JP4292034B2 - 冷却空洞付き耐摩環の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用ピストンのピストンヘッド部に鋳包まれる、冷却オイルを還流させる冷却空洞付き耐摩環の製造方法に関する。

近年、ディーゼルエンジンは高出力化や小型軽量化等にともなって高速高負荷の傾向にあり、ピストンにおいては熱による負荷が厳しくなってきている。特に、ピストンのトップリング溝（ピストンリング溝）近傍は、圧縮、爆発による熱エネルギーで高温となり、加えて、エンジン潤滑油の炭化や燃焼による煤が発生して付着することによって、シリンダー壁面との間でトップリング溝に装着されるピストンリング（トップリング）が磨耗してピストンリングの機能が低下し、オイル消費量が増大する傾向にある。

このため、このような問題に対処するために、ピストンのピストンヘッド部近傍に、その内周側にピストン冷却用のエンジンオイルを還流させる冷却空洞（胴環部）を有すると共に、その外周側にトップリング溝を有する耐摩耗性の材料からなる耐摩環を鋳込んだピストンが、従来より提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−２３１５３９号公報

ところで、上記特許文献１に開示されている冷却空洞（胴環部）付き耐摩環は、図８に示すように、鋳物製ニレジスト材からなる外周側にトップリング溝１０１を有する耐摩環１００と、ステンレス材からなる断面コ字状で円環状の成型体１０２をそれぞれ別体で製作して、耐摩環１００の内周側に、冷却空洞（胴環部）１０３を形成するための断面コ字状の成型体１０２をろう付けで接合しているが、このような従来の構造では製作工程が多くなり、更に２種類の金属を用いることによってコストが高くなる。なお、図９は、上記の成型体１０２によって形成された冷却空洞（胴環部）１０３付き耐摩環１００を鋳込んで製作されたピントン１０４を示す断面図である。

また、上記の冷却空洞（胴環部）１０３を形成するための断面コ字状で円環状の成型体１０２は、断面がコ字状の１枚のステンレス鋼板をリング状に溶接した後に絞り込み加工によって形成しているが、このような加工は高度な技術と設備が必要であり、コストアップの要因の一つとなっていた。

そこで本発明は、製作が容易でかつ低コストな、冷却空洞付き耐摩環の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、内燃機関用ピストンのピストンヘッド部に鋳包まれる、冷却オイルを還流させる冷却空洞付き耐摩環の製造方法において、所定の厚みを有する金属製の円筒体の外周側の中央領域をその全周にわたって肉厚を薄くして薄肉部を形成し、前記円筒体の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって前記円筒体の内側から外側に向けて加圧して、前記薄肉部の中央位置を中心にして前記円筒体の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げて、内周側に前記薄肉部によって囲まれた環状の冷却空洞が形成されるように前記円筒体の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、その重ね合わせ面を接合して環状の耐摩環を形成することを特徴としている。

また、請求項３に係る本発明は、内燃機関用ピストンのピストンヘッド部に鋳包まれる、冷却オイルを還流させる冷却空洞付き耐摩環の製造方法において、所定の厚みを有する金属製の円筒体の内周面に当接するようにして中央部の全周にわたって凹部を有する円柱部材を配置して、前記円筒体の外周側から高圧の水又は油を当てて前記円筒体の中央部を前記円柱部材の凹部の形状に応じて変形させ、前記円筒体の中央部の全周にわたって肉厚を薄くして凹状の薄肉部を形成し、前記円筒体の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって前記円筒体の内側から外側に向けて加圧して、前記薄肉部の中央位置を中心にして前記円筒体の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げて、内周側に前記薄肉部によって囲まれた環状の冷却空洞が形成されるように前記円筒体の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、その重ね合わせ面を接合して環状の耐摩環を形成することを特徴としている。

本発明の製造方法によれば、冷却空洞を一体的に形成した耐摩環を単一の金属によって容易に製作することができるので、コストの低減を図ることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

〈実施の形態１〉
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却空洞付き耐摩環を配設した内燃機関用ピストン（以下、単にピストンという）を示す断面図である。なお、図１に示す本実施の形態に係るピストン１は、内燃機関の一種であるディーゼルエンジン用のピストンである。

このピストン１のピストンヘッド部２には、外周にトップリング溝（ピストンリング溝）３を有する耐摩耗性を向上させるためのオーステナイト系ステンレス材からなるリング状の耐摩環４が鋳込まれて配設されており、耐摩環４の内周側にはピストン冷却用のエンジンオイルを還流させる冷却空洞５が一体的に設けられている。ピストンヘッド部２外周のトップリング溝３の下側には、セカンドリング溝６とオイルリング溝７が形成されている。

