KR20120018775A - 내연기관용 피스톤 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 내연기관용 피스톤 - Google Patents

내연기관용 피스톤 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 내연기관용 피스톤 Download PDF

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피터 괴델
마르크-마누엘 마츠
볼프람 크롬
클라우스 라데스
프랑크 도르넨버그
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페데랄-모굴 뉘른베르크 게엠바하
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Abstract

본 발명은 내연기관용 피스톤 제조 방법에 관한 것으로서, 완성된 피스톤에서 냉각 덕트(14) 및 피스톤 그루브(20)를 포함하는 영역이 먼저 리세스되고, 그 다음 이후의 냉각 덕트가 커버되고, 최종적으로 피스톤 링을 수용하기 위한 재료가 도포되고, 이후의 냉각 덕트는 단일 피스톤에 필요한 길이보다 더 긴 길이로 제공되는 와이어 재료에 의해 커버되는 것을 특징으로 한다. 내연기관용 피스톤 제조 장치는, 먼저 리세스되는 영역으로서, 완성된 피스톤에서 냉각 덕트(14) 및 피스톤 그루브를 포함하는 영역을 구비하고, 상기 냉각 덕트 상에 커버를 부착하기 위한 부착 장치, 및 단일 피스톤에 필요한 길이보다 더 긴 길이를 가지는 와이어 재료를 제공하기 위한 와이어 재료 제공장치를 포함한다. 내연기관용 피스톤은, 냉각 덕트(14) 및 피스톤 링을 수용하기 위한 강화 재료뿐만 아니라, 상기 냉각 덕트(14)와 상기 강화 재료 사이의 커버 재료를 포함하고, 상기 커버 재료는 롤로부터 연속적으로 권출되는 와이어 재료로 제조된다.

Description

내연기관용 피스톤 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 내연기관용 피스톤{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관용 피스톤 제조 방법 및 제조 장치, 그리고 내연기관용 피스톤에 관한 것이다.
디젤 엔진용으로 만들어질 때, 내연기관용 피스톤의 거의 100퍼센트는 중력 다이 캐스트(gravity die casting)에 의해서 생산된다. 이는 또한 오토(Otto) 엔진용 피스톤의 상당 비율에 적용된다. 더 소형으로 그러나 동시에 더 효율적인 엔진 개발 체제에서, 더 큰 압축 응력이 발생한다. 이것은 제1 피스톤 링 및 제1 피스톤 링이 수용되는 피스톤의 제1 링 그루브(groove)에 대한 상당한 응력을 의미한다. 특히, 피스톤 및 피스톤 링의 수명을 증가시키고 작동 특성을 향상시키기 위하여 미래에는 오토 엔진용 고응력 피스톤에 내마모 강화가 제공되어야 할 것이다.
오토 엔진 피스톤 분야에서 이전에 사용된 사항들은, 제1 링 그루브에서 높은 표면 압력과 마모 응력을 견디기 위하여, 고응력 제1 링 그루브가 전기적으로 도포된 산화 알루미늄층으로 국부적으로 강화되는 것으로 알려져 있다.
디젤 엔진 피스톤에서 이것은 이미 표준이고, 일체형으로 링 캐리어를 주조하기 위하여 점점 오토 엔진 피스톤에 대한 요구사항으로 될 수 있었다. 그러나 기술적 관점에서 이것은 매우 복잡하다. 게다가, 논의가 되고 있는 분야에서, 냉각 덕트와 결합되는 링 캐리어를 수동으로 금형 내로 삽입하기 위하여, 특히, 디젤 엔진 피스톤이 일반적으로 냉각 덕트를 가지는 것이 알려져 있다. 상기 링 캐리어는 금형 내로 배치하기 전에 소위 알핀 방법(Alfin method)을 사용하여 용융 알루미늄 내로 함침될 수 있고, 따라서 링 캐리어는 재주조될 때 부분 용융 알루미늄으로 완전히 적셔진다. 이것은 링 캐리어와 주변 피스톤 재료 사이의 특히 양호한 금속 결합을 의미한다. 냉각 덕트는, 예를 들면, 염으로 만들어진 주형 코어를 가질 수 있고, 피스톤 블랭크의 응고 후에 세척될 수 있다.
