JPH06503273A - ピストンを鋳造する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 物品の鋳造方法および装置 本発明は物品、特に内燃機関および圧縮機に使用されるピストンを重力ダイカス トする方法および装置に関する。

内燃機関および圧縮機に使用されるアルミニウム合金製のピストンを製造する１ つの方法は、通常は鋼鉄で構成される永久的な組立式（マルチピース）鋳造型で 実行される周知の重力ダイカスト技術である。

ピストンはデザインが極めて多種多様であるが、一般的には比較的薄い金属部分 の肉厚を存するスカート部分と、比較的厚い金属部分の肉厚を有するクラウン部 分とを含んで構成される。これらのスカート金属部分およびクラウン金属部分の 相対的な肉厚も、問題とするピストンの形式に応じて相違する。これらの２つの 部分の肉厚の差は、ガソリンエンジンに使用される小さな単一金属材料のピスト ンでは最少となり、クラウンに燃焼ボウルを具備し、また例えば鋳鉄のピストン リング溝補強材を具備した大きなディーゼルエンジンのピストンでは最大となる 。

従来の鋳造型構造は、型の直径面上に分割線を有する２つの型半休を含んで構成 された鋳造型を使用している。

これらの型半休は一般に円筒形のピストンの外面形状を形成し、組立式の折りた たみ可能な内側コアーかピストンの内面形状を形成し、型半休の頂面上に係止さ れた頂部プレートもしくはコアーがピストンクラウンの表面形状を形成する。ガ ジオンピン（ピストンピン）のボスにビン孔を形成するためのコアービンのよう なその池の型構成部材もまた備え得る。更に、ピストンリング溝補強材などの鋳 包み部材もまた備え得るのであり、これらは備えられるならば型半休が閉しられ る前に頂部プレートによってその閉じた型半体内に配置される。

本願明細書でこの後で、また請求の範囲の欄で、頂部プレートもしくはコアーの ようなりラウン形成部分と、スカート形成部分とを育して構成された鋳造型が参 照される。しかしながらクラウン形成型部分はクラウンに連接するスカート領域 を形成することにも使用でき、あるいはスカート形成型部分はスカートに連接す るクラウン領域を形成することにも使用できる。特に、本願明細書および請求の 範囲の欄では便宜的に、「スカート形成型部分Ｊの用語はピストンスカートの少 なくとも主要領域を形成する構成要素である型部分を表現することに使用され、 また、「クラウン成形型部分」の用語はクラウンの少なくとも主要領域を形成す る構成要素である型部分を表現することに使用される。

スカートおよびクラウンの金属部分の肉厚に差があることにより、それぞれのピ ストン部分の完全な凝固を得る時間は相違する。比較的薄い部分のスカート部分 は最初に冷えて固まるか、厚い部分のクラウン部分は凝固するまでに長い時間が かかる。これまでは、従来の鋳造型によるピストン製造速度はクラウン部分か凝 固するまでに必要とされる時間で左右され、完全に凝固するまで鋳造型から鋳造 物を取出すことはできなかった。

従来の鋳造型の更に他の欠点は、鋳造型の頂部を閉じる頂部プレートもしくはコ アーが、例えば鋳バリのような介在異物や型半休の整合不良により、型閉じでし ばしば整合不良を生じることである。この結果、鋳放しピストンの頂面は例えば 鋳放しリング溝補強材やピストンピンボスのようなその他のピストンの形状に対 して位置精度か悪化する。鋳放しクラウン面はしばしばピストンを機械加工する ための基準として使用されるので、このような鋳造精度不良は仕上げ機械加工の 施されたピストンに寸法的な精度不良を生じることになる。

鋳造ピストンの強度特性を改善するために、鋳造ピストンは時には鋳造型から取 出した直後に急冷処理を施される。鋳造型から鋳造物を取出す前にピストンの全 部分が完全に凝固したことを保証できるように十分な時間にわたって待つことが 必要であったので、鋳造物の少なくとも一部の温度はその急冷処理が別途実施さ れるほどには有効とならないレベルにまで降下している。

