KR20170138467A - 복잡한 형상의 연소 보울과 냉각 통로를 가진 피스톤 및 상기 피스톤의 제작 방법 - Google Patents

복잡한 형상의 연소 보울과 냉각 통로를 가진 피스톤 및 상기 피스톤의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

피스톤 및 피스톤의 제작 방법을 제공한다. 상기 피스톤은 정반대로 배치된 스커트 부분과 축방향으로 정렬된 핀 보어를 가진 하부 부재와 상기 하부 부재에 연결될 상부 부재를 가지고 있다. 상기 상부 부재는 대체로 평면인 상부 연소면과 이 상부 연소면으로부터 아래로 뻗은 연소 보울을 가지고 있다. 언더크라운면이 상기 연소 보울의 정반대 쪽에 형성되어 있고 상기 연소 보울에서 상기 상부 연소면으로 바뀌는 곳에 연소 보울 림이 있다. 상기 연소 보울, 상기 언더크라운면 그리고 상기 상부 연소면 중의 적어도 하나가 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있다.

Description

복잡한 형상의 연소 보울과 냉각 통로를 가진 피스톤 및 상기 피스톤의 제작 방법
본 발명은 대체로 내연기관용 피스톤에 관한 것이고, 보다 상세하게는 단조가공된 디젤 엔진 피스톤에 관한 것이다.
내연기관 사용처에서, 특히 디젤 엔진에 대해서, 엔진 크랭크케이스로의 냉각 오일의 유입 및 엔진 크랭크케이스로부터의 냉각 오일의 유출을 위한, 입구 개구와 출구 개구를 포함하여, 폐쇄 통로로 형성된 몸체를 피스톤에 제공하는 것이 알려져 있다. 오일은 상기 통로를 통하여 순환하여 연소열에 의해 손상을 받기 가장 쉬운 피스톤의 부분들을 냉각시킨다. 상부 크라운 면으로 뻗은 연소 보울(combustion bowl) 둘레로 뻗어 있는 환형 상부 림이 특히 열에 의해 손상을 받기 쉽다.
상기 냉각 통로는 대체로 일정한 형상의 단면을 가진 환형 또는 링-형상이고 피스톤 링 벨트와 반경방향으로 안쪽으로 정렬되어 형성되어 있다. 상기 냉각 통로는 상부 벽과 피스톤 몸체의 림에 인접해 있으며 연소 보울에 인접한 내부 벽과 경계를 이루고 있다. 오일 통로는 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 폐쇄된 경우에는, 통로 채널이 대체로 바닥 벽에 의해서 바닥에서 폐쇄되어 있고, 이 바닥 벽은 냉각 오일의 유출을 위한 입구 개구와 출구 개구를 구비할 수 있다.
전통적으로, 디젤 엔진의 연소 보울은 대칭적인 원 형상을 가지고 있으며 외부 림으로부터 반경방향으로 안쪽으로 오목한 골짜기부(valley)까지 그리고 중심 꼭대기부(peak)까지 매끈한 연속면을 가지고 있다. 그러나, 오늘날에는 새로운 연소 보울이 비전통적인, 복잡한 형상을 가지는 형태로 설계되고 있다. 이러한 비전통적인 형상은 바람직하지 않은 배기가스를 줄이면서 연료를 보다 효율적으로 연소시키기 위해서 활용되고 있다고 생각된다. 그러나, 복잡한 연소 보울 형상은, 평면도와 단면상으로 보았을 때, 전통적인 일정한 형상의 냉각 통로로 상기 연소 보울과 그 연소 보울의 둘레로 뻗어 있는 림을 냉각시키는 것을 보다 어렵게 만든다. 선삭 가공에 의한 전통적인 기계가공으로는 복잡한 형상의 연소 보울과 유사하거나 상응하는 복잡한 형상을 오일 통로에 제공하지 못할 것이다 .
연소 보울과 오일 통로의 사이에 뻗어 있는 벽 구조에 있어서의 차이가 현저하게 상이하고 변화하는 벽 두께를 초래하거나, 벽이 너무 두꺼워서 오일 통로에서 순환하는 오일에 의해 적절하게 냉각될 수 없다면, 피스톤에 "과열점(hot spot)"이 생길 수 있다. 과열점 구역은 피스톤에 재료가 금이 가거나 약해질 수 있는 연약점(weakened spot)을 초래할 수 있다. 피스톤이 고장나면, 이것은 엔진 고장을 초래하고, 이것에 의해 많은 비용을 발생시키고 아마 차량의 엔진 교체를 요할 수 있다.
