JP6984289B2 - 鋳包み用部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳包み用部材及びその製造方法に関する。

ダイカスト鋳造技術等の発展に伴い、先に鋳造しておいた部材を鋳型にセットし、該部品と鋳型との間に溶かしたアルミニウム等の金属（溶湯）を流し込んで、該部品に接着又は密着させる鋳包み鋳造と呼ばれる手法が用いられるようになってきた。この手法により鋳込まれる部材は、鋳包み用部材と呼ばれている。

例えば、特許文献１に開示されているように、自動車用エンジンのシリンダブロックには、外周面にアンダーカット性能を有する針状（または、凸状）突起を周方向に全体的にほぼ均一に成形させた鋳包み用部材（シリンダスリーブ）が広く用いられている。

車両を軽量化するために、シリンダブロック等の車両を構成する部品の軽量化が求められている。特許文献１のような、外周面に先端が括れた単独の針状の突起を有するシリンダスリーブの薄肉化を図る場合、例えば、突起の高さを変えずに、有効肉厚を薄肉化する方法や、突起高さを低くし、有効肉厚を確保する方法等が挙げられる。

特許第４４２９０２５号公報

ところが、上記のような方法のように突起の高さを変えずに有効肉厚を薄肉化しようとする場合、スリーブの剛性が低下してしまう。

一般的に、シリンダブロックのダイカスト成形において鋳包み用部材（シリンダスリーブ）が鋳包まれる際に、シリンダスリーブはアルミ溶湯の高い射出圧力に晒されて残留応力を抱える。また、シリンダスリーブがシリンダブロックに鋳包まれた後においても、シリンダヘッドとの締結時にボルト軸力によって高い圧縮荷重が付与された状態となる。

上記の状況下において、運転時に高い筒内燃焼圧力がシリンダスリーブに断続的に作用すると、剛性の低いシリンダスリーブでは、径方向や軸方向にひずみが生じやすくなり、結果としてボア真円度が大きく変化してしまう。そうすると、メカロス発生やブローバイガス増加を招き、燃費が低下する。さらには、シリンダブロックの剛性低下が発生し、ＮＶ特性も低下する可能性がある。

また、シリンダスリーブの突起の高さと、これを鋳包むアルミとの密着強さには相関性があり、突起の高さが低くなると、アルミとの密着強さが低下してしまう。そうすると、鋳鉄とアルミとの線膨張係数の違いから、運転時にスリーブ界面に容易に隙間が発生しやすくなり、エンジンの均一な冷却性は得られ難くなる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、シリンダブロックに搭載されるシリンダスリーブとして用いられる鋳包み用部材を軽量化及びダウンサイジング化をすることである。

上記目的を達成するため本発明に係る鋳包み用部材は、車両用エンジンに搭載されるシリンダブロックのシリンダスリーブとして用いられる円筒状の部材である。当該鋳包み用部材において、外周面には、径方向外側に突出している複数の凸部が設けられ、前記凸部の径方向外側には、径方向に直交する方向に延びている平坦部が設けられており、前記凸部の側壁と、前記平坦部によってアンダーカット形状部が構成されている。

本発明によれば、シリンダブロックに搭載されるシリンダスリーブとして用いられる鋳包み用部材を軽量化及びダウンサイジング化をすることができる。

本発明に係る鋳包み用部材を模式的に示す斜視図である。 図１の鋳包み用部材の軸方向に垂直な断面を模式的に示す概略横断面図である。 図１のＡ部を拡大して示す写真である。 図３の網目状の凸部を模式的に示した斜視図である。 図４の線状部分の断面を模式的に示す断面図である。 図５の線状部分とは別の形状の例を（Ａ）に示し、さらに別の例を（Ｂ）に示す。 図１の凸部に、径方向圧縮荷重等を作用させる前の状態の凸部を模式的に示す断面図である。

以下、本発明に係る鋳包み用部材１及びその製造方法に係る実施形態について、図面（図１〜図７）を参照して説明する。

先ず、本実施形態の鋳包み用部材１の構造について説明する。本実施形態の鋳包み用部材１は、シリンダブロックのシリンダスリーブ（シリンダライナーまたはスリーブともいう。）に用いられ、鋳鉄等により形成された円筒状の部材であって、外周面１ａには、複数の凸部２が形成されている。

鋳包み用部材１に用いられる鋳鉄は、一般的に鉄と炭素とケイ素を含む三元合金であり、用途によって他の元素を含んでいてもよい。例えば、鋳鉄は、Ｆｅ以外に、鋳鉄全体の質量に対して、３．１〜３．８質量％のＴ．Ｃ（Ｔｏｔａｌ Ｃａｒｂｏｎ）、１．９〜２．５質量％のＳｉ、０．５〜１．０質量％のＭｎ、０．０１〜０．５質量％のＰ、０．００２〜０．２質量％のＳを含んでいてもよい。

