JP5766190B2 - ピストンアセンブリの複数工程成形方法 - Google Patents

Description

本開示は、ピストンを製造するための複数工程成形方法に関する。

ピストン、特にピストンクラウンは、一般的に鋳造又は鍛造によって製造される。鍛造されたピストンクラウンは、鋳造されたピストンクラウンと比較して異なる材料特性を有する。例えば、鍛造されたピストンクラウンは、鋳造されたピストンクラウンよりも高い材料密度を有する傾向があり、少なくとも幾つかの用途において、鍛造されたピストンクラウンを鋳造されたピストンクラウンよりも望ましいものにしている。しかしながら、ピストンクラウンの鍛造は、鋳造作業を利用するよりも、製造するために時間及びコストがかかる恐れがある。鍛造プロセスの一形式では、ビレットがプレスに配置され、型によって、一回のストロークでピストンの適切な形状に鍛造される。鍛造後、ピストンクラウンは、冷却通路、リング溝及びドレーン通路等の特徴を形成するために切削され、次いで、最終的な寸法になるように仕上げ切削加工される。鍛造の別形式では、ビレットはプレスに配置され、ビレットに複数回のストロークを同じ型を用いて加えることによって最終形状に成形される。しかしながら、最終形状は、製造のために十分に正確ではない場合があり、ピストンクラウンはさらに広範囲の加工を必要とする場合がある。

切削は、コスト高となり得る手間のかかるプロセスである恐れがある。また、切削は、鍛造されたピストンクランを大量生産することも困難である。なぜならば、切削は時間を浪費する恐れがあるからである。最後に、切削は廃棄材料を生じる。ニアネットシェイプ（a near net shaped、部品の最終形状に近い形状）の部品の製造は、ピストンクラウンの最終寸法を達成するために必要な切削の量を減じる。

したがって、鍛造プロセスを利用してニアネットシェイプのピストンクラウンを製造し、次いでピストンクラウンを使用してピストンアセンブリを完成させる方法を提供する必要がある。

結合されたピストンスカートとピストンクラウンとを有するピストンアセンブリを示す部分的な断面図である。 典型的なビレットを示す図である。 第１のステーションにおいて据え込み加工された、図２Ａに示したビレットを示す図である。 第２のステーションにおいてピストンクラウンの中間形態に予備成形されたビレットを示す図である。 第３のステーションにおいてピストンクラウンの最終態様に成形されたピストンクラウンの中間形態を示す図である。 第４のステーションにおいてニアネットシェイプピストンクラウンに精密鍛造されたピストンクラウンの最終態様を示す図である。 典型的なピストンアセンブリ成形プロセスの流れを示す図である。

ここで、以下の説明と図面とを参照すると、開示されたシステム及び方法への例示的なアプローチが詳細に示されている。図面は幾つかの可能なアプローチを示しているが、図面は必ずしも実寸ではなく、幾つかの特徴は、本開示をよりよく例示及び説明するために誇張、除去又は部分的に断面されている。さらに、ここに示される説明は、網羅的であること、又は請求項を、図面に示されかつ以下の詳細な説明に開示された形状及び態様に制限若しくは限定することを意図したものではない。

さらに、以下の説明では幾つかの定数が導入される。幾つかの場合には、定数の例示的な値が提供される。別の場合には、特定の値は与えられない。定数の値は、関連するハードウェアの特性と、このような特性の互いの相関関係、及び開示されたシステムに関連する環境的条件及び操作条件に依存する。

図１は、ピストンクラウン３０とピストンスカート３２とを有する典型的なピストンアセンブリ２０を有している。ピストンアセンブリ２０は、ピストンスカートに固定結合されたピストンクラウン３０を有する。図１の例示において、ピストンクラウン３０とピストンスカートとは摩擦溶接５６によって結合されているが、ビーム溶接、レーザ溶接、又は１つ又は複数のボルト又はねじを用いた機械的な固定等のその他の形式の結合プロセスが利用されてもよい。ピストンクラウン３０は、燃焼ボウル４０と、リングベルト部分４２と、冷却通路４４とを有する。リングベルト部分４２は、ピストンリング（図示せず）を収容するための複数のリング溝を有する。特に、リングベルト部分４２は、第１のリング溝５０と、第２のリング溝５２と、第３のリング溝５４とを有し、第３のリング溝はオイルコントロールリングを収容する。

