WO2016063754A1 - 内燃機関のピストン製造方法および内燃機関用ピストンの摩擦封孔装置 - Google Patents

Abstract

　ピストンの冠面に設けられた低熱伝導率部材（多孔質部材）上面の各空孔を効果的に封止することができるピストン製造方法を提供する。　アルミニウム合金製のピストン１の冠面２ａに鋳込まれた低熱伝導率部材５の上面５ａに、摩擦封孔装置の回転工具４４の平坦な先端面４４ａを当接させ、この回転工具を電動モータや減速機構を介して回転させながら低熱伝導率部材側に荷重をかけて押し付ける。これによって、低熱伝導率部材の上面と回転工具の先端面との間の摩擦熱によって前記上面に塑性流動層５ｄを形成することにより、多孔質部材６上面の各空孔９ａの開口部を封止する。

Description

内燃機関のピストン製造方法および内燃機関用ピストンの摩擦封孔装置

　本発明は、ピストンの冠面に多孔質の低熱伝導率部材が設けられた内燃機関のピストン製造方法と内燃機関用ピストンの摩擦封孔装置に関する。

　従来の内燃機関のピストンとしては、例えば本出願人が先に出願した以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

　このピストンは、燃料噴射弁からピストンの冠面に向けて燃料を噴射して点火燃焼させる筒内噴射型火花点火式の内燃機関に適用されたものであって、ピストンの冠面に、該ピストンのアルミニウム合金母材よりも熱伝導率の低いホウ珪酸ガラスからなる多孔質の低熱伝導率部材が減圧鋳造法によって設けられている。

　すなわち、減圧鋳造金型内の所定位置に多孔質部材を予め配置保持し、その後、前記金型内にアルミ合金溶湯を注入してピストンを鋳造する際に、前記多孔質部材の空孔内に前記アルミ合金溶湯が含浸されて低熱伝導率部材が形成され、この低熱伝導率部材がピストンの冠面に一体的に固定されている。

　この低熱伝導率部材は、上面に前記燃料噴射弁から燃料が直接噴射されて霧化を促進して燃焼性を向上させるようになっている。

特開２０１４－２５４１８号公報

　しかしながら、前記特許文献１に記載されたピストンは、多孔質部材の内部ばかりか表面にも多くの空孔が開口形成されていることから、前記噴射された燃料が表面の各空孔内に入り込んでしまう。

　この結果、特に機関始動時において前記各空孔内の燃料がそのまま排出されてＨＣなどの排気エミッション性能が悪化するおそれがある。

　そこで、前記各空孔を封止する方法として、低熱伝導率部材（多孔質部材）の外面に陽極酸化被膜を施すことも考えられているが、この方法では、表面の凹凸に沿って被膜が形成されることから、表面に開口している前記空孔が比較的大きい場合には封止することができないおそれがある。

　本発明は、前記従来の技術的課題に鑑みて案出されたもので、多孔質部材を機械的に加圧して、この摩擦熱によって表面に塑性流動層を形成して封孔処理することにより、空孔の開口面積の大小に拘わらず、空孔を封止できるピストン製造方法、製造装置を提供することを目的としている。

　本発明は、ピストンの冠面に、前記ピストン母材よりも熱伝導率の低い多孔質部材を用いた低熱伝導率部材が設けられた内燃機関のピストンの製造方法であって、
　成形金型の内部所定位置に前記多孔質部材を配置した後に、前記金型内に溶湯を注入して前記多孔質部材の各空孔内に含浸させて前記低熱伝導率部材を固定するピストンを成形するピストン成形工程と、
　前記ピストンを冷却した後に、前記金型内から取り出された前記ピストンの低熱伝導率部材の表面に、回転工具を押し当てて前記多孔質部材表面の空孔を摩擦熱により封孔処理を行う摩擦封孔工程と、
　を備えたことを特徴としている。

　本発明によれば、ピストン母材に対する低熱伝導率部材の接合強度が高くなると共に、多孔質部材表面の各空孔を効果的に封止することができる。この結果、内燃機関の排気エミッション性能などの向上が図れる。

本発明に係る内燃機関のピストン製造方法の第１実施形態に供されるピストンの一部を断面して示す俯瞰図である。 図１に示すＡ部拡大図である。 （Ａ）は本実施形態に供される多孔質部材（低熱伝導率部材）の縦断面図、（Ｂ）は図３Ａに示すＢ部拡大図である。 Ａは本実施形態に供されるピストン製造装置を示す断面図、Ｂは同ピストン製造装置の一部を示す断面図である。 前記ピストン製造装置から取り出されたピストン母材の断面図である。 本実施形態に供される摩擦封孔装置の概略説明図である。 図６の要部の詳細を示す図であって、（Ａ）は正面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図である。 本実施形態の摩擦封孔装置による摩擦封孔工程を示し、（Ａ）は低熱伝導率部材の上方から回転工具が下降する状態、（Ｂ）は低熱伝導率部材の上面に回転工具の先端面が当接した状態、（Ｃ）は回転工具によって低熱伝導率部材の上面に封孔処理を施した状態をそれぞれ示す説明図である。 本発明の第２実施形態における摩擦封孔装置による摩擦封孔工程を示し、（Ａ）は第１回転工具の先端面を低熱伝導率部材の上面に当接させた状態、（Ｂ）は第１回転工具で低熱伝導率部材の上面に封孔処理を行っている状態、（Ｃ）は低熱伝導率部材に封孔処理が行われた状態、（Ｄ）は第２回転工具の先端面を低熱伝導率部材の中央部の上面に当接させた状態、（Ｅ）は第２回転工具で低熱伝導率部材の中央部に封孔処理を行っている状態をそれぞれ示している。 本発明の第３実施形態における摩擦封孔装置による摩擦封孔処理状態を行っている状態を示す説明図である。 本実施形態に供される回転工具の移動軌跡を示す説明図である。 本発明の第４実施形態における摩擦封孔装置による摩擦封孔工程を示し、（Ａ）は１回目の回転工具のスタンピング位置を示し、（Ｂ）は封孔処理が行われた低熱伝導率部材の封孔部と未封孔部を示し、（Ｃ）は２回目の回転工具のスタンピング位置を示し、（Ｄ）は回転工具による外周側のスタンピング軌跡を示す説明図である。 本発明の第５実施形態における摩擦封孔工程を示し、（Ａ）は低熱伝導率部材の上面が露出したピストン母材の円形溝とこの上方位置に回転工具が待機した状態を示し、（Ｂ）は円形溝内にアルミニウム合金粉末を充填すると共に、この上方位置に回転工具が待機した状態を示し、（Ｃ）は回転工具によってアルミニウム合金粉末を回転工具で摩擦封孔している状態をそれぞれ示す説明図である。

