JPS58500571A - ピストンの製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ピストンの製造 本発明は、内燃機関又は圧縮機のためのアルミニラかようなピストンは通常ピス トンブランクから製造され、完成したピストンをピストンブランクから製造する 間にピストンブランクでは種々の形状が機械力０工される。かような形状には、 例えば凹部付クラウン又は皿部、ピストンリングを収容するための溝、又はピＸ ドアに設けるピストンピンホール上又はその周囲の形状を含む。しかし本明細書 で使用する「形状」という語は、前掲の例に限定して解釈してはならない。

本発明の第１の視点によれば、燃焼機関又は往復圧縮機のためのアルミニウム又 はアルミニウム合金材料から成るピストンの製造方法において、レーザ又は電子 ビームを使用することによりピストンの１つ又は複数のエリアを処理し、少な（ とも部分的にピストンの材料から、ピストンの残９の領域に対して機械的性質が 改善されたピストンの１つ又は複数の領域を形成するのである。

前記方法は更に、ピストン形状を前記領域に機械加工して、ピストン形状の表面 の少な（とも一部分〃（前記被処理領域から形成される工つにするステップを、 含むことができる。

凹部付クラウン又はクラウン内の燃焼皿部（ディーゼル機関で使用されることが 多い）を有しかつ凹部又は皿部と半径方向におけるクラウンの外周部分との間に エツジ領域があるピストンでは、ピストンのエツジ領域は、使用中、高温及び大 きい応力にさらされ、その結果ひび割れの生ずることがある。本発明の目的は、 かかる欠点を軽減することにある。

本発明の１つの有利な実施例によれば、凹部付クラウン又はクラウン中の皿部金 有しかつ凹部又は皿部と半径方向におけるクラウンの外周部分との間にエツジ領 域があるピストンの製造方法において、凹部の機械加工前又は機械卵工後のいず れかに、レーザでエツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分を処理 するのである。

処理ステップに細粒化、合金化又は分散強化？含ませることもできる。

本発明の第２の視点によれば、本発明の第１の視点。に基ぐ方法により製造され たピストンが提供される。

以下では、添附図面に言及しつつ、例をあげて本発明のいくつかの実施例につき 詳細に説明する。

第１図は、ピストンの第１の製造方法を示し、第１のピストンの一部分の軸方向 面における断面図である。第２図は、ピストンの第２の製造方法を示し、第２の ピストンの一部分の軸方向面における断面図である。第３図は、ピストンの第３ の製造方法を示し、第３のピストンの一部分の軸方向面における断面図である。

第４図は、ピストンの第４の製造方法を示し、第４のピストンの一部分の軸方向 面における断面図である。第５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄ図は、第１〜第４の方法 に使用される個々のレーザビームの形状を示す。

図面を援用しつつ以下に説明するすべての方法は、内燃機関のためのアルミニウ ム又はアルミニウム合金のピストンに採用され、仕−上げの際は例えばディーゼ ル機関の燃焼皿部等凹部付ピストンクラウンを形成しなければならない。

まず第１図において、第１の方法では、この形式のビ′ストン１０は、ピストン クラウン１２に半球状の凹部１１が形成されるように機械加工される。無論四部 の形状を強いて半球状にする必要はなく、任意の所望の形状にすることができる 。ピストン１０の軸線方向の長さはピストン１０の所望の最終軸線方向長さより 大きい。ピストン１０の軸線方向の長さが所望の最終軸線方向長さを越える超過 分の長さは例えばＩＨである。次いで、ピストンクラウン１２の凹部１１と半径 方向での外周部分１４との間にあるエツジ領域１３は、以下に説明するいくつか の方法のうちの１つの方法で、レーザビームにより処理され、細粒化される。こ の細粒化により、エツジ領域は変形され、レーザによる処理前に存在するピスト ン１０の前記超過分の長さはこのつぶれに適合するように調整されている。次い でピストン１０の仕上げの機械加工が行なわれる。

次に第２図、でおいて、第２の方法では、既述の形式のピストン２０ｖ′ｉ、、 ピストンクラウン２２に四部を形成することなしに慎ｗｉ、加工される。ピスト ンの軸線方向の長さはピストン２０の所望の最終ｌ１１］鈑方向長さと比べさ程 大きくはない。四部を磯１減加工した場合にピストンクラウン２２のこの凹部と 半径方向での外周部分２４との間のエツジ領域を形成すべきピストンクラウンの 部分は、次いで、以下に説明するいくつかの方法のうちの１つの方法で、レーザ ビームにより処理され、エツジ領域となるべき部分が細粒化される。次いでピス トン２０は仕上げの機械加工が行なわれ、凹部２１と周辺部分２４との間に細粒 化されたエツジ領域２３をともなう半球状の凹部２１が形成される。

