(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部に燃焼室が凹設された内燃機関のピストンを象った消失性模型を、その燃焼室相当部を下向きにして容器内に配置し、該容器を円振動させつつ砂込めを行う工程を有したロストフォーム工法によるピストン鋳造方法において、上記ピストンのピストンピン穴軸方向が上記円振動の振動平面に平行となるよう、上記消失性模型を配置したことを特徴とするロストフォーム工法によるピストン鋳造方法。
【請求項２】
上記円振動の振動加速度が２Ｇ以下である、及び上記円振動の振動周波数が３０Ｈｚ以下であるという条件のうち、少なくともいずれか一方を満たす請求項１記載のロストフォーム工法によるピストン鋳造方法。
【請求項３】
上記ピストンピン穴軸方向が水平に対し傾けられるように、上記消失性模型が配置される請求項１又は２記載のロストフォーム工法によるピストン鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロストフォーム工法による内燃機関のピストンの鋳造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロストフォーム工法（フルモールド工法、消失模型鋳造法ともいう）とは、図９に示すように、発泡スチロール等で消失性模型１を作り、その模型１を鋳物砂１２中に埋め込んで鋳型とし、直接それに注湯して溶湯２１を置換させて凝固させ、模型形状そのままの鋳物を得る工法である。上記鋳型を造形する際には、鋳物砂１２を高密度かつ均一に充填する必要があるため、図１０に示すような振動充填装置を用いている。
【０００３】
これは基盤２２上にバネ２３を介して揺動自在に設けられたフラスコ２に、消失性模型１及び注湯管３を配置し、その後鋳物砂１２を収容し、フラスコ２をアンバランスウェイト付きの加振モータ１１で円振動させるものである。こうするとフラスコ２が強制的に振動され、内部の鋳物砂１２が円振動されてフラスコ２内に高密度かつ均一に充填される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロストフォーム工法により内燃機関のピストンを鋳造する場合、当然に消失性模型はピストンを象ったものを用いることになる。一方、ピストンがディーゼルエンジン用のものであると、砂込めを十分に行うにはピストン頂部の燃焼室に相当する部分を下方に向けて模型を配置し、スカート部に相当する部分を上方に向けて配置する必要がある。
【０００５】
これを図示したのが図１１であるが、これから分かるように消失性模型１の燃焼室相当部１７は下向きないし下方に開放して配置されている。一般にディーゼルエンジンのピストン燃焼室はリエントラント形（開口部に比べ底部側が大径となる）が採用されることが多いため、砂込めに際し入口が狭まり、燃焼室相当部１７には鋳物砂が充填されにくい。よって砂込めが不十分であると、図１２に示すように、焼き付き不良（不良箇所ａ）が生じ形状が形成できない。
【０００６】
このような複雑形状の消失性模型を用いた場合の充填不良を防止するため、振動の加速度や周波数等を最適に設定することが望まれ、従来にも種々の報告が見受けられる（特開昭58-103935 号公報等）。一般に、振動加速度及び振動周波数を大きくするほど充填は良好となり、充填時間（振動時間）も短縮されることが知られている。なお充填時間を長くするほど充填が良好となるが、生産性の点からは好ましくない。
【０００７】
しかし、特に振動加速度を大きくすると次のような不具合が生じる。即ち、図１３に示すように、消失性模型１のスカート相当部８が薄肉であるため、振動加速度によってスカート相当部８が砂に押されて縮径方向に変形し、出来上がったピストン鋳造品もスカート部が同様に変形し、不良品となってしまう場合がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関のピストンを象った消失性模型を容器内に配置し、この容器を円振動させつつ砂込めを行う工程を有したロストフォーム工法によるピストン鋳造方法において、上記ピストンのピストンピン穴軸方向が上記円振動の振動平面に平行となるよう、上記消失性模型を配置したものである。
