JP5982477B2 - ピストン又はピストンシャフトを製造するための鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン又はピストンシャフトを製造するための鍛造方法に関する。また、本発明は、前記方法によって製造されたピストンシャフト及び前記方法を実施するための鍛造装置にも関する。

既知のピストンは、通常、ピストンヘッドの領域が円筒状に形成されており、内燃機関にて行われる燃焼のための空間を閉鎖することができるようになっている。ピストンの重量を減らすために、ピストンピンを受けるピンボスは、ピストンシャフトの直径に対して内側に凹んでいる。これにより、外側の領域に関して材料を節約でき、従って重量の軽減が実現する。

しかしながら、一般に、このような内側に凹んだピンボスを有するピストンは、前記ピンボスの高さにおける外周部及びその下部において、内燃機関のシリンダー内に装着された後、シリンダー壁に接し且つシリンダー壁に対してそれ自体を支えるシャフト壁部を備える必要がある。これらのシャフト壁部は、圧力側及び反圧力側の耐荷重シャフト壁部とも呼ばれる。というのは、これらのシャフト壁部がピストンをシリンダー内において案内する役割を有するからである。

シャフト壁部によって、特に、上死点及び下死点におけるピン軸に対する望ましくない傾きを避けることができる。二つのシャフト壁部又は二つのシャフト壁は、ピストンピンボスを含むボックス壁（Box Walls）によって接続されている。

EP 0 838 587 B2は、複数のシャフト壁とこれらを接続するボックス壁とを備え、シャフト壁の端部の輪郭に沿うと共に、ピストン軸方向に延びているピストンを開示している。この場合、２つのシャフト壁の幅は、ピストン軸の下端に向かって大きくなるようになっており、その結果、２つのボックス壁は、互いに向かって傾斜しており、互いの間の距離は下部領域において上部領域よりも大きいようになっている。言い換えると、接続壁は、ある程度円錐状に延びている。これにより、特に、シャフト壁を狭くすることができる領域において材料を更に節約できる。

EP 1 348 859 B2は、傾斜したボックス壁を有する他のピストンを開示している。

更に、DE 10 2006 020 861 B4は、ブッシング状の鍛造部品を金型内に形成する一段階鍛造方法を開示しており、ここでは初めに圧粉体が金型の型穴に配置される。型穴は、外側金型環と、下方エジェクタが動作するために下方マンドレルと、上方エジェクタが動作するための上方マンドレルと、上方マンドレルの穴に設けられた負圧抽出コーンとを備える。その後、金型は閉じられ、マンドレル同士を圧迫することによって圧粉体が再成形され、完全に鍛造されたピストンを成形することができる。これは、エジェクタの動作及びそれと同時のモールドの動作による。特に、本発明の方法により、ダイの使用は延長される。

本発明は、ピストンシャフトの鍛造方法を改善すること、これにより傾斜したボックス壁を有する軽量化されたピストンを比較的簡潔に、ひいては経済的に製造することに関する。

前記の課題は、独立請求項の主題による発明によって解決される。より優れた実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、ピストンシャフトを二段階にて製造する鍛造方法を構成する一般的な概念に基づく。製造は、第一段階における第１のダイと、それに続く第二段階における第２のダイにおいて行われる。ピストンシャフトは、既知のように、２つのシャフト壁と、当該シャフト壁同士を接続するボックス壁とを有する。本発明の鍛造方法によると、第１の鍛造ダイを用いてシャフト壁は少なくとも少し外側に向かって円錐状に鍛造され、且つ、ボックス壁はボス内面が実質的にピストン軸と平行に、ボス外面は自由端に向かうように、形成されている。シャフト壁は、曲がった又は真っ直ぐな円錐状に、外側に向けて広がっていても良い。いくらか広がることは、モールドから外しやすくするために必要である。

その後、第二段階において、ボックス壁は第２の鍛造ダイにより変形され、ボス外面が実質的にピストン軸に平行にされるか、少し外側に広がってボス内面が自由端に向かって延びるようにされる。

