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JP3635474B2 - Piston for internal combustion engine and method for manufacturing the same - Google Patents
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JP3635474B2 - Piston for internal combustion engine and method for manufacturing the same - Google Patents

Piston for internal combustion engine and method for manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関用ピストンに関し、特に凹部をピストンヘッド表面に形成した2サイクル内燃機関用ピストンや凹部をバルブ逃げとした4サイクル内燃機関用ピストン及びそれらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
4サイクル内燃機関において、吸排気弁とピストンとの干渉を避け、燃焼室容積を有効に利用して圧縮比を高め出力向上を図るために、ピストン上面にバルブ逃げ用の凹所を形成したピストンが開発されている。
【0003】
このようなバルブ逃げ用の凹所を有する4サイクル内燃機関用ピストンには、一般の内燃機関用ピストンと同様に、次のことが要求される。
第1に、軽量であること、換言すれば(i)薄肉形状であること(薄肉でも高温の疲労強度が高い材料を使うこと、薄肉でも鍛造成型性が良い材料を使うこと)および(ii)比重が小さいこと(軽い材料を使うこと)である。
【0004】
第2に、ヘッド部のピストンリングより上側のトップランドが薄いことである。これは、圧縮比が高まり性能が向上するため、およびクレビス減少により未燃ガスが減少し、排ガス対策として有効であるためである。この場合、(i)トップランドが薄くてもピストンリングの下側においてピストンがピストンリングに熱融着しないこと(ピストン上面が350℃程度になっても硬さを保つことができる材料を使うこと)、および(ii)トップランドの角部がだれたり、変形したりしないこと(ピストン上面が350℃程度になっても耐えることができる材料を使うこと)が必要である。
【0005】
第3に、永久変形が少ないこと(剛性が高いこと)である。換言すれば(i)ヘッド部を曲がりにくくすること(ヘッド部を厚肉にすること、ピストン上面が350℃程度になってもヤング率が高い材料を使うこと)が要求される。
【0006】
以上のように、内燃機関用ピストンとしては、高温での疲労強度、耐力、硬さが高く、かつ薄肉形状が可能な成型性を備えている材料を使用することが要求される。
【0007】
しかしながら、これらの要求を満たす1つの材料を見出すことは難しい。そこで、これら要求を満たすため、内燃機関用ピストンとして、ヘッド部に耐熱強度の高い材料を用い、スカート部にヘッド部と異なる性質の材料を用いることが考えられる。この考えに基づく従来の内燃機関用ピストンとして、次の3つのものが提案されている。
【0008】
その第1番目は、ヘッド部とスカート部を物理的性質の異なるクラッド材(アルミ合金とアルミ合金にウイスカー,短繊維等を混合した複合層(FRM)とからなる)で構成し、両者を鍛造で一体成型した内燃機関用ピストンである(特開昭63ー132743号公報参照)。
【0009】
その第2番目は、セラミックス粉末の配合率の異なる共通の組成のマトリックスの急冷粉末アルミ合金(パウダーメタル)を粉末成形して2層体を作り、この2層体を加圧加熱してプリフォームを作り、これを熱間鍛造して、セラミックス粉末の配合率の高い方の層をヘッド部とし、低い方の層をスカート部とした内燃機関用ピストンである(特開平1ー180927号公報参照)。
【0010】
その第3番目は、ヘッド部をパウダーメタルまたはFRMの鍛造品で構成し、スカート部をアルミ合金鋳物で構成し、両者を溶接により接合した内燃機関用ピストンである(特開平2ー107749号公報参照)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第1従来例のピストンによれば、ヘッド部とスカート部の接合界面の特に中央部の接合強度が十分に得られない。その理由は、鍛造時、ヘッド部とスカート部との間の接合界面に充分な相対すべりや接合界面の面積増大が発生せず、その接合界面の酸化膜を破壊、除去できないため、十分な接合強度は得られないからである。即ち、この第1従来例のピストンによれば、鍛造時、接合界面特にその中央部に、接合作用に必要な相対すべりや接合界面の面積増大が生じ難いからである。もし、接合強度を高めようとすれば、そのための工数を増やさなければならない。また、FRMは、強化材であるウイスカー,短繊維とマトリックスの界面で応力集中が生じ、熱間での十分な疲労強度が得られない。また、鍛造素材としてのクラッド材は、工程が複雑になり、コストが高い。さらに、クラッド材では、ヘッド部の一部、例えばピストンリングを装着するリング溝の部分だけあるいは上面角部の部分だけに適用することができない。
【0012】
また、前記第2従来例のピストンによれば、ヘッド部とスカート部の接合界面の特に中央部の接合強度が十分に得られない。その理由は、前記第1従来例のピストンと同様、鍛造時、接合界面の中央部に相対すべりや接合界面の面積増大が生じ難いからである。もし、接合強度を高めようとすれば、そのための工数を増やさなければならない。また、ヘッド部とスカート部が共通のマトリックスであるため、スカート部に要求される薄肉部の成形性と、ヘッド部に要求される耐熱性を両立させることができない。すなわち成形性を確保するため熱間変形抵抗を下げると耐熱性が低下し、ヘッド部上面の角部のだれ、変形が生じる。さらに、鍛造素材としてのプリフォームは、充填率が低く、熱間鍛造時に使用する離型剤,潤滑剤が侵入し、良好な成型体を得ることができない。
【0013】
また、前記第3従来例のピストンによれば、ヘッド部にパウダーメタルを使い、ヘッド部とスカート部を溶接により接合すると、パウダーメタルの溶接部に脆い合金層ができて接合強度が低下する。また、パウダーメタルの溶接部では、本来の特性(疲労強度,耐力,硬さ等)が失われる。さらに、摩擦溶接の場合には、接合部にバリが生じる。このバリは、応力集中の原因となるため、除去する必要があるが、ピストン内側にはピンボス部等の凹凸があるため、除去が困難である。また、ヘッド部にFRMを使うと、強化材であるウイスカー、短繊維とマトリックスの界面で応力集中が生じ、熱間での十分な疲労強度が得られない。
【0014】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであって、4サイクル内燃機関用ピストンのみならず、ピストンヘッド表面に凹部を有する2サイクル内燃機関において、ヘッド部とスカート部の接合強度が高く、且つプロセスを増加させることなく生産性が良好な内燃機関用ピストンおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有する内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成し、異種材料同士の接合界面近傍に、前記凹部の形状に対応した鍛造によるファイバーフローが形成されたことを特徴とする内燃機関用ピストンを提供する。
【0016】
本発明ではさらに、上記ピストンの製造方法として、ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有し、前記ヘッド部の少なくとも一部であって前記凹部を含む一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンの製造方法において、ピストンを構成する少なくとも耐熱性が異なる異種材料同士を同時に鍛造して前記凹部を形成するとともに該異種材料同士を接合一体化し、前記ヘッド部の周縁部は中央部より耐熱性の大きい材料で構成されているか又は耐熱性の大きい材料が吸排気側でピストンピンボス側より厚く、ピストンピンボス側で吸排気側より薄くしたことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法を提供する。
【0017】