次に第３図において、第３の方法では、既述の形式のピストン３ｏは、ピストン クラウン３２に凹入する凹部３１が形成されるように機械加工される。凹部３１ と半径方向での外周部分３４との間のエツジ領域３３は、凹部３１の上方に突き 出ており、所望の最終位置の軸線方向における前方に突出するように形成される 。次いでエツジ領域３３は、以下に説明するいくつかの方法のうちの１つの方法 で、レーザビームにより処理され、細粒化される。レーザビームは領域３３．の エツジそのものに向けて指向される訳ではなく、エツジの若干内側に向けて指向 され、これにより領域からの熱伝４を改善している。細粒化により、オーバハン グのエツジ領域３３は変形され、エツジ領域３３の前方突出部は、レーザ処理前 では、この変形に適合するように設計されている。従ってレーザ処理後はエツジ 領域は所望の最終位置にあることになる。次いでピストンの仕上げの機械７１０ 工が行なわれる。

次に第４図において、第４の方法では、既述の形式のピストン４０は、ピストン クラウン４２に凹部を形成しないで機械加工される。ピストンの軸線方向の長さ は、ピストンの所望の最終軸線方向長さに比べさほど大きくはない。四部を機械 加工した場合にピストンクラウン４２のこの凹部と半径方向でのピストンクラウ ン４２の外周部分４４との間にあるエツジ領域を形成すべきピストンクラウンの 部分は、次いで、以下で説明したいくつかの方法のうちの１つの方法で、レーザ ビームにより処理され、エツジ領域になるべき部分が細粒化される。次いでピス トン４０は仕上げの機械加工がなされ、四部４１と周辺部分４４との間の細粒化 エツジ領域４３ｆｔともなう凹入した凹部４１が形成される。

次にレーザ処理の方法について説明する。いずれの場合にも出力５ＫＷｆｆｌ続 波ＣＯ２レーザを使用することができる。但しｌ　ＫＷの定格で有効な結果を達 成しつる。レーザ処理の前に、処理すべき表面を、表面によるレーザビームの吸 収率を増大させる物質で、コーティングすることができる。そのための適当な物 質としてクロム物質又は燐酸亜鉛又はつや消し黒色ペイント若しくはコロイド黒 鉛がある。

第１の処理では（第５Ａ図参照）、レーザは集束されずに、幅約１０１１のビー ムがピストンの軸線に対し平行に指向されて、エツジ領域又はエツジ領域となる べき部分に達する。ビームは１回だけエツジ領域を通過する。第２の処理は（第 ５Ｂ図参照）第１の処理と同様であるが、ビームは集束されて、細粒化のより狭 い領域を形成する。

第３の処理（第５Ｃ図）は第１の処理及び第２の処理と同様であるが、ビームは エツジ領域の周囲に複数の通路を並べて形成し、エツジ領域の幅が増大する。

第５の処理（第５Ｄ図）では、レーザビームは集束されてラスク化され、ピスト ンの軸線に平行に指向され、エツジ領域又はエツジ領域となるべき部分に達する 。この処理は、被処理領域及び細粒化深度に対し最大の調整を与え、ラスク化さ れたビームにより掃引される領域にわたり、実質上平坦なエネルギー分布を形成 する。

以上図面ケ用いて説明したレーザ処理は以下の原理に基ぐ。鋳造アルミニウム又 はアルミニウム合金材料は、材料の摩耗特性、疲れ強さ及び耐食性を変えるサイ ズのグレンを含む。かような材料から鋳造したピストンの多くのエリヤでは、こ のような弱さはと９たてて問題にはならない。何故なら、このように摩耗特性、 疲れ強さ及び耐食性のレベルが低下しても、これらのレベルを越えることはない からである。しかしピストンクラウンに形成される四部とピストンクラウンの外 周部分との間のエツジ領域は、エツジ領域でのグレンサイズが鋳造されたままの 状態にあるときは、エツジ領域の損傷を生せしめるおそれのある条件の下で動作 することになる。

レーザ処理により、このエツジ領域は溶融され、物質は過熱法に従い加熱される 。加熱が終れば、ピストンの残りの部分は、実質上無限のヒートシンクとして作 用し、か（て浴融された領域はすみやかに冷却される。その結果大きい核の形成 が阻止され、かようにしてより小さいグレンサイズの細粒化構造が生じ、耐摩耗 性、強度、疲れ強さ及び耐食性が増大する。

