(57)【要約】【課題】鋳造による成形方法ではない新たな構造部材を成形する方法を提供する。【解決手段】下型１の突設部１ｂ上に成形材料４を配設する。そして、上型３を成形材料４と接触する位置まで下降させる。次に、上型３を回転させると共に、下方に所定の荷重を付加しながら移動させることにより、成形材料４と下型１との間に摩擦熱を発生させて、成形材料４を軟化若しくは半溶融化させる。そして、軟化若しくは半溶融化した成形材料がキャビティ内に充填されると、上型３の回転を停止し、荷重を増大させることにより、成形材料４を硬化若しくは固化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１型と第２型との型合わせによる構造部材の成形方法であって、
前記第１型と前記第２型との間に構造部材材料を挿入する材料挿入工程と、
前記第１型及び前記第２型により前記構造部材材料に荷重を付加しつつ前記第１型を前記第２型に対して相対回転させて発生させた摩擦熱により前記構造部材材料を軟化若しくは半溶融化させる軟化半溶融化工程と、
前記軟化若しくは半溶融化した前記構造部材材料を硬化若しくは固化させて前記構造部材を成形する硬化固化工程と、
からなることを特徴とする構造部材の成形方法。
【請求項２】
前記材料挿入工程、前記軟化半溶融化工程及び前記硬化固化工程を順次複数回繰り返すことを特徴とする請求項１記載の構造部材の成形方法。
【請求項３】
各前記材料挿入工程にて挿入される前記構造部材材料は、それぞれ異なる材料からなる部分構造部材材料であることを特徴とする請求項２記載の構造部材の成形方法。
【請求項４】
前記材料挿入工程にて挿入される前記構造部材材料は、複数の部分構造部材材料からなり、
複数の前記部分構造部材材料は、それぞれ異なる材料であって、前記第１型と前記第２型との間に複数層に重ねて挿入されることを特徴とする請求項１記載の構造部材の成形方法。
【請求項５】
前記第１型と前記第２型との間に挿入される前記部分構造部材材料は、他の前記部分構造部材材料に嵌合させることを特徴とする請求項４記載の構造部材の成形方法。
【請求項６】
前記部分構造部材材料の嵌合部分の形状は、円形でないことを特徴とする請求項５記載の構造部材の成形方法。
【請求項７】
前記部分構造部材材料の嵌合は、圧入によることを特徴とする請求項５記載の構造部材の成形方法。
【請求項８】
隣接する前記部分構造部材材料は、接着させることを特徴とする請求項４記載の構造部材の成形方法。
【請求項９】
前記第１型及び前記第２型は、周囲を断熱材により被覆されていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の構造部材の成形方法。
【請求項１０】
前記構造部材材料は、中心付近に貫通孔が形成された形状であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の構造部材の成形方法。
【請求項１１】
前記構造部材材料は、前記第１型及び前記第２型の軟化点より低い軟化点を有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の構造部材の成形方法。
【請求項１２】
前記構造部材は、内燃機関用ピストンであることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の構造部材の成形方法。
【請求項１３】
前記部分構造部材材料と他の前記構造部材材料との境界部分は、前記内燃機関用ピストンのトップリング溝部に位置することを特徴とする請求項１２記載の構造部材の成形方法。
【請求項１４】
前記部分構造部材材料は、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料であることを特徴とする請求項１３記載の構造部材の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、内燃機関用ピストン等の構造部材の成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関用ピストンの成形方法は、鋳造により行っていた。すなわち、金型により形成されるキャビティ内にアルミニウム等の合金の溶湯を注湯後、凝固させて成形していた。しかし、鋳造による成形方法では、巣や酸化膜の発生等の鋳造欠陥を生じる。この鋳造欠陥により、ピストンの強度が不足するおそれがある。そこで、この問題を解決するために、例えば、ピストンの肉厚を厚くすることにより、ピストンの強度が不足しないようにしていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１０８２４３号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１３８１４１号公報
【特許文献３】