次に、上記した本実施の形態に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）は、耐摩環４の一断面を示しており、全周にわたって同様の断面形状である。

先ず、所定の厚み（例えば１ｍｍ〜数ｍｍ程度）で所定の高さに形成されたオーステナイト系ステンレス材からなる円筒体１０の中央部領域の外側全周を、専用のプレス装置（不図示）で肉厚が半分以下となるようにプレス加工し、薄肉部１０ａを形成する（図２（ａ））。円筒体１０の高さ方向（図２（ａ）の上下方向）における中央位置は、薄肉部１０ａの中央位置に対応している。なお、円筒体１０の外側全周に形成する薄肉部１０ａは、上記したプレス加工以外にも専用の切削装置（不図示）による切削加工でも同様に形成することができる。

そして、肉厚を薄くした円筒体１０の薄肉部１０ａの中央位置に円環状のガイド部材１１を押し当て、ガイド部材１１を固定保持した状態で、円筒体１０の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって、円筒体１０の内側から外側に向けて専用の押し曲げ装置（不図示）で押し曲げ、ガイド部材１１を曲げ支点にして円筒体１０の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げていく（図２（ｂ））。

そして、円筒体１０の上部側と下部側のそれぞれの全周が所定の角度まで外側方向に曲げられた時点でガイド部材１１を取り外す（図２（ｃ））。ガイド部材１１を取り外した後、押し曲げ装置（不図示）によって円筒体１０の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に更に押し曲げて、円筒体１０の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、この重ね合わせ面をろう付けで接合することによって、内周側に肉厚を薄くした薄肉部１０ａによって形成される冷却空洞５を一体に有する耐摩環４が得られる（図２（ｄ））。なお、円筒体１０の外周面側の上部側と下部側との重ね合わせ面の接合は、一般的な溶接によって行ってもよい。

なお、この状態では、図３に示すように、耐摩環４にはトップリング（不図示）が装着されるトップリング溝部分（不図示）は加工されておらず、このトップリング溝部分よりも前方に長く形成されている。

そして、上記のように冷却空洞５を一体的に形成した耐摩環４を金型（不図示）内に保持して配置し、アルミ系の金属溶湯を注入して鋳造を行い、その後、得られた鋳造品を所定のピストン形状に切削することにより、図１に示すように、耐摩環４の内周側に冷却空洞５を一体的に具備して、耐摩環４の外周側にトップリング溝３を有し、更に、トップリング溝３の下側にセカンドリング溝６とオイルリング溝７を有するピストン１が得られる。また、耐摩環４の冷却空洞５を形成する下壁面の所定位置に、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（不図示）と排出する排出孔（不図示）を形成する。

このように本実施の形態では、冷却空洞５を一体的に形成した耐摩環４を単一の金属（オーステナイト系ステンレス材）によって容易に製作することができるので、コストの低減を図ることができる。

また、上記した冷却空洞付き耐摩環の製造方法において、円筒体１０の外側の薄肉部１０ａに接するガイド部材１１の接触面を平面形状とすることにより、図４に示すように、冷却空洞５の断面形状を角部がアール状の四角形に形成することができる。

〈実施の形態２〉
図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態２に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す断面図である。図５（ａ）〜（ｄ）は、製造時における一断面を示しており、全周にわたって同様の断面形状である。なお、上記した実施の形態１と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施の形態では、先ず、所定の厚み（例えば１ｍｍ〜数ｍｍ程度）で所定の高さに形成されたオーステナイト系ステンレス材からなる円筒体１０の中央部領域の外側全周を、専用のプレス装置（不図示）で肉厚が半分以下となるようにプレス加工し、薄肉部１０ａを形成する（図５（ａ））。円筒体１０の高さ方向（図５（ａ）の上下方向）における中央位置は、薄肉部１０ａの中央位置に対応している。なお、円筒体１０の外側全周に形成する薄肉部１０ａは、上記したプレス加工以外にも専用の切削装置（不図示）による切削加工でも同様に形成することができる。

そして、肉厚を薄くした円筒体１０の薄肉部１０ａの中央位置に円環状の可溶性中子１２を押し当て、可溶性中子１２を固定保持した状態で、円筒体１０の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって、円筒体１０の内側から外側に向けて専用の押し曲げ装置（不図示）で押し曲げ、可溶性中子１２を曲げ支点にして円筒体１０の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げていく（図５（ｂ））。

