JPH11216537A - ピストンの消失性模型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分割ピースの分割面位置を最適に定められ、
分割式消失性模型を可能とし、ロストフォーム工法によ
る鋳鉄製ピストンを製造可能とする。 【解決手段】 本発明は、ロストフォーム工法による内
燃機関のピストン１鋳造に用いられ、ピストン頂部中央
の燃焼室２及び燃焼室２の径方向外側に位置する冷却空
洞７をそれぞれ象った消失性模型１ａであって、複数の
分割ピース２１，２２，２３を貼着して構成し、その分
割面２４を、上記冷却空洞７の径方向内側且つ上記燃焼
室２の最大径となる高さ位置に設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロストフォーム工
法による内燃機関のピストン鋳造に用いられるピストン
の消失性模型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ディーゼルエンジン用鋳鉄製ピ
ストンは図８に示すように構成されている。即ち、ピス
トン頂部中央が軸方向下方に窪まされて燃焼室ａが形成
され、燃焼室ａの径方向外側には隔壁ｂを隔てて冷却空
洞ｃが設けられている。冷却空洞ｃは内部にオイル等を
通過させて燃焼室ａ周辺を冷却するためのもので、図外
の部分に下方に開放するオイル入口及び出口孔が複数形
成されている。冷却空洞ｃの径方向外側にはリング溝ｄ
が形成される。

【０００３】ところで、鋳鉄製ピストンは、アルミ製ピ
ストンに比べ熱伝導率が低いため、特に燃焼室やリング
溝の周辺において温度が上がり易い。このため、燃焼温
度上昇によるNOx 悪化や、ピストンリングの膠着（ステ
ィック）といった問題が起こり易い。

【０００４】一方、鋳鉄の比重(7.4g/cc) がアルミ(2.7
g/cc) に比べ大きいため、鋳鉄製ピストンを採用する場
合は軽量化が問題となる。軽量化を推進するためには各
部を細かく肉盗み（肉取り）する必要があるが、通常の
砂型鋳造法だと砂の保形強度が弱く細かい突起等が作れ
ない。よって形状自由度に限界があり、軽量化が難し
い。この理由のため、鋳鉄製ピストンは船舶用、鉄道
用、大型自動車用等の限られた範囲内でしか用いられて
いないのが現状である。

【０００５】そこで、ロストフォーム工法（フルモール
ド工法、消失模型鋳造法ともいう）といわれる鋳造法を
用いて鋳鉄製ピストンを製造することが考えられる。こ
れは図９に示すように、発泡スチロール等の発泡合成樹
脂で消失性模型ｅを作り、その模型ｅを鋳物砂ｆ（ドラ
イサンド、無粘結砂）中に埋め込んで鋳型とし、直接そ
れに注湯して溶湯ｇを置換させて凝固させ、模型形状そ
のままの鋳物を得る工法である。これによれば、消失性
模型ｅが成形容易なので複雑形状が作りやすく、軽量ピ
ストンの鋳造が容易となる。

【０００６】一方、上記鋳型を造形する際には、消失性
模型ｅ内部の狭い空間等にも鋳物砂ｆを高密度かつ均一
に充填する必要があるため、図１０に示すような振動充
填装置を用いる。これは、基盤ｈ上にバネｉを介して揺
動自在に設けられたフラスコｊに、消失性模型ｅ及び注
湯管ｋを配置し、その後鋳物砂ｆを収容し、フラスコｊ
をアンバランスウェイト付きの加振モータｌで振動（こ
こでは円振動）させるものである。こうするとフラスコ
ｊが強制的に振動され、内部の鋳物砂ｆが円振動されて
消失性模型ｅ内部にも高密度かつ均一に充填される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この工法を
用いる場合、消失性模型は当然にピストンを象ったもの
となるが、ピストンには閉空間としての冷却空洞があ
り、これの造形が問題となる。通常の砂型鋳造法だと冷
却空洞と同形状の中子を用い、鋳造後にオイル入口及び
出口孔を通じて熱により崩壊した中子を取り出す。しか
し、造形、強度上の制約から複雑な形状が形成できず、
設計上の自由度がない。

