JPH08270502A - 内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トップリング用のリング溝の周囲をクラッド
構造化したピストンのトップランド厚さを可及的に小さ
くする。 【構成】 ピストン１の円筒外周面１ａに予め形成した
周溝８にレーザ肉盛り加工法によって肉盛り層１４を形
成した上、肉盛り層１４に溝加工を施してリング溝３を
形成する。その際、ピストン１のヘッド部１ｂ側および
円筒外周面１ａ側に予め駄肉部９ａ，９ｂを設定してお
き、肉盛り加工後にその駄肉部９ａ，９ｂを切削除去す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関用ピストンの
製造方法に関し、特にトップリングが装着されるリング
溝近傍の耐熱性，耐摩耗性向上のためにその部分をクラ
ッド構造にするための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン用のピストンとし
て、図５に示すように、トップリング（ピストンリン
グ）２が装着されるリング溝３の周囲に耐摩耗性，耐凝
着性に優れたニレジスト鋳鉄よりなる耐摩耗性リング４
を鋳包み鋳造法によって一体に形成したクラッド構造の
ピストン１が知られている。なお、前記トップリング２
は周知のようにシリンダ壁面５に圧接することになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の構
造においては、耐摩耗性リング４とピストン１の母材で
あるアルミニウム合金との接合をその接合強度が比較的
弱いとされる鋳包み鋳造法に頼っているために、両者の
接合面積を可及的に大きく確保するためにはその耐摩耗
性リング４の断面形状がある程度大きくならざるを得な
い。その結果、ピストン１全体の重量が増加することと
なって好ましくない。

【０００４】その上、上記のように耐摩耗性リング４の
断面形状が大きくなるのに伴って、この耐摩耗性リング
４を鋳包むのに必要な母材肉厚も大きくならざるを得
ず、特にトップランド部６の厚さｈの縮小化に限界があ
る。その結果、トップランド厚さｈを可及的に小さくす
ることによって燃焼室におけるクレビスボリュームを小
さくし、それによってＨＣ等の排気ガスを低減するとい
う最近の要請に応えることができなくなる。

【０００５】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、その目的とするところは、トップリング装
着用のリング溝の周囲をクラッド構造化しつつ、ピスト
ン全体の軽量化とトップランド厚さの縮小化を可能とし
たピストンの製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、アルミニウム合金よりなるピストンの円筒外周面の
うちトップリング用のリング溝が形成される部分にその
円周方向に沿って周溝を形成する工程と、前記周溝に銅
系合金材料の粉末を供給しながらレーザビームを照射す
るとともにピストンとレーザビームとを相対移動させ
て、前記粉末を溶融させることにより周溝に沿って肉盛
り層を形成する工程と、前記レーザ肉盛り加工後にその
肉盛り層に機械加工を施してトップリング装着用のリン
グ溝を形成する工程とを含み、前記レーザ肉盛り加工前
のピストンのうち少なくともそのヘッド部側に予め駄肉
部を形成しておき、前記レーザ肉盛り加工後の機械加工
によってこの駄肉部を切削除去することを特徴としてい
る。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の構成に加えて、ピストンのヘッド部側および円筒外周
面側にピストンのトップランド部の最終加工径よりも大
きな駄肉部がそれぞれ形成されていることを特徴として
いる。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の構成に加えて、前記ピストンのヘッド部側の駄肉部が
円筒外周面側の駄肉部よりも厚肉に形成されていること
を特徴としている。

【０００９】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載の構成に加えて、前記レーザ肉盛り加工
は、周溝の全周に肉盛り層が形成されるのを一回として
複数回行うことを特徴としている。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明によると、ピストンの円筒
外周面のうちトップリング用のリング溝が形成される部
分に周溝を予め形成しておき、この周溝にレーザ肉盛り
加工法によって肉盛り層を形成する。この肉盛り層の断
面形状は、上記のようにレーザ肉盛り加工法によって形
成するために従来の鋳包みタイプの耐摩耗リングよりも
小さくて済むものの、入熱量が大きいためにピストン母
材側の熱容量をある程度大きくしておく必要がある。

【００１１】そこで、レーザ肉盛り加工前のピストンの
うち少なくともそのヘッド側に予め駄肉部を形成してお
くことにより、この駄肉部がピストン母材側の熱容量の
増大に大きく貢献して、必要充分な熱容量を確保するこ
とができる。

【００１２】一方、上記の駄肉部はレーザ肉盛り加工が
終了してしまえばその機能を失うことから、レーザ肉盛
り加工後に機械加工によって上記の駄肉部を切削除去す
る。

【００１３】その結果、上記のレーザ肉盛り加工法によ
って形成されるところの肉盛り層の断面積が従来の鋳鉄
製の耐摩耗性リングよりも小さくなるために、ピストン
のトップランド厚さを必要最小限まで小さくできるとと
もに、ピストン全体の軽量化も併せて達成できるように
なる。