　以下、本発明に係る内燃機関のピストン製造方法と、このピストンの摩擦封孔装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。本実施形態に供されるピストンは、筒内火花点火式のいわゆる直噴型ガソリン機関に適用したものである。

　前記ピストン１は、全体が母材としてＡＣ８Ａ　Ａｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面２ａ上に燃焼室を画成する冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部３ａ及び反スラスト側スカート３ｂと、該各スカート部３ａ、３ｂの円周方向の両側端に各連結部位を介して連結された一対のエプロン部４ａ、４ｂと、を備えている。なお、このエプロン部４ａ、４ａには、図外のピストンピンの両端部を支持するピンボス部４ｂ、４ｂが一体に形成されている。

　前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、燃焼室を画成する冠面２ａは外周部が凸状に形成されていると共に、中央部が表面積の大きな平坦状の凹部２ｂが形成されている。この凹部２ｂの上面所定位置には、前記ピストン母材１’よりも熱伝導率の低い低熱伝導率部材５が鋳込み固定されている。また、冠部２の外周には、３つのピストンリング溝２ｃが形成されている。

　前記低熱伝導率部材５は、凹部２ｂでの埋設位置が図外のシリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁であるインジェクターからの燃料が直接噴射される位置であって、後述するピストン１の製造時（鋳造時）に凹部２ｂ内に一体的に鋳込まれて固定されていると共に、図２に示すように、ピストン母材１’よりも熱伝導率の低いガラス材からなる多孔質部材６の内部にピストン母材１’の一部が前記鋳込み時に含浸されている。

　すなわち、この低熱伝導率部材５は、ガラス材からなる多孔質部材６と、該多孔質部材６の空孔内に予め充填される水溶性塩が溶解した後の多くの空孔９ａに含浸される母材１’の一部であるアルミニウム合金材１ａとから構成されている。

　〔多孔質部材の製造方法〕
　以下、多孔質部材６の具体的な製造方法について説明すると、基本的に粉末ガラスである第1粉体８と、塩化化合物である第２粉体を混合して焼結させることによって成形する。

　すなわち、前記第１粉体８は、ガラス粉末であって、昇温によりガラス転移現象を示す非結晶固体である珪酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩を主成分とする硬く透明な物質である。化学的にはガラス状態になる主として珪酸化合物（珪酸塩鉱物）である。ガラスを構成する酸化物としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２０３、Ｂ２０３、ＢａＯ、Ｂｉ２０３、Ｌｉ２０、ＭｇＯ、Ｐ２０５、ＰｂＯ、ＳｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ｒ２Ｏ（Ｒはアルカリ金属：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋの略号）、ＲＯ（Ｒはアルカリ土類金属；Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの略号）がある。

　前記第１粉体８は、軟化する温度（軟化点）が第２粉体９の融点より低く、融点７００℃以上になっている。

　前記転移点は、ガラス構造が変化する温度であって、粘性約１０１３．３ｐｏｉｓｅ。前記軟化点は、ガラスが自重で軟化変形する温度であって、粘性約１０７．６ｐｏｉｓｅである。

　一方、第２粉体９は、材料として塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム、硝酸マグネシウム、硝酸カリウム、四ホウ酸ナトリウムなど水溶性の塩類であるが、この中の一つもしくは二つ以上の塩の混合塩であってもよい。

　前記塩化ナトリウムと、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウム、四ホウ酸ナトリウムのように融点が７００℃を超えかつ水溶性である塩が望ましい。

　この実施例では、まず、ホウ珪酸ガラス（旭硝子（株）製の粉末ガラス　ＡＳＦ１８９８）の第１粉体８に、前記塩化ナトリウムである第２粉体９を混合する。

　第１粉体８と第２粉体９の混合割合は、第２粉体９が６０～８０体積％で、第１粉体が４０～２０体積％に設定した。重量比の比率割合が５４：４６（重量比）となる混合粉を混合した（混合工程）。

　各粉末の粒径は、第１粉体８が平均粒径４．５μｍ、第２粉体９が８５０～１３００μｍの範囲に設定されており、この第２粉末９は、前記８５０～１３００μｍの粒径の含有割合が５０～８０％の範囲に設定されている。