【０００８】一方、ロストフォーム工法では、消失性模
型を成形できればどんな形状でも形成できる。よって冷
却空洞の造形に際しては、消失性模型を冷却空洞のある
位置で分割し、後から接着等により一体化することが考
えられる。こうすれば、各分割ピースにおいて冷却空洞
の部分が外部に開放し、成形可能となる。そして冷却空
洞を各分割ピースに対し部分的に或いは分割して成形で
きるため、各分割ピースを貼着することにより、閉空間
としての冷却空洞の全体を造形でき、これによって消失
性模型の製造が可能となる。

【０００９】ところが、こんどは冷却空洞の形状と分割
ピースの分割面位置との関係が問題となってくる。一般
的な砂型において、図１１に示すような通常の中子ｍの
場合、成形型ｎを上下に割って中子を取り出し成形でき
る。しかし、図１２に示すような二つのオーバーハング
ｏを有する中子ｍだと、図示する分割面ｐ位置では型ｎ
が上下に割れず中子ｍを取り出すことができない。この
ような理由により、一般的な砂型鋳造では複雑な形状の
冷却空洞を成形するのが困難となっている。消失性模型
においても分割ピースの分割面位置は冷却空洞の形状と
密接な関係があり、これを最適に定めなければ分割式消
失性模型が成立しない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロストフォー
ム工法による内燃機関のピストン鋳造に用いられ、ピス
トン頂部中央の燃焼室及び燃焼室の径方向外側に位置す
る冷却空洞をそれぞれ象った消失性模型であって、複数
の分割ピースを貼着して構成し、その分割面を、上記冷
却空洞の径方向内側且つ上記燃焼室の最大径となる高さ
位置に設けたものである。

【００１１】なお、上記分割面が、上記冷却空洞の径方
向外側且つ上記冷却空洞の最大外径となる高さ位置にも
設けられるのが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【００１３】図１は本発明の一実施形態を示し、(a) 図
に製造後のピストンを、(b) 図にそのピストンの消失性
模型を示してある。ピストン１は、内燃機関特にディー
ゼルエンジンのピストンで、前述のロストフォーム工法
により製造される鋳鉄品である。消失性模型１ａはこの
ピストン１を象ったもので、発泡スチロール等の発泡合
成樹脂により形成されている。以下、消失性模型１ａの
うちピストン１と同様の部分については、同一名称を用
いると共に同一数字に「ａ」を付した符号を用い、説明
を簡略化する。

【００１４】ピストン１は、その頂部中央を軸方向下方
に窪ませてなるリエントラント形燃焼室２を有する。即
ち燃焼室２においては、側壁上部３がピストンと同軸の
円筒状に形成され、側壁下部と底壁外周部とがなすコー
ナー部４が、断面円形に形成されて側壁上部３に対し径
方向外側に膨出されている。このコーナー部４は一定厚
さのコーナー区画壁６によって区画されている。コーナ
ー区画壁６の径方向内側に連続して底壁中央部５が形成
され、底壁中央部５はピストン中心位置が最大高さとな
るよう山形に突出されている。底壁中央部５の厚さは略
一定だが、中心側に至るほど僅かずつ増厚される。

【００１５】燃焼室２の径方向外側にはコーナー区画壁
６を隔てて冷却空洞７が設けられている。冷却空洞７
は、前述したように、内部にオイル等を通過させて燃焼
室２やリング溝１２周辺を冷却するためのものである。
冷却空洞７は図外の位置に下方に開放するオイル入口及
び出口孔を複数有する。コーナー区画壁６が一定厚さで
あるため、冷却空洞７の径方向内側の内側壁８もコーナ
ー部４の形状に沿った円弧状とされる。これにより、冷
却空洞７の径方向内側且つ上部及び下部には、径方向内
側にそれぞれ膨出するオーバーハング部９，１０が形成
されることとなる。他方、冷却空洞７の径方向外側の側
壁１１はピストン軸方向に沿う直線状に形成されてい
る。この側壁１１にピストンリングを装着するためのリ
ング溝１２が形成される。冷却空洞７の下端位置は燃焼
室２（コーナー部４）の下端位置より下げられる。また
冷却空洞７の各角部はアール状に形成されている。