上記内燃機関用ピストンおよびその製造方法によれば、圧接応力下における接合面での両材料層の延びさらには相対的すべりにより強固な接合作用が得られる。
【0018】
【発明の実施の形態】
好ましい実施の形態においては、前記ヘッド部表面の中央部に鍛造によるファイバーフローが形成されたことを特徴としている。
【0019】
好ましい別の実施の形態においては、前記凹部をバルブ逃げとし、4サイクル内燃機関用ピストンとしたことを特徴としている。
【0020】
好ましい製造方法の実施の形態においては、鍛造時に、ヘッド部表面に前記凹部とともに中央部に突起を形成することを特徴としている。
【0021】
好ましい製造方法の別の実施の形態においては、前記凹部をバルブ逃げとした4サイクル内燃機関用ピストンの製造に適用することを特徴としている。
【0022】
【実施例】
図1は、本発明の内燃機関用ピストンが適用される4サイクルエンジンの概略を示す説明図である。この4サイクルエンジン20の構成および作用は、次の通りである。すなわち、シリンダ21内をピストン22が上死点から下降すると、シリンダ21内が負圧となる。このとき吸気バルブ23が開き、インジェクタ24からの燃料と吸気通路25からの空気との混合気がシリンダ21内に吸い込まれる。次に、下死点から上昇するときには、吸排気バルブ23,26がともに閉じており、シリンダ21内に吸い込まれた混合気がピストン22により圧縮される。
【0023】
次に、混合気が圧縮されたところで、点火プラグ27に電気火花が飛び、混合気が燃焼する。この燃焼によりシリンダ21内のガスが膨張し、その膨張圧力でピストン22が押し下げられる。ピストン22が十分に押し下げられたところで、排気バルブ26が開き、ピストン22が上昇しながら、燃焼済みのガスが排気通路28から排出される。
【0024】
このような原理の4サイクルエンジン20は、ピストン22が2往復すると、ピストンピン29、コンロッド30、クランクアーム31を介してクランクシャフト32が2回転し、1燃焼サイクルが終了する。このクランクシャフト32の回転が例えば自動二輪車であれば、チェーンを介して後輪に伝えられる。なお、混合気の量の増減は、吸気通路25に介在させたスロットルバルブ33の開度を調節することにより行われる。
【0025】
このようなエンジン20のピストン22には、その上面にバルブ逃げ用の凹部70が各吸気バルブ23および排気バルブ26に対応して形成される。このバルブ逃げ用の凹部70は、各吸排気バルブ23、26のリフト時にピストンとの干渉を避けるためのものである。
【0026】
図2は、本発明に係る内燃機関用ピストン58の一例の断面図で、左半部はピストンリング溝65の下側のピストンピンボス36を正面から見た状態を示し、右半部はピストンピンボス36を側面から見た状態を示す。この例では、図示するように、ピストンピンボス36のある側の肉厚を厚くして、ピストンピンを支持する強度を高めている。左半部の図から分るように、ピストン上面を構成するヘッド部に連続するスカート部(ピストン側面)は、下方に向って肉厚が徐々に薄くなっている。また、バルブ逃げ用の凹部70は、2バルブエンジンであればヘッド部の中央左右2箇所に形成され、4バルブあるいは5バルブエンジンであればバルブに対応した4箇所または5箇所に形成される。
【0027】
図3は、図2の内燃機関用ピストンの製造工程を順に示した説明図である。以下本図に基づいて、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一例について説明する。
【0028】
まず、工程(A)において、スカート部用の、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)からなる合金のインゴットを準備する。ここで、シリコンは、金属組織中に硬質の初晶または共晶シリコン粒を晶出させることにより、ピストンスカート部の摺動面に要求される耐摩耗性および耐焼付性を高めるために添加されるものである。また、銅およびマグネシウムは共に高温での合金強度を高めるために添加されるものである。この場合、シリコンの配合率を5〜25%とし、銅の配合率を0.5〜5%とし、マグネシウムの配合率を0.5〜1.5%とすることが好ましい。このような範囲外では、所望の耐摩耗性、耐焼付性および高温での必要な強度が得られないからである。なお、アルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金のインゴットの代わりに、アルミニウムのインゴットまたは粉末、シリコンのインゴットまたは粉末、銅のインゴットまたは粉末、及びマグネシウムのインゴットまたは粉末をそれぞれ別に準備しこれらを混合して溶融してもよい。
【0029】
次に、工程(B)において、インゴットを溶解し、連続鋳造または押し出し成形によりスカート部用ブロックを製造する。このようにして得たAl−Si系合金のブロックは、後述のAl−Fe系合金のブロックに比べて、熱間での変形抵抗が低く(400℃における耐力でAl−Fe系パウダーメタルの約50%)、薄肉部における良好な成形性が得られる。
【0030】
次に、工程(C)において、ブロックをスカート部に必要な大きさに切断し、ピストン合金50を形成する。
【0031】
一方、工程(D)において、ヘッド部用のアルミニウム(Al)、鉄(Fe)、シリコン(Si)からなる合金のインゴットを準備する。ここで、鉄は金属組織を分散強化して、200℃以上で高い疲労強度を得るために添加されるものである。また、シリコンは前述のように耐摩耗性および耐焼付性を高めるとともに、延性を大きくし、また融点を低下させる作用がある。従ってシリコンの添加量が多いと延びが大きくなりすぎて強度の低下となり、また融点が下がることにより耐熱性の低下となるため、ヘッド部の成型性や耐摩耗性に必要な最小量のみを添加する。鉄については上述したように、高温強度、高温における疲労強度を向上するのに有効であり、このヘッド用合金中の鉄の配合率は5%以上とする。
【0032】
次に、工程(E)において、インゴットを溶解し、冷却速度100℃/sec以上で急冷凝固させてAl−Fe系合金粉末を製造する。次に、工程(F)において、成形固化し、さらに熱間押し出しする。このようにして得た急冷粉末アルミ合金のブロックは、応力集中の原因となる部分のない一様な金属組織が得られ高い疲労強度が得られる。これは、通常の鋳造工程による冷却では、合金中に鉄の粗大な組成物が形成されて強度の低下を来すが、急冷凝固によりAl−Fe系合金粉末を成型固化し、さらに熱間押出しにより合金を形成することにより、鉄の粗大な組成物の形成を阻止し、応力集中の原因となる鉄成分の粗大組成部のない均一な金属組織が得られるため、鉄成分を多く添加することが可能になり、高い疲労強度の合金を得ることができるからである。なお、アルミニウム、鉄、シリコンからなる合金のインゴットの代わりに、アルミニウムのインゴットまたは粉末、鉄のインゴットまたは粉末、及びシリコンのインゴットまたは粉末をそれぞれ別に準備してこれらを混合して溶融してもよい。
【0033】
次に、工程(G)において、ブロックをヘッド部の大きさに切断し、パウダーメタル合金(PM合金)51を形成する。
【0034】
以上の工程を経て得られたスカート部用合金(ピストン合金)50とヘッド部用合金(PM合金)51は、工程(H)において、重ねられ、離型剤が塗布される。次に、工程(K)において、成型性をよくするために加熱される。次に、工程(L)において、加熱された2層の合金を上下一対の型で挟み、強圧する鍛造によりピストンの形状に一体成型する。このとき後述のように、両合金同士が接合される。
【0035】
次に、工程(M)において、強度を高めるため、熱処理する。最後に、(N)工程において、機械加工によりピストンリング溝65を形成し、不要な部分を削り落とす等の加工処理を行って終了する。この後、必要に応じて、例えば摺動特性、耐摩耗性を良くするためスカート部の側面にメッキをする等の表面処理を行う。完成されたピストン58は、ヘッド部40が急冷粉末アルミ合金(PM合金)からなり、スカート部41がアルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金(ピストン合金)からなる異種材料の鍛造接合体により構成される。
【0036】
