(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッド部（１）の頂部に，ヘッド部（１）を強化する複合強化材（５）を複合結合してなるピストンを鋳造するに当たり，
金型（Ｍ）に形成されるキャビティ（１０）の底面に前記複合強化材（５）を設置し，前記金型（Ｍ）には，前記複合強化材（５）の半径方向外方で前記キャビティ（１０）の底面に開口してキャビティ（１０）の天井面を指向する複数のゲート（２２）と，これらゲート（２２）との対向位置でキャビティ（１０）の天井面に開口する複数のオーバーフロー出口（２３）と，このオーバーフロー出口（２３）に連なるオーバーフロー溜まり（２５）とが設けられており，前記ゲート（２２）から前記オーバーフロー出口（２３）に向けて溶湯（３０）を射出することにより，最初にキャビティ（１０）を通過した溶湯（３０）を前記オーバーフロー出口（２３）から排出した後，溶湯（３０）をキャビティ（１０）に加圧，充填しながら前記複合強化材（５）に浸透させることを特徴とする，ピストンの鋳造方法。
【請求項２】
請求項１記載のピストンの鋳造方法において，
前記キャビティ（１０）には，ピストン（Ｐ）のピンボス部（２）の孔を形成する中子ピン（１５，１６）を設置し，前記ゲート（２２）からの射出溶湯を，前記中子ピン（１５，１６）を避けて前記オーバーフロー出口（２３）に向かわせることを特徴とする，ピストンの鋳造方法。
【請求項３】
請求項１記載のピストンの鋳造方法において，
前記金型（Ｍ）に，前記キャビティ（１０）の底面の中心部から下方に延びる補助キャビティ（１０）が形成されており，溶湯（３０）を前記キャビティ（１０）及び補助キャビティ（１０）に加圧，充填した後，その補助キャビティ（１０）内の溶湯（３０）を２次加圧することを特徴とする，ピストンの鋳造方法。
【請求項４】
請求項１記載のピストンの鋳造方法において，
前記キャビティ（１０）の底面に設置した前記複合強化材（５）の上部に，前記ヘッド部（１）内の冷却用油路（７）を形成する可溶性中子（２８）を載置し，前記ピストン（Ｐ）の中空部を形成する上型（１３）を閉じたとき，この上型（１３）を上下に摺動自在に貫通する複数の支持ピン（２７）により前記可溶性中子（２８）を前記複合強化材（５）と共に押さえることを特徴とする，ピストンの鋳造方法。
【請求項５】
請求項１記載のピストンの鋳造方法において，
前記ゲート（２２）から前記キャビティ（１０）に溶湯（３０）を射出する前に，該キャビティ（１０）を，真空圧の供給により減圧することを特徴とする，ピストンの鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ヘッド部の頂部に，ヘッド部を強化する複合強化材を複合結合してなるピストンの鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
かゝるピストンの鋳造方法として，例えば下記特許文献１に開示されるように，金型のキャビティ底面に複合強化材を設置し，このキャビティに溶湯を注入し，上方からパンチ型により溶湯を加圧して，溶湯を複合強化材に浸透させつつピストンを成形する高圧鋳造方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２８８１１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のかゝるピストンの鋳造方法では，パンチ型による溶湯の加圧時，パンチ型の加圧力が複合強化材に直接的に作用し，複合強化材を破損させたり，溶湯のチル化物をキャビティの溶湯内に封じ込めてしまう等の虞がある。
【０００５】
