(57)【要約】内燃機関に使用するピストンは、第１材料からブランク（１０、５０、７０）を形成し、ブランク（１０、５０、７０）の表面部分（１２、５２、５４）に第２材料の領域（２０、６０、８０）を設けることによって製造され、第２材料は、前記第１材料に固定され、さらに少なくとも一部が第２材料で形成された境界面を窪みが有するよう、窪み（１４、２８、５６、６８、８６）を形成することによって製造される。第２材料の領域（２０、６０、８０）は、ツール（２２）をブランク（１０、５０、７０）に挿入し、ツールとブランク（１０、５０、７０）の間に往復運動を与え、したがってツールに隣接する材料を可塑化する摩擦熱が発生し、さらにツール（２２）が前記領域（２０、６０、８０）を通って移動するよう、ブランクとツール間の往復運動を継続させながら、その間に相対的往復運動を引き起こし、それによって第２材料を形成し、前記領域の縁で第１材料と混合し、材料をともに固定することによって、形成されて、第１材料に固定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に使用するピストンの製造方法で、方法は、第１材料からブランク（１０；５０；７０）を形成することを含み、ブランクは、ピストンの少なくともクラウン部分（１０ａ；５０ａ；７０ａ）を形成するよう配置構成され、少なくとも１つの窪み（１４；２８；５６；６８；８６）を画定するよう配置構成された表面部分（１２；５２；５４）を有し、方法は、前記表面部分に第２材料の領域（２０；６０；８０）を提供することも含み、第２材料は、前記第１材料に固定され、方法は、少なくとも一部が第２材料で形成された境界面（１４ａ；５６ａ；８６ａ）を窪みが有するよう、前記表面部分に窪みを形成することも含む方法であり、第２材料の前記領域は、ツール（２２）をブランクに挿入し、ツールに隣接する材料を可塑化する摩擦熱が発生するよう、ツールとブランクの間に相対的往復運動をもたらすことによって、およびツールが前記領域を通して動作するよう、ブランクとツール間の往復運動を継続しながら、その間に相対的並進運動を引き起こし、それによって第２材料を形成し、それを前記領域の縁で第１材料と混合して、材料を相互に固定することによって、形成され、第１材料に固定されることを特徴とする方法。
【請求項２】
窪み（１４）が、クラウン部分（１０ａ）の上面部分（１２）にある燃焼窪みであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
窪み（５６；８６）が、クラウン部分の側面部分（５４）にあるピストン・リング溝であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
形成し固定するステップは、さらに、第３材料の領域、または第２材料のさらなる領域（２０；６０；８０）を形成するようなステップが追従してもよく、さらなる窪みには、少なくとも一部が第３材料で、または前記さらなる領域の第２材料で形成された境界面を形成することを特徴とする、請求項２または３いずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
ツール（２２）の往復運動が、概ねブランク（１０；５０；７０）の前記表面部分に直角に延在する軸線を中心にツールを回転することによって与えられることを特徴とする、請求項１から４いずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
第１および第２材料が同じ組成を有するが、微細構造が異なることを特徴とする、請求項１から５いずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
方法は、前記第２材料が追加材料を含むよう、前記ツールを挿入する前に、前記領域（２０；６０；８０）に追加材料（２６；６６；９６）を適用することも含むことを特徴とする、請求項１から５いずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
請求項１から８いずれか１項に記載の方法で製造したピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は内燃機関に使用するピストンの製造方法に関する。
【０００２】
