JP3302291B2 - 複合材ピストンの製造方法およびその要部形成具 - Google Patents

複合材ピストンの製造方法およびその要部形成具

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用の耐久
性が要求される部位をアルミニウム以外の金属で補強す
る複合材ピストンの製造方法およびその要部形成具に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】内燃機関に用いられるピストンにあって
は、耐久性を高めるために、その主要部位に種々の補強
対策が講じられている。その一環としてピストン冠面燃
焼室リップ部に耐熱補強処理として主材であるアルミニ
ウム合金より耐熱性の高い鋳鉄や鉄材,あるいはその他
の耐熱材料などを鋳ぐるむ方式(例えば特開昭64−7
1631号公報)、あるいは陽極酸化処理と二硫化モリ
ブデンの含浸処理を併用するなど物理・化学的処理を施
すような方式を取り入れて耐久性を高めることが知られ
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
耐熱補強処理は、総じて作業工数が多くかかり、なかで
も表面処理による耐熱補強処理による場合には、複雑な
作業工程を経て処理されるものであるにもかかわらず使
用中における熱応力によって亀裂が発生するなど十分に
機能を果たしていないのが現状である。
【0004】また、ピストンのトップリング溝とトップ
ランド部位においては、内燃機関運転中に高温に曝され
てアルミニウム合金では軟化して、ピストンリングの上
下運動によって叩かれて段付き摩耗を起こしたり、トッ
プランドではスカッフィング現象を起こすなど、問題点
の解決に悩まされている。
【0005】また、ピストンピン孔の上側では、内燃機
関の運転中に耐熱性が不足して、ピンとの接触面にカジ
リ現象が生じて機能を損なうことがある。その対策とし
て、表面処理を施してこのピン孔表面に多孔質な状態を
作り出し、そこに二硫化モリブデンなど耐熱性に優れた
化学品を含浸させる処理で、前記表面の耐熱潤滑性の解
決を図っている。しかし、この方式でも応力集中による
耐熱強度面での対応は十分に解決されていない状況にあ
る。
【0006】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、耐熱性機能と併せて熱膨張変形も
抑制できて、簡単な操作で作業性の向上が図れる複合材
ピストンの製造方法とその要部形成具を提供することを
目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用・効果】前述さ
れた目的を達成するために、第1発明による複合材ピス
トンの製造方法は、ピストンの鋳型上部に、冠面燃焼室
並びにトップランド部位とトップリング溝の形成部およ
びピストンピン孔の形成部の上部側を覆う耐熱強度の高
い鉄製で一体形状にされるピストンの要部形成具を、位
置決めして装入し、このピストンの要部形成具をアルミ
ニウム合金の溶湯によって鋳ぐるみ、得られた鋳造中間
製品を機械加工して仕上げることにより、ピストンの冠
面部およびトップランド部位とトップリング溝、並びに
ピストンピン孔の上面側を前記鉄製によって形成される
ようにすることを特徴とする。
【0008】本発明によれば、耐熱強度に優れる鉄材で
予め一体に成形されているピストンの要部形成具を鋳型
内に位置決めして上部から装入後、溶湯で鋳ぐるむこと
により問題となる要所を一挙にすべて補強でき、以後機
械加工によって所定の寸法形状に仕上げることで、要部
に強度にすぐれた鉄材が露出されて、亀裂の発生や局部
の変形を防止して、あるは滑動面でのカジリ現象などを
解消して所期の目的を達成できる製品が得られる。しか
も生産性が向上して製品コストの削減を容易にできると
いう効果を奏する。
【0009】本発明において、前記ピストンの要部形成
具を鋳型に位置決め装入するに際して、このピストンの
要部形成具によって鋳型の開口上面を覆うとともに、当
該ピストンの要部形成具に予め位置決め部材を取り外し
可能に付しておき、鋳型側には前記位置決め部材の一部
が係合する嵌め合い部を設けて、この鋳型側の嵌め合い
部に前記位置決め部材を係合させてピストンの要部形成
具を鋳型に装入させるようにするのがよい。こうすれ
ば、鋳造時ピストンの要部形成具が正しく鋳ぐるまれて
確実に製品を得ることができるという効果を奏する。
【0010】次に、第2発明によるピストンの要部形成
具は、ピストンのヘッド部から少なくともトップリング
溝の形成位置までの厚みで鋳型の上面に受支されるフラ
ンジ部をそなえる円盤状の主体と、この主体から鉛直に
ピストンピン孔の上面部に達する長さの一対の脚片を備
える鋳鉄製で、前記主体の上面に半径方向に突き出す位
置決め片が着脱可能に取り付けられている構成であるこ
とを特徴とするものである。
【0011】このように構成されたピストンの要部形成
具によれば、このピストンの要部形成具における主体を
