JP4058382B2 - クローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォータジャケット部のガスケット面側端部が閉塞されたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関を構成するシリンダブロックの１種として、図８に示すように、ウォータジャケット部１のガスケット面２側が閉塞されているクローズドデッキ型シリンダブロック３が挙げられる。クローズドデッキ型シリンダブロック３には、ブロック本体４の肉厚が同一であれば、ウォータジャケット部のガスケット面側が開放されているオープンデッキ型シリンダブロックに比して剛性が高いという利点がある。
【０００３】
クローズドデッキ型シリンダブロック３の場合、ウォータジャケット部１は、容易に崩壊させることが可能な中子、いわゆる崩壊性中子を用いて重力鋳造（ＧＤＣ）や低圧鋳造（ＬＰＤＣ）にて形成される。
【０００４】
その一方で、内燃機関においては、ボア穴５の内部でピストン（図示せず）が往復動作する。このため、ボア穴５には、耐摩耗性に優れる素材からなるシリンダスリーブ６、例えば、いわゆるＦＣスリーブやＭＭＣスリーブ等を挿入し、該シリンダスリーブ６の側周壁部にピストンの側周壁部を摺接させるようにしている。耐摩耗性に優れる他の素材としては、いわゆるハイシリコン系アルミニウムが例示される。
【０００５】
このようなクローズドデッキ型シリンダブロック３を製造する場合、まず、鋳造用金型によって形成されるキャビティに崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を配置しておき、この状態で溶湯をキャビティに注湯して、該溶湯で崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を囲繞する。
【０００６】
次に、溶湯を冷却固化することによってブロック本体４を設ける。この冷却固化に伴って、シリンダスリーブ６が鋳込まれる。
【０００７】
その後、前記崩壊性中子を崩壊させる。この崩壊によって得られた中空部が、ウォータジャケット部１となる。すなわち、この場合、ウォータジャケット部１は、ブロック本体４に設けられる。
【０００８】
ところで、近年では、地球温暖化を防止するために、省エネルギの観点から自動車等の燃費を向上させることが希求されている。その方策として、内燃機関等を軽量化することにより、最終製品である自動車を軽量化することが提案されている。
【０００９】
このような観点から、摩擦撹拌接合（例えば、特許文献１および２参照）が着目されている。摩擦撹拌接合によれば、例えば、アルミニウムからなるブロック本体４と、ハイシリコン系アルミニウムからなるシリンダスリーブ６とを接合する場合等、接合対象が異種金属同士であっても容易に接合させることができるからである。
【００１０】
すなわち、例えば、高圧鋳造（ＨＰＤＣ）によって肉厚の薄いブロック本体４を作製し、該ブロック本体４にシリンダスリーブ６を接合することによって、小型かつ軽量なクローズドデッキ型シリンダブロック３を得ることができると考えられる。しかも、ＨＰＤＣでは崩壊性中子を使用する必要がないので、コストを低減することができるという利点もある。
【００１１】
摩擦撹拌接合は、一般的には以下のようにして遂行される。まず、回転動作する摩擦撹拌接合用工具を、ワークに埋没させた後に接合対象である突き合わせ部に移動させ、さらに、該突き合わせ部に沿って変位させる。この変位に伴って、突き合わせ部の肉が摩擦熱にて軟化するとともに、摩擦撹拌接合用工具によって撹拌される。その結果、突き合わせ部が固相接合される。その後、摩擦撹拌接合用工具がワークから離脱される。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１７６６５８号公報（図１）
【特許文献２】
特開２０００−４２７５９号公報（図１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
シリンダブロックのさらなる小型化・軽量化を図るためには、例えば、ブロック本体とシリンダスリーブとの間に間隙を形成し、該間隙をウォータジャケット部とすることが想起される。この場合、上記のようにブロック本体４に中空部を設け、該中空部をウォータジャケット部１とする場合と異なり、ブロック本体にシリンダスリーブを鋳包む部位が不要となるからである。
【００１４】
しかしながら、上記から諒解されるように、摩擦撹拌接合においては、突き合わせ部が接合される。このため、ブロック本体とシリンダスリーブとを接合する場合には、ブロック本体とシリンダスリーブとを密着させて突き合わせ部を設ける必要がある。換言すれば、ブロック本体とシリンダスリーブとを摩擦撹拌接合にて接合しようとする場合、ブロック本体とシリンダスリーブとを密着させる必要があるので、両者間にウォータジャケット部を設けることは困難である。
【００１５】
すなわち、クローズドデッキ型シリンダブロックの小型化・軽量化を図るべくブロック本体とシリンダスリーブとの間にウォータジャケット部を設けた場合、摩擦撹拌接合を遂行することが著しく困難となるという不具合を招く。
【００１６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、肉厚が薄くかつ剛性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロックを低廉な製造コストで得ることが可能なクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、ブロック本体とシリンダスリーブとの間の間隙にウォータジャケット部が形成され、かつ前記ウォータジャケット部のガスケット面側端部が閉塞されたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法であって、
直径方向に窪んだ段部と、前記シリンダスリーブの一端面を載置するための載置部を有する穴部が設けられたブロック本体を作製する工程と、
前記穴部に前記シリンダスリーブを挿入し、該シリンダスリーブの一端面を前記載置部に載置するとともに、該シリンダスリーブの外周壁部と前記段部との間に前記ウォータジャケット部を形成する工程と、