　次に、前記混合粉を型に入れて加圧成形し、６５０℃～７５０℃の温度で、２０～４０分間加熱して焼成するが、本実施例では、７００℃の温度で３０分間加熱して焼結成形体を得た（焼成工程）。

　この焼結成形体を、攪拌された５５℃の湯中に浸漬して内部の第２粉体９（塩化ナトリウム）を溶解して成形体から抜き出して多くの空孔９ａを有する多孔質部材６を得た（溶解工程）。なお、この溶解工程は、第２粉体９を５０℃～９５℃の湯中で３０分～３時間の範囲内で行うようになっている。

　この多孔質部材６は、図３Ａに示すように、円盤状の基部６ａと、該基部６ａの上面に一体に設けられた小径円柱状の突起部６ｂとからなり、前記基部６ａの上端外周縁がテーパ面６ｃに形成されている。また、この多孔質部材６は、図３Ｂに示すように、第２粉体９が殆ど溶解されて消失して前記第１粉体８（ガラス）が残存する形になるので、第１粉体８の周囲には多数の空孔９ａが形成された状態になる。

　そして、前述した混合工程と焼成工程において、第１粉体８（ガラス粉末）と第２粉体９（塩化ナトリウム）の混合粉の成形体を加熱すると、塩化ナトリウムの粒子の周りをガラス粉末が覆うことになり、第１粉体８と第２粉体９の混合割合によって多孔質部材６の出来方が異なる。

　つまり、本願の発明者が、第１粉体８と第２粉体９の混合割合を種々変えた実験をしたところ、以下のような結果になった。

　すなわち、例えば、塩化ナトリウムの粉末が８０体積％以上で、ガラス粉末が２０体積％以下である場合には、加熱によってガラス粉末同士が溶融接合しないため、成形体を作ることができず、水または湯で溶解したときに成形体が崩れてしまう。

　また、塩化ナトリウムの粉末が５０体積％より少なく、ガラス粉末が５０体積％より多いと、加熱によってガラス粉末同士が容易に溶融接合して、塩化ナトリウム粉末の周りを覆ってしまう。したがって、その後の水または湯で塩化ナトリウムの粉末が溶かし出す際に、塩化ナトリウム粉末に水や湯が接触することができず、前記多孔質部材６を成形することが出来なくなる。

　塩化ナトリウム粉末が５０～８０体積％で、ガラス粉末が５０～２０体積％のとき、オープンな空孔９ａ（表面から内部までつながっている空孔）が得られる。塩化ナトリウム粉末は全て溶け出されることはなく、その一部はガラス粉末に覆われてクローズな状態になっている。このクローズな状態の塩化ナトリウム粉末の量は、該塩化ナトリウム粉末（第２粉体９）とガラス粉末（第１粉体８）の混合割合で決定される。

　そして、塩化ナトリウム（第２粉体９）が８０体積％のとき、溶解によって残留する塩化ナトリウムはなくなり、第２粉体９の体積％が減少していくと、残留塩化ナトリウムの体積％も上昇して第２粉体９が６０体積％のとき、残留する塩化ナトリウムの粉末は２５体積％となる。残留した塩化ナトリウム粉末は第１粉体８のガラス粉末に囲まれており、断熱材として機能する一方、得られた多孔質部材６に、後述するピストン鋳造合金（アルミニウム合金１ａ）を含浸させた後、含浸部分を切削加工して仕上げるが、その加工表面に残留した塩化ナトリウムが現れる。

　現れた塩化ナトリウム粉末を再び水または湯で溶解除去すると、加工表面は多孔質部材６であるガラスとピストン母材１’の鋳造合金の複合構造になって、塩化ナトリウム粉末が多くなるほど溶解量が多くなり、表面の凹凸が多くなって表面積が増大する。

　なお、残留する塩化ナトリウムは、該塩化ナトリウムの体積率が少なくなるほど多くなる。

　次に、前記第２粉体９の殆どが除去されて、主として第１粉体８（ガラス）によって構成された多孔質部材６を、ピストン１を成形する減圧鋳造用金型１０内に配置して、ピストン１の鋳造中に多孔質部材６の空孔９ａ内に母材１’の一部を含浸させて冠面２ａ内に低熱伝導率部材５を一体に埋設するようになっている。
〔ピストンの鋳造金型装置〕
　前記減圧鋳造用金型１０は、前記特開２０１４－２５４１８号公報に記載されたものと同じであるから、図４Ａ、Ｂに基づいて簡単に説明する。

　すなわち、前記金型１０は、モールド型１１を備え、このモールド型１１内には、センターコア１２及び該センターコア１２の周囲に配置したフィリップコア１３やサイドコア１４などの複数の分割コアを組み合せてなる中子１５を下部側に備えている。

　前記金型１０には、内部に冷却水を循環するための冷却路を形成した左右一対のリストピン１６が対向して水平に備えられている。

　前記金型１０は、前記リストピン１６を支持するモールドブッシュ１７を有し、上部側には、前記モールド型１１に対して着脱可能なトップコア１９が設けられている。このトップコア１９は、吸引排出部２０の一例としての空間部を備えた外トップコア２１と、この外トップコア２１に一体的に設けた内トップコア２３とから構成されている。

　前記外トップコア２１は、上端部に前記吸引排出部２０を封止するアダプター２５が設けられていると共に、このアダプター２５のほぼ中央にパイプ状の第１連通管２７が設けられている。この第１連通管２７は、前記吸引排出部２０に連通していると共に、例えば真空ポンプ（図示省略）などのような負圧発生手段に接続されている。

