JP6568930B2 - 鋳造工具および内燃エンジン用ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に係る、ピストンを製造するための鋳造工具に関する。本発明は、また、この種のピストンを製造するための対応する方法に関する。

シリンダ内のピストンがコネクティングロッドを介して伝達される周期的な並進運動を行う流体エネルギー機械が、ピストンエンジンとして機械工学の分野で知られている。おそらく最も普及しているタイプのピストンエンジンは往復動ピストンエンジンであり、これはガス容積の変化を上述した直線運動に変換し、さらにコネクティングロッドおよびクランクを介して、当該直線運動を回転運動に変換する。おそらく最も一般的なピストンエンジンの変形例である内燃エンジンでは、ピストンはこの目的のために燃焼くぼみを有する。

従来技術によると、適当なピストンは、通常、鍛造プロセスによって、特に特殊な鋳造技術によって製造される。溶融物が頂部のゲートを介してダイとして知られる金属製永久型内にキャストされ、当該永久型のキャビティが重力のみによってあるいは外部圧力の適用によって実質的に満たされる、金属処理分野において公知の永久型鋳造が特に適当であることがわかっている。

独国特許出願公開第１０２００４０５２２３１号明細書 欧州特許第１８０４９８５号明細書

エンジンの作動中に燃焼くぼみの縁部で生じる非常に高い熱的負荷は、ピストンにおけるクラックの形成に対して好ましくない状況をもたらし得るものであって、それを補償することがここでは問題であることがわかっている。この問題のケースに関して、例えば、冷却リング支持部を用いることが従来技術から知られている。くぼみの縁部は、また、セラミック繊維を埋め込むことによっていっそう補強され得る。この目的に対して、スクイズ鋳造法またはロボット補助中圧ダイカスト法（ＲＭＤ）が、溶融アルミニウムによるセラミック繊維の完全な浸透を確保するため、およびよって金属構造中へのセラミック繊維の混合を促進するために永久型鋳造法として用いられている。

対応する方法が、特許文献１およびこれに対応する特許文献２から知られている。両文献は、ピストンの連続製造のための方法であって、鋳造溶融物がフィード領域を介して鋳造ヘッドおよび少なくとも１つのフィーダを有するマルチパーツ鋳型内へ導入され、ピストンブランクの鋳造後に、フィーダスリーブの上方開口端部の開口部が鋳造溶融物に作用するガス圧力にさらされる、方法に関する。フィーダの気密性は「カラーフィーダ」を用いることによって確保される。この方法のある実施形態は、ピストン鋳造工具の充填後に、凝固した鋳造溶融物によって形成される縁部シェルの形成を待つことを特徴とする。特定の実施形態の鋳造ヘッドおよびフィーダスリーブは、この凝固段階におけるフィーダ周りのカラー形成をもたらし、フィーダのマウスピースとフィーダ内容物を所定位置に保持するカラーとの間のシール面を生じさせる。

ここで、１つの重要な因子は、一般にセラミックのような断熱性を有しかつ機械的に弱い材料からなるフィーダ材料の気密的な加圧であることがわかっている。フィーダにおける縁部シェルの形成は、鋳造工具に対する遅れを伴って機能的に行われる。

したがって、本発明の目的は、ピストンのためのロバストな鋳造プロセスにおいて高品質なピストンが製造され得るような改良された鋳造工具を提供することである。

本発明によると、この目的は独立請求項の主題によって達成される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。