特開２０００−３１２９８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ピストンの肉厚化は、ピストンの質量を増加させることになる。このことは、フリクションの増加、さらには燃費悪化につながる。また、鋳造欠陥は鋳造による成形方法を採用する以上、避けることができない。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、鋳造による成形方法ではない新たなピストン等の構造部材を成形する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の構造部材の成形方法は、第１型と第２型との型合わせによる構造部材の成形方法であって、材料挿入工程と、軟化半溶融工程と、硬化固化工程とからなることを特徴とする。ここで、材料挿入工程は、第１型と第２型との間に構造部材材料を挿入する工程である。構造部材材料は、例えば金属等の固形形状等である。軟化半溶融工程は、第１型及び第２型により構造部材材料に荷重を付加しつつ、第１型を第２型に対して相対回転させて発生させた摩擦熱により、構造部材材料を軟化若しくは半溶融化させる工程である。硬化固化工程は、軟化若しくは半溶融化した構造部材材料を硬化若しくは固化させて構造部材を成形する工程である。
【０００７】
つまり、第１型と第２型の相対回転と荷重の付加により、第１型と構造部材材料間若しくは第２型と構造部材材料間に摩擦熱が発生する。第１型と第２型の相対回転速度が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。さらに、第１型と第２型により付加される荷重が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。ただし、相対回転速度や付加される荷重は、第１型や第２型の摩耗を考慮したものとする。そして、摩擦熱が発生した部分から構造部材材料が徐々に軟化若しくは半溶融化する。軟化若しくは半溶融化した構造部材材料が、第１型と第２型により形成されるキャビティ内に充填されるまで、第１型と第２型の相対回転と加圧状態を維持させる。そして、第１型と第２型により形成されるキャビティ内に構造部材材料が充填された後に、第１型と第２型の相対回転を停止する。これにより、軟化若しくは半溶融化した構造部材材料が硬化若しくは固化して、所望の形状の構造部材が成形される。
【０００８】
すなわち、型内に溶湯を注湯後凝固させる鋳造による成形方法とは異なる成形方法であるため、鋳造欠陥が発生しない。つまり、鋳造により成形するために生じていた構造部材の強度不足等が生じないことになる。
【０００９】
また、前記材料挿入工程、前記軟化半溶融化工程及び前記硬化固化工程を順次複数回繰り返すようにしてもよい。複数回に分割することにより、構造部材の形状が複雑な場合であっても、確実に成形することができる。
【００１０】
なお、各前記材料挿入工程にて挿入される前記構造部材材料は、それぞれ異なる材料からなる部分構造部材材料としてもよい。例えば、部分構造部材材料は、それぞれ、アルミニウムを主成分とする材料であって異なる組成のものとしてもよいし、マグネシウムを主成分とする材料であって異なる組成のものとしてもよいし、さらにはアルミニウムを主成分をする材料とマグネシウム又は鉄を主成分とする材料等としてもよい。
【００１１】
ここで、繰り返す回数が２回の場合における構造部材の成形方法は、以下のようになる。すなわち、第１型と第２型との型合わせによる構造部材の成形方法であって、前記第１型と前記第２型との間に第１構造部材材料を挿入する第１材料挿入工程と、前記第１型及び前記第２型により前記第１構造部材材料に荷重を付加しつつ前記第１型を前記第２型に対して相対回転させて発生させた摩擦熱により前記第１構造部材材料を軟化若しくは半溶融化させる第１軟化半溶融化工程と、前記軟化若しくは半溶融化した前記第１構造部材材料を硬化若しくは固化させて前記構造部材の一部である第１構造部材を成形する第１硬化固化工程と、前記第１型若しくは前記第２型と前記第１構造部材との間に前記第１構造部材材料とは異なる材料からなる第２構造部材材料を挿入する第２材料挿入工程と、前記第１型及び前記第２型により前記第２構造部材材料に荷重を付加しつつ前記第１型を前記第２型に対して相対回転させて発生させた摩擦熱により前記第２構造部材材料を軟化若しくは半溶融化させる第２軟化半溶融化工程と、前記軟化若しくは半溶融化した前記第２構造部材材料を硬化若しくは固化させて前記構造部材の一部である第２構造部材を成形する第２硬化固化工程と、からなることを特徴とする構造部材の成形方法。
【００１２】
これにより、構造部材の位置に応じて要求される機能が異なる場合、例えば、構造部材の下方側では高い靭性が必要であって、構造部材の上方側では高温において高い硬度が必要な場合等に容易に適用することができ、低コスト化を図ることができる。
【００１３】
ここで、従来、構造部材の位置に応じて要求される機能が異なる場合に採用していた方法について、構造部材として内燃機関用ピストンを例にとり説明する。内燃機関用ピストンは、以下のことが要求される。第１に、内燃機関用ピストン全体が軽量であることが要求される。第２に、内燃機関用ピストンの頂部は、熱疲労強度が高いこと、すなわち、靭性が高いことが要求される。第３に、トップリング溝は、耐摩耗性が高いことが要求される。第４に、ピンボス部は、高温における高い硬度が要求される。そこで、従来、頂部やトップリング溝はＭＭＣや耐摩環鋳ぐるみ等により、ピンボス部はブシュを圧入することにより対応していた。しかし、これらの成形方法は非常にコスト高である。また、従来、複数の材料からなる鋳造法により対応していた。これは、それぞれの材料からなる構造部材をそれぞれ鋳造成形した後に接合することにより行うものである。しかし、この方法も、複数回の鋳造工程を必要とし、生産設備及び品質確保が複雑化するために非常にコスト高であった。