DE 198 07 176 C2에서 청구항 1의 청구 대상에 따른 내연기관용 피스톤 제조 방법이 공지되어 있고, 최상위 링 그루브및 냉각 덕트의 영역이 먼저 리세스되고(recessed), 그 다음 방사 내측 방향으로 연장된 커버 링에 의해 커버되고, 따라서 링 그루브가 이후에 도려내지는 잔여 그루브는 예를 들면, 열 분사에 의해 나중에 채워질 수 있다.
DE 196 49 363 C2에 따르면, 논의가 되고 있는 영역이 용융 코어에 의해 형성되고, 이 영역을 강화 재료로 채우기 위하여 용융 코어의 외부 링이 이후에 제거된다. 그 다음에, 냉각 덕트를 형성하기 위하여 용융 코어의 내부 영역이 또한 제거된다.
EP 1 536 125 A1는, 냉각 덕트를 형성하기 위하여 하나 이상의 커버 요소 부품에 의해 밀폐되는 리세스가 피스톤의 상부에 있는 피스톤을 기술하고 있다.
DE 10 2004 003 980 A1에 단조 강으로 제조된 피스톤의 밀폐된 냉각 덕트 제조 방법이 나타나 있고, 최초로 방사 외측 방향으로 마주하는 원주 개구부가 안쪽으로 휘고, 이후에 두 개의 반원 요소에 의해 밀폐된다.
WO 82/03814 A1은 피스톤 제조 방법에 관한 것으로, 피스톤 링 그루브의 영역이 최초로 도려내지고, 이후에 합금 영역을 형성하기 위하여 전자 또는 레이저 빔으로 가공된다. 그 다음, 피스톤 링 그루브는 이러한 방식으로 취급된 영역에서 도려내진다.
마지막으로, DE 10 2005 047 035 B3는 내연기관용 피스톤 제조 방법을 기술하고 있고, 냉각 덕트만 제거가능한 물질로 채워지고, 제1 링 그루브로 이후 도려내지는 외부 방사형 그루브는 강화 재료로 채워진다. 이후에, 제거가능한 재료는 제거되고, 따라서 링 형상의 냉각 덕트가 남는다.
본 발명의 기반을 형성하는 목적은 내연기관용 피스톤 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것으로서, 피스톤 제조 방법 및 제조 장치로 이러한 형태의 피스톤이 특히 효율적으로 제조될 수 있고, 또한 피스톤 제조 요구사항이 충족된다. 게다가, 대응하는 피스톤이 제조되어야 한다.
이러한 목적은 한편으로 청구항 1에 기재된 방법에 의해 달성될 수 있다.
결과적으로, 내연기관용 피스톤을 제조할 때, 완성된 피스톤에서 냉각 덕트 및 피스톤 링 그루브를 포함하는 영역이 먼저 리세스되고(recessed), 그 다음, 이후의 냉각 덕트가 커버되거나 또는 밀폐된다. 피스톤 링을 수용하기 위한 재료는 "밀폐부(closure)"에 도포된다. 본 발명에 따른 방법은 냉각 덕트를 커버하기 위하여 단일 피스톤에 필요한 길이보다 더 긴 길이로 제공되는 와이어 재료가 사용되는 점에서 특별한 효율을 얻는다. 다시 말해서, 치수에 관하여, 개별적으로 채택된 링 등이 제공되지 않고, 와이어 재료가 예를 들면, 롤(roll)로부터 연속적으로 권출되어 리세스 내로 삽입될 수 있고, 따라서 냉각 덕트가 커버되고, 필요한 길이에 도달할 때 와이어 재료는 절단될 수 있다. 앞에서 언급된 바람직한 제조 단계 및 이후 지정되는 많은 단계는 자동화될 수 있고, 따라서 본 발명에 따른 피스톤 제조는 특히 용이하게 된다.