互いに略直交し且つ互いに独立して回転自在な第１回転体及び第２回転体を具備する摩擦撹拌接合用工具を、前記シリンダスリーブの軸線方向と前記第１回転体の軸線方向とが平行となるように前記シリンダスリーブに挿入した後、前記第１回転体を前記シリンダスリーブの円周方向に沿って回転動作させながら、回転動作させた前記第２回転体の先端部で前記シリンダスリーブと前記穴部の内周壁部の肉を塑性流動させることで前記シリンダスリーブと前記穴部の内周壁部とを摩擦撹拌接合することによってシリンダブロックを得る工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
すなわち、本発明においては、シリンダスリーブを挿入する穴部に同心円状に拡径された段部を設け、該段部とシリンダスリーブとの間に形成される間隙をウォータジャケット部とするようにしている。このため、従来技術に係るシリンダブロックのようにブロック本体に中空部を設け、該中空部をウォータジャケット部とする必要がないので、ブロック本体にシリンダスリーブを鋳包む部位が不要となる。
【００１９】
しかも、この場合、シリンダスリーブやブロック本体の切削加工量が著しく低減する。その結果、クローズドデッキ型シリンダブロックの素材コスト、ひいては製造コストを低廉化することができる。
【００２０】
しかも、本発明においては、ブロック本体にウォータジャケット部となる中空部を設ける必要がない。このため、肉厚が薄くかつ軽量なクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることができる。
【００２１】
さらに、ブロック本体とシリンダスリーブとを摩擦撹拌接合で接合するので、両者が互いに異種の金属材からなる場合であっても、強固に接合することができる。その結果、得られたクローズドデッキ型シリンダブロックは、強度かつ剛性に優れたものとなる。
【００２２】
いずれにおいても、さらに、穴部に挿入されたシリンダスリーブのガスケット面側端面と、ブロック本体のガスケット面とを摩擦撹拌接合するようにすることが好ましい。これによりブロック本体とシリンダスリーブとの接合強度が向上するので、クローズドデッキ型シリンダブロックの強度および剛性を一層向上させることができる。
【００２３】
なお、クローズドデッキ型シリンダブロックが多気筒のものである場合、シリンダスリーブの外周壁部に平坦面を設け、穴部内で隣接するシリンダスリーブ同士を、前記平坦面を介して当接させるようにすることが好ましい。これにより、隣接するシリンダスリーブ同士の間の間隔が小さくなるので、肉厚が一層薄く軽量なクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることができる。
【００２４】
この場合、シリンダスリーブの直径方向に窪んでウォータジャケット部として機能する凹部を設けるようにしてもよい。これにより、隣接するシリンダスリーブ同士の間の間隔を大きくすることなく、換言すれば、肉厚を大きくすることなくクローズドデッキ型シリンダブロックの冷却効率を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
まず、その概略斜視一部切欠図を図１に示すブロック本体１０を作製する。
【００２７】
図１から諒解されるように、ブロック本体１０には、図２に示すシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを挿入するための穴部１４が設けられており、該穴部１４の下方には、連環状段部１６が設けられている。また、この穴部１４には、直径方向に窪んだ段部１８が設けられている。すなわち、穴部１４と段部１８は、同心円状に設けられている。なお、図１中、参照符号２０、２２は、それぞれ、ジャーナル部、ガスケット面を示す。
【００２８】
このブロック本体１０は、例えば、アルミニウムの溶湯を使用してのＨＰＤＣによって作製することができる。この際、鋳造用金型のキャビティに崩壊性中子を配置する必要はない。
【００２９】
なお、段部１８は、ＨＰＤＣを行う際に穴部１４と同時に設けるようにしてもよいし、ＨＰＤＣで穴部１４のみを形成した後、該穴部１４の内周壁部の一部を切り欠くことによって設けるようにしてもよい。
【００３０】
その一方で、図２に示すシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを作製する。このうち、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄは、例えば、ハイシリコン系アルミニウムからなるワークに対して押し出し成形や鋳造成形等の公知の成形法を施すことによって円筒体を設け、次に、該円筒体における側周壁部の一部を切り欠いて平坦面２４ａ、２４ｄをそれぞれ設けることによって作製される。
【００３１】
そして、平坦面２４ａ、２４ｄに、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄの各直径方向に窪んだ凹部２６ａ、２６ｄが設けられる。
【００３２】
残余のシリンダスリーブ１２ｂ、１２ｃは、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄにおける平坦面２４ａ、２４ｄと同様の平坦面２４ｂ、２４ｃが設けられた後、該平坦面２４ｂ、２４ｃから１８０°周回した位置にさらに平坦面２８ｂ、２８ｃが設けられることによって作製される。勿論、これら平坦面２４ｂ、２４ｃ、２８ｂ、２８ｃにも、凹部２６ｂ、２６ｃ、３０ｂ、３０ｃがそれぞれ設けられる。
【００３３】
次に、図３に示すように、これらシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄをブロック本体１０の穴部１４に挿入する。この際、挿入されたシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの下端部は、連環状段部１６の下方に設けられた段部（載置部）に載置される。これにより、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄが下方から堅牢に支持される。
【００３４】
穴部１４に挿入されたシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄにおける長手方向各端部の外周壁部は、該穴部１４の内周壁部に当接する。また、シリンダスリーブ１２ａの平坦面２４ａには、シリンダスリーブ１２ｂの平坦面２８ｂが当接する。同様に、シリンダスリーブ１２ｂの平坦面２４ｂにはシリンダスリーブ１２ｃの平坦面２８ｃが、シリンダスリーブ１２ｃの平坦面２４ｃにはシリンダスリーブ１２ｄの平坦面２４ｄがそれぞれ当接する。