【００１４】
そこで、本発明の構造部材の成形方法により、容易に、かつ、低コストで要求される構造部材を成形することができる。つまり、内燃機関用ピストンの場合は、頂部には高い靭性の材料を使用し、トップリング溝部には高い耐摩耗性の材料を使用し、ピンボス部には高い高度の材料を使用することにより対応することができる。
【００１５】
また、前記材料挿入工程にて挿入される前記構造部材材料は、複数の部分構造部材材料からなり、複数の前記部分構造部材材料は、それぞれ異なる材料であって、前記第１型と前記第２型との間に複数層に重ねて挿入するようにしてもよい。具体的には、構造部材材料は、固形形状からなる複数の部分構造部材材料である。そして、第１型と第２型との間に、固形形状からなる複数の部分構造部材材料を重ねた状態に配設する。その後、軟化半溶融化工程にて、配設された複数の部分構造部材材料が軟化若しくは半溶融化する。このとき、複数の部分構造部材材料は、同時に軟化若しくは半溶融化するようにしてもよいし、一方から順次軟化若しくは半溶融化するようにしてもよい。そして、硬化固化工程にて、軟化若しくは半溶融化した複数の部分構造部材材料が硬化若しくは固化して構造部材を成形する。
【００１６】
この成形方法は、材料挿入工程、軟化半溶融化工程及び硬化固化工程をそれぞれ一回ずつ行う方法であるのに対して、上述の成形方法は、各工程を複数回行う方法である。つまり、上述の成形方法の効果を奏するのに加えて、上述の成形方法に比べて製造コストをより安価にすることができる。
【００１７】
なお、前記第１型と前記第２型との間に挿入される前記部分構造部材材料は、他の前記部分構造部材材料に嵌合させるようにしてもよい。複数の部分構造部材材料を重ねて配設する成形方法では、それぞれの構造部材材料が軟化若しくは半溶融化した後に移動する位置が重要となる。そこで、部分構造部材材料をそれぞれ嵌合させることにより位置決めされることになり、軟化若しくは半溶融化する際に適切な位置に移動させることができる。
【００１８】
また、部分構造部材材料の嵌合部分の形状は、円形でないようにするとよい。嵌合部分の形状を円形にすると、嵌合している部分構造部材材料はそれぞれ相対回転する場合が生ずる。仮に、嵌合している部分構造部材材料がそれぞれ相対回転すると、第１型若しくは第２型との摩擦熱が発生せず、部分構造部材材料間にて摩擦熱が発生する。そうすると、全ての部分構造部材材料の軟化若しくは半溶融化ができない場合が生じ、構造部材の成形ができないおそれがある。そこで、嵌合部分の形状を円形でない形状にすることにより、部分構造部材材料は相対的に固定されることになる。つまり、確実に軟化若しくは半溶融化させることができ、正確な構造部材を成形することができる。
【００１９】
また、前記部分構造部材材料の嵌合は、圧入によるようにしてもよい。また、隣接する部分構造部材材料は接着してもよい。上述したように、嵌合している若しくは隣接する部分構造部材材料は相対的に固定される方が望ましい。そこで、嵌合を圧入により行うこと、若しくは、接着することにより、部分構造部材材料を相対的に固定することができる。
【００２０】
また、本発明の構造部材の成形方法に使用する第１型及び第２型は、周囲を断熱材により被覆してもよい。構造部材材料の軟化若しくは半溶融化は、第１型若しくは第２型と構造部材材料との摩擦熱により行っている。すなわち、第１型及び第２型の周囲を断熱材により被覆することで、発生した熱の温度が低下するのを防止できる。つまり、構造部材材料が軟化若しくは半溶融化した状態を維持させることができる。このことは、確実に、第１型と第２型のキャビティに軟化若しくは半溶融化した構造部材材料を充填させることができることになる。すなわち、確実に所定の形状の構造部材を成形することができる。また、エネルギーの効率的な利用の観点からも優れている。すなわち、発生した摩擦熱が逃げるのを防止できるので、必要以上に摩擦熱を発生させることがなくなる。
【００２１】
また、本発明の構造部材の成形方法に使用する構造部材材料は、中心付近に貫通孔が形成された形状としてもよい。例えば、ドーナツ形状のような形状である。上述のとおり、第１型若しくは第２型と構造部材材料と間に発生する摩擦熱により、構造部材材料を軟化若しくは半溶融化している。この摩擦熱の発生は、第１型と第２型との相対回転によるものである。そして、相対回転の回転中心付近では、相対移動速度が０若しくは非常に小さいため摩擦熱の発生が困難である。つまり、構造部材材料のうち摩擦熱の発生が困難な位置に貫通孔を形成することにより、構造部材材料を確実に軟化若しくは半溶融化させることができる。
【００２２】
また、本発明の構造部材の成形方法に使用する構造部材材料は、第１型及び第２型の軟化点より低い軟化点を有するようにするとよい。例えば、第１型及び第２型に鋼材を使用した場合には、構造部材材料として鋼材よりも軟化点の低い材料であるアルミニウムやマグネシウム等の軽金属を主成分とする合金等を使用できる。つまり、構造部材材料を確実に軟化若しくは半溶融化させることができる。
【００２３】