본 발명의 목적은, 과열 염려를 피하기 위해서 비교적 얇고 균일한 벽 두께를 제공하는 비전통적인 복잡한 형상의 연소 보울과 상응하는 냉각 통로를 가지고 있고, 피스톤에 최소의 완성된 컴프레션 하이트 공차(minimal finished compression height tolerance)를 제공하여, 피스톤의 성능을 향상시키고, 단조가공된 상태의 컴프레션 하이트 공차를 크게 하여, 경제적으로 피스톤을 제작할 수 있게 하는 단조가공된 강재 피스톤과, 단조가공된 강재 피스톤을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 복잡한 형상의 연소 보울과 합치되도록 외형이 형성되어 있는 단조가공된 강재 피스톤 내의 오일 통로를 제공하는 것뿐만 아니라, 연소 보울의 전체와 오일 통로의 전체 사이에 균일하거나 대체로 균일한 벽 두께를 제공하는, 상기와 같은 오일 통로와 복잡한 형상의 연소 보울을 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명은 피스톤 내의 과열점의 형성을 최소화하거나 없애고, 오일 통로 내의 오일로 하여 연소 보울 림 및 피스톤과 연소 보울의 다른 구역을 허용 온도 범위 내에 유지시킬 수 있게 한다. 본 발명은 본 발명에 따라 구성된 피스톤의 제조 용이성과 제조 신뢰성을 더욱 향상시키고, 게다가, 연소 보울, 오일 통로 그리고 언더크라운면 사이에 뻗어 있는 벽의 두께가 피스톤의 강도와 유효 수명을 향상시키는데 최적이 되게 보장하는 최적의 공정을 제공한다. 게다가, 본 발명은 피스톤의 구조적인 일체성을 저해하지 않고서 단조가공된 피스톤의 컴프레션 하이트 공차(compression height tolerance)가 최소화될 수 있는 공정을 제공한다.
상기 통로는 상기 연소 보울과 동일하거나 대체로 유사한 복잡한 형상을 가지도록 형성되어 있다. 상기 통로는 처음에 단조에 의해 형성된 다음에, 가능하다면, 상기 통로를 확대하고 일부 표면을 마무리하기 위해서, 예를 들면, 선삭과 같은 기계가공 작업에 의해 적어도 부분적으로 기계가공될 수 있다. 오목부와 돌출부와 같이, 기계 선삭 가공에 의해 마무리될 수 없거나, 피스톤의 성능을 향상시키기 위해서 더 가공될 필요가 없는 것으로 간주되는 상기 통로의 구역과 표면은 처음의 "단조가공된" 상태로 남겨질 수 있다. 기계가공 작업 동안, 균일하거나 대체로 균일한 두께를 가진 연소 보울 벽을 형성하기 위해서, 환형 홈이 연소 보울 림과 상부 연소면쪽 방향으로 오일 통로의 축방향의 전체 깊이를 연장하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 정반대로 배치된 스커트 부분과 축방향으로 정렬된 핀 보어를 가진 하부 부재와 상기 하부 부재에 연결된 상부 부재를 가지고 있는 피스톤이 제공된다. 상기 상부 부재는 대체로 평면인 상부 연소면과 상기 상부 연소면으로부터 아래로 뻗은 연소 보울을 가지고 있고, 상기 연소 보울의 정반대 쪽에 언더크라운면이 형성되어 있고 상기 연소 보울에서 상기 상부 연소면으로 바뀌는 곳에 연소 보울 림이 있다. 상기 연소 보울, 상기 언더크라운면 그리고 상기 상부 연소면 중의 적어도 하나가 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 피스톤을 제작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 정반대로 배치된 스커트 부분과 축방향으로 정렬된 핀 보어를 가진 하부 부재를 형성하는 단계와, 대체로 평면인 상부 연소면과 상기 상부 연소면으로부터 아래로 뻗은 연소 보울을 가지고 있고, 상기 연소 보울의 정반대 쪽에 언더크라운면이 형성되어 있고 상기 연소 보울에서 상기 상부 연소면으로 바뀌는 곳에 연소 보울 림이 있는 상부 부재를 단조가공하는 단계를 포함하고 있다. 게다가, 상기 하부 부재를 상기 상부 부재에 연결시키는 단계를 포함하고 있다. 또한, 상기 상부 연소면, 상기 연소 보울 및 상기 언더크라운면 중의 적어도 하나의 일부분을 기계가공하고, 상기 상부 연소면, 상기 연소 보울 및 상기 언더크라운면 중의 적어도 하나의 일부분을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계를 포함하고 있다.