図4は、図3の工程(K)〜(N)の詳細を説明する図である。図4(A)は、図3の工程(K)に対応し、急冷粉末アルミ合金で構成されるヘッド部用PM合金51を下に、アルミニウム、シリコン、銅、マグネシウムからなる合金で構成されるスカート部用ピストン合金50を上にして重ね、加熱された2層の合金を、予熱した下型55の凹部56内に収容し、予熱した上型であるパンチ57により加圧してピストン形状に鍛造する。下型55の凹部56内には、バルブ逃げ用の凹部70を形成するための突起71が設けられる。また、パンチ57の下面には、下型の突起71に対応して凹部72が形成される。
【0037】
図4(B)は、図3の工程(L)に対応し、鍛造されたピストン58は、前記下型55に形成された突起71によりヘッド部40の表面にバルブ逃げ用の凹部70が形成され、またヘッド部40の内面側にはパンチ側の凹部72に対応して突起73が形成される。
【0038】
図3の工程(L)においては、パンチ57の先端が上層のスカート部用合金50に食い込むに従い、スカート部用合金50の外周が盛り上がり、スカート部を形成する。一方ヘッド部用合金51は、スカート部用合金50を介して作用するパンチ57の押し下げ力と、その反作用である下型55からの反力を受ける。下型55の突起71による反力は、ヘッド部用合金51を介してスカート部用合金50の一部を、パンチ57の凹部72内へ押し込む。鍛造前平坦であったスカート部用合金50とヘッド部用合金51との鍛造前の境界面100は、突起71がヘッド部用合金51に押し込まれること、スカート部用合金50の一部が凹部72内へ入り込むことにより変形して上方に凸状に突出する。これが鍛造後の境界面の突起200dである。鍛造後の境界面のその他の部分200eはほとんど平坦である。鍛造により、境界面が変形し、突起200d部分で面積が増大する。この面積の増大に伴い、スカート部用合金50のみでなくヘッド部用合金51も境界面で大きく伸びることになる。この伸びの大きい部分においては酸化膜が破壊され、スカート部用合金50とヘッド部用合金51が直接接触し接合する。なお、両合金50、51に伸び易さについて差があると、境界面の面積増大のみでなく、両合金50、51の間に相対すべりが発生し、これも酸化膜の破壊に寄与し、異種金属同士がより強固に接合する。なお、パンチ57による押し下げ力と、その反力が作用する状態で伸びが生じるので、両合金の少なくとも境界面200d近傍には、伸び方向のファイバーフローが形成される。
【0039】
図4(C)は、図3の工程(N)に対応し、ピストンを形成するための各種機械加工が施された後の状態を示す。即ち、ピストンリング溝65を形成したり、必要に応じて表面処理や形状仕上げ等の加工処理が施される。このとき、図4(B)で形成されたファイバーフローは残存する。なお、パンチ57側の凹部72は省略してもよい。この場合には、図4(D)に示すように、突起71がヘッド部用合金50に押し込まれることにより排除される面積の分、パンチ57側面と凹部56の側面との間に形成されるスカート部内に入り込むようになり、境界面の周囲の内突起71の近傍が凸状に盛り上がり、突起200fを形成する。この境界面の突起200fにおいても、境界面面積の増大あるいはすべりが発生し、酸化膜が破壊し両合金50、51が互いに強固に結合する。
【0040】
図5は、本発明の別の実施例の工程説明図であり、図6はその一部の詳細説明図である。この実施例では、前記図3の実施例に対し、工程(L)が異なり、これに伴い以降の工程(M)(N)が異なってくる。
【0041】
図中100は、鍛造前における2層の合金の境界面であり、本実施例では平面とされる。この境界面100を境にして2層の合金は互いに接触している。鍛造前に円筒状の外周面に離型剤が塗布されている。パンチ57はピストン58各部のそれぞれに必要な肉厚を与えるように形状がきめられる。一方、前記下型55の凹部56の底面中央部に、パンチ57の突出部57aに対向して凹み59が形成される。
【0042】
パンチ57の突出部57aが上層のスカート部用合金50に食い込むに従い、スカート部用合金50の外周が盛り上がり、スカート部を形成する。一方、ヘッド部用合金51はスカート部用合金50を介してパンチ57の突出部57aにより押され、下型55に形成された凹み59内に入り込み突起42を形成する。この凹み59内への入り込みにより、境界面100が変形し、凹み59と対応する部分がヘッド部用合金51側に凸状に変形する。また、パンチ57の突出部57aが、鍛造前の境界面100の位置よりさらに下降することにより、ヘッド部用合金51の外周が盛り上がるとともに、突出部57aの下側のスカート部用合金50は厚みが薄くなりつつ、スカート部用合金50の外周がさらに盛り上がる。
鍛造後の境界面200は、鍛造前の境界面100より高い位置となる外周部200aと、突出部57aに沿って鍛造前の境界面100より低い位置まで下方に突出する第1ドーム部200bと、中央部においてさらに下方に突出する第2ドーム200cと、突起71がヘッド部用合金51に押し込まれることにより排除される面積の分、パンチ57側面と凹部56の側面との間に形成されるスカート部内に入り込むようになり、境界面の周囲の内突起71の近傍が凸状に盛り上がって形成される突起200fとで構成される。鍛造前の平坦な境界面100が、鍛造後にドーム状形状を有する境界面200に変化する。すなわち、鍛造により境界面100の面積は増大するので、スカート部用合金50のみでなくヘッド部用合金51も境界面で大きく伸びることになる。この伸びの大きい部分においては酸化膜が破壊され、スカート部用合金50とヘッド部用合金51が直接接触し接合する。また、両合金50、51に伸び易さについて差があると、境界面の面積増大のみでなく、両合金50、51の間に相対すべりが発生し、これも酸化膜の破壊に寄与し、異種金属同士がより強固に接合する。すなわち、第1ドーム部200bと第2ドーム部200c及び突起200fの複数且つ広い範囲において、境界面の面積増大あるいはさらに相対すべりの発生により酸化膜が破壊し接合し、十分な接合強度が得られる。
【0043】
この突起42は、図6(C)に示すように、工程(N)の機械加工により、削除される。
【0044】
なお、鍛造前のスカート部用合金50とヘッド部用合金51との接触境界面が鍛造後に増大するようにすれば、鍛造後の接触境界面近傍には伸びに伴うファイバーフローが形成され、ファイバーフローを曲げるような外力に対して強度を増加させる。すなわち、ピストンを実機エンジンに使用中、ヘッド部に作用するガス圧力が作用しても、ヘッドの外周に向って放射状に形成されるファイバーフローは、この力を支え、ピストンピンボスに伝える作用をし、ヘッド部の強度を増大させる。
【0045】
図7は、ピストンのヘッド部を構成する急冷粉末アルミ合金の構成分布の別の例を示す説明図である。
【0046】
(A)は、ヘッド部40のピストンリング溝65を含む周縁部のみを急冷粉末アルミ合金(PM合金)で構成した例を示す。この例によれば、特に耐熱性が要求されるヘッド部40の周縁部を耐熱性の優れたPM合金で形成し、他の部分を成形性のよいピストン合金で形成しているため、鍛造時の加工性が向上するとともに、接合面が曲面となって相対すべりが発生しやすくなり、接合強度の向上が図られる。これにより、前記実施例と同様に、ピストンリング溝65より上側のトップランドを薄くすることができ、クレビス減少により未燃ガスが減少し、排ガス対策として有効になるとともに、特に、トップランドの角部が350℃程度になっても耐えることができ、角部がだれたり、変形したりしなくなる。(C)は、(A)のピストンの展開図である。この場合には、急冷粉末アルミ合金51がピストン外周面の全周にわたって同じ厚さに形成される。
【0047】
(B)は、急冷粉末アルミ合金51の厚さを吸排気側で厚くし、ピストンピンボス側で薄くした例を示す。この例によれば、熱負荷の厳しい吸排気側の部分が選択的に耐熱性が強化される。(D)は、(B)のピストン外周面の展開図である。この場合には、急冷粉末アルミ合金51の厚さが、ピストンピンボス66の上側では、ピストンリング溝65より上側までと薄く、ピストンピンボス66間の上側では、ピストンリング溝65より下側までと厚く、全体として波形に形成される。
【0048】
図8は、本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。本製造方法によれば、図7(A)に示すピストン40の鍛造に使用可能であり、ピストン外周部にスカート部用合金50とヘッド部用合金51との結合を強固にできる。図8中の各符号の内、図4と共通のものは記述を省略する。下型55の凹部56の底面の周囲は、ドーナツ状に上方に突出する突起95とされている。あるいは、下型55の凹部56の底面の中央部は下方に凹む凹部98とされている。
【0049】