また、本発明の構造部材は、内燃機関用ピストンとしてもよい。そして、この内燃機関用ピストンのトップリング溝部に、前記部分構造部材材料と他の前記構造部材材料との境界部分が位置するようにしてもよい。内燃機関用ピストンのトップリング溝部は、上述したように、耐摩耗性が高いことが要求される。そして、内燃機関用ピストンは、一般に金属材料を使用する。そこで、構造部材材料として、アルミニウムを主成分とする材料と、鉄を主成分とする材料を用いた場合等には、前記境界部分は、両金属材料の合金となり強度が高くなる。そこで、強度の高い境界部分をトップリング溝部に位置させることにより、トップリング溝部に要求される耐摩耗性を満たすことができる。また、前記部分構造部材材料は、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料とするとよい。これにより、構造部材全体の軽量化を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
本実施形態では、構造部材の成形方法の一例として、内燃機関用ピストン（以下、「ピストン」という）の成形方法について説明する。一般に、内燃機関用ピストンは、主として、ピストンクラウン部、ピストン溝部及びピストンスカート部とからなる。
【００２６】
次に、ピストンを型合わせにより成形する成形装置について図１（ａ）を参照して説明する。なお、図１（ａ）は断面図である。図１（ａ）に示すように、成形装置の金型は下型１と横型２と上型３とから構成される。すなわち、下型１は、土台となる円盤部１ａと、その円盤部１ａのほぼ中央で図１（ａ）の上側に突設した突設部１ｂとからなる。この突設部１ｂの形状は、ピストンスカート部の内側の形状を転写する形状となっている。そして、下型１はテーブル（図示せず）に固定されている。横型２は、ほぼ円筒形状であって、ピストンスカート部の外側の形状を転写する形状となっている。また、横型２は、内径が下型１の突設部１ｂの外径より大きく、高さが下型１の突設部１ｂの高さより高く形成されている。そして、この横型２は下型１上に着脱自在に取付けられる。上型３は、円盤部３ａと軸部３ｂとからなる。この円盤部３ａの外径は、横型２の内径よりやや小さく形成されている。また、軸部３ｂの一端側は、円盤部３ａの中心に取付けられている。軸部３ｂの他端側は、モータ（図示せず）に回転可能に接続されている。さらに、上型３が、軸部３ｂの軸方向に移動可能であって、所定の荷重を付加することができる構成とされている。なお、下型１、横型２及び上型３は、摩耗を考慮して表面が硬質な鋼材、例えば工具鋼や超鋼合金等により形成されている。ここで、上型３が第１型に相当し、下型１及び横型２が第２型に相当する。
【００２７】
このように構成される成形装置を用いたピストンの成形方法について図１を参照して説明する。まず、ピストンを成形するための成形材料（構造部材材料）４を下型１の突設部１ｂの上に配設する（材料挿入工程）。ここで、成形材料４は、アルミニウムを主成分とする合金からなる。また、成形材料４の形状は、円柱形状からなる。具体的には、成形材料４の外径が横型２の内径より小さく、成形材料４の底面積が下型１の突設部１ｂの上面部１ｃの面積より広く形成されている。つまり、成形材料４を下型１の突設部１ｂ上に配設した場合、成形材料４の外周が横型２と接触することがなく、さらには、突設部１ｂの上面部１ｃ全てが成形材料４の底面と接することになる。
【００２８】
次に、上型３を成形材料４と接触する位置まで下降させる。この場合、成形材料４の上面全てが上型３の円盤部３ａの下面に接することになる。続いて、モータ（図示せず）の駆動により、上型３を軸部３ｂの軸中心まわりに回転させると共に、下方に所定の荷重を付加しながら移動させる。このように、上型３を回転させつつ、所定の荷重を付加しながら下方へ移動させることにより、成形材料４は上型３と共に回転する。これは、成形材料４と上型３との接触面積が成形材料４と下型１との接触面積よりも広いため、成形材料４のそれぞれの面に生ずる摩擦力の差によるものである。
【００２９】
この動作により、成形材料４の底面と下型１の突設部１ｂの上面部１ｃとの間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、成形材料４の下側が徐々に軟化さらには半溶融化し始める（軟化半溶融化工程）。なお、上型３の回転速度が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。さらに、上型３により付加される荷重が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。ただし、上型３の回転速度や付加される荷重は、下型１や上型３の摩耗を考慮する必要がある。
【００３０】
そして、軟化若しくは半溶融化した成形材料４は、下型１の突設部１ｂと横型２との間の下方に移動する。そして、下型１、横型２及び上型３により形成されるキャビティ内に成形材料４が充填されるまで、上型３を回転させ下方へ荷重をかけながら移動させ続ける。図１（ｂ）に示すように、成形材料４がキャビティ内に充填されると、上型３の回転を停止する。そして、上型３が成形材料４に付加する荷重を増大させて、軟化若しくは半溶融化した成形材料４を硬化若しくは固化させる（硬化固化工程）。
【００３１】
