JP3467882B2 - piston - Google Patents
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- F05C2201/02—Light metals
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ピストン頂部の応力歪
みによる亀裂を防止し得る内燃機関のピストン及びその
製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般的に内燃機関のピストンはアルミニ
ウム合金で製作されており、特に直接噴射式ディーゼル
エンジンのピストン頂面のようにキャビティが形成され
ている場合には、燃焼室開口部は燃焼温度による熱膨張
の結果、圧縮歪みが生じて亀裂が入りやすい。これを防
ぐために、図３に示す如く、ピストン頂面１にアルミナ
（Ａｌ2 Ｏ3 ）皮膜２を形成する、いわゆるアルマイト
処理が行われている。
【０００３】これによって、下地となるアルミニウムと
皮膜であるアルミナとの熱膨張係数の差により、引張応
力を生じさせ、熱膨張による圧縮応力を相殺しようとす
るものである。ところが、実際にエンジンを運転する
と、ピストンのスラスト方向には燃焼圧力によりピスト
ンピンを中心とした曲げモーメントが働く。そのため、
図４に示すように、ピストンピン３上方のピストン頂面
１には引張応力Ｔ1 が働くこととなり、この応力がアル
マイト処理による引張応力Ｔ2 と合成されることによ
り、却って亀裂を生じる結果となってしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この問題に対して、実
開平 1− 99949号公報には、ピストン頂面のピストンピ
ン軸心方向に、キャビティエッジ部からピストン頂面外
周部に向かい所要範囲に亘り、ショットピーニングによ
って所望の圧縮応力を生ぜしめた加工部を形成すると共
に、この加工部を含むピストン頂面全面にアルマイト処
理層を形成し、ショットピーニング加工とアルマイト処
理が重複する部分となる前記加工部に生じる圧縮応力と
引張応力を互いに相殺して、亀裂の発生を防止しようと
する直噴式ディーゼルエンジンのピストンが提案されて
いる。
【０００５】しかしながら、このピストンは、ショット
ピーニング加工を行う際に、圧縮応力が作用してピスト
ンピンボスの真円度が狂い、ピストンピンに無理な応力
が作用する恐れがあり、また、ピストン製造に際し、局
部的にショットピーニング加工を行い、その後にアルマ
イト処理を行うため、工数が増加し、加工用の工作機械
も多くなるため、製造コストが高くなるという問題があ
る。
【０００６】 本発明は以上の問題点に鑑みて、ショッ
トピーニングのようにピストンピンボスの真円度を損な
う要因となる加工を施すことなく、少ない工数と設備で
安価に製造することができるピストンを提供することを
目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明のピストンは、燃焼室となるピストンキャビテ
ィを形成したアルミニウム合金製ピストンであって、ピ
ストンピンの上方における燃焼室開口部を除くと共に、
アルマイト処理部分がピストン頂面の外周側部分で連続
するように、前記ピストン頂面と前記ピストンキャビテ
ィ壁面にアルマイト処理を施したものである。
【０００８】また、本発明に係るピストンの製造方法
は、ピストンピンの上方における燃焼室開口部にマスキ
ングを施す工程と、ピストン頂面とピストンキャビティ
壁面にアルマイト処理を施す工程と、前記マスキングを
除去する工程とからなる製造方法である。尚、アルマイ
ト処理の方法としては、陽極酸化、溶射等の手段を適宜
採用することができる。前者の場合には、マスキング材
料として油性ペイントを２ｍｍ程の厚さに塗布し、電解
酸化による硬質アルマイト処理を施した後、マスキング
をシンナー等の有機溶剤により除去する。この場合、ア
ルミナ皮膜は９０±２０μｍ程度に形成すると好まし
く、バリヤー層とポーラス層の厚さは特に限定されるも
のではないが、およそ半々になるように形成すると良い
ようである。
【０００９】一方、後者の場合にも、マスキング材料と
して油性ペイントを塗布し、９０±２０μｍ程度の厚さ
のアルミナ皮膜を形成した後、マスキングを有機溶剤に
より除去する。
【００１０】
【作 用】本発明のピストンによると、ピストンピン上
方を除く燃焼室開口部にはアルマイト処理が施されてい
るため、ピストンの冷間時に予め引張応力が生じ、エン
ジンの運転時に燃焼温度による膨張の結果生じる圧縮歪
みは前記引張応力によって相殺される。
【００１１】更に、ピストンピン上方の燃焼室開口部に
はアルマイト処理が施されていないため、ピストンの冷
間時には、この部分に引張応力が与えられておらず、エ
ンジンの運転時に燃焼圧力による曲げモーメントによっ
て生じる引張応力が増長されることがない。そして、燃
焼温度による圧縮歪みは、曲げモーメントによる引張応
力により相殺される。
【００１２】また、本発明のピストンの製造方法による
と、従前の如くショットピーニング加工を施す必要が無
いので、ピストンピンボスの真円度が狂う恐れがなく、
更に、ピストン製造に際し、工数や加工設備も最小限で
済むので、製造コストの低減を図ることができる。
【００１３】
【実施例】次に図面を参照して本発明の一実施例におけ
るピストンの説明をする。まず、図１にはピストン４の
平面図を、図２にはＡ−Ａ線断面図を示しており、燃焼
室となるピストンキャビティ５を含むピストン頂面１に
は、ピストンピン３の上方に配置された一対のマスキン
グ部６を除いてアルマイト処理を施している。
【００１４】マスキング部６は、ピストンキャビティ５
のエッジ７から、ピストン頂面１に扇形に拡がる部分6a
と、ピストンキャビティ壁面８に楕円形に拡がる部分6b
とから成り、ピストンピン３の軸心方向に沿って、その
上方における燃焼室開口部に対してのみ、アルマイト皮
膜の形成を防ぐマスキングを行う。このマスキング部６
以外のピストン頂面１とピストンキャビティ壁面８には
硬質アルマイト処理が施されているので、ピストン４の
冷間時において、予め引張応力が生じている。これに対
して、前記マスキング部６にはこのアルマイト処理によ
る引張応力は作用していない。
【００１５】エンジンを始動して、ピストン４の温度が
上昇すると、燃焼室開口部には熱膨張による圧縮応力が
作用するが、前記マスキング部６を除くアルマイト処理