【００１４】請求項２に記載の発明によると、ピストン
のヘッド部側および円筒外周面側のそれぞれにトップラ
ンド部の最終加工径よりも大きな駄肉部が形成されてい
ることから、レーザ肉盛り加工時におけるより一層の熱
容量の増大が図れるようになる。

【００１５】請求項３に記載の発明によると、ピストン
のヘッド部側の駄肉部の肉厚が円筒外周面側の駄肉部の
それよりも予め大きく形成されているため、特にピスト
ンのヘッド部側の熱容量を一段と大きく確保できるよう
になる。

【００１６】上記のようなピストン母材側の熱容量の増
大はレーザ肉盛り加工を行う上できわめて重要な要素で
あり、その熱容量が充分でないと母材側への入熱量が大
きくなり過ぎて、その母材自体が肉盛り層側に溶け込ん
で母材希釈と称される欠陥を生じ、ひどい場合にはその
母材希釈部分で肉盛り層にクラックが発生することがあ
るが、充分な熱容量が増大が図られる上記の各発明では
そのような欠陥の発生を未然に防止できる。

【００１７】請求項４に記載の発明によると、周溝の全
周に肉盛りするための加工を複数回行うことにより、よ
り大きな肉盛り層の厚みを確保できるほか、一回の肉盛
り加工で所定の厚みを得ようとすると、必然的にレーザ
ビームエネルギーも大きくせざるを得ないために、例え
ば母材側の熱容量の小さい部分では粉末の溶融と同時に
母材側までも溶融して、肉盛り層の中に母材質が溶け込
んで上記と同様に母材希釈と称される欠陥が発生するこ
とがあるが、請求項４に記載の発明ではそのような不具
合がなくなる。

【００１８】

【実施例】図３，４は本発明の製造方法によって得られ
たディーゼルエンジン用のピストン１の一例を示す図で
ある。

【００１９】同図に示すように、ピストン１のうちトッ
プリング２（図５参照）が装着される断面矩形状のリン
グ溝３の周囲には銅系合金等からなる耐摩耗性材質層７
が後述するレーザ肉盛り加工法によって一体に形成され
ている。そして、この耐摩耗性材質層７によってリング
溝３に対して必要充分な耐摩耗性が付与されて、特にリ
ング溝３と図５に示したトップリング２との凝着が防止
されるようになっている。なお、６はトップランド部で
ある。

【００２０】次に、上記のような耐摩耗性材質層７を有
するピストン１を製造するための本発明の一実施例を詳
細に説明する。

【００２１】先ず、図２に示すように、ピストン１とな
るべきピストン粗材１１の形状をピストン１の最終加工
形状よりも一回り大きな形状に予め設定しておき、その
ピストン粗材１１の円筒外周面１１ａのうち図３，４の
トップリング用のリング溝３が形成される部分に、その
円周方向に沿って断面略逆台形状の周溝８を予め形成し
ておく。

【００２２】すなわち、上記のピストン粗材１１の形状
として、ピストン１のヘッド部１ｂ側にトップランド部
６の最終加工径よりも大径の所定厚みａ₁の駄肉部９ａ
を予め設定し、かつその駄肉部９ａをピストン１の円筒
外周面１ａ側まで連続させてその円筒外周面１ａ側にも
所定厚みａ₂の駄肉部９ｂを予め設定しておく。この
時、ヘッド部１ｂ側の駄肉部９ａの肉厚ａ₁は、円筒外
周面１ａ側の駄肉部９ｂの肉厚ａ₂よりも大きく設定さ
れている。

【００２３】次に、図１の（Ａ）に示すように、上記の
ピストン粗材１１を水平姿勢にして図示外の治具に位置
決め固定し、周溝８に対して粉末供給ノズル１０から銅
系合金材料の粉末１２を連続供給してその周溝８を粉末
１２で満たしながら、該粉末１２の上からレーザビーム
１３を照射する一方、同時にピストン粗材１１をその軸
心を回転中心として所定速度で回転させてそのピストン
粗材１１とレーザビーム１３とを相対回転させる。

【００２４】これにより、周溝８に盛られた粉末１２を
レーザビームエネルギーにより一旦溶融させた上で固化
させて、周溝８に沿って銅系合金の肉盛り層１４を形成
する。

【００２５】その後、図１の（Ｂ）に示すように、肉盛
り層１４を充分に冷却させた上でピストン粗材１１に機
械加工を施し、駄肉部９ａ，９ｂをそれぞれ切削除去し
てピストン１を所定寸法に仕上げるとともに、肉盛り層
１４に溝加工を施してリング溝３を形成する。