【０００９】
一般にピストンのピストンピン穴周辺はスカート部が厚肉となっており、スカート部の他の部分より剛性が高い。よって消失性模型においてピストンピン穴周辺相当部で振動時の砂の側圧を受けるようにすれば、消失性模型の変形が防止され、ピストンの鋳造不良が防止される。
【００１０】
なお、上記円振動の振動加速度が２Ｇ以下であるのが好ましく、上記円振動の振動周波数が３０Ｈｚ以下であるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
図１には図１０に示した装置の平面図が示されている。図示するように、ピストンを象った消失性模型１は、ピストン頂部が下方に位置するように倒立状態でフラスコ２（容器）内に配置ないしセットされている（図２参照）。消失性模型１は平断面矩形のフラスコ２内に対角的に配置され、これら消失性模型１の間に注湯管３が配置される。注湯管３は、上端の湯口（図示せず）から注がれた溶湯を主管４、枝管５といった順に消失性模型１に導く。消失性模型１においては、ピストンのスカート部に相当するスカート相当部８が上方に位置される。スカート相当部８は、ピストンのピストンピン穴周辺部に相当する一対のピン穴周辺相当部９と、その間に位置される一対の薄肉部１０とからなり、これらがそれぞれ対向側に形成されている。ピン穴周辺相当部９にはピストンピン穴に相当する穴が形成され、その軸心がＣで示されている。
【００１３】
前述したようにフラスコ２は加振モータ１１で円振動（垂直方向＋水平方向の二方向振動）され、その振動のなす平面即ち振動平面がＳで示されている。そして特にここでは、ピストンピン穴に相当する穴の軸心Ｃが振動平面Ｓに平行になるように消失性模型１が配置されている。このようにすると、スカート相当部８が鋳物砂１２から側圧Ｐを受ける際、厚肉で高剛性のピン穴周辺相当部９で側圧Ｐを受けられ、これにより側圧Ｐに十分抗し、スカート相当部８の変形延いてはピストンの鋳造不良を確実に防止することができる。
【００１４】
なお図３に示すように、穴軸心Ｃを振動平面Ｓに対し所定角度θ傾斜させた場合、穴軸心Ｃから90°離れた薄肉部１０の中間位置では、Ｐsin θの大きさの径方向内側に向かう分圧が作用し、これがスカート相当部８の縮径方向の変形をもたらす。本実施形態ではこれを防止し、低剛性の薄肉部１０にできるだけ砂の側圧Ｐを与えぬようにしたものである。
【００１５】
ここで図２、図４にはそれぞれ図１、図３の配置によるピストンスカート部２０の変形量が示される。ここで変形量は、鋳造後のピストンスカート部２０の薄肉部１４のなす直径を基準値から差し引いた値で示してある。また測定はピストン高さ方向に沿う４カ所の位置で行っている。ピストン１３は鋳鉄製で、その薄肉部１４の厚さｔは3.5(mm) 、燃焼室開口部１８の直径Ｄは30(mm)である。１５はピストンピン穴、１６はピストンピン穴周辺部、Ｃはピストンピン穴軸心である。これから分かるように、変形量の大きさ、ばらつきともに図１の場合の方が優れており、これにより本発明の効果が確認された。
【００１６】
次に、砂充填時の振動条件について説明する。先ず、振動方向と砂充填性との関係について調べた結果を図５に示す。これにおいては充填時間の経過につれ、図中右下に示すピストン燃焼室相当部１７への砂充填高さが、図中右上に示すような振動方向の違いによりどのように変化するかを調べた。これから分かるように、円振動（黒塗りの◇）の場合が最も充填時間が短く、好適であることが確認された。
【００１７】
次に、図６には振動加速度、振動周波数及び充填時間の関係を示す。ここでは図７に示すように、ピストン燃焼室相当部１７の上端に設置された光電センサ１８で砂の完全充填を検知し、その完全充填までに要する時間を振動加速度及び振動周波数を変えて調べることとした。なおピストン燃焼室相当部１７の深さＨは30(mm)である。前述したように、振動加速度及び振動周波数が大きくなれば充填時間は短縮されるが、あまり大きくすると砂による側圧が大きくなり、スカート相当部の変形をもたらす。これを考慮した結果、振動加速度は２Ｇ以下、振動周波数は３０Ｈｚ以下が好適であることが確認された。