を施した部分においては、この圧縮応力がアルマイト処
理により予め付与された引張応力によって相殺されるこ
ととなる。一方、ピストン４のスラスト方向には、ピス
トンピン３を中心として、燃焼圧力による曲げモーメン
トが作用して、引張応力が生じるので、ピストンピン３
の上方に位置するマスキング部６においては、熱膨張に
よる圧縮応力は、この燃焼圧力による引張応力によって
相殺されることとなる。また、マスキング部６にはアル
マイト処理が施されておらず、予め引張応力は付与され
ていないので、燃焼圧力を受けても過剰な引張応力は作
用しない。
【００１６】次に、本発明の一実施例におけるピストン
の製造方法について説明する。上述したピストン４に陽
極酸化によるアルマイト処理を施す場合には、マスキン
グ部６にマスキング材料として油性ペイントを塗布し、
このピストン４を陽極として硫酸又はしゅう酸溶液中に
浸せきし、通電することにより電解酸化し、表面に酸化
皮膜を形成させる。
【００１７】本実施例では、電解電圧を適度に調整する
ことにより、４５μｍ程度のバリヤー層を形成し、ま
た、電解時間を適度に調整することにより、４５μｍ程
度のポーラス層を形成した。また、後処理として、沸騰
水中又は加圧水蒸気中で酸化皮膜の一部をベーマイト
（ＡｌＯＯＨ）化して、体積膨張を起こし、ポーラス層
の孔を塞ぐ封孔処理を行った。その後、マスキングを
（シンナー等の）有機溶剤により除去して、所望の部位
のみにアルマイト処理を施したピストン４が完成する。
【００１８】尚、溶射によりアルマイト処理を行う場合
には、マスキング部６にマスキング材料として油性ペイ
ントを塗布し、アルミナ粉末を溶融状態に加熱して、ピ
ストン頂面１及びピストンキャビティ壁面８に高速度で
吹き付けて層を作り、９０μｍ程度の厚さのアルミナ皮
膜を形成した後、マスキングを有機溶剤により除去す
る。
【００１９】
【発明の効果】本発明のピストンは、燃焼室となるピス
トンキャビティを形成したアルミニウム合金製ピストン
であって、ピストンピンの上方における燃焼室開口部を
除くと共に、アルマイト処理部分がピストン頂面の外周
側部分で連続するように、前記ピストン頂面と前記ピス
トンキャビティ壁面に、アルマイト処理を施したので、
ピストンの冷間時に予め付与された引張応力が、エンジ
ンの運転時に燃焼温度による膨張の結果生じる圧縮歪み
を相殺することになり、応力歪みによる亀裂を防止する
ことができる。
【００２０】また、ピストンピン上方の燃焼室開口部に
はアルマイト処理が施されていないため、ピストンの冷
間時には、この部分に予め引張応力が与えられておら
ず、燃焼圧力による曲げモーメントによって生じる引張
応力が増長されることがないので、過剰な引張応力が作
用することがなくピストンの亀裂を防止することができ
る。
【００２１】また、本発明のピストンの製造方法はピス
トンピンの上方における燃焼室開口部にマスキングを施
す工程と、ピストン頂面とピストンキャビティ壁面にア
ルマイト処理を施す工程と、前記マスキングを除去する
工程とからなるので、従前の如くショットピーニング加
工を施す必要が無くなり、その結果、ピストンピンボス
の真円度を正確に保持することができると共に、加工の
ための工数や工作機械も削減することができ、製造コス
トの低減を図ることができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston for an internal combustion engine capable of preventing a crack at the top of a piston due to stress distortion and a method of manufacturing the piston. 2. Description of the Related Art Generally, a piston of an internal combustion engine is made of an aluminum alloy. In particular, when a cavity is formed like a piston top surface of a direct injection diesel engine, a combustion chamber opening is formed. As a result of the thermal expansion due to the combustion temperature, a compression strain occurs in the portion, and the portion is easily cracked. In order to prevent this, as shown in FIG. 3, a so-called alumite treatment for forming an alumina (Al 2 O 3 ) film 2 on the piston top surface 1 is performed. [0003] Accordingly, a tensile stress is generated due to a difference in a thermal expansion coefficient between aluminum as an underlayer and alumina as a film, so as to offset a compressive stress due to thermal expansion. However, when the engine is actually operated, a bending moment about the piston pin acts in the thrust direction of the piston due to the combustion pressure. for that reason,