冷却通路４４はピストンアセンブリ２０内に配置されていてよく、冷却通路面６０を有していてよく、この冷却通路面は、少なくとも部分的にピストンクラウン３０の内壁６２とピストンスカート３２の内壁６４とによって形成されている。冷却通路４４は、１つ以上の流体入口開口７０と、１つ以上の流体出口開口７２とを有してよい。

１つの典型的な例示において、ピストンクラウン３０とピストンスカート３２とは互いに異なる材料から構成されていてよい。例えば、ピストンクラウン３０は、ピストンスカート３２とは異なるグレードの鋼材料から構成されていてよい。より具体的にいえば、ピストンクラウン３０に使用される鋼は、ピストンスカート３２とは異なる機械的特性、例えば降伏点、引張強さ、切欠靭性等を有していてよい。ピストンクラウン３０は外径Ｄも有しており、仕上げ外径Ｄは通常は約２００ｍｍ（約７．８７インチ）未満である。これは、ピストンクラウン３０を製造するために使用されかつ以下により詳細に論じられる複数工程鍛造プロセスが、ピストンクラウン３０に加えることができる力及びエネルギの制限された大きさを有してよいからである。したがって、図２Ａ〜図２Ｅに示されたプロセスによって製造されたピストンクラウン３０の直径Ｄの寸法は制限されていてよい。

ピストンクラウン３０は、概して図２Ａ〜図２Ｅに典型的な形式で例示された少なくとも２つの異なる成形ステーションを利用する複数工程鍛造プロセスによって形成されてよい。複数工程鍛造プロセスはニアネットシェイプのピストンクラウン５３０を製造する。ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０は、ピストンスカート３２に固定結合され、次いで仕上削りされ、これにより図１に示されたピストンアセンブリ２０が提供される。１つの典型的な例では、複数工程鍛造プロセスは、自動熱間鍛造プロセスにおいて１つの機械によって行われてよい。

３つのステーションが例示されているが、ピストンクラウンの特性に依存してより少ない又はより多くのステーションが設けられてよい。さらに、ステーションは、個別の熱間鍛造作業を提供するが、ステーションは、全体的な成形機構アセンブリの一部であってよい。複数工程鍛造プロセスの別の例では、ビレット１３０も熱間鍛造温度に加熱することができる。その代わりに、金属合金を成形前に加熱する必要なくビレット１３０を冷間鍛造することもできる。

図２Ａに示したように、ピストンクラウンビレット１３０が提供され、このピストンビレット１３０は長さＬと横断面Ｃとを有する。ビレット１３０は、原料のバーを成形機構アセンブリに供給し、バーを所定の長さＬにせん断することによって形成されてよい。一例では、せん断は、原料のバーからビレットを切断するカッタによって行われてよい。

次いで、ビレット１３０を形成する前に熱間鍛造プロセスが使用される場合、原料のバーは、長さＬにせん断される前に所定の鍛造温度に加熱されてよい。その代わりに、より低い温度においてせん断された後にビレット１３０自体が所望の鍛造温度に加熱されてもよい。いずれの場合にも、熱間鍛造温度は、通常、特定の金属の再結晶温度よりも高い温度である。例えば、鋼ベース金属合金のタイプは、約１０９５℃〜約１１５０℃（２００３゜Ｆ〜約２１０２゜Ｆ）の熱間鍛造温度を有してよい。しかしながら、アルミニウム合金等のその他のタイプの金属合金が使用されてもよい。

