(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却空洞を形成するための中子を支持する支持柱の先端に装着され、上記支持柱と上記中子との間に介在されて、ピストンの鋳造時にピストン母材に鋳着されるキャップ型の鋳着材を有しており、
鋳造されたピストンの外部と上記冷却空洞との間が上記鋳着材で遮断されている冷却空洞付ピストン。
【請求項２】
上記鋳着材のうちで上記支持柱と当接する面にガス抜き溝が設けられている請求項１記載のピストン。
【請求項３】
冷却空洞を形成するための中子を用意する段階と、
複数の支持柱を鋳型内に配する段階と、
これら複数の支持柱のうちの少なくとも一つの支持柱の先端にキャップ型の鋳着材を装着し、この鋳着材を上記支持柱と上記中子との間に介在させて、上記中子を上記鋳型内で上記複数の支持柱によって支持する段階と、
上記鋳型内にピストン母材の溶湯を注入して上記鋳着材を上記ピストン母材に鋳着する段階と
を具備する冷却空洞付ピストンの製造方法。
【請求項４】
互いに当接する上記鋳着材と上記支持柱との面のうちで少なくとも一方の面にガス抜き溝が設けられているこれら鋳着材及び支持柱を用いる請求項３記載の製造方法。
【請求項５】
中心部にガス抜き穴が設けられている上記支持柱を用いる請求項３記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は冷却空洞付ピストン及びその製造方法の改良に関し、特に内燃機関用冷却空洞付ピストン及びその製造方法に適用して最適である。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン内に冷却空洞を環状に形成するため、鋳型内には予め塩中子が一般に配置される。通常この塩中子は２本の支持柱の先端で支えられるが、ピストンが大型化して上記塩中子の重量が増加し、その結果塩中子の支持が不安定になる場合や、ピストンがたとえ小型であっても、上記塩中子の位置精度が厳しい場合には、上記塩中子を３本の支持柱の先端で支える必要が生じる。
【０００３】
ところで鋳型を設計する場合には、上記支持柱の先端を冷却油の出入口の位置に合わせて、この支持柱の先端位置に鋳造後形成される鋳抜き穴を、冷却空洞内を循環する冷却油の出入口として使用し、冷却空洞と連通する不要な鋳抜き穴を鋳造後に塞ぐ手間を省き、あるいは冷却油出入口の仕上げ加工を簡略化する考慮がなされる。
【０００４】
しかしながら鋳型の形状や鋳造方案の制約から、上記支持柱の先端を上記冷却油の出入口の位置に合わせる事が不可能な鋳型の設計を余儀なくされる場合がある。この場合には、上記冷却空洞と連通する不要な鋳抜き穴が、上記冷却油出入口から外れた位置に形成されるため、上記鋳抜き穴から冷却油がピストン作動時に漏洩しないように、上記鋳抜き穴を鋳造後に塞ぐ必要が生じる。また上述のように塩中子が３本の支持柱の先端で支えられた場合にも、鋳造後にできる３個の鋳抜き穴の中うち少なくとも１個を通常は塞ぐことが多い。
【０００５】
ところで上記鋳抜き穴の従来の塞ぎ方としては、ピストン側に雌ねじを切り、これに雄ねじを持った栓を螺入して、回り止めにはポンチを打ったり、接着剤を使用したりする方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの方法では、機関の運転や停止等によってピストンが繰り返し応力を受けると、栓が抜け落ちるおそれがある。このため異ピッチねじや不等ピッチねじの採用も考えられるが、ねじ切り等の工作費が益々増大するだけでなく、栓の抜け落ちを完全に防止することは難しい。
【０００７】
そこで本願出願人が先に提案した鋳抜き穴を極小にする方法（特開平２−１２３２６０号）では、図８に示すごとく支持柱１の先端１ａに例えば図９に示すような中心に細穴５を持つワッシャー２を置き、次いで塩中子３を図８に示すごとく貫通させた支持ピン４を、ワッシャー２の細穴５および、支持柱１の中心に設けたガス抜き穴１ｂに挿し込む作業を行い、その後鋳造の際に、このワッシャー２をピストンに鋳込むようにする。なお図８で符号７ａ，７ｂ及び７ｃはそれぞれ頭部、外部及び中子鋳型を示す。
【０００８】
しかしながら上記作業は、耐熱手袋を嵌めて行うために高度の熟練が必要であり、また作業時間も長くなる。したがってコスト増を免れない。さらに上記ワッシャー２はピストン母材の溶湯と接する表面積が小さいから、設計が適切でないと鋳造時のピストンへの固着が十分でなく、運転中に脱落することがある。
【０００９】
また鋳物に細穴が残って冷却油の漏洩を完全には防止できないために、ピストンの冷却効果を低下させる欠点がある。なお冷却油の漏洩は、ピストン径が増すにつれ増大する傾向がある。
【００１０】