【００２６】これにより、リング溝３の周囲がクラッド
構造のものとなって、図３，４にも示すようにこのリン
グ溝３の周囲に銅系合金の肉盛り層１４たる耐摩耗性材
質層７が形成される。

【００２７】ここで、銅系合金の耐摩耗性材質層７は上
記のように粉末１２を溶融させることによって形成する
方法であるため、ピストン母材であるアルミニウム合金
に対するぬれ性および界面での接合強度が高く、その断
面積としては従来の鋳鉄タイプの耐摩耗性リング４（図
５参照）よりも大幅に小さくて済み、それによってリン
グ溝３からヘッド部１ｂまでの距離であるトップランド
部６の厚さｈ₁も従来よりも大幅に小さくなる。

【００２８】また、上記のようにピストン粗材１１の形
状として駄肉部９ａ，９ｂを予め見込んだ形状とするこ
とは材料歩留まりの上では不利になるものの、耐摩耗性
材質層７の品質向上の上できわめて重要な意味をもつこ
とになる。

【００２９】例えば、上記のようなレーザ肉盛り加工に
際して、駄肉部９ａ，９ｂが全く設定されていなかった
り、あるいは駄肉部９ａ，９ｂが設定してあったとして
も特にヘッド部１ｂ側の駄肉部９ａの径がトップランド
部６の最終加工径よりも小さい場合や、各駄肉部９ａ，
９ｂの肉厚ａ₁，ａ₂がきわめて小さいような場合には、
トップランド部６の熱容量が小さいために、レーザ肉盛
り加工時にピストン母材側への入熱量が大きくなり過ぎ
て、肉盛り層１４となるべき粉末１２の溶融と同時に母
材自体も溶融してそのピストン母材であるアルミニウム
合金が肉盛り層１４側に溶け込んで肉盛り層１４に母材
希釈と称される欠陥が発生する。そして、母材希釈が発
生すると、肉盛り層１４のその部分にクラックが発生し
て不良品となる。

【００３０】その点、上記実施例では、ピストン１のヘ
ッド部１ｂ側および円筒外周面１ａ側にそれぞれ所定厚
みａ₁，ａ₂の駄肉部９ａ，９ｂを予め設定しているため
に、必要充分な熱容量の増大が図れて、上記のような欠
陥を確実に防止できるようになる。

【００３１】本実施例では、図１，２に示すように、Ａ
Ｃ８Ｃ材（ＪＩＳ規格）よりなるアルミニウム合金製の
ピストン粗材１１に予めヘッド部１ｂ側の駄肉部９ａと
円筒外周面１ａ側の駄肉部９ｂとを設定した上、溝底の
幅Ｗ₁が３ｍｍ、溝深さＨ₁が４．７ｍｍ、開先角θが６
０°の断面略逆台形状の周溝８を形成した。上記のヘッ
ド部１ｂ側の駄肉部９ａの肉厚ａ₁は５ｍｍ程度に設定
し、同じく円筒外周面１ａ側の駄肉部９ｂの肉厚ａ₂は
１ｍｍ程度に設定した。

【００３２】次に、上記のピストン粗材１１を水平姿勢
にして、周溝８に対して粉末供給ノズル１０からアルミ
ブロンズの粉末を４５ｇ／ｍｉｎで連続供給しながら
４．０ｋＷのレーザビーム１３を照射し、加工速度０．
６ｍ／ｍｉｎでピストン粗材１１を回転させながら肉盛
り加工を行って肉盛り層１４を形成した。ここで使用さ
れるアルミブロンズの粉末は、例えば、Ａｌ−１０％、
Ｎｉ−５％，Ｆｅ−３％，Ｃｕ−残部、の組成のものと
した。

【００３３】また、前記周溝８の断面形状を略逆台形状
のものとしているのは、その台形状の脚部に相当する周
溝８の側壁面に対して肉盛り加工時にレーザビーム１３
を満遍なく照射して、特にその周溝８の側壁面に相当す
る部分での肉盛り層１４とピストン母材との密着性をよ
くするためである。

【００３４】上記レーザビーム１３は、照射位置での形
状が６ｍｍ×２ｍｍの長方形状となるように光学的処理
を施した上で、その長辺を周溝８の溝幅方向と一致させ
て照射した。

【００３５】上記の肉盛り加工は二回行い、一回目の肉
盛り加工後であって二回目の肉盛り加工開始前に肉盛り
層１４を含むピストン粗材１１全体を充分に冷却させ
た。なお、図１の（Ａ）に示すように一回目にできた肉
盛り層を符号１４ａで示し、二回目にできた肉盛り層を
符号１４ｂで示す。