As shown in FIG. 4, a tensile stress T 1 acts on the piston top surface 1 above the piston pin 3, and this stress is combined with the tensile stress T 2 by the alumite treatment, resulting in a crack being generated. turn into. [0004] To solve this problem, Japanese Utility Model Laid-Open No. 1-99949 discloses that the piston top surface extends from the cavity edge toward the outer periphery of the piston top surface in the axial direction of the piston pin. Over a required range, a processed part that generates a desired compressive stress by shot peening is formed, and an alumite treatment layer is formed on the entire piston top surface including this processed part, so that shot peening processing and alumite processing overlap. There has been proposed a piston of a direct injection type diesel engine for canceling a compressive stress and a tensile stress generated in the processed portion to prevent cracks from occurring. However, in this piston, when performing shot peening, compressive stress acts on the piston, the roundness of the piston pin boss may be deviated, and excessive stress may act on the piston pin. However, since shot peening is locally performed and then alumite processing is performed, the number of man-hours increases and the number of machine tools for processing increases, resulting in an increase in manufacturing cost. In view of the above problems, the present invention provides a piston that can be manufactured inexpensively with a small number of man-hours and equipment without performing a process such as shot peening that impairs the roundness of a piston pin boss. It is intended to provide. A piston according to the present invention for achieving the above object is an aluminum alloy piston in which a piston cavity serving as a combustion chamber is formed, and a combustion chamber opening above a piston pin. Excluding the part ,
The anodized part is continuous on the outer peripheral part of the piston top surface
The alumite treatment is applied to the piston top surface and the piston cavity wall surface. Further, the method of manufacturing a piston according to the present invention includes a step of masking an opening of a combustion chamber above a piston pin, a step of anodizing a piston top surface and a piston cavity wall surface, and removing the masking. And a manufacturing process. In addition, as a method of the alumite treatment, means such as anodic oxidation and thermal spraying can be appropriately adopted. In the former case, an oil paint is applied as a masking material to a thickness of about 2 mm, hard anodized by electrolytic oxidation, and then the masking is removed with an organic solvent such as a thinner. In this case, it is preferable that the alumina film is formed to have a thickness of about 90 ± 20 μm, and the thicknesses of the barrier layer and the porous layer are not particularly limited. On the other hand, in the latter case, oil paint is applied as a masking material to form an alumina film having a thickness of about 90 ± 20 μm, and then the