本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，金型のキャビティの底面に設置した複合強化材を破損させずに，それに溶湯を効果的に浸透，複合させることができ，しかも溶湯のチル化物をキャビティの溶湯内に封じ込めることを回避し得て，高品質の前記ピストンを得ることができるピストンの鋳造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために，本発明は，ヘッド部の頂部に，ヘッド部を強化する複合強化材を複合結合してなるピストンを鋳造するに当たり，金型に形成されたキャビティの底面に前記複合強化材を設置し，前記金型には，前記複合強化材の半径方向外方で前記キャビティの底面に開口してキャビティの天井面を指向する複数のゲートと，これらゲートとの対向位置でキャビティの天井面に開口する複数のオーバーフロー出口と，このオーバーフロー出口に連なるオーバーフロー溜まりとが設けられており，前記ゲートから前記オーバーフロー出口に向けて溶湯を射出することにより，最初にキャビティを通過した溶湯を前記オーバーフロー出口から排出した後，溶湯をキャビティに加圧，充填しながら前記複合強化材に浸透させることを第１の特徴とする。
【０００７】
また本発明は，第１の特徴に加えて，前記キャビティには，ピストンのピンボス部の孔を形成する中子ピンを設置し，前記ゲートからの射出溶湯を，前記中子ピンを避けて前記オーバーフロー出口に向かわせることを第２の特徴とする。
【０００８】
さらに本発明は，第１の特徴に加えて，前記金型に，前記キャビティの底面の中心部から下方に延びる補助キャビティが形成されており，溶湯を前記キャビティ及び補助キャビティに加圧充填した後，その補助キャビティ内の溶湯を２次加圧することを第３の特徴とする。
【０００９】
さらにまた本発明は，第１の特徴に加えて，前記キャビティの底面に設置した前記複合強化材の上部に，前記ヘッド部内の冷却用油路を形成する可溶性中子を載置し，前記ピストンの中空部を形成する上型を閉じたとき，この上型を上下に摺動自在に貫通する複数の支持ピンにより前記可溶性中子を前記複合強化材と共に押さえることを第４の特徴とする。
【００１０】
さらにまた本発明は，第１の特徴に加えて，前記ゲートから前記キャビティに溶湯を射出する前に，該キャビティを，真空圧の供給により減圧することを第５の特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の特徴によれば，ランナからキャビティに射出された最初の溶湯は，先ずキャビティを素通りしてオーバーフロー出口に向かい，それを出てオーバーフロー溜まりに収められる。したがって，最初の溶湯にチル化物が発生しても，そのチル化物も，上記溶湯の流れと共に，キャビティを素通りし，オーバーフロー出口を出てオーバーフロー溜まりに捕捉される。続いてゲートから射出される溶湯はキャビティに充填され，複合強化材をその内外全周面に亙り覆うので，溶湯の圧力上昇に伴ない，溶湯は複合強化材を破損させることなく，それによく浸透し，複合強化材と良好に複合させ，ヘッド部を複合強化材で効果的に強化した高品質のピストンを得ることができる。
【００１２】
本発明の第２の特徴によれば，ゲートからオーバーフロー出口へ向かう溶湯の流れが中子ピンに接することを回避することができ，中子ピンの耐久性の確保に寄与し得る。
【００１３】
本発明の第３の特徴によれば，溶湯を前記キャビティ及び補助キャビティに加圧充填した後，その補助キャビティ内の溶湯を２次加圧することにより，溶湯の密度を増加させると共に，複合強化材への溶湯の浸透を促進させることができ，したがって高密度で，しかもヘッド部が複合強化材により効果的に強化された耐久性の高いピストンを得ることができる。
【００１４】
本発明の第４の特徴によれば，上型を閉じたとき，この上型を上下に摺動自在に貫通する複数の支持ピンにより可溶性中子を複合強化材と共に押さえることで，キャビティへの溶湯の充填中，複合強化材及び可溶性中子をキャビティの底面の定位置に確実に保持し，その位置ずれを防ぐことができる。しかも鋳造後，支持ピンにより形成されたピストンの油孔を通して可溶性中子を溶解排出させることにより，ピストンに環状の冷却油路を形成することができる。
【００１５】
本発明の第５の特徴によれば，ゲートからキャビティに溶湯を射出する前に，キャビティを，真空圧の供給により減圧することにより，射出初期の溶湯に発生するチル化物のオーバーフロー溜まりへの排出を促進すると同時に，続いてキャビティに充填される溶湯の酸化を防ぎ，鋳造ピストンの品質向上をより図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン用のピストンの側面図。
