(57)【要約】【課題】  ピストンと補強部材との接合強度が確保されるピストンの製造方法及び摩擦圧接構造を提供する。【解決手段】  クランプブッシュ５の内周面６に環状の溝部７を形成して、該溝部７含んで形成される第１の被充填部１７に母材間の流動材料が充填されて、当該母材間の流動材料の流動が制限される。これにより、バリの発生が抑制されて、母材間に作用させる推力を高めて当該母材間の圧接圧力を増大させることが可能になり、これにより母材間の接合部の組織が緻密になり、当該母材間の接合強度が確保される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン本体の頂部に設けられる凹部の少なくとも周縁が補強部材によって補強されるピストンの製造方法であって、ピストン保持手段によって保持される前記ピストン本体と、補強部材保持手段によって保持される前記補強部材とを突き合わせて、前記ピストン本体と前記補強部材との間に推力を付与させつつ前記ピストン本体と前記補強部材とを相対回転運動させて、前記ピストン本体と前記補強部材との突き合わせ部に摩擦熱を生じさせると共に、該摩擦熱によって軟化されて塑性流動される前記突き合わせ部の材料の流動を制限させ、前記ピストン本体と前記補強部材とを摩擦圧接させることを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項２】
前記突き合わせ部の塑性流動される材料が、前記ピストン保持手段或いは前記補強部材保持手段に設けられる環状の溝部を含んで形成される第１の被充填部に充填されて、該突き合わせ部の材料の流動が制限されることを特徴とする請求項１に記載のピストンの製造方法。
【請求項３】
前記突き合わせ部の塑性流動される材料が、前記ピストン本体の頂部に設けられる凹部と前記補強部材保持手段又は前記補強部材との空隙に形成される第２の被充填部に充填されて、該突き合わせ部の材料の流動が制限されることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンの製造方法。
【請求項４】
ピストン本体の頂部に設けられる凹部の少なくとも周縁を補強する補強部材が、ピストン本体に摩擦圧接されるに際して用いられる摩擦圧接構造であって、前記ピストン本体が保持されるピストン保持手段と、前記補強部材が保持される補強部材保持手段と、前記ピストン本体の頂部が半径方向へ拘束される頂部拘束手段と、前記ピストン本体と前記補強部材との突き合わせ部の軟化されて塑性流動される材料が充填されて該突き合わせ部の材料の流動が制限される流動制限手段と、を含んで構成されることを特徴とする摩擦圧接構造。
【請求項５】
前記流動制限手段は、前記ピストン保持手段或いは前記補強部材保持手段に設けられて前記ピストン本体の頂部周縁に臨むようにして環状に形成される溝部を備えて、該溝部を含んで形成される第１の被充填部に、前記ピストン本体と前記補強部材との突き合わせ部の軟化されて塑性流動される材料が充填されることを特徴とする請求項４に記載の摩擦圧接構造。
【請求項６】
前記溝部には、円環状に形成されて前記ピストン本体の頂部周縁に対向される平坦面と、軸断面が略弓形状に形成されて一端が前記平坦部に接続されると共に他端が前記頂部拘束手段の拘束面に接続される凹面と、が形成されることを特徴とする請求項５に記載の摩擦圧接構造。
【請求項７】
前記流動制限手段は、前記ピストン本体の頂部に設けられる凹部と前記補強部材又は前記補強部材保持手段との間隙に形成される第２の被充填部を備えて、該第２の被充填部に、前記ピストン本体と前記補強部材との突き合わせ部の軟化されて塑性流動される材料が充填されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の摩擦圧接構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの製造方法及び摩擦圧接構造に関するもので、特に、ディーゼルエンジンに用いられるピストンの頂部に摩擦圧接によって補強部材を接合させる方法、及び該補強部材をピストンに接合させるための摩擦圧接構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいては、機関の高出力化、高効率化の要望に応えるために、ピストンの頂部に設けられる凹部によって燃焼室の形状が工夫されて燃焼が制御される。