JP5880396B2

JP5880396B2 - ピストンの製造方法

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Publication number: JP5880396B2
Application number: JP2012242480A
Authority: JP
Inventors: 秀哲伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: JP2014092211A

Description

本発明は、耐摩環を有するピストンの製造方法に関する。

一般に、内燃機関のピストンには、ピストンリングが装着されるリング溝が形成されている。ピストンリングのうち、ピストンの最も燃焼室側に配置されるトップリングには、燃焼温度や燃焼圧が他のピストンリングに比べて大きく作用するため、トップリングが装着されるリング溝では、リングから受ける衝撃が他のリング溝に比べて大きくなる。

こうした衝撃に起因するリング溝の摩耗や変形を抑えるために、従来から、ピストン本体よりも耐摩耗性の高い材料からなる耐摩環をピストンに鋳包み、トップリングが装着されるリング溝をこの耐摩環に形成することが知られている。例えば、ピストン本体は軽量化のためにアルミニウム合金から形成され、耐摩環はアルミニウム合金よりも硬度の高い鉄合金から形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３３７５１０号公報

ところで、トップリングには、燃焼室からの燃焼ガスの漏れを抑えて燃焼室内の気密を保つ機能に加えて、ピストンの熱をシリンダに伝達してピストンの温度上昇を抑制する機能が求められる。しかしながら、耐摩環の熱伝導性がピストン本体の熱伝導性よりも低い場合には、ピストンからトップリングへの熱の伝達効率が上述の構成によって低くなってしまう。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性を高めることの可能なピストンの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するためのピストンの製造方法は、耐摩環をピストン本体に鋳包む鋳造工程と、前記耐摩環の切削によってトップリング溝を形成するトップリング溝形成工程と、を含むピストンの製造方法であって、前記耐摩環には、前記ピストン本体の径方向の内側に開口する被切削溝が形成されており、前記トップリング溝形成工程では、前記耐摩環の外周壁を除去した後に、前記ピストン本体にて前記被切削溝内に含まれる部分の少なくとも一部を除去することによって前記トップリング溝を形成し、前記トップリング溝を区画する溝側面に前記耐摩環を露出させ、前記トップリング溝を区画する溝底面に前記ピストン本体を露出させる。

上記構成によれば、トップリング溝を区画する溝底面の少なくとも一部からピストン本体が露出する。こうしたピストンによれば、ピストン本体の露出部分では、ピストン本体からピストンリングに直接的に熱が伝わる。その結果、ピストン本体からピストンリングへ間接的に熱が伝わる場合、例えば、トップリング溝を区画する面の全てが耐摩環から構成される場合と比較して、ピストンリングへの熱の伝達効率が向上するため、ピストンの放熱性が高められる。また、上記構成によれば、被切削溝を有さない耐摩環がピストン本体に鋳包まれる場合と比較して、耐摩環の除去部分を少なくすることができる。

上記ピストンの製造方法では、前記トップリング溝形成工程が、前記ピストン本体の外周面と前記耐摩環の外周面とを研磨することにより前記耐摩環の前記外周壁を除去する研磨工程と、前記ピストン本体にて前記被切削溝内に含まれる部分の少なくとも一部を切削により除去して前記トップリング溝を形成する切削工程と、を含むことが好ましい。

上記構成によれば、耐摩環の外周面を研磨によって除去した後に切削工程を行うため、耐摩環の外周面を切削によって削る場合と比較して、切削工程での耐摩環の切削量を少なくすることができる。

上記ピストンの製造方法では、前記耐摩環が、前記ピストン本体の軸方向にて相互に対向する一対の被切削壁と、前記一対の被切削壁を前記ピストン本体の径方向の外側で連結する前記外周壁と、を備え、前記一対の被切削壁と前記外周壁とによって前記被切削溝が区画され、前記トップリング溝形成工程では、前記耐摩環の前記外周壁を除去した後に、前記一対の被切削壁の厚さを前記径方向の外側から前記径方向の途中の部位まで前記被切削溝内の切削によって薄くして、前記溝底面のうち前記溝側面から連続する部分を前記被切削壁によって形成することが好ましい。