本発明の目的は、新規且つ有利な鋳造方法および装置を提供することである。

本発明の第１の見地によれば、一般に比較的薄い金属部分の肉厚を有するスカー ト部分と、一般に比較的厚い金属部分の肉厚を存するクラウン部分とを含むピス トン鋳造物を製造する方法が提供され、この方法は、スカート形成部分から分離 可能なりラウン形成部分を有する鋳造型内に溶融金属を注入し、鋳造型のスカー ト形成部分を鋳造物から少なくとも分離できるようにする程度にこの鋳造物を凝 固させる段階を含んでいて、鋳造物が鋳造型のクラウン形成部分で保持されるよ うに鋳造型部分を分離し、引き続く処理段階を経た後に鋳造型のクラウン形成部 分から凝固したピストンを取出すことを特徴とする。

ピストンクラウン部分は鋳造型の前記２つの部分を分離する時点では部分的に溶 融状態であり得るのであり、引き続く処理段階がピストン鋳造物を完全に凝固さ せることを少なくとも含む。

本発明の方法の１つの利点は、前記引き続く処理段階に急冷が使用されるとき、 ピストン材料特性が改善されることである。１つの急冷技術は指向性のある送風 急冷を使用することである。ピストン下側で送風急冷を行うことが、クラウン部 分の未凝固金属をクラウンに向う方向での凝固を促進する。より速い凝固速度の 結果として、溶湯中の成る種の合金成分の含有により改善された特性を育するい っそう健全な鋳造物が製造されることになる。

従って、析出熱処理の可能な合金に対する引き続く析出熱処理がピストン合金特 性の改善に更に有効となる。

本発明の第２の見地によれば、一般に比較的薄い金属部分の肉厚を有するスカー ト部分と、一般に比較的厚い金属部分の肉厚を存するクラウン部分とをそれぞれ 存するピストンを鋳造する装置が提供され、この装置は、溶融金属の注入手段と 、クラウン形成部分およびスカート形成部分を有するピストン鋳造型とを含み、 これらのクラウン形成型部分およびスカート形成型部分は互いに分離できるよう な構造とされ、スカート形成部分は鋳造型内部の少なくとも部分的に凝固したピ ストン鋳造物から取外されてその鋳造物を鋳造型のクラウン形成部分て保持され た状態に残すことかできるようにされる。

この装置の好ましい実施例では、鋳造型は、その組付完成状態においてクラウン 形成型部分およびスカート形成型部分が互いに正確に位置して鋳造ピストン形状 の軸線方向精度を確保することを保証するために、整合手段と組合わされる。鋳 造型のスカート形成部分がピストン空間の直径位置で分けられた２つの型半休を 含んで形成されるときは、上述の整合手段は型半休が閉じられたときに形成され るテーパー形の横断面を有する内部環状空間と、クラウン形成型部分上の協働す る下部フランジとを含んで構成され、クラウン形成型部分およびスカート形成型 部分はスカート形成型半休を閉じることで互いにロックされる。

この装置の他の好ましい実施例では、ピストン鋳造型の複数のクラウン形成型部 分および単一の共通したスカート形成部分が提供され、この装置は複数のクラウ ン形成型部分と組合わされてそれらの型部分を連続的に単一の共通のスカート形 成型部分に組付けるように運ぶための操作手段を有する。これまではピストンの 生産量はピストンクラウンおよび（または）押湯の溶融金属が冷えて固まるまで にかかる時間で制御されていた。しかしながら部分的に凝固した鋳造物を鋳造型 の単一の共通のスカート形成部分から取外して、その最初の鋳造物のクラウン部 分の凝固を、その鋳造物か複数のクラウン形成型部分の１つと組合わされて保持 されている間に完了させ、備えられている他のクラウン形成型部分の少なくとも １つが単一の共通のスカート形成型部分と組合わされて、更に他のピストン鋳造 物か製造されるときに、この構造はその装置のピストン製造量を増大させるうえ で有利となる。

環状のＮｉ−レジスト（Ｎｉ−Ｒｅｓ　ｉ　ｓ　ｔ）　（）レードマーク）のよ うな鋳放しピストンリング溝補強材を有するピストンの場合は、本発明の装置は クラウン形成型部分をリングキャリヤ位置決め保持手段に備えることで変更でき る。

