JP4308654B2 - 内燃機関のためのピストン又はピストンクラウンを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の内燃機関のためのピストン又はピストンクラウンを製造する方法に関する。

エンジン始動後に、燃焼窪み又は鋼から成るピストンクラウンを備えた鋼ピストンに、作動時に得られた運転温度に関連して、窪み縁部に部分的に酸化被膜が確認され得ることは、それ自体公知である。この酸化被膜は、亀裂形成、ひいては構成部材の故障につながる恐れがある。この状況を改良するための公知の解決法は、SAE- Papier 860888 "In-Service Performance of Ceramic and Metallic Coatings in Diesel Engines" 又はドイツ連邦共和国特許申請、整理番号第１００２９８１０．９号明細書に記載のように、例えば、製造されたピストンの窪み縁部範囲に、耐酸化性の層をプラズマ溶射により被覆することである。同様に、前加工されたピストンに耐酸化性の材料を肉盛溶接するか、又は例えば窪み縁部に耐酸化性の材料を摩擦溶接する方法が公知である。

さらに、ドイツ連邦共和国特許公開第１９９０１７７０号明細書により、内燃機関のピストンのための製造方法が開示されている。この方法では、提供された、すなわち、切削加工を施されたピストンは、ピストンクラウン範囲に設けられた周方向に延びる環状の凹部を有しており、この凹部には、次いで銅／アルミニウムワイヤロッドが挿入され、かつ溶融され、これにより、環状の凹部はＡｌ／Ｃｕ層構造を有するようになる。主に周方向に延びる環状の範囲にのみ施される機械的な切削最終加工により、ピストンの仕上げが行われる。

上に述べた方法の欠点は、既に加工を施したピストンから出発することであり、この場合、次いで上に述べた方法により、耐酸化性の材料をピストンクラウン範囲又はピストンの窪み縁部に挿入し、次いでピストンを最終加工しなければならないことにある。これらの解決は全て、切削加工の工程を中断し、さらにピストンと耐酸化性の材料との間に生じる残留応力を減衰するための熱処理を必要とする。

そこで本発明の課題は、窪み縁部に低減された酸化傾向を備えたピストンのための、従来技術に比べて簡易化された安価な製造方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は請求項１に特徴付けられた方法ステップにより解決される。さらに有利な構成が従属請求項の対象となっている。

鍛造加工された鋼ピストン、若しくは円筒状に成形された鋼ロッド区分から成る鋼上部の製造を行い、鋼ロッド区分が、このロッド区分の長手方向軸線に対して直角に形成された少なくとも１つの平坦な端面を有しているようにすることにより、簡単な形式で、周方向に延びる環状の切欠きが端面の範囲に成形可能であり、この範囲には、後に燃焼窪みの窪み縁部が形成される。引き続く従来の鍛造加工のために必要な前加熱は、鋼ピストン材料と、耐酸化性の材料との間の残留応力が減衰されるように作用し、これにより、付加的な熱処理は必要なくなる。一般に、このための温度は約８５０℃〜９００℃までである。

鍛造加工前に耐酸化性の材料を内部に溶接された切欠きは、鍛造加工の間に変形するが、鍛造加工後にはほぼ燃焼窪みの窪み縁部に位置するようになり、これにより、ピストン又はピストンクラウンの仕上げは、引き続く切削加工による中断なしに実施可能である。

製造方法のさらに有利な実施例では、ピストン又はピストンクラウンは、次のようにして製造される。すなわち、平坦な端面の、後に窪み縁部となる範囲に所定量の耐酸化性の材料が溶接され、この所定量の材料が、鍛造加工及び最終加工後に耐酸化性の窪み縁部の形成を可能にする。

次に本発明を実施例につき詳しく説明する。
図１に符号１で示した、以下に未加工部分１として示す、鋼から成る円筒状のロッド区分は、有利には材料４２ＣｒＭｏ４又は３８ＭｎＳｉ６から成っており、長手方向軸線９に対して直角に形成された端面２を有しており、この端面２は、例えば旋削加工工程により製造される。この端面２には、同様に旋削により周方向に延びる環状の切欠き３が、端面２の所定範囲に設けられ（製造ステップＡ）、前記切欠き３は、後にピストン１０若しくはピストンクラウンに設けられる燃焼窪み６の窪み縁部６ａを形成する。製造されるピストンタイプとピストンサイズとに関連して、この範囲は、未加工部分１の直径若しくは後のピストン定格直径の３０〜９０％までであってよい。この場合、切欠き３の深さは、製造されるピストンタイプに関連して、例えばピストン定格直径の５〜１５％までであってよい。

方法ステップ（Ｂ）では、溶接方法、例えばＣＯ_２溶接、レーザ又は電子ビーム溶接、摩擦溶接、爆発被覆（Ｓｐｒｅｎｇｐｌａｔｔｉｅｒｅｎ）又はその他の公知の結合方法により、耐酸化性の材料４の溶接が行われる。以下に付加材料として示すこの材料４は、内燃機関内の付加温度が４５０℃を越える場合には、酸化被膜を形成する傾向を有さないか、又はわずかにしか有さない。有利には、このためにニッケルベースの材料又は弁用鋼Ｘ４５ＣｒＳｉ９を使用することができる。切欠き３は、溶接の実施後には完全に耐酸化性の材料４を充填されおり、端面２を越えて突出することさえあり得る。