本発明は上述の点に鑑み、ピストンの冷却効果を確保すると共に、ピストンの製作費を低減しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷却空洞を形成するための中子を支持する支持柱の先端に装着され、上記支持柱と上記中子との間に介在されて、ピストンの鋳造時にピストン母材に鋳着されるキャップ型の鋳着材を有しており、鋳造されたピストンの外部と上記冷却空洞との間が上記鋳着材で遮断されているように冷却空洞付ピストンを構成した。上記鋳着材のうちで上記支持柱と当接する面にガス抜き溝が設けられているのがよい。
【００１２】
また本発明は、冷却空洞を形成するための中子を用意する段階と、複数の支持柱を鋳型内に配する段階と、これら複数の支持柱のうちの少なくとも一つの支持柱の先端にキャップ型の鋳着材を装着し、この鋳着材を上記支持柱と上記中子との間に介在させて、上記中子を上記鋳型内で上記複数の支持柱によって支持する段階と、上記鋳型内にピストン母材の溶湯を注入して上記鋳着材を上記ピストン母材に鋳着する段階とを具備する冷却空洞付ピストンの製造方法に係るものである。なお、互いに当接する上記鋳着材と上記支持柱との面のうちで少なくとも一方の面にガス抜き溝が設けられているこれら鋳着材及び支持柱を用いるのがよい。また、中心部にガス抜き穴が設けられている上記支持柱を用いるのがよい。
【００１３】
【実施例】
以下本発明を内燃機関用アルミニウム合金製ピストンに適用した実施例につき、図１〜７を参照しながら説明する。なお以下の説明では、図８および９に示した構造と同様である部分には、同一の符号を付して説明は省略する。
【００１４】
ところで支持柱１の先端１ａには、図１に示すようにキャップ形状の鋳着材１０が装着されて、塩中子３と接している。このキャップ型鋳着材１０は金属製であり、その熱膨張係数はピストン母材と略同一である。かくしてピストンの運動、停止に伴う熱変動によって、ピストン母材と鋳着材１０間に発生する熱応力は緩和され、鋳着材１０の鋳着度が向上する。
【００１５】
次に鋳着材１０はその融点がピストン母材に較べて高く、しかもピストン母材の溶湯との親和性があるのがよい。この鋳着材の具体例としては、アルミニウム、銅、マグネシウム或いはこれらの合金が挙げられる。
【００１６】
上記鋳着材１０の横断面は円形状であるが、楕円、矩形、多角形又は花びら形状等、種々の形状をとることができる。なお塩中子３の支持を確実にするため、上記横断面の長軸方向が、環形状をした塩中子３の半径方向と一致するのがよい。
【００１７】
次に上記キャップ型鋳着材１０の縦断面は天井のある筒型であるが、図３(a)に示す鼓型、図３(b)に示す樽型又は図３(c)に示す傘型等、種々の形状をとることができる。なお最適な形状は、例えば支持柱１周りのピストン肉厚を考慮する等、ピストン毎に確実な鋳着が得られる形状を考える必要がある。
【００１８】
次にキャップ型鋳着材１０と、支持柱１の外周面との間の隙間は直径で５／１００〜１mmの範囲にあるのが良い。この隙間が狭すぎると組立時の作業性が低下し、或いは鋳造中のガス抜きが不十分となり、或いは鋳物の収縮時に隙間が無くなって、鋳着材１０の収縮が阻害される等の恐れがある。
【００１９】
またこの隙間が広すぎると塩中子３の支持が不安定になり、或いは溶湯が鋳造時に隙間に浸入し、甚だしい場合には、溶湯が支持柱１のガス抜き穴１ｂに浸入してガス抜き作用を妨げ、或いは浸入した溶湯の凝固によって支持柱１にカジリを生じ、支持柱１の寿命を短縮させる。
【００２０】
次に支持柱１には、図２に示すごとく中心部にガス抜き穴１ｂを設け、またその先端１ａにはガスが抜け易いように、溝１ｃを図示のごとく十文字に設けるか、或いは一文字に設ける。なおこの溝１ｃについては、上記支持柱１に当接する鋳着材１４の面に設けてもよく（図５ａ）、または両者に設けてもよい。
【００２１】
試験例１
先ずアルミニウム合金鋳物ＡＣ８Ａおよびアルミニウム青銅鋳物ＡｌＢＣ３を素材として、外径１０ｍｍ、内径５．５ｍｍ、高さ１０ｍｍ、頂部肉厚２ｍｍのキャップ型鋳着材１０を製作した。
【００２２】
このキャップ型鋳着材１０を装着する支持柱１の長さは、上記キャップ型鋳着材１０の頂部肉厚を差し引いた長さとし、この支持柱１の先端１ａに幅０．５ｍｍ、深さ０．８ｍｍのＶ字溝１ｃを十文字に設けた。
【００２３】
次に鋳型７ａ，７ｂ，７ｃを通常のピストン鋳造時の温度まで昇温後、２００℃に予熱した上記キャップ型鋳着材１０を上記支持柱１の先端１ａに装着して塩中子３を支持させ、次いで塩中子温度、溶湯温度等の諸条件を所定値に設定して、組み立てられた鋳型７ａ，７ｂ，７ｃ内にピストン母材の溶湯を注入し、固化後、仕上げ処理をして径１４０ｍｍの冷却空洞付ピストン１１（図４）を製造した。
【００２４】
その後、このピストンを切断し、観察したところ、ＡＣ８Ａ製の鋳着材の場合は一部が溶融してピストン母材と溶け合い、原形を留めない部分が存在した。一方、ＡｌＢＣ３製の鋳着材の場合は、一部表面が鋳着してしっかりとピストン母材に鋳ぐるみ固着され、簡単なハンマリング程度では取り出すことができなかった。