　前記内トップコア２３は、前記中子１５と対向して設けられると共に、該中子１５及び前記モールド型１１との間にキャビティ２９を形成するものである。また、この内トップコア２３は、例えばＳＵＳ材等の鉄系金属粉末を焼結してなる多孔質材料により通気性金型（多孔質金型）によって構成されている。

　また、前記内トップコア２３の前記中子１５と対向したキャビティ面２３Ａは、前記キャビティ２９にアルミニウム合金の溶湯を給湯（注湯）して製品としてのピストン１を成形するときに、ピストン１の冠面２ａを転写するための転写面に形成されている。このキャビティ面２３Ａは、放電加工により仕上げ面に形成されている。

　したがって、内トップコア２３のキャビティ面２３Ａは、切削加工や研磨加工によることなく放電加工によって製品仕上げ面に加工されているので、金属粉末粒子が潰れて粒子間の空孔を塞ぐようなことがなく、粉末粒子間の空孔の通気性が良好に保持されているものである。

　また、内トップコア２３の前記冠面２ａの凹部２ｂが形成される部位に対応する位置には、図４（Ａ）に示すように、この内トップコア２３と前記吸引排出部２０及びアダプター２５を上下方向から貫通した金属パイプ状の第２連通管３０が設けられていると共に、この第２連通管３０の下端部に位置する部位に、前記多孔質部材６を保持するほぼ円錐状の保持溝３１が形成されている。つまり、前記多孔質部材６は、予め内トップコア２３のキャビティ面２３Ａの所定位置に保持されている。

　前記第２連通管３０は、上端部に前記第１連通管２７と同じく真空ポンプ（図示省略）などのような負圧発生手段に接続されている。したがって、前記負圧発生手段を作動することにより、前記保持溝３１に予め保持された前記多孔質部材６の内部を減圧し負圧にして、後述するアルミニウム溶湯を多くの空孔９ａに含浸させるようになっている。

　前述したように、前記内トップコア２３が多孔質型に構成されていることによって、前記吸引排出部２０を負圧にすると、前記キャビティ２９内の気体は内トップコア２３を介して吸引排出部２０に吸引されて外部へ排出されることになる。また、前記キャビティ２９に注湯されたアルミ合金の溶湯は、前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａ（転写面）に吸引されて直接接触し、前記キャビティ面２３Ａの形状がそのまま転写されることになる。

　前記モールド型１１には、前記キャビティ２９に対して溶湯を給湯するための湯道３２が設けてあり、この湯道３２は前記キャビティ２９の下部側に連通している。

　〔ピストンの鋳造方法〕
　したがって、前記金型１０を用いてピストン１を鋳造するには、前記モールド型１１の湯道３２からキャビティ２９内へアルミ合金の溶湯を注入すると共に、吸引排出部２０内を負圧にする。したがって、キャビティ２９内の気体の排出を効果的に行うことができるものである。

　また、同時に前記真空ポンプによって第２連通管３０を介して多孔質部材６内を減圧して負圧にする。

　これにより、前記キャビティ２９内に供給された溶湯は、前記吸引排出部２０が負圧であることにより、内トップコア２３のキャビティ面２３Ａ（転写面）に直接吸引接触されて密着する。

　すなわち、キャビティ２９に対してアルミニウム合金溶湯を湯道３２から給湯し、湯口が溶湯によって閉塞されると、図外の減圧用のモータが駆動されて吸引排出部２０内の空気が排出され、吸引排出部２０が減圧される。この減圧によって吸引排出部２０とキャビティ２９との間に差圧が生じると、キャビティ２９内の気体は通気性金型（多孔質金型）２３の空孔を透過して外部へ排出される。

　そして、キャビティ２９内の溶湯が次第に上昇して前記内トップコア２３のキャビティ面２３Ａに接触すると、吸引排出部２０が減圧されていることにより、前記溶湯はキャビティ面２３Ａに吸引密着される態様となる。この際、ピストン１を成形する場合には、前記キャビティ面２３Ａの凹凸がピストンの冠面に転写されるものであり、ピストン冠面の凸部に相当するキャビティ面２３Ａの凹部２３Ｃの部分２３Ｂは、他の部分よりも薄く形成してあるので、この部分の溶湯の吸引密着がより効果的に行われ、ピストン冠面２ａの形状の出にくい部分であっても高精度に成形することができる。

　また、前記多孔質部材６内も負圧になっていることから、キャビティ２９内のアルミニウム溶湯の一部は前記多孔質部材６内に吸引されて、塩化ナトリウムが溶解された多数の空孔９ａ内に浸透して充填される。

　これにより、図５に示すように、内部にピストン母材１’と同じアルミニウム合金材１ａが含浸された低熱伝達率部５が母材１’に対して一体的に埋設固定される。なお、前記各空孔９ａにアルミニウム合金材１ａが充填されるが、僅かに前記第２粉体９（塩化ナトリウム）が残存している。

　その後、冷却された減圧鋳造用金型１０から前記低熱伝導率部材５が一体となったピストン母材１’を取り出し、図１に示すように、ピストン母材１’の外周面に形成された鋳バリ等やピストンリング溝２ｃを切削加工すると共に、前記低熱伝導率部材５（多孔質部材６）の突起部６ｂや基部６ａ上面を切削加工して冠面２ａと同一面に形成する一次機械加工を行う（切削工程）。
〔低伝導率部材上面の封孔処理〕
　そして、前記一次機械加工が終了した後に、図６～図８に示す摩擦封孔装置によって前記低熱伝導率部材５の表面に存在する空孔９ａの封孔処理を行う（摩擦封孔工程）。