연소 보울 내의 상부 연소면과 연소 보울 바로 아래의 언더크라운면이 단조 공정 동안 국소 구역에 여분의 재료가 의도적으로 남겨진 상태로 처음에 단조가공될 수 있고, 이것에 의해 연소 보울과 연소 보울 바로 아래의 언더크라운면 사이에 있는 상기 국소 구역의 벽 두께를 증가시킨다. 그리고, 단조공정 다음에, 연소 보울과 연소 보울 바로 아래의 언더크라운면 사이에 있는 벽의 정확하고 최적인 두께를 형성하기 위해서 재료의 두께가 증가된 상기 국소 구역이 마무리 가공될 수 있다.
연소 보울의 바닥과 상부 연소 보울 림 사이에 있는 복잡한 형상의 연소 보울의 직립 환형 벽은 처음에는, 상기 직립 환형 벽이 최상부 연소 면으로부터 연소 보울의 바닥쪽으로 수렴하도록 경사각을 가지게 단조가공될 수 있다. 이렇게 하여, 단조 공구가 연소 보울을 형성한 후에 외측으로 빼내지는 동안 꼼짝 못하게 되지 않는 것이 보장된다. 그리고, 원한다면 완전히 원통형인 직립 벽을 형성하기 위해서, 또는 원한다면 오목한 벽을 형성하기 위해서, 마무리 기계가공이 실행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 피스톤의 상부 연소면이 단조 공정 동안, 적어도 환형상의 국소 구역에서, 여분의 재료가 의도적으로 남겨진 상태로 처음에 단조가공될 수 있고, 그리고 나서, 상부 연소면이 핀 보어 축에 대해 원하는 높이로 마무리 가공될 수 있고, 이것에 의해 감소된 공차 한계 내에서 피스톤의 최적의 정확한 컴프레션 하이트를 만든다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 처리된 면의 치수를 현저하게 변경시키지 않고 잔류물 또는 입자를 제거하기 위해서 피스톤의 선택된 단조가공된 면이 표면 처리될 수 있다. 이러한 표면 처리는 샷 블라스팅, 에칭, 유체 처리, 또는 그 밖의 다른 방법을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "복잡한" 이라는 표현은 피스톤 크라운의 연소 보울의 외측 둘레, 또는 외측 둘레의 내부, 또는 상기 양자 모두가 통상적인 형상으로 되어 있지 않은 피스톤 크라운의 연소 보울의 형상과 관련되어 있다. "복잡한" 형상은 통상적인 형상이 아닌 연소 보울의 모든 형상을 지칭하며, 복잡한 형상은, 예를 들면, 직선부, 곡선부, 또는 원호형상부를 포함하는 가장자리를 가질 수 있거나, 연소 보울, 또는 연소 보울의 외측 둘레, 또는 상기 양자 모두에 돌출부, 돌기, 리브, 오목부 등을 가지고 있다. 일반적으로, 복잡한 형상은 전통적인 기계-선삭 가공에 의해 기계가공할 수 없는 임의의 형상이다.
본 발명이 임의의 내연기관용 피스톤에 대해 사용될 수도 있지만, 바람직하게는 본 발명이 디젤 엔진용 피스톤에 대해 사용된다.