あるいは、図示してない他の方法によれば、凹部付クラウンのエツジ領域又はエ ツジ領域音形成すべきピストンの部分の機械的性質を、レーザでエツジ領域又は エツジ領域を形成すべきピストンの部分を合金化するか又は分散強化することに より、改善することができる。このレーザ合金化法では、例えばマンガン等の合 金材料を、エツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分に、粉又はス ラリ若しぐはワイヤの状態で加える。分散強化法では、アルミナ等の適当な分散 強化材料を、類似の方法で、エツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの 部分に加える。レーザは、いずれの場合にも、材料上に照射され、材料及びその 下側のピストン材料の双方を溶融する。

溶融した材料及びピストン材料は混合され、合金材料の場合には合金が形成され 、分散強化材料の場合にはピストン材料中に材料の分散が形成される。ピストン は溶融材料に対しほとんど無限のヒートシンクとして作用するので、溶融材料は すみやかに冷却される。

合金化された又は分散強化されたエツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピスト ンの部分の深度は、レーザ出力及びエツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピス トンの部分にレーザを照射する時間により定まる。

レーザによる合金化法及び分散強化法は、第１図〜第４図に図示した種類のピス トンに採用することができ、そしてピストンは図面を参照して既に説明したいず れかの方法により仕上りの機械加工がなされる。

これに類似せるレーザにょる細粒化、合金化又は分散強化法を採用して、ピスト ンピンホールエリア等ノビストンの他の部分の性質を改善することが可能であり 、かような改善法も本発明の保護″範囲に含まれる。

なお本発明の図示した実施例ではレーザを使用しているが、必要となる集中エネ ルギ源は電子ビームで発生するとともできる。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）昭和５７年１２月２ｑ日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、　国際出願番号 ＰＣＴ　／　ＧＢ　８２　／　００１２４ピストンの製造 ３、　特許出願人 住所　イギリス国　ウォーウィックシャ−７−ヴイ２２７エスビーラグビー　コ ーストン　Ｃ番地なし）　コーストンハウス名　称　ニーイー　ピーエルンー 代表者　ハントン、ディヴイッド　ノゾソン国籍　イギリス国 請求の範囲 １　凹部付クラウン又はクラウン中の皿部を有しかつ四部又は皿部と半径方向で のクラウンの外周部分との間にエツジ領域がある、燃焼機関又は往復圧縮機のた めのアルミニウム又はアルミニウム合金材料から成るピストンの製造方法におい て、凹部の機械加工の前又は機械加工の後のいずれかに、レーザ又は電子ビーム により、エツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分を合金化又は分 散強化するステップを設けたことを特徴とするピストン製造方法。

２　レーザ又は電子ビームによる合金化方法全使用する場合において、機関シリ ンダ内での動作条件に対しピストン材料に比べ抵抗力のある合金をピストン材料 と共に形成する合金材料を、エツジ領域又はエツジ領域全形成すべきピストンの 部分に加え、次いで合金材料及び合金相料の下側にあるピストン材料をレーザ又 は電子ビームで加熱し、エツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分 の周囲に延在する輪状の合金領域を形成することを特徴とする請求の範囲第１項 記載のピストン製造方法。

３　合金材料金粉又はスラリ若しくはワイヤの状態で加えることを特徴とする請 求の範囲第２項記載のピストン製造方法。

４　電気メッキ又は無電解メッキによりピストン上に合金材料を配置することを 特徴とする請求の範囲第２項記載のピストン製造方法。

５、　レーザ又は電子ビームによる分散強化を処理に含ませることを特徴とする 請求の範囲第１項記載のピストン製造方法。

６　ピストン材料中に分散することにより機関シリンダ内での動作条件に対しピ ストン材料エフも抵抗力のある合成物を形成する分散強化材料を、前記１つ又は 複数のエリアに加えるステップと、次いで分散強化材料及び分散強化材料の下側 にあるピストン材料をレーザ又は電子ビームにより加熱し、前記分散強化材料が 分散したピストン材料の輪状領域を形成するステップとを設けたことを特徴とす る請求の範囲第５項記載のピストン製造方法。

