JPH11320076A

JPH11320076A - 金属基複合材料製シリンダブロックの製造方法

Info

Publication number: JPH11320076A
Application number: JP13970298A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yamashita; 実山下; Manabu Fujine; 学藤根; Mikinari Nozaki; 美紀也野崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-05-21
Filing date: 1998-05-21
Publication date: 1999-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】成形体の軸方向両端の複合化をより完全なも
のにする。【解決手段】内外周面を有する成形体２を、成形体２
の内周面２ａとボア入子１の外周面１ａとの間に溶湯５
が導かれる隙間８が形成されるように、型３のキャビテ
ィ４に配置するとともに、成形体２の軸方向端面２ｃ、
２ｄとそれが対向する型面３ｃ、３ｄとの何れか少なく
とも一方に形成された突起１０により成形体２を金型３
に保持する第１の工程と、キャビティ４に溶湯５を注湯
し、成形体２の内周面１ａと外周面１ｂの両方から成形
体２に溶湯５を含浸させ成形体２を複合化させる第２の
工程と、からなるシリンダブロックの製造方法。突起１
０に対向して凹部１１を設けたシリンダブロックの製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用シリン
ダブロックの製造方法に関し、とくにシリンダボア内面
が金属基複合材料（ＭＭＣ）から構成されるタイプのシ
リンダブロックの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリンダボア内面が金属基複合材
料から構成されるシリンダブロックの製造方法は、特開
平８−１９７２２９号公報に開示されているように、ま
たは図１１に示すように、外周がテーパ形状とされたボ
ア入子１０１の外周に、予め予熱した、内周がテーパ形
状、外周が軸芯と平行なストレート形状の成形体１０２
を配置し、その成形体を配置したボア入子を鋳型１０３
内のキャビティ１０４に配置し、ついで溶湯１０５を射
出シリンダ１０６にてキャビティ１０４に注湯し、プラ
ンジャーチップ１０７により射出、加圧することで成形
体１０２の外周面側のみから成形体１０２の中に溶湯を
含浸させて成形体部分を金属基複合材料とし、冷却後シ
リンダブロック製品を鋳型１０３およびボア入子１０１
から取り外して出し、ついで金属基複合材料とされたシ
リンダボア内面を機械加工して所定寸法の直円筒面のシ
リンダボアとする、という工程からなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のシリン
ダブロックの製造方法にはつぎの問題がある。従来製造
方法では、ボア入子１０１と成形体１０２の間には、図
１２に示すように、多少のクリアランス１０８が必ず発
生する。クリアランス１０８は、たとえば、ボア入子１
０１のテーパ角度と成形体１０２のテーパ角度の公差、
ボア入子温度（たとえば、１００〜２００℃）と成形体
温度（たとえば、５００〜９００℃）の温度のばらつき
などにより、発生する。このクリアランス１０８の存在
する状態で、アルミ溶湯に圧力がかけられて成形体１０
２にアルミ溶湯が含浸する際に、図１３に示すように成
形体１０２が圧縮剪断の割れ１０９を生じる。すなわ
ち、外周からの圧力で成形体１０２に生じる周方向圧縮
応力が許容剪断応力を越えたときに圧縮力の方向に対し
４５°の面に沿って剪断破壊を生じ、破壊面に沿って座
屈が生じて局部的に成形体の強化繊維の密度の濃い部分
が生じる。この部分が、実際の使用時にピストンリング
と摺動すると、ピストンリングの摩耗を増大させる。ま
た、成形体１０２は、一般的に、通気性型を強化繊維を
混入したスラリー中に浸漬して通気性型内から吸引し通
気性型の表面に強化繊維を積層形成し乾燥させた後成形
体から通気性型を抜くという方法によって製造されるた
め、成形体１０２中では強化材繊維が周方向に向いてい
て厚さ方向には積層された状態（バームクーヘン状）に
なっており、層間強度は比較的弱い。そのため、上記の
圧縮剪断の割れ１０９が厚さ方向の途中で周方向に伝播
して周方向割れ１１０を生じ（図１４）、そこに溶湯が
侵入して凝固し、加工時にこの部分が露出すると、図１
５に示すように、局部的に強化材の無い部分１１１が生
じる。このような部分１１１が存在すると、実際の使用
時にピストンリングの異常摩耗や焼きつきが発生する。
さらに、成形体１０２がボア入子１０１に面で接触して
いるため、成形体１０２の温度低下が早く、注湯時の時
に溶湯が素早く成形体に含浸しにくく、成形体全厚にわ
たって含浸する前に溶湯の圧力が上がって未含浸部分を
圧縮して全周にわたって押しつぶしやすい。成形体製造
時の脱型の関係上、成形体の内径はテーパ形状（１°以
上）のため、図１６に示すように、ボア下部に対応する
部分ほど成形体の潰れは大きい。この状態で製造したシ
リンダブロックのシリンダボア内面に機械加工を施す
と、強化繊維の無い部分が露出することがあり、この部
分が、実際の使用時にピストンリングと摺動すると、ピ
ストンリングの異常摩耗や焼きつきを生じる。上記の成
形体に外周面のみから溶湯圧がかかることによって生じ
る問題（すなわち、成形体の圧縮剪断割れの発生、該割
れの周方向伝播、成形体の潰れ、）を軽減するために、
本特許出願人は、特願平９−１４３９９６号にて、注湯
時に成形体の内周側にも溶湯圧力をかけるシリンダブロ
ックの製造方法を提案した。そこでは、成形体内周側に
溶湯を導く隙間を形成する方法の一つとして、成形体を
軸方向両側から金型で挾持することを提案している。そ
の場合、成形体端面とそれに対向する金型面とは面接触
している。しかし、面接触の場合、成形体の軸方向両端
部の熱が金型に伝導して成形体の軸方向両端部の温度が
下がり、溶湯が浸透の途中で凝固するため、成形体の軸
方向両端部に未含浸部分が生じたり巣が生じたりし、成
形体の軸方向両端部の強度と信頼性が低下する。また、
軸方向両端での面接触の場合、成形体の径方向の位置決
めが難しく、大きくずれた場合には、ボア加工した時
に、複合材料部以外の部分（アルミ部分）がボア表面に
あらわれるおそれがある。本発明の目的は、成形体に外
周面のみから溶湯圧力がかかる場合に生じる問題（すな
わち、成形体の圧縮剪断割れの発生、該割れの周方向伝
播、成形体の潰れ、の何れか少なくとも一つ）を解決で
きることを維持したまま、成形体の軸方向両端部を面接
触により金型に支持した場合の問題（未含浸部分の生
成、位置決め困難の何れか少なくとも一つ）を解決でき
る、金属基複合材料製シリンダブロックの製造方法を提
供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、つぎの通りである。（１）内外周面を有する成形体を、前記成形体の前記
内周面とボア入子の外周面の間に溶湯が導かれる隙間が
形成されるように、型のキャビティに配置するととも
に、前記成形体の軸方向端面と該軸方向端面に軸方向に
対向する金型面の何れか少なくとも一方に形成された突
起により前記成形体を金型に保持する第１の工程と、前
記キャビィに溶湯を注湯し前記成形体の内周面と外周面
とから前記成形体に溶湯を含浸させ前記成形体を複合化
させる第２の工程と、からなる金属基複合材料製シリン
ダブロックの製造方法。（２）内外周面を有する成形体を、前記成形体の前記
内周面とボア入子の外周面の間に溶湯が導かれる隙間が
形成されるように、型のキャビティに配置するととも
に、前記成形体の軸方向端面と該軸方向端面に軸方向に
対向する金型面の何れか少なくとも一方に形成された突
起を他方に形成された凹部に係合させることにより前記
成形体を金型に保持する第１の工程と、前記キャビィに
溶湯を注湯し前記成形体の内周面と外周面とから前記成
形体に溶湯を含浸させ前記成形体を複合化させる第２の
工程と、からなる金属基複合材料製シリンダブロックの
製造方法。