　すなわち、図６は前記低熱伝導率部材５の表面の空孔９ａを摩擦によって封止するための摩擦封孔装置の概略構造を示している。この摩擦封孔装置は、公知の摩擦撹拌接合のための設備を流用したもので、ベッド４０上にワークとしてのピストン１が位置決めされるようになっているとともに、このベッド４０と対向するクロスヘッド４１が門型の架台４２に昇降可能に支持されている。前記クロスヘッド４２には、工具ホルダ４３を介して摩擦封孔のための中実円筒状の回転工具（ツールまたはプローブ）４４が下向きに装着されている。この回転工具４４は、クロスヘッド４２上の電動モータ４５と減速機構４６を介して回転駆動され、これら電動モータ４５と減速機構４６が回転機構を構成している。同時に、回転工具４４を含むクロスヘッド４２全体が移動機構である油圧シリンダ４７により昇降駆動されることになる。なお、摩擦封孔装置には、周知のように油圧源４８のほか制御盤４９が設けられている。

　ここで、前記回転工具４４は、先端面４４ａが低熱伝導率部材５の直径よりも一回り大きな円形の平坦面となっている。

　図７は図６に示した摩擦封孔装置におけるベッド４０上でのピストン１の位置決めを司る機構の詳細を示していて、（Ａ）は正面説明図を、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図をそれぞれ示している。図６の（Ａ），（Ｂ）に示すように、ベッド４０上でのピストン１の位置決めクランプに際しては、ベッド４０上にあるセンタ治具５０にピストン１をかぶせて凹凸嵌合させて冠面２ａを裏側から支えると共に、ピストン１側のピン穴に挿入可能な突起部５１ａを有する半割り状の左右一対のサイド治具５１を図示外の油圧シリンダにて前進動作させて、その左右一対のサイド治具５１にてピストン１を両側から加圧拘束して位置決めクランプするものとする。なお、ピストン１の変形を防止する上では、冠面２ａを裏側から支えるにあたって、全面接触で支えることが望ましい。前記左右のサイド治具５１及び油圧シリンダによって保持機構が構成されている（保持工程）。

　この状態で、回転工具４４を回転させながらその先端面４４ａを低熱伝導率部材５の上面５ａ全体に押し当てて、該上面５ａ全体を塞ぐ形にする。前述したように、回転工具４４の円形の先端面４４ａが低熱伝導率部材５の上面５ａよりも一回り大きく形成されているのは、このためである。ただし、回転工具４４の先端面４４ａが上面５ａから外れることがなければ、回転工具４４はその軸心までもが移動するような回転形態であっても良い。

　さらに、回転している回転工具４４に荷重を負荷して押し込み、規定の荷重（例えば５トン）や、押し込み量および摩擦トルクに達した時点で除荷して回転工具４４を引き上げてその回転を止める。

　そうすると、回転工具４４の先端面４４ａと低熱伝導率部材５の上面５ａとの間の摩擦熱によって低熱伝導率部材５の上面５ａ全体に塑性流動層５ｂが形成される。これによって、前記上面５ａに形成されていた各空孔９ａの開口部が封止される。

　なお、回転工具４４の回転速度や摩擦トルクなどの諸条件は、低熱伝導率部材５（多孔質部材６）の上面５ａのガラスである珪酸化合物や、ピストン１の母材１’であるアルミ合金材を摩擦熱によって軟化させて前記塑性流動層５ｂが形成されるように設定されている。

　図８は前記摩擦封孔処理の過程の詳細図であり、同図（Ａ）は予め所定位置に保持されたピストン１の低熱伝導率部材５の上面５ａに対して回転工具４４の先端面４４ａが接触していない状態を示し、同図（Ｂ）は低熱伝導率部材５の上面５ａ全体及びその周囲に回転工具４４の先端面４４ａが接触した状態を示している。さらに、同図（Ｃ）は低熱伝導率部材５の上面５ａに対して回転工具４４が規定量まで押し込まれて低熱伝導率部材５の上面５ａに塑性流動層５ｂが形成されて各空孔９ａが封孔された状態を示している。

　図８（Ｃ）に示すように、回転工具４４の押し込み回転に伴い、その回転工具４４の先端形状が転写されるかたちで、低熱伝導率部材５の周囲にはこれよりも一回り大きな別の凹部１８が形成されることになる。同時に、回転工具４４の押し込みに伴い、ピストン１の母材１’が押しのけられることで低熱伝導率部材５の周囲には「かえり」Ｆが発生するが、この「かえり」Ｆは二次機械加工の際に切削除去される。

　すなわち、二次機械加工の際には、回転工具４４の押し込みよりできた低熱伝導率部材５周囲の凹部を消失させるべく、低熱伝導率部材５の表面がピストン１の母材１’と面一状態となるように切削加工を施すことになるので、その際に「かえり」Ｆまでも同時に切削除去されることになる。

　低熱伝導率部材５の上面５ａの直径と回転工具４４の先端面４４ａの直径との関係は、回転工具４４の先端面４４ａの直径が上面５ａの直径を超えるものであれば良く、好ましくは回転工具４４の直径が低熱伝導率部材５の直径よりも１ｍｍ程度大きいことが望ましい。また、低熱伝導率部材５の形状は必ずしも円形である必要はないが、回転工具４４が円形のものである場合には低熱伝導率部材５も円形であることが望ましい。