鋳型の開口部に、その主体外周のフランジ部を開口部周
辺に受支させて鋳型内に挿入保持させることができる。
そして、その主体の上面に取り付けられる位置決め片を
予め鋳型の上部に設けられている位置決め用の係止溝な
どに係合させる(嵌め合わせる)ことにより、主体の下
側に垂下されている一対の脚片がピストンピン孔位置に
対応されて正しく鋳型内にセットでき、内燃機関用のピ
ストンとして問題のある各部位を一挙に耐熱・耐摩耗性
の高い材料で補強できることになる。
【0012】前記ピストンの要部形成具において、前記
主体の中央位置に上向きに所要長さ突き出す筒状の押し
湯部を設けることが好ましい。このように構成されるこ
とにより、別途に押し湯口を設けることなく、凝固時の
収縮に対応できて、製品に引けが発生するのを防止する
のに役立て得る効果を奏する。もちろん、この押し湯口
は機械加工時に切り落とせばピストン完成品を得るのに
支障がない。
【0013】
【発明の実施の形態】次に、本発明によるピストンの製
造方法についてその具体的な実施の形態につき、ピスト
ンの要部形成具の具体例の図面を参照しつつ説明する。
【0014】図1にピストンの要部形成具(以下、ピス
トン要部形成具という)の実施の形態が縦断面図によっ
て示されている。この実施の形態では、ピストン要部形
成具1として、所要のピストンの仕上がり外径よりもや
や小さい直径で少なくとも製品ピストンの冠面(頂面)
の加工寸法加算された位置からトップリング溝の位置よ
りやや下になるまでの高さ寸法で、かつ上部の外周部に
所要長さのフランジ2aを形成される主体2と、この主
体2の下面から製品ピストンのピストンピン孔の上面部
まで鉛直に伸びる脚片3が一対と、前記主体2の上面中
央に所要高さで突設される筒状の押し湯口4(押し湯
部)とを鋳鉄で一体に成形されている。なお、主体2の
上面には、位置決め片5(位置決め部材)が半径方向に
伸びて取り外し可能に設けられている。
【0015】前記ピストン要部形成具1の脚片3は、図
2によって示されるように、製品ピストンにおけるピス
トンピン孔24の直径よりも広い幅で主体2の下面から
垂下される。この脚片3の中間部は、前後両面に窪み部
3a,3aを設けて鋳ぐるまれる際にアルミニウムが十
分表面を覆うように形成される。また、脚片3の下端部
3bは、ピストンピン孔周面のほぼ1/4程度を占める
円弧状に形成されている。このような脚片3は左右対称
に形成される。
【0016】また、前記位置決め片5は、図3で示され
るように、角形の部材で、前記主体2のフランジ2a部
外周より外側に所要寸法(後述する鋳型側の位置決め用
の係止溝における溝底面に、この位置決め片5の先端が
接触すると、前記ピストン要部形成具1の中心が鋳型の
中心に合致するように突き出し寸法が設定される)突き
出すようにしてボルト6にてその主体2の上面に取り付
けられる。なお、この位置決め片5は、鋳造時にのみ必
要で、鋳ぐるまれないので、機械構造用炭素鋼などで形
成するのがよい。
【0017】次に、前記ピストン要部形成具1を用いて
ピストンを鋳造するには、図4によって示されるよう
に、注湯口13を鋳型10の上面より高くして、中子1
2を下部から挿入される周知構造のピストンの鋳型(金
型)10において、上面を開口されたキャビティ11内
に前記ピストン要部形成具1が装着されるように、予め
鋳型10の一部(この具体例では前記注湯口形成部14
の側面)に設けられる縦方向の係止溝15(嵌め合い
部)に前記位置決め片5の突出端部5’を係合させて、
その主体2のフランジ2a部を前記鋳型10の上面に受
支させる。こうすると、ピストン要部形成具1の中心が
鋳型10の中心線上に合致するとともに、両脚片3,3
がピストンピン孔(ピン中子)16の上部位置に対応し
て、主体2のフランジ2aにより鋳型10の上面で正し
く受支される。
【0018】このようにして準備が整えば、溶融アルミ
ニウム合金を注湯口13から鋳型10のキャビティ11
内に注入すれば、この鋳型10のキャビティ11上面が
溶融アルミニウム合金よりも質量の大きいピストン要部
形成具1の主体2によって覆われているので浮き上がる
ことはなく、この主体2のキャビティ11内に挿入され
ている部分から下が溶融アルミニウム合金に包まれて鋳
造されることになる。なお、押し湯はそのピストン要部
形成具1に一体に形成される押し湯口4に流入して、従
来の鋳型における場合と同様の機能を発揮される。
【0019】鋳造が終われば、周知の手段で鋳型10の
中子12およびピン中子16を抜き取り、鋳造されたピ
ストンの中間製品20aを鋳型10から取り出せば、図
5(a),(b)によって示されるように、ピストンの
ヘッド部に前述のピストン要部形成具1の主体2上部と
押し湯口4とが露出したものが得られることになる。
【0020】こうして得られたピストンの中間製品20
aは、位置決め片5をその取付ボルト6を外して取り除
き、その後に機械加工によって主体2および押し湯口4
を切削して、ピストン冠面の燃焼室22,リング溝23
(図6参照)および外周面の仕上加工、並びにピストン