【００３５】
また、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄにおける中腹部の外周壁部と段部１８とが離間するとともに、隣接するシリンダスリーブ１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、１２ｃと１２ｄとの間に凹部２６ａと３０ｂ、２６ｂと３０ｃ、２６ｃと２６ｄとが離間することにより、互いに連通する間隙が形成される。この間隙がウォータジャケット部３２となる。
【００３６】
このように、本実施の形態においては、穴部１４にシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを挿入することに伴ってウォータジャケット部３２が形成される。
【００３７】
次に、ブロック本体１０と、穴部１４に挿入されたシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄとを摩擦撹拌接合して両部材１０、１２ａ〜１２ｄを接合一体化する。すなわち、まず、穴部１４の内周壁部と、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの外周壁部とを摩擦撹拌接合する。
【００３８】
図４に示すように、摩擦撹拌接合用工具４０は、第１回転体４２と、該第１回転体４２の側周壁部に設けられて第１回転体４２とは独立して回転可能な第２回転体４４と、該第２回転体４４に比して小径でかつ先端が円錐状のプローブ４６を備える。このように構成された摩擦撹拌接合用工具４０をシリンダスリーブ３０ａ内に挿入するとともに、プローブ４６を、該シリンダスリーブ１２ａの内周壁部に当接させる。この際、プローブ４６の位置をウォータジャケット部３２よりも下方とする。
【００３９】
この状態で第２回転体４４を回転付勢すると、プローブ４６がシリンダスリーブ１２ａの内周壁部に摺接することに伴って摩擦熱が発生し、該内周壁部におけるプローブ４６の当接箇所が軟化する。その結果、該プローブ４６の先端部が埋没する。
【００４０】
埋没したプローブ４６は、最終的に、シリンダスリーブ１２ａを通過して穴部１４の内周壁部に到達し、これに伴ってシリンダスリーブ１２ａの外周壁部と穴部１４の内周壁部とが摩擦熱によって軟化する。
【００４１】
次に、第１回転体４２を矢印Ｂ方向に回転付勢すると、埋没したプローブ４６がシリンダスリーブ１２ａの円周方向に沿って変位する。このようにしてプローブ４６が変位することに伴い、軟化した肉が該プローブ４６にて撹拌されて塑性流動した後、該プローブ４６が離間することに伴って固相接合する。この現象が逐次的に繰り返されることにより、シリンダスリーブ１２ａの外周壁部と、穴部１４の内周壁部とが接合一体化される。同時に、シリンダスリーブ１２ａの平坦面２４ａと、シリンダスリーブ１２ｂの平坦面２８ｂとも接合一体化されるに至る。
【００４２】
なお、この際、図３に示すように、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｂは、連環状段部１６の下方に設けられた前記載置部に載置されていることによって堅牢に支持されている。このため、摩擦撹拌接合を容易に遂行することができる。
【００４３】
以下、残余のシリンダスリーブ１２ｂ〜１２ｄに対して同様の操作を行えば、隣接するシリンダスリーブ１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、１２ｃと１２ｄが互いに接合され、かつブロック本体１０における穴部１４の内周壁部とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの外周壁部とが接合された４気筒のクローズドデッキ型シリンダブロック５０が得られる（図３参照）。このクローズドデッキ型シリンダブロック５０は、図３から諒解されるように、ウォータジャケット部３２におけるガスケット面２２側が閉塞されている。
【００４４】
さらに、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄにおけるガスケット面２２側の各端面とガスケット面２２とを摩擦撹拌接合によって接合一体化するようにしてもよい。この際には、図５に示すように、回転体５１と、プローブ５２とを有する摩擦撹拌接合用工具５４を使用すればよい。
【００４５】
この場合、図６に矢印Ａとして示すように、プローブ５２を、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄにおけるガスケット面２２側端面の外周縁部と、ブロック本体１０との突き合わせ部に沿って変位させる。この変位に伴い、前記外周縁部の肉と、ブロック本体１０におけるガスケット面２２の肉とが摩擦熱によって軟化するとともに、プローブ５２によって撹拌される。その結果、これらの肉同士が固相接合される。
【００４６】
次に、隣接するシリンダスリーブ１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、１２ｃと１２ｄのガスケット面２２側の各端面同士を摩擦撹拌接合する。この際には、図７の矢印Ｂ〜Ｄに沿ってプローブ５２を変位させるようにすればよい。
【００４７】
このように、ガスケット面２２側において、ブロック本体１０とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄ、および隣接するシリンダスリーブ同士の肉を接合一体化することにより、シリンダブロック５０の剛性を一層向上させることができる。なお、互いに接合された後の各部材１０、１２ａ〜１２ｄとの間には、視認可能な程度に明確な境界線は存在しない。
【００４８】
このクローズドデッキ型シリンダブロック５０を構成するブロック本体１０は、ＨＰＤＣにて鋳造成形されているので、肉厚が薄い。しかも、図３から諒解されるように、ブロック本体１０の段部１８とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄとの間の間隙がウォータジャケット部３２となるので、一般的なクローズドデッキ型シリンダブロック３（図８参照）のように、ウォータジャケット部１をブロック本体４の中空部として設ける必要はない。したがって、ブロック本体１０の肉厚を薄くすることができるので、クローズドデッキ型シリンダブロック５０の体積を小さくすることができる。換言すれば、クローズドデッキ型シリンダブロック５０を小型化することができるとともに、軽量化することができる。