７　処理ステップの実行前に機械加ニステップを実行するステップを設け、ピス トンを機械力Ｖ工して、処理ステップによるピストンの寸法の変化を許容するに 充分な程度に処理後のピストンの所要寸法とは異なっている寸法をもった凹部付 クラウンを製造することを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のうちいずれか １項に記載のピストン製造方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　燃焼機関又は往復圧縮機のためのアルミニウム又はアルミニウム合金材料か らなるピストンＰ製造方法において、レーザ又は電子ビームを使用してピストン の１つ又は複数のエリアを処理し、少なくとも部分的にピストンの材料から、ピ ストンの残りの領域に対して改善−された機械的性質を持つピストンの１つ又は 複数の領域を形成することを特徴とするピストン製造方法。 ２　ピストン形状を前記領域に機械加工するステップを有し、ピストン形状の表 面の少なくとも１部分を前記被処理領域により形成する請求の範囲第１項記載の ピストン製造方法。 ３　凹部付クラウン又はクラウン中の皿部を有しかつ凹部又は皿部と半径方向で のクラウンの外周部分との間にエツジ領域があるピストンの製造方法において、 凹部の機械加工前又は機械加工後のいずれかに、レーザ又は電子ビームで、エツ ジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分全処理することを特徴とする 請求の範囲第１項又は第２項記載のピストン製造方法。 ４　処理ステップ前に機械加ニステップを実行し、ピストンを機械加工して、処 理ステップによるピストンの寸法の変化を許容するに充分な程度に処理後のピス トンの所要寸法とは異なっている寸法をもった凹部付クラウンを製造することを 特徴とする請求の範囲第３項記載のピストン製造方法。 ５　レーザによる細粒化が処理に含まれることを特徴とする請求の範囲第１項〜 第４項のうちいずれか１項に記載のピストン製造方法。 ６、　レーザ又は電子ビームの非集束化又は集束化のステップと、レーザ又は電 子ビームを一度前記１つ又は複数のエリアの周囲を通過させて１つ又は複数の細 粒化領域を形成するステップとを設けたことを特徴とする請求の範囲第５項記載 のピストン製造方法７　レーザ又は電子ビームを非集束化するステップと、前記 １つ又は複数のエリアの周囲で複数回にわたりビーム全通して１つ又は複数の細 粒化領域を形成するステップとを設けたことを特徴とする請求の範囲第６項記載 のピストン製造方法。 ８　レーザ又は電子ビームを集束化してラスク化するステップと、前記１つ又は 複数のエリアの周囲でビームを通して１つ又は複数の細粒化領域を形成するステ ップとを設けたことを特徴とする請求の範囲第６項記載のピストン製造方法。 ９　細粒化ステップを実行する前に、前記１つ又は複数のエリアをコーティング するステップを設け、コーティングされた領域によるレーザビーム吸収塵が増大 するようにコーティングすることを特徴とする１１ 請求の範囲第５項〜第８項のうちいずれか１項に記載のピストン製造方法。 １０　コーティングを、クロム物質又は燐酸亜鉛又はつや消し黒色ペイント若し くはコロイド黒鉛にｘ９行なうことを特徴とする請求の範囲第９項記載のピスト ン製造方法。 １１　レーザ又は電子ビームによる合金化を処理に含ませる仁とを特徴とする請 求の範囲第１項〜第４項のうちいずれか１項に記載のピストン製造方法。 １２　機関シリンダ内での動作条件に対しピストン材料よりもより抵抗力のある 合金をピストン材料と共に形成する合金材料を、エツジ領域又はエツジ領域を形 成すべきピストンの部分に加え、次いで前記合金材料及び合金材料の下側にある ピストン材料をレーザ又は電子ビームで加熱し、エツジ領域又はエツジ領域を形 成すべきピストンの部分の周囲に延在する輪状の合金領域を形成すること全特徴 とする請求の範囲第１１項記載のピストン製造方法。 １３　合金材料を粉又はスラリ若しくはワイヤの状態で加えることを特徴とする 請求の範囲第１２項記載のピストン製造方法。 １４　電気メッキ又は無電解メッキによりピストン上に合金材料を配置すること を特徴とする請求の範囲第１２項記載のピストン製造方法。 １５、レーザ又は電子ビームによる分散強化が処理に含竹表昭５８−５００５７ １　（２ン まれることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のうちいずれか１項に記載の ピストン製造方法。 １６　ピストン材料中に分散するととにより機関シリンダ内での動作条件に対し てピストン材料よりも抵抗力のある合成物を形成する分散強化材料？、前記１つ 又は複数のエリアに加えるステップと、次いで分散強化材料及び分散強化材料の 下側にあるピストン材料をレーザ又は電子ビームにより加熱し、前記分散強化材 料が分散したピストン材料の輪状領域を形成するステップとを設けたことを特徴 とする請求の範囲第１５項記載のピストン製造方法。 １７　請求の範囲第１項〜第１５項のうちいずれか１項に記載のピストン製造方 法により製造されたピストン。