(57)【要約】  【課題】  リング溝１３の強化及び面粗度の低減化を図る。  【解決手段】  内燃機関用のアルミニウム合金製のピストン１０の外周部に、回転工具１１のピン１３を挿入した状態で軸回りに回転させながら、ピストン１０と回転工具１１とを周方向に相対移動させることによって、摩擦撹拌された摩擦撹拌領域１８をピストン全周にわたって形成する。この摩擦撹拌領域１８にリング溝１５を形成する。  【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用の軽合金製のピストンの外周部に、回転工具のピンを挿入した状態で軸回りに回転させながら、ピストンと回転工具とを周方向に相対移動させることによって、摩擦撹拌された摩擦撹拌領域をピストン全周にわたって形成し、
この摩擦撹拌領域にリング溝を形成することを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項２】
上記ピンの直径がリング溝の溝幅よりも短く設定され、かつ、上記ピンの長さがリング溝の深さよりも短く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項３】
上記リング溝の表面にアルマイト処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項４】
内燃機関に用いられる軽合金製のピストンであって、
ピストン外周部に、回転工具のピンを挿入した状態で軸回りに回転させながら移動させる摩擦撹拌処理により摩擦撹拌領域がピストン全周にわたって形成され、この摩擦撹拌領域にリング溝が形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関し、特に、摩擦撹拌処理を利用してリング溝を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周には、ピストンリングが装着されるリング溝が形成されている。このリング溝の表面には、耐摩耗性を向上するために、例えば特許文献１のようにアルマイト処理が施されていた。
【０００３】
ところで、近年、摩擦撹拌接合技術を応用して被処理部材の表面に摩擦撹拌処理を施す技術が注目されている（特許文献２参照）。この摩擦撹拌処理は、回転工具を被処理部材に挿入した状態で軸回りに回転させながら相対移動させることによって、その表面の組織を微細化するものである。
【特許文献１】実開平６−１４６２０号公報
【特許文献２】特開２００４−２２５５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前者のように、粗大な結晶粒をもつ鋳造アルミニウム合金のような軽合金製のピストンに対し、そのリング溝にアルマイト処理を施すものでは、リング溝表面の粗度が大きく、十分なシール性を確保することが困難であった。また、比較的硬度の低い鋳造アルミニウム合金製のピストンにアルマイト処理を施すだけでは、十分な耐摩耗性を確保することが困難であり、更なる改良が望まれていた。
【０００５】
後者の摩擦撹拌処理では、回転工具を被処理部材から引き抜く際に、ピンを引き抜いた穴が残るという特有の課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、摩擦撹拌処理を利用してリング溝を形成する新規な内燃機関のピストン及びその製造法を提供するものである。すなわち、本発明は、内燃機関用の軽合金製のピストンの外周部に、回転工具のピンを挿入した状態で軸回りに回転させながら、ピストンと回転工具とを周方向に相対移動させることによって、摩擦撹拌された摩擦撹拌領域をピストン全周にわたって形成し、この摩擦撹拌領域にリング溝を形成する。
【０００７】
このようにピストン外周部のリング溝が形成される部分に予め摩擦撹拌処理を施すことにより、その摩擦撹拌領域が動的な再結晶微細化や表面酸化膜の分散化により強化され、この摩擦撹拌領域に形成されるリング溝の耐摩耗性を向上することができる。これにより、ピストンのランド幅を縮小して、ピストンの小型化、軽量化及び排気改善を図ることができる。
【０００８】
特に、ピストンがアルミニウム合金製である場合には、摩擦撹拌処理によって、粗大なシリコン粒子、金属間化合物及びアルミ相が機械的に微細化される。従って、摩擦撹拌処理が施された後のリング溝にアルマイト処理を施した場合、摩擦撹拌処理が施されていないリング溝にアルマイト処理を施した場合に比して、アルマイト被膜の表面粗さが小さくなり、リング溝とピストンリングとのシール性に優れている。あるいは、例えば比較的小型のエンジン用のピストンではアルマイト処理を省略することができ、その分、作業工数の低減化や作業時間の短縮化を図ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、リング溝が形成される部分に予め摩擦撹拌処理を施しているので、リング溝の強度及び耐摩耗性を格段に向上することができる。このため、例えばランド幅を小さくしてピストンの小型化・軽量化を図ることができるとともに、ピストンリングとのシール性を高めて排気性能を向上することができる。しかも、摩擦撹拌による表面処理に特有の課題であるピン抜き穴をリング溝を形成する際に同時に無くすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１〜３を参照して詳細に説明する。被処理部材としてのピストン（母材）１０は、内燃機関のシリンダに昇降可能に嵌合されるものであって、軽合金としてのアルミニウム合金により鋳造される。このピストン１０の外周には、周知のように、チャンネル形状つまり断面略コ字状をなすリング溝１５が形成され、このリング溝１５に、シリンダとの隙間を塞ぎつつ油膜を確保するためのピストンリングが装着される。なお、図１や図２ではピストン１０をリング溝１５（図３参照）等が加工される前の母材状態で示している。