したがって、本発明は、鋳造方法の文脈において使用される鋳造ヘッドに、フィーダ周りに延びる好ましくはリング状の溝またはフィーダ周りに延びる好ましくはリング状のカラーを追加するという基本的概念に基づいており、当該溝またはカラーはさらにフィーダから径方向に離間して設けられる。フィーダまたは流入部を介して鋳型内に供給される鋳造溶融物は、この溝内において、例えば、その内側側面が溝の対応する内側側面に対してシール効果を有して当接する円周シールリブを形成するように凝固し得る。凝固の間、鋳造物は、例えばアルミニウム溶融物とスチールダイとのように異なる熱膨張係数を有する場合、溝側面上で収縮する。典型的にスチールで作られた鋳型の場合、スチールの高い熱伝導率が接触箇所における溶融物の急速な冷却および凝固をもたらし、これが柱状粒子の形態で凝固した微細構造の形成を伴う方向性凝固につながり得る。鋳造溶融物のうちまだ溶けている部分は所定位置に保持され、好ましくはあるが必須ではないフィーダを介した溶融物の加圧がなされている場合にさえ、２つの側面間の面接触によってヘッドダイから早まって流れ出ることが防止される。溝表面は、さらに、フィーダを介した加圧の間における気密面として機能する。このことは、フィーダ内の溶融物がフィーダ材料の良好な断熱のためにまだ安定した縁部シェルを形成しておらず、したがって溶融物が例えばくぼみ縁部の強化のためのフィーダを介した加圧によって多孔質挿入物を浸透させ得る場合に特に有利である。溶融物の加圧の間、特に多孔質挿入物の浸透の間、収縮ワークピース内の燃焼室くぼみの形成が、加圧なくしてなされてもよく、また、本発明によると、急速冷却による方向性凝固をもたらし得る。

本発明に係る鋳造工具における特別な利点は、円周溝または円周カラーがフィーダから径方向に離間しかつフィーダとは別個に設けられており、その結果として、例えば特許文献１のフィーダの場合のように、フィーダそれ自体は鋳造溶融物の凝固中における鋳造溶融物の収縮によってストレスを受けないということである。

この例では、ピストン用の本発明に係る鋳造工具は、鋳造溶融物からピストンを形成するための上述した鋳型と、この鋳型内に鋳造溶融物を供給するためのフィーダが中央に設けられた鋳造ヘッドと、鋳型内で鋳造溶融物を加圧するためのフィーダに開口する加圧ガスラインとを備えている。好ましくはリング状、特に円周リング状の、フィーダ周りを延びかつフィーダから径方向に離間した溝、および／または、好ましくはリング状、特に円周リング状の、フィーダ周りを延びかつフィーダから径方向に離間したカラーが、鋳造ヘッドに必要に応じて設けられる。溝は、鋳造溶融物をリング状のシールリブに形成するための内側溝側面を有しており、シールリブの内側リブ側面は溝内で鋳造溶融物が凝固する際に内側溝側面に対してシール効果を有して当接する。一方、カラーは、鋳造溶融物をリング状のシール溝に形成するための外側カラー側面を有しており、シール溝の外側溝側面は鋳造溶融物が凝固する際に外側カラー側面にシール効果を有して当接する。これらの相補的な実施形態に共通するのは、フィーダに、特に特許文献１から知られているようにフィーダカラーに、鋳造溶融物の凝固中に負荷が掛からないことと、フィーダ内での早すぎる凝固がないということである。

ピストンの有利な軽量設計を実現するために、例えば、適当なアルミニウム合金を鋳造溶融物として使用することが考えられる。溶融によって液化したアルミニウムに導入される特定の合金成分の選択を通じて、硬度、振動吸収性、靭性および機械的処理のためのピストンブランクの機械加工性のような特性に選択的に影響を及ぼすことが可能である。

その低粘度、低収縮度および他のプラスの鋳造特性のために、例えば、シリコン含有率が約１２重量％である共晶組成を有するアルミニウム−シリコン合金が軽金属鋳造溶融物として適することがわかっている。亜共晶性のまたはわずかに亜共晶性の混合比率が、提案する方法において推奨され、結果として得られるアルミニウム合金に、鋳造溶融物に加えて、既に固相の割合が小さい凝固領域を与える。このようにして、凝固リブの本発明に係るシール効果が早い段階で実現される。６重量％以下の銅、３重量％以下のニッケルおよび１重量％以下のマグネシウムが、ピストンブランクの強度をさらに高めるのに好適なものとして見なされ得る。全ての場合において、合金の割合は重量％で与えられる。