본 발명의 상기 특징 및 장점과 다른 특징 및 장점은, 아래의 상세한 설명과 첨부 도면과 관련하여 고려하면 보다 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 폐쇄 오일 통로를 가진 피스톤을 나타내고 있고;
도 2는 연소 보울의 대표적인 복잡한 형상을 나타내는 본 발명에 따라 형성된 "단조가공된" 피스톤 크라운의 개략적인 평면도이고;
도 2a 내지 도 2c는 연소 보울의 다른 대표적인 형상을 나타내고 있고;
도 3은 대체로 도 2의 라인 3-3을 따라 도시한 단면도이고; 그리고
도 4는 단조가공된 상부 부재(12)의 적어도 한 면의 기계가공 후의, 도 3과 유사한 피스톤 크라운의 다른 단면도이다.
도면을 보다 상세하게 참고하면, 도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따라 구성된 대표적인 피스톤(10)을 나타내고 있다. 상기 피스톤(10)은 서로 연결된 상부 부재(12)와 하부 부재(14)를 포함하고 있고, 하부 부재는 스커트 부분(16)과 핀 보어 축(21)을 따라서 축방향으로 정렬된 핀 보어(20)를 가진 핀 보스(18)를 포함하고 있다. 상부 부재(12)와 하부 부재(14)는, 예를 들면, 마찰 용접, 유도 용접, 또는 그 외 다른 용접을 포함하는, 용접을 통하여 함께 단단히 고정되어서, 피스톤(10)을 형성한다.
상기 피스톤(10)은 피스톤(10), 특히 상부 연소면(24)의 온도를 유지시키기 위해서 오일이 순환하는 냉각 통로(22)를 가지고 있고, 상부 연소면은 상부 연소면에서 아래로 뻗은 연소 보울(26)과 최상부 연소 면(24)에서 연소 보울(26)의 측면 또는 단순히 벽(30)이라고도 칭하는, 직립 환형 연소 보울 벽으로 바뀌는 연소 보울 림(28)을 포함하고 있다. 냉각 통로(22)는 당해 기술 분야에서 잘 알려진 것과 같이 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 폐쇄된 경우에는, 냉각 통로(22)의 바닥 벽 또는 바닥이 통상적으로 하부 부재(14)의 일부분으로 포함되고, 비제한적인 예로서, 단면도상으로 단 하나만 도시되어 있는, 오일 입구 및 출구 개구(32)를 포함할 수 있다.
대표적인 복잡한 연소 보울(26)이 상기 벽(30)에 의해 형성된 네 개의 직립 측면(side)을 가진 대체로 정사각형 형상으로 도시되어 있다. 도시된 형상으로는, 상기 직립 측면들이 세로축(51)을 가로지르는 방향을 따라서 직선 형상이고, 인접한 측면들을 서로 연결시키는 둥근 코너부를 가지고 있다. 연소 보울(26)의 형상과 상기 측면들의 선형성(linearity)은 복잡한 연소 보울의 단지 하나의 예이라는 것을 이해하여야 한다. 본 발명에 따르면, 연소 보울(26)은, 연소 보울(26)과 경계를 이루는 임의의 갯수의 측면 또는 측면부를 가진, 임의의 주변 형상 또는 내부 형상을 가질 수 있다. 연소 보울(26)의 형상은, 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, 외부 주변부에서 복잡하게 될 수 있거나, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 연소 보울의 반경방향으로 안쪽 구역에서 복잡하게 될 수 있거나, 또는 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 외부 주변부와 내부 구역의 양쪽에서 복잡하게 될 수 있다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 이러한 세 가지 일반적인 유형의 복잡한 형상의 연소 보울(26', 26", 26'")을 나타낸다. 본 발명은 피스톤(10)에 대해 긴 유효 수명을 제공하는 고강도의 내구성이 있는 구조를 제공하면서, 이러한 복잡한 형상을 가진 연소 보울을 수용할 수 있는 냉각 통로를 제공한다.
상부 부재(12)와 하부 부재(14)는 강재로 되어 있다. 상기 강재는 두 개의 부재(12, 14)에서 동일하거나 다를 수 있다. 상부 부재(12)의 형상은, 적어도 초기에는, 단조 공정에 의해 형성된다. 본 발명의 바람직한 실시례에 따르면, 상부 부재(12)의 냉각 통로 채널 부분(34)은 연소 보울(26) 또는 연소 보울의 일부분과 동일한 공정에 의해서 만들어진다. 도시된 실시례에서, 상부 부재(12)의 냉각 통로 채널 부분(34)은 초기에는 단조 공정에 의해서 형성되고(도 2 및 도 3에서 기계가공 전에 "단조가공된" 것으로 도시된 대표적인 예), 이어서, 필요에 따라, 선택된 구역이 기계가공 공정에 의해 형성된다(도 4에서 마무리 가공된 것으로 도시된 대표적인 예).