【００４９】
また、ＨＰＤＣにおいては、崩壊性中子を使用する必要がない。換言すれば、崩壊性中子を準備する必要もない。このため、崩壊性中子に要するコストが不要となるので、クローズドデッキ型シリンダブロック５０の製造コストを低廉化することもできる。
【００５０】
そして、本実施の形態によれば、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの外周壁部の一部を切断除去するのみであり、ブロック本体１０やシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを大幅に切削除去する必要は特にない。すなわち、廃材の量が著しく少ない。その上、この場合、ブロック本体１０を安価なアルミニウムから構成するようにしている。以上の理由から、クローズドデッキ型シリンダブロック５０の素材コスト、ひいては製造コストを一層低廉化することができる。
【００５１】
しかも、摩擦撹拌接合を採用しているので、クローズドデッキ型シリンダブロック５０では、互いに異種の金属であるブロック本体１０（アルミニウム）と、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄ（ハイシリコン系アルミニウム）とが堅牢に接合されている。このため、該クローズドデッキ型シリンダブロック５０は、高い強度および剛性を示す。
【００５２】
さらに、このクローズドデッキ型シリンダブロック５０においては、耐摩耗性に優れるハイシリコン系アルミニウムからなるシリンダスリーブ１ａ〜１２ｄを使用しているので、充分な耐久性が確保される。
【００５３】
なお、上記した実施の形態においては、隣接するシリンダスリーブ同士の間にもウォータジャケット部３２を設けるようにしているが、必ずしもその必要はなく、ブロック本体１０とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの各々との間にのみウォータジャケット部３２を設けるようにしてもよい。
【００５４】
また、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを予め溶接等によって接合し、シリンダスリーブ連結体とした後に穴部１４に挿入するようにしてもよい。
【００５５】
そして、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄは、ハイシリコン系アルミニウムからなるものに特に限定されるものではない。例えば、その他のアルミニウム合金からなるものであってもよいし、アルミニウムからなるものであってもよい。別の好適な例としては、急冷製造されたアルミニウム粉が焼結されてなるアルミ急冷粉スリーブや、ＭＭＣスリーブ等を挙げることができる。
【００５６】
一方、ブロック本体１０は、アルミニウムからなるものに限定されるものではなく、マグネシウムまたはマグネシウム合金等、他の素材からなるものであってもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法によれば、シリンダスリーブを挿入する穴部に同心円状に拡径された段部を設け、該段部とシリンダスリーブとの間に形成される間隙をウォータジャケット部とするようにしている。このため、廃材の量が著しく少なくなるので、クローズドデッキ型シリンダブロックの素材コスト、ひいては製造コストを低廉化することができるという効果が達成される。
【００５８】
しかも、この場合、ブロック本体にウォータジャケット部となる中空部を設ける必要がないので、肉厚が薄くかつ軽量なクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クローズドデッキ型シリンダブロックを構成するブロック本体の概略斜視一部切欠図である。
【図２】クローズドデッキ型シリンダブロックを構成するシリンダスリーブの概略全体斜視図である。
【図３】ブロック本体の穴部にシリンダスリーブを挿入した状態を示す要部概略縦断面図である。
【図４】シリンダスリーブに摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させた状態を示す要部概略縦断面図である。
【図５】ブロック本体のガスケット面と、シリンダスリーブにおけるガスケット面側端部とを摩擦撹拌接合している状態を示す要部概略縦断面図である。
【図６】シリンダスリーブのガスケット面側の端面をブロック本体（ガスケット面）に接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図７】シリンダスリーブのガスケット面側の端面同士を接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図８】一般的なクローズドデッキ型シリンダブロックの要部概略縦断面図である。
【符号の説明】
１、３２…ウォータジャケット部 ２、２２…ガスケット面
３、５０…クローズドデッキ型シリンダブロック
４、１０…ブロック本体 ５…ボア穴
６、１２ａ〜１２ｄ…シリンダスリーブ
１４…穴部 １６…連環状段部
１８…段部 ２４ａ〜２４ｄ、２８ｂ、２８ｃ…平坦面
２６ａ〜２６ｄ、３０ｂ、３０ｃ…凹部
４０、５４…摩擦撹拌接合用工具 ４６、５２…プローブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォータジャケット部のガスケット面側端部が閉塞されたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関を構成するシリンダブロックの１種として、図８に示すように、ウォータジャケット部１のガスケット面２側が閉塞されているクローズドデッキ型シリンダブロック３が挙げられる。クローズドデッキ型シリンダブロック３には、ブロック本体４の肉厚が同一であれば、ウォータジャケット部のガスケット面側が開放されているオープンデッキ型シリンダブロックに比して剛性が高いという利点がある。
【０００３】
クローズドデッキ型シリンダブロック３の場合、ウォータジャケット部１は、容易に崩壊させることが可能な中子、いわゆる崩壊性中子を用いて重力鋳造（ＧＤＣ）や低圧鋳造（ＬＰＤＣ）にて形成される。
【０００４】