【図２】図１の２−２線断面図。
【図３】図１の３矢視図。
【図４】上記ピストンの鋳造に使用する金型の縦断面図。
【図５】図４の５−５線断面図。
【図６】図４の６−６線断面図。
【図７】図４の７−７線断面図。
【図８】図４の８−８線断面図。
【図９】図４の９−９線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
先ず，本発明により鋳造されるディーゼルエンジン用のピストンについて説明する。
【００１８】
図１〜図３に示すように，ディーゼルエンジン用のピストンＰはＡｌ合金製であって，外周に複数のリング溝１ａ〜１ｃを有するヘッド部１と，このヘッド部１の下面に一体に突設されてピストン中心軸線を挟んで同軸上に並ぶ一対のピンボス部２，２と，ヘッド部１の下端周縁部より延出して一対のピンボス部２，２の両側部間を連結するスカート部３とよりなっており，ヘッド部１の頂面の中心部には，エンジンの運転中燃料が噴射されるチャンバ４が形成され，このチャンバ４を囲繞する環状で多孔質の，例えばセラミックス製の複合強化材５がヘッド部１の頂部に複合結合される。この複合強化材５は，これに浸透するピストンＰの母材，即ちＡｌ合金と複合することでヘッド部１を強化する。
【００１９】
またヘッド部１には，複合強化材５の下端に隣接する環状の冷却油路７と，この冷却油路７を，ヘッド部１下面に開放する一対の油孔８，８とがヘッド部１に形成される。一対の油孔８，８は，ピストンＰの一直径線上で互いに離れて配置される。図示例では，最上部のリング溝５ａが複合強化材５の外周に形成される。上記冷却油路７では，エンジンの運転中に油孔８，８を通してエンジンの潤滑オイルが出入りし，これによりピストンＰの特にヘッド部１が冷却されるようになっている。
【００２０】
上記ピストンＰの鋳造後の形状を図１〜図３に鎖線で示す。それより明らかなように，鋳造後のピストンＰの，特に外周には，所定の削り代Ｓ１，Ｓ２が設けられており，ヘッド部１外周の削り代Ｓ１は，スカート部３外周の削り代Ｓ２より大きく設定される。鋳造後，それら削り代Ｓ１，Ｓ２の部分を切削することにより，前記ピストンＰが形成される。その際，削り代Ｓ１を切削したとき，複合強化材５の外周面が露出するようになっている。
【００２１】
次に，上記ピストンＰを鋳造するための金型について説明する。
【００２２】
図４において，金型Ｍは，互いに水平方向に開閉する第１側方型１１及び第２側方型１２と，これら第１側方型１１及び第２側方型１２の上方からそれらに進退する上型１３と，これら第１側方型１１及び第２側方型１２の下方からそれらに対して進退する下型１４と，第１側方型１１及び第２側方型１２にそれぞれ水平方向摺動自在に支持される第１中子ピン１５及び第２中子ピン１６（図７参照）とよりなっており，第１側方型１１及び第２側方型１２のうち，一方が固定型，他方が可動型となる。これらにより構成される金型Ｍには，これを閉じたとき，前記ピストンＰの，ヘッド部１を下向きにした倒立状態に対応した形状のキャビティ１０が形成されるようになっている。即ち，第１側方型１１及び第２側方型１２のキャビティ１０に臨む内周面がピストンＰの外周面に対応し，上型１３のキャビティ１０に臨む下端面及び外周面がヘッド部１の内端面及びスカート部３の内周面を対応し，第１中子ピン１５及び第２中子ピン１６のキャビティ１０に臨む外周面が一対のピンボス部２，２の孔の内周面に対応する。
【００２３】
また下型１４のキャビティ１０に臨む上端面はヘッド部１の頂面に対応する。即ち，下型１４には，前記ヘッド部１のチャンバ４に対応する中空の筒状突起１４ａが形成され，この筒状突起１４ａの中空部は，前記キャビティ１０に連通する，キャビティ１０より小容積の補助キャビティ１０ａとされる。下型１４には，この補助キャビティ１０ａの下端に連なるシリンダ孔１７が設けられ，このシリンダ孔１７に，補助キャビティ１０ａに対して進退し得る２次加圧ピストン１８が摺動自在に嵌装される。
【００２４】