鋳包み用部材１の外周面１ａの全域には、図１に示すように、凸部２が設けられている。また、鋳包み用部材１は、有効肉厚Ｔを有している。ここで有効肉厚Ｔとは、図２に示すように、鋳包み用部材１を構成する円筒状部材の内周面９から、凸部２の底部までの径方向距離である。この例における有効肉厚Ｔは、例えば、１ｍｍ以上で７ｍｍ以下の範囲に設定されている。

凸部２は、図３及び図４に示すように、複数の線状部分２ａと、複数の集中部分２ｂを有している。線状部分２ａは、外周面１ａから径方向外側に突出した状態で鋳包み用部材１の外周面１ａ上に延在している。集中部分２ｂは、例えば３つの線状部分２ａの端部が接続されることによって構成されている部分である。この例における凸部２は、複数の線状部分２ａと複数の集中部分２ｂによって全体で網目構造体を構成している。

なお、図３は、凸部２を斜め上から観察したＳＥＭ写真である。図４は、凸部２を模式的に示している斜視図であり、例えば図３のＢ部を模式的に示している。

凸部２の線状部分２ａは、縦壁部３と平坦部５を有している。縦壁部３は、図４に示すように、鋳包み用部材１の外周面１ａから径方向外側に突出している長壁状の部分である。平坦部５は、図５に示すように、凸部２の径方向外側端に配置され、径方向に直交する方向に延びている部分である。以下、平坦部５の構造について説明する。

平坦部５は、図５に示すように、外周面１ａに対して径方向間隔を空けた状態で、径方向に直交する方向に延びている直線部５ａを有している。直線部５ａは、縦壁部３の側壁面３ａから径方向に直交する方向に突出している。直線部５ａの突出方向は、軸方向や周方向のいずれでもよい。

図５における左側に示す凸部２の直線部５ａは、縦壁部３に対して図５における左右両側に延びている。縦壁部３と、平坦部５の直線部５ａによって、略Ｔ字形状を構成している。これに対して、図５における右側に示す凸部２の直線部５ａは、縦壁部３の頂部から一方（図５の左方）に延びている。この場合、縦壁部３と、平坦部５の直線部５ａによって、略Γ型を構成している。縦壁部３の側壁面３ａと平坦部５の直線部５ａとで形成される角度は、鋭角であることが好ましいが、鈍角でもよい。

直線部５ａの径方向外側には、径方向に直交する方向に延びる平坦面５ｂが形成されている。平坦面５ｂは、軸方向に平行であることが好ましいが、軸方向に対して、傾斜していてもよい。平坦面５ｂを形成する方法は、後述する。

また、凸部２には、アンダーカット形状部６が設けられている。アンダーカット形状部６は、例えば、図５に示すように、直線部５ａと、縦壁部３の側壁面３ａによって構成される部分で、いわゆる括れている部分である。凸部２の高さｈは、凸部２が径方向外側に突出している量を示しており、外周面１ａの基面８から直線部５ａの平坦面５ｂまでの距離で示される。基面８は、厳密には平坦ではないので、凸部２の高さｈは、基面８から平坦面５ｂまでの平均距離として定義してもよい。

なお、凸部２の縦壁部３及び平坦部５の全体でアンカー効果を得ることもあるため、縦壁部３及び平坦部５を含む凸部２全体の形状を、アンダーカット形状と定義することもできる。この場合、凸部２の高さｈは、アンダーカット形状の高さと定義してもよい。

凸部２にアンダーカット形状部６を設けることによって、鋳包み用部材１が鋳込まれた際に、例えば括れを有するアンダーカット形状部６に溶湯が回りこみ、アンカー効果を向上させることが可能となる。

平坦部５は、図５の右側に示された凸部２のように、延出部５ｃが設けられてもよい。この場合の平坦部５は、直線部５ａと延出部５ｃを有し、これらが一体的に形成されている。延出部５ｃは、直線部５ａの先端から外周面１ａに向かって突出している部分である。この例のアンダーカット形状部６は、縦壁部３の側壁面３ａと、直線部５ａと、延出部５ｃによって構成されている。延出部５ｃを設けることによって、アンダーカット形状部６によるアンカー効果が向上する。

図６には、凸部２の変形例を示している。図６（Ａ）は、縦壁部３の頂上に平坦部５が設けられており、平坦部５と縦壁部３の境界となる部分が括れている。この例の凸部２は、いわゆるＩ型であり、縦壁部３の表面が形成する括れによってアンダーカット形状部６を構成している。

