(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型のキャビティ近傍に、先端が位置する冷却水循環用の冷却孔、およびヒータが挿入されるヒータ用孔を配置している、
ことを特徴とする鍛造用金型。
【請求項２】
前記冷却孔の先端の位置は、鍛造されるブランクから延びるメタルフローの距離が比較的短く、且つ、該メタルフローの厚みが比較的厚肉の部分である、
ことを特徴とする請求項１に記載の鍛造用金型。
【請求項３】
前記ヒータ用孔の先端の位置は、鍛造されるブランクから延びるメタルフローの距離が比較的長く、且つ、該メタルフローの厚みが比較的薄肉の部分である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造用金型。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の鍛造用金型において、
追ってピストンのピンボスとなるキャビティ部分の近傍に前記冷却孔の先端が配置されると共に、追ってピストンのスカート部となるキャビティ部分の近傍に前記ヒータ用孔の先端が配置されている、
ことを特徴とするピストン鍛造用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金からなるブランクから各種の製品を形状および寸法精度良く熱間鍛造するための鍛造用金型に関し、更には、肉厚や長さの異なる部分を有する内燃機関用のピストンを鍛造するために好適なピストン鍛造用金型にも関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、各種の内燃機関に用いられるピストンは、シリンダの最奥部に面する円盤形のヘッドと、係るヘッドの反対側に形成され、連接棒とピン結合される厚肉で且つ一対のピンボス部と、係るピンボス部の両側から平行に半径方向に延びた一対の凸壁と、係る一対の凸壁の両端部から連接棒側に長く延びた薄肉で一対のスカート部とを、一体に備えた複雑な形状を有している。
上記のような全体の形状が複雑で、且つ各部の肉厚にそれなりの差があるピストンを、アルミニウム合金からなり、且つ偏平な円柱形のブランクから熱間鍛造によって製造する場合、係るブランクから生じるメタルフローをピストンにおける各部の形状や肉厚に適合させることが必要となる。
【０００３】
例えば、ピストンを鍛造する際に、メタルフローが過剰に生じるため、パイピングのような欠陥を生じ易いブランクの表面に接触する金型の内面に、メタルフローに対して制動力を与える筋、溝、または凹凸を設けたり、あるいは、上記型内面を粗面化した鍛造用金型が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２１８３３６号公報（第１〜４頁、図１〜６）
【０００４】
ところで、ピストンに設ける一対のスカート部は、薄肉で且つ軸方向に沿って長いため、前記特許文献１のように、メタルフローを抑制すると、連接棒側の先端部に肉欠け（欠陥）が生じ易くなる。一方、ピストンに設ける一対のピンボス部は、厚肉で且つ軸方向に沿って比較的短いため、例えば、係る一対のピンボス部となる部分を含むブランクの表面全体に潤滑油を塗布すると、メタルフローが過度に助長され易くなる。その結果、ピンボス部における先端部に沿って「かぶり」と称される薄皮状の剥離部分（欠陥）が形成され易くなる。
以上のように、ピストンに形成すべきスカート部およびピンボス部は、熱間鍛造工程で同じブランクのアルミニウム合金から生じるメタルフローが互いに相反する挙動を示すため、これまでは、スカート部の肉欠けと、ピンボス部の前記「かぶり」とを、同時に解決した鍛造方法あるいは鍛造用金型が、見出されていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記背景技術において説明した問題点を解決し、熱間鍛造によって、前記肉欠け、および「かぶり」の欠陥などを容易に防止し、形状および寸法精度の良いピストンなどの製品を、