図４及び図５に示すように，第１側方型１１及び第２側方型１２の合わせ面間の下部には，図示しない注湯口に連通する主ランナ２０と，この主ランナ２０に連通して下型１４を囲繞する環状ランナ２１と，この環状ランナ２１から下型１４に沿って起立してキャビティ１０の底面に開口する複数のゲート２２，２２…とが設けられる。これらゲート２２，２２…は，キャビティ１０の底面の所定位置に設置される環状の複合強化材５を避けるべく，ヘッド部１外周の前記削り代Ｓ１の範囲でキャビティ１０に開口するように配置される。但し，前記第１及び第２中子ピン１５，１６の直下位置を避けて配置される（図７参照）。
【００２５】
また図４，図８及び図９に示すように，第１側方型１１及び第２側方型１２の合わせ面間の上部には，キャビティ１０の天井面から上型１３に沿って起立する複数のオーバーフロー出口２３，２３…と，これらオーバーフロー出口２３，２３…の上端に連通しながら上型１３を囲繞する環状のオーバーフロー通路２４と，この環状オーバーフロー通路２４から一側方に延出するオーバーフロー溜まり２５とが設けられる。
【００２６】
オーバーフロー溜まり２５にはガス抜き装置Ｖが接続される。このガス抜き装置Ｖは，オーバーフロー溜まり２５から上方に延出する真空通路３１と，この真空通路３１に接続される真空タンク３２と，この真空タンク３２に真空圧を蓄圧する真空ポンプ３３と，真空通路３１を開閉制御する制御弁３４とよりなっている。その制御弁３４は常閉型であって，主ランナ２０に溶湯３０を圧送する１次加圧ピストン（図示せず）の位置に対応して自動的に作動するもので，１次加圧ピストンが主ランナ２０に溶湯３０を圧送し始める位置で開弁し，溶湯３０をオーバーフロー溜まり２５に満たす位置で閉弁するようになっている。
【００２７】
また上型１３には，これを上下に摺動自在に貫通する一対の支持ピン２７，２７が設けられ，これら支持ピン２７，２７は，前記ピストンＰの一対の油孔８，８との対応位置に配置される。
【００２８】
さて，上記金型Ｍを使用してのピストンＰの鋳造方法について説明する。
【００２９】
先ず，図４に示すように，下型１４を所定の閉じ位置へ上昇させ，この下型１４を挟むように第１側方型１１及び第２側方型１２を閉じる。上型１３は，これを第１側方型１１及び第２側方型１２の上方へ後退させ，キャビティ１０の上面を開放しておく。
【００３０】
次に，環状の複合強化材５を，下型１４の筒状突起１４ａの外周面に嵌合させつゝキャビティ１０の底面に設置し，この複合強化材５の小径部５ｃの外周に，前記ピストンＰの環状の冷却油路７に対応する環状の可溶性中子２８，具体的には塩中子２８を嵌合，設置する。
【００３１】
この状態で上型１３を，第１側方型１１及び第２側方型１２内の閉じ位置まで下降させた後，一対の支持ピン２７，２７を同じく下降させて，それらの下端部で塩中子２８を押える。こうして，塩中子２８を介して複合強化材５をキャビティ１０の底面に押えつけ，保持する。
【００３２】
最後に，第１中子ピン１５及び第２中子ピン１６を上型１３に対して前進させ，その先端を上型１３の側面に密着させる。
【００３３】
次いで，Ａｌ合金の溶湯３０を図示しない１次加圧ピストンの作動により主ランナ２０に圧送するのであるが，その圧送が開始される直前の１次加圧ピストンの位置を感知して制御弁３４を開弁し，真空通路３１を導通状態にし，真空タンク３２の真空圧をオーバーフロー溜まり２５及びキャビティ１０に伝達して，それら内部を減圧する。これによりキャビティ１０に残存するガスを真空タンク３２側に吸引し，真空ポンプ３３から外部に排出する。したがって，キャビティ１０の減圧は，少なくとも溶湯３０がキャビティ１０に到達する前に行う必要がある。
【００３４】
その後，１次加圧ピストンの作動により溶湯３０を主ランナ２０を通して環状ランナ２１に，更に複数ゲート２２，２２…からキャビティ１０へと射出する。このとき，キャビティ１０の前記減圧により，溶湯３０のキャビティ１０への流入が促進される。
【００３５】