ビレット１３０は、せん断ステーションから、図２Ｂに示された第１のステーションへ搬送される。１つの例においては、せん断ステーションと第１のステーションとは、同じ成形機構アセンブリの一部である。第１のステーションにおいて、ビレット１３０は、概して長さＬを第２の長さＬ′に減じ、かつ横断面Ｃを第２の横断面Ｃ′に拡大するように形成され、これにより、ビレット２３０を形成する。より具体的にいえば、ビレット２３０は、ビレット１３０を据え込み加工し、概して長さＬを第２の長さＬ′に減じ、横断面Ｃを第２の横断面Ｃ′に拡大することによって鍛造することができる。図２Ｂに示したような１つのアプローチにおいて、第１の成形ステーションは、封止ライン２９４を有する第１の閉鎖型２９０を有している。第１の閉鎖型２９０の内部においてビレット２３０を据え込み加工することは、特に開放型によって製造されたビレットと比較した場合に、仕上がったピストンクラウン３０の材料分配及び同心性を改善する。しかしながら、開放型が使用されてもよい。

図２Ｃに移ると、ビレット２３０は、第２の成形ステーションにおいてピストンクラウン３３０の中間形態に予備成形される。つまり、ピストンクラウン３３０は、最終的なニアネットシェイプのピストンクラウン５３０の予備的な形状になっている。より具体的にいえば、ビレット２３０は、ピストンクラウン３３０の中間形態に予備成形されてよい。ピストンクラウン３３０は、最終的なニアネットシェイプのピストンクラウン５３０（図２Ｅに示されている）の予備的な形状になっている。ピストンクラウン３３０の予備成形は、その後の鍛造作業の前にピストンクラウン３３０を所定の寸法及び輪郭に成形することであり、例えば平坦化又はエッジ形成等の作業を含んでいる。図２Ｃにおいて、ピストンクラウン３３０は、第２の横断面Ｃ′から第３の横断面Ｃ′′になるようにさらに平坦化され、第２の長さＬ′は第３の長さＬ′′にさらに減じられている。また、予備成形段階の間にエッジ３９２も形成されてよい。

ピストンクラウン３３０の予備成形は、封止ライン３９４を備える第２の閉鎖型３９０によって行われる。図２Ｂと同様に、第２のステーションは、開放型を有してもよいが、閉鎖型を使用すると、仕上げられたピストンクラウン５３０は、開放型を使用した場合よりもニアネットシェイプにより近づく。図２Ｂ及び図２Ｃにおいて、第１の型２９０は第２の型３９０とは別個の構成部材である。つまり、ビレット１３０は第１のステーションから第２のステーションへ移動させられる。

次いで、図２Ｄを参照すると、ピストンクラウン３３０の中間形態は、第３の成形ステーションにおけるピストンクラウン４３０によって示されているように、ほぼ最終的な形状に成形される。同様に、第３の成形ステーションにおいて、封止ライン４９４を備えた第３の閉鎖型４９０が使用されてよいが、幾つかの状況においては開放型が使用されてもよい。ピストンクラウン４３０の成形は、例えば、燃焼ボウル４４０及び冷却通路４５６等のピストンクラウン４３０の複数の異なる特徴を鍛造することを含んでよい。ピストンクラウン４３０のほぼ最終的な形状は、所定の体積Ｖとして示されているような、材料の所定の体積を含んでいてもよい。

ピストンクラウン４３０の１つの典型的な例において、冷却通路４５６は、圧印加工によって形成されてよい。１つの例において、圧印加工は、ピストンクラウン４３０がまだほぼ熱間鍛造温度に加熱されている状態で行われてよい。圧印加工は、第３の成形ステーションの第３の閉鎖型４９０によって形成された封止ライン４９４に対してほぼ平行なピストンクラウン４３０のあらゆる表面において行われてもよい。

図２Ｅは、ニアネットシェイプを有するピストンクラウン５３０を示しており、ピストンクラウン４３０の最終形状が、ニアネットシェイプを有するピストンクラウン５３０に熱間精密鍛造されている。精密鍛造プロセスは、典型的な鍛造プロセスによって通常生ぜしめられる公差よりも、より正確な公差を生ぜしめるために使用されてよい。ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０は、ニアネットシェイプ体積Ｖ′を有していてよい。所定の体積Ｖ（図２Ｄに示されている）は、ニアネットシェイプ体積Ｖ′（図２Ｅに示されている）とほぼ等しい。ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０の１つの例において、リングベルト部分５４２が含まれていてよい。特に、リングベルト部分５４２の第１のリング溝５５０、第２のリング溝５５２及び第３のリング溝５５４のうちの少なくとも１つが、精密鍛造プロセスの間に形成されてよい。