このようなディーゼルエンジンでは、軽量、且つ高温下での機械的性質に優れるアルミニウム合金製のピストンが採用される。そして、上記要望に応えるには、ピストンの頂部に設けられる凹部の周縁が稜角に形成される必要がある。しかしながら、アルミニウム合金製のピストンでは、上記凹部に形成される周縁が稜角に形成される場合に、機関の作動に伴う熱応力が集中して当該凹部に形成される周縁の稜角を起端に亀裂が発生する虞がある。そこで、特許文献１には、急冷凝固アルミニウム合金粉末が環状に固化成形されて形成された補強部材を凹部の周囲又は頂部全体に埋設して、当該凹部の耐熱性を高めたアルミニウム合金製のピストンの製造方法が開示されている。
【０００３】
上記特許文献１のピストンの製造方法では、摩擦圧接によって、補強部材がアルミニウム合金製のピストン本体の頂部に接合されるが、摩擦圧接時には、母材間の摩擦抵抗による発熱によって軟化された当該母材間の突き合わせ部の材料が、補強部材の体積によって塑性流動されつつ押出されて、この押出された材料がバリになる。したがって、上記ピストンの製造方法では、母材間の推力を高めてもバリが増大されるだけであって、母材間の圧接圧力を十分に高めることができない。このため、母材間の突き合わせ部の攪拌が十分に行われず接合部の組織が粗雑になり、母材間の接合強度が確保されない。また、母材間の突き合わせ部の攪拌が十分に行われないことで、接合部の組織にピストンの周方向へ沿うファイバーフローが十分に形成されず、当該接合部に縦方向（ピストン摺動方向）へ延びる亀裂が生じる虞がある。また、上記ピストンの製造方法では、アプセット加圧時において、アプセット推力を高めてもバリが増大するだけでアプセット圧力を十分に高めることができないため、接合部の組織が粗雑になり、母材間の接合強度を確保することが困難である。
【特許文献１】特開昭６３−２５６２８７号公報（第２頁右上蘭３行目〜第２頁左下蘭２０行目、図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は、ピストンと補強部材との接合強度が確保されるピストンの製造方法を提供することにある。
また、第２の目的は、ピストンと補強部材との接合強度が確保される摩擦圧接構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記第１の目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ピストン本体の頂部に設けられる凹部の少なくとも周縁が補強部材によって補強されるピストンの製造方法であって、ピストン保持手段によって保持されるピストン本体と、補強部材保持手段によって保持される補強部材とを突き合わせて、ピストン本体と補強部材との間に推力を付与させつつピストン本体と補強部材とを相対回転運動させて、ピストン本体と補強部材との突き合わせ部に摩擦熱を生じさせると共に、該摩擦熱によって軟化されて塑性流動される突き合わせ部の材料の流動を制限させ、ピストン本体と補強部材とを摩擦圧接させることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピストンの製造方法において、突き合わせ部の塑性流動される材料が、ピストン保持手段或いは補強部材保持手段に設けられる環状の溝部を含んで形成される第１の被充填部に充填されて、該突き合わせ部の材料の流動が制限されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のピストンの製造方法において、突き合わせ部の塑性流動される材料が、ピストン本体の頂部に設けられる凹部と補強部材保持手段又は補強部材との空隙に形成される第２の被充填部に充填されて、該突き合わせ部の材料の流動が制限されることを特徴とする。
【０００７】