ところで，複数のゲート２２，２２…は，前述のように，環状の複合強化材５を避けるべく，ヘッド部１外周の削り代Ｓ１の範囲でキャビティ１０に開口するように配置され，且つキャビティ１０の天井面には，複数ゲート２２，２２…との対応位置に複数のオーバーフロー出口２３，２３…が開口するので，ゲート２２，２２…からキャビティ１０に射出された最初の溶湯３０は，上記真空圧を受けて先ずキャビティ１０をスムーズに素通りしてオーバーフロー出口２３，２３…に向かい，それを出てオーバーフロー溜まり２５に収められる。このときの１次ピストンの位置を感知して前記制御弁３４を閉弁し，真空通路３１を遮断して溶湯３０の真空通路３１への侵入を防ぐ。
【００３６】
而して，最初の溶湯が比較的冷えた主ランナ２０や環状ランナ２１を通過する間に，溶湯にチル化物が発生しても，そのチル化物も，上記溶湯の流れと共にキャビティ１０を素通りし，オーバーフロー出口２３，２３…を出てオーバーフロー溜まり２５に捕捉される。特に，キャビティ１０の前記減圧により，上記チル化物のオーバーフロー溜まり２５への排出が促進されると共に，続いてキャビティに充填される溶湯の酸化が極力抑えられ，鋳造ピストンＰの品質の一層の向上に寄与し得る。
【００３７】
またゲート２２，２２…及びオーバーフロー出口２３，２３…は，第１及び第２中子ピン１５，１６を避けて配置されるので，ゲート２２，２２…からオーバーフロー出口２３，２３…へ向かう溶湯３０の流れが第１及び第２中子ピン１５，１６に接することを回避することができ，中子ピン１５，１６の耐久性の確保に寄与し得る。
【００３８】
続いてゲート２２，２２…から射出される溶湯はキャビティ１０及び補助キャビティ１０ａに充填され，複合強化材５をその内外全周面に亙り覆うので，前記１次加圧ピストンの作動による溶湯３０の圧力上昇に伴ない，溶湯３０は多孔質の複合強化材５を破損させることなく，それによく浸透し，複合強化材５と良好に複合することができる。その間，複合強化材５及び塩中子２８は，一対の支持ピン２７，２７によりキャビティ１０の底面の定位置に押しつけられ，その位置からの移動が確実に阻止される。
【００３９】
次に前記１次ピストンを作動状態にしたまゝで，２次加圧ピストン１８の作動（上昇）により補助キャビティ１０ａ内の溶湯３０を再度加圧する。これにより溶湯３０の密度を増加させると共に，複合強化材５への溶湯３０の浸透を促進させることができる。
【００４０】
キャビティ１０及び補助キャビティ１０ａ内の溶湯３０が固化した後は，支持ピン２７，２７，第１及び第２中子ピン１５，１６，上型１３，下型１４，第１側方型１１及び第２側方型１２を順次後退させて，キャビティ１０を開放し，鋳造ピストンＰを取り出し，不要なランナ成形物や各部のバリ等を除去した後，支持ピン２７，２７により成形された一方の油孔８に溶解洗浄液（例えば水）を注入して環状の塩中子２８を溶解し，他方の８から排出させる。こうしてヘッド部１内に環状の冷却油路７が形成される。
【００４１】
最後に，鋳造ピストンＰに前述のような切削加工を施して，図１〜図３に示すピストンＰを得る。かくして，チル化物を含まず，ヘッド部１に複合強化材５を強固に複合結合した，しかも高密度で耐久性の高いピストンＰを効率よく鋳造することができる。
【００４２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，共通の注湯口に連通する複数の主ランナ２０を放射状に形成すると共に，それらに連通する複数のキャビティ１０を配設して，鋳造ピストンＰを複数取りすることもできる。
【符号の説明】
【００４３】
Ｐ・・・・・ピストン
Ｍ・・・・・金型
１・・・・・ヘッド部
２・・・・・ピンボス部
３・・・・・スカート部
５・・・・・複合強化材
１０・・・・キャビティ
１０ａ・・・補助キャビティ
１３・・・・上型
１５，１６・・・中子ピン（第１，第２中子ピン）
２２・・・・ゲート
２３・・・・オーバーフロー出口
２５・・・・オーバーフロー溜まり
２７・・・・支持ピン
２８・・・・可溶性中子
３０・・・・溶湯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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