masking is removed with an organic solvent. According to the piston of the present invention, since the alumite treatment is applied to the opening of the combustion chamber except for the upper part of the piston pin, a tensile stress is generated in advance when the piston is cold, and the combustion occurs during operation of the engine. Compressive strain resulting from expansion due to temperature is offset by the tensile stress. Further, since the alumite treatment is not applied to the opening of the combustion chamber above the piston pin, no tensile stress is applied to this portion when the piston is cold, and the piston is bent by the combustion pressure during operation of the engine. The tensile stress generated by the moment is not increased. The compressive strain caused by the combustion temperature is offset by the tensile stress caused by the bending moment. Further, according to the piston manufacturing method of the present invention, since there is no need to perform shot peening as in the past, there is no possibility that the roundness of the piston pin boss will be out of order.
Furthermore, the number of man-hours and processing equipment required for manufacturing the piston can be minimized, so that the manufacturing cost can be reduced. Next, a piston according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a plan view of a piston 4 and FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along a line AA. A piston top surface 1 including a piston cavity 5 serving as a combustion chamber is provided above a piston pin 3. The alumite treatment is performed except for the pair of masking portions 6 arranged. The masking section 6 includes a piston cavity 5
Part 6a fan-shaped from the edge 7 of the piston to the top surface 1 of the piston
And a portion 6b that expands elliptically on the piston cavity wall 8
Masking is performed along the axial direction of the piston pin 3 to prevent the formation of an alumite film only on the combustion chamber opening above the piston pin 3. This masking part 6
Since the hard alumite treatment is applied to the other piston top surface 1 and the piston cavity wall surface 8, tensile stress is generated in advance when the piston 4 is cold. On the other hand, no tensile stress due to the alumite treatment acts on the masking portion 6. When the temperature of the piston 4 rises when the engine is started, a compressive stress due to thermal expansion acts on the opening of the combustion chamber. In the alumite-treated portion except for the masking portion 6, this compression is applied. The stress is offset by the tensile stress previously applied by the alumite treatment. On the other hand, in the thrust direction of the piston 4, a bending moment due to the combustion pressure acts around the piston pin 3 to generate a tensile stress.