上記第２の目的を達成するために、本発明のうち請求項４に記載の発明は、ピストン本体の頂部に設けられる凹部の少なくとも周縁を補強する補強部材が、ピストン本体に摩擦圧接されるに際して用いられる摩擦圧接構造であって、ピストン本体が保持されるピストン保持手段と、補強部材が保持される補強部材保持手段と、ピストン本体の頂部が半径方向へ拘束される頂部拘束手段と、ピストン本体と補強部材との突き合わせ部の軟化されて塑性流動される材料が充填されて該突き合わせ部の材料の流動が制限される流動制限手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の摩擦圧接構造において、流動制限手段は、ピストン保持手段或いは補強部材保持手段に設けられてピストン本体の頂部周縁に臨むようにして環状に形成される溝部を備えて、該溝部を含んで形成される第１の被充填部に、ピストン本体と補強部材との突き合わせ部の軟化されて塑性流動される材料が充填されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の摩擦圧接構造において、溝部には、円環状に形成されてピストン本体の頂部周縁に対向される平坦面と、軸断面が略弓形状に形成されて一端が平坦部に接続されると共に他端が頂部拘束手段の拘束面に接続される凹面と、が形成されることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれかに記載の摩擦圧接構造において、流動制限手段は、ピストン本体の頂部に設けられる凹部と補強部材又は補強部材保持手段との間隙に形成される第２の被充填部を備えて、該第２の被充填部に、ピストン本体と補強部材との突き合わせ部の軟化されて塑性流動される材料が充填されることを特徴とする。
【０００９】
したがって、請求項１に記載の発明では、ピストン本体と補強部材との突き合わせ部の材料の流動が制限されるため、バリの発生が抑制されて母材間の推力（圧接圧力）が高められる。
請求項２に記載の発明では、母材間の流動材料が被充填部に充填されて、当該流動材料の流動が制限されることによりバリの発生が抑制される。
請求項３に記載の発明では、母材間の流動材料が、ピストン本体の頂部に設けられる凹部と補強部材保持部材又は補強部材との空隙に充填されて、当該流動材料の流動が制限される。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、頂部拘束手段によって、母材間の流動材料がピストン本体の半径方向へ流動されるのが抑制されつつ、流動制限手段によって、流動材料の絶対量が制限される。
請求項５に記載の発明では、溝部を含んで形成される被充填部に、母材間の流動材料が充填される。
請求項６に記載の発明では、被充填部が、平坦面と凹面とが形成された溝部を含んで構成される。
請求項７に記載の発明では、ピストン本体の頂部に設けられる凹部と補強部材又は該補強部材が一端に装着される保持部材との間隙に、母材間の流動材料が充填される。
【発明の効果】
【００１１】
ピストンと補強部材との接合強度が確保されるピストンの製造方法及び摩擦圧接構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。本摩擦圧接構造は、アルミニウム合金鋳物のディーゼルエンジン用のピストン本体１の頂部２に、円環状に形成された補強部材３を摩擦圧接させる際に用いられるものであって、上記ピストン本体１を保持させるクランプブッシュ５（ピストン保持手段、及び頂部拘束手段）の内周面６に溝部７が設けられて、該溝部１７を含んで形成される第１の被充填部１７（流動制限手段）と、上記ピストン本体１の頂部２に設けられる凹部４を含んで形成される第２の被充填部１８（流動制限手段）と、にピストン本体１と補強部材３との突き合わせ部８の軟化されて塑性流動される材料（以下、母材間の流動材料と称す。）が充填される。これにより、本摩擦圧接構造では、摩擦圧接加工時における母材間の流動材料の流動が制限されるため、上記突き合わせ部８の圧接圧力を高めることが可能になり、バリの発生が抑制されて当該突き合わせ部８の材料が十分に攪拌されることにより、ピストン本体１と補強部材３との接合強度が確保される構造になっている。
【００１３】
上記補強部材３は、急冷凝固アルミニウム合金粉末が固化成形されることで形成されて、図１に示されるように、一側面（図１における紙面視右側面）が軸直角面に対して傾斜（※必要であれば、傾斜の程度をご教示ください。）されて形成される。そして、本摩擦圧接構造では、上記補強部材３の他側（図１における紙面視左側部分）が、摩擦圧接装置の主軸に装着される補強部材保持具９（補強部材保持手段）に取付固定された状態で、当該補強部材３の一側面が、上記クランプブッシュ５で保持されたピストン本体１の頂部２に対向される。また、上記クランプブッシュ５は、略円筒状に形成されて、図２に示されるように、軸平面によって２分割される。そして、本摩擦圧接構造では、２分割されたクランプブッシュ５の各内円筒面によってピストン本体１の外周面１０が挟持されて、ピストン本体１がクランプブッシュ５によってクランプされる。なお、図２に示されるように、上記クランプブッシュ５は、ピストン本体１をクランプさせた状態で、相互に対向される分割面間にクランプ代としての間隙（本実施の形態では、片側０．５ｍｍ程度。）が確保される。また、上記クランプブッシュ５を、必要に応じて３分割以上としてもよい。