そして、押し曲げ装置（不図示）によって円筒体１０の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に更に押し曲げて（図５（ｃ））、円筒体１０の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、この重ね合わせ面をろう付けで接合することによって、内周側に肉厚を薄くした薄肉部１０ａによって形成される冷却空洞５を一体に有する耐摩環４が得られる（図５（ｄ））。なお、円筒体１０の外周面側の上部側と下部側との重ね合わせ面の接合は、一般的な溶接によって行ってもよい。円筒体１０の外周面側の上部側と下部側との重ね合わせ面を接合した時点では、可溶性中子１２は冷却空洞５内に残っている。

なお、この状態では、図３に示した実施の形態１の場合と同様に、耐摩環４にはトップリングが装着されるトップリング溝部分は加工されておらず、このトップリング溝部分よりも前方に長く形成されている。

そして、上記のように冷却空洞５を一体的に形成した耐摩環４を金型（不図示）内に保持して配置し、アルミ系の金属溶湯を注入して鋳造を行い、その後、得られた鋳造品を所定のピストン形状に切削することにより、図１に示した実施の形態１のように、耐摩環４の内周側に冷却空洞５を一体的に具備して、耐摩環４の外周側にトップリング溝３を有し、更に、トップリング溝３の下側にセカンドリング溝６とオイルリング溝７を有するピストン１が得られる。

また、耐摩環４の冷却空洞５を形成する下壁面の所定位置に、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（不図示）と排出する排出孔（不図示）を形成する。そして、その後に水などで冷却空洞５内の可溶性中子１２を溶出する。

このように本実施の形態においても、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

〈実施の形態３〉
図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態３に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す断面図である。なお、図６（ａ）〜（ｄ）は、製造時における一断面を示しており、全周にわたって同様の断面形状である。

本実施の形態では、先ず、所定の厚み（例えば１ｍｍ〜数ｍｍ程度）で所定の高さに形成されたオーステナイト系ステンレス材からなる円筒体１３の内壁面に当接するようにして中央部の全周にわたって凹部１４ａを有する円柱部材１４を配置し（図６（ａ））、専用の液圧プレス装置（不図示）を用いて円筒体１３の外周側から所定の液圧（高圧）の水を当てて、円筒体１３の中央部を円柱部材１４の凹部１４ａの形状に応じて変形させ、円筒体１３の中央部の全周にわたって凹状の薄肉部１３ａを形成する（図６（ｂ））。

そして、薄肉部１３ａが形成された円筒体１３の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって、円筒体１３の内側から外側に向けて専用の押し曲げ装置（不図示）を用いて押し曲げ、円筒体１３の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げていく（図６（ｂ））。

そして、押し曲げ装置（不図示）によって円筒体１３の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に更に押し曲げて、円筒体１３の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、この重ね合わせ面をろう付けで接合することによって、内周側に肉厚を薄くした薄肉部１３ａによって形成される冷却空洞５を一体に有する耐摩環４が得られる（図６（ｄ））。なお、円筒体１３の外周面側の上部側と下部側との重ね合わせ面の接合は、一般的な溶接によって行ってもよい。

なお、この状態では、図３に示した実施の形態１のように、耐摩環４にはトップリングが装着されるトップリング溝部分は加工されておらず、このトップリング溝部分よりも前方に長く形成されている。

そして、上記のように冷却空洞５を一体的に形成した耐摩環４を金型（不図示）内に保持して配置し、アルミ系の金属溶湯を注入して鋳造を行い、その後、得られた鋳造品を所定のピストン形状に切削することにより、図１に示した実施の形態１のように、耐摩環４の内周側に冷却空洞５を一体的に具備して、耐摩環４の外周側にトップリング溝３を有し、更に、トップリング溝３の下側にセカンドリング溝６とオイルリング溝７を有するピストン１が得られる。

また、耐摩環４の冷却空洞５を形成する下壁面の所定位置に、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（不図示）と排出する排出孔（不図示）を形成する。

このように本実施の形態においても、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

〈実施の形態４〉
図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態４に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）、（ｂ）は、製造時における一断面を示しており、全周にわたって同様の断面形状である。

本実施の形態では、先ず、所定の厚み（例えば１ｍｍ〜数ｍｍ程度）のオーステナイト系ステンレス材からなる断面形状が略長方形の円環状の上板１５と下板１６の一方の各面の内周側を、専用のプレス装置（不図示）で所定幅だけ肉厚が半分以下となるようにプレス加工し、溝状の薄肉部１５ａ、１６ａを全周にわたってそれぞれ形成する（図７（ａ））。なお、上板１５と下板１６の内周側の全周にわたって形成する薄肉部１５ａ、１６ａは、上記したプレス加工以外にも専用の切削装置（不図示）による切削加工でも同様に形成することができる。