本発明は、さらに、マルチパーツ鋳造工具によってピストンを製造するための方法において、鋳造工具の別個の流入部を介して鋳造溶融物を導入するという一般的概念に基づいており、ここで、鋳造溶融物はフィーダに開口する加圧ガスラインによって鋳造ヘッド内で圧力にさらされる。この例では、凝固する溶融物の収縮による不足容積および存在する任意の多孔質挿入物の浸透は、フィーダから鋳型に供給される。このプロセスの間、鋳造溶融物は、鋳造ヘッド内のフィーダ周りに延びかつフィーダから径方向に離間した溝内で、シールリブの内側リブ側面がピストン鋳造工具の溝の内側溝側面に対してシール効果を有して当接するように、リング状のシールリブへと凝固する。その代わりに、溝に代えてあるいは溝に加えて鋳造ヘッドにカラーを設けることも考えられ、その結果として、鋳造溶融物は、フィーダから径方向に離間したこの円周カラーにおいて凝固してリング状のシール溝を形成し、ここでシール溝の外側溝側面はピストン鋳造工具のカラーの外側カラー側面に対してシール効果を有して当接する。両実施形態に共通するのは、鋳造溶融物の凝固中の収縮プロセスによってフィーダに機械的負荷が掛からないことである。その代わりに、収縮鋳造は、シール面を介して作用する圧力によって鋳造ヘッドに直接に支持され、同時にシール面に沿ったシーリングをもたらす。

特に有利な実施形態は、鋳型のカラーの輪郭が既にその後の燃焼くぼみの形状、特にくぼみの縁部およびネックの形状に可能な限り近い場合に得られる。溝またはカラーの近くの鋳造ヘッドに冷却通路を導入することにより、および収縮圧力下におけるシール面での面接触に関連する適切な冷却により、溶融物からの熱除去が促進され得る。接触面の周辺では、このことは微細構造の向上された特性、およびその結果として促進凝固による鋳造のより高い品質をもたらす。さらに、凝固が急速になるほど、多孔質挿入物のより良好な浸透のためのより早い加圧が可能となる。

好ましい実施形態では、提示された製造方法は、０．３〜２０バールの圧力下における重力鋳造法または低圧鋳造法として実行される。似たような目的のための砂型鋳造法と比べて少ないスペース要求により、この方法によって適当なロボットによる実質的に完全な機械化が可能となり、鋳造生産量の大幅な増大が可能となる。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図の説明から明らかになるだろう。

上述したあるいは後述する特徴が、それぞれに示された組み合わせにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組み合わせにおいてあるいは単独でも使用され得ることは言うまでもない。

図１は、ピストン鋳造工具の鋳造ヘッドの径方向外側部に位置する溝を有する本発明の第１実施形態に係る鋳造工具の断面図である。 図２は、ピストン鋳造工具の鋳造ヘッドの径方向内側部に位置する溝を有する本発明の第２実施形態に係る鋳造工具の断面図である。 図３は、ピストン鋳造工具の鋳造ヘッドの径方向外側部に位置する環状カラーを有する本発明の第３実施形態に係る鋳造工具の断面図であって、ここで環状カラーは図２のように内側部に形成されていてもよい。 図４ａは、図１および図２の細部Ａを示す図である。 図４ｂは、図３の細部Ｂを示す図である。 図５は、図１と同様の図であるが、多孔質挿入物を伴うものである。 図６は、図２と同様の図であるが、多孔質挿入物を伴うものである。 図７は、図３と同様の図であるが、多孔質挿入物を伴うものである。 図８は、鋳造ヘッドに環状カラーを有する図３と同様の図であって、環状カラーによるくぼみ形状のプレキャストが描かれている。