周知の自動化された溶融金属の計量注入手段もまた本発明の方法および装置と共 に有利に使用され得る。

本発明をより完全に理解するために、例を説明だけ勾のために図面を参照して以 下に記載する。図面において、第１図は、本発明の方法および装置に使用される ビストン鋳造型の概略表示による直径面での横断面を示し、第２図は、第１図の ピストン鋳造型の横断面に対し９０°の角度での直径面における横断面を示し、 第３図は、ピストンクラウン形成型部分により保持された部分的に凝固したピス トン鋳造物を示し、第４図は、ピストンリング溝補強材をそれぞれ存するピスト ンを鋳造するように変更した鋳造型を示し、第５図は、本発明による、第４図の 鋳造型を含む装置の平面図を示し、および 第６図は、第５図の装置の立面図を示す。

第１図〜第２図を参照すれば、鋳造型組立体が全体的且つまた概略的にｌＯで示 されており、この組立体１゜はピストン１４の外側スカート形状を作り出す雌型 のスカート形成型部分１２、ピストン内側の形状を形成する雄型のコア一部材１ ６、および頂部コアー１８と別称されるクラウン形成型部分を含んでいる。スカ ート形成部分１２はそれ自体が２つの型半休２０．２２を含んで構成され、これ らの型半休は図２に示された断面でピストン空間の直径に沿って分割される。こ れら２つの型半休２０．２２は、空気圧または液圧作動のシリンダー（第５図お よび第６図に示される）の作動によって鋳造型テーブル基盤２Ｇ上を矢印２４で 示された方向にスライドされる。符号１６で代表されて示されているのは、通常 の組立式の収縮可能なコアーであり、凝固したピストンスカート部分２８から取 出せ、例えばピストンピンボスと組合う再入可能な角度を有する。各型半休２０ ．２２には半円形の凹部３０が形成され、各凹部はテーパー形３２．３４の横断 面を有し、これらの半休２０．２２が互いに組合わされたときに凹部３０が円形 凹部３６を構成する。凹部３６は頂部コアー１８上の外側フランジ３８と協働し 、型半休２０．２２か組合わされたときにフランジ３８上で閉じ合って、頂部コ アーか型部分１２に対して軸線方向に正確に位置決めされるようになされる。

頂部コアー１８は凹部４０を有し、この凹部はピストンクラウン４２の少なくと も実質的部分を形成している。

型部分１２と頂部コアー１８との間の鋳造キャビティの割り線はピストン軸線４ ４に直角な半径面に位置し、線４６で示されている。頂部コアー１８はまた第１ 図に点線で示された溶融金属の押湯４８も具備している。５０で全体的に示され た通常の型リングが備えられており、これは鋳造型キャビティが閉じられること でコア一部材１６を正確に軸線方向に位置決めするのに使用される。

移動アーム５２が頂部コアー１８に連結され、このアームは鋳造型ｌＯで頂部コ アーを位置決めするために、また頂部コアーおよびピストン鋳造部分Ｉ４を型開 きされた型半休２０．２２から引き離すように持ち上げるために、移動可能とさ れる。

作動において、鋳造型は型半休２０．２２を互いに引き離すように矢印２４の方 向へまず移動させて組立てられる。次に頂部コアー１８および内部コアー１６か 組立体でのそれぞれの最終位置に近い位置に移動される。その後型半休２０．２ ２か閉じられ、コアー１６および１８は所要位置に正確に調整される。計量され た量の例えばアルミニウムけい素合金のような軽合金か自動化された注入容器５ ４から湯道５５を経て鋳造キャビティ内に注入されるる比較的薄いスカート位置 の金属部分６０かまず始めに冷えて固まり、比較的厚いクラウン部分４２の金属 部分は凝固に長い時間を必要とする。

第１図および第２図で、ピストン鋳造物１４は完成された鋳造型１２内で完全に 凝固したとして示されている。

次に型半休２０．２２は互いから引き離され、ピストンのスカート部分２８から 離脱される。ピストン１４は頂部コアー１８で保持され、アーム５２により鋳造 位置から離れるように移動される。引き続く処理段階が次に鋳造物に対して実施 され、その間鋳造物は頂部コアー１８で保持される。例えば、鋳造物１４は第３ 図に示すようにジェット６４から鋳造物の開口端部へ向けての送風で急冷される 。この処理段階の後、ピストンは頂部コアーから取外される。