内燃機関に使用するピストンは、クラウン部分、スカート部分、およびピストン・ピンを装着した装着部分を備え、ピストン・ピンは、ピストンをエンジンの連接棒に接続する働きをする。クラウン部分は、シリンダを横断して延在する上面を有し、シリンダ内でピストンは往復運動をし、ピストンのスカート部分によってその運動が案内される。クラウン部分の上面は、ピストンをシリンダ内で下方向に駆動させるために燃焼事象が起きる燃焼室を縁取る。したがって、クラウン部分の上面は、燃焼事象によって生じる大きい力および高い温度に曝される。ピストンのクラウン部分の側面部分、つまりシリンダの壁に概ね平行に延在するその表面部分は、ピストンの周囲に延在する溝の形態で１つまたは複数の窪みを画定する。これらの溝は、ピストンとシリンダ壁との間のギャップを密封するピストン・リングを収容するためのものである。ピストンのクラウン部分の側面も大きい力および高い温度に曝される。
【０００３】
ピストンは通常、ブランクを形成することによって製造し、これは通常、金属（往々にしてアルミ合金）を鋳造して実行する。次に、ブランクを最終形状に機械加工する。ブランクは、少なくともピストンのクラウン部分を形成するよう配置構成されるが、往々にして一体構造のスカートおよび装着部分を含む。構造が一体でない場合は、スカートおよび／または装着部分を１つまたは複数のさらなるブランクとして形成することができ、これを例えば溶接で、クラウン部分を形成するブランクに肯定する。ピストン・ピンがクラウン部分をスカート部分に結合し、連接ピストンにすることも可能である。
【０００４】
ピストンのクラウン部分の上面および側面部分が曝される前述の大きい力および高温は、特にピストン・リング溝の開口部の縁に摩耗および亀裂の問題を発生することがある。また、多くのピストンは、クラウン部分の上面に「燃焼窪み」と呼ばれる窪みを有する。燃焼窪みは、燃焼が改善されるよう燃焼室の形状を変更する働きをする。しかし、燃焼窪みの境界面は、前述の大きい力および高温により亀裂を生じやすいことが判明している。特に、窪みの開口部周囲の縁が危険である。これらの亀裂の問題は、リング溝または燃焼窪みの境界面の少なくとも一部を形成することができ、疲れ強さまたは耐摩耗性が高い材料のインサートを使用することにより、対応することができる。このようなインサートは、鋳込む、つまりキャビティに入れて、ピストンのブランクを周囲に鋳造する、または鋳造後にブランクに取り付けることができる。しかし、インサートを提供する方法は両方とも不便である。別の技術は、ブランクの一部を再溶融させ、疲れ強さが向上した別の微細構造を与えることであるが、これも不便であり、薄い表面層以上のものにこれを適用するのは困難である。
【０００５】
ピストンの残りの部分とは異なる特性、例えば高い疲れ強さまたは耐摩耗性を有する材料の領域が、ピストンのクラウン部分の選択された表面部分に設けられたピストンの改良された製造方法を提供することが、本発明の目的である。
【０００６】
本発明は、内燃機関に使用するピストンの製造方法を提供し、方法は、第１材料からブランクを形成することを含み、ブランクは、ピストンの少なくともクラウン部分を形成するよう配置構成され、少なくとも１つの窪みを画定するよう配置構成された表面部分を有し、方法は、前記表面部分に第２材料の領域を提供することも含み、第２材料は、前記第１材料に固定され、方法は、少なくとも一部が第２材料で形成された境界面を窪みが有するよう、前記表面部分に窪みを形成することも含む方法であり、第２材料の前記領域は、ツールをブランクに挿入し、ツールに隣接する材料を可塑化する摩擦熱が発生するよう、ツールとブランクの間に相対的往復運動をもたらすことによって、およびツールが前記領域を通して動作するよう、ブランクとツール間の往復運動を継続しながら、その間に相対的並進運動を引き起こし、それによって第２材料を形成し、それを前記領域の縁で第１材料と混合して、材料を相互に固定することによって、形成され、第１材料に固定されることを特徴とする。
【０００７】
本発明による方法では、第２材料は、第１材料より疲れ強さが高い状態で形成し、単純かつ容易に制御される深さで第１材料に固定することができる。第２材料は、第１材料より高い耐摩耗性、または第１材料とは異なる熱伝導性などの特性も有することができる。
【０００８】
第２材料を形成して、それを第１材料に固定するステップは、本発明による方法では、金属構成要素を相互に摩擦溶接する、Ｔｈｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ， Ｅｎｇｌａｎｄ）の開発したものと同様の機器を使用することができる。欧州特許第０６５３２６５Ａ号を参照されたい。
【０００９】