上記構成によれば、トップリング溝を区画する溝底面にも耐摩環の一部である被切削壁が含まれるため、トップリング溝の摩耗や変形をトップリング溝の溝側壁と溝底壁との双方で適切に抑えつつ、ピストンの放熱性を高めることが可能となる。

第１の実施形態におけるピストンの断面構造を示す断面図。第１の実施形態におけるピストンの断面構造のうちトップリング溝付近を拡大して示す部分拡大断面図。第１の実施形態におけるピストンの製造方法に含まれる鋳造工程を示す図。第１の実施形態におけるピストンの製造方法に含まれるトップリング溝形成工程を示す図。第１の実施形態におけるピストンの参考例となる製造方法に含まれる鋳造工程を示す図。第１の実施形態におけるピストンの参考例となる製造方法に含まれるトップリング溝形成工程を示す図。第２の実施形態におけるピストンの製造方法に含まれる鋳造工程を示す図。第２の実施形態におけるピストンの製造方法に含まれる研磨工程を示す図。第２の実施形態におけるピストンの製造方法に含まれる切削工程を示す図。変形例のピストンの断面構造のうちトップリング溝付近を拡大して示す部分拡大断面図。変形例のピストンの断面構造のうちトップリング溝付近を拡大して示す部分拡大断面図。

（第１の実施形態）
以下、図１〜図４を参照して、ピストン、及び、ピストンの製造方法の第１の実施形態について説明する。

まず、図１及び図２を参照して、ピストンの構成について説明する。
図１に示されるように、内燃機関のピストン１１の外周面には、ピストンリングが装着される３つのリング溝１２が形成されている。３つのリング溝１２のうち、ピストン１１における最も燃焼室に近い側である最上段に形成されるトップリング溝１３には、トップリングが装着される。また、３つのリング溝１２のうち、中段に形成されるセカンドリング溝１４には、セカンドリングが装着される。トップリングとセカンドリングはコンプレッションリングであり、燃焼室からの燃焼ガスの漏れを抑えて燃焼室内の気密を保つ機能と、ピストンの熱をシリンダに伝達してピストンの温度上昇を抑制する機能とを有する。また、３つのリング溝１２のうち、ピストン１１における最もクランクケースに近い側である最下段に形成されるオイルリング溝１５には、オイルリングが装着される。オイルリングは、シリンダに付着している余分な潤滑油を掻き落としてシリンダの壁面に適度な油膜を形成する機能と、ピストンの熱をシリンダに伝達してピストンの温度上昇を抑制する機能とを有する。

ピストン１１の外周面１１Ｓにてトップリング溝１３を区画する面は、ピストン１１の本体部分であるピストン本体１６の一部と、ピストン本体１６の外周部に接合された円環状の耐摩環１７とから構成される。トップリング溝１３を区画する面は、ピストン１１の中心軸Ａが延びる方向である軸方向にて相互に対向する一対の溝側面１３Ｓと、ピストン１１の径方向の外側に面する溝底面１３Ｂとから構成されている。ピストン本体１６は、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウムを含む金属から形成される。また、耐摩環１７は、鉄や鉄合金等の鉄を含む金属から形成される。

図２に示されるように、トップリング溝１３は、ピストン１１の外周面１１Ｓに開口され、トップリング溝１３を区画する一対の溝側面１３Ｓには耐摩環１７が露出し、トップリング溝１３を区画する溝底面１３Ｂにはピストン本体１６が露出している。

耐摩環１７は、ピストン１１の軸方向にて相互に対向する一対の被切削壁１７ａから構成され、一対の被切削壁１７ａの各々は、ピストン１１の周方向に沿う円環状に形成されている。一対の被切削壁１７ａの間の距離は、ピストン１１の径方向の外側端部から径方向の途中の部位まで略一定の溝幅Ｗ１であり、径方向の途中の部位から径方向の内側端部までは溝幅Ｗ１よりも小さい底部幅Ｗ２である。一対の被切削壁１７ａのうち、底部幅Ｗ２を有する部分には、ピストン本体１６の一部が挟まれている。なお、溝幅Ｗ１は、ピストン１１の径方向の内側に向けて大きくなる構成であってもよいし、あるいは、ピストン１１の径方向の内側に向けて小さくなる構成であってもよい。要するに、底部幅Ｗ２が溝幅Ｗ１よりも小さい構成であればよい。