완성된 피스톤에서 냉각 덕트 및 피스톤 링 그루브를 포함하는 영역은 주조할 때, 또는 적합한 방식으로 사전 가공될 때 이미 리세스될 수 있다. 게다가 냉각 덕트 및 링 캐리어로써 역할하는 강화 재료가 제공되는 그루브 모두의 기하학적 형상에 대한 요구사항이 거의 관찰되지 않는다. 일 평면에 관하여, 냉각 덕트는 피스톤 축에 수직이 될 수 있고, 커버 재료의 중심을 통하여 대칭이 될 수 있지만, 또한, 냉각 덕트는 앞서 언급된 평면 아래에 대부분 위치될 수 있고, 냉각 덕트의 상부 에지가 커버 재료의 상부 에지와 동일 수준 상에 위치될 수 있다. 게다가, 냉각 덕트가 피스톤 축 방향쪽, 따라서 가능한 연소실 방향쪽으로 놓인 영역에서 냉각 덕트에 관하여 생각할 수 있고, 냉각 덕트의 기하학적 형상이 연소실 형상에 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 피스톤 축을 따라 일정한 두께를 가진 재료가 연소실과 냉각 덕트 사이에 유지될 수 있다.
어떤 경우에는, 상당한 길이를 가진 냉각 덕트를 제공함으로써, 따라서 바람직하게는 단일 피스톤에 필요한 길이에 대하여 연속적인 "무한(infinite)" 공급으로, 더 높은 자동화 정도가 달성될 수 있고, 특히, 링 캐리어의 사전 처리 및 알핀 공정, 링 캐리어 및 주형 코어의 금형 내 배치, 금형 코어의 금형으로부터 세척 또는 제거와 같은, 사전에 필요한 수동 작업 단계가 생략될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 추가 개발은 추가 청구항에서 기술된다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 롤로부터 연속적으로 권출되어, 냉각 덕트를 커버하기 위한 와이어 재료에 의해 특히 효율적으로 실행될 수 있다.
냉각 덕트가 커버되도록 와이어 재료의 부착을 위해서, 예를 들면, 클램핑에 의한 형상 결합(form-fit) 부착이 특히 유용한 것으로 입증되었다.
또한, 이와 관련하여, 예를 들면 덩어리로 최초 선택된 와이어의 형상은 재료 비용과 관련하여 장점을 제공하고, 냉각 덕트를 커버하기 위하여 부착하는 동안에 변형될 수 있다.
와이어 단면의 형상에 관하여, 타원형, 직사각형 또는 사다리꼴형 단면이 현재 고려되고, 이는 냉각 덕트와 외부 방사 그루브 사이의 좁은 부위에 부착할 때 이러한 단면에 대하여 장점을 예상할 수 있기 때문이다. 그러나 어떠한 다른 와이어 기하학적 형상도 사용될 수 있다.
커버 와이어 재료, 피스톤 재료, 및/또는 이후에 링 그루브를 도려내도록 하기 위하여 커버 와이어 재료에 바람직하게 도포되는 강화 재료 사이의 특히 재료 접합 결합을 위하여, 와이어 재료를 바람직하게는 국부 한정으로, 바람직하게는 유도성으로(inductively) 가열하는 것이 유용하다고 입증되었다.
이 경우에, 한편으로 용융 재료의 필요한 처리에 의해 제조 방법을 복잡하게 하지 않도록 하고, 동시에 전술한 재료 사이의 특히 양호한 결합을 위한 야금학적 요구사항을 만족하게 하기 위하여, 와이어 재료 또는 피스톤 베이스 재료의 녹는점 바로 이하로 가열하는 것이 특히 바람직하다.