以下、本発明の好ましい例示的な実施形態について図面に示すと共に詳細に説明する。同一の参照符号は、同一のもしくは類似の、または機能的に同一の構成要素を示す。

図１〜図３および図５〜図８に示すように、ピストン２用の本発明に係る鋳造工具１は、鋳造溶融物４からピストン２を形成するための鋳型３を備えている（図２を参照）。鋳型３は、この鋳型３内に鋳造溶融物４を供給するための好ましくは中央部に配置されたフィーダ６を含む鋳造ヘッド５を有しており、加圧ガスライン７が、鋳型３内で鋳造溶融物４を加圧するためにフィーダ６に開口している（図２を参照）。フィーダは、例えば、セラミック材料から形成されていてもよい。本発明によると、鋳造ヘッド５にフィーダ６周りをリング状に延びかつフィーダ６から径方向に離間した溝８が設けられ、この溝８は、鋳造溶融物４を円周リング状シールリブ１０に形成するための内側溝側面９（図４ａを参照）を有する。シールリブ１０の内側リブ側面１１は、鋳造溶融物４が溝８内で凝固する際に内側溝側面９に対してシール効果を有して当接する。それに代えて（またはそれに加えて）、鋳造ヘッド５にフィーダ６周りをリング状に延びかつフィーダ６から径方向に離間した環状カラー１２を設けることも可能である（図３、図７および図８を参照）。この環状カラー１２は、鋳造溶融物４をリング状シール溝１４に形成するための外側カラー側面１３を有する。シール溝１４の外側溝側面１５は、鋳造溶融物４が凝固および収縮する際に外側カラー側面１３に対してシール効果を有して当接する。このことは、鋳造溶融物４が凝固するときにフィーダ６が鋳造溶融物４の収縮による荷重にさらされないという重要な利点をもたらす。同時に、ピストン２の早すぎる分離が防止される。ピストン２を型から取り出した後、シールリブ１０とシール溝１４のシール面とは、ピストンヘッドの最終形状の作製における旋削によって除去される。

図１および図５によると、溝９またはカラー１２は径方向外側に設けられており、一方、図２および図６によると、溝９またはカラー１２は径方向内側に設けられている。すなわち、後者では、図１および図５に示す溝９よりもフィーダ６までの径方向距離が短い位置に溝９またはカラー１２が設けられている。その代わりに、もちろんまた、図３および図７に示すように、溝９に代えて環状カラー１２を設けることも可能である。ここでまた、フィーダ６に対して常に離間しているものの、環状カラー１２をより外側またはより内側に設けることも考えられる。

この例では、溝側面９またはカラー側面１３は、鋳造ヘッド５の表面に対する垂線１６に対して３〜２０°、好ましくは１０〜１５°の傾斜角αを有してもよい。一方で、選択される傾斜角αは、摩擦係数に関して、シール面における収縮鋳造の信頼できる保持を確保するのに十分小さくあるべきである。他方で、傾斜角αは、完全鋳造ピストン２の容易な取り出しを可能とするために十分に大きくあるべきである。この幾何学的構成は、さらに、鋳造溶融物４の硬化後に形成されるシールリブ１０またはシール溝１４が、内側リブ側面１１または外側溝側面１５を規定することを保証する。内側リブ側面１１または外側溝側面１５は、上記内側溝側面９または外側カラー側面１３に対してフラットに当接し、よって鋳造ヘッド５またはヘッドダイを早すぎるおよび望ましくない鋳造圧力の逃げに対して封じ、それにより多孔質挿入物の正しい浸透を可能とする。

鋳造工具１によって、ピストン２は次のようにして製造されてもよい。まず、鋳造溶融物４が流入部２１を介して鋳造ヘッド５に供給され、そして鋳造ヘッド５を介して鋳造工具１の鋳型３内に供給される。ここで、鋳造溶融物４は、フィーダ６に開口する加圧ガスライン７によって、収縮キャビティの形成を回避するためおよび多孔質鋳造部を浸透させるために、鋳造ヘッド５内で圧力にさらされる。鋳造溶融物４が鋳型３内に注入されると、当該鋳造溶融物４は、鋳造ヘッド５内のフィーダ６周りをリング状に延びかつフィーダ６から径方向に離間した溝８にも入り込み、そして凝固してリング状シールリブ１０を形成する。ここで、シールリブ１０のそれぞれの内側リブ側面１１は、溝８の内側溝側面９に対して気密状に当接する（図１、図２、図４ａ、図５および図６を参照）。その代わりに、鋳造溶融物４は、鋳造ヘッド５内のフィーダ６周りをリング状に延びかつフィーダ６から径方向に離間した環状カラー１２においてリング状の環状シール溝１４を形成するように凝固してもよい。ここで、シール溝１４の外側溝側面１５は、環状カラー１２の外側カラー側面１３に対してシール効果を有して当接する。