鍛造によりヘッド部用合金51の中央部が凹部96に入り込み(視点を変えると、ヘッド部用合金51の周囲は突起95により押し上げられ)、鍛造前の境界面100は鍛造後の境界面200のように変化する。この鍛造後の加工前素材を図8(b)に示すようにXまで下方から加工すると、図7(A)に示すピストン40が得られる。
【0050】
本ピストンにおいても、境界面の面積が大きく増加しており、両合金50、51の伸び率が違えばさらに相対すべりが発生し、互いに強固に接合する。
【0051】
上記実施例のピストン58は自動車、自動二輪車、雪上車、船外機等、高回転高出力で使用されるエンジンに使用されると効果的である。また、4サイクルエンジンのピストンのみでなくピストンヘッド頂部に凹みを設ける2サイクルエンジン用のピストンにも使用可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、ピストンのヘッド部とスカート部とを別の材料で構成し、鍛造によりこれらの異種材料を同時に一体成型するとともにバルブ逃げ用の凹部を同時に形成するため、バルブ逃げ用の凹部に対応して異種材料間に相対すべりが発生しファイバーフローが形成され、したがって鍛造による成型と同時に異種材料同士の接合界面の酸化膜が破壊除去され異種材料同士が強固に接合される。すなわち、圧接応力下における接合面での両材料層の延びさらには相対的すべりにより強固な接合作用が得られる。これにより、耐熱性および剛性が要求されるヘッド部の合金と成形性および摺動性が要求されるスカート部の合金を各々別の部材で構成し、工程数を増やすことなく、これら異種合金同士を強固に結合して、トップランド部の薄肉軽量化が図られ、燃焼室内での圧縮比の増加による出力向上およびクレビス容積減少による未燃焼HCガスのエミッション対策が図られ、さらにピストン慣性力の低下による軸受け部の軽量化および耐久性の向上、および軽量化によるエンジン振動の低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の内燃機関用ピストンが適用される4サイクルエンジンの概略を示す構成説明図である。
【図2】 本発明に係る内燃機関用ピストンの一例の断面図で、左半部はピストンリング溝の下側のピストンピンボスを正面から見た状態を示し、右半部はピストンピンボスを側面から見た状態を示す。
【図3】 23の4サイクル内燃機関用ピストンの製造工程を順に示した説明図である。
【図4】 図3の工程(K)〜(N)の詳細を説明する図である。
【図5】 本発明に別の実施例に係るピストンの製造方法の工程を順番に示す説明図である。
【図6】 図5の工程(K)〜(N)の詳細を説明する図である。
【図7】 本発明のピストンの耐熱性合金の分布状態の説明図である。
【図8】 本発明に係わるピストンのさらに別の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
20:4サイクルエンジン、21:シリンダ、22:ピストン、23:吸気バルブ、24:ジェットノズル、25:吸気通路、26:排気バルブ、27:点火プラグ、28:排気通路、29:ピストンピン、30:コンロッド、31:クランクアーム、32:クランクシャフト、33:スロットルバルブ、36:ピストンピンボス、40:ヘッド部、41:スカート部、42:押し出し突起、50:ピストン合金、51:PM合金、55:下型、56:凹部、57:パンチ、57a:突出部、58:ピストン、59:凹み、65:ピストンリング溝、66:ピストンピンボス、70:バルブ逃げ用凹部、71:突起、72:凹部、73:突起、74:ファイバーフロー、95:突起、96:凹部、100,200:境界面、200a:外周部、200b:第1ドーム、200c:第2ドーム,200d:突起、200f:突起。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, and more particularly to a piston for a two-cycle internal combustion engine in which a concave portion is formed on the surface of a piston head, a piston for a four-cycle internal combustion engine having a concave portion as a valve relief, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a 4-cycle internal combustion engine, in order to avoid interference between the intake / exhaust valve and the piston and effectively use the combustion chamber volume to increase the compression ratio and improve the output, a piston with a valve escape recess formed on the upper surface of the piston Has been developed.
[0003]
The piston for a four-cycle internal combustion engine having such a valve escape recess requires the following as in the case of a general internal combustion engine piston.
First, it is lightweight, in other words, (i) it has a thin shape (uses a material that is thin and has high fatigue strength at high temperatures, uses a material that is thin and has good forgeability) and (ii) The specific gravity is small (uses a light material).
[0004]
Secondly, the top land above the piston ring of the head portion is thin. This is because the compression ratio is increased and the performance is improved, and the unburned gas is reduced due to the reduction of the clevis, which is effective as an exhaust gas countermeasure. In this case, (i) Even if the top land is thin, the piston does not thermally bond to the piston ring on the lower side of the piston ring (use a material that can maintain hardness even when the upper surface of the piston reaches about 350 ° C. ), And (ii) that the corners of the top land do not sag or deform (use a material that can withstand even if the upper surface of the piston reaches about 350 ° C.).
[0005]
Third, there is little permanent deformation (high rigidity). In other words, (i) it is required to make the head part difficult to bend (to make the head part thick, and to use a material having a high Young's modulus even when the upper surface of the piston reaches about 350 ° C.).