【００１４】
また、図１に示されるように、上記クランプブッシュ５は、ピストン本体１の頂部２を半径方向へ拘束させる頂部拘束部１１（頂部拘束手段）が軸線方向（図１における紙面視左方向）へ延長されて延長部１２が形成されており、該延長部１２の内周面１３には、クランプブッシュ５の軸線を中心とする環状の溝部７が設けられる。そして、図３に示されるように、該溝部７には、円環状に形成されてピストン本体１がクランプブッシュ５によってクランプされた状態で当該ピストン本体１の頂部２の周縁に対向される平坦面１４と、断面が略弓形状に形成されて一端が平坦面１４に接続されると共に他端が上記頂部拘束部１１の拘束面１５に接続される凹面１６と、が設けられる。なお、図１に示されるように、摩擦圧接加工時には、上記クランプブッシュ５の内周面６に、補強部材３を保持させた補強部材保持具９が所定のクリアランスを有して嵌挿される。
【００１５】
そして、図１及び図３に示されるように、本摩擦圧接構造では、補強部材保持具９によって保持された補強部材３がクランプブッシュ５によって保持されたピストン本体１に突き合わされた状態で、上記溝部７と補強部材３とピストン本体１の頂部２とによって囲繞される空隙に上記第１の被充填部１７が形成されると共に、上記ピストン本体１の頂部２に設けれる凹部４と補強部材３と補強部材保持具９とによって囲繞される空隙に上記第２の被充填部１８が形成される。なお、本摩擦圧接構造では、上記第１の被充填部１７及び第２の被充填部１８の各容積が、ピストン本体１と補強部材３との突き合わせ部８の、母材間の流動材料の流量に応じて、適宜設定される。
【００１６】
次に、上記摩擦圧接構造を用いてピストン本体１と補強部材３とを摩擦圧接させて接合させる際の作用を説明する。まず、ピストン本体１がクランプブッシュ５によってクランプされると共に、補強部材３が摩擦圧接装置の主軸に装着された補強部材保持具９に取付固定される。次に、上記主軸が回転されて補強部材３が回転されつつ、該補強部材３が所定推力でピストン本体１の頂部に突き当てられる。これにより、ピストン本体１と補強部材３との突き合わせ部８の材料が、当該突き合わせ部８の接触面に発生する摩擦熱によって軟化されて塑性流動される。そして、該母材間の流動材料が第１の被充填部１７と第２の被充填部１８とに充填されて、当該母材間の材料の塑性流動が制限される。これにより、パリの発生が抑制されて圧接圧力（推力）が高められて、母材間の流動材料が十分に攪拌される。
【００１７】
そして、ピストン本体１と補強部材２との突き合わせ部８の圧接温度が所定温度（本実施の形態では、４００〜５００℃。）に到達されると、母材間の相対回転運動（本実施の形態では、補強部材３の回転運動）が停止されて、当該母材間にアプセット推力が付与される。該アプセット推力（※必要であれば、アプセット推力の程度をご教示ください。）が母材間に付与された状態が所定時間保持されると（※必要であれば、保持時間の程度をご教示ください。）、ピストン本体１と補強部材２とが接合される。このアプセット加圧時においても、第１の被充填部１７及び第２の被充填部１８によって流動材料の流動が制限されるため、バリの発生が抑制されてアプセット推力を十分に高めることができ、母材間の接合強度が確保される。そして、補強部材３が接合されたピストン本体１がクランプブッシュ５から取り外されて、図４に示されるように、第１の被充填部１７及び第２の被充填部１８に充填された材料（バリ）が取り除かれて、最後に仕上加工が施されることにより図５に示される製品としてのピストンが得られる。
【００１８】
この実施の形態では以下の効果を奏する。
本摩擦圧接構造では、クランプブッシュ５の頂部拘束部１１が軸線方向へ延長されて形成された延長部１２の内周面１３に、当該クランプブッシュ５で保持されたピストン本体１の頂部周縁を臨む環状の溝部７が形成されて、該溝部７と補強部材３とピストン本体１の頂部周縁とによって囲繞される第１の被充填部１７が形成されると共に、ピストン本体１の頂部２に設けれる凹部４と補強部材３と補強部材保持具９とによって囲繞される空隙に第２の被充填部１８が形成される。