図２Ｅの例において、第４のステーションは、第４の型５９０を有しており、この型は、同様に閉鎖型として示されており、成形プロセスによって生ぜしめられる特徴に対してほぼ平行に位置決めされてよい。つまり、第４の型５９０は、リングベルト部分５４２の第１のリング溝５５０、第２のリング溝５５２及び第３のリング溝５５４のうちの少なくとも１つに対してほぼ平行であってよい。第４の型５９０は、図２Ｂ〜図２Ｄに示された型２９０，３９０及び４９０のための対応する封止ライン２９４，３９４及び４０４に対してほぼ直角の封止線５９４を有するように示されている。

次いで、ニアネットシェイプの部品５３０は切削される。次いで、切削されたネットシェイプの部品５３０は、上述の多数の公知のアプローチのうちのいずれか１つを用いてピストンスカート３２に固定結合される。次いで、ピストンアセンブリには、図１に示されたピストンアセンブリ２０を製造するために、場合によっては仕上げ切削作業が行われてよい。旋削、フライス削り、研削、ホーニングは、ピストン等の円筒形の部品において正確な寸法及び表面を得るために一般的に使用される典型的な作業であるが、他の形式の仕上げ切削作業が行われてもよい。

前述のように、図２Ｄ及び図２Ｅにおいて、ピストンクラウン４３０の所定の体積Ｖは、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０のニアネットシェイプ体積Ｖ′とほぼ等しい。これは、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０を製造するために最小限の材料廃棄物が生じることを意味する。対照的に、幾つかのその他のタイプの鍛造部品は、貫通孔を形成するために穿孔作業を必要とする。貫通孔の形成は、鍛造部品からの別個の打抜き部分を生じ、これは、通常はスクラップ金属として処理される。別の例では、幾つかのタイプの鍛造部品は、フラッシュを有しており、このフラッシュは、その後の材料除去プロセスにおいて除去される必要があり、これも、スクラップ材料を生じる。従って、複数工程成形プロセスの別の利点は、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０が最小限のスクラップ材料を生ずるということである。

図２Ａ〜図２Ｅに示された複数工程鍛造プロセスの１つの典型的な例において、第１の成形ステーション、第２の成形ステーション、第３の成形ステーション、及び第４の成形ステーションは、互いに別個の構成部材であるが、それぞれ、単一の機械であることができる同じ成形機構アセンブリの部分である。この例において、ピストンクラウンは、１つの鍛造ステーションから次の鍛造ステーションへ自動的に移送される。特に、複数工程鍛造プロセスは自動熱間鍛造プロセスであってよく、このプロセスは、１つの機械によってビレット１３０からニアネットシェイプを有するピストンクラウン５３０を鍛造する。自動熱間鍛造プロセスは、ビレット１３０を形成するためにせん断される原料のバーが典型的な自動熱間鍛造機の入口側に供給されるように行われてよい。ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０は、典型的な自動熱間鍛造機の出口端部に製造される。この例において、自動熱間鍛造機の成形ステーションにおける閉鎖型２９０，３９０，４９０及び５９０のそれぞれも、鍛造温度を維持するために加熱される。

ニアネットシェイプ部品５３０を製造するために複数工程成形プロセスを用いてピストンクラウン３０を製造することは、複数の理由から有利である。２つ以上の型を用いる多段成形プロセスは、仕上げられた部品を形成するために複数のストロークを用いる一段キャビティを用いて製造された部品と比較して、より狭い公差範囲及び改良された再現性を有する部品を提供する。現在利用可能な少なくとも幾つかの鍛造ピストンクラウンは、一段型を使用して製造される。これらの形式の鍛造ピストンクラウンは、仕上げられたピストンクラウンを製造するために広範囲の切削を必要とする。さらに、一段キャビティによって製造されたピストンクラウンは一般的に、例えば圧印加工等のより複雑な成形プロセスを許容しない。これは、一段型が冷却通路等のピストンクラウンの特徴部分を成形することができず、これらの特徴部分を切削する必要があることを意味する。複数のストロークを用いる同じ型における一段成形は、複数の異なる型を用いる多段成形プロセスよりも長いサイクル時間も必要とする。したがって、多段成形プロセスによって製造された部品は、サイクル時間が短縮されることにより、一段型によって製造された部品よりも大量生産することができる。