【００１６】燃焼室２の下方にピストンピンボス１３が
形成され、ピストンピンボス１３とコーナー区画壁６の
下端部とを連結してピストンピンボスリブ１４が形成さ
れる。コーナー区画壁６とピストンピンボスリブ１４と
の連結部の径方向外側に隣接して、冷却空洞７の底壁１
５が斜め下方からコーナー区画壁６に接続されている。
１６はスカート部である。

【００１７】このピストン１を象った消失性模型１ａ
は、ここでは三つの分割ピース、即ち上部ピース２１、
中部ピース２２及び下部ピース２３をそれぞれ接着剤等
により貼着して構成されている。

【００１８】上部ピース２１と中部ピース２２との分割
面２４は、燃焼室２ａの最大径となる高さ位置、即ちコ
ーナー区画壁６ａの最大外径Ｄ₁ となる高さ位置に、ピ
ストン軸方向と垂直に沿って設けられている。これによ
り上部ピース２１と中部ピース２２とは、コーナー区画
壁６ａを上下半分に割るように分割されることになる。

【００１９】また、上部ピース２１と下部ピース２３と
の分割面２５は、冷却空洞７ａの径方向外側且つ上方の
角部のアール部直下の高さ位置に、ピストン軸方向と垂
直に沿って設けられている。これにより上部ピース２１
と下部ピース２３とは、冷却空洞７ａの径方向外側の側
壁１１ａを、冷却空洞７ａの上端位置より僅かに下の位
置で上下に割るようになる。

【００２０】また、中部ピース２２と下部ピース２３と
の分割面２６は、コーナー区画壁６ａとピストンピンボ
スリブ１４ａとの連結位置にピストン軸方向と垂直に沿
って設けられた水平部２７と、コーナー区画壁６ａと冷
却空洞７ａの底壁１５ａとの連結位置に水平部２７に対
し傾斜して設けられた傾斜部２８とから連続してなる。
つまり分割面２６においては、水平部２７の周縁部に、
水平部２７から斜め上方に折曲されたような格好で傾斜
部２８が形成されることになる。

【００２１】さて、この消失性模型１ａの製造方法とし
ては、図４、図５に示すような分割式の模型成形用成形
型２９，４０，４１及び３０，４２を用い、各ピース２
１，２２，２３を別々に作った後、これらを接着剤で接
着する方法が採られる。各ピース２１，２２，２３は発
泡合成樹脂製なので、型内に母材としてのビーズを入
れ、ビーズを溶融発泡させて成形することになる。成形
型２９…にはここではアルミ鋳物が用いられる。

【００２２】図４に示す成形型２９は、上部ピース２
１、特に冷却空洞７ａの上半分側を造形するためのもの
で、径方向内側且つ上方にオーバーハング部９ａに対応
したオーバーハング９ｂが形成されている。図１２に示
した中子と異なり、オーバーハングが一つとなるので、
上部ピース２１の成型後に、成形型２９を矢示方向から
抜くことができる。これは分割面２４，２５の位置が上
述のように定められているからである。ここで成形型２
９は図６に示すように周方向に複数分割（ここでは等間
隔の４分割）され、径方向外側への抜き出しが可能とな
っている。こうしてかかる成形型２９，４０，４１を用
いて上部ピース２１を製造できることとなる。

【００２３】図５に示す成形型３０は、下部ピース２
３、特に冷却空洞７ａの下半分側を造形するためのもの
で、径方向内側且つ下方にオーバーハング部１０ａに対
応したオーバーハング１０ｂが形成されている。ここで
も分割面２４，２６の位置が上述のように定められてい
るので、成形型３０，４２をピース成型後に上下方向に
抜くことができる。