바람직한 실시례에 따르면, 연소 보울(26)을 형성하는 단조 다이와 냉각 통로 부분(34)을 형성하는 단조 다이가 상응하는 결합 형상을 가지고 있다. 상기 두 개의 다이는 서로 상응하는 유사한 직선 부분과 유사한 곡선 부분을 가지고 있다.
단조 공정 후의 피스톤 크라운(10)의 단면도가 도 3에 도시되어 있다. 단조 공정은 반드시 원주방향의 균일한 폭(W) 또는 균일한 깊이(D)를 가지고 있는 것은 아닌 환형 포켓(36)을 형성한다. 환형 포켓(36)의 폭(W)은 연소 보울(26)의 측면(30)이 외측의 대체로 원통형 면으로부터 가장 멀리 떨어져 있는, 궁극적으로 상부 부재(12)의 링 벨트 구역(38)을 형성하는, 부분에서 더 넓다. 마찬가지로, 환형 포켓(36)이 가장 좁은 구역은 연소 보울(26)의 측면들 사이의 코너부 또는 교차지점이다.
단조 공정에 의해서 만들어진 환형 포켓(36)의 깊이(D)는 단조 공정에서 사용된 다이에 따라 달라진다. 단조 다이가 강재로 된 상부 부재(12)를 뚫고 들어갈 수 있고 단조 다이가 교체나 재정비를 요하기 전에 여전히 반복적으로 사용될 수 있는 상기 깊이에 대한 실질적인 제한이 있다.
본 발명의 바람직한 실시례에 따른 냉각 통로 부분(34)를 형성하는 후속 단계로서, 냉각 통로 부분(34)의 완성된 형상이 도 4에 도시된 형상으로 기계가공된다. 기계 가공의 한 단계에서, 공구 부재(40)로 표시된 기계가공 공구가 단조 공정에 의해 형성된 환형 포켓(36)으로 삽입되어(화살표 42의 방향으로) 냉각 통로 부분(34)의 외부 면을 마무리하고 연소 보울(26)의 전체 둘레에 환형 홈(44)을 형성하기 위해서 사용된다. 이러한 기계-선삭이 냉각 통로 부분(34)을 피스톤 크라운의 상부 범위(최상부 링 홈의 근처이고 상부 연소면(24)에 인접해 있는)로 연장시킨다. 완전히 기계가공된 홈(44)은 단조 공정에서 형성된 초기 환형 포켓(36)보다 위로 뻗는다.
"기계-선삭" 또는 단순히 "선삭"은 소재가, 예를 들면, 선반에서 회전하는 동안 절삭 공구, 통상적으로 비회전식 공구 바이트(non-rotary tool bit)가 직선으로 움직이는 기계가공 공정이다. "기계가공 선삭"은 소재의 내부 면이나 외부 면에서의 절삭 또는 마무리 작업을 지칭할 수 있다. 오일 통로 채널의 여러 면 중의 일부의 기계가공에서, 기계-선삭이 내부 면을 마무리하거나 형성한다.