１つの好適な例において、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０は、ハテバー（Hatebur）タイプの鍛造機である自動熱間鍛造機のタイプによって製造されてよい。ハテバータイプ鍛造機は、部品を１つの金属鍛造ステーションから次の金属鍛造ステーションへ自動的に移送する多段金属加工機である。つまり、ハテバータイプ鍛造機は、オペレータが部品を１つのステーションから取り出してこれらの部品を次のステーションに配置する必要なく、部品を移送する。１つのステーションから次のステーションへの部品の自動的な移送は、サイクル時間を短縮する。つまり、ハテバータイプ鍛造機によって製造された部品は、その他のタイプの鍛造プロセスによって製造された鍛造部品と比較して、短縮されたサイクル時間を伴う傾向がある。

図２Ａ〜図２Ｅに示された多段成形プロセスは、ニアネットシェイプを有するピストンクラウン５３０を提供する。ニアネット鍛造品は、通常、仕上げられた部品の所要の寸法にできるだけ近く鍛造され、これにより、ほとんどの表面における必要な切削が、従来の鍛造プロセスによって鍛造された部品と比較して、より減じられる。ニアネット鍛造品の一例において、ニアネット鍛造品は、鍛造品のあらゆる機能的表面からの約０．７６ｍｍ（０．０３インチ）以下の材料除去を必要とする。その結果、ニアネットシェイプ部品は、完成品を製造するためにより少ない切削及び場合によってはより少ない切削工程を生じる。さらに、ニアネットシェイプ鍛造品は、完成品を提供するために除去される材料の量も減じる。なぜならば、ニアネット鍛造品は通常はバリを有さず、従来の鍛造品と比較して仕上げ公差により近い。つまり、結合プロセスのためにニアネットピストンクラウン５３０を準備するためにある程度の切削が行われるが、最終的なピストンクラウン３０を形成するために従来の鍛造プロセスによって鍛造された部品と比較して、ピストンクラウンが必要とする切削は減じられる。

特に図３を参照すると、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０を用いてピストンアセンブリを形成するための典型的なプロセス３００が示されている。プロセス３００は概してステップ３０２において開始する。ステップ３０２において、ビレットは所定のビレット体積にせん断される。次いでプロセス３００はステップ３０４に続く。

ステップ３０４において、ビレットを所定の鍛造温度に加熱することができる。例えば、所定の鍛造温度は金属の熱間鍛造温度であってよい。さらに、ビレット１３０は、成形前に金属合金を加熱する必要なく、冷間鍛造することもできる。したがって、ステップ３４０は選択的である。プロセス３００は次いでステップ３０６へ続く。

ステップ３０６において、ビレット１３０は、概して長さＬを第２の長さＬ′に減じかつ横断面Ｃを第２の横断面Ｃ′に拡大するように、上述のように第１の型２９０を用いて第１のステーションにおいて据え込み加工される。次いで、ステップ３０８において、ビレット２３０は、第２のステーションにおいて第２の型３９０を用いてピストンクラウン３３０の中間形態に予備成形される。次いで、プロセス３００はステップ３１０へ進行する。

ステップ３１０において、ピストンクラウン３３０はピストンクラウン４３０のほぼ最終的な形状に成形される。ステップ３１２において、冷却通路４５６は圧印加工によって形成され、この圧印加工は、ピストンクラウン４３０の最終形状を形成するための成形の一部である。次いで、プロセス３００はステップ３１４へ進行する。ステップ３１４において、ピストンクラウン４３０は、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０に精密鍛造される。プロセス３００はステップ３１６へ進行する。ステップ３１６において、ニアネットシェイプのピストンクラウン５３０は切削される。つまり、ピストンクラウンは、ピストンクラウン５３０をピストンスカートに結合するためにピストンクラウン５３０を準備するために切削される。次いで、プロセス３００はステップ３１８へ進行する。