[0006]
As described above, as a piston for an internal combustion engine, it is required to use a material that has high fatigue strength, proof stress, and hardness at high temperatures, and has a formability capable of forming a thin wall shape.
[0007]
However, it is difficult to find one material that meets these requirements. In order to satisfy these requirements, it is conceivable to use a material having high heat resistance for the head part and a material having a different property from the head part for the skirt part as a piston for an internal combustion engine. Three conventional pistons for internal combustion engines based on this idea have been proposed.
[0008]
The first is that the head and skirt are composed of clad materials with different physical properties (comprised of an aluminum alloy and a composite layer (FRM) in which whiskers, short fibers, etc. are mixed in an aluminum alloy), and both are forged. This is a piston for an internal combustion engine that is integrally molded with (see Japanese Patent Laid-Open No. 63-132743).
[0009]
The second is to form a two-layered body by powder-molding a rapidly-quenched powder aluminum alloy (powder metal) with a common composition with different ceramic powder mixing ratios, and pressurizing and heating the two-layered body This is a piston for an internal combustion engine in which this is hot-forged and the layer having the higher ceramic powder content ratio is used as the head part and the lower layer as the skirt part (see JP-A-1-180927) ).
[0010]
The third is a piston for an internal combustion engine in which the head portion is made of a forged product of powder metal or FRM, the skirt portion is made of an aluminum alloy casting, and both are joined by welding (Japanese Patent Laid-Open No. 2-107749). reference).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the piston of the first conventional example, it is not possible to obtain a sufficient bonding strength particularly at the central portion of the bonding interface between the head portion and the skirt portion. The reason for this is that, during forging, a sufficient relative slip or an increase in the area of the bonding interface does not occur at the bonding interface between the head part and the skirt, and the oxide film at the bonding interface cannot be destroyed or removed, so that sufficient bonding is achieved. This is because the strength cannot be obtained. That is, according to the piston of the first conventional example, at the time of forging, the relative slip required for the joining action and the increase in the area of the joining interface are unlikely to occur at the joining interface, particularly at the center thereof. If it is going to increase joint strength, the man-hour for it must be increased. Further, in FRM, stress concentration occurs at the interface between the reinforcing material whisker, the short fiber, and the matrix, and sufficient hot fatigue strength cannot be obtained. In addition, the clad material as a forging material has a complicated process and is expensive. Furthermore, the clad material cannot be applied only to a part of the head part, for example, only a ring groove part to which a piston ring is attached or only an upper surface corner part.
[0012]
In addition, according to the piston of the second conventional example, it is not possible to sufficiently obtain the bonding strength particularly in the central portion of the bonding interface between the head portion and the skirt portion. The reason for this is that, as with the piston of the first conventional example, during forging, relative slip and an increase in the area of the joint interface are unlikely to occur at the center of the joint interface. If it is going to increase joint strength, the man-hour for it must be increased. Further, since the head portion and the skirt portion are a common matrix, it is impossible to achieve both the formability of the thin portion required for the skirt portion and the heat resistance required for the head portion. That is, when the hot deformation resistance is lowered in order to ensure moldability, the heat resistance is lowered, and the corners on the upper surface of the head portion are bent and deformed. Furthermore, a preform as a forging material has a low filling rate, and a mold release agent and a lubricant used during hot forging enter and a good molded body cannot be obtained.
[0013]
Further, according to the piston of the third conventional example, when powder metal is used for the head portion and the head portion and the skirt portion are joined by welding, a brittle alloy layer is formed at the weld portion of the powder metal, and the joining strength is lowered. In addition, the original characteristics (fatigue strength, proof stress, hardness, etc.) are lost in the powder metal weld. Furthermore, in the case of friction welding, a burr | flash arises in a junction part. Since this burr causes stress concentration, it is necessary to remove it, but it is difficult to remove because there are irregularities such as pin bosses inside the piston. In addition, when FRM is used for the head portion, stress concentration occurs at the interface between the whisker as a reinforcing material and the short fibers and the matrix, and sufficient hot fatigue strength cannot be obtained.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and in not only a piston for a four-cycle internal combustion engine but also a two-cycle internal combustion engine having a recess on the piston head surface, the bonding strength between the head portion and the skirt portion is An object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine that is high and has good productivity without increasing the number of processes, and a method for manufacturing the same.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, in a piston for an internal combustion engine comprising a head portion and a skirt portion and having a concave portion in the head portion, at least a part of the head portion is made of a material different from that of other portions. A piston for an internal combustion engine is provided in which a fiber flow by forging corresponding to the shape of the recess is formed in the vicinity of a joint interface between different materials.
[0016]
Further, in the present invention, as a method for manufacturing the piston, the head portion includes a head portion and a skirt portion, the head portion has a recess, and at least a portion of the head portion including the recess is another portion. In the method for manufacturing a piston for an internal combustion engine made of a material different from the above, the piston is constituted At least heat resistance is different Simultaneously forges different materials to form the recesses and joins the different materials together The peripheral part of the head part is made of a material having higher heat resistance than the central part, or the material having high heat resistance is thicker on the intake / exhaust side than the piston pin boss side and thinner on the piston pin boss side than the intake / exhaust side. A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine is provided.
[0017]
According to the piston for an internal combustion engine and the method for manufacturing the same, a strong joining action can be obtained by extending both the material layers at the joining surface under pressure welding stress and further by relative sliding.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a preferred embodiment, a fiber flow by forging is formed at the center of the surface of the head portion.
[0019]
In another preferred embodiment, the recess is a valve relief and is a piston for a four-cycle internal combustion engine.
[0020]
In a preferred embodiment of the manufacturing method, at the time of forging, a protrusion is formed in the central portion together with the concave portion on the surface of the head portion.
[0021]
Another embodiment of the preferred manufacturing method is characterized in that it is applied to the manufacture of a piston for a four-cycle internal combustion engine in which the concave portion is a valve relief.
[0022]
【Example】
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a four-cycle engine to which a piston for an internal combustion engine of the present invention is applied. The configuration and operation of the four-cycle engine 20 are as follows. That is, when the piston 22 descends from the top dead center in the cylinder 21, the inside of the cylinder 21 becomes negative pressure. At this time, the intake valve 23 is opened, and the air-fuel mixture of the fuel from the injector 24 and the air from the intake passage 25 is sucked into the cylinder 21. Next, when rising from the bottom dead center, the intake and exhaust valves 23 and 26 are both closed, and the air-fuel mixture sucked into the cylinder 21 is compressed by the piston 22.
[0023]
Next, when the air-fuel mixture is compressed, electric sparks fly to the spark plug 27 and the air-fuel mixture burns. The gas in the cylinder 21 is expanded by this combustion, and the piston 22 is pushed down by the expansion pressure. When the piston 22 is sufficiently pushed down, the exhaust valve 26 is opened, and the burned gas is discharged from the exhaust passage 28 while the piston 22 moves up.
[0024]
In the four-cycle engine 20 based on this principle, when the piston 22 reciprocates twice, the crankshaft 32 rotates twice via the piston pin 29, the connecting rod 30, and the crank arm 31, and one combustion cycle is completed. If the rotation of the crankshaft 32 is, for example, a motorcycle, it is transmitted to the rear wheels via a chain. The amount of air-fuel mixture is increased or decreased by adjusting the opening of the throttle valve 33 interposed in the intake passage 25.