この代わりに、また第３図に示されるように、型半休２０．２２はスカート部分 ２８およびこれに連接したクラウン部分４２の領域だけか凝固して、残りのクラ ウン部分はまだ溶融状態にあるときにピストンスカート部分から引き離される。

部分的に凝固したピストンをその金属を押しつぶすことな（頂部コアー１８に保 持するのに十分なたけ、少なくともクラウンの領域がこの段階で凝固される。頂 部コアー１８は部分的に凝固したピストン１４とともにアーム５２て移動され、 次の処理段階で液状金属６２の残る部分か鋳造型組立体１６，２０．２２との係 止から離れた場所で冷えて固まるようにされる。

クラウン部分の残る部分の凝固を助成するために、第３図に示すようにジェット ６４からの送風か鋳造物の開口端部の中へ向けて与えられ得る。しかしながらこ のような送風急冷の使用は本質的なことではない。

第４図はピストンリング溝補強材７０を育するピストンを製造するように変更さ れたピストン鋳造型を示す。

図示した補強材はＮｉ−レジスト（Ｎｉ　−Ｒｅｓｉｓｔ）　（トレードマーク ）の形式の鋳鉄製のピストンリング担持体であり、これは周知のアルフィン（Ａ ｌｆｉｎ）（）レードマーク）の方法によってまず予熱され、そして溶融アルミ ニウムの浴槽内に浸漬して被覆される。この加熱され被覆されたピストンリング 担持体７０は、頂部コアー１８が型半休２０．２２に組付られるより前に頂部コ アー１８内に配置される。このリング７０は２つ（またはそれ以上）のフィンガ ー７２゜７４で所定位置に保持されるのであり、フィンガーはヨーク７８に作用 する空気圧シリンダーおよびラム（図示せず）で矢印７６の方向に押圧され、ま た、これらのフィンガーは頂部コアー１８に機械加工されたスロットル８０．８ ２内で揺動される。鋳造型構造の残りの部分および作動は第１図および第２図、 または第３図を参照して上述で説明したことと本質的に同じである。フィンガー ７２．７４は、その斜面８６および頂部コアーの斜面８８か係合してフィンガー を矢印９ｏの方向に外方へ揺動させるまで、矢印８４の方向に下方へ向けて押圧 されて、完全に凝固した鋳造物から等しく離脱される。

第５図および第６図は本発明によるピストン１００を鋳造する大幅に自動化され た装置を示す。この装置は交互に使用される２つの頂部コアー１８．１０２を含 み、各々の頂部コアーは第４図を参照して説明された構造の鋳造型の部分を含ん で構成される。この装置はまた、空気圧シリンダーにより軸１０６のまわりで傾 動されて湯道を注入容器５４に対する所定位置に運ぶように作られたフレーム１ ０４を含む。これは注入容器の移動量を最少限にし、従って装置を簡潔にする。

鋳造型組立体１゜はフレーム１０４の上面を構成する基盤テーブル２６の上をス ライドする。型半休２０．２２はシリンダー１１２．１１４の作動でスライドし て係合される。アーム１１６は軸１１８のまわりに回転でき、２つの頂部コアー １８．１０２をそれぞれ端部に１つずつ配置して有する。

頂部コアーはピストンリング溝補強材７ｏの位置決め保持のために組合わされた フィンガー７２．７４を存する。

アーム＋１６は１８０”にわたって回転でき、シリンダー１２０で高さの位置決 めもできる。各々の頂部コアー１８．１０２はアーム１１６のモーター１２２， １２４て垂直面内を９０°にわたって回転され得る。ピンボス支柱装填アーム１ ２６は鋼鉄製の支柱インサート（図示せず）を鋳造型キャビティの内部に装填す るために任意に備えられる。

作動において、ピストンリング溝補強材７０は位置ｒＡＪで頂部コアーに装填さ れる。この装填されたコアーは軸１１８のまわりを位置「Ｂ」へ向けて揺動され 、型半休２０．２２がコアー１８のまわりにて閉じるようになされる位置に降下 される。機械フレーム１０４は次に軸１０６のまわりを傾動され、鋳造型が注入 容器５４から充填されるようにする（第１図および第２図を参照）。