本発明による方法では、窪みは、クラウン部分の上面部分にある燃焼窪み、またはその側面部分にあるピストン・リング溝でよい。形成し固定するステップは、さらに、第３材料の領域、または第２材料のさらなる領域を形成するようなステップが追従してもよく、さらなる窪みには、少なくとも一部が第３材料で、または前記さらなる領域の第２材料で形成された境界面を形成する。例えば、さらに形成し、固定するステップを使用して、ピストンのクラウン部分の側面部分にピストン・リング溝を形成することができる。
【００１０】
ツールは、窪みを形成したのと同じ表面に挿入するか、場合によっては、ツールを、窪みが形成された部分に隣接する表面部分に挿入し、第２材料の領域に窪みを切削することができる。例えば、リング溝を形成する場合は、ツールを、側面部分に隣接するクラウン部分の上面部分に挿入し、リング溝を前記領域に機械加工することができる。
【００１１】
本発明による方法では、ツールの往復運動が、概ねブランクの前記表面部分に直角に延在する軸線を中心としてツールを回転させることによって生じることが好ましい。
【００１２】
本発明による方法では、第１および第２材料は、同じ組成を有するが、微細構造が異なってもよい。例えば、第２材料は、微細構造を変化させるツールの作用によって第１材料から形成することができる。この場合、ブランクは、比較的粗い微細構造を有するアルミ合金から鋳造することができ、ツールが、第２材料内にさらに細かい微細構造を形成する働きをすることができる。あるいは、本発明による方法は、前記第２材料が追加材料を含むよう、前記ツールを挿入するまでに、前記領域に追加材料を加えることも含むことができる。この場合、追加材料は、繊維、金属またはセラミック粒子などを備えることができ、第２材料の組成を変化させる。
【００１３】
次は、本発明を例示するピストンの４つの製造方法の、添付図面に関連して読むべき詳細な説明である。
【００１４】
第１例示的方法は、図面の図１から図７で図示され、内燃機関に使用するピストンを製造する方法である。方法は、第１材料、特にシリコンを含み、図６に示す微細構造を有するアルミ合金からブランク１０を形成することを含む。ブランク１０は、それぞれピストンのクラウン部分、ピストンのスカート部分、およびピストン・ピンを装着するピストンの装着部分を形成するよう配置構成された部分１０ａ、１０ｂおよび１０ｃを有する。ブランク部分１０ａは、ピストンの燃焼窪み１４を画定するよう配置構成された上面部分１２、およびピストンのピストン・リング溝を画定するよう配置構成された側面部分１６を有する。
【００１５】
第１例示的方法は、第２材料、特に第１材料と同じであるが、図７に示す、さらに細かい微細構造であるアルミ合金の領域２０を提供することも含む。領域２０は、ブランク１０の上面部分１２にある閉じた軌道の形態である。領域２０の境界で、第２材料を前記第１材料に固定する。
【００１６】
第１例示的方法は、ブランク１０の上面部分１２に燃焼窪み１４を形成することも含み、したがって窪み１４は、少なくとも一部が第２材料で形成された境界面１４ａを有する。第１例示的方法では、図２に示すブランク１０を従来の鋳造動作で形成する。次に、第２材料の領域２０を形成し、最初にツール２２（図１参照）をブランク１０の上面部分１２に挿入することを含む動作によって、第１材料に固定する。ツール２２は、下部円筒形部分２２ａ、および部分２２ａより直径が大きく、肩２２ｃによって部分２２ａから分離された上部円筒形部分２２ｂを有する。特に、ツールの下部分２２ａは、６ｍｍの直径を有し、部分２２ｂは１８ｍｍの直径を有し、部分２２ａと２２ｂは同軸である。
【００１７】
ツール２２は、最初に、部分２２ａが表面部分１２に（予め穿孔した穴に、または摩擦熱によって可塑化した材料を変位させることにより）入り、肩２２ｃが表面部分１２の上に載るよう配置される。次に、前記動作で、ツール２２をブランク１０に押し当てながら、摩擦熱が発生してツール部分２２ａに隣接する材料を可塑化するよう、ツール２２とブランク１０の間に相対的往復運動を与える。摩擦熱は、上面部分１２と肩２２ｃの間にも発生し、したがって肩に隣接する材料も可塑化する。特に、ツール２２の往復運動は、ブランク１０の前記上面部分１２に直角に延在する軸線、つまりツール部分２２ａと２２ｂの共通軸線を中心にツールを１５００ｒｐｍで回転させることにより与えられる。次に、前記動作で、ツールがブランク１０の上面部分１２の前記領域２０を横断して動作するよう、ブランク１０とツール２２の間の往復運動を維持しながら、その間に相対的並進運動を生じさせ、これにより前記領域２０に第２材料を形成して、前記領域２０の縁で第１材料とともに攪拌することにより、これを混合し、材料をともに固定する。相対的並進運動は、領域２０を画定する閉鎖軌道に沿って往復ツール２２を毎分約１００ｍｍ動作させることにより与える。その結果、図３に示すブランク１０となる。
