(57)【要約】【課題】冷却能力が高い冷却空洞付き耐摩環を、低い設備コスト且つ少ない製造工程で製造する方法を提供すること。【解決手段】環状の耐摩環３の内周側に、外径が該耐摩環３の内径と略同一の環状の金属管８をセットし、断面円形でテーパ形状のパンチ９の周面を金属管８の内周側から当接させ、該パンチ１０に荷重を負荷して耐摩環３に対してピストン軸方向に相対移動させて耐摩環３と金属管８とを圧着接合する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン本体に鋳包まれてピストンリングが組み込まれる耐摩環であって、冷却オイルを還流させる環状の冷却空洞が内周側に付設された耐摩環の製造方法において、
環状の耐摩環の内周側に、外径が該耐摩環の内径と略同一の環状の金属管をセットし、
断面円形でテーパ形状のパンチの周面を金属管の内周側から当接させ、
該パンチに荷重を負荷して耐摩環に対して該耐摩環の円周方向及び半径方向の両方に垂直なピストン軸方向に相対移動させて耐摩環と金属管とを圧着接合し、
該圧着接合された金属管によって冷却空洞を構成することを特徴とする冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
【請求項２】
耐摩環がセットされて該耐摩環の半径方向の変位及びピストン軸方向のうち一方向への変位を規制する耐摩環セット部と、該耐摩環セット部の内周側に、金属管がセットされて前記ピストン軸方向のうち一方向への変位を規制する金属管セット部とを備えたセット治具に、耐摩環と金属管とをセットし、パンチを前記ピストン軸方向のうち他方向側から一方向に相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
【請求項３】
耐摩環がセットされて該耐摩環の半径方向の変位を規制する耐摩環セット部を備えたセット治具に、耐摩環をセットすると共に該耐摩環の内周面に金属管の外周面を当接させてセットし、２つのパンチを前記ピストン軸方向のうち一方向側と逆方向側とから、それぞれ前記ピストン軸方向のうち逆方向と一方向に相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
【請求項４】
冷却空洞付き耐摩環がピストン本体に鋳包まれた場合に、該ピストン本体上面に形成される燃焼室の壁面と冷却空洞との間で所定の強度が得られる距離が確保されるように、前記パンチの周面の形状が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の却空洞付き耐摩環の製造方法。
【請求項５】
前記耐摩環は、ニジレスト鋳鉄、鉄基焼結材又はオーステナイト系ステンレスで構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
【請求項６】
前記金属管は、ステンレス鋼、アルミニウム合金又は銅合金で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンのピストン本体に鋳包まれてピストンリングが組み込まれる耐摩環の製造方法に関し、特に、ピストンを冷却するための冷却オイルを還流させる環状の冷却空洞が内周側に付設された耐摩環の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの高出力化が進み、圧縮・爆発による熱エネルギーによってピストンに加わる熱負荷が高くなってきている。特に、ピストンヘッド部やリングランド部は高温となり、加えて、エンジン潤滑油の炭化や燃焼による煤が発生して付着するため、リングランド部に設けられるピストンリングの摩耗による機能の低下が速まり、オイル消費量が増大している。
【０００３】
このような問題に対処するために、従来より、ピストンのリングランド部に、高温時における耐摩耗性の高い鋳物製ニジレスト材や鉄基焼結材からなる耐摩環を鋳包み、さらにその耐摩環の内周側にピストンを冷却するための冷却オイルを還流させる環状の冷却空洞を設けることが行われている。
【０００４】
この冷却空洞を設ける方法としては、（１）可溶性中子の一種である塩中子によって冷却空洞を設ける方法（例えば、特許文献１参照。）、（２）耐摩環の内周側に環状で断面コ字状の金属板をろう付けや溶接により接合する方法（例えば、特許文献２参照。）、（３）環状の金属製パイプを耐摩環の内周側に焼結嵌めにより接合する方法（例えば、特許文献３参照。）等が知られている。
【特許文献１】実公昭５８−５２３４６号公報
【特許文献２】特開平５−２３１５３９号公報
【特許文献３】特開２００１−１０７８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記（１）の可溶性中子の一種である塩中子によって冷却空洞を設ける方法では、ピストンの鋳造後に塩中子を水で溶出する工程が必要となり、製造工程が多くなるといった問題がある。また、塩中子によって冷却空洞を設ける場合には、耐摩環から有る程度離間した位置に冷却空洞を設けることになるため、冷却能力が小さくなるといった問題がある。
【０００６】
