特許 7144295 内燃機関用ピストンの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-20

(45)【発行日】2022-09-29

(54)【発明の名称】内燃機関用ピストンの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B21K 1/18 20060101AFI20220921BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20220921BHJP

   F16J 1/14 20060101ALI20220921BHJP

   B21J 5/10 20060101ALI20220921BHJP

【ＦＩ】

B21K1/18 Z

F02F3/00 G

F16J1/14

B21J5/10 Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018225848

(22)【出願日】2018-11-30

(65)【公開番号】P2020082186

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-07-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099966

【弁理士】

【氏名又は名称】西 博幸

(74)【代理人】

【識別番号】100134751

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 隆一

(72)【発明者】

【氏名】前田 正弘

【審査官】堀内 亮吾

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－１７２６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０００９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９０４６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２１Ｋ １／１８

Ｆ０２Ｆ ３／００

Ｆ１６Ｊ １／１４

Ｂ２１Ｊ ５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンロッドの小端部が入り込む空洞部が裏面方向に開口していると共に、前記コンロッドの小端部とピストンを連結するピストンピンが嵌まる一対のピン穴が、前記空洞部を挟んで対向するように配置された一対のピンボス部を貫通するように形成されているピストンの製造方法であって、
前記空洞部が形成されている中間品の前記一対のピンボス部のそれぞれに対して、少なくとも前記空洞部の側から前記ピン穴の軸心方向にそれぞれインナーマンドレルを圧入して前記ピン穴を加工する工程を備えており、
前記空洞部の側から前記一対のピンボス部に対して各インナーマンドレルを圧入することが、前記ピストンの軸心及びピン穴の軸心と直交した方向から見て前記ピストンの頂面に向けて間隔が狭まったクサビ部を有するプッシャーを使用して前記各インナーマンドレルを横移動させることによって行われている、
内燃機関用ピストンの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関に使用されるピストン（鍛造ピストン）の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

自動車用等の内燃機関のピストンは、アルミ合金のような軽合金を材料にした鋳造品が多用されているが、軽合金はスチールに比べると強度に劣るという欠点がある。このため、過酷な使用状態が続くと亀裂が発生することがあるが、この亀裂は、一般に、ピン穴の内周部のうち、空洞部に寄った部位（ピンボス部の付け根部でかつピストンの頂面側に位置した部位）で発生している。

【0003】

すなわち、図４（Ｂ）に矢印Ｆで示すように、爆発工程（膨張工程）において、ピストンピンＰがピストン１９によってクランク軸に向けて強く押圧されるが、ピストン１９の頂面には圧力が均等に掛かるのに対して、空洞部２が存在することにより、ピストン１９は中央部が下向きに凹むように僅かながら曲がる傾向を呈しており、このため、ピンボス部３のうち空洞部２に寄った側でかつピストン１９の頂面側に位置した奥上部３ａがピストンピンＰに強く当たって、この奥上部３ａに大きな圧縮力が作用するのであり、この大きな圧縮力により、奥上部３ａがピストンピンＰの接線方向に広がる傾向を呈して、奥上部３ａに、ピン穴４及びピストンピンＰの接線方向に引き裂くような引っ張り応力が発生するのであり、その結果、奥上部３ａを起点にして亀裂が発生しやすい。

【0004】

そこで、ピストンを軽合金製としつつ割れに対する強度を高めることが検討されており、その例として特許文献１には、ピストンを鍛造によって製造することが開示されている。この特許文献１では、ピン穴と同心の逃がし穴が形成された中間品を鍛造によって製造してから、逃がし穴に向けて外側からマンドレルを圧入することによって、ピン穴を鍛造加工している。鍛造品は表面が硬化しているため、単なる鋳造品に比べて強度を向上できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００５－３０７９３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

さて、既述のとおり、ピンボス部の亀裂は、燃焼圧によりピンボス部の奥上部に強い圧縮力が作用することに起因して、奥上部に、ピン穴の接線方向に引き裂こうとする引張応力が発生するため、亀裂が発生しやすくなっている。

【0007】

従って、鍛造品においてピンボス部での亀裂の発生を的確に阻止するには、ピン穴の奥部においてピストンの上下方向に流れる鍛流線（ファイバーフロー）が、ピン穴の接線方向（外周方向）に向かうように塑性加工することにより、鍛流線の切断に対する抵抗を増大させて、ピン穴の接線方向に作用する引張応力に対する強度を向上させたらよいと云えるが、特許文献１のように外側のみからマンドレルを進入させる方法では、ピン穴の奥部では鍛流線がピン穴の軸心と直交した方向（放射方向）に向いたまません断破壊し、鍛流線が抵抗として寄与しない傾向があるため、ピン穴の奥部のピンボス部の亀裂対策として十分とは言い難い。