相互に対向する一対の溝側面１３Ｓの全体では、耐摩環１７が露出し、また、溝底面１３Ｂの一部にも、溝側面１３Ｓから連続するように耐摩環１７が露出している。そして、溝底面１３Ｂにて耐摩環１７以外の部分では、ピストン本体１６が露出している。

なお、溝底面１３Ｂにおいて、耐摩環１７の露出部分の面積は、ピストン本体１６の露出部分の面積以上であってもよいし、ピストン本体１６の露出部分の面積よりも小さくてもよい。また、溝底面１３Ｂの単位面積あたりに占められる耐摩環１７の露出部分の面積は、溝底面１３Ｂの周方向で均一であってもよいし、溝底面１３Ｂの周方向で異なっていてもよい。例えば、耐摩環１７において、一対の被切削壁１７ａが周方向の一部で相互に連結され、こうした連結部分では、溝底面１３Ｂの全てが耐摩環１７の露出部分であってもよい。要するに、溝底面１３Ｂは、それの周方向における少なくとも１部にてピストン本体１６が露出していればよい。

図３及び図４を参照して、上記ピストン１１の製造方法を説明する。
図３に示されるように、まず、鋳造工程として、耐摩環１７がピストン本体１６に鋳包まれる。鋳造工程にて用いられる耐摩環１７は、径方向の内側に開口された被切削溝１７Ｇが周方向の全体にわたり内周面に形成された円環状をなす。すなわち、鋳造工程にて用いられる耐摩環１７は、相互に対向する一対の被切削壁１７ａと、一対の被切削壁１７ａを径方向の外側で連結する外周壁１７ｂとからなる。

こうした耐摩環１７がピストン本体１６に鋳包まれることにより、ピストン本体１６の外周部に耐摩環１７が接合される。この状態では、耐摩環１７に形成された被切削壁１７ａの内部に、ピストン本体１６の一部である被切削部１６Ｇが埋め込まれている。

図４に示されるように、鋳造工程に続いて、トップリング溝形成工程として、切削加工によってトップリング溝１３が形成される。トップリング溝形成工程では、切削工具２０によって、ピストン本体１６における径方向の外側から、耐摩環１７の外周壁１７ｂと、一対の被切削壁１７ａの一部と、ピストン本体１６の被切削部１６Ｇの一部とが削られる。

詳しくは、耐摩環１７の外周壁１７ｂが削られた後に、一対の被切削壁１７ａにて相互に対向する面が、被切削部１６Ｇとともに、径方向の外側端部から径方向の途中の部位まで削られる。これにより、耐摩環１７における被切削溝１７Ｇの溝底部が開放され、被切削溝１７Ｇの溝幅が径方向の途中の部位まで広げられ、さらに、被切削溝１７Ｇの溝開口がピストン本体１６で塞がれた状態で、トップリング溝１３が形成される。こうして形成されたトップリング溝１３の開口の面積は、被切削溝１７Ｇの開口の面積よりも大きく、トップリング溝１３の径方向の長さは、耐摩環１７における被切削壁１７ａの径方向の長さよりも短い。

上述の製造方法によって製造されるピストン１１の作用について説明する。
ピストン１１では、トップリング溝１３にピストン本体１６が露出するため、ピストン本体１６の露出部分では、トップリング溝１３に装着されたトップリングに対し、ピストン本体１６から直接的に熱が伝わる。すなわち、ピストン本体１６以外の他の部材を介さずに、例えば、ピストン本体１６よりも熱伝導性の低い耐摩環等を介さずに、ピストン本体１６からトップリングに直接的に熱が伝わる。そのため、トップリング溝１３を区画する各面の全てが耐摩環１７から構成される場合と比較して、トップリングへの熱の伝達効率が向上する。その結果、ピストン１１の放熱性が高められる。

この際、トップリング溝１３を区画する各面のうち、トップリング溝１３を挟んで対向する一対の溝側面１３Ｓと、溝底面１３Ｂのうち溝側面１３Ｓから連続する部分とが、耐摩環１７から形成される。そして、溝底面１３Ｂにおいて耐摩環１７の被切削壁１７ａで挟まれる中央部分がピストン本体１６から形成される。したがって、トップリング溝１３の摩耗や変形を適切に抑えつつ、ピストン１１の放熱性を高めることが可能となる。