その一方で、内燃機関においては、ボア穴５の内部でピストン（図示せず）が往復動作する。このため、ボア穴５には、耐摩耗性に優れる素材からなるシリンダスリーブ６、例えば、いわゆるＦＣスリーブやＭＭＣスリーブ等を挿入し、該シリンダスリーブ６の側周壁部にピストンの側周壁部を摺接させるようにしている。耐摩耗性に優れる他の素材としては、いわゆるハイシリコン系アルミニウムが例示される。
【０００５】
このようなクローズドデッキ型シリンダブロック３を製造する場合、まず、鋳造用金型によって形成されるキャビティに崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を配置しておき、この状態で溶湯をキャビティに注湯して、該溶湯で崩壊性中子やシリンダスリーブ６等を囲繞する。
【０００６】
次に、溶湯を冷却固化することによってブロック本体４を設ける。この冷却固化に伴って、シリンダスリーブ６が鋳込まれる。
【０００７】
その後、前記崩壊性中子を崩壊させる。この崩壊によって得られた中空部が、ウォータジャケット部１となる。すなわち、この場合、ウォータジャケット部１は、ブロック本体４に設けられる。
【０００８】
ところで、近年では、地球温暖化を防止するために、省エネルギの観点から自動車等の燃費を向上させることが希求されている。その方策として、内燃機関等を軽量化することにより、最終製品である自動車を軽量化することが提案されている。
【０００９】
このような観点から、摩擦撹拌接合（例えば、特許文献１および２参照）が着目されている。摩擦撹拌接合によれば、例えば、アルミニウムからなるブロック本体４と、ハイシリコン系アルミニウムからなるシリンダスリーブ６とを接合する場合等、接合対象が異種金属同士であっても容易に接合させることができるからである。
【００１０】
すなわち、例えば、高圧鋳造（ＨＰＤＣ）によって肉厚の薄いブロック本体４を作製し、該ブロック本体４にシリンダスリーブ６を接合することによって、小型かつ軽量なクローズドデッキ型シリンダブロック３を得ることができると考えられる。しかも、ＨＰＤＣでは崩壊性中子を使用する必要がないので、コストを低減することができるという利点もある。
【００１１】
摩擦撹拌接合は、一般的には以下のようにして遂行される。まず、回転動作する摩擦撹拌接合用工具を、ワークに埋没させた後に接合対象である突き合わせ部に移動させ、さらに、該突き合わせ部に沿って変位させる。この変位に伴って、突き合わせ部の肉が摩擦熱にて軟化するとともに、摩擦撹拌接合用工具によって撹拌される。その結果、突き合わせ部が固相接合される。その後、摩擦撹拌接合用工具がワークから離脱される。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１７６６５８号公報（図１）
【特許文献２】
特開２０００−４２７５９号公報（図１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
シリンダブロックのさらなる小型化・軽量化を図るためには、例えば、ブロック本体とシリンダスリーブとの間に間隙を形成し、該間隙をウォータジャケット部とすることが想起される。この場合、上記のようにブロック本体４に中空部を設け、該中空部をウォータジャケット部１とする場合と異なり、ブロック本体にシリンダスリーブを鋳包む部位が不要となるからである。
【００１４】
しかしながら、上記から諒解されるように、摩擦撹拌接合においては、突き合わせ部が接合される。このため、ブロック本体とシリンダスリーブとを接合する場合には、ブロック本体とシリンダスリーブとを密着させて突き合わせ部を設ける必要がある。換言すれば、ブロック本体とシリンダスリーブとを摩擦撹拌接合にて接合しようとする場合、ブロック本体とシリンダスリーブとを密着させる必要があるので、両者間にウォータジャケット部を設けることは困難である。
【００１５】
すなわち、クローズドデッキ型シリンダブロックの小型化・軽量化を図るべくブロック本体とシリンダスリーブとの間にウォータジャケット部を設けた場合、摩擦撹拌接合を遂行することが著しく困難となるという不具合を招く。
【００１６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、肉厚が薄くかつ剛性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロックを低廉な製造コストで得ることが可能なクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、ブロック本体とシリンダスリーブとの間の間隙にウォータジャケット部が形成され、かつ前記ウォータジャケット部のガスケット面側端部が閉塞されたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法であって、
直径方向に窪んだ段部と、前記シリンダスリーブの一端面を載置するための載置部を有する穴部が設けられたブロック本体を作製する工程と、
前記穴部に前記シリンダスリーブを挿入し、該シリンダスリーブの一端面を前記載置部に載置するとともに、該シリンダスリーブの外周壁部と前記段部との間に前記ウォータジャケット部を形成する工程と、
互いに略直交し且つ互いに独立して回転自在な第１回転体及び第２回転体を具備する摩擦撹拌接合用工具を、前記シリンダスリーブの軸線方向と前記第１回転体の軸線方向とが平行となるように前記シリンダスリーブに挿入した後、前記第１回転体を前記シリンダスリーブの円周方向に沿って回転動作させながら、回転動作させた前記第２回転体の先端部で前記シリンダスリーブと前記穴部の内周壁部の肉を塑性流動させることで前記シリンダスリーブと前記穴部の内周壁部とを摩擦撹拌接合することによってシリンダブロックを得る工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
すなわち、本発明においては、シリンダスリーブを挿入する穴部に同心円状に拡径された段部を設け、該段部とシリンダスリーブとの間に形成される間隙をウォータジャケット部とするようにしている。このため、従来技術に係るシリンダブロックのようにブロック本体に中空部を設け、該中空部をウォータジャケット部とする必要がないので、ブロック本体にシリンダスリーブを鋳包む部位が不要となる。
【００１９】
しかも、この場合、シリンダスリーブやブロック本体の切削加工量が著しく低減する。その結果、クローズドデッキ型シリンダブロックの素材コスト、ひいては製造コストを低廉化することができる。
【００２０】