　以上のように、本実施形態では、前述した荷重や回転トルク、回転速度など諸条件下において前記回転工具４４を回転させることにより、低熱伝導率部材５の上面５ａに円形状の塑性流動層５ｂが形成されて、前記各空孔９ａの開口面積の大小に拘わらず、ほぼ全ての空孔９ａの開口を効果的に封止させることができる。

　これによって、前記低熱伝導率部材５の上面５ａ側の封止された各空孔９ａには、噴射燃料が入り込まなくなることから、内燃機関の排気エミッション性能などの低下を抑制することができる。
〔第２実施形態〕
　図９Ａ～図９Ｅは第２実施形態を示し、回転工具を２つの種類のものを用意し、前記低熱伝導率部材５の上面５ａに対して２段階に分けて封孔処理を行うようにしたものである。

　すなわち、まず、第１段階として、図９Ａ、Ｂに示すように、第１回転工具５４として、第１実施形態のものと同じく横断面積が前記低熱伝導率部材５の外径よりも僅かに大きく形成されているが、先端部が内部中空状の円筒状に形成されて該先端部の先端面５４ａが円環状に形成されているものを用いる。

　第２段階として、図９Ｄ，Ｅに示すように、第２回転工具５５として、先端部の先端面５５ａの外径が前記第１回転工具５４の先端部の外径や低熱伝導率部材５の後述する中央部５ｃの外径よりも僅かに小さな円柱状のものを用いて、封孔処理を行う。

　そして、最初に、図９Ａ，Ｂに示すように、第１回転工具５４を用いて円環状の先端面５４ａを低熱伝導率部材５の上面５ａに所定荷重と回転トルクなどの前記諸条件下で押しつけて摩擦熱により軟化させて円環状の塑性流動層５ｂを形成する。したがって、図９Ｃに示すように、低熱伝導率部材５の上面５ａ外周側の円環状の領域に位置する各空孔９ａの開口部が封孔処理される。このとき、図示のように、未だ封孔処理が行われていない低熱伝導率部材５の中央部５ｃが、円柱状に盛り上がった形になっている。

　次に、第１回転工具５４を第２回転工具５５に取り替えて、図９Ｄ、Ｅに示すように、前記第２回転工具５５の先端面５５ａを前記低熱伝導率部材５の盛り上がった中央部５ｃの上面に該中央部５ｃから僅かに径方向外側へ偏心した位置で上方から押し付けて回転させ、そのまま第２回転工具５５を、中央部５ｃと外周側の既に塑性流動層５ｂが形成された部位を跨いだ状態で円を描くように旋回移動させる。これにより、前記中央部５ｃの上面に、摩擦熱により外周側の塑性流動層５ｂと同じ塑性流動層５ｂが形成される。

　このように、第１回転工具５４から第２回転工具５５に取り替えて２段階に封孔処理を行う理由は、第１実施形態のように、一つの回転工具４４を用いた場合は、回転工具４４の周速度の大きな外周側に最初に塑性流動層５ｂが形成されて封孔処理が進むが、その荷重や回転速度によって回転工具４４が変形してしまう場合には、単に回転工具４４を回転させるだけでは、この回転速度と荷重の両方が大きくなるほど低熱伝導率部材５の中心部の速度が遅くなって未塑性流動層が発生してしまい、十分な封孔効果が得られないおそれがある。

　そこで、本実施形態のように、低熱伝導率部材５の内外周側で２段階に封孔処理を行えば、低熱伝導率部材５の上面５ａ全体に塑性流動層５ｂを形成することができるので、効果的な封孔処理が行えるのである。

　また、本実施形態によれば、低熱伝導率部材５の上面５ａ全体を平らにすることができるので、その後の仕上げ加工で落とす肉が少なくなることから後処理が容易になる。
〔第３実施形態〕
　図１０及び図１１は第３実施形態を示し、この実施形態では、前記回転機構の他に、図外の移動機構を用いて一つの回転工具５６を、低熱伝導率部材５の上面５ａで回転させながら渦巻き状に移動させるようにしたものである。

　すなわち、前記回転工具５６は、先端面５６ａの外径が前記低熱伝導率部材５の外径よりも十分に小さく形成され、前記移動機構によって先端面５６ａを低熱伝導率部材５の上面５ａ上を外周側から中央部側へ渦巻き状に移動させるようになっている。

　また、図１１に示すように、前記渦巻き状の移動軌跡Ｍは、回転工具５６の先端面５６ａが内外で一部が重なるように外周側から内周側（中央側）へ渦巻き状となるように設定されていると共に、低熱伝導率部材５の上面５ａの外周部側では外周縁全体を覆った状態で移動するようになっている。

　したがって、この実施形態によれば、一つの回転工具５６を低熱伝導率部材５の上面５ａで外周側から中央側へ渦巻き状に移動させることによって、上面５ａ全体に均一な塑性流動層５ｃを形成することができる。つまり、低熱伝導率部材５の上面５ａよりも小さな面積の回転工具５６の先端面５６ａで塑性流動化を行いながら移動させて全体に広げるようにしたので、全体に均一な塑性流動層５ｃを形成することができる。