【0008】

本願発明は、このような現状を改善することを課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本願発明は、
「コンロッドの小端部が入り込む空洞部が裏面方向に開口していると共に、前記コンロッドの小端部とピストンを連結するピストンピンが嵌まる一対のピン穴が、前記空洞部を挟んで対向するように配置された一対のピンボス部を貫通するように形成されている」
という構成であるピストンの製造方法であり、この製造方法は、
「前記空洞部が形成されている中間品の前記一対のピンボス部のそれぞれに対して、少なくとも前記空洞部の側から前記ピン穴の軸心方向にそれぞれインナーマンドレルを圧入して前記ピン穴を加工する工程を備えており、
前記空洞部の側から前記一対のピンボス部に対して各インナーマンドレルを圧入することが、前記ピストンの軸心及びピン穴の軸心と直交した方向から見て前記ピストンの頂面に向けて間隔が狭まったクサビ部を有するプッシャーを使用して前記各インナーマンドレルを横移動させることによって行われている」
という点に特徴を有している。

【発明の効果】

【0010】

さて、鍛流線は塑性変形の方向に向かうように形成されるので、材料の変形が大きいほど鍛流線として顕著に現れる。そして、本願発明では、ピン穴は、少なくともピンボス奥の空洞部からマンドレルを圧入して形成するものであるため、ピン穴の奥部から、ピン穴の軸線方向に延びる鍛流線が生成される。従って、ピンボス部の奥上部は、燃焼圧力に起因した圧縮作用に対して非常に高い抵抗を発揮し、その結果、亀裂の発生を効果的に防止できる。

【0011】

つまり、鍛流線がピン穴の軸線方向に延びていると、ピン穴の内周部において金属粒子の結合力が強化される効果が発揮されて、鍛流線がピン穴の接線方向に延びているのと同じような状態が生成されるため、ピン穴の接線方向の引っ張りに対する抵抗が増大するのである。

【0012】

また、ピンボス部に亀裂を生じさせるには平行に延びる鍛流線を引き剥がす必要があるが、軸線方向に延びる鍛流線を引き剥がすには非常に大きな外力を要するため、燃焼圧によってピンボス部の奥上部に接線方向の引っ張り力が作用しても、これに対して強い抵抗が生じる。この面でも、亀裂の発生を効果的に防止できる。

【0013】

さて、マグネシウム合金は軽量でかつ耐熱性に優れていてピストンの材料として有望視されているものの、材料強度が低い問題があって実用化が遅れているが、鍛造構造に本願発明を適用することにより、マグネシウム合金製のピストンであっても高い強度を確保することが可能になる。従って、本願発明の技術的価値は非常に高いと云える。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態において、加工前のセット状態を示す縦断面図である。

【図2】（Ａ）は図１のIIA-IIA 視断面図、（Ｂ）は図１のIIB-IIB 視断面図、（Ｃ）は図１のIIC-IIC 視断面図である。

【図3】穿孔加工を終えた状態での縦断面図である。

【図4】（Ａ）は穿孔加工を終えた状態でのピストンの縦断面図、（Ｂ）はピン穴を仕上げ加工した状態での縦断面図である。

【図5】 参考例の加工前のセット状態を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

(1).第１実施形態の基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本願実施形態は図１～４に示している。本実施形態では、出発材料として中間品１が使用される。中間品には、コンロッド（図示せず）の先端部が遊嵌する空洞部２と、ピストンピン（図示ぜす）を保持するピンボス部３と、スカート部とピン穴４のパイロット穴になる逃がし穴５とが形成されている。

【0016】

中間品１は、円柱状の素材を材料にして鍛造で製造することも可能であるし、図で表示した状態に近い形状の素材を鋳造やダイキャストで製造し、そこから中間品１の形状を鍛造成型することも可能である。中間品１の外周にはピストンリング用環状溝６とオイルリング用環状溝７とを表示しているが、これらは、ピン穴４の加工後に形成してもよい。

【0017】

本実施形態では、ピン穴４の加工手段として、ピンボス部３に外側から圧入されるアウターマンドレル８の対と、ピンボス部３に空洞部２の側から圧入されるインナーマンドレル９の対と、インナーマンドレル９を外側に向けて横移動させるためのプッシャー１０と、インナーマンドレル９及びプッシャー１０が組み込まれた保持型１１とを備えている。従って、保持型１１には、インナーマンドレル９が逃がし穴５の軸心方向に進退動可能に嵌まった横穴１２が空いており、プッシャー１０は、保持型１１の内部に摺動自在に嵌まっている。アウターマンドレル８及びインナーマンドレル９の先端は、少し面取りされている。

【0018】

保持型１１の先端部１１ａは空洞部２の底面に当接するようになっており、先端部には、プッシャー１０の移動を許容するために凹所１３が形成されている。プッシャー１０のうちインナーマンドレル９と接する部分は、当該プッシャー１０の前進動によってインナーマンドレル９を逃がし穴５の方向に横移動させるために、逃がし穴５及びピストン軸線と直交した方向から見て、先端に向けて（ピストン１の頂面に向けて）幅が狭くなったクサビ部（カム部）１０ａになっている。図２（Ｃ）のとおり、クサビ部１０ａの横断面形状は角形になっている。