이미 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 체제 내에서, 강화 재료는 사출 방법에 의해 커버 와이어 재료에 도포된다.
이와 관련하여, 적어도 두 개의 다른 재료가 동시에 또는 교대로 도포되고, 바람직하게는 와이어로 연속적으로 제공될 때, 그리고, 적어도 두 개의 다른 재료의 혼합비가 예를 들면, 다른 와이어 직경 및/또는 다른 공급율에 의해 설정될 때 특히 장점이 제공된다.
특히, 만약에 알루미늄-규소 합금 및 비합금강이 재료로서 조합되고, 및/또는 두 다른 재료 사이의 혼합비가 60 내지 70 대 30 내지 40(60~70:30~40)이면, 특히 양호한 특성이 예상된다. 마지막 두 단락에서 구체화된 방안은 본 출원의 추가 특징과 독립적이고, 유용하며, 따라서 조합될 수 없다.
전술한 목적은 또한, 단일 피스톤의 냉각 덕트를 커버하기 위해 필요한 길이보다 더 긴 길이로 와이어 재료를 제공하기 위한 와이어 재료 제공장치를 포함하는 내연기관용 피스톤 제조 장치에 의해 달성된다. 예를 들면, 이것은 와이어 권출 장치가 될 수 있다.
냉각 덕트가 커버되도록 와이어 재료를 부착하기 위하여, 초기 고려 사항 후에, 예를 들면 부착된 와이어를 추가로 변형시킬 수 있는 롤러 형태의 너얼링 공구가 특히 유용한 것으로 입증되었다.
추가 장치들은 전술한 절차 단계를 실행하기 위하여 요구되는 장치에 실질적으로 대응된다. 최대 대규모 자동화 가능성을 위하여, 와이어 재료를 부착하기 위한 장치 및 와이어 재료를 가열하기 위한 장치, 강화 재료를 용사하기 위한 장치가 예를 들면, 단일 장치로 결합될 수 있다.
마지막으로, 전술한 목적은, 냉각 덕트와 피스톤 링을 수용하기 위한 강화 재료 사이의 커버 재료로서, 와이어 재료를 가지고, 와이어 재료는 롤로부터 연속적으로 권출되고, 가압 시 변형되고, 및/또는 이후에 전술한 방식으로 가열되는 것을 특징으로 하는 청구항 17에 기재된 피스톤에 의해 달성된다.
도 1은 피스톤 블랭크의 상부측 영역의 단면도이다.
도 2는 삽입되는 와이어 재료 및 공구를 구비한 도 1의 단면도이다.
도 3은 변형된 와이어 재료 및 가열 장치를 구비한 도 2의 단면도이다.
도 4는 강화 재료 도포시 도 3의 단면도이다.
도 5는 완성된 상태의 도 1 내지 4의 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에서 도 5의 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에서 도 5의 단면도이다.
도 8 및 9는 다른 와이어 기하학적 형상을 가진 도 2의 현황이다.