この例では、鋳造溶融物４は、鋳型３に充填されてから当該鋳造溶融物が完全に凝固するまで、最も早くとも鋳型３に充填されてピストンの縁部シェルおよび流入部２１の部分領域の一部が凝固するまで、圧力にさらされるべきである。特に高い負荷にさらされる領域、例えばピストンのくぼみ縁部１７またはリング支持領域を強化するために、当該箇所に多孔質挿入物１８を挿入してもよい（図５〜図８を参照）。さらに、ピストンは、浸透を必要としない別の挿入物、例えばリング支持部または冷却通路の形成のためのソルトコアを含んでいてもよい。

挿入物１８、特にリング支持部またはくぼみ縁部保護具は、例えば、多孔質であってもよく、また鋳造溶融物４に作用する圧力によって浸透されてもよい。同時に、浸透が、吸引ライン２０による真空生成によって補助されてもよい。１０〜１４重量％のシリコンおよび／または６重量％以下の銅、３重量％以下のニッケルおよび／または１重量％以下のマグネシウムを含む近共晶アルミニウム合金が鋳造溶融物４として特に適している。さらに、引張り強さを高めるために別の元素、例えばバナジウムやジルコニウム（いずれも０．２％未満）を添加することや、結晶粒微細化のために例えばチタン（０．２％未満）やリン（０．０１％未満）を添加することが可能である。Ａｌ−Ｓｉ合金の近共晶または亜共晶構造が多孔質挿入物の浸透に対する適合性に関して有利であることがわかっている。さらに、融点が４９０℃未満の低融点元素、例えば鉛、ビスマス、スズ、亜鉛のおかげでほとんど不純物を含まない鋳造溶融物が好ましい。ここで、これらの元素のそれぞれの濃度は０．０１％以下である。

ピストン２の鋳造は重力鋳造法または低圧鋳造法によって行われ、また鋳型内における鋳造溶融物の凝固は、特に、０．３〜２０バールの圧力下で行われる。

それ自体公知の態様で、上述した鋳造溶融物４は、流入部２１を介して鋳造工具１内に導入され、その結果、コア１９周りの鋳型３の自由領域は鋳造溶融物４で満たされる。コア１９は、その後、ピストン２のスモールエンド軸受アイ（small end bearing eye）を形成するものである。特定の実施形態の鋳造ヘッド５およびフィーダ６は、サイクルタイムを短縮するために、フィーダ６の内容物の一部の内部がまだ液状であるときに鋳造工具が方法にしたがって開かれる際にフィーダ内容物を所定位置に保持するシールリブ１０またはシール溝１４の形成を可能とする。この例では、シールリブ１０またはシール溝１４の安定化効果は、鋳造ヘッド５内のフィーダ６を囲む本発明において必須である溝８によって、または補足的な実施形態において内部で鋳造溶融物４が凝固してリング状のシールリブ１０またはシール溝１４を形成する環状カラー１２によって補助される。

この目的のために、鋳造溶融物４が、フィーダ６内で所望の程度まで上昇してもよく、また鋳造溶融物４の供給の終了後に、導入された鋳造溶融物４の上方のフィーダ６内にフリースペースを生じさせてもよく、当該フリースペースを介して鋳造溶融物４に０．３〜２０バールのガス圧力がかけられてもよい。ピストン鋳造工具１の鋳造ヘッド５を、フィーダ６がスリーブ２２によって鋳造ヘッド５の径方向外側部で案内されるように構成するのが有利であることがわかっており、当該スリーブ２２には圧力ライン７が気密態様でフランジ止めされる。加圧のためのガスは加圧ガスライン７を介してフィーダ６に供給される。当該加圧ガスライン７は鋳造溶融物４の導入プロセス中は周囲に開放されており、よって圧力均等化を行うことが可能となる（図２を参照）。簡略化のために、加圧ガスライン７は図２にのみ描かれており、流入部２１およびスリーブ２２は図８にのみ描かれている。しかしながら、それらが他の実施形態においても存在していることは明らかである。

Claims (12)