鋳造物のスカート部分がまず凝固し、その部分的に凝固した鋳造物か開かれた型 半休２０．２２から取出されるようになされる（第３図を参照して上述で説明し たように）。

鋳造物１００は位置「Ａ」に揺動させて戻され、同時に補強材７０を備えた別の 頂部コアー１０２が位置「Ｂ」にて鋳造型の上方に位置決めされる。「Ａ」では 鋳造物がジェット６４からの送風で冷却される。「Ｂ」では第２の鋳造物が注入 され、部分的に凝固される第１の鋳造物はｒＡＪて十分に凝固され、頂部コアー １８から解放されるのであり、この頂部コアーはその後他のリング溝補強材７０ を受取る。上述した装置のこの作動およびシーケンスは周知の制御装置に制御さ れて作動され装置の頂部コアーおよび共通のスカート形成型部分の組合わせは、 第４図に示されたものの代わりに第１図〜第３図に示された構造を有することが できる。

２つより多い頂部コアーか装置に備えられ、それと組合わされた操作手段は、頂 部コアーか装置の単一の共通のスカート形成型部分に連続的に組付けられるよう に運ばれるようになされる。

単一の共通のスカート形成型部分を複数の頂部コアーに備えることは本質ではな い。第１図および第２図、または第３図、または第４図に示されるように、本発 明による装置はたった１つのコアーと、単一のスカート形成型部分とを含んで構 成できる。

平成５年６月１８日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．全体的に比較的薄い金属部分の肉厚を有するスカート部分と、全体的に比較 的厚い金属部分の肉厚を有するクラウン部分とを含むピストン鋳造物を製造する 方法であって、スカート形成部分から分離可能なクラウン形成部分を有する鋳造 型内に溶融金属を注入し、鋳造型のスカート形成部分を鋳造物から少なくとも分 離できるようにする程度にこの鋳造物を凝固させる段階を含んでいて、鋳造物が 鋳造型のクラウン形成部分で保持されるように鋳造型部分を分離し、引き続く処 理段階を経た後に鋳造型のクラウン形成部分から凝固したピストンを取出すこと を特徴とするピストン鋳造物の製造方法。
2. ２．請求項１に記載の方法であって、鋳造型のクラウン形成部分およびスカート 形成部分が分離されるとき、ピストンのクラウン部分が部分的に溶融状態にある ことを特徴とするピストン鋳造物の製造方法。
3. ３．請求項１または請求項２の何れかに記載の方法であって、前記引き続く処理 段階でピストン鋳造物が送風により冷却されることを特徴とするピストン鋳造物 の製造方法。
4. ４．全体的に比較的薄い金属部分の肉厚を有するスカート部分と、全体的に比較 的厚い金属部分の肉厚を有するクラウン部分とをそれぞれ有するピストンを鋳造 する装置であって、溶融金属の注入手段と、クラウン形成部分およびスカート形 成部分を有するピストン鋳造型とを含み、これらのクラウン形成型部分およびス カート形成型部分は互いに分離できるような構造とされ、スカート形成部分は鋳 造型内部の少なくとも部分的に凝固したピストン鋳造物から取外されてその鋳造 物を鋳造型のクラウン形成部分で保持された状態で残すことができるようになさ れたことを特徴とする鋳造装置。
5. ５．請求項４に記載の装置であって、スカート形成型部分がピストン空間の直径 で分割された２つの型半体を含み、これらの半休はスカート形成部分およびクラ ウン形成部分を正確な相対位置に位置決めするために鋳造キャビティ内側のクラ ウン型部分位置決め手段と、クラウン型部分の外面上に取り巻いた協働する位置 決め手段とを有することを特徴とする鋳造装置。
6. ６．請求項４および請求項５の何れか１項に記載の装置であって、ピストン鋳造 型の複数のクラウン形成型部分および単一の共通したスカート形成部分が備えら れ、また、複数のクラウン形成型部分と組合わされてそれらの型部分を連続的に 単一の共通のスカート形成型部分に組付けるように運ぶための操作手段を有する ことを特徴とする鋳造装置。