【００１８】
ツール２２は、燃焼窪み１４が占有するか、ブランクの鋳造時に使用するランナー・システムによって生じる金属の超過部分が占有する区域など、機械加工中に除去される部分でブランク１０から引き抜くことが望ましい。次に、図４に示す線２４まで機械加工することにより、燃焼窪み１４を形成し、窪み１４の縁１４ｂは、図５に示すように、全体が第２材料から形成される。
【００１９】
図８は、方法が、前記ツール２２を挿入する前に、前記領域２０に追加材料２６を適用することも含み、したがって前記第２材料が追加材料を含む第１例示的方法の変形を示す。特に、追加材料２６を、領域２０に形成された溝２８に挿入する。
【００２０】
図面の図９から図１３に図示された第２例示的方法は、第１例示的方法と同様であるが、燃焼窪みの形成ではなくピストン・リング溝の形成に関する方法である。方法は、図６に示した微細構造を有する第１例示的方法と同じ第１材料から、ブランク５０を形成することを含む。ブランク５０は、概ねブランク１０の部分１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに対応する部分５０ａ、５０ｂおよび５０ｃを有する。しかし、部分５０ａは、ピストンのクラウン部分を形成し、仕上げ加工したピストンに必要な直径より大きい直径で形成される（特に、部分５０ａはスカート部分５０ｂより大きい直径を有する）。ブランク部分５０ａは、上面部分５２、およびピストン・リング溝５６を画定するよう配置構成された側面部分５４を有する（図１３参照）。
【００２１】
第２例示的方法は、第２材料、特に第１材料と同じアルミ合金であるが、図７に示したさらに細かい微細構造の領域６０を設けることを含む。領域６０は、ブランク５０の上面部分５２にある閉鎖軌道の形態であり、領域６０の境界で第２材料を第１材料に固定する。領域６０は、領域６０を従えた軌道の直径が拡大し、側面部分５４の縁により接近したという点で、第１例示的方法の領域２０とは異なる。
【００２２】
領域６０は、領域２０を形成するために第１例示的方法で使用したものと同じツール２２を使用して形成し、同じ回転および並進速度を使用する。領域６０は、図１１では断面で図示され、ここでは、領域６０がブランク部分５０ａの側面部分５４に隣接して延在するのを見ることができる。
【００２３】
第２例示的方法は、溝５６が第２材料で形成された境界面５６ａを有するよう、ブランク５０の側面部分５４にピストン・リング溝５６を形成することも含む。これは、表面部分５４の外側部分を図１２に示す線６２まで機械加工して除去することにより達成される。その結果、領域６０の第２材料が、側面部分５４の上部分に露出する。次にリング溝５６を領域６０の第２材料に機械加工し、図１３に示すブランクになる。
【００２４】
図１４は、方法が、ツール２２を挿入する前に、領域６０に追加材料６６を適用することも含む、第２例示的方法の変更を示す。その結果、第２材料が、追加材料６６を含む領域６０を形成する。追加材料６６は、上面部分５２に形成された溝６８に配置する。
【００２５】
図面の図１５から図１８に図示された第３例示的方法は、第２例示的方法と同様であるが、ピストン・リング溝を異なる方法で形成する方法である。方法は、図６に示した微細構造を有する第１例示的方法と同じ第１材料からブランク７０を形成することを含む。ブランク７０は、概ねブランク１０の部分１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに対応する部分７０ａ、７０ｂおよび７０ｃを有する。ブランク部分７０ａは、ピストン・リング溝８６を画定するよう配置構成された側面部分７６を有する（図１８参照）。
【００２６】
第３例示的方法は、第２材料、特に第１材料と同じアルミ合金であるが、図７に示すさらに細かい微細構造の材料の領域８０を設けることを含む。領域８０は、側面部分７６の周囲に周方向に延在する閉鎖軌道の形態である。領域８０の境界で、第２材料を第１材料に固定する。領域８０は、領域２０を形成するために第１例示的方法で使用したものと同じツール２２を使用して形成し、同じ回転および並進速度を使用する。
【００２７】
第３例示的方法は、溝８６が第２材料で形成された境界面８６ａを有するよう、ブランク７０の側面部分７６にピストン・リング溝８６を形成することも含む。これは、表面部分７６の外側部分を図１７に示す線８２まで機械加工して除去することにより達成される。次に、リング溝８６を領域８０の第２材料に機械加工し、図１８に示すブランクになる。