기계-선삭 처리는, 면 46과 같은, 냉각 통로 부분(34)의 내부 면들 중의 일부 면을 기계가공하고 마무리하는데 사용될 수도 있다. 연소 보울(26)의 복잡한 형상을 추종하기 위한 냉각 통로 부분(34)의 복잡한 형상으로 인해, 단조 공정에서 단조 다이에 의해 내측 통로 면에 복수의 돌출부 또는 오목부가 형성될 수 있다. 기계가공 공정에서 사용된 선삭 방법으로 인해, 돌출부들 사이의 구역과 오목부가 이 단계에서 미완성인 상태(다시 말해서, 기계가공되지 않은 상태)로 남는다. 도 4에서 내부 통로 채널 면(48)은 완성되지 않고 단조 후의 원래의 상태로 있다. 도 2에서는, 완성된 환형 홈(44)의 외측 둘레가 은선(44')으로 표시되어 있다. 또한, 복잡한 형상의 냉각 통로 부분(34)의 내부 완성된 면이 은선(46')으로 표시되어 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따른 단조 작업에서는, 상부 부재(12)의 하부 면의 냉각 통로 부분(34)이, 다른 단조 다이가 상부 연소면(24)에서 아래로 뻗은 복잡한 형상의 연소 보울(26)을 형성하고 있는 것과 동시에 형성될 것이다. 본 발명의 독창적인 공정과 이로 인한 독창적인 구조가 복잡한 형상의 연소 보울(26)의 외부 둘레 형상과 유사하거나 대체로 동일한 내부 둘레 형상을 가진 냉각 통로 부분(34)을 제공한다. 이것은 냉각 통로 부분(34)과 연소 보울(26) 사이의 직립 벽(30)의 두께를 최소화하고 연소 보울(26)의 외측 둘레의 벽 두께를 균일하거나 대체로 균일하게 만든다. 단조 공정과 기계가공 공정의 실제적인 한계로 인해, 모든 벽의 두께가 연소 보울(26)의 둘레에서 정확하게 동일하지는 않을 것이다. 그러나, 본 발명은 원하는 고강도를 가진 벽 두께를 제공하면서 벽 두께를 전체 오일 통로의 둘레에서 실행가능한한 얇고 균일하게 만든다. 이것은 피스톤(10)에 대해 긴 유효 수명을 제공하면서, 냉각 통로(22)로 유입된 오일이 연소 보울 벽면과 연소 보울 림(28)의 온도를 적절한 한계치 내에서 유지시키는 것을 가능하게 하고 유해한 과열점을 방지한다.
상부 부재(12)를 단조가공하는 것을 용이하게 하기 위해서, 연소 보울(26)쪽으로 반경방향으로 안쪽으로 향하는 벽(30)의 표면이 상부 연소면(24)의 최상부 구역으로부터, 도시된 것과 같이, 연소 보울 림(28)으로부터 연소 보울(26)의 오목한 바닥(50)쪽으로 수렴하도록 연소 보울 벽(30)이 구배각(draft angle) α를 가지는 형태로 단조되어 있다. 도시된 실시례에서는, 연소 보울 벽(30)의 전체가 상부 연소면(24)으로부터 바닥(50)으로 수렴하고, 또한 "단조가공된 채로" 있다. 따라서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 평면도상으로 벽(30)이 연소 보울 림(28)으로부터 바닥(50)으로 수렴하는 것으로 보여질 수 있다. 상기와 같이 벽(30)이 약간 경사져 있는 상태에서는, 연소 보울(26)을 단조한 후 단조 공구를 빼내는 즉시 단조 다이가 자유롭게 되는 것이 보장된다. 게다가, 단조 다이가 받는 마찰력이 최소화되고, 이로 인해 사용하는 동안 단조 다이의 마모를 줄이고, 이로 인해 단조 다이의 유효 수명을 연장시킨다. 벽(30)의 구배각 α는 원하는 대로, 예를 들면, 약 1도 내지 15도로 형성될 수 있고, 한 가지 바람직한 실시례는 중심 수직축으로부터 약 11도의 구배각을 가지고 있고, 상기 중심 수직축은 중심 세로축(51)이라고도 칭하며, 이 중심 세로축을 따라서 피스톤이 왕복운동한다. 물론, 원하는 경우, 벽(30)이 완성된 상태로 기계가공될 수 있고, 원하는 경우, 완전히 원통형인 벽면을 형성할 수 있을 것으로 예상된다. "단조가공된 채로" 남겨지면, 단조가공된 면들 중의 일부는 완성된 치수 또는 공차의 현저한 변경 없이, 잔류물 또는 입자를 제거하기 위해서, 예를 들면, 샷 블라스팅, 에칭, 유체 또는 화학 처리, 또는 그 밖의 다른 방법을 통하여, 표면 처리될 수 있다.