しかも、本発明においては、ブロック本体にウォータジャケット部となる中空部を設ける必要がない。このため、肉厚が薄くかつ軽量なクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることができる。
【００２１】
さらに、ブロック本体とシリンダスリーブとを摩擦撹拌接合で接合するので、両者が互いに異種の金属材からなる場合であっても、強固に接合することができる。その結果、得られたクローズドデッキ型シリンダブロックは、強度かつ剛性に優れたものとなる。
【００２２】
いずれにおいても、さらに、穴部に挿入されたシリンダスリーブのガスケット面側端面と、ブロック本体のガスケット面とを摩擦撹拌接合するようにすることが好ましい。これによりブロック本体とシリンダスリーブとの接合強度が向上するので、クローズドデッキ型シリンダブロックの強度および剛性を一層向上させることができる。
【００２３】
なお、クローズドデッキ型シリンダブロックが多気筒のものである場合、シリンダスリーブの外周壁部に平坦面を設け、穴部内で隣接するシリンダスリーブ同士を、前記平坦面を介して当接させるようにすることが好ましい。これにより、隣接するシリンダスリーブ同士の間の間隔が小さくなるので、肉厚が一層薄く軽量なクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることができる。
【００２４】
この場合、シリンダスリーブの直径方向に窪んでウォータジャケット部として機能する凹部を設けるようにしてもよい。これにより、隣接するシリンダスリーブ同士の間の間隔を大きくすることなく、換言すれば、肉厚を大きくすることなくクローズドデッキ型シリンダブロックの冷却効率を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
まず、その概略斜視一部切欠図を図１に示すブロック本体１０を作製する。
【００２７】
図１から諒解されるように、ブロック本体１０には、図２に示すシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを挿入するための穴部１４が設けられており、該穴部１４の下方には、連環状段部１６が設けられている。また、この穴部１４には、直径方向に窪んだ段部１８が設けられている。すなわち、穴部１４と段部１８は、同心円状に設けられている。なお、図１中、参照符号２０、２２は、それぞれ、ジャーナル部、ガスケット面を示す。
【００２８】
このブロック本体１０は、例えば、アルミニウムの溶湯を使用してのＨＰＤＣによって作製することができる。この際、鋳造用金型のキャビティに崩壊性中子を配置する必要はない。
【００２９】
なお、段部１８は、ＨＰＤＣを行う際に穴部１４と同時に設けるようにしてもよいし、ＨＰＤＣで穴部１４のみを形成した後、該穴部１４の内周壁部の一部を切り欠くことによって設けるようにしてもよい。
【００３０】
その一方で、図２に示すシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを作製する。このうち、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄは、例えば、ハイシリコン系アルミニウムからなるワークに対して押し出し成形や鋳造成形等の公知の成形法を施すことによって円筒体を設け、次に、該円筒体における側周壁部の一部を切り欠いて平坦面２４ａ、２４ｄをそれぞれ設けることによって作製される。
【００３１】
そして、平坦面２４ａ、２４ｄに、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄの各直径方向に窪んだ凹部２６ａ、２６ｄが設けられる。
【００３２】
残余のシリンダスリーブ１２ｂ、１２ｃは、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄにおける平坦面２４ａ、２４ｄと同様の平坦面２４ｂ、２４ｃが設けられた後、該平坦面２４ｂ、２４ｃから１８０°周回した位置にさらに平坦面２８ｂ、２８ｃが設けられることによって作製される。勿論、これら平坦面２４ｂ、２４ｃ、２８ｂ、２８ｃにも、凹部２６ｂ、２６ｃ、３０ｂ、３０ｃがそれぞれ設けられる。
【００３３】
次に、図３に示すように、これらシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄをブロック本体１０の穴部１４に挿入する。この際、挿入されたシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの下端部は、連環状段部１６の下方に設けられた段部（載置部）に載置される。これにより、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄが下方から堅牢に支持される。
【００３４】
穴部１４に挿入されたシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄにおける長手方向各端部の外周壁部は、該穴部１４の内周壁部に当接する。また、シリンダスリーブ１２ａの平坦面２４ａには、シリンダスリーブ１２ｂの平坦面２８ｂが当接する。同様に、シリンダスリーブ１２ｂの平坦面２４ｂにはシリンダスリーブ１２ｃの平坦面２８ｃが、シリンダスリーブ１２ｃの平坦面２４ｃにはシリンダスリーブ１２ｄの平坦面２４ｄがそれぞれ当接する。
【００３５】
また、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｄにおける中腹部の外周壁部と段部１８とが離間するとともに、隣接するシリンダスリーブ１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、１２ｃと１２ｄとの間に凹部２６ａと３０ｂ、２６ｂと３０ｃ、２６ｃと２６ｄとが離間することにより、互いに連通する間隙が形成される。この間隙がウォータジャケット部３２となる。
【００３６】
このように、本実施の形態においては、穴部１４にシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを挿入することに伴ってウォータジャケット部３２が形成される。
【００３７】
次に、ブロック本体１０と、穴部１４に挿入されたシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄとを摩擦撹拌接合して両部材１０、１２ａ〜１２ｄを接合一体化する。すなわち、まず、穴部１４の内周壁部と、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの外周壁部とを摩擦撹拌接合する。