【０００５】上記（１）、（２）のシリンダブロックの
製造方法では、成形体にその外周面と内周面の両方から
溶湯圧がかかるので、溶湯圧がバランスし、成形体に圧
縮剪断割れが発生することが無くなり、圧縮剪断割れが
無いので圧縮剪断割れからの周方向への割れの伝播も無
くなり、内周側に潰されることも無い。また、成形体の
軸方向端面と該軸方向端面に軸方向に対向する金型面の
何れか少なくとも一方に突起を形成して成形体を支持す
るので、予熱した成形体から金型への熱伝導が少なくな
り、成形体の軸方向端部の温度低下が軽減され、未含浸
部分が形成されにくくなる。上記（２）のシリンダブロ
ックの製造方法では、成形体の軸方向端面と該軸方向端
面に軸方向に対向する金型面の何れか少なくとも一方に
形成された突起を他方に形成された凹部に係合させるの
で、成形体を精度高く位置決めすることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１および図２は本発明の何れの
実施例にも適用可能なシリンダブロックの製造方法を示
し、図３〜図８は本発明の第１実施例のシリンダブロッ
クの製造方法の突起を示し、図９〜図１０は本発明の第
２実施例のシリンダブロックの製造方法の凹部を示す。
本発明の全実施例にわたって共通または類似の構成部分
には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してあ
る。