それ自体公知の鍛造加工法により、図１の方法ステップＣ）に示したように、ロッド区分１の、ピストン未加工品５の形への変形が行われる。鍛造加工により、耐酸化性の材料４が次のように変形される、すなわち、少なくとも形成された窪み縁部６ａの範囲の、全周又は周の一部に耐酸化性の材料が設けられるが、この場合、鍛造加工に基づいて、材料４が窪み底部の範囲に局部的に流れ込むことが除外されないような形で変形される。次いで切削加工により、ピストン未加工品は、望ましい燃焼窪み６、リング部分７、ピンハブ８などを備えた、内燃機関に挿入可能なピストン１０の形に仕上げられる。

図２による製造方法の第２実施例では、ピストン又はピストンクラウンが、方法ステップ（Ｂ）、ひいては端面２への切欠き３の形成を省略して製造可能である。その代わりに、第１実施例で既に述べたように、耐酸化性の材料４から成る溶接層の被覆が、所定の厚さで、端面２に設けられた少なくとも１つの円形の範囲に施される。他の方法ステップは全て、第１実施例、すなわち図１のための記載事項を内容とする。

図示していない本発明の別の実施例では、端面２全体にわたって、耐酸化性の材料４からなる溶接層が被覆される。この場合、層の被覆層厚さは一定不変であってよいが、ピストン軸線、若しくはロッド区分９の長手方向軸線から始まって、半径方向外側へ向かってピストン縁部まで上昇していると有利である。従って、機械により加工されたピストンには、付加材料４が、燃焼室側（ピストンクラウン）でピストンの一部又は表面全体、並びにトップランド（Ｆｅｕｅｒｓｔｅｇ）の若しくはリング部分の一部をも形成している。

前記製造方法が、構成されたピストンのためのピストンクラウンをも含むということは本発明の枠内にある。

同一の製造工程で、局部的に種々異なる剛性を備えた構成部材を目的に応じて製造することができる。

本発明による製造方法の第１実施例のステップＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの経過を示す概略図である。

本発明による製造方法の第２実施例のステップＢ，Ｃ，Ｄの経過を示す概略図である。

１ 未加工部品、円筒状のロッド区分、 ２ 平坦な端面、 ３ 環状の切欠き、 ４ 耐酸化性の付加材料、 ５ ピストン未加工品、 ６ 燃焼窪み若しくはピストンクラウン窪み、 ６ａ 窪み縁部範囲、 ７ リング部分、 ８ ピンハブ、 ９ ロッド区分の長手方向軸線、 １０ ピストン、 ｄ ロッド区分の直径、 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ） 方法ステップ、 （１） 軸線に対して直角に成形された端面を備えた円筒状のロッド区分、 （Ａ） 環状の切欠きの旋削、 （Ｂ） 環状の切欠きへの耐酸化性の材料の充填及び引き続く溶融、 Ｃ） ピストン未加工品の鍛造加工、 ｄ） ピストンの仕上げ加工

Claims (6)

1. ピストンクラウンに設けられた燃焼窪み（６）を備えた、内燃機関のためのピストン（１０）又はピストンクラウンを製造する方法であって、鋼から成る円筒状の未加工部品（１）からピストン（１０）又はピストンクラウンを成形し、前記円筒状の未加工部品（１）が、少なくとも１つの平坦な端面（２）を有しているようにし、該端面（２）を、前記未加工部品（１）の長手方向軸線（９）に対して直角に形成し、
   Ａ）端面（２）に周方向に延びる環状の切欠き（３）を形成し、
   Ｂ）付加材料（４）を切欠き（３）に被覆し、
   Ｃ）ステップ（Ａ）及びステップ（Ｂ）の後に形成された未加工部品（１）をピストン未加工品（５）の形に鍛造加工し、
   Ｄ）ピストン未加工品（５）を、内燃機関への組込み準備の整ったピストンの形に機械的に処理する、
   ステップを有する方法において、
   鍛造加工前に溶接によって、付加材料（４）と円筒状の未加工部分（１）との少なくとも部分的に摩擦接続的な金属結合を生ぜしめ、前記環状の切欠き（３）にこの切欠き（３）を越えて突き出す量の前記付加材料（４）を充填する、
   ことを特徴とする、内燃機関のためのピストン又はピストンクラウンを製造する方法。
2. ＣＯ_２溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接、摩擦溶接、爆発被覆により溶接を行う、請求項１記載の方法。
3. 環状の切欠き（３）を、前記端面（２）の範囲に次のように位置決めされているように設ける、すなわち、前記切欠き（３）が、組込み準備の整ったピストン（１０）の、燃焼窪み（６）の縁部範囲（６ａ）に位置しているように設ける、請求項１記載の方法。
4. ４２ＣｒＭｏ４又は３８ＭｎＳｉ６材料又はＡＦＰ鋼から円筒状の未加工部品（１）を形成し、かつ４５０℃を越えた温度時に酸化被膜を形成しないか、又は酸化被膜を形成しない材料から付加材料を形成する、請求項１記載の方法。
5. 弁用鋼Ｘ４５ＣｒＳｉ９より成る耐酸化性の材料、又はニッケルベースの材料を付加材料に用いる、請求項１記載の方法。
6. 燃焼窪みの縁部範囲（６ａ）を、該燃焼窪み（６）の周の一部を除いて付加材料（４）により形成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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