In the masking section 6 located above the compression stress, the compressive stress due to thermal expansion is offset by the tensile stress due to the combustion pressure. Further, since the masking portion 6 is not subjected to an alumite treatment and has not been given a tensile stress in advance, even if it receives a combustion pressure, no excessive tensile stress acts. Next, a method of manufacturing a piston according to an embodiment of the present invention will be described. When anodizing by anodizing the piston 4 described above, an oil paint is applied to the masking portion 6 as a masking material,
This piston 4 is immersed in a sulfuric acid or oxalic acid solution as an anode and electrolytically oxidized by applying a current to form an oxide film on the surface. In this embodiment, a barrier layer of about 45 μm was formed by appropriately adjusting the electrolysis voltage, and a porous layer of about 45 μm was formed by appropriately adjusting the electrolysis time. In addition, as a post-treatment, a part of the oxide film was converted into boehmite (AlOOH) in boiling water or pressurized steam to cause volume expansion and to perform a pore-sealing treatment for closing pores of the porous layer. After that, the masking is removed by an organic solvent (such as thinner) to complete the piston 4 in which alumite treatment is performed only on a desired portion. When the alumite treatment is performed by thermal spraying, an oil paint is applied as a masking material to the masking portion 6 and the alumina powder is heated to a molten state, and the high speed is applied to the piston top surface 1 and the piston cavity wall surface 8. After forming a layer having a thickness of about 90 μm, the masking is removed with an organic solvent. The piston of the present invention is an aluminum alloy piston having a piston cavity serving as a combustion chamber. The piston is provided with an alumite-treated portion excluding a combustion chamber opening above a piston pin. Perimeter of surface
As the alumite treatment was applied to the piston top surface and the piston cavity wall surface so as to be continuous at the side part ,
The tensile stress applied in advance when the piston is cold cancels out the compressive strain resulting from expansion due to the combustion temperature during operation of the engine, thereby preventing cracking due to stress strain. Since the alumite treatment is not applied to the opening of the combustion chamber above the piston pin, when the piston is cold, a tensile stress is not applied to this portion in advance, and it is caused by a bending moment due to the combustion pressure. Since the tensile stress is not increased, it is possible to prevent the piston from cracking without exerting an excessive tensile stress. Further, the method of manufacturing a piston according to the present invention includes a step of masking an opening of a combustion chamber above a piston pin, a step of performing alumite treatment on a piston top surface and a wall surface of a piston cavity, and a step of removing the masking. As a result, it is no longer necessary to perform shot peening as before, and as a result, the roundness of the piston pin boss can be accurately maintained, and the man-hours and machine tools for processing can be reduced. In addition, the manufacturing cost can be reduced.
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるピストンの平面図で
ある。
【図２】図１のピストンのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】従来のピストンの平面図である。
【図４】図３のピストンに作用する引張応力の関係を示
す平面図である。
【符号の説明】
１ ピストン頂面
３ ピストンピン
４ ピストン
５ ピストンキャビティ
６ マスキング部
８ ピストンキャビティ壁面BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view of a piston according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of the piston of FIG. 1 taken along line AA. FIG. 3 is a plan view of a conventional piston. FIG. 4 is a plan view showing a relationship between tensile stresses acting on the piston of FIG. 3; [Description of Signs] 1 Piston top surface 3 Piston pin 4 Piston 5 Piston cavity 6 Masking part 8 Piston cavity wall surface
Claims (1)
したアルミニウム合金製ピストンであって、ピストンピ
ンの上方における燃焼室開口部を除くと共に、アルマイ
ト処理部分がピストン頂面の外周側部分で連続するよう
に、前記ピストン頂面と前記ピストンキャビティ壁面に
アルマイト処理を施したピストン。(57) Patent Claims 1. A aluminum alloy piston forming a piston cavity comprising a combustion chamber, with the exception of combustion chamber openings above the piston pin, Arumai
So that the processing part is continuous on the outer peripheral part of the piston top surface.
And an alumite treatment on the piston top surface and the piston cavity wall surface.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32480494A JP3467882B2 (en) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | piston |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32480494A JP3467882B2 (en) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | piston |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08177622A JPH08177622A (en) | 1996-07-12 |
| JP3467882B2 true JP3467882B2 (en) | 2003-11-17 |
Family
ID=18169870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32480494A Expired - Lifetime JP3467882B2 (en) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | piston |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3467882B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5696351B2 (en) * | 2009-04-15 | 2015-04-08 | トヨタ自動車株式会社 | Engine combustion chamber structure |
| JP6260492B2 (en) * | 2014-08-11 | 2018-01-17 | トヨタ自動車株式会社 | Manufacturing method of piston for direct injection engine |
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1994
- 1994-12-27 JP JP32480494A patent/JP3467882B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08177622A (en) | 1996-07-12 |
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