また、上記（２）の耐摩環の内周側に環状で断面コ字状の金属板をろう付けや溶接により接合する方法では、図７に示すように、ピストンヘッド部１０１の強度を確保するために、燃焼室壁面１０２と冷却空洞１０３との間の距離を一定以上離間させる必要がある。そのため、冷却空洞１０３のピストンの半径方向の長さが確保できないので、冷却空洞１０３の容積が小さくなり、冷却能力が小さくなるといった問題がある。また、環状で断面コ字状の金属板を得るには、金属板を環状に溶接した後にコ字状に絞り込み加工する必要があり、設備コストが高くなると共に製造工程が多くなるといった問題がある。また、上記（３）の環状の金属製パイプを耐摩環の内周側に焼結嵌めにより接合する方法でも、焼結工程に長時間を要し、製造全体にかかる時間が長時間化するといった問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、冷却能力が高い冷却空洞付き耐摩環を、低い設備コスト且つ少ない製造工程で製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、ピストン本体に鋳包まれてピストンリングが組み込まれる耐摩環であって、冷却オイルを還流させる環状の冷却空洞が内周側に付設された耐摩環の製造方法において、環状の耐摩環の内周側に、外径が該耐摩環の内径と略同一の環状の金属管をセットし、断面円形でテーパ形状のパンチの周面を金属管の内周側から当接させ、該パンチに荷重を負荷して耐摩環に対して該耐摩環の円周方向及び半径方向の両方に垂直なピストン軸方向に相対移動させて耐摩環と金属管とを圧着接合し、該圧着接合された金属管によって冷却空洞を構成することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法であって、耐摩環がセットされて該耐摩環の半径方向の変位及びピストン軸方向のうち一方向への変位を規制する耐摩環セット部と、該耐摩環セット部の内周側に、金属管がセットされて前記ピストン軸方向のうち一方向への変位を規制する金属管セット部とを備えたセット治具に、耐摩環と金属管とをセットし、パンチを前記ピストン軸方向のうち他方向側から一方向に相対移動させることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法であって、耐摩環がセットされて該耐摩環の半径方向の変位を規制する耐摩環セット部を備えたセット治具に、耐摩環をセットすると共に該耐摩環の内周面に金属管の外周面を当接させてセットし、２つのパンチを前記ピストン軸方向のうち一方向側と逆方向側とから、それぞれ前記ピストン軸方向のうち逆方向と一方向に相対移動させることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法であって、冷却空洞付き耐摩環がピストン本体に鋳包まれた場合に、該ピストン本体上面に形成される燃焼室の壁面と冷却空洞との間で所定の強度が得られる距離が確保されるように、前記パンチの周面の形状が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法であって、前記耐摩環が、ニジレスト鋳鉄、鉄基焼結材又はオーステナイト系ステンレスで構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の冷却空洞付き耐摩環の製造方法であって、前記金属管が、ステンレス鋼、アルミニウム合金又は銅合金で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パンチの耐摩環に対する相対移動によって、金属管が耐摩環に圧着接合されるので、塩中子の溶出工程や焼結嵌めの為の焼結工程を必要とせず、低い設備コスト且つ少ない製造工程で簡易に金属管と耐摩環とを一体化することができる。また、金属管と耐摩環とが一体化されているので、金属管によって構成される冷却空洞の冷却能力が高くなる。
【００１５】
また、耐摩環セット部と金属管セット部とを備えたセット治具を使用すれば、パンチの形状及び治具の形状にならって金属管が変形し、耐摩環の背面に形状の自由度の高い冷却空洞を一体的に形成することができる。また、耐摩環セット部を備えたセット治具を使用し、該セット治具に耐摩環をセットすると共に該耐摩環の内周面に金属管の外周面を当接させてセットし、２つのパンチを前記ピストン軸方向のうち一方向側と逆方向側とから、それぞれ前記ピストン軸方向のうち逆方向と一方向に相対移動させれば、２つのパンチの形状にならって金属管が変形し、耐摩環の背面に形状の自由度の高い冷却空洞を一体的に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る冷却空洞付き耐摩環を配設した内燃機関用ピストン１（以下、単にピストンという）を示す断面図である。
【００１７】
このピストン１のピストンヘッド部２には、ピストンリング（図示せず）が組み込まれるトップリング溝３を有するニジレスト鋳鉄製の耐摩環４が鋳込まれて配設されており、耐摩環４の内周側にはピストン冷却用のエンジンオイルを還流させる冷却空洞５が一体的に設けられている。ピストンヘッド部２外周のトップリング溝３の下側には、セカンドリング溝６とオイルリング溝７とが形成されている。
【００１８】
耐摩環３の内周側に一体的に設けた冷却空洞５は、耐摩環３の内周面に沿う垂直面８１と、該垂直面８１の下端から内周側に延びる水平面８２と、それら垂直面８１及び水平面８２を接続するピストンヘッド部２の中心方向に対して下方に傾く傾斜面８３とを有するステンレス鋼製の金属管８で囲まれて形成されている。金属管８の水平面８２は、耐摩環３の下端面３１よりも下側に位置している。
【００１９】
次に、上記した冷却空洞付き耐摩環３の製造方法を、図２を参照して説明する。
【００２０】
まず、図２（ａ）に示すように、セット治具９に耐摩環３をセットし、その後、断面楕円形の金属管８をセットする。セット治具９は、セットされた耐摩環３の下端面３１と外周面３２とに当接して該耐摩環３の半径方向の変位（図２（ａ）において左右方向）及びピストン軸方向（耐摩環３の円周方向及び半径方向の両方に垂直な方向で、図２（ａ）において上下方向）のうち一方向（図２（ａ）において下方向）への変位を規制する耐摩環セット部９１と、該耐摩環セット部９１よりも内周側に一段低く形成され、セットされた金属管８の下端に当接して該金属管８のピストン軸方向のうち一方向への変位を規制する金属管セット部９２とを備えている。なお、この断面楕円形の金属管８は、突合せ溶接により製造することができる。