確実に熱間鍛造できる鍛造用金型およびピストン鍛造用金型を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するため、発明者らによる鋭意研究および試行の結果、熱間鍛造するための金型のキャビティ近傍において、例えば、ピストンのスカート部などのメタルフローを助長すべく比較的高い鍛造温度に保ちたい部位には、ヒータを配置し、且つピストンのピンボス部などのメタルフローを抑制すべく比較的低い鍛造温度に保ちたい部位には、冷却水を循環供給する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の鍛造用金型（請求項１）は、金型のキャビティ近傍に、先端が位置する冷却水循環用の冷却孔、およびヒータが挿入されるヒータ用孔を配置している、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、例えば、追ってピストンのスカート部などとなるメタルフローを助長すべく比較的高い鍛造温度に保ちたいキャビティの近傍には、ヒータを挿入するためのヒータ用孔を配置し、追ってピストンのピンボス部などとなるメタルフローを抑制すべく比較的低い鍛造温度に保ちたいキャビティの近傍には、冷却水循環用の冷却孔が配置される。その結果、薄肉で比較的長い距離のメタルフローが必要なスカート部の先端には、肉欠けが生じにくくなると共に、厚肉で比較的短い距離のメタルフローにすべきピンボス部の先端には、過剰なメタルフローによる「かぶり」が生じにくくなる。従って、形状および寸法精度の良いピストンなどの製品を、熱間鍛造によって効率良く確実に製造することが可能となる。
【０００８】
尚、本明細書においては、ブランクの材料である「アルミニウム合金」には、アルミニウムも含まれるものとする。
また、本発明のピストン鍛造用金型は、ピストン鍛造用のキャビティを有する雌型であり、係るキャビティ内に押し込まれてピストンの各部分を鍛造成形する凹部を底面側に有する雄型と共に、用いられる。あるいは、本発明のピストン鍛造用金型におけるキャビティの底面に、ピストンの各部分を鍛造成形する凹部が設けられ、該キャビティ内に底面が平坦な雄型と共に、用いる形態としても良い。
更に、素材となるアルミニウム合金からなるブランクの表面には、その全面あるいはピントンのスカート部などのメタルフローを助長したい部分となる一部の表面に、各種の潤滑剤を塗布した上で、前記金型や雄型を用いて熱間鍛造しても良い。
【０００９】
また、本発明には、前記冷却孔の先端の位置は、鍛造されるブランクから延びるメタルフローの距離が比較的短く、且つ、該メタルフローの厚みが比較的厚肉の部分である、鍛造用金型（請求項２）も含まれる。
これによれば、例えば、追ってピストンのピンボス部などとなるメタルフローを抑制すべく比較的低い鍛造温度に保ちたいキャビティの近傍に、冷却水循環用の冷却孔の先端が配置される。その結果、係る冷却孔に循環教習される冷却水による冷却作用によって、過剰なメタルフローによる「かぶり」などの欠陥が生じにくいピンボス部を有するピストンなどの製品を確実に鍛造することができる。
【００１０】
更に、本発明には、前記ヒータ用孔の先端の位置は、鍛造されるブランクから延びるメタルフローの距離が比較的長く、且つ、該メタルフローの厚みが比較的薄肉の部分である、鍛造用金型（請求項３）も含まれる。
これによれば、例えば、追ってピストンのスカート部などとなるメタルフローを助長すべく比較的高い鍛造温度に保ちたいキャビティの近傍には、ヒータを挿入するためのヒータ用孔の先端が配置される。その結果、係るヒータによる加熱作用によって、薄肉で長い距離のメタルフローが助長され易くなり、先端部に肉欠けなどの欠陥が生じにくいスカート部を有するピストンなどの製品を確実に鍛造することができる。
【００１１】
加えて、本発明には、前記鍛造用金型において、追ってピストンのピンボスとなるキャビティ部分の近傍に前記冷却孔の先端が配置されると共に、追ってピストンのスカート部となるキャビティ部分の近傍に前記ヒータ用孔の先端が配置されている、ピストン鍛造用金型（請求項４）も含まれる。