成形材料４が硬化若しくは固化した後、まず、上型３を上方へ移動させる。次に、横型２を下型１から取り外す。そして、硬化若しくは固化した成形材料４を下型１から取り外す。この成形材料４、すなわちピストンは、さらに、切削加工によりピストン溝部等が形成される。
【００３２】
（第２実施形態）
本実施形態についても、第１実施形態と同様に構造部材の成形方法の一例として、内燃機関用ピストンの成形方法について図２を参照して説明する。なお、図２は断面図である。図２（ａ）に示すように、成形装置の金型は下型１１と横型１２と上型１３とから構成される。すなわち、下型１１は円盤形状である。そして、下型１１はテーブル（図示せず）に固定されている。横型１２は、円筒部１２ａと内突部１２ｂからなる。円筒部１２ａは、ピストンスカート部の外側の形状を転写する形状となっている。ただし、ピストンスカート部の端部が横型１２の上側（内突部１２ｂ側）となるようになっている。そして、内突部１２ｂは、円筒部１２ａの上側の内側に突設されている。この内突部１２ｂの突設量は、ピストンスカート部の肉厚分である。そして、この横型１２は、下型１１上に着脱自在に取付けられる。上型１３は、柱部１３ａと軸部１３ｂとからなる。この柱部１３ａは、下方程細く形成されている。また、柱部１３ａのうち所定の位置より上方では、柱部１３ａの外径が横型１２の内突部１２ｂの内径よりやや小さく形成されている。また、軸部１３ｂの一端側は、柱部１３ａの中心に取付けられている。軸部１３ｂの他端側は、モータ（図示せず）に回転可能に接続されている。さらに、上型１３が、軸部１３ｂの軸方向に移動可能であって、所定の荷重を付加することができる構成とされている。なお、下型１１、横型１２及び上型１３は、鋼材により形成されている。ここで、上型１３が第１型に相当し、下型１１及び横型１２が第２型に相当する。
【００３３】
このように構成される成形装置を用いたピストンの成形方法について説明する。まず、ピストンを成形するための成形材料（構造部材材料）４を下型１１上に配設する（材料挿入工程）。ここで、成形材料４は、アルミニウムを主成分とする合金からなる。また、成形材料４の形状は、円柱形状からなる。具体的には、外径が横型１２の円筒部１２ａの内径より小さく、円面積が上型１３の柱部１３ａの下面部１３ｃの面積より広く形成されている。つまり、成形材料４を下型１上に配設した場合、成形材料４の外周が横型１２と接触しない。
【００３４】
次に、上型１３を成形材料４と接触する位置まで下降させる。この場合、上型１３の柱部１３ａの下面部１３ｃ全てが成形材料４の上面に接することになる。続いて、モータ（図示せず）の駆動により、上型１３を軸部１３ａの軸中心まわりに回転させると共に、下方へ所定の荷重を付加しながら移動させる。このように、上型３を回転させつつ、所定の荷重を付加しながら下方へ移動させた場合であっても、成形材料４は静止した状態を維持する。これは、成形材料４と上型１３との接触面積が、成形材料４と下型１１との接触面積よりも狭いため、成形材料４のそれぞれの面に生ずる摩擦力の差によるものである。
【００３５】
この動作により、成形材料４の上面と上型１３の柱部１３ａの下面部１３ｃとの間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、成形材料４の上側が徐々に軟化さらには半溶融化し始める（軟化半溶融化工程）。なお、上型１３の回転速度が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。さらに、上型１３により付加される荷重が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。ただし、上型１３の回転速度や付加される荷重は、下型１１や上型１３の摩耗を考慮する必要がある。
【００３６】
そして、軟化若しくは半溶融化した成形材料４は、上型１３の柱部１３ａと横型１２との間に移動する。そして、下型１１、横型１２及び上型１３により形成されるキャビティ内に成形材料４が充填されるまで、上型１３を回転させ下方へ移動させ続ける。図２（ｂ）に示すように、成形材料４がキャビティ内に充填されると、上型１１の回転を停止する。そして、上型１３が成形材料４に付加する荷重を増大させて、軟化若しくは半溶融化した成形材料４を硬化若しくは固化させる（硬化固化工程）。
【００３７】
成形材料４が硬化若しくは固化した後、まず、上型１３を上方へ移動させる。次に、横型１２を下型１１から取り外す。そして、硬化若しくは固化した成形材料４を横型１２から取り外す。この成形材料４、すなわちピストンは、さらに、切削加工によりピストン溝部等が形成される。
【００３８】
（第３実施形態）
第３実施形態における構造部材の成形方法について図３及び図４を参照して説明する。本実施形態においても、上記実施形態と同様に、構造部材として内燃機関用ピストンを例にあげて説明する。また、本実施形態における構造部材の成形装置は、第１実施形態に示したものと同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