【００２１】
続いて、断面円形でパンチ方向に先細りしているテーパ形状のパンチ１０をピストン軸方向のうち他方向（図２（ａ）において上方向）側からピストン軸方向のうち一方向に移動し、パンチ１０の周面１０１を、金属管８の内周側から当接させる。さらに、図２（ｂ）に示すように、パンチ９に荷重を負荷してピストン軸方向のうち一方向に移動させて耐摩環３と金属管８とを圧着接合する。このとき、金属管８は、耐摩環３の内周面３３と耐摩環セット部９１の段壁に沿うように変形して前記垂直面８１を形成し、耐摩環セット部９１の上面に沿うように変形して前記水平面８２を形成する。また、テーパ形状のパンチ９に沿うように変形して前記傾斜面８３を形成する。
【００２２】
このようにして製造された冷却空洞付き耐摩環３は、所定の金型（図示しない）内に保持され、その金型にアルミニウム合金の金属溶湯を注湯して重力鋳造又は低圧鋳造を行うことによってピストン１に組み込まれる。この鋳造工程後、所定の切削工程を経ることにより、トップリング溝３、セカンドリング溝６及びオイルリング溝７、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（図示しない）及び排出する排出孔（図示しない）が形成される。
【００２３】
このように、本実施形態では、パンチ１０の耐摩環３に対する移動によって、金属管８が耐摩環３に圧着接合されるので、塩中子の溶出工程や焼結嵌めの為の焼結工程を必要とせず、低い設備コスト且つ少ない製造工程で簡易に金属管と耐摩環とを一体化することができる。また、金属管８と耐摩環３とが一体化されているので、金属管８によって構成される冷却空洞の冷却能力が高くなる。さらに、金属管８がパンチ１０のテーパ形状に沿って変形して冷却空洞５を形成することにより、冷却空洞５の容積を小さくせずに燃焼室壁面と冷却空洞５の間の距離を一定以上離間させることができるので、冷却能力が高くなる。
【００２４】
なお、本実施形態では、金属管セット部９２を備えたセット治具９と１つのパンチ１０とを用いて、金属管８と耐摩環３とを圧着接合しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すように、耐摩環３の半径方向のみの変位を規制する耐摩環セット部９１を備えたセット治具９と２つのパンチ１０とを用いて、金属管８と耐摩環３とを圧着接合してもよい。具体的には、セット治具９に耐摩環３をセットすると共にその耐摩環３の内周面に金属管の外周面を当接させてセットし（図３（ａ））、２つのパンチ１０をピストン軸方向のうち一方向側と逆方向側とから、それぞれ逆方向と一方向に移動させて金属管８を変形させると共に耐摩環３に対して圧着させる（図３（ｂ））。このようにして製造された冷却空洞付き耐摩環３も、上述したように所定の鋳造工程及び切削工程を経ることにより、ピストン１に組み込まれ、トップリング溝３、セカンドリング溝６及びオイルリング溝７、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（図示しない）及び排出する排出孔（図示しない）が形成される。（図４）。
【００２５】
また、上述した実施形態では、パンチ１０の垂直断面形状及び耐摩環３の内周面の垂直断面形状が直線的であり、これらの形状に沿ってパンチ時に金属管８が変形するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すように、パンチ１０の先端に非テーパ部１０２を設け、さらに、耐摩環３の内周面に断面三角形の凸条を設けることにより、金属管８の変形後の形状を７角形にすることができる。このようにして製造された冷却空洞付き耐摩環３も、上述したように所定の鋳造工程及び切削工程を経ることにより、ピストン１に組み込まれ、トップリング溝３、セカンドリング溝６及びオイルリング溝７、冷却空洞５内にエンジンオイルを供給する供給孔（図示しない）及び排出する排出孔（図示しない）が形成される。（図６）。
【００２６】
なお、本実施形態では、金属管８として、パンチ前の断面形状が楕円形のものを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、円形、長円形のものであっても良い。
【００２７】
なお、本実施形態では、耐摩環３をニジレスト鋳鉄で構成したが、鉄基焼結材やオーステナイト系ステンレスで構成しても良く、また、前記金属管は、ステンレス鋼の代わりにアルミニウム合金又は銅合金で構成しても良い。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷却空洞付き耐摩環を配設したピストンを示す断面図
【図２】冷却空洞付き耐摩環の製造工程を示す図
【図３】本発明の他の実施形態に係る冷却空洞付き耐摩環の製造工程を示す図
【図４】冷却空洞付き耐摩環を配設したピストンを示す断面図
【図５】本発明の他の実施形態に係る冷却空洞付き耐摩環の製造工程を示す図
【図６】冷却空洞付き耐摩環を配設したピストンを示す断面図
【図７】従来例における冷却空洞付き耐摩環を配設したピストンを示す断面図
【符号の説明】
【００３０】
１  耐摩環
５  冷却空洞
８  金属管
９  セット治具
１０  パンチ
【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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