したがって、本摩擦圧接構造によって、摩擦圧接加工時には、母材間の摩擦熱によって軟化されて塑性流動された流動材料が、第１の被充填部１７と第２の被充填部１８とに充填されて、当該母材間の流動材料の流動が制限される。
【００１９】
これにより、バリの発生が抑制されて、母材間に作用させる推力を高めて当該突き合わせ部８の圧接圧力を増大させることが可能になる。このため、流動材料が十分に加圧攪拌されて接合部の組織が緻密になり、母材間の接合強度が確保される。また、母材間の接合部にピストンの周方向へ沿うファイバーフローが形成されて、ピストンの頂部に縦方向（ピストン摺動方向）へ延びる亀裂が生じるのを防ぐことができる。また、バリの発生が抑制されることでアプセット推力を十分に高めることができ、これにより接合部の組織が緻密になり、母材間の接合強度が確保される。さらに、アプセット推力（圧接圧力）が高まることで、圧接温度を４００〜５００℃に抑えることが可能になり、急冷凝固アルミニウム合金粉末が固化成形されて形成された補強部材３を溶融させなくて済み、補強部材３の強度が確保される。
【００２０】
また、本摩擦圧接構造では、第１の被充填部１７を構成する溝部７に軸断面が略弓形状に形成される凹面１６が設けられるので、母材間の流動材料が該凹面１６に沿って第１の被充填部１７を円滑に流動されて該第１の被充填部１７に速やかに充填されるため、短時間で母材間の流動材料が十分に加圧攪拌されて、母材間の接合強度が確保される。
【００２１】
なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
本実施の形態では、補強部材３の一側（ピストン本体１に突き当てられる部分）を当該補強部材３の軸直角面に対して傾斜させたが、図６に示されるように、これを当該軸直角面に対して平行に形成させて、補強部材３の外周面がピストンの外周面を形成するように構成してもよい。
本実施の形態では、円環状に形成されて補強部材保持具９に保持された補強部材３をピストン本体１の頂部２に摩擦圧接させて接合させたが、図７に示されるように、補強部材保持具９を廃止して、急冷凝固アルミニウム合金粉末が固化成形されて形成される丸棒の一端をピストン本体１の頂部に摩擦圧接させて接合し、その接合後、該丸棒を所定位置で切断して補強部材３としてもよい。
本実施の形態では、ピストン本体１の頂部２を半径方向へ拘束させる頂部拘束部１１（頂部拘束手段）をクランプブッシュ５に設けて該頂部拘束部１１を延長させて延長部１２を形成し、該延長部１２の内周面１３に環状の溝部７を設けたが、図８に示されるように、頂部拘束部１１と円環状の溝部７とを、補強部材保持具９（補強部材保持手段）の一端（図８における右端）のヘッド部１９に設けて摩擦圧接構造を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本摩擦圧接構造の説明図である。
【図２】本摩擦圧接構造の説明図で、クランプブッシュが軸平面によって分割された構造であることを示す図である。
【図３】図１におけるＡ部拡大図である。
【図４】ピストン本体と補強部材とを接合させた後、摩擦圧接時に生じたバリが取り除かれた状態のピストンを示す図である。
【図５】図４における状態から仕上加工が施されたピストン（製品）を示す図である。
【図６】補強部材の他の形態を示す説明図である。
【図７】補強部材の他の形態を示す説明図である。
【図８】他の摩擦圧接構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  ピストン本体、２  頂部、３  補強部材、４  凹部、５  クランプブッシュ（ピストン保持手段）、７  溝部、８  突き合わせ部、９  補強部材保持具（補強部材保持手段）、１１  頂部拘束部（頂部拘束手段）、１４  平坦面、１５  拘束面、１６  凹面、１７  第１の被充填部（流動制限手段）、１８  第２の被充填部（流動制限手段）
【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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