まず、図３（ａ）に示すように、ピストンを成形するための第１成形材料（部分構造部材材料）４ａを下型１の突設部１ｂの上に配設する（第１材料挿入工程）。ここで、第１成形材料４ａは、アルミニウムを主成分とする合金からなり、高温において硬度が高い材料からなる。また、第１成形材料４ａは、円柱形状からなる。具体的には、第１成形材料４ａの外径が横型２の内径より小さく、第１成形材料４ａの底面積が下型１の突設部１ｂの上面部１ｃの面積より広く形成されている。つまり、第１成形材料４ａを下型１の突設部１ｂ上に配設した場合、第１成形材料４ａの外周が横型２と接触することがなく、さらには、突設部１ｂの上面部１ｃ全てが第１成形材料４ａの底面と接することになる。
【００４０】
次に、上型３を第１成形材料４ａと接触する位置まで下降させる。この場合、第１成形材料４ａの上面全てが上型３の円盤部３ａの下面に接することになる。続いて、モータ（図示せず）の駆動により、上型３を軸部３ｂの軸中心まわりに回転させると共に、下方に所定の荷重を付加しながら移動させる。このように、上型３を回転させつつ、所定の荷重を付加しながら下方へ移動させることにより、第１成形材料４ａは上型３と共に回転する。これは、第１成形材料４ａと上型３との接触面積が第１成形材料４ａと下型１との接触面積よりも広いため、第１成形材料４ａのそれぞれの面に生ずる摩擦力の差が生じるからである。
【００４１】
この動作により、第１成形材料４ａの底面と下型１の突設部１ｂの上面部１ｃとの間には摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、第１成形材料４ａの下側が徐々に軟化さらには半溶融化し始める（第１軟化半溶融化工程）。なお、上型３の回転速度が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。さらに、上型３により付加される荷重が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。ただし、上型３の回転速度や付加される荷重は、下型１や上型３の摩耗を考慮する必要がある。
【００４２】
そして、軟化若しくは半溶融化した第１成形材料４ａは、下型１の突設部１ｂと横型２との間の下方に移動する。そして、下型１、横型２及び上型３により形成されるキャビティ内に第１成形材料４ａが充填されるまで、上型３を回転させ下方へ荷重をかけながら移動させ続ける。図３（ｂ）に示すように、第１成形材料４ａがキャビティ内に充填されると、上型３の回転を停止する。そして、上型３が第１成形材料４ａに付加する荷重を増大させて、軟化若しくは半溶融化した第１成形材料４ａを硬化若しくは固化させる（第１硬化固化工程）。第１成形材料４ａが硬化若しくは固化した後、上型３を上方へ移動させる。
【００４３】
次に、図４（ａ）に示すように、第２成形材料（部分構造部材材料）４ｂを硬化若しくは固化した第１成形材料４ａの上に配設する（第２材料挿入工程）。ここで、第２成形材料４ｂは、アルミニウムを主成分とする合金からなり、靭性が高い材料からなる。また、第２成形材料４ｂは、外径が横型２の内径より小さな円柱形状からなる。
【００４４】
続いて、上型３を第２成形材料４ｂと接触する位置まで下降させる。この場合、第２成形材料４ｂの上面全てが上型３の円盤部３ａの下面に接することになる。続いて、モータ（図示せず）の駆動により、上型３を軸部３ｂの軸中心まわりに回転させると共に、下方に所定の荷重を付加しながら移動させる。このように、上型３を回転させつつ、所定の荷重を付加しながら下方へ移動させることにより、第２成形材料４ｂは上型３と共に回転する。これは、第２成形材料４ｂと上型３との摩擦力に対して、第２成形材料４ｂと第１成形材料４ａとの摩擦力の方が小さいからである。
【００４５】
この動作により、第２成形材料４ｂの底面と第１成形材料４ａの上面との間には摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、第２成形材料４ｂの下側が徐々に軟化さらには半溶融化し始める（第２軟化半溶融化工程）。なお、上型３の回転速度が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。さらに、上型３により付加される荷重が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。ただし、上型３の回転速度や付加される荷重は、上型３の摩耗を考慮する必要がある。
【００４６】
そして、第１成形材料４ａ、横型２及び上型３により形成されるキャビティ内に第２成形材料４ｂが充填されるまで、上型３を回転させながら下方へ荷重をかけながら移動させ続ける。このとき、第１成形材料４ａの上面は、第１成形材料４ａと第２成形材料４ｂとの間に発生する摩擦熱により、徐々に軟化さらには半溶融化し始める。そして、図４（ｂ）に示すように、第２成形材料４ｂがキャビティ内に充填されると、上型３の回転を停止する。その後、上型３が第２成形材料４ｂに付加する荷重を増大させて、軟化若しくは半溶融化した第２成形材料４ｂを硬化若しくは固化させる（第２硬化固化工程）。同時に、第１成形材料４ａのうち軟化若しくは半溶融化した部分を硬化若しくは固化させる。その際、第１成形材料４ａと第２成形材料４ｂとの境界部分はそれぞれの材料の合金となり、第１成形材料４ａと第２成形材料は結合する。境界部分が合金となるのは、第２成形材料４ｂを軟化若しくは半溶融化させる際に、同時に第１成形材料が軟化若しくは半溶融化するため、両者が混合するからである。
【００４７】