　しかも、回転工具５６の押し付け面積が小さいことから、小さな荷重で行うことが可能になり装置の小型化が図れる。

　また、一つの回転工具５６で渦巻き移動を連続して行うことから、封孔処理作業能率の向上も図れる。

　なお、前記回転工具５６を、前記移動機構によって低熱伝導率部材５の中央部側から外周側へ渦巻き状に移動させることも可能である。
〔第４実施形態〕
　図１２は第４実施形態を示し、この実施形態では回転工具５７を低熱伝導率部材５の上面５ａに対してスタンピング状に上下移動させると共に、スタンピング運動を繰り返しながら円を描くように外周側から内周側（中心側）へ移動するように構成したものである。

　前記回転工具５７は、第３実施形態のものと同じく外径が前記低熱伝導率部材５の上面５ａのそれよりも十分小さく形成されていると共に、図外の移動機構であるスタンピング機構よって先端面４０ａで低熱伝導率部材５の上面５ａを回転しながら一度押し付け、その後、一旦、上昇して前記押し付けた部位の中央部５ｄが重なるように円周方向へ移動し、ここでさらに下降して押し付け作業を行い、これら円周方向へのスタンピング運動と円周方向の移動を繰り返しながら順次小円形状の塑性流動化を行って、低熱伝導率部材５の上面５ａ全体に塑性流動層５ｂを形成するようになっている。

　具体的には、図１２Ａ、Ｂに示すように、まず、回転工具５７を低熱伝導率部材５の外周側に冠面２ａと跨った状態で回転しながら一度押し付けて、この部分で円形状の塑性流動層５ｂを形成する。その後、一旦、回転工具５７を上昇させて円周方向へ所定量移動させ、図１２Ｃに示すように、塑性流動層５ｂの中央部（白抜き部）５ｄを覆う位置で位置決めして、そのまま下降させて上面５ａを押し付けながら回転させる。これによって、次の円形状の塑性流動層５ｂを形成する。

　その後、図１２Ｄに示すように、前述したスタンピング運動と円周方向の移動を順次繰り返しながら低熱伝導率部材５の外周部全体の円形状の塑性流動層５ｂを形成する。

　前記外周部全体に塑性流動層５ｂが形成された後は、回転工具５７を、前記外周部の円環状の塑性流動層５ｂの一部が覆われる位置に内側へ移動させて、ここから、再び前述と同じスタンピング運動と円周方向の移動を繰り返して円環状の塑性流動層５ｂを形成し、その後、これら一連のスタンピング運動と円周方向の移動をさらに内周側で繰り返して行う。そして、最後の低熱伝導率部材５の中央部では、塑性流動層５ｂの中央部５ｄを覆った位置で回転工具５７によって非塑性流動層がなくなるように処理する。

　このように、本実施形態では、回転工具５７を、低熱伝導率部材５の上面５ａ上を摺動させるのではなく、スタンピング方式で移動させるようにしたことから、低熱伝導率部材５の上面５ａ全体に塑性流動層５ｂを効果的に形成することができる。

　本実施形態によれば、回転工具５７を小さく設定できるため、小さな荷重で行うことができ、摩擦攪拌部分の攪拌条件を同じにできる。また、スタンピング運動のため、回転工具５７を押し付けた範囲の周囲に発生するバリの影響を受けないため、確実性が向上する。

　他の構成は、前記各実施形態と同様であるから同一の作用効果が得られる。
〔第５実施形態〕
　図１３は第５実施形態を示し、前記冠面２ａの内部に埋設された低熱伝導率部材５の上面側に、該低熱伝導率部材５の外径よりも大きな凹部である円形溝２ｄを形成し、該円形溝２ｄの内部に、例えばピストン母材１’同じ材質のアルミニウム合金粉末５９を充填し、その後、このアルミニウム合金粉末５９を回転工具５８の平坦な円形状の先端面５８ａで押し付け回転させて低熱伝導率部材５の上面５ａに摩擦接合させるようにしたものである。

　すなわち、まず、前記ピストン１の鋳造時に、冠面２ａの内部に前述した低熱伝導率部５を一体的に埋設しておき、その後、この低熱伝導率部材５の上面５ａ側に前記円形溝２ｄを例えば機械加工によって形成する。この円形溝２ｄの底面側に、前記低熱伝導率部材５の上面５ａ全体が露出した状態になっている。なお、前記円形溝２ｄは、ピストン鋳造時に円形状の中子を用いて低熱伝導率部材５（多孔質部材６）の固定と一緒に成形することも可能である。

　ピストン１の鋳造後に、図１３Ｂに示すように、前記円形溝２ｄの内部にアルミニウム合金粉末５９を充填させ、その後、同図Ｃに示すように、アルミニウム合金粉末５９の上方から前記回転工具５８の平坦な先端面５８ａを押し付けて回転させることによって該アルミニウム合金粉末５９が前記低熱伝導率部材５の上面５ａに摩擦接合して蓋状のアルミニウム合金表面層６０がされ、この表面層６０によって前記各空孔９ａのそれぞれの開口を封止することができる。

　特に、本実施形態では、前記低熱伝導率部材５の上面５ａに、アルミニウム合金粉末５９を直接的に摩擦接合させることによって、前記アルミニウム合金粉末５９が各空孔９ａ内に入り込むことから、より効果的に各空孔９ａを封孔することができる。

　この実施形態では、前記円形溝２ｄ内に、アルミニウム合金粉末５９を充填するようになっているが、これに代えて、例えば予め円盤板状に形成されたアルミニウム合金材を収容配置することも可能である。

　本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、前記第１粉末８や第２粉末９の成分を、ピストン１の材料成分などに応じて任意に変更することが可能である。