ピン孔24の加工を施す。この結果、図6(a)(b)
で示されるように、製品のピストン20が出来上がる。
得られたピストン20は、冠面燃焼室22のリップ部2
2’,トップリング溝23aおよびトップランド部位2
3b,並びにピストンピン孔24の上面部24’が鋳ぐ
るまれた耐熱性強度・耐久性の高い金属(鋳鉄)の露出
によって補強され、アルミニウム合金では問題点となっ
ていた各部位の弱点をそれぞれ解消して、全体として耐
久性の高い製品が得られるのである。
【0021】このようにして得られる複合材ピストン
は、前述のように、予め補強を必要とする要部を一体化
された形状のピストン要部形成具1として鋳鉄によって
鋳造製作しておいて、このピストン要部形成具1をピス
トン鋳造時に、鋳型10に組み込むことにより複雑な手
段を必要とせずに複合化させて要部を補強することがで
き、得られる中間製品を機械加工すれば、所期の目的を
達成できるピストンが得られることになる。また、位置
決め片5をピストン要部形成具1に取り付けておくこと
で、鋳型10に対するそのピストン要部形成具1の組み
込み作業を簡単にして作業性をより向上させることがで
きて有利である。またさらに、押し湯口4をそのピスト
ン要部形成具1に直接設けておくことで、押し湯口を別
個に取り付けることが省けるので便利である。
【0022】本発明によれば、前述のピストン要部形成
具1は鋳鉄によって形成しているが、耐熱強度の高い他
の鋼材を用いて形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係るピストン要部形成具の一
実施例の縦断面図である。
【図2】図2は、図1のピストン要部形成具の側面図で
ある。
【図3】図3は、図1で示されるピストン要部形成具の
全体斜視図である。
【図4】図4は、本発明に係るピストンの鋳造の実施の
態様を示す図である。
【図5】図5は、鋳造によって得られたピストンの中間
製品を表す図であって、(a)は外観斜視図、(b)は
一部を切断して要部を示す図である。
【図6】図6は、本発明によって得られるピストンを表
す図であって、(a)は外観斜視図、(b)は一部を切
断して要部を示す図である。
【符号の説明】 1 ピストン要部形成具 2 主体 2a フランジ 3 脚片 4 押し湯口 5 位置決め片 10 鋳型 11 鋳型のキャビティ 13 注湯口 14 鋳型の注湯口形成部 15 係止溝 16 ピストンピン孔(ピン中子) 20 ピストン(製品) 20a ピストンの中間製品 22 ピストンの燃焼室 23a トップリング溝 23b トップランド部位 24 ピストンピン孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22D 19/08 F02F 3/00 F02F 3/00 301 F02F 3/26 F16J 1/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストンの鋳型上部に、冠面燃焼室並び
    にトップランド部位とトップリング溝の形成部およびピ
    ストンピン孔の形成部の上部側を覆う耐熱強度の高い鉄
    製で一体形状にされるピストンの要部形成具を、位置決
    めして装入し、このピストンの要部形成具をアルミニウ
    ム合金の溶湯によって鋳ぐるみ、得られた鋳造中間製品
    を機械加工して仕上げることにより、ピストンの冠面部
    およびトップランド部位とトップリング溝、並びにピス
    トンピン孔の上面側を前記鉄製によって形成されるよう
    にすることを特徴とする複合材ピストンの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記ピストンの要部形成具を鋳型に位置
    決め装入するに際して、このピストンの要部形成具によ
    って鋳型の開口上面を覆うとともに、当該ピストンの要
    部形成具に予め位置決め部材を取り外し可能に付してお
    き、鋳型側には前記位置決め部材の一部が係合する嵌め
    合い部を設けて、この鋳型側の嵌め合い部に前記位置決
    め部材を係合させてピストンの要部形成具を鋳型に装入
    させることを特徴とする請求項1に記載の複合材ピスト
    ンの製造方法。
  3. 【請求項3】 ピストンのヘッド部から少なくともトッ
    プリング溝の形成位置までの厚みで鋳型の上面に受支さ
    れるフランジ部を備える円盤状の主体と、この主体から
    鉛直にピストンピン孔の上面部に達する長さの一対の脚
    片を備える鋳鉄製で、前記主体の上面に半径方向に突き
    出す位置決め片が着脱可能に取り付けられている構成で
    あることを特徴とする複合材ピストンの要部形成具。
  4. 【請求項4】 前記主体の中央位置に上向きに所要長さ
    突き出す筒状の押し湯部を設けることを特徴とする請求
    項3に記載の複合材ピストンの要部形成具。
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