도 1은 피스톤의 저부(도 1에서 상부) 및 피스톤의 외측부에 인접하여 위치된 피스톤 블랭크(blank)의 일 영역을 단면으로써 도시한다. 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 외측부(도 1에서 좌측)에 개방되고 도시된 예시적 실시예에서 사다리꼴 형상으로 도시된 그루브(10)는 강화 재료로 채워지고, 그 다음 최상위 피스톤 링을 수용하기 위한 그루브가 제공된다. 상기 그루브(10)는 좁은 부위(12) 방향으로 연장되고, 피스톤 축 방향(도 1에서 우측)으로 넓어지는 추가 그루브(14)가 좁은 부위(12)로부터 연장하여 제공되고, 도시된 예에서 추가 그루브(14) 또한 사다리꼴 형상이다. 이하 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 이 그루브(14)는 본 발명에 따른 공정 과정에서 밀폐되고, 완성 피스톤에서 냉각 덕트를 형성한다. 도시된 예에서, 그루브(10, 14) 둘 다, 피스톤 축에 수직이면서 좁은 부위(12)의 중심을 거의 통과하는 평면에 대하여 실질적으로 대칭이다. 그러나 이하의 다른 실시예에서 그렇지 아니한 경우가 기술된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 체제 내에서, 와이어 재료(16)가 그루브(10) 내로 삽입되어, 예를 들면, 형상 결합(form-fit)으로 좁은 부위(12)에 부착된다. 도 2의 예에서, 와이어 재료(16)는 실질적으로 타원 단면을 가지고, 긴 메인 축이 좁은 부위(12)의 치수보다 다소 크고, 따라서 기술된 부착이 가능하게 된다. 이것은 특히, 화살표(A) 방향으로 예를 들면, 적합한 너얼링(knurling) 공구(26)를 사용하여 가압함으로써 수행될 수 있다. 도시된 예에서, 너얼링 공구(26)는 실질적으로 원통형이고, 약간 오목 형상이 될 수 있는 세로로 홈이 새겨진 외부면을 가진다. 이와 같이, 너얼링 공구(26)는 거의 원통형 또는 외측 방향으로 볼록한, 다시 말해서 라운드 형상이 될 수 있다. 또는, 너얼링 공구(26)는 원뿔대 형상으로 될 수 있다. 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 거의 직사각형 단면 또는 더 넓은 측면이 외측방향을 향하는 사다리꼴 단면이 추가 와이어 기하형상으로 사용될 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 냉각 덕트 그루브(14)를 커버하기 위하여 제공된 와이어 재료는 외측면 상의 가압에 의해 다소 평편하게 될 수 있다. 도 3에서, 와이어가, 예를 들면 유도성(inductive)으로 설계될 수 있는 가열 장치(18)에 의해 가열될 수 있다는 것이 추가적으로 도시된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 최상위 피스톤 링이 이 영역에서 영구적으로 신뢰성 있게 수용될 수 있는 요구사항을 만족시키기 위하여, 이후에 강화 재료가 와이어 재료(16)에 예를 들면, 열 분사(thermal injection)에 의해 도포될 수 있다. 이를 위하여, 도 5에 결과로써 도시된 바와 같이, 외부 그루브는 바람직하게는 완전히 강화재료로 채워지고, 그 다음 외부 그루브가 피스톤과 거의 동일 평면이 되도록 피스톤의 원통형 외부면 상에 완성된다. 게다가 피스톤 링 그루브(20)가 도려내진다.
냉각 덕트용 그루브(14)의 다른 기하학적 형상이 도 6에 나타나 있고, 그루브(14)는 좁은 부위(12)의 상부 에지, 즉 와이어 재료(16)의 상부 에지로부터 완성된 피스톤의 저부로 연장되고, 특히 도시된 실시예에서 그루브(14)는 외부 그루브(10)의 하부 에지 부근까지 도달한다. 도시된 예에서, 냉각 덕트 그루브(14)는 상부 측 상에서 거의 평평하고, 하부 측 상에서 만곡된다.
도 7은 냉각 덕트 그루브(14)의 추가적인 다른 실시예를 도시하고, 냉각 덕트 그루브(14)는 좁은 부위(12)의 중심점 상부 영역의 형상은 도 1 내지 5의 실시예와 유사하지만, 좁은 부위 하부 영역은 피스톤 축(22) 방향으로 일정 각도로 하부 방향으로 연장하여, 연소실(combustion bowl)(24) 기하형상으로 조정된다. 특히, 피스톤 축(22) 방향으로 향하는 냉각 덕트 그루브(14) 영역은, 예를 들면 구부려져 형성되어, 냉각 덕트 그루브(14)와 연소실(24) 사이에 거의 일정한 두께로 "브리지(bridge)"가 남겨 지도록 하고, 및/또는 피스톤 축에 가장 근접한 냉각 덕트 영역이, 연소실로부터 가장 멀리 떨어져 놓여 있는 연소실 지점과 피스톤 축(22)으로부터 거의 동일한 거리를 가지거나 또는 연소실로부터 가장 멀리 떨어져 놓여 있는 연소실 지점보다 피스톤 축(22)으로부터 더 짧은 거리를 가진다.