【００３６】その後、駄肉部９ａ，９ｂをそれぞれ切削
除去してピストン１を所定寸法に仕上げるとともに、残
された肉盛り層１４に溝加工を施して溝幅Ｗ₂が２ｍｍ
で溝深さＨ₂が３．７ｍｍのリング溝３を形成した。こ
れにより、リング溝３の周囲に銅系合金の肉盛り層１４
なる耐摩耗性材質層７を形成した。

【００３７】本発明者が試作を行ったところ、図５に示
した従来のピストン１ではトップランド部６の厚さｈが
１３ｍｍ程度であったものが、本実施例では同一サイズ
のピストン１でトップランド部６の厚さｈ₁が６ｍｍ程
度まで小さくできることが確認できた。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、レーザ
による肉盛り加工前に、ピストンのうち少なくともその
ヘッド部側に予め駄肉部を形成したおき、肉盛り加工後
にこの駄肉部を切削除去するようにしたため、レーザ肉
盛り加工時の熱容量の増大が図れて、ピストン母材との
接合強度の高い必要最小限の大きさの肉盛り層を形成す
ることができ、従来の鋳鉄鋳包みタイプのものと比べて
ピストンの重量を軽減できるとともに、トップランド厚
さを大幅に小さくすることができる。特に、トップラン
ド厚さの縮小化により燃焼室のいわゆるクレビスボリュ
ームを小さくすることができるために、ＨＣ等の排気ガ
スの低減化に大きく貢献できる。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、ピストン
のヘッド部側および円筒外周面側にピストンのトップラ
ンド部の最終加工径よりも大きな駄肉部がそれぞれ形成
されているため、レーザ肉盛り加工時における一層の熱
容量の増大が図れるようになって、特に肉盛り層の母材
希釈あるいはそれに伴うクラックの発生を未然に防止し
て肉盛り層の品質向上に貢献できる。

【００４０】請求項３に記載の発明によれば、ピストン
のヘッド部側の駄肉部の肉厚が円筒外周面側の駄肉部の
肉厚よりも予め大きく形成されているため、特にトップ
ランド部側の熱容量を一段と大きく確保して、肉盛り層
の品質向上に貢献できる利点がある。

【００４１】請求項４に記載の発明によれば、周溝の全
周に肉盛りする肉盛り加工を複数回行うことにより、よ
り大きな肉盛り層の厚みを確保できるほか、所定の厚み
の肉盛り層を一回の肉盛り加工で得る場合と比べて、母
材の溶融によってその母材が肉盛り層側に溶け込む母材
希釈と称される欠陥を未然に防止することができ、肉盛
り加工品質の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法の一実施例を示す図で、
（Ａ）はレーザ肉盛り加工時の要部拡大断面図、（Ｂ）
は機械加工後のリング溝周辺の要部拡大断面図。

【図２】レーザ肉盛り加工前のピストン粗材の要部拡大
断面図。

【図３】本発明の製造方法によって加工されたピストン
の説明図。

【図４】図４の要部拡大断面図。

【図５】従来のピストンの一例を示す要部拡大断面図。

【符号の説明】

１…ピストン １ａ…ヘッド部 １ｂ…円筒外周面 ２…トップリング ３…リング溝 ６…トップランド部 ７…耐摩耗性材質層 ８…周溝 ９ａ，９ｂ…駄肉部 １０…粉末供給ノズル １１…ピストン粗材 １２…粉末 １３…レーザビーム １４，１４ａ，１４ｂ…肉盛り層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム合金よりなるピストンの円
   筒外周面のうちトップリング用のリング溝が形成される
   部分にその円周方向に沿って周溝を形成する工程と、 前記周溝に銅系合金材料の粉末を供給しながらレーザビ
   ームを照射するとともにピストンとレーザビームとを相
   対移動させて、前記粉末を溶融させることにより周溝に
   沿って肉盛り層を形成する工程と、 前記レーザ肉盛り加工後にその肉盛り層に機械加工を施
   してトップリング装着用のリング溝を形成する工程とを
   含み、 前記レーザ肉盛り加工前のピストンのうち少なくともそ
   のヘッド部側に予め駄肉部を形成しておき、前記レーザ
   肉盛り加工後の機械加工によってこの駄肉部を切削除去
   することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
2. 【請求項２】 ピストンのヘッド部側および円筒外周面
   側にピストンのトップランド部の最終加工径よりも大き
   な駄肉部がそれぞれ形成されていることを特徴とする請
   求項１記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
3. 【請求項３】 前記ピストンのヘッド部側の駄肉部が円
   筒外周面側の駄肉部よりも厚肉に形成されていることを
   特徴とする請求項２記載の内燃機関用ピストンの製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記レーザ肉盛り加工は、周溝の全周に
   肉盛り層が形成されるのを一回として複数回行うことを
   特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用
   ピストンの製造方法。