また、ピストン１１の製造方法では、径方向の内側に開口された被切削溝１７Ｇが形成された円環状の耐摩環１７が用いられる。そのため、被切削溝１７Ｇが形成されていない耐摩環１７が用いられる場合に比べて、すなわち、被切削部１６Ｇの全てが耐摩環１７である場合に比べて、切削加工にかかる時間の短縮が可能となる。この点について、図５及び図６に示される製造方法の参考例を参照して説明する。

図５は、鋳造工程において、被切削溝が形成されていない円環状の耐摩環１７がピストン本体１６に鋳包まれる参考例を示す。この場合、溝底面にピストン本体１６が露出するトップリング溝の形成のためには、図６に示されるように、耐摩環１７における軸方向の中央部を径方向の全体にわたって切削する必要がある。これに対し、上記実施形態の製造方法では、耐摩環１７の切削部分が外周壁１７ｂと被切削壁１７ａの一部とで足りるため、ピストン本体１６と比較して硬度の高い耐摩環１７の切削量が少なくなる。したがって、切削加工にかかる時間の短縮が可能となり、さらには、切削工具の刃の交換頻度も削減されるため、製造にかかる費用が削減できる。

以上、第１の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）ピストン本体１６とトップリングとの間が他の部材によって熱的に接続される場合、例えば、トップリング溝１３を区画する各面の全てが耐摩環１７から構成される場合と比較して、ピストン本体１６からトップリングへの熱の伝達効率が向上する。その結果、ピストン１１の放熱性が高められる。

（２）トップリング溝１３の溝底面１３Ｂでは、耐摩環１７で挟まれる中央部分のみがピストン本体１６から形成される。したがって、トップリング溝１３の摩耗や変形を適切に抑えつつ、ピストン１１の放熱性を高めることが可能となる。

（３）被切削溝１７Ｇが形成された耐摩環１７をピストン本体１６に鋳包み、被切削溝１７Ｇ内の被切削部１６Ｇを除くことによって、トップリング溝１３が形成される。それゆえに、被切削溝１７Ｇが形成されていない耐摩環１７を用いる場合に比べて、耐摩環１７の切削量が少なくなる結果、切削加工にかかる時間の短縮が可能となる。

（第２の実施形態）
以下、図７〜図９を参照して、ピストン、及び、ピストンの製造方法の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のピストンも、第１の実施形態のピストンと同様の構成を有する。ただし、本実施形態では、ピストンの製造方法におけるトップリング溝形成工程が第１の実施形態と異なる。したがって、以下では、ピストンの製造方法を中心に説明する。なお、第１の実施形態と実質的に同一の構成要素にはそれぞれ同一の符号を付して示し、重複する説明は割愛する。

図７に示されるように、鋳造工程では、第１の実施形態と同様に、一対の被切削壁１７ａと、被切削壁１７ａの径方向の外側端部を連結する外周壁１７ｂとからなる円環状の耐摩環１７がピストン本体１６に鋳包まれる。

鋳造工程の後には、トップリング溝形成工程が行われる。本実施形態のトップリング溝形成工程は、研磨工程と切削工程とからなる。
図８に示されるように、研磨工程として、ピストン本体１６の外周面１６Ｓと耐摩環１７の外周壁１７ｂとが研磨される。これにより、耐摩環１７における外周壁１７ｂの全てが砥石２１によって削られる。なお、本実施形態では、研磨工程における研磨量を考慮したうえで、鋳造工程にて鋳造されるピストン本体１６の外径寸法が設定される。

図９に示されるように、研磨工程に続いて、切削工程として、切削加工によってトップリング溝１３が形成される。切削工程では、耐摩環１７の外周壁１７ｂが削られたピストン本体１６における径方向の外側から、切削工具２０によって、一対の被切削壁１７ａで挟まれた部分である被切削部１６Ｇが、その径方向の途中の部位まで削られる。また、被切削部１６Ｇとともに、一対の被切削壁１７ａにて相互に対向する面が削られる。これにより、先の図２に示される第１の実施形態のピストン１１と同様のトップリング溝１３を有するピストン１１が形成される。