そして、薄肉部１５ａ、１６ａをそれぞれ形成した円環状の上板１５と下板１６を重ね合わせ、この重ね合わせ面をろう付けで接合することによって、内周側に肉厚を薄くした薄肉部１５ａ、１６ａによって形成される冷却空洞５を一体に有する耐摩環４が得られる（図７（ｂ））。なお、上板１５と下板１６との重ね合わせ面の接合は、一般的な溶接によって行ってもよい。

なお、この状態では、図３に示した実施の形態１のように、耐摩環４にはトップリングが装着されるトップリング溝部分は加工されておらず、このトップリング溝部分よりも前方に長く形成されている。

そして、上記のように冷却空洞５を一体的に形成した耐摩環４を金型（不図示）内に保持して配置し、アルミ系の金属溶湯を注入して鋳造を行い、その後、得られた鋳造品を所定のピストン形状に切削することにより、図１に示した実施の形態１のように、耐摩環４の内周側に冷却空洞５を一体的に具備して、耐摩環４の外周側にトップリング溝３を有し、更に、トップリング溝３の下側にセカンドリング溝６とオイルリング溝７を有するピストン１が得られる。

また、耐摩環４の冷却空洞５を形成する下壁面の所定位置に、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（不図示）と排出する排出孔（不図示）を形成する。

このように本実施の形態においても、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却空洞付き耐摩環を配設したピストンを示す断面図。 本発明の実施の形態１に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す図。 本発明の実施の形態１に係る冷却空洞付き耐摩環を示す断面図。 本発明の実施の形態１の変形例に係る冷却空洞付き耐摩環を示す断面図。 本発明の実施の形態２に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す図。 本発明の実施の形態３に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す図。 本発明の実施の形態４に係る冷却空洞付き耐摩環の製造方法を示す図。 従来例における冷却空洞付き耐摩環を示す断面図。 従来例における冷却空洞付き耐摩環を配設したピストンを示す断面図。

符号の説明

１ ピストン
２ ピストンヘッド部
３ トップリング溝
４ 耐摩環
５ 冷却空洞
６ セカンドリング溝
７ オイルリング溝
１０、１３ 円筒体
１０ａ、１３ａ、１５ａ、１６ａ 薄肉部
１１ ガイド部材
１２ 可溶性中子
１４ 円柱部材
１５ 上板
１６ 下板

Claims (3)

1. 内燃機関用ピストンのピストンヘッド部に鋳包まれる、冷却オイルを還流させる冷却空洞付き耐摩環の製造方法において、
   所定の厚みを有する金属製の円筒体の外周側の中央領域をその全周にわたって肉厚を薄くして薄肉部を形成し、
   前記円筒体の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって前記円筒体の内側から外側に向けて加圧して、前記薄肉部の中央位置を中心にして前記円筒体の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げて、内周側に前記薄肉部によって囲まれた環状の冷却空洞が形成されるように前記円筒体の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、その重ね合わせ面を接合して環状の耐摩環を形成する、
   ことを特徴とする冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
2. 前記円筒体の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって前記円筒体の内側から外側に向けて加圧する際に、前記薄肉部の中央位置の全周にわたって環状の押し曲げ補助部材を当接させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
3. 内燃機関用ピストンのピストンヘッド部に鋳包まれる、冷却オイルを還流させる冷却空洞付き耐摩環の製造方法において、
   所定の厚みを有する金属製の円筒体の内周面に当接するようにして中央部の全周にわたって凹部を有する円柱部材を配置して、前記円筒体の外周側から高圧の水又は油を当てて前記円筒体の中央部を前記円柱部材の凹部の形状に応じて変形させ、前記円筒体の中央部の全周にわたって肉厚を薄くして凹状の薄肉部を形成し、
   前記円筒体の内周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周にわたって前記円筒体の内側から外側に向けて加圧して、前記薄肉部の中央位置を中心にして前記円筒体の上部側と下部側のそれぞれの全周を外側方向に押し曲げて、内周側に前記薄肉部によって囲まれた環状の冷却空洞が形成されるように前記円筒体の外周面側の上部側と下部側のそれぞれの全周を重ね合わせ、その重ね合わせ面を接合して環状の耐摩環を形成する、
   ことを特徴とする冷却空洞付き耐摩環の製造方法。

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