[0025]
In such a piston 22 of the engine 20, a recess 70 for escaping the valve is formed on the upper surface corresponding to each intake valve 23 and the exhaust valve 26. The valve escape recess 70 is for avoiding interference with the piston when the intake and exhaust valves 23 and 26 are lifted.
[0026]
FIG. 2 is a cross-sectional view of an example of a piston 58 for an internal combustion engine according to the present invention. The left half shows the piston pin boss 36 below the piston ring groove 65 as viewed from the front, and the right half shows the piston pin boss. The state which looked at 36 from the side is shown. In this example, as shown in the drawing, the thickness on the side where the piston pin boss 36 is present is increased to increase the strength for supporting the piston pin. As can be seen from the left half of the figure, the skirt portion (piston side surface) continuous to the head portion constituting the upper surface of the piston gradually decreases in thickness toward the lower side. Further, the valve escape recesses 70 are formed at two positions on the center left and right of the head portion in the case of a two-valve engine, and are formed at four or five locations corresponding to the valves in the case of a four-valve or five-valve engine.
[0027]
FIG. 3 is an explanatory view showing the manufacturing process of the piston for the internal combustion engine of FIG. 2 in order. Hereinafter, an example of a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawing.
[0028]
First, in step (A), an alloy ingot made of aluminum (Al), silicon (Si), copper (Cu), and magnesium (Mg) is prepared for the skirt portion. Here, silicon is added to increase the wear resistance and seizure resistance required for the sliding surface of the piston skirt by crystallizing hard primary or eutectic silicon grains in the metal structure. Is. Copper and magnesium are both added to increase the alloy strength at high temperatures. In this case, it is preferable that the silicon content is 5 to 25%, the copper content is 0.5 to 5%, and the magnesium content is 0.5 to 1.5%. This is because the desired wear resistance, seizure resistance, and the required strength at high temperatures cannot be obtained outside this range. Instead of aluminum, silicon, copper, magnesium alloy ingots, aluminum ingots or powders, silicon ingots or powders, copper ingots or powders, and magnesium ingots or powders are prepared separately and mixed. And may be melted.
[0029]
Next, in the step (B), the ingot is melted, and the skirt block is manufactured by continuous casting or extrusion. The Al—Si based alloy block obtained in this way has a lower deformation resistance in the hot state than the Al—Fe based alloy block described later (the yield strength at 400 ° C. is approximately the same as that of the Al—Fe based powder metal). 50%), and good moldability in the thin portion can be obtained.
[0030]
Next, in the step (C), the block is cut into a size required for the skirt portion, and the piston alloy 50 is formed.
[0031]
On the other hand, in step (D), an alloy ingot made of aluminum (Al), iron (Fe), and silicon (Si) for the head portion is prepared. Here, iron is added to disperse and strengthen the metal structure to obtain high fatigue strength at 200 ° C. or higher. In addition, as described above, silicon has the effects of increasing wear resistance and seizure resistance, increasing ductility, and lowering the melting point. Therefore, if the amount of silicon added is large, the elongation becomes too large and the strength is lowered, and the heat resistance is lowered by lowering the melting point. Therefore, only the minimum amount necessary for the moldability and wear resistance of the head is added. To do. As described above, iron is effective in improving high-temperature strength and fatigue strength at high temperature, and the mixing ratio of iron in the head alloy is 5% or more.
[0032]
Next, in step (E), the ingot is melted and rapidly solidified at a cooling rate of 100 ° C./sec or more to produce an Al—Fe-based alloy powder. Next, in the step (F), it is molded and solidified and further hot extruded. The thus obtained quenched powder aluminum alloy block has a uniform metal structure free from a portion that causes stress concentration, and a high fatigue strength. This is because in the cooling by the normal casting process, a coarse composition of iron is formed in the alloy and the strength is lowered. However, the Al-Fe alloy powder is formed and solidified by rapid solidification and further hot extruded. By forming an alloy with the above, the formation of a coarse composition of iron is prevented, and a uniform metal structure without a coarse composition part of the iron component that causes stress concentration can be obtained, so a large amount of iron component should be added This is because an alloy with high fatigue strength can be obtained. Instead of an alloy ingot made of aluminum, iron, or silicon, an aluminum ingot or powder, an iron ingot or powder, and a silicon ingot or powder may be separately prepared and mixed to melt. .
[0033]
Next, in the step (G), the block is cut into the size of the head portion to form a powder metal alloy (PM alloy) 51.
[0034]
The skirt part alloy (piston alloy) 50 and the head part alloy (PM alloy) 51 obtained through the above steps are overlapped and coated with a release agent in the step (H). Next, in step (K), heating is performed to improve moldability. Next, in the step (L), the heated two-layer alloy is sandwiched between a pair of upper and lower molds, and integrally formed into a piston shape by forging that strongly presses. At this time, as will be described later, both the alloys are joined together.
[0035]
Next, in the step (M), heat treatment is performed to increase the strength. Finally, in the step (N), the piston ring groove 65 is formed by machining, and a processing process such as scraping off unnecessary portions is performed and the process ends. Thereafter, as necessary, for example, surface treatment such as plating on the side surface of the skirt portion is performed in order to improve sliding characteristics and wear resistance. The completed piston 58 is composed of a forged joined body of different materials in which the head portion 40 is made of a quenched powder aluminum alloy (PM alloy) and the skirt portion 41 is made of an alloy (piston alloy) made of aluminum, silicon, copper, and magnesium. Is done.
[0036]
FIG. 4 is a diagram for explaining the details of steps (K) to (N) in FIG. FIG. 4A corresponds to step (K) of FIG. 3 and is composed of an alloy composed of aluminum, silicon, copper, and magnesium with a PM alloy 51 for the head portion composed of a quenched powder aluminum alloy. Piston alloy for skirt 50 The two layers of the heated alloy are placed in the recessed portion 56 of the preheated lower die 55 and pressed with a punch 57, which is a preheated upper die, and forged into a piston shape. A protrusion 71 for forming a valve escape recess 70 is provided in the recess 56 of the lower die 55. Further, a recess 72 is formed on the lower surface of the punch 57 in correspondence with the lower mold protrusion 71.
[0037]
4B corresponds to the step (L) of FIG. 3, and the forged piston 58 is formed with a recess 70 for valve escape on the surface of the head portion 40 by the projection 71 formed on the lower die 55. Further, a protrusion 73 is formed on the inner surface side of the head portion 40 corresponding to the concave portion 72 on the punch side.