第２の鍛造ダイを用いたボックス壁の変形の途中において、同時にシャフト壁は、好ましくはピストン軸に平行になる位置に誘導される。本発明の二段階の鍛造方法によると、これまでに知られているピストンブランクは鍛造の第一段階において前鍛造され、必要な鍛造斜面を考慮して、ボックス壁は実質的に直交するように、つまり、ピストン軸に概ね平行に成形される。

ボス外面は、鍛造斜面に対応して、下方に斜めに延びる。この一方、ボス内面は、ピストン軸に概ね平行に、ここでは実質的に垂直に、延びる。鍛造の第一段階において、同時に、シャフト領域、つまり、シャフト壁が鍛造され、底部に向かって直径が少なくともいくらか大きくされる。直径の増加は、壁の厚さには関係せず、シャフト壁の円錐状のアラインメントに関係する。

これに続く第二段階では、ピストンの内側形状における高さ全体の内の少なくとも一部の領域が、第２の鍛造ダイを用いて円錐状に広げられる。第２の鍛造ダイは、最も単純な場合には対応する内芯及び第一段階にて既に使用したダイのみからなる。結果として、ボスの外形は垂直又は外側に傾き、ボックス壁は斜め下及び外側に広がるように延びる。

同時に、初めには大き過ぎたシャフトの直径はシャフト壁の領域において内側に誘導され、鍛造されるピストンシャフトの最終的な輪郭に対応するように変形される。

本発明の方法の本質的な利点は単純さに有り、これまでは鍛造が極めて困難であった傾斜したボックス壁でさえ、比較的容易に、ひいては経済的に製造することができる。

本発明による解決手段の効果的な発展形としては、ピストンシャフトはアルミニウム合金から鍛造され、その後、焼き鈍し及び／又は焼き戻し、特に、Ｔ７熱処理される。特定のアルミニウム材料の機械的特性は、目標設定した熱処理、例えば焼き戻し、溶体化焼鈍によって更に増加させることができる。熱処理の原則は、液相線のすぐ下の温度における溶体化焼鈍によって過飽和混晶を形成することと、それに続いて水又はオイルにより焼き入れすることからなる。従って、室温の平衡状態の場合に比べて、より多くの外来原子が金属構造内に固溶している。

目標設定した熱処理及び目標設定した時効処理の結果、外来原子は、金属構造内に過飽和状態にて存在するのだが、金属から拡散して除かれ、分散沈殿として沈殿する。

特に、Ｔ７熱処理を行った場合、より延長することが可能となるが、強度は低下する。これは、沈殿の凝固による。Ｔ７熱処理の利点は、寸法の変化が起こらず、且つ、要素を実用する際の温度荷重の間に、機械的性質が変化することも無い点である。これは、構造が既に概ね平衡状態にあるからである。

アルミニウム合金については、溶体化焼鈍とそれに続く時効処理が特に有効であり、これによって析出硬化により強度が増加する。慣用のピストン合金についての溶体化焼鈍は、４８０℃と５５０℃との間にて行われる。この温度は、十分な量の合金元素が混晶に溶け込み、焼き入れと時効処理との後に硬化が実際に起こるように選択されている。

この場合の決定的パラメータは、溶体化焼鈍の温度、予備焼き鈍し時間、冷却剤の温度、焼き入れの際のピストンシャフトの温度及び時効処理の温度並びに時間である。

本発明による解決手段の更に効果的な発展形としては、ピストン又はピストンシャフトは、鉄合金を用いて鍛造され、適性に冷却又は熱処理されて必要な強度及び望ましい内部応力状態を実現させる。完全な一部品構造のピストン、又は、ピストン上部と組み合わせて接続される（例えば溶接、接着、ロウ付け等による）かネジ止めされてピストンとなるピストン下部を、後の工程において鍛造された部品から製造できる。更なる本発明の重要な特徴及び利点は、下位請求項、図面及びそれに伴う図を用いた説明に示されている。

自明であるが、上記の特徴及び以下に説明する特徴は、個々の特定に組み合わせにおいて使用できるだけではなく、本発明の範囲を外れること無しに他の組み合わせ又は単独にも使用できる。