【００２４】即ち、中部ピース２２単体の製造時には、
冷却空洞７ａの部分が外周に位置するため、その造形が
問題とならない。一方、中部ピース２２と下部ピース２
３とが分割面２６の傾斜部２８で分割可能なので、中部
ピース２２なしで下部ピース２３のみ単体で製造でき、
成形型３０を下部ピース２３成形後、矢示方向から抜く
ことができる。ここでも成形型３０は図６に示すように
周方向に複数分割（ここでは等間隔の４分割）されるの
で、成形型３０の抜き出しは容易である。こうしてかか
る成形型３０，４２を用い、下部ピース２３の製造が可
能となる。

【００２５】このように各ピース２１，２２，２３を作
った後、これらを接着すれば消失性模型１ａが出来上が
る。よってこれを用いてロストフォーム工法により鋳物
を作り、加工成形を行えば図１(a) に示すような鋳鉄製
ピストン１ができ上がる。

【００２６】このピストン１においては、特に上下にオ
ーバーハング部９，１０を有する冷却空洞７を設けた点
が特徴である。つまり燃焼室２の形状に沿って、燃焼室
２の上下で肉盗みを行い軽量化、冷却促進を図ってい
る。一方、消失性模型１ａにおいて、燃焼室２ａの最大
径となる高さ位置に分割面２４を設ければ、冷却空洞７
ａ特にオーバーハング部９ａ，１０ａを分割し、成形型
２９，３０で造形可能となる。このようにして細かい肉
盗みが行えるようになるので、軽量の鋳鉄製ピストンが
製造できるようになる。

【００２７】なお、通常の砂型工法において上記冷却空
洞７に相当する砂中子を製造する場合、砂中子は型内で
作ることになるが、このとき上述のオーバーハング部
９，１０があることから、型から砂中子を取り出すこと
ができず成形不可能である。そこで砂中子を分割式と
し、後に接合する方法もあるが、生産性が悪く、試作に
のみ用いられるだけで量産には適用できない。

【００２８】次に、図２に他の実施の形態を示す。図１
同様、(a) 図はピストン１、(b) 図は消失性模型１ａを
示す。これにおいては、冷却空洞７がいわゆるオープン
構造とされ、即ち、冷却空洞７の底壁１５とコーナー区
画壁６とが小間隔だけ隔てられ、これにより開放部３１
が形成され、冷却空洞７の径方向内側且つ下方のコーナ
ー部が全周開放されている。よって底壁１５は側壁１１
から径方向内側に舌状にせり出す格好とされる。他の構
成については前記同様である。

【００２９】このピストン１によれば、さらなる肉盗み
により一層の軽量化、冷却促進が図られる。

【００３０】ここで、開放部３１を造形するためには前
記成形型３０，４２の形状変更を行えばよい。このよう
に本案は細かい肉盗みが可能で、形状自由度に極めて優
れる。

【００３１】なお、従来の砂中子だと開放部３１の造形
のために突起を設ける必要があるが、このような小突起
は欠落する虞があるので実現不可能である。またフルオ
ープン構造の冷却空洞もあるが、これに比べ本案は、空
洞内にオイルを保持し、落下を抑制して冷却効率を高め
られる点で有利である。

【００３２】図３に示す他の実施の形態においては、前
記開放部３１と共に、冷却空洞７の径方向外側に冷却溝
３２が設けられ、一層の軽量化、冷却促進が図られてい
る。冷却溝３２は、トップリング溝３３とセカンドリン
グ溝３４の間のやや前者寄りの高さ位置に設けられてい
る。そして消失性模型１ａにおいては、冷却溝３２ａの
径方向外側の頂点、即ち冷却空洞７ａの最大外径となる
高さ位置に、上部ピース２１と下部ピース２３との分割
面２５が設けられる。この冷却溝３２ａの造形について
も前記成形型２９に小突起を設けるようにすればよい。
他の構成については前記同様である。