14 냉각 덕트
16 와이어 재료
18 가열 장치
20 피스톤 그루브

Claims (17)

  1. 완성된 피스톤에서 냉각 덕트(14) 및 피스톤 그루브(20)를 포함하는 영역이 먼저, 리세스되고(recessed), 그 다음 이후의 냉각 덕트가 커버되고, 최종적으로 피스톤 링을 수용하기 위한 재료가 도포되는 내연기관용 피스톤 제조 방법으로서,
    이후의 냉각 덕트는 단일 피스톤에 필요한 길이보다 더 긴 길이로 제공되는 와이어 재료(16)에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이어 재료(16)는 롤(roll)로부터 연속적으로 권출되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 와이어 재료(16)는 형상 결합(form-fit)으로 부착되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,
    상기 와이어 재료(16)는 부착 중 또는 부착 후에 변형되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서,
    상기 와이어 재료(16)는 거의 타원형, 직사각형 또는 사다리꼴형 단면을 가지는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서,
    부착 후, 상기 와이어 재료(16)는 바람직하게는 국부 한정으로, 바람직하게는 유도성으로(inductively) 가열되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 와이어 재료(16)는 와이어 재료(16) 또는 피스톤 재료의 녹는점 바로 이하로 가열되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이후의 냉각 덕트(14)를 커버한 후, 재료가 사출 방법에 의해 상기 와이어 재료(16)에 도포되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 사출 방법의 체제 내에서, 적어도 두 개의 다른 재료가 동시에 또는 교대로 도포되고, 바람직하게는 와이어로 제공되고, 두 재료의 혼합비는 다른 와이어 직경 및/또는 공급율에 의해 설정되는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    알루미늄-규소 합금 및 비합금강이 재료로서 사용되고, 및/또는 혼합비는 60 내지 70 대 30 내지 40(60~70:30~40)인 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  11. 내연기관용 피스톤 제조 장치로서,
    먼저, 리세스되는 영역으로서, 완성된 피스톤에서 냉각 덕트(14) 및 피스톤 그루브(20)를 포함하는 상기 영역,
    상기 냉각 덕트 상에 커버를 부착하기 위한 부착 장치, 및
    단일 피스톤에 필요한 길이보다 더 긴 길이로 와이어 재료(16)를 제공하기 위한 와이어 재료 제공장치를 포함하는 내연기관용 피스톤 제조 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 와이어 재료 제공장치는 와이어 권출 장치인 내연기관용 피스톤 제조 장치.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 와이어 재료(16)를 가압하기 위한 가압 장치, 바람직하게는 너얼링(knurling) 공구를 더 포함하는 내연기관용 피스톤 제조 장치.
  14. 청구항 11 내지 청구항 13중 어느 한 항에 있어서,
    가열 장치(18)를 더 포함하는 내연기관용 피스톤 제조 방법.
  15. 청구항 11 내지 청구항 14중 어느 한 항에 있어서,
    재료를 용사(thermal spraying)하기 위한 용사 장치를 더 포함하는 내연기관용 피스톤 제조 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    와이어 직경 및/또는 공급율이 서로 다른, 적어도 두 개의 다른 재료가 상기 용사 장치에 채워질 수 있는 내연기관용 피스톤 제조 장치.
  17. 내연기관용 피스톤으로서,
    냉각 덕트(14) 및 피스톤 링을 수용하기 위한 강화 재료, 및
    상기 냉각 덕트(14)와 상기 강화 재료 사이의 커버 재료를 포함하고,
    상기 커버 재료는 롤로부터 연속적으로 권출되는 와이어 재료(16)로 구성된 내연기관용 피스톤.
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