続いて、第２成形材料４ｂが硬化若しくは固化した後、まず、上型３を上方へ移動させる。続いて、横型２を下型１から取り外す。そして、硬化若しくは固化した第１成形材料及び第２成形材料が一体となった成形材料４を下型１から取り外す。最後に、型から取り外された成形材料４、すなわちピストンは、さらに切削加工によりピストン溝部等が形成される。
【００４８】
（第４実施形態）
第４実施形態における構造部材の成形方法について図５を参照して説明する。本実施形態においても、上記実施形態と同様に、構造部材として内燃機関用ピストンを例にあげて説明する。また、本実施形態における構造部材の成形装置は、第１実施形態に示したものと同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
まず、図５（ａ）に示すように、ピストンを成形するための第１成形材料（部分構造部材材料）４ａと第２成形材料４ｂとを一体とした成形材料４を、第１成形材料４ａが下側となるように下型１の突設部１ｂの上に配設する（材料挿入工程）。ここで、第１成形材料４ａは、アルミニウムを主成分とする合金からなり、高温において硬度が高い材料からなる。第２成形材料は、アルミニウムを主成分とする合金からなり、靭性が高い材料からなる。また、第１成形材料４ａ及び第２成形材料４ｂは、外径が横型２の内径より小さな円柱形状に形成されている。さらに、第１成形材料４ａの外径は第２成形材料４ｂの外径より小さく形成されている。また、第１成形材料４ａと第２成形材料とは、接着剤等により接着されている。
【００５０】
次に、上型３を第２成形材料４ｂの上面に接触する位置まで下降させる。この場合、第２成形材料４ｂの上面全てが上型３の円盤部３ａの下面に接することになる。続いて、モータ（図示せず）の駆動により、上型３を軸部３ｂの軸中心まわりに回転させると共に、下方に所定の荷重を付加しながら移動させる。このように、上型３を回転させつつ、所定の荷重を付加しながら下方へ移動させることにより、第１成形材料４ａ及び第２成形材料は上型３と共に回転する。これは、第２成形材料４ｂと上型３との接触面積が第１成形材料４ａと下型１との接触面積よりも広いため、成形材料４と上型３若しくは下型１との間に摩擦力の差が生ずるからである。
【００５１】
この動作により、第１成形材料４ａの底面と下型１の突設部１ｂの上面部１ｃとの間には摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、第１成形材料４ａの下側が徐々に軟化さらには半溶融化し始める（第１軟化半溶融化工程）。なお、上型３の回転速度が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。さらに、上型３により付加される荷重が大きい程、より摩擦熱を発生させることができる。ただし、上型３の回転速度や付加される荷重は、下型１や上型３の摩耗を考慮する必要がある。
【００５２】
そして、軟化若しくは半溶融化した第１成形材料４ａは、下型１の突設部１ｂと横型２との間の下方に移動する。このようにして、第１成形材料４ａが全て軟化若しくは半溶融化すると、次は、第２成形材料４ｂと下型１の突設部１ｂの上面部１ｃとの間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、第２成形材料４ｂの下側が徐々に軟化さらには半溶融化し始める（第２軟化半溶融化工程）。そして、軟化若しくは半溶融化した第１成形材料４ａ及び第２成形材料４ｂが、下型１、横型２及び上型３により形成されるキャビティ内に充填されると、上型３の回転を停止する。その後、上型３が第１成形材料４ａ及び第２成形材料に付加する荷重を増大させて、軟化若しくは半溶融化した第１成形材料４ａ及び第２成形材料４ｂを硬化若しくは固化させる（硬化固化工程）。
【００５３】
第１成形材料４ａ及び第２成形材料４ｂが硬化若しくは固化した後、上型３を上方へ移動させる。続いて、横型２を下型１から取り外す。そして、硬化若しくは固化した第１成形材料及び第２成形材料が一体となった成形材料４を下型１から取り外す。最後に、型から取り外された成形材料４、すなわちピストンは、さらに切削加工によりピストン溝部等が形成される。
【００５４】
（他の実施形態）
上記第４実施形態において、第１成形材料４ａ及び第２成形材料４ｂは、何れも円柱形状としたがこれに限られるものではない。例えば、図６に示すように、第１成形材料４ａが第２成形材料４ｂに嵌合するような形状としてもよい。これにより、型の中へ挿入する前に予め両成形材料４を接着させる位置決めが容易となる。両成形材料４の接着位置によっては、摩擦熱を効果的に発生することができない場合が生ずるが、嵌合することによりこのような問題が生じない。
【００５５】
また、第１成形材料４ａと第２成形材料４ｂとの嵌合は、圧入によるようにしてもよい。これにより、両成形材料４を接着しなくてもよい。なお、接着と圧入との両方によることで、より確実に第１成形材料４ａと第２成形材料４ｂとが固定されることになる。
【００５６】
また、嵌合部分の形状を円形以外の形状、例えば四角形等にしてもよい。これにより、第１成形材料４ａと第２成形材料とを接着や圧入等により固定しなくても、確実に両者を固定することができる。もちろん、両者の位置決めもできる。なお、第１成形材料４ａ及び第２成形材料４ｂのうち嵌合部分以外の部分の形状は、円形であっても、円形でなくても何れであってもよい。