これによれば、追ってピンボス部となるキャビティ部分の近傍に、冷却孔の先端が配置され、追ってスカート部となるキャビティ部分の近傍に、ヒータ用孔の先端が配置される。そのため、前記「かぶり」や肉欠けなどの欠陥がないか、あるいは、欠陥が補修可能な極く微細な程度に抑制可能であるため、形状および寸法精度に優れたピストンを、確実で且つ効率良く製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の鍛造用金型におけるる一形態のピストン鍛造用金型１を示す水平断面図、図２は、図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った部分垂直断面図である。
ピストン鍛造用金型（以下、単に金型と称する）１は、図１，図２に示すように、対向する一対ずつの側面３，５および底面７を含む全体がほぼ四角柱形の本体２と、係る本体２の平面視で中央部に垂直（軸）方向に貫通して形成され、中心軸が垂直な円柱形のキャビティＣと、を備えている。
上記本体２は、例えば、ＳＫＤ鋼種やＳＫＴ鋼種の熱間工具鋼などからなる。係る本体２の底面７に開口するキャビティＣの下部には、該キャビティＣと断面が相似形のノックアウトピン（ロッド）９の上部が昇降可能に挿入されている。
【００１３】
また、図１，２に示すように、前記本体２において、対向する一対の側面３の中間ごとに形成された各凹部４の奥面には、先端をキャビティＣの近傍に配置させた冷却孔６の端部が中央部に開口している。更に、係る冷却孔６の両側には、一対のヒータ用孔８の端部がそれぞれ開口し、それらの先端もキャビティＣの近傍に配置されている。
上記冷却孔６には、その中心部に細径の給水パイプｐがほぼ同心で挿入され、図示しない貯水タンクからポンプによって上記パイプｐ内を送水された冷却水ｗを、当該冷却孔６の先端面に向かって吐出した後、上記パイプｐの外周面に沿って上記タンクに環流させるように、冷却水ｗを循環可能としている。
更に、上記ヒート用孔８には、その内側に平面視がほぼ細長いＵ字形のヒータＨが、当該ヒータＨの先端部をヒート用孔８の先端側に位置するように挿入されており、図示しない電源、配線、およびスイッチによって通電されることで、ヒート用孔８の先端付近を加熱可能としている。
【００１４】
図１，図２に示すように、平面視でキャビティＣを挟んで対向する一対の冷却孔６は、それらの先端を、キャビティＣ内において追って成形されるピストンＰにおける一対のピンボス部ｂに接近する当該キャビティＣの内壁面の近傍に配置している。即ち、冷却孔６の先端は、後述するブランクからその軸方向に沿って延びるメタルフローの距離が比較的短く、且つ該メタルフローの厚みが比較的厚肉であるピンボス部ｂとなる部分に位置している。
また、平面視でキャビティＣを挟んで対向する一対ずつのヒート用孔８は、それらの先端を、キャビティＣ内において追って成形されるピストンＰにおける一対のスカート部ｓの両端部付近に接近する当該キャビティＣの内壁面の近傍に配置している。即ち、ヒータ用孔８の先端は、後述するブランクからその軸方向に沿って延びるメタルフローの距離が比較的長く、且つ該メタルフローの厚みが比較的薄肉であるスカート部ｓとなる部分に位置している。
尚、図２に示すように、冷却孔６は、キャビティＣ内において、一対のヒート用孔８に比べてノックアウトピン９寄りの低い位置にある。
【００１５】
図１，図２中の一点鎖線で示すように、熱間鍛造すべきピストンＰは、キャビティＣの下部に進入したノックアウトピン９上に形成される円盤状のヘッドｈ、係るヘッドｈの径方向の両端から軸方向に長く延びる薄肉な一対のスカート部ｓ、係る一対のスカート部ｓの中間で且つ当該ピストンＰの中心付近に短く立設する厚肉な一対のピンボス部ｂ、および一対のスカート部ｓと個々のピンボス部ｂとの間を接続する薄肉な一対の凸壁ｔを有している。