【００１８】
ここで、図８には振動加速度とピストンスカート部の変形量との関係を示す。ここで図１３を参照して、（変形量）＝φＡ2 −φＡ1 で定義され、φＡ2 ，φＡ1 はそれぞれスカート部２０の付け根端、開放端の直径である。これから分かるように、振動加速度が２Ｇを越えると変形量が比較的大きくなる。このため振動加速度は２Ｇ以下に抑える必要がある。これを満足した上で、前述したように振動周波数を３０Ｈｚ以下とすれば、充填時間が長期化せず生産性を落とさずに済む。
【００１９】
なお、内燃機関に使用されるピストンはアルミ、鋳鉄製等が知られており、一般的には軽量で生産性に優れるアルミ製が多用されているが、昨今では高出力化の要請に伴い高剛性で耐久性、耐熱性に優れる鋳鉄製のものが見直されつつある。しかし、鋳鉄製のものはアルミ製のものに比べ生産性が劣り、慣性重量も大きく、周辺部位の補強等も強いられる欠点がある。そこで本発明にかかるピストン鋳造方法を採用すれば、生産性が向上できる一方、消失性模型のスカート相当部に対し変形防止のための肉厚増加を行わないで済み、これによりスカート部を薄肉、軽量とすることができる。また鋳造後の寸法ばらつきが小さいので、スカート部の加工に要する取代も低減でき、加工コストを抑制できる。こうした理由から、鋳鉄ピストンの採用を大いに促進することが可能となる。
【００２０】
以上、本発明の実施の形態は他にも様々考えられる。例えば穴軸心Ｃを振動平面Ｓと平行とした上で、消失性模型１を若干傾けても構わない。本発明は大、中、小いずれのサイズのエンジンのピストンにも適用でき、またディーゼルエンジンのピストンにも限られない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２２】
（１）  消失性模型の変形を防止し、ピストンの鋳造不良を防止できる。
【００２３】
（２）  短時間で砂込めを行え、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動充填装置の平面図である。
【図２】ピストンの変形量を示すグラフである。
【図３】振動充填装置の平面図である。
【図４】ピストンの変形量を示すグラフである。
【図５】振動方向と砂充填性との関係を示すグラフである。
【図６】振動加速度、振動周波数及び充填時間の関係を示すグラフである。
【図７】図６のグラフに関わる試験装置の正面図である。
【図８】振動加速度、振動周波数及びスカート変形量の関係を示すグラフである。
【図９】ロストフォーム工法によるピストン鋳造方法を示すグラフである。
【図１０】ロストフォーム工法によるピストン鋳造に際して用いる振動充填装置の正面図である。
【図１１】消失性模型の配置の様子を示す正面図である。
【図１２】ピストンの焼き付き不良の様子を示す正面図である。
【図１３】消失性模型の変形の様子を示す正面図である。
【符号の説明】
１  消失性模型
２  フラスコ
１３  ピストン
Ｃ  穴軸心
Ｓ  振動平面
【図１】
0003541636.tif 000002
【図２】
0003541636.tif 000003
【図３】
0003541636.tif 000004
【図４】
0003541636.tif 000005
【図５】
0003541636.tif 000006
【図６】
0003541636.tif 000007
【図７】
0003541636.tif 000008
【図８】
0003541636.tif 000009
【図９】
0003541636.tif 000010
【図１０】
0003541636.tif 000011
【図１１】
0003541636.tif 000012
【図１２】
0003541636.tif 000013
【図１３】
0003541636.tif 000014