図１は、本発明の二段階鍛造方法によってピストンシャフトを製造する際の第一段階を模式的に示している。 図２は、本発明の二段階鍛造方法における第二段階を模式的に示している。 図３は、図１と同様の模式的な図であるが、鍛造の第一段階において、分離型の閉じた第２鍛造ダイを用いる場合を示している。 図４は、図１と同様の模式的な図であるが、鍛造の第二段階において、開いた２部品の第２鍛造ダイを用いる場合を示している。

本発明の好ましい実施例について、図に示すと共に、以下の説明により詳しく説明する。同じ、類似又は機能的に等価な構成要素については、同じ符号により参照されている。

図１〜図４には、２つのシャフト壁２と、これらを接続する２つのボックス壁３とを有するピストン又はピストンシャフト１を製造するための鍛造方法が示されている。図１及び図２は、それぞれ左半図と右半図に分けられており、左半図はピン軸４に直交する断面を示すと共に、右半図はピン軸４に平行な断面を示す。これに対し、図３及び図４は、それぞれピン軸４に平行な断面全体を示す。

図１及び図３は、合わせて二段階ある本発明の鍛造方法における第一段階を示しており、図２及び図４は、対応する第二段階を示している。本発明によると、鍛造の第１段階において（図１及び図３を参照）第１の鍛造ダイ５を用いる鍛造を行い、シャフト壁２を少なくとも僅かに円錐状に外側に広げ、ボックス壁３のボス内面７を実質的にピストン軸６に概ね平行にし、ボス外面８を自由端に向かうように、つまりこの場合には下方且つ内側に向かうようにする。シャフト壁２は、図３及び図４の断面図には見られない。これは、シャフト壁２は図の平面の上下に位置するからである。

本発明の鍛造方法における鍛造の第二段階では（図２及び図４を参照）、第２の鍛造ダイ９を用いてボックス壁３を再変形し、ボス外面８が実質的にピストン軸６に平行、又は、僅かに外側に向くようにする（図２の破線を参照）と共に、ボス内面７を自由端に向かうように、つまりこの場合は下方、且つ、外側に向かうようにする。

ボックス壁３の再変形の間に、第２の鍛造ダイ９を用いて、シャフト壁２を同時にピストン軸６に概ね平行な位置に誘導し、これによりピストンシャフト１の外径を規定する。

一般に、本発明の鍛造方法によって、１つのピストンシャフト１のみ、ピストン下部又はピストン全体を鍛造することができる。再変形の間に、つまり、鍛造の第二段階において第２の鍛造ダイ９によりボックス壁３を広げている間に、シャフト壁２は内側に誘導される。このために、第２の鍛造ダイ９におけるピストン軸６に平行な外側面１０に接するまでボックス壁３の幅が広げられる。この外側面１０は、第１の鍛造ダイ５がシャフト壁２の外側面１０’とは対照的に、円錐状には延びておらず、代わりに図２の断面図のピストン軸６に概ね平行である。

第１及び第２の鍛造ダイ５及び９は、それぞれの鍛造の段階において、ピストンシャフト１を鍛造ダイ５及び９とダイ１１との間に配置してダイ１１に向かって圧迫され、鍛造工程全体の間、ダイ１１内、つまり、ダイを備える鍛造装置１２内に留まるか、又は、第１の鍛造ダイ５による鍛造と第２の鍛造ダイ９による鍛造との間、つまり、鍛造の第一段階と第二段階との間に外されて加熱される。無論、鍛造装置１２内において、鍛造の第一段階が終わった後に直接加熱することも可能である。

ピストンシャフト１は、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、セラミック又は鉄を基本とする材料により製造でき、プラスティックも次第に可能となってきている。

アルミニウムにより鍛造されたピストンシャフト１の硬化及び焼き戻しを行うために、焼き鈍し及び／又は焼き戻しを行うことができ、特に、Ｔ７熱処理として知られる処理をすることができる。通常は焼き入れの後に行われるこのような熱処理において、過飽和状態の金属構造に存在する外来原子は、溶融により分散沈殿として析出する。例えば水又はオイル中において先に行われた焼き入れの間に、室温の平衡状態における場合よりも多くの外来原子が金属構造中に溶け込む。このようなストレス状態は、その後の焼き戻し又は熱処理によって低減できる。