【００５７】
また、第３実施形態及び第４実施形態において、第１成形材料４ａと第２成形材料４ｂとの境界部分をピストンのトップリング溝部に位置するように成形材料４の量の割合を設定してもよい。例えば、第１成形材料４ａとしてアルミニウムを主成分とする材料とし、第２成形材料として鉄を主成分とする材料とした場合、一般に、両金属の境界部分に形成される両金属の合金は強度が高い。そこで、強度の高い境界部分をトップリング溝部に位置させることにより、トップリング溝部に要求される耐摩耗性を満たすことができる。
【００５８】
上記実施形態の他に、図７に示すように、下型２１と横型２２と上型２３の周囲を断熱材２５により被覆している。なお、下型２１や横型２２や上型２３は、第１実施形態における下型１や横型２や上型３とほぼ同様のものである。また、ピストンの成形方法については、第１実施形態に示す成形方法と同様である。ここで、成形材料４と下型２１との間に発生する摩擦熱により、成形材料４を軟化若しくは半溶融化している。すなわち、下型２１及び横型２２及び上型２３の周囲に断熱材２５を被覆することにより、発生した摩擦熱の温度の低下を抑制することができる。つまり、成形材料４を硬化若しくは固化させることなく、軟化若しくは半溶融化した状態を維持させることができる。その結果、確実に、下型２１及び横型２２及び上型２３により形成されるキャビティ内に軟化若しくは半溶融化した成形材料を充填させることができることになる。すなわち、確実にピストンを成形することができる。また、発生させた熱エネルギーを効率的に利用することができるため、必要以上に摩擦熱を発生させることがなく、低コスト化を実現することができる。なお、第２実施形態における金型に対しても同様に断熱材を被覆することで上記と同様の効果を奏する。
【００５９】
また、上記実施形態では、成形材料４の形状を中実形状としているが、これに限られるものではない。例えば、図８に示すように、ほぼ中心付近に貫通孔４ｃを形成するようにしてもよい。なお、図８は、成形材料４の断面図を示す。第１実施形態の場合には、上型３を回転させることにより、成形材料４と下型１との間に摩擦熱を発生させている。また、第２実施形態の場合には、上型１３を回転させることにより、成形材料４と上型１３との間に摩擦熱を発生させている。これらの場合におけて、成形材料４の回転中心付近では、速度が０若しくは非常に小さくなるため、摩擦熱の発生が困難となる。そこで、成形材料４の形状をほぼ中心付近に貫通孔４ｃを形成した形状とすることで、摩擦熱を確実に発生させることができるため、成形材料４を確実に軟化若しくは半溶融化させることができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、ピストンの成形方法について説明したが、本発明により成形される構造部材は、これに限られるものではない。また、成形材料はアルミニウムを主成分とする合金に限られることなく、例えば、マグネシウム等の他の軽金属を主成分とする合金であってもよい。また、成形後の構造部材に熱処理を行う場合には、硬化固化工程を利用して行うようにしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の構造部材の成形方法によれば、鋳造による成形方法でないため、鋳造欠陥が生じない。その結果、成形される構造部材をピストンとした場合には、鋳造欠陥の対策により生じていた質量増加や、フリクション増加、さらには燃費悪化を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における構造部材の成形方法を示す図である。
【図２】第２実施形態における構造部材の成形方法を示す図である。
【図３】第３実施形態における構造部材の成形方法を示す図である。
【図４】第３実施形態における構造部材の成形方法を示す図である。
【図５】第４実施形態における構造部材の成形方法を示す図である。
【図６】他の実施形態における部分構造部材材料を示す断面図である。
【図７】他の実施形態における構造部材の成形方法を示す図である。
【図８】他の実施形態のおける成形材料を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１１、２１　・・・　下型（第２型）
１ａ　・・・　円盤部
１ｂ　・・・　突設部
２、１２、２２　・・・　横型（第２型）
３、１３、２３　・・・　上型（第１型）
３ａ　・・・　円盤部
３ｂ　・・・　軸部
４　・・・　成形材料（構造部材材料）
４ａ　・・・　第１成形材料（部分構造部材材料）
４ｂ　・・・　第２成形材料（部分構造部材材料）
４ｃ　・・・　貫通孔
１２ａ　・・・　円筒部
１２ｂ　・・・　内突部
１３ａ　・・・　柱部
１３ｂ　・・・　軸部
【図１】
2004122229.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004122229.tif 000005
【図４】
2004122229.tif 000006
【図５】
2004122229.tif 000007
【図６】
2004122229.tif 000008
【図７】
2004122229.tif 000009
【図８】
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