また、図６（Ｂ）に示すように、直線部５ａと外周面１ａの間に別の縦壁部３ｃが配置されてもよい。このように別の縦壁部３ｃを有することにより、直線部５ａの先端と、別の縦壁部３ｃによってアンカー効果が向上する。図５及び図６に示すような凸部２のアンダーカット形状部６の断面形状は、鋳包まれた際に、鋳包む金属との密着強さや熱伝導性を向上させる観点から好ましい。

なお、凸部２の集中部分２ｂにも、線状部分２ａと同様に、アンダーカット形状部６を設けることもできる。

続いて、本実施形態における鋳包み用部材１の製造方法について説明する。

先ず、鋳包み用部材１を構成する円筒部材の外周面１ａに、該外周面１ａから径方向外側に突出する網目状の凸部２を形成する。凸部２を形成する工程について、図示による説明は省略するが、当該工程は、鋳型の溶湯を流し込もうとする面に塗型剤を塗布する工程と、塗布した塗型剤の乾燥・固化に伴う収縮によって、表面にひび割れの形状を有する塗型層を形成する工程と、塗型層上から溶湯を流しこみ、鋳型を回転させながら鋳造する工程を有することで、図７に示すような凸部２が形成される。このときの凸部２には、平坦部５は形成されていない。

次に、アンダーカット形状部６の平坦部５を形成する。本実施形態では、例えば図７に示す凸部２の径方向外側端に、圧縮荷重を径方向内側（図７における下方）に、例えば管圧延機による外径絞り圧延によって作用させる。これにより、凸部２の径方向端は、塑性変形する。塑性変形することによって、図５及び図６に示すように、外周面１ａに沿って延びる平坦部５を構成する直線部５ａが形成される。直線部５ａにおける径方向外側端には、平坦面５ｂが形成される。

凸部２に平坦部５を設けることによって、凸部２の高さを相対的に低くすることができ、且つ、凸部２の径方向外側部におけるアンダーカット形状部６によりアンカー効果が向上する。よって、シリンダスリーブとして用いる鋳包み用部材１の要求特性を満たすこと、すなわち、シリンダスリーブの薄肉化が可能となる。これに伴い、シリンダブロック内に併設されるシリンダスリーブのボア間のピッチを短縮することができる。

また、網目状に構成された複数の凸部２とアルミとの接触面積が、シリンダスリーブの周方向において全体的に安定化する。そのため、シリンダ内の燃焼熱をシリンダスリーブから周囲のシリンダバレルのアルミ側への熱伝導性が向上し且つ均一化し、より均等に放散できる。その結果、エンジン燃焼熱の放散性が向上する。

さらに、網目状の凸部２の括れによるアンカー効果により、シリンダスリーブとアルミの接触界面において部分的な隙間の発生を防止でき、シリンダスリーブの壁温も安定化する。これにより、高圧縮化に伴う燃焼温度の上昇を抑制でき、筒内温度上昇にも対応できるようになる。

その結果、エンジンの軽量化、ダウンサイジング化が可能となり、エンジンの更なる高圧縮化が可能となる。また、シリンダスリーブとして用いる鋳包み用部材１の外周面１ａの凸部２の高さｈが低くても、密着強さを十分に確保でき、軽量化及び高剛性化を達成できる。よって、このように構成された鋳包み用部材１をシリンダスリーブとして用いることにより、シリンダブロック自体の剛性を向上させ、ＮＶ特性を向上させることが可能となる。

さらに、本実施形態では、圧縮荷重を付与するときに、鋳包み用部材１の軸方向に、せん断荷重を付与してもよい。この場合、平坦部５の直線部５ａは、軸方向（せん断方向）に延びるように形成される。また、直線部５ａの先端には、延出部５ｃが形成される。

例えば、図３では、図３における上下方向が鋳包み用部材１の径方向に相当し、図３における左右方向が鋳包み用部材１の軸方向に相当する。図３の矢印Ｘは、圧縮荷重の方向を示している。これに対して、矢印Ｙは、せん断荷重の方向を示している。図３で示されるせん断荷重は、図３における左方に作用している。このため、図３に示す平坦部５は、図３における左方に延びているものが多い。

径方向内側に圧縮荷重を加えつつ、さらに軸方向にせん断荷重を付与し、凸部２の径方向外側部を塑性変形させることより、複数の凸部２の平坦部５をせん断荷重の方向に配向させ、凸部２の平坦部５に優位方位をもたせている。これにより、アンダーカット形状部６によるアンカー効果が向上する。