　また、回転工具４４，５４，５５，５６，５７の先端面４４ａ、５４ａ、５５ａ、５６ａ、５７ａの形状は、平坦状に限定されるものではなく、曲面状であってもよい。

Claims (18)

1. 　ピストンの冠面に、前記ピストン母材よりも熱伝導率の低い多孔質部材を用いた低熱伝導率部材が設けられた内燃機関のピストンの製造方法であって、
   　前記多孔質部材の空孔内に溶湯を含浸させてなる前記低熱伝導率部材が前記冠面に設けられた状態で前記ピストンを保持する工程と、
   　前記ピストンが保持された状態で前記低熱伝導率部材の表面に、回転工具を押し当てて前記多孔質部材表面の空孔を摩擦熱により封孔処理を行う摩擦封孔工程と、
   　を備えたことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
2. 　請求項１に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
   　前記摩擦封孔工程では、前記回転工具を前記多孔質材の表面に対して押し当てる位置を移動させながら封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
3. 　請求項２に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
   　前記摩擦封孔工程は、前記回転工具を前記低熱伝導率部材の表面に対してスタンピング状に移動させながら押し当てて封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
4. 　請求項３に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
   　前記回転工具をスタンピング状に移動させる際には、前記回転工具の先端面外周部を、先に封孔処理された部位の中央部にかかるように移動させたことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
5. 　請求項４に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
   　前記摩擦封孔工程は、前記低熱伝導率部材の表面全体を封孔処理することを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
6. 　請求項５に記載の内燃機関用ピストンの製造方法であって、
   　前記摩擦封孔工程は、前記低熱伝導率部材の表面を中央から外側に渦巻き状に移動することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
7. 　請求項２の記載の内燃機関のピストン製造方法であって
   　前記摩擦封孔工程は、前記回転工具の先端面を前記低熱伝導率部材の表面に押付けながら連続的に摺動移動させて封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
8. 　請求項７に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
   　前記摩擦封孔工程は、前記回転工具の先端面を前記低熱伝導率部材の表面全体を連続的に摺動移動させて封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
9. 　請求項８に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
   　前記摩擦封孔工程は、前記回転工具の先端面を前記低熱伝導率部材の表面の中央側から外側へ、あるいは外側から中央側に渦巻き状に摺動移動させて封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
10. 　請求項１に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
    　摩擦封孔工程は、最初に、前記回転工具の円環状に形成された先端面によって前記低熱伝導率部材の表面の外周部を封孔処理し、
    　その後、前記回転工具の先端面よりも小径な円形状の先端面を有する別の回転工具で、前記低熱伝導率部材の表面の残りの中央部に封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
11. 　請求項１に記載の内燃機関のピストン製造方法において、
    　前記摩擦封孔工程の後に、前記低熱伝導率部材の表面を切削加工する切削工程を有することを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
12. 　請求項１に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
    　前記多孔質部材は、ピストン母材と同じ金属粉末材と該金属粉末材よりも熱伝導率の低いガラス粉末材とを融合させた金属成形体によって構成されていることを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
13. 　請求項１に記載の内燃機関のピストン製造方法であって、
    　前記摩擦封孔工程は、前記回転工具の先端面で前記低熱伝導率部材の表面全体を覆った状態で回転させて封孔処理を行うことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
14. 　請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法であって、
    　前記回転工具は、先端面が平面状に形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
15. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法であって、
    前記低熱伝導部材は、成形金型の内部所定位置に前記多孔質部材を配置した後に、前記金型内に溶湯を注入して前記多孔質部材の各空孔内に含浸させて前記低熱伝導率部材を固定することを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。
16. 　ピストンの冠面付近の内部に、該ピストンの母材よりも熱伝導率の低い多孔質部材の各空孔内にピストン母材の溶湯を含浸させて低熱伝導率部材を固定するピストン成形工程と、
    　前記ピストン冠面の前記低熱伝導率部材が位置する部位に、該低熱伝導率部材の上面全体が露出するように凹部を形成する凹部形成工程と、
    　前記凹部内の低熱伝導率部材の上面にピストン母材とほぼ同材質の封止材を配置する封止材配置工程と、
    　前記封止材の上面に回転工具を押し当てて前記封止材を摩擦熱によって軟化させることにより前記低熱伝導率部材の表面の空孔を封止する摩擦封止工程と、
    　を備えたことを特徴とする内燃機関のピストン製造方法。
17. 　ピストンの冠面に、前記ピストン母材よりも熱伝導率の低い多孔質部材を用いた低熱伝導率部材が設けられた内燃機関用ピストンの摩擦封孔装置であって、
    　前記冠面に前記低熱伝導率部材が設けられたピストンを保持する保持機構と、
    　先端面を前記低熱伝導率部材の表面に押し当てながら回転することによって摩擦熱を発生させて封孔処理を行う回転機構と、
    　前記回転機構の回転工具、または前記ピストン自体を前記空孔の封止処理可能な所定の位置に移動させる移動機構と、
    　を備えたことを特徴とする内燃機関用ピストンの摩擦封孔装置。
18. 　請求項１７に記載の内燃機関用ピストンの摩擦封孔装置において、
    　前記移動機構は、前記回転工具の先端面によって前記低熱伝導率部材表面の空孔に封孔処理を行った後に、前記回転工具を前記表面から一旦に離間させて再度別の位置にスタンピング状に移動させながら封孔処理を行うことを特徴とするピストンの摩擦封孔装置。

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