即ち、各冷却孔６の先端は、厚肉で且つ軸方向に短いピンボス部ｂの先端側が形成されるキャビティＣの内壁面の近傍に配置され、各ヒータ用孔８の先端は、追って鍛造されるピストンＰにおいて、薄肉で且つ軸方向に長いスカート部ｓの先端側が形成されるキャビティＣの内壁面の近傍に配置されている。
【００１６】
次に、前記金型１を用いたピストンの鍛造方法について説明する。
先ず、図３に示すように、金型１のキュビティＣの下部にノックアウトピン９の上端部を挿入した状態で、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金からなり、全体が偏平な円柱形を呈するブランクＢをキャビティＣ内に挿入し、ノックアウトピン９の上端面に載置する。尚、係るブランクＢは、予め、約４２０〜５００℃に加熱され、その上面（表面）の全面、あるいは追って一対のスカート部ｂとなる一対の部分表面には、予め黒鉛系水溶性潤滑油が塗布されている。また、金型１は、予め、約３００〜４００℃に加熱され、そのキャビティＣの内周面およびノックアウトピン９の上端面には、例えば、黒鉛含有オイルからなる離型剤が塗布されている。
【００１７】
次いで、図３中の一点鎖線で示すように、金型１のキャビティＣ内に、該キャビティＣと外形がほぼ相似形の雄型１０を、同図中の矢印に沿って上方から垂直に進入させて、前記ブランクＢに対して熱間鍛造を施す。
上記雄型１０は、前記記同様の熱間工具鋼などからなり、図３に示すように、円柱形の本体、その底面１１の径方向の両端部付近から軸方向に沿って長く延び且つ幅が狭いスカート部(ｓ)成形用の一対の凹部１２、図３で水平方向のほぼ中間で且つ前後の対称な位置から軸方向に沿って短く延び且つ幅が広いピンボス部(ｂ)成形用の一対の凹部１４と、係る凹部１４と上記凹部１２との間を連通する溝状で凸壁(ｔ)成形用の前後一対の凹溝１６と、を備えている。
尚、係る雄型１０は、予め、約２４０〜３００℃に加熱され、且つ前記底面１１や凹部１２などには、前記同様の離型剤が塗布されている。
【００１８】
前記雄型１０の底面１１がブランクＢの上面を下向きに高圧力で押圧して、キャビティＣのノックアウトピン９側に接近する下死点付近に達すると、ブランクＢを形成しているアルミニウム合金は、塑性流動して図４中の矢印で示すメタルフローｆを生じる。
この際、図４に示すように、雄型１０の前記各凹部１２内には、ブランクＢの上面付近のアルミニウム合金から上向きのメタルフローｆがそれぞれ生じる。係るメタルフローｆは、凹部１２ごとの真上近傍に先端が位置するヒータ用孔８の前記ヒータＨによって、約３００〜４００℃に加熱されるため、該メタルフローｆを助長されて凹部１２の上端部まで流動する。その結果、図５のピストンＰの斜視図で示すように、上（先）端部に肉欠け（欠陥）のない一対のスカート部ｓが、所定の形状およびサイズで形成される。
【００１９】
一方、雄型１０におけるピンボス成形用の一対の前記凹部１４内には、ブランクＢの上面付近のアルミニウム合金から上向きのメタルフローｆ（図示せず）がそれぞれ生じる。係るメタルフローｆは、前記凹部１４ごとの真上近傍に先端が位置する冷却孔６内を循環する冷却水ｗによって、約２００〜３００℃に冷却されるため、当該メタルフローｆを抑制される。
その結果、過剰なメタルフローｆにならないことに起因して、図５中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った部分断面図Ｙで示すように、上（先）端部の両側に沿って薄皮状の「かぶりｋ」（欠陥）のない一対のピンボス部ｂが形成される。
更に、雄型１０におけ凸壁成形用の一対の前記凹部１６に対して、ブランクＢの上面付近のアルミニウム合金から生じる上向きのメタルフローｆも、前記のように冷却された各ピンボス部ｂを介して、あるいは冷却孔６内の冷却水ｗによって、前記同様に冷却されるため、図５に示すように、上記同様に欠陥のない一対の凸壁ｔが形成される。
【００２０】
そして、雄型１０を上昇させて、金型１のキャビティＣから抜き出し、更に、前記ノックアウトピン９を上昇させて、前記熱間鍛造によって成形されたピストンＰを、金型１から取り出す。