[0038]
In the step (L) of FIG. 3, as the tip of the punch 57 bites into the upper skirt alloy 50, the outer periphery of the skirt alloy 50 rises to form a skirt. On the other hand, the head portion alloy 51 receives a pressing force of the punch 57 acting via the skirt portion alloy 50 and a reaction force from the lower die 55 which is a reaction thereof. The reaction force generated by the protrusion 71 of the lower die 55 pushes a part of the skirt alloy 50 into the recess 72 of the punch 57 via the head alloy 51. The boundary surface 100 before forging between the skirt portion alloy 50 and the head portion alloy 51, which was flat before forging, is such that the protrusion 71 is pushed into the head portion alloy 51, and a part of the skirt portion alloy 50 is recessed. When it enters into 72, it deforms and protrudes upward in a convex shape. This is the protrusion 200d on the boundary surface after forging. The other part 200e of the boundary surface after forging is almost flat. By the forging, the boundary surface is deformed, and the area increases at the protrusion 200d. As the area increases, the skirt alloy 50 Not only The head portion alloy 51 also extends greatly at the boundary surface. The oxide film is broken at the portion where the elongation is large, and the skirt alloy 50 and the head alloy 51 are in direct contact and joined. If there is a difference in easiness of elongation between the alloys 50 and 51, not only the area of the boundary surface is increased, but also a relative slip occurs between the alloys 50 and 51, which also contributes to the destruction of the oxide film. Different metals join more firmly. In addition, since elongation occurs in a state where the pressing force by the punch 57 and the reaction force act, a fiber flow in the stretching direction is formed at least in the vicinity of the boundary surface 200d of both alloys.
[0039]
FIG. 4C corresponds to step (N) of FIG. 3 and shows a state after various machining processes for forming the piston are performed. That is, the piston ring groove 65 is formed, and a processing process such as surface treatment or shape finishing is performed as necessary. At this time, the fiber flow formed in FIG. 4B remains. The concave portion 72 on the punch 57 side may be omitted. In this case, as shown in FIG. 4D, the protrusion 71 is formed between the side surface of the punch 57 and the side surface of the recess 56 by the amount of the area that is eliminated by being pushed into the head portion alloy 50. It enters the skirt portion, and the vicinity of the inner protrusion 71 around the boundary surface rises in a convex shape to form a protrusion 200f. Even in the projection 200f on the boundary surface, an increase or slippage of the boundary surface area occurs, the oxide film is broken, and the alloys 50 and 51 are firmly bonded to each other.
[0040]
FIG. 5 is a process explanatory diagram of another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a detailed explanatory diagram of a part thereof. In this embodiment, the step (L) is different from the embodiment of FIG. 3, and the subsequent steps (M) and (N) are different accordingly.
[0041]
In the figure, reference numeral 100 denotes a boundary surface of the two-layer alloy before forging, and is a flat surface in this embodiment. The two layers of alloy are in contact with each other across the boundary surface 100. A mold release agent is applied to the cylindrical outer peripheral surface before forging. The shape of the punch 57 is determined so as to give a necessary thickness to each part of the piston 58. On the other hand, a recess 59 is formed at the center of the bottom surface of the recess 56 of the lower die 55 so as to face the protrusion 57 a of the punch 57.
[0042]
As the protrusion 57a of the punch 57 bites into the upper skirt alloy 50, the outer periphery of the skirt alloy 50 rises to form a skirt. On the other hand, the head portion alloy 51 is pushed by the protrusion 57 a of the punch 57 through the skirt portion alloy 50 and enters the recess 59 formed in the lower die 55 to form the protrusion 42. By entering into the recess 59, the boundary surface 100 is deformed, and a portion corresponding to the recess 59 is deformed in a convex shape toward the head portion alloy 51 side. Further, the protrusion 57a of the punch 57 further descends from the position of the boundary surface 100 before forging, so that the outer periphery of the head part alloy 51 rises and the skirt part alloy 50 below the protrusion 57a has a thickness. As the thickness decreases, the outer periphery of the skirt alloy 50 is further raised.
The boundary surface 200 after forging includes an outer peripheral portion 200a that is higher than the boundary surface 100 before forging, and a first dome portion 200b that protrudes downward along the protruding portion 57a to a position lower than the boundary surface 100 before forging. The second dome 200c that protrudes further downward in the central portion and the area that is eliminated when the projection 71 is pushed into the head portion alloy 51 are formed between the side surface of the punch 57 and the side surface of the recess 56. The skirt portion is formed by a protrusion 200f formed so as to protrude in the vicinity of the inner protrusion 71 around the boundary surface. The flat boundary surface 100 before forging changes to a boundary surface 200 having a dome shape after forging. That is, since the area of the boundary surface 100 is increased by forging, not only the skirt portion alloy 50 but also the head portion alloy 51 is greatly extended at the boundary surface. The oxide film is broken at the portion where the elongation is large, and the skirt alloy 50 and the head alloy 51 are in direct contact and joined. Further, if there is a difference in easiness of elongation between the alloys 50 and 51, not only the area of the boundary surface is increased, but also relative slip occurs between the alloys 50 and 51, which also contributes to the destruction of the oxide film, Different metals join more firmly. That is, the oxide film breaks and joins due to the increase in the area of the boundary surface or the occurrence of relative slip in a plurality and a wide range of the first dome part 200b, the second dome part 200c, and the protrusion 200f, and sufficient joining strength is obtained. .
[0043]
As shown in FIG. 6C, the protrusion 42 is deleted by machining in the step (N).
[0044]
If the contact interface between the skirt alloy 50 and the head alloy 51 before forging is increased after forging, a fiber flow accompanying elongation is formed in the vicinity of the contact interface after forging. Increases strength against external forces that bend the flow. In other words, while the piston is used in an actual engine, even if the gas pressure acting on the head acts, the fiber flow formed radially toward the outer periphery of the head supports this force and transmits it to the piston pin boss. Increase the strength of the head.
[0045]
FIG. 7 is an explanatory view showing another example of the composition distribution of the quenched powder aluminum alloy constituting the head portion of the piston.
[0046]
(A) shows the example which comprised only the peripheral part containing the piston ring groove | channel 65 of the head part 40 with the quenching powder aluminum alloy (PM alloy). According to this example, the peripheral portion of the head portion 40 that is particularly required to have heat resistance is formed of a PM alloy having excellent heat resistance, and other portions are formed of a piston alloy having good moldability. This improves the workability, and makes the joint surface curved so that relative slip is likely to occur, thereby improving the joint strength. As a result, the top land above the piston ring groove 65 can be made thinner as in the above embodiment, and the unburned gas is reduced by reducing the clevis, which is effective as an exhaust gas countermeasure. It can withstand even when the temperature of the portion reaches about 350 ° C., and the corner portion will not be bent or deformed. (C) is a development view of the piston of (A). In this case, the quenched powder aluminum alloy 51 is formed to the same thickness over the entire circumference of the piston outer peripheral surface.
[0047]
(B) shows an example in which the quenched powder aluminum alloy 51 is made thicker on the intake / exhaust side and thinner on the piston pin boss side. According to this example, the heat resistance is selectively enhanced in the portion on the intake and exhaust side where the heat load is severe. (D) is a development view of the piston outer peripheral surface of (B). In this case, the thickness of the quenched powder aluminum alloy 51 is thin above the piston ring groove 65 above the piston pin boss 66 and thick below the piston ring groove 65 above the piston pin boss 66. As a whole, a waveform is formed.
[0048]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention. According to this manufacturing method, it can be used for forging of the piston 40 shown in FIG. 7 (A), and the bond between the skirt portion alloy 50 and the head portion alloy 51 can be strengthened on the outer periphery of the piston. Of the reference numerals in FIG. 8, those common to FIG. 4 are not described. The periphery of the bottom surface of the concave portion 56 of the lower mold 55 is formed as a protrusion 95 protruding upward in a donut shape. Or the center part of the bottom face of the recessed part 56 of the lower mold | type 55 is made into the recessed part 98 dented below.