1. ピストン（２）用の鋳造工具（１）であって、
   鋳造溶融物（４）から上記ピストン（２）を形成するための鋳型（３）と、
   上記鋳型（３）に上記鋳造溶融物（４）を供給するためのフィーダ（６）を有する鋳造ヘッド（５）とを備えており、
   上記鋳造ヘッド（５）に、上記フィーダ（６）周りを延びかつ該フィーダ（６）から径方向に離間した溝（８）が設けられ、該溝（８）は、上記鋳造溶融物（４）を円周状のシールリブ（１０）に形成するための内側溝側面（９）を有し、該シールリブ（１０）の内側リブ側面（１１）は、上記溝（８）内で上記鋳造溶融物（４）が凝固する際に上記内側溝側面（９）に対してシール効果を有して当接するように構成され、
   および／または、
   上記鋳造ヘッド（５）に、上記フィーダ（６）周りを延びかつ該フィーダ（６）から径方向に離間したカラー（１２）が設けられ、該カラー（１２）は、上記鋳造溶融物（４）を円周状のシール溝（１４）を有するものに形成するための外側カラー側面（１３）を有し、上記シール溝（１４）の外側溝側面（１５）は、上記鋳造溶融物（４）が凝固する際に上記外側カラー側面（１３）に対してシール効果を有して当接するように構成されている
   ことを特徴とする鋳造工具。
2. 請求項１において、
   上記鋳造工具（１）は、上記鋳型（３）内で上記鋳造溶融物（４）を加圧するための上記フィーダ（６）に開口する加圧ガスライン（７）を備えている
   ことを特徴とする鋳造工具。
3. 請求項１または２において、
   上記溝側面（９）または上記カラー側面（１３）は、上記鋳造ヘッド（５）の表面に対する垂線（１６）に対して３〜２０°の傾斜角（α）を有する
   ことを特徴とする鋳造工具。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   上記鋳造ヘッドは、上記溝（８）および／または上記カラー（１２）の領域において冷却媒体を輸送するよう設計された通路を有する
   ことを特徴とする鋳造工具。
5. マルチパーツ鋳造工具（１）によってピストン（２）を製造するための方法であって、
   上記鋳造工具（１）の鋳造ヘッド（５）内に流入部（２１）によって鋳造溶融物（４）を導入するステップを含み、
   上記鋳造ヘッド（５）内のフィーダ（６）周りに延びかつ該フィーダ（６）から径方向に離間した溝（８）内で上記鋳造溶融物（４）をシールリブ（１０）へ凝固させるステップを含み、上記シールリブ（１０）の内側リブ側面（１１）は、上記溝（８）の内側溝側面（９）に対してシール効果を有して当接するように構成され、
   および／または、
   上記鋳造ヘッド（５）内のフィーダ（６）周りに延びかつ該フィーダ（６）から径方向に離間したカラー（１２）においてシール溝（１４）を形成するように上記鋳造溶融物（４）を凝固させるステップを含み、上記シール溝（１４）の外側溝側面（１５）は、上記カラー（１２）の外側カラー側面（１３）に対してシール効果を有して当接するように構成されている
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項５において、
   上記溝（８）および／または上記カラー（１２）を、該溝（８）および／または該カラー（１２）の領域の上記鋳造ヘッドに設けられた通路に冷却媒体を流すことによって冷却する
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項５または６において、
   上記鋳造溶融物（４）に、上記鋳造ヘッド（５）内で圧力をかける
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項７において、
   上記鋳造溶融物（４）に、鋳型（３）の充填および部分的な凝固の後に、０．３５〜２０バールの圧力をかける
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項７または８において、
   少なくとも一の挿入物（１８）を、鋳型（３）内に挿入し、上記鋳造溶融物（４）に作用する圧力によって浸透させる
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項５〜９のいずれか１項において、
    上記鋳造溶融物（４）は、１０〜１４重量％のシリコン、６重量％以下の銅、３重量％以下のニッケル、および／または１重量％以下のマグネシウムを含む溶融アルミニウムを含む
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１０において、
    上記鋳造溶融物（４）は、融点が４９０℃未満である低融点元素を含み、
    上記鋳造溶融物（４）内に存在する不純物の割合は、各ケースにおいて０．０１％未満である
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項５〜１１のいずれか１項において、
    上記方法を、重力鋳造法または低圧鋳造法によって実行する
    ことを特徴とする方法。

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