상부 부재(12), 특히, 연소 보울(26)의 바닥(50)과 연소 보울(26) 바로 아래의 언더크라운면(54)의 사이에 뻗어 있는 연소 보울(26)의 중심 벽(52)을 단조가공하는 것을 더욱 용이하게 하기 위해서, 중심 벽(52)의 적어도 중심 부분이 중심 벽(52)의 완성된 두께(t2)(도 4)에 비해 증가된 두께(tl)(도 3)를 가지게 처음에 단조 가공된다. 처음 두께(tl)는, 중심 벽(52)의 양 측면 중의 적어도 하나, 또는 양 측면의 과잉 재료(56)를 단조하는 것에 의해서 중심 벽(52)의 중심 부분을 과도하게 압축하는 것이 방지되도록 단조 다이에 의해서 형성되고, 상기 과잉 재료(56)는 기계가공을 통하여 나중에 제거될 수 있다. 단조 공정 동안 중심 벽(52)을 과도하게 압축하는 것을 피함으로써, 과잉 재료(56)의 구역을 단조한 결과, 중심 벽(52)의 구역 내의 재료가 과도하게 응력을 받지도 않고 과도하게 얇고 연약하게 되지도 않는다. 그리고, 상부 부재(12)를 단조하는 즉시, 과잉 재료(56)를 포함하는 중심 벽(52)의 부분, 예를 들면, 바닥(50)의 중심 구역 및/또는 언더크라운(54)의 중심 구역이 임의의 적절한 기계가공과 표면 처리 작업, 예를 들면, 상기한 것과 같이, 밀링과 샷 블라스팅, 또는 그 외의 다른 방법을 통하여 마무리 기계가공 및/또는 표면 처리될 수 있다. 원한다면, 과잉 재료(56)가 바닥(50)에 형성되어 있는 경우, 전체 바닥(50)이 마무리 기계가공될 수 있거나, 필요에 따라 과잉 재료(56)를 포함하는 구역만 기계가공될 수 있다. 따라서, 원한다면, 완성된 바닥(50)이 "단조가공된" 부분과 마무리 기계가공된 부분을 포함할 수 있다. 여하튼, 중심 벽(50)은 정확한 완성된 두께(t2)를 가지도록 형성되고, 이것에 의해 중심 벽(50)이 충분히 강하면서, 최적의 냉각을 조성하는 원하는 두께로 완성되는 것을 보장하고 원하는 감소된 완성 무게를 달성할 수 있다. 또한, 처음에 증가된 두께(tl)를 고려함으로써, 단조 공차가 약간 증가될 수 있고, 이것에 의해 단조와 관련된 비용을 줄일 수 있고, 또한 스크랩의 감소를 가져올 수 있다. 연소 보울(26)의 전체 바닥(50)이 마무리 기계가공될 수 있거나, 필요에 따라 마무리 기계가공이 과잉 재료(56)를 가지고 있는 중심 부분으로 제한될 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 원한다면, 연소 보울 바닥(50)은 "단조가공된" 면과 완성된 기계가공된 면으로 이루어질 수 있다.
컴프레션 하이트(CH)(도 1)를 최소화하고 최소 공차, 예를 들면, 10㎛ 내지 50㎛의 공차 가진 컴프레션 하이트(CH)를 형성하는 것을 더욱 더 용이하게 하기 위해서, 상부 연소면(24)의 적어도 일부분이 추가된 재료(58)(도 3)를 남기도록 처음에 단조가공될 수 있고, 이것은 단조 공차 범위를 비교적 넓게 하고, 이것에 의해 비용과 잠재적인 스크랩을 줄임으로써 피스톤의 제작성을 향상시키고, 정밀한 상부 연소면(24)(도 4)과 엄격한 최소의 공차 범위를 가진 정밀한 컴프레션 하이트(CH)를 형성하기 위해서 추가된 재료(58)가, 예를 들면, 밀링 또는 선삭과 같은 마무리 작업에서 기계가공될 수 있다. 전체 상부 연소면(24)이 마무리 기계가공될 수 있거나, 필요하다면, 마무리 기계가공이 단조가공된 과잉 재료(58)를 포함하는 구역, 예를 들면, 환형의 최외측 구역으로 제한될 수 있다.