【００２８】
図１９は、方法が、ツール２２を挿入する前に領域８０に追加材料９６を適用することも含む第３例示的方法の変更を示す。その結果、第２材料は、追加材料９６を含む領域８０を形成する。追加材料９６は、ブランク７０に鋳込むリングの形態で配置される。
【００２９】
図２０から図２３に示す第４例示的方法は、図８で図示した第１例示的方法の変更と同様であり、同様の部品には同じ参照番号が使用し、これ以上は説明しない。
【００３０】
第４例示的方法は、ブランク１０の表面部分１２にある溝２８に挿入される追加材料２６が、第１材料とは完全に混合しない点で、第１例示的方法とは異なる。代わりに、第２材料の領域２０（図２１参照）は、追加材料２６（リングの形態である）の外縁に重なるが、追加材料２６の内縁には重ならない閉鎖軌道に沿ってツール２２を移動させることによって形成する。その結果、ブランク１０の表面部分１２は、第１材料の中心「島」を有し、島は、追加材料２６のリングに囲まれ、これは領域２０に囲まれる。
【００３１】
第４例示的方法は、ブランク１０のクラウン部分１０ａを図２２に示す線２４まで機械加工することも含む。線２４は、機械加工によって形成された燃焼窪み１４の縁１４ｂが追加材料２６から形成され、燃焼窪み１４の側面の残り部分が、第２材料の領域２０で形成されるよう、配置構成される。燃焼窪み１４の底は、第１材料から形成される（図２３参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の例示的方法におけるステップの概略斜視図である。
【図２】第１例示的方法の連続的段階においてブランクを切り取った垂直断面図である。
【図３】第１例示的方法の連続的段階においてブランクを切り取った垂直断面図である。
【図４】第１例示的方法の連続的段階においてブランクを切り取った垂直断面図である。
【図５】第１例示的方法の連続的段階においてブランクを切り取った垂直断面図である。
【図６】第１例示的方法で形成した第１材料の微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図７】第１例示的方法で形成した第２材料の微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図８】図２と同様であるが、第１例示的方法の変更を示す。
【図９】図１と同様であるが、第２例示的方法を示す。
【図１０】第２例示的方法の連続的段階を示す垂直断面図である。
【図１１】第２例示的方法の連続的段階を示す垂直断面図である。
【図１２】第２例示的方法の連続的段階を示す垂直断面図である。
【図１３】第２例示的方法の連続的段階を示す垂直断面図である。
【図１４】図１０から図１３と同様であるが、第２例示的方法の変更を示す。
【図１５】図２と同様であるが、第３例示的方法を示す。
【図１６】図３と同様であるが、第３例示的方法を示す。
【図１７】図４と同様であるが、第３例示的方法を示す。
【図１８】図５と同様であるが、第３例示的方法を示す。
【図１９】図１５から図１８と同様であるが、第３例示的方法の変更を示す。
【図２０】図２と同様であるが、第４例示的方法を示す。
【図２１】図３と同様であるが、第４例示的方法を示す。
【図２２】図４と同様であるが、第４例示的方法を示す。
【図２３】図５と同様であるが、第４例示的方法を示す。
【国際公開パンフレット】
2004502071.tif 000003
2004502071.tif 000004
2004502071.tif 000005
2004502071.tif 000006
2004502071.tif 000007
2004502071.tif 000008
2004502071.tif 000009
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2004502071.tif 000014
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2004502071.tif 000018
2004502071.tif 000019
2004502071.tif 000020
2004502071.tif 000021
【国際調査報告】
2004502071.tif 000022
2004502071.tif 000023
2004502071.tif 000024