【００２５】
かくして冷却空洞は、ピストン外部から鋳着材で完全に遮断されて、冷却油が冷却空洞から漏洩するおそれが全くない。
【００２６】
次に上記ピストンと同一の条件で製造された本発明のピストンと、図９のワッシャー２を使用して同一鋳造条件の下で鋳造され、製造されたピストンとを用意し、比較のためのエンジンテストと、押し抜きテストとを行った。
【００２７】
上記エンジンテストによると本発明のピストンでは、図６に示すように少なくとも、燃焼室の口元で約１０℃、トップリング溝の底辺近傍で１０〜１５℃の温度低下が得られた。そして２０００時間に及ぶ耐久運転後に、鋳着材の脱落等の不具合が全く発生しなかった。なお図６で括弧内の数値は、上記ワッシャー２を使用したピストンでの観測温度である。
【００２８】
次に前記押し抜きテストによると本発明のピストンは、ＡＣ８Ａ製の鋳着材を使用した場合も、またＡｌＢＣ３製の鋳着材を使用した場合も、図７に示すごとくワッシャー２を使用したピストンに対して２倍以上の押し抜き抵抗を示した。なお上記２０００時間に及ぶ耐久運転後も、この関係は殆ど変らなかった。
【００２９】
試験例２
鋳着材の素材としてアルミニウム、銅を用い、プレス成形後、外周面にローリングハッチ模様を付けるか、ブラスト処理をした。得られたキャップ型鋳着材を使用して試験例１の場合と同様にピストンを製造し、このピストンを切断して観察を行った。
【００３０】
観察結果によると、素材が上記の何れの場合であっても、ブラスト処理を施したものはその表面積の５０％がピストン母材と溶け合っていた。また外周面にローリングハッチ模様を付したものも、ピストン母材にしっかりと固着されていた。なお鋳着材に例えばＳｎメッキや、酸化処理（アルミニウムの場合）のような表面処理を行うと、さらに確実な鋳着を期待できるが、上記の処理で十分実用に堪えるものと考える。
【００３１】
以上、本発明を１実施例につき説明したが、上記実施例は本発明を限定するものでは決してなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変更が可能である。例えば実施例では鋳着材１０はキャップ形状であったが、前記溶湯に接触する表面積を大にすればよいから、図５(a)に示すように鋳着材１４を円柱形状にして、その下方に突出する突起１４ａを支持柱１のガス抜き穴１ｂに挿入し、この支持柱１に取り付けるようにしてもよい。なお上記円柱形状は図５(b)に示すように鼓形状であってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は上述のような構成であるから、鋳抜き穴を完全に塞ぐことができる。したがってピストンの冷却効率が大幅に改善されて、ピストンの耐久信頼性を著しく向上する。
【００３３】
また支持柱への鋳着材の装着が極めて簡単容易となるから、鋳造の生産性が損なわれることなく、生産の自動化も容易となる。さらに溶湯と接する鋳着材の表面積が大になるから、ピストン母材に確実に鋳着されて、使用中に脱落するような恐れも全くない。
【００３４】
また上記鋳着材と上記支持柱とが互いに当接する面のこれら鋳着材および／または支持柱にガス抜き溝を設けると、鋳造欠陥の発生を容易に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  組立られた鋳型の一部切断断面図である。
【図２】  支持柱の斜視図である。
【図３】  鋳着材の変形例を示す斜視図である。
【図４】  ピストンの一部切断断面図である。
【図５】  鋳着材の変形例を示す断面図である。
【図６】  エンジンテスト結果の温度分布を示す説明図である。
【図７】  押し抜きテストで得られた運転時間ー押し抜き抵抗線図である。
【図８】  鋳着材としてワッシャーを使用した従来例の、組立られた鋳型の一部切断断面図である。
【図９】  図８に示したワッシャーの拡大斜視図である。
【符号の説明】
１          支持柱
１ｂ        ガス抜き穴
１ｃ        溝（ガス抜き溝）
３          塩中子
７ａ        頭部鋳型
７ｂ        外部鋳型
７ｃ        中子鋳型
１０        キャップ型鋳着材
１１        ピストン
１１ａ      ピストン母材
１２        冷却空洞
【図１】
0003755918.tif 000002
【図２】
0003755918.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003755918.tif 000005
【図５】
0003755918.tif 000006
【図６】
0003755918.tif 000007
【図７】
0003755918.tif 000008
【図８】
0003755918.tif 000009
【図９】
0003755918.tif 000010