비록 본 발명을 바람직한 실시례에 대해서 기술하였지만, 아래의 청구항과 궁극적으로 허용된 임의의 청구항에 의해서 상세하게 기술되어 있는 것과 같이 본 발명의 전체 범위 내에서 여러 변경과 수정이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명이 바람직한 실시례로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (18)

  1. 피스톤으로서,
    정반대로 배치된 스커트 부분과 축방향으로 정렬된 핀 보어를 가진 하부 부재; 그리고
    상기 하부 부재에 연결되어 있으며, 대체로 평면인 상부 연소면과 상기 상부 연소면으로부터 아래로 뻗은 연소 보울을 가지고 있고, 상기 연소 보울의 정반대 쪽에 언더크라운면이 형성되어 있고 상기 연소 보울에서 상기 상부 연소면으로 바뀌는 곳에 연소 보울 림이 있고, 상기 연소 보울, 상기 언더크라운면 그리고 상기 상부 연소면 중의 적어도 하나가 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있는, 상부 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소 보울과 상기 언더크라운면 중의 적어도 하나가 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기계가공된 면이 피스톤의 중심 세로축에 대해 대체로 중심에 배치되어 있고 상기 단조가공된 면이 상기 기계가공된 면의 둘레에 환형으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  4. 제2항에 있어서, 상기 연소 보울과 상기 언더크라운면이 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  5. 제4항에 있어서, 상기 상부 연소면이 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  6. 제1항에 있어서, 상기 상부 연소면이 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연소 보울, 상기 언더크라운면, 그리고 상기 상부 연소면이 기계가공된 면과 단조가공된 면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연소 보울이 오목한 바닥과 피스톤의 왕복운동축인 중심 세로축에 대해서 상기 상부 연소면으로부터 상기 오목한 바닥까지 경사각으로 수렴하는 연소 보울 벽을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  9. 제9항에 있어서, 상기 연소 보울 벽이 단조가공된 상태로 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연소 보울 벽이 상기 중심 세로축에 대해서 약 1도 내지 15도의 경사각으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  11. 피스톤의 제작 방법으로서,
    정반대로 배치된 스커트 부분과 축방향으로 정렬된 핀 보어를 가진 하부 부재를 형성하는 단계;
    대체로 평면인 상부 연소면과 상기 상부 연소면으로부터 아래로 뻗은 연소 보울을 가지고 있고, 상기 연소 보울의 정반대 쪽에 언더크라운면이 형성되어 있고 상기 연소 보울에서 상기 상부 연소면으로 바뀌는 곳에 연소 보울 림이 있는 상부 부재를 단조가공하는 단계;
    상기 하부 부재를 상기 상부 부재에 연결시키는 단계; 그리고
    상기 상부 연소면, 상기 연소 보울 및 상기 언더크라운면 중의 적어도 하나의 일부분을 기계가공하고, 상기 상부 연소면, 상기 연소 보울 및 상기 언더크라운면 중의 적어도 하나의 일부분을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  12. 재11항에 있어서, 상기 연소 보울과 상기 언더크라운면의 일부분을 기계가공하고 상기 연소 보울과 상기 언더크라운면의 일부분을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  13. 재12항에 있어서, 피스톤의 중심 세로축에 대해 대체로 중심에 배치되어 있는 상기 연소 보울과 상기 언더크라운면의 일부분을 기계가공하고 기계가공된 면의 둘레에 환형으로 뻗어 있는 상기 연소 보울과 상기 언더크라운면의 일부분을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  14. 재11항에 있어서, 상기 상부 연소면의 일부분을 기계가공하고 상기 상부 연소면의 일부분을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  15. 재11항에 있어서, 상기 연소 보울, 상기 언더크라운면 및 상기 상부 연소면의 일부분을 기계가공하고 상기 연소 보울, 상기 언더크라운면 및 상기 상부 연소면의 일부분을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  16. 재11항에 있어서, 오목한 바닥과 피스톤의 왕복운동축인 중심 세로축에 대해서 상기 상부 연소면으로부터 상기 오목한 바닥까지 경사각으로 수렴하는 연소 보울 벽을 가지고 있는 연소 보울을 단조가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  17. 재16항에 있어서, 상기 연소 보울 벽을 단조가공된 상태로 남겨두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
  18. 재17항에 있어서, 상기 중심 세로축에 대해 약 1도 내지 15도의 경사각을 가지는 연소 보울 벽을 단조가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤의 제작 방법.
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