以上のような金型１を用いた鍛造方法によれば、図５に示すように、薄肉で軸方向に長い一対のスカート部ｓ、厚肉で軸方向に短い一対のピンボス部ｂ、一対の凸壁ｔ、およびヘッドｈを有し、これらが所定の形状およびサイズを有し、且つ前記各欠陥のないピストンＰを確実且つ効率良く熱間鍛造することができる。
【００２１】
図６は、前記金型１の変形形態である金型１ａを示す前記図１と同様な水平断面図である。
係る金型１ａは、図６に示すように、前記同様の本体２、キャビティＣ、側面３ごとの凹部４の奥面における中央部からキャビティＣ近傍に先端が延びた一対の冷却孔６を備えている。係る金型１ａが前記金型１と相違するのは、本体２において対向する一対の側面５とキャビティＣ近傍との間に、左右一対ずつのヒータ用孔８を合計４つ配置していることである。各ヒータ用孔８の先端は、キャビティＣ内において追って成形されるピストンＰにおける一対のスカート部ｓの両端部付近に配置されている。
【００２２】
図７は、前記金型１の異なる変形形態である金型１ｂを示す部分水平断面図である。係る金型１ｂも、前記同様の本体２、キャビティＣ、側面３ごとの凹部４の奥面中央部からキャビティＣ近傍に先端が延びた一対の冷却孔６を備えている。
係る金型１ｂが前記金型１と相違するのは、本体２において対向する一対の側面５とキャビティＣ近傍との間に、左右一対のヒータ用孔８を配置していることである。各ヒータ用孔８の先端は、キャビティＣ内において追って成形されるピストンＰにおける各スカート部ｓの中央部付近に配置されている。
以上のような金型１ａ，１ｂによっても、前記金型１と同様な作用が成され、且つ同様な効果を奏することが可能である。
【００２３】
本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、前記冷却孔の先端は、追ってピストンのピンボス部が形成されるキャビティ近傍で、且つ係るピンボス部の上端部の真横付近に配置しても良い。
また、前記ヒータ用孔の先端は、追ってピストンのスカート部が形成されるキャビティ近傍で、且つ係るスカート部の上端部の真横付近に配置しても良い。
更に、前記冷却孔は、前記金型の同じ側面に一対を平行にして穿設し、それらの先端が追ってピストンのピンボス部が形成されるキャビティ近傍に配置される形態としても良い。
また、前記冷却孔やヒータ用孔は、その中心軸が前記金型の本体の側面に対し、斜め方向に沿って穿設した形態としても良い。
加えて、本発明の鍛造用金型は、ピストン以外の製品の熱感鍛造にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による一形態のピストン鍛造用金型を示す水平断面図。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った部分垂直断面図。
【図３】上記金型による鍛造工程を示す概略図。
【図４】図３に続く鍛造工程を示す概略図。
【図５】上記各鍛造工程によって鍛造されたピストンを示す斜視図。
【図６】前記金型の変形形態を示す水平断面図。
【図７】前記金型の異なる変形形態を示す部分水平断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１，１ａ，１ｂ…ピストン鍛造用金型
６………………冷却孔
８………………ヒータ用孔
Ｃ………………キャビティ
Ｐ………………ピストン
Ｈ………………ヒータ
ｗ………………冷却水
Ｂ………………ブランク
ｂ………………ピンボス部
ｓ………………スカート部
ｆ………………メタルフロー
【図１】
0004893670.tif 000002
【図２】
0004893670.tif 000003
【図３】
0004893670.tif 000004
【図４】
0004893670.tif 000005
【図５】
0004893670.tif 000006
【図６】
0004893670.tif 000007
【図７】
0004893670.tif 000008