図４の第２の鍛造ダイ９について検討すると、例えば図３の第１の鍛造ダイ５のように、分割された鍛造ダイとして見ることができる。鍛造の第１段階は、図３に従って、図１の鍛造の第一段階と同様にして行われる。ボス内面７はピストン軸６に平行に形成され、ボス外面８は下方で且つ内側に斜めに延びるようにされる。これに続く鍛造の第２段階では、第１の鍛造ダイ５が第２の鍛造ダイ９に交換されて、第２の鍛造ダイ９がボックス壁３を変形して延長させる。例えば楔１３により、ボス外面８がピストン軸６と平行に延び、且つ、ボス内面７が斜めに延びるようにする。同時に、シャフト壁２は内側に伸ばされる。但し、これは図３及び図４の断面図には示されていない。

本発明の方法及び本発明の鍛造装置１２を用いると、特に斜めのボックス壁３を備えるピストン及びピストンシャフト１はが比較的容易且つ経済的に製造でき、材料の節約を可能とし、結果として斜めのボックス壁３により重量を軽減できる。

Claims (8)

1. ２つのシャフト壁（２）及び前記シャフト壁（２）を接続する２つのボックス壁（３）を備えるピストン又はピストンシャフト（１）を製造するための鍛造方法において、
   第１の鍛造ダイ（５）を用いて、前記シャフト壁（２）を少なくとも僅かに円錐状に外側に鍛造すると共に、前記ボックス壁（３）を、ボス内面（７）が実質的にピストン軸（６）と平行に延びるか又は斜めに僅かに底部に向かって外向きに延び且つボス外面（８）が少なくとも幾らか自由端に向かって内側を向くように鍛造し、
   第２の鍛造ダイ（９）を用いて前記ボックス壁（３）を再成形し、前記ボス外面（８）が実質的に前記ピストン軸（６）に平行に延びるか又は斜めに僅かに外側に延びるようにすると共に、前記ボス内面（７）が自由端に向かって外側を向くようにし、
   前記第２の鍛造ダイ（９）を用いる前記ボックス壁（３）の再成形の際に、同時に、前記シャフト壁（２）を前記ピストン軸（６）に略平行な位置に誘導する、鍛造方法。
2. 請求項１の鍛造方法において、
   前記第２の鍛造ダイ（９）による前記ボックス壁（３）の再形成の際に、前記シャフト壁（２）は、前記ピストン軸（６）に略平行な前記第２の鍛造ダイ（９）の側面（１０）に接することを特徴とする鍛造方法。
3. 請求項１又は２の鍛造方法において、
   前記第１及び第２の鍛造ダイ（５、９）は、鍛造の際にダイ（１１）に押しつけられ、前記鍛造ダイ（５、９）及び前記ダイ（１１）の間に置かれたピストンシャフト（１）は、鍛造の工程全体の間、前記ダイ（１１）中に保持されることを特徴とする鍛造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つの鍛造方法において、
   鍛造される前記ピストンシャフト（１）は、前記第１の鍛造ダイ（５）による鍛造と、前記第２の鍛造ダイ（９）による鍛造との間に加熱されることを特徴とする鍛造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つの鍛造方法において、
   前記ピストンシャフト（１）は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、セラミック又は鉄を基本とする材料から鍛造されることを特徴とする鍛造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの鍛造方法において、
   前記ピストンシャフト（１）は、アルミニウム合金から鍛造された後、焼き鈍し及び／又は焼き戻しが行われることを特徴とする鍛造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１つの鍛造方法において、
   前記ピストンシャフト（１）と共に、ピストンヘッドも合わせて鍛造されることを特徴とする鍛造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１つの鍛造方法において、
   少なくとも前記第２の鍛造ダイ（９）は、分割鍛造ダイとして形成され、前記ボックス壁（３）を再形成するために広げられることを特徴とする鍛造方法。

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