[0049]
The central portion of the head portion alloy 51 enters the recess 96 by forging (when the viewpoint is changed, the periphery of the head portion alloy 51 is pushed up by the protrusion 95), and the boundary surface 100 before forging is the boundary surface 200 after forging. To change. When the pre-processed material after forging is processed from below to X as shown in FIG. 8B, the piston 40 shown in FIG. 7A is obtained.
[0050]
Also in this piston, the area of the boundary surface is greatly increased, and if the elongation rates of both alloys 50 and 51 are different, further relative slip occurs and they are firmly joined to each other.
[0051]
The piston 58 of the above-described embodiment is effective when used in an engine that is used at high rotation and high output, such as an automobile, a motorcycle, a snow vehicle, and an outboard motor. Moreover, it can be used not only for a piston of a 4-cycle engine but also for a piston for a 2-cycle engine in which a recess is provided at the top of the piston head.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the piston head portion and the skirt portion are made of different materials, and these different materials are simultaneously integrally formed by forging and simultaneously formed a recess for valve escape. Corresponding to the recess for valve escape, relative slip occurs between different materials and fiber flow is formed. Therefore, at the same time as molding by forging, the oxide film at the joint interface between different materials is destroyed and removed, and different materials are joined firmly Is done. That is, a strong bonding action can be obtained by the extension of the two material layers at the bonding surface under the pressure stress and the relative sliding. As a result, the alloy of the head part, which requires heat resistance and rigidity, and the alloy of the skirt part, which requires formability and slidability, are formed of different members, and these different alloys can be used without increasing the number of processes. The top land is made thinner and lighter, the output is increased by increasing the compression ratio in the combustion chamber, the emission of unburned HC gas is reduced by reducing the clevis volume, and the piston inertia force is reduced. Reduction of the weight and durability of the bearing portion due to the reduction, and reduction of engine vibration due to the weight reduction are achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the outline of a four-cycle engine to which a piston for an internal combustion engine of the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an example of a piston for an internal combustion engine according to the present invention, in which the left half shows the piston pin boss below the piston ring groove as viewed from the front, and the right half shows the piston pin boss from the side. Shows the state of viewing.
FIG. 3 is an explanatory view showing the manufacturing process of 23 pistons for a 4-cycle internal combustion engine in order.
FIG. 4 is a diagram for explaining details of steps (K) to (N) in FIG. 3;
FIG. 5 is an explanatory view showing in sequence the steps of a piston manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating details of steps (K) to (N) in FIG. 5;
FIG. 7 is an explanatory diagram of a distribution state of the heat-resistant alloy of the piston of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing still another method for manufacturing a piston according to the present invention.
[Explanation of symbols]
20: 4-cycle engine, 21: cylinder, 22: piston, 23: intake valve, 24: jet nozzle, 25: intake passage, 26: exhaust valve, 27: spark plug, 28: exhaust passage, 29: piston pin, 30 : Connecting rod, 31: crank arm, 32: crankshaft, 33: throttle valve, 36: piston pin boss, 40: head part, 41: skirt part, 42: extrusion protrusion, 50: piston alloy, 51: PM alloy, 55: Lower mold, 56: recess, 57: punch, 57a: protrusion, 58: piston, 59: recess, 65: piston ring groove, 66: piston pin boss, 70: recess for valve escape, 71: protrusion, 72: recess, 73: Protrusions, 74: Fiber flow, 95: Protrusions, 96: Recesses, 100, 200: Interface, 200a: Outer periphery 200b: first dome, 200c: second dome, 200d: projection, 200f: projection.

Claims (8)

ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有する内燃機関用ピストンにおいて、前記ヘッド部の少なくとも一部を他の部分と異なる材料で構成し、異種材料同士の接合界面近傍に、前記凹部の形状に対応した鍛造によるファイバーフローが形成されたことを特徴とする内燃機関用ピストン。  In an internal combustion engine piston comprising a head portion and a skirt portion and having a recess in the head portion, at least a portion of the head portion is made of a material different from other portions, A piston for an internal combustion engine, wherein a fiber flow is formed by forging corresponding to the shape of the recess. 前記ヘッド部表面の中央部に鍛造によるファイバーフローが形成されたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用ピストン。  2. The piston for an internal combustion engine according to claim 1, wherein a fiber flow by forging is formed at a central portion of the surface of the head portion. 前記凹部をバルブ逃げとし、4サイクル内燃機関用ピストンとしたことを特徴とする請求項1あるいは2に記載の内燃機関用ピストン。  The piston for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the recess is a valve relief and is a piston for a four-cycle internal combustion engine. ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有し、前記ヘッド部の少なくとも一部であって前記凹部を含む一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンの製造方法において、ピストンを構成する少なくとも耐熱性が異なる異種材料同士を同時に鍛造して前記凹部を形成するとともに該異種材料同士を接合一体化し、前記ヘッド部の周縁部は中央部より耐熱性の大きい材料で構成されていることを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。Manufacture of a piston for an internal combustion engine comprising a head portion and a skirt portion, the head portion having a recess, and at least a portion of the head portion including the recess made of a material different from other portions In the method, at least the dissimilar materials different in heat resistance constituting the piston are simultaneously forged to form the concave portion, and the dissimilar materials are joined and integrated, and the peripheral portion of the head portion has higher heat resistance than the central portion. A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, characterized by comprising a material . ヘッド部とスカート部とからなり、該ヘッド部に凹部を有し、前記ヘッド部の少なくとも一部であって前記凹部を含む一部を他の部分と異なる材料で構成した内燃機関用ピストンの製造方法において、ピストンを構成する少なくとも耐熱性が異なる異種材料同士を同時に鍛造して前記凹部を形成するとともに該異種材料同士を接合一体化し、耐熱性の大きい材料が吸排気側でピストンピンボス側より厚く、ピストンピンボス側で吸排気側より薄くしたことを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法。Manufacture of a piston for an internal combustion engine comprising a head portion and a skirt portion, the head portion having a recess, and at least a portion of the head portion including the recess made of a material different from other portions In the method, at least the different materials constituting the piston are forged at the same time to form the recesses, and the different materials are joined and integrated so that the material having higher heat resistance is on the intake / exhaust side than the piston pin boss side. A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine , wherein the piston pin boss is thicker and thinner than the intake and exhaust sides . 鍛造時に、ヘッド部表面に前記凹部とともに中央部に突起を形成することを特徴とする請求項5に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。6. The method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to claim 5 , wherein a projection is formed in the central portion together with the concave portion on the surface of the head portion during forging. 前記凹部をバルブ逃げとした4サイクル内燃機関用ピストンの製造に適用することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の内燃機関用ピストンの製造方法。The method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to any one of claims 4 to 6, which is applied to manufacture of a piston for a four-cycle internal combustion engine in which the concave portion is a valve relief. 請求項4〜6のいずれかに記載した製造方法により製造したピストンを備えた内燃機関。The internal combustion engine provided with the piston manufactured by the manufacturing method in any one of Claims 4-6.
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