【００３８】
図４に示すように、摩擦撹拌接合用工具４０は、第１回転体４２と、該第１回転体４２の側周壁部に設けられて第１回転体４２とは独立して回転可能な第２回転体４４と、該第２回転体４４に比して小径でかつ先端が円錐状のプローブ４６を備える。このように構成された摩擦撹拌接合用工具４０をシリンダスリーブ３０ａ内に挿入するとともに、プローブ４６を、該シリンダスリーブ１２ａの内周壁部に当接させる。この際、プローブ４６の位置をウォータジャケット部３２よりも下方とする。
【００３９】
この状態で第２回転体４４を回転付勢すると、プローブ４６がシリンダスリーブ１２ａの内周壁部に摺接することに伴って摩擦熱が発生し、該内周壁部におけるプローブ４６の当接箇所が軟化する。その結果、該プローブ４６の先端部が埋没する。
【００４０】
埋没したプローブ４６は、最終的に、シリンダスリーブ１２ａを通過して穴部１４の内周壁部に到達し、これに伴ってシリンダスリーブ１２ａの外周壁部と穴部１４の内周壁部とが摩擦熱によって軟化する。
【００４１】
次に、第１回転体４２を矢印Ｂ方向に回転付勢すると、埋没したプローブ４６がシリンダスリーブ１２ａの円周方向に沿って変位する。このようにしてプローブ４６が変位することに伴い、軟化した肉が該プローブ４６にて撹拌されて塑性流動した後、該プローブ４６が離間することに伴って固相接合する。この現象が逐次的に繰り返されることにより、シリンダスリーブ１２ａの外周壁部と、穴部１４の内周壁部とが接合一体化される。同時に、シリンダスリーブ１２ａの平坦面２４ａと、シリンダスリーブ１２ｂの平坦面２８ｂとも接合一体化されるに至る。
【００４２】
なお、この際、図３に示すように、シリンダスリーブ１２ａ、１２ｂは、連環状段部１６の下方に設けられた前記載置部に載置されていることによって堅牢に支持されている。このため、摩擦撹拌接合を容易に遂行することができる。
【００４３】
以下、残余のシリンダスリーブ１２ｂ〜１２ｄに対して同様の操作を行えば、隣接するシリンダスリーブ１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、１２ｃと１２ｄが互いに接合され、かつブロック本体１０における穴部１４の内周壁部とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの外周壁部とが接合された４気筒のクローズドデッキ型シリンダブロック５０が得られる（図３参照）。このクローズドデッキ型シリンダブロック５０は、図３から諒解されるように、ウォータジャケット部３２におけるガスケット面２２側が閉塞されている。
【００４４】
さらに、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄにおけるガスケット面２２側の各端面とガスケット面２２とを摩擦撹拌接合によって接合一体化するようにしてもよい。この際には、図５に示すように、回転体５１と、プローブ５２とを有する摩擦撹拌接合用工具５４を使用すればよい。
【００４５】
この場合、図６に矢印Ａとして示すように、プローブ５２を、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄにおけるガスケット面２２側端面の外周縁部と、ブロック本体１０との突き合わせ部に沿って変位させる。この変位に伴い、前記外周縁部の肉と、ブロック本体１０におけるガスケット面２２の肉とが摩擦熱によって軟化するとともに、プローブ５２によって撹拌される。その結果、これらの肉同士が固相接合される。
【００４６】
次に、隣接するシリンダスリーブ１２ａと１２ｂ、１２ｂと１２ｃ、１２ｃと１２ｄのガスケット面２２側の各端面同士を摩擦撹拌接合する。この際には、図７の矢印Ｂ〜Ｄに沿ってプローブ５２を変位させるようにすればよい。
【００４７】
このように、ガスケット面２２側において、ブロック本体１０とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄ、および隣接するシリンダスリーブ同士の肉を接合一体化することにより、シリンダブロック５０の剛性を一層向上させることができる。なお、互いに接合された後の各部材１０、１２ａ〜１２ｄとの間には、視認可能な程度に明確な境界線は存在しない。
【００４８】
このクローズドデッキ型シリンダブロック５０を構成するブロック本体１０は、ＨＰＤＣにて鋳造成形されているので、肉厚が薄い。しかも、図３から諒解されるように、ブロック本体１０の段部１８とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄとの間の間隙がウォータジャケット部３２となるので、一般的なクローズドデッキ型シリンダブロック３（図８参照）のように、ウォータジャケット部１をブロック本体４の中空部として設ける必要はない。したがって、ブロック本体１０の肉厚を薄くすることができるので、クローズドデッキ型シリンダブロック５０の体積を小さくすることができる。換言すれば、クローズドデッキ型シリンダブロック５０を小型化することができるとともに、軽量化することができる。
【００４９】
また、ＨＰＤＣにおいては、崩壊性中子を使用する必要がない。換言すれば、崩壊性中子を準備する必要もない。このため、崩壊性中子に要するコストが不要となるので、クローズドデッキ型シリンダブロック５０の製造コストを低廉化することもできる。
【００５０】
そして、本実施の形態によれば、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの外周壁部の一部を切断除去するのみであり、ブロック本体１０やシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを大幅に切削除去する必要は特にない。すなわち、廃材の量が著しく少ない。その上、この場合、ブロック本体１０を安価なアルミニウムから構成するようにしている。以上の理由から、クローズドデッキ型シリンダブロック５０の素材コスト、ひいては製造コストを一層低廉化することができる。
【００５１】