ステップ３１８において、ピストンクラウン５３０は、図１に示されたピストンスカート３２等のピストンスカートに固定結合され、これにより、ピストンアセンブリ２０を形成する。最後に、ステップ３２０において、ピストンクラウン５３０及びピストンスカートに仕上げ切削加工が行われる。次いで、プロセス３００は終了する。

プロセス３００の方法のステップは典型的な順序で記載されているが、これらのステップは異なる順序で行われてもよい。さらに、上述のように、１つ以上のステップが省略されてもよいし、他の典型的な鍛造ステップが最初の段階と最後の段階との間に加えられてもよい。

本開示内容は前記例示に関連して特に図示及び説明されており、これは、単に開示内容を実施するための最良の態様の例である。以下の請求項に定義されたような開示内容の思想及び範囲から逸脱することなく、開示内容を実施する際には本明細書に記載された開示内容の例に対する様々な代替手段が採用されてもよいことは、当業者によって理解されるべきである。以下の請求項は、開示内容の範囲を規定し、これらの請求項の範囲に含まれる方法及び装置と、これらの均等物とが網羅されることが意図されている。開示のこの説明は、本明細書に記載された構成要素の全ての新規の非自明な組合せを含むと理解されるべきであり、請求項は、これらの構成要素のあらゆる新規の非自明な組合せに対して、本出願又は以降の出願に示されてよい。さらに、前記例示は例示的であり、本出願又は以降の出願の請求項に記載された全ての可能な組合せにとって、いずれの特徴又は構成要素も必須というわけではない。

Claims (6)

1. ピストンクラウン（５３０）を形成する方法において、
   長さ（Ｌ）と横断面（Ｃ）とを有するビレット（１３０）を提供し、
   前記ビレット（１３０）の長さ（Ｌ）を第２の長さ（Ｌ’）に減じかつ前記ビレット（１３０）の横断面（Ｃ）を第２の横断面（Ｃ’）に拡大するように、一組の第１の閉鎖型（２９０）を備える第１のステーションにおいて前記ビレット（１３０）を据え込み加工し、これにより第２のビレット（２３０）を形成し、
   前記第２のビレット（２３０）の第２の長さ（Ｌ’）を第３の長さ（Ｌ’’）に減じ、前記第２のビレット（２３０）の第２の横断面（Ｃ’）を第３の横断面（Ｃ’’）に拡大し、且つエッジ（３９２）を形成するように、一組の第２の閉鎖型（３９０）を備える第２のステーションにおいて前記第２のビレット（２３０）を予備成形し、これにより第３のビレット（３３０）を形成し、第１のステーションと第２のステーションとは別個の構成部分であり、
   一組の第３の閉鎖型（４９０）を備える第３のステーションにおいて、前記第３のビレット（３３０）をピストンクラウン（４３０）に成形し、該ピストンクラウン（４３０）は所定の材料体積（Ｖ）を有しており、
   圧印加工によって前記ピストンクラウン（４３０）に冷却通路を成形し、前記圧印加工が、前記ピストンクラウン（４３０）の成形と共に行われ、
   一組の第４の閉鎖型（５９０）を備える第４のステーションにおいて、前記ピストンクラウン（４３０）を、少なくとも１つのリング溝（５５０，５５２，５５４）を有するピストンクラウン（５３０）に精密成形し、前記ピストンクラウン（５３０）は材料体積（Ｖ’）を有していることを特徴とする、ピストンクラウンを形成する方法。
2. 原料のバーを前記ビレット（１３０）にせん断することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ビレット（１３０）を所定の鍛造温度に加熱することを含む、請求項１又は２記載の方法。
4. ピストンクラウンを第１のステーションと、第２のステーションと、第３のステーションと、第４のステーションとを通って前進させることを含み、
   第１のステーションと、第２のステーションと、第３のステーションと、第４のステーションとのそれぞれが、一つの成形機構アセンブリの一部である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第３のステーションは、第４のステーションとは別個の構成部分である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ピストンクラウン（５３０）の仕上げ直径が２００ｍｍ未満である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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