【００１１】
図２にも示すように、摩擦撹拌工具としての回転工具１１は、直径の太い円筒（柱）状の基部１２の一端より直径の細いピン１３が突出している。ピン１３が突出する基部１２の一端側には、ピン１３に対して垂直又は鋭角な面であるショルダ１４が形成されている。このピン１３が良好にピストン母材１０内に入り込むように、好ましくはピン１３の外周に雄ネジ状のネジ部１３Ａが形成されている。
【００１２】
図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、駆動装置１６によって回転工具１１の基部１２及びピン１３を軸回りに回転させながらピストン母材１０へ向けて駆動し、ピストン母材１０の外周におけるリング溝加工位置に押し込む。これにより、ショルダ１４がピストン母材１０の表面を押さえ込む形で、ピン１３がピストン母材１０の内部に押し込まれる。この際、図３に示すように、ピン１３の周囲の断面略円錐状・お椀状の摩擦撹拌領域１８では、ピン１３及びショルダ１４とピストン母材１０の材料との間で発生する摩擦熱により材料の温度が上昇し、降伏点が降下し、材料内部に挿入された状態で回転しているピン１３によって材料が機械的に撹拌され、材料に強ひずみが加えられる。
【００１３】
そして、図１の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、回転工具１１を一定回転数で軸回りに回転させながら、ピストン母材１０と回転工具１１とをリング溝中心線（位置）１５Ａに沿って一定速度及び一定荷重で周方向Ｙ１に相対的に回転させる。この際、駆動装置１６により回転工具１１を移動しても良く、あるいはピストン母材１０を駆動するようにしても良い。この撹拌移動により、回転工具１１が通過した後のピン１３近傍の摩擦撹拌領域１８では、材料が微細な再結晶粒に組織制御され、その強度を高めることができる。また、摩擦撹拌領域１８は、撹拌によって鋳物表面に生成されていた硬質な酸化膜が破壊されて分散されることによっても強化される。更に、摩擦撹拌領域１８では、摩擦撹拌によって鋳造時に生じる「す」とよばれる空洞部を無くして、このような鋳造欠陥を解消することができる。
【００１４】
このようにして回転工具１１がピストン母材１０の外周をリング溝中心線１５Ａに沿って周方向Ｙ１に一周したら、回転工具１１をピストン母材１０から引き抜く。この際、図３に示すように、ピストン母材１０には、ピン１３を抜いた部分にピン１３の大きさに応じたピン抜き穴１７が残る。
【００１５】
次いで、摩擦撹拌処理後のピストン母材１０に対して、リング溝１５を切削加工する。ここで、図３に示すように、ピン１３の直径Ｄ１は、リング溝１５の溝幅Ｄ２以下に設定され、かつ、ピン１３の高さ寸法Ｈ１は、リング溝１５の深さ寸法Ｈ２以下に設定されている。このようにリング溝１５によって切削される部分にピン抜き穴１７が形成されており、リング溝１５を切削加工することによってピン抜き穴１７が消失するので、このピン抜き穴１７を後から埋めたりする必要はない。
【００１６】
このように本実施例によればリング溝１５が形成される部分に予め摩擦撹拌処理を施していることから、リング溝１５の強度及び耐摩耗性が格段に向上する。このため、例えばランド幅を小さくしてピストンの小型化・軽量化を図ることができ、かつ、排気ＨＣを低減することができる。しかも、摩擦撹拌による表面処理の特有の課題であるピン抜き穴１７も、リング溝１５を切削加工すると同時に無くなるので、ピン抜き穴１７を後から埋める等の作業が必要ない。
【００１７】
好ましくは、リング溝１５に対して周知のアルマイト処理を施す。ピストン材料であるアルミニウム合金は、鋳造のままでは粗大なシリコン粒子と金属間化合物及びアルミ相で構成されており、硬質なアルマイト皮膜はこのアルミ相のみに形成され、その他の大きなシリコン粒子や金属間化合物には生成されない。そのため、仮に摩擦撹拌処理が施されていないピストン素材のリング溝にアルマイト処理を施すと、シリコン粒子や金属間化合物の分布間隔をひとつのピッチとする凹凸の大きなアルマイト皮膜となって、リング溝の表面粗度が大きくなり、ピストンリングとのシール性が低下し、オイル消費量の増加やブローバイガス流量の増加を招いてしまう。
【００１８】
本実施例では、リング溝１５が切削加工される部分に摩擦撹拌処理が施されているので、アルミニウム合金のシリコン粒子、金属間化合物及びアルミ相が微細化・撹拌され、そこに生成するアルマイト被膜の凹凸のピッチは小さくなる。従って、リング溝１５の表面粗度が十分に小さくなり、ピストンリングとリング溝１５とのシール性が向上し、オイル消費量やブローバイガス流量を十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例に係る摩擦撹拌の手順を示す説明図。
【図２】上記実施例の回転工具の要部を示す断面対応図。
【図３】上記実施例のリング溝の近傍を示す断面対応図。
【符号の説明】
【００２０】
１０…ピストン（母材）
１１…回転工具
１３…ピン
１４…ショルダ
１５…リング溝
１７…ピン抜き穴
１８…摩擦撹拌領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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