【0019】

他方、一対のインナーマンドレル９の対向した後端面９ａは、プッシャー１０の傾斜面と平行な傾斜面になっており、図２（Ｃ）のとおり、後端面９ａに、プッシャー１０がスライド自在に嵌合するガイド溝１４を形成している。

【0020】

アウターマンドレル８は、図示しない押圧手段により、逃がし穴５の軸心と同心の方向に往復移動する。また、アウターマンドレル８には、鍛造に際して中間品１から肉を逃がすための中空穴１５を形成している。

【0021】

(2).加工工程
図１は加工前のセット状態を示しており、中間品１は、円形の部分が嵌まる凹所を有する第１金型１６と、ピンボス部３が嵌まる部分を有する第２金型１７とで移動不能に保持されている。保持型１１は第２金型１７に装着されているが、保持型１１を第２金型１７に一体に設けることも可能である。アウターマンドレル８も、第２金型１７に設けるのが好ましい。なお、図では、第１金型１６を上にして中間品１は空洞部２を下向きに開口した姿勢に表示しているが、実際には、第１金型１６を下にして第２金型１７を上にした状態で加工するのが好ましい。

【0022】

ピン穴４の鍛造加工は、アウターマンドレル８を図示しない押圧手段によって軸心方向に前進させると共に、プッシャー１０を上昇させてインナーマンドレル９を前進させることによって行われる。すなわち、アウターマンドレル８とインナーマンドレル９とを前進させて、逃がし穴５が形成されている部分の肉を押し出すことにより、ピン穴４が形成される。この場合、押し出された肉は、アウターマンドレル８に形成されている中空穴１５から排除される。

【0023】

アウターマンドレル８とインナーマンドレル９との先端は面取りされているため、両者を互いに当接する状態まで前進させると、図４（Ａ）に示すように、内向き環状突起１８が残ったピン穴４が形成される。そこで、ドリル等によって仕上げ加工（切削加工）することによってピン穴４が形成され、これによってピストン１９が製造される。

【0024】

ピン穴４の鍛造加工において、ピンボス部３には、図３に示すように、マンドレル８，９の圧入による加圧作用によって、鍛流線２０，２１はピン穴４の軸線に平行な方向に引き込まれる。そして、ピンボス部３の肉は、インナーマンドレル９の押し出しによって逃がし穴５の軸線方向に逃げるため、インナーマンドレル９の圧入による鍛流線２１は、インナーマンドレル９の前進方向に向かって折り曲げられ、最終的に鍛流線２１がピストンの上下方向に向かいピン穴部で切断される部位２２は、インナーマンドレル９とアウターマンドレル８の突合せ部付近に移動する。

【0025】

そして、既に述べたように、ピストン１９が空洞部２を有していることに起因して、爆発工程においてピストン１９が押し曲げられることにより、ピンボス部３の奥上部３ａに強い圧縮力が作用しても、インナーマンドレル９によって形成された鍛流線２１が、ピン穴４の軸線方向に延びる部分を有していることにより、燃焼圧力によってピンボス部３の奥上部３ａに強い圧縮力が作用しても、これにしっかりと抵抗して高い強度を確保することができる。

【0026】

(3).参考例・その他
図５では、参考例を示している。この参考例では、アウターマンドレル８は使用せずにインナーマンドレル９のみを使用している。インナーマンドレル９は円筒状に形成されていて、保持型１１の横穴１２にスライド自在に嵌まっている。そして、インナーマンドレル９の内周には雌ねじが形成されており、逃がし穴５に外側から挿入したロッド２３をインナーマンドレル９にねじ込んでから、ロッド２３を外側に向けて引っ張ることにより、ピン穴４を加工する。

【0027】

この場合、肉を逃がすため、ロッド２３と逃がし穴５との間に若干のクリアランスを設けており、また、ロッド２３が装着されている第２金型１７にも、肉逃がしのための空所２４を形成している。なお、一対のロッド２３に挿通されたガイド棒を設けることにより、一対のインナーマンドレル９を同心に保持することも可能である。

【0028】

この参考例では、ピン穴４の内周部に生成される鍛流線２１は、ピン穴４の略全長に亙って、ピン穴４の軸心方向に延びる部分を有するため、強度は更に強くなると云える。なお、この参考例においても、アウターマンドレル８を併用することは可能である。

【0029】

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、インナーマンドレルの押圧手段として複動式の油圧シリンダを使用して、これを保持型の内部に配置することも可能である。また、インナーマンドレルにも、肉を逃がすための中空穴を形成することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本願発明は、内燃機関用ピストンの製造技術に具体化できる。従って、産業上利用できる。

【符号の説明】

【0031】

１ 中間品
２ 空洞部
３ ピンボス部
３ａ ピンボス部の奥上部
４ ピン穴
５ 逃がし穴
８ アウターマンドレル
９ インナーマンドレル
１０ プッシャー
１０ａ クサビ部
１１ 保持型
１２ 横穴
１４ ガイド溝
１９ ピン穴加工後のピストン
２０，２１ 鍛流線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】