以上、第２の実施形態によれば、上述の第１の実施形態の（１）〜（３）の効果に加えて、以下の効果が得られる。
（４）トップリング溝形成工程が、ピストン本体１６の外周面と耐摩環１７の外周壁１７ｂとを研磨することにより外周壁１７ｂを除去する研磨工程と、被切削部１６Ｇの一部を切削により除去してトップリング溝１３を形成する切削工程とからなる。このため、外周壁１７ｂを切削によって削る場合と比較して、耐摩環１７の切削量が少なくなる結果、切削加工にかかる時間のさらなる短縮が可能となる。

（変形例）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。
・図１０に示されるように、一対の被切削壁１７ａにおける径方向の内側の端面１７Ｓは、トップリング溝１３にて、溝底面１３Ｂと面一であってもよい。こうした構成からなるトップリング溝１３は、トップリング溝形成工程において、一対の被切削壁１７ａにおける径方向の内側の端面１７Ｓまで被切削部１６Ｇの切削が行われることによって形成される。

・図１１に示されるように、一対の被切削壁１７ａにおける径方向の内側の端面１７Ｓは、トップリング溝１３にて、溝側面１３Ｓにおける径方向の途中に配置されてもよい。こうした構成からなるトップリング溝１３は、トップリング溝形成工程において、一対の被切削壁１７ａの内側の端面１７Ｓよりも径方向の内側まで被切削部１６Ｇを含めたピストン本体１６の切削が行われる。

・トップリング溝形成工程では、被切削壁１７ａの被切削部１６Ｇと接する部分の切削を行わず、被切削部１６Ｇのみを切削してもよい。
・ピストン本体１６の材料と耐摩環１７の材料とは、上述の材料に限られない。本発明は、耐摩環１７がピストン本体１６よりも熱伝導性の低い材料から形成される場合に適用して特に有効である。

・トップリング溝３以外のリング溝１２に、耐摩環１７を設けてもよい。また、ピストン１１に形成されるリング溝１２は３つに限られない。

１１…ピストン、１３…トップリング溝、１３Ｓ…溝側面、１３Ｂ…溝底面、１６…ピストン本体、１６Ｇ…被切削部、１７…耐摩環、１７ａ…被切削壁、１７ｂ…外周壁、１７Ｇ…被切削溝。

Claims

耐摩環をピストン本体に鋳包む鋳造工程と、
前記耐摩環の切削によってトップリング溝を形成するトップリング溝形成工程と、
を含むピストンの製造方法であって、
前記耐摩環には、前記ピストン本体の径方向の内側に開口する被切削溝が形成されており、
前記トップリング溝形成工程では、
前記耐摩環の外周壁を除去した後に、前記ピストン本体にて前記被切削溝内に含まれる部分の少なくとも一部を除去することによって前記トップリング溝を形成し、前記トップリング溝を区画する溝側面に前記耐摩環を露出させ、前記トップリング溝を区画する溝底面に前記ピストン本体を露出させる
ことを特徴とするピストンの製造方法。
前記トップリング溝形成工程は、
前記ピストン本体の外周面と前記耐摩環の外周面とを研磨することにより前記耐摩環の前記外周壁を除去する研磨工程と、
前記ピストン本体にて前記被切削溝内に含まれる部分の少なくとも一部を切削により除去して前記トップリング溝を形成する切削工程と、
を含む
請求項１に記載のピストンの製造方法。
前記耐摩環は、
前記ピストン本体の軸方向にて相互に対向する一対の被切削壁と、
前記一対の被切削壁を前記ピストン本体の径方向の外側で連結する前記外周壁と、
を備え、
前記一対の被切削壁と前記外周壁とによって前記被切削溝が区画され、
前記トップリング溝形成工程では、
前記耐摩環の前記外周壁を除去した後に、
前記一対の被切削壁の厚さを前記径方向の外側から前記径方向の途中の部位まで前記被切削溝内の切削によって薄くして、前記溝底面のうち前記溝側面から連続する部分を前記被切削壁によって形成する
請求項１または２に記載のピストンの製造方法。