれに限らず、後述のように係る環状溝９をクラウン部２の外周面上部に形成して側部開放形としてもよい。
図３は、以上のような環状溝９の開口部９Ａを閉鎖して環状空洞部６を完成させた状態を示す。図３から明らかなように、環状溝の開口部９Ａを閉鎖するには、ピストン本体１をその軸心周りに回転させながら、回転駆動される加圧ローラ１１を突条１０に押し付けて該突条をその側面直角方向から環状溝の開口部９Ａ側に向かって加圧する。
これにより、突条１０は加圧ローラ１１による曲げ荷重を受けて環状溝の開口部９Ａ側に屈曲され、而して環状溝の開口部９Ａが屈曲した突条１０により閉鎖されて受圧用凹部５の周囲に上記の環状空洞部６が形成される。
このように、本発明によれば従来品のようにピストン本体を２分割したり、複雑な中子を用いる事なく環状空洞部６を容易に形成することができる。
尚、突条１０を屈曲せしめた後は、その先端面と環状溝９の内壁面との接合部分１２に図４のように溶接を施すことが好ましく、これにより係る接合部分１２から冷却液（オイル）が漏れ出す虞を完全に防止する事ができる。又、接合部分１２を溶接するに当たり、突条１０の先端部に予め図４のような斜面部１０Ａを形成して上記の接合部分１２に溶接用の開先が形成されるようにしてもよいが、電子ビーム溶接などの採用により開先の形成を省略することができる。
更に、図５（Ａ）のように、ピストン本体１には、環状溝９の開口部９Ａ側で突条１０に対向する環状溝９の側壁部分（内壁部）に予め段部９Ｂを形成しておく。これによれば、突条１０を屈曲させたとき、図５（Ｂ）のように突条１０の先端部が段部９Ｂに密着して、より密閉性の高い環状空洞部６を形成することができる。
以上、本発明の適用例として、上記例では環状溝９をクラウン部２の頂面２Ａ（ピストンヘッド）周縁部に形成し、その外側開口縁に突条１０を連設したが、それらを以下のような態様としてもよい。
図６は突条１０の変形例、図７はピストンヘッド２Ａに環状溝９を形成してその内側開口縁に突条１０を連設した例、図８および図９は環状溝９を側部開放形としてクラウン部２の外周面上部に形成した例であり、これらも上記例と同じく加圧ローラ１１などを用いて突条１０を屈曲せしめ、以って環状溝９の開口部９Ａを閉鎖して図１のような環状空洞部６を形成することができる。
尚、図６、図８、および図９の例では突条１０の外周面に予め最上部の溝部４Ａを形成することもできるが、突条１０を加圧することによる塑性変形で溝部４Ａ〜４Ｃの形状が不良とならぬよう、突条１０を屈曲せしめて環状空洞部６を形成した後、屈曲された突条１０の外周側に溝部４Ａ、その下側に溝部４Ｂ，４Ｃを順次切削加工により形成することが好ましく、これにより溝部４Ａ〜４Ｃを適正な形状に加工しながら、環状空洞部６に隣接するトップランド部を良好に冷却することができる。
又、図６〜図９に示す変更例においても、環状溝９の開口部９Ａ側で突条１０に対向する環状溝９の側壁部分に、屈曲された突条１０の先端部が密着するような段部（図６〜図９では係る段部は図示せず）を予め形成しておく。
本発明に係る内燃機関用ピストンを示す縦断面図 環状空洞部を形成する前のピストン本体を示す縦断面図 環状空洞部を形成した後のピストン本体を示す縦断面図 環状空洞部の形成部分を示す部分拡大断面図 （Ａ）は環状溝の変形例を示す部分拡大断面図で、（Ｂ）は同環状溝の開口部を閉鎖した状態を示す部分拡大断面図 環状空洞部の他の形成例を示した説明図 環状空洞部の他の形成例を示した説明図 環状空洞部の他の形成例を示した説明図 環状空洞部の他の形成例を示した説明図
符号の説明
１ ピストン本体
２ クラウン部
２Ａ 頂面（ピストンヘッド）
３ スカート部
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 溝部（リング溝）
５ 受圧用凹部
６ 環状空洞部
９ 環状溝
９Ａ 環状溝の開口部
１０ 突条
１１ 加圧ローラ

Claims (1)

  1. 外周面にピストンリングを嵌め込むための溝部を形成するクラウン部と、該クラウン部の下部に連なるスカート部とから成る一体形のピストン本体における前記クラウン部の頂面に燃焼室を形成する受圧用凹部が設けられると共に、その受圧用凹部の周囲に冷却液を流通させるための環状空洞部が設けられる構造の内燃機関用ピストンを製造する方法であり、
    前記クラウン部の頂面周縁部若しくは該クラウン部の外周面上部に前記環状空洞部と成すための環状溝を形成すると共に、前記環状溝の開口縁に連ねて環状の突条を形成し、更に前記環状溝の内壁部に前記突条に対向する段部を形成しておき、
    前記ピストン本体を回転させながら、前記突条に曲げ荷重を与えるための加圧ローラを押し付けて前記突条を前記環状溝の開口部側に屈曲せしめて該突条の先端部を前記段部に密着させ、これにより前記環状溝の開口部を閉鎖して前記受圧用凹部の周囲に冷却液を流通させるための環状空洞部を形成することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
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