【００３３】このピストン１によれば、ピストンリング
溝３３，３４の周囲の冷却を促進し、ピストンリングの
膠着（スティック）を防止できる。また、図７に示すよ
うなムダ容積３５を最小にできる利点もある。即ち、こ
のムダ容積３５の空気は何等燃焼に使われないものであ
るが、従来の構造だと温度上昇を抑えるため、トップリ
ング溝３３（トップリング３６）の位置をある程度下げ
なければならず、ムダ容積３５の狭小化に限界があっ
た。しかし、本案の場合はリング溝周辺の冷却効率が高
いので、トップリング溝３３（トップリング３６）の位
置を上げることができ、これによって排ガスや燃費の悪
化を防止することができる。

【００３４】このように、本発明によれば、分割ピース
の分割面位置と冷却空洞との関係が最適に定められるの
で、成形型の抜き出し及び分割式消失性模型を可能と
し、ロストフォーム工法による鋳鉄製ピストンを製造可
能とすることができる。これにより、従来の砂型鋳造で
できない複雑形状の冷却空洞構造が実現でき、大いなる
軽量化が図られると共に、リング溝、燃焼室周りの冷却
効果を向上し、トップランドの最小化、燃焼室形状の設
計自由度増大等を図れ、ひいては排ガス抑制、燃費向上
等が図れる。また、強度上不要な肉を排除したオープン
構造が可能であり、従来の砂型鋳造では達し得ない軽量
化が可能である。さらに、形状自由度の増大により各部
の肉厚を均一にでき、鋳造欠陥の抑制、組織の安定化等
も図れる。

【００３５】以上、本発明の実施の形態は他にも種々考
えられる。例えば冷却空洞や燃焼室の形状は上記に限定
されない。

【００３６】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３７】（１） 分割ピースの分割面位置を最適に
定められ、分割式消失性模型を可能とし、ロストフォー
ム工法による鋳鉄製ピストンを製造可能とすることがで
きる。

【００３８】（２） 従来の砂型鋳造でできない複雑形
状の冷却空洞構造が実現でき、軽量化、冷却向上等が図
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示し、(a) 図はピスト
ン、(b) 図は消失性模型を示す縦断正面図である。

【図２】本発明の他の実施の形態を示し、(a) 図はピス
トン、(b) 図は消失性模型を示す縦断正面図である。

【図３】本発明の他の実施の形態を示し、(a) 図はピス
トン、(b) 図は消失性模型を示す縦断正面図である。

【図４】上部ピースの成形方法を説明するための縦断正
面図である。

【図５】下部ピースの成形方法を説明するための縦断正
面図である。

【図６】成形型を示す平面図である。

【図７】ムダ容積を示す概略正面図である。

【図８】従来の鋳鉄製ピストンを示す縦断正面図であ
る。

【図９】ロストフォーム工法によるピストン鋳造方法を
説明するための図である。

【図１０】振動充填装置を示す図である。

【図１１】従来の中子の抜き出しに関する説明のための
図である。

【図１２】従来の中子の抜き出しに関する説明のための
図である。

【符号の説明】

１ ピストン １ａ 消失性模型 ２ 燃焼室 ７ 冷却空洞 ２１ 上部ピース ２２ 中部ピース ２３ 下部ピース ２４，２５，２６ 分割面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロストフォーム工法による内燃機関のピ
   ストン鋳造に用いられ、ピストン頂部中央の燃焼室及び
   燃焼室の径方向外側に位置する冷却空洞をそれぞれ象っ
   た消失性模型であって、複数の分割ピースを貼着して構
   成し、その分割面を、上記冷却空洞の径方向内側且つ上
   記燃焼室の最大径となる高さ位置に設けたことを特徴と
   するピストンの消失性模型。
2. 【請求項２】 上記分割面が、上記冷却空洞の径方向外
   側且つ上記冷却空洞の最大外径となる高さ位置にも設け
   られた請求項１記載のピストンの消失性模型。