しかも、摩擦撹拌接合を採用しているので、クローズドデッキ型シリンダブロック５０では、互いに異種の金属であるブロック本体１０（アルミニウム）と、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄ（ハイシリコン系アルミニウム）とが堅牢に接合されている。このため、該クローズドデッキ型シリンダブロック５０は、高い強度および剛性を示す。
【００５２】
さらに、このクローズドデッキ型シリンダブロック５０においては、耐摩耗性に優れるハイシリコン系アルミニウムからなるシリンダスリーブ１ａ〜１２ｄを使用しているので、充分な耐久性が確保される。
【００５３】
なお、上記した実施の形態においては、隣接するシリンダスリーブ同士の間にもウォータジャケット部３２を設けるようにしているが、必ずしもその必要はなく、ブロック本体１０とシリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄの各々との間にのみウォータジャケット部３２を設けるようにしてもよい。
【００５４】
また、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄを予め溶接等によって接合し、シリンダスリーブ連結体とした後に穴部１４に挿入するようにしてもよい。
【００５５】
そして、シリンダスリーブ１２ａ〜１２ｄは、ハイシリコン系アルミニウムからなるものに特に限定されるものではない。例えば、その他のアルミニウム合金からなるものであってもよいし、アルミニウムからなるものであってもよい。別の好適な例としては、急冷製造されたアルミニウム粉が焼結されてなるアルミ急冷粉スリーブや、ＭＭＣスリーブ等を挙げることができる。
【００５６】
一方、ブロック本体１０は、アルミニウムからなるものに限定されるものではなく、マグネシウムまたはマグネシウム合金等、他の素材からなるものであってもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法によれば、シリンダスリーブを挿入する穴部に同心円状に拡径された段部を設け、該段部とシリンダスリーブとの間に形成される間隙をウォータジャケット部とするようにしている。このため、廃材の量が著しく少なくなるので、クローズドデッキ型シリンダブロックの素材コスト、ひいては製造コストを低廉化することができるという効果が達成される。
【００５８】
しかも、この場合、ブロック本体にウォータジャケット部となる中空部を設ける必要がないので、肉厚が薄くかつ軽量なクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クローズドデッキ型シリンダブロックを構成するブロック本体の概略斜視一部切欠図である。
【図２】クローズドデッキ型シリンダブロックを構成するシリンダスリーブの概略全体斜視図である。
【図３】ブロック本体の穴部にシリンダスリーブを挿入した状態を示す要部概略縦断面図である。
【図４】シリンダスリーブに摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させた状態を示す要部概略縦断面図である。
【図５】ブロック本体のガスケット面と、シリンダスリーブにおけるガスケット面側端部とを摩擦撹拌接合している状態を示す要部概略縦断面図である。
【図６】シリンダスリーブのガスケット面側の端面をブロック本体（ガスケット面）に接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図７】シリンダスリーブのガスケット面側の端面同士を接合する際の摩擦撹拌接合用工具の変位方向を説明するガスケット面側からの平面説明図である。
【図８】一般的なクローズドデッキ型シリンダブロックの要部概略縦断面図である。
【符号の説明】
１、３２…ウォータジャケット部 ２、２２…ガスケット面
３、５０…クローズドデッキ型シリンダブロック
４、１０…ブロック本体 ５…ボア穴
６、１２ａ〜１２ｄ…シリンダスリーブ
１４…穴部 １６…連環状段部
１８…段部 ２４ａ〜２４ｄ、２８ｂ、２８ｃ…平坦面
２６ａ〜２６ｄ、３０ｂ、３０ｃ…凹部
４０、５４…摩擦撹拌接合用工具 ４６、５２…プローブ
Claims (4)
- ブロック本体とシリンダスリーブとの間の間隙にウォータジャケット部が形成され、かつ前記ウォータジャケット部のガスケット面側端部が閉塞されたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法であって、
直径方向に窪んだ段部と、前記シリンダスリーブの一端面を載置するための載置部を有する穴部が設けられたブロック本体を作製する工程と、
前記穴部に前記シリンダスリーブを挿入し、該シリンダスリーブの一端面を前記載置部に載置するとともに、該シリンダスリーブの外周壁部と前記段部との間に前記ウォータジャケット部を形成する工程と、
互いに略直交し且つ互いに独立して回転自在な第１回転体及び第２回転体を具備する摩擦撹拌接合用工具を、前記シリンダスリーブの軸線方向と前記第１回転体の軸線方向とが平行となるように前記シリンダスリーブに挿入した後、前記第１回転体を前記シリンダスリーブの円周方向に沿って回転動作させながら、回転動作させた前記第２回転体の先端部で前記シリンダスリーブと前記穴部の内周壁部の肉を塑性流動させることで前記シリンダスリーブと前記穴部の内周壁部とを摩擦撹拌接合することによってシリンダブロックを得る工程と、
を有することを特徴とするクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。 - 請求項１記載の製造方法において、さらに、前記穴部に挿入された前記シリンダスリーブのガスケット面側端面と、前記ブロック本体のガスケット面とを摩擦撹拌接合する工程を有することを特徴とするクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
- 請求項１または２記載の製造方法において、前記シリンダスリーブの外周壁部に平坦面を設け、前記穴部内で隣接する前記シリンダスリーブ同士を、前記平坦面を介して当接させることを特徴とするクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
- 請求項３記載の製造方法において、前記平坦面に、前記シリンダスリーブの直径方向に窪んでウォータジャケット部として機能する凹部を設けることを特徴とするクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
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