このときの凸部２の高さｈは、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍと設定するとよい。凸部２の高さの上限値は、凸部２の剛性を考慮した値であり、２．０ｍｍ以下とすることで、凸部２に要求される剛性を得ることができる。凸部２の高さは、より好ましくは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍとするとよい。

また、複数の凸部２の高さｈのばらつき（標準偏差σ）は、１５０μｍ以下とし、複数の凸部２の高さｈが、均等化されていることが好ましい。さらに、標準偏差σは、３０μｍ以下とするのが好ましい。図５に示すように、左右に配置された凸部２の高さｈが揃うように形成されるとよい。すなわち、各平坦面５ｂの径方向位置が揃うことが好ましい。

複数の凸部２の高さｈの標準偏差σを上記のように設定することにより、複数の凸部２の高さｈが均等化され、且つ安定する。これにより、網目状の凸部２による補強リブ効果が相対的に安定する。そのため、軸方向、及び径方向ともに、シリンダスリーブの比弾性率のバラツキが小さくなり、外周面１ａの複数の凸部２の高さｈの差異がもたらす性能変化が極めて小さくなる。例えば、外径寸法が安定して、機械加工後のシリンダスリーブの内径、真円度、円筒度、垂直度、肉厚等の寸法精度が向上し、ひいてはシリンダスリーブ全周面における熱伝導性が安定化する。

よって、例えば、ダイカスト鋳包み時の射出圧力、シリンダブロックへのシリンダヘッド締結時の圧縮荷重、さらには運転時の筒内燃焼圧等の外力が作用しても、弾性変形しにくく、ひずみにくい。すなわち、シリンダスリーブ性能が安定化する。

また、シリンダスリーブとなる鋳包み用部材１を鋳包む前であって例えば機械加工後に、シリンダヘッド締結時、運転時において、ボア真円度の変化を抑制できる。その結果、メカロスやブローバイガスの低減により、燃費向上も期待できる。

また、凸部２の先端（径方向外側端）をせん断荷重が作用する方向に配向させることにより、凸部２の高さｈが安定し、且つ凸部２のアンダーカット形状部６が一定の優先方位をもつことから、網目状の凸部２による補強リブとしての効果が、相対的により一層安定する。すなわち、シリンダスリーブ性能がより一層安定化する。

また、上記の遠心鋳造により金型から引き抜かれた直後の高温状態（約４００℃以上）の円筒粗材に総圧下率０．１〜５．０％、好ましくは１．０〜３．０％で外径絞り圧延等を施すといよい。

また、冷間ないし４００℃未満では、スリーブ内径部を予備加工した後に、当内径部に高剛性マンドレルを挿入し、総圧下率０．１〜５．０％、好ましくは１．０〜３．０％で外径絞り圧延等を施してもよい。

ここで圧下率とは、円筒断面の粗材を圧延する場合に、圧延前後の粗材外径をそれぞれφ１、φ２とするとするときに、（φ１−φ２）／φ１×１００で示される肉厚減少率である。圧下率を上記のように設定することにより、複数の凸部２の高さｈのばらつき、すなわち標準偏差σをより小さくすることが可能となる。

本実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本実施形態の平坦部５に作用させるせん断荷重は、上記実施形態では軸方向に作用させているが、これに限らない。例えば、鋳包み用部材１の外周面１ａの所定の領域ごとに、最適な方向にせん断荷重を作用させてもよい。

１ 鋳包み用部材
１ａ 外周面
２ 凸部
２ａ 線状部分
２ｂ 集中部分
３ 縦壁部
３ａ 側壁面
５ 平坦部
５ａ 直線部
５ｂ 平坦面
５ｃ 延出部
６ アンダーカット形状部
８ 基面
９ 内周面

Claims (2)

1. 車両用エンジンに搭載されるシリンダブロックのシリンダスリーブとして用いられる円筒状の鋳包み用部材の製造方法において、
   前記鋳包み用部材の外周面に、該外周面から径方向外側に突出する複数の凸部を形成する工程と、
   径方向内側に作用する圧縮荷重によって、前記凸部の径方向外側端を塑性変形させることにより、前記外周面に沿って延びる平坦部を形成し、前記凸部の側壁と前記平坦部によって構成されるアンダーカット形状部を形成する工程とを有し、
   前記圧縮荷重を作用させる工程では、総圧下率を０．１〜５．０％とし、
   前記総圧下率は、断面の粗材を外径絞り圧延する場合に、圧延前後の粗材の外径をそれぞれφ１、φ２とするとするときに、（φ１−φ２）／φ１で示されることを特徴とする鋳包み用部材の製造方法。
2. 前記アンダーカット形状部を形成する工程は、前記圧縮荷重を作用させるときに、軸方向にせん断荷重を作用させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の鋳包み用部材の製造方法。
   

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