【０００７】まず、本発明のシリンダブロックの製造方
法のうち本発明の全実施例にわたって共通する部分を、
図１および図２を参照して説明する。本発明のシリンダ
ブロックの製造方法は、図１に示すように、予め予熱し
た、内外周面２ａ、２ｂを有するほぼ円筒状の成形体２
を、成形体２の内周面２ａとボア入子１の外周面１ａの
間に溶湯が導かれる隙間８（湯がまわるために、約０．
５ｍｍ以上の厚みのある隙間とすることが望ましい）が
成形体２の内周面全周にわたって形成されるように、型
３のキャビティ４に配置するとともに、成形体２の軸方
向端面２ｃ、２ｄと該軸方向端面２ｃ、２ｄに軸方向に
対向する金型面３ｃ、３ｄの何れか少なくとも一方に形
成された突起１０により成形体２を金型３に保持する第
１の工程と、キャビィ４に溶湯５を注湯し、成形体２の
内周面２ａと外周面２ｂの両方から成形体２に溶湯５を
含浸させ成形体２を複合化させる第２の工程と、からな
る。突起１０の高さは約２ｍｍ以上必要である。約２ｍ
ｍより小の場合は溶湯が成形体２の端面と金型間の隙間
２１で凝固してしまい、成形体２への溶湯含浸が期待で
きないからである。

【０００８】本発明のシリンダブロックの製造方法は、
図１に示すように、さらに、溶湯の冷却固化後シリンダ
ブロック製品９を鋳型３およびボア入子１から取り外し
て出す第３の工程と、ついで金属基複合材料９ａとされ
たシリンダボア内面を機械加工して所定寸法の直円筒面
のシリンダボアとする第４の工程を有していてもよい。
第４の工程でシリンダブロック上面９ｂも切削して突起
１０を除去する。

【０００９】図１中、６は、キャビティ４に溶湯を射
出、加圧する射出シリンダを示し、７は、射出シリンダ
のプランジャーチップを示している。図示例の装置では
ボア入子１および成形体２が横方向となるように配置し
てあるが、縦方向の型であってもよい。溶湯５は、たと
えばアルミ溶湯である（ただし、アルミ溶湯に限るもの
ではない）。

【００１０】図２は第２工程における溶湯圧力変化と含
浸開始、完了の関係を示している。注湯開始から所定期
間Ａは溶湯がキャビティに充填されている途中でこの間
は溶湯圧はほとんど上がらない。溶湯がキャビティを充
満した時点Ｂから急に溶湯圧が上がり始め、加圧完了時
Ｄには約７５０〜８５０ｋｇ／ｃｍ²（７３．５〜８
３．３ＭＰａ）に達する。従来のように成形体に外周面
のみから溶湯圧がかかる場合は約３ｋｇ／ｃｍ²（０．
２９４ＭＰａ）で成形体に圧縮剪断が生じるが、本発明
では内外周面の圧力がバランスするかまたはほぼバラン
スするので、加圧完了時Ｄまで圧縮剪断は生じない。

【００１１】つぎに、上記各実施例に共通な部分の作用
を説明する。成形体２とボア入子１との間に後述の突起
の部分を除いて全周にわたって隙間８が形成された状態
で注湯するので、成形体２は第２工程の注湯、加圧時
に、内周面２ａと外周面２ｂの両方から加圧される。そ
の結果、成形体２の内外圧がバランスし、外周面のみか
ら加圧された場合に生じていた剪断割れ（図１３の割れ
１０９）と、その近傍の強化繊維の密な部分の生成が生
じなくなる。また、剪断割れの先端から発生していた周
方向割れ（図１４の割れ１１０）も、剪断割れ自体が生
じないこと、および成形体２が内外周から厚み方向に押
されているので厚さ方向に引き離そうとする力が無いこ
と、により、発生しない。

【００１２】また、ボア入子１と成形体２の内側面との
間に隙間８を設けることにより、・成形体２がボア入子
１と接触しない、または接触が最小限なため、予熱した
成形体２の温度が低下しにくいこと、・成形体２に内外
周面から溶湯が含浸していくので未含浸部分が生じにく
いこと、により、外周面のみからの成形体の含浸の場合
に生じていた成形体の厚み方向ボア入子に近い部分の全
周にわたる潰れも生じにくくなる。

【００１３】また、成形体２の両端面２ｃ、２ｄとそれ
に対向する金型面３ｃ、３ｄとの少なくとも一方に突起
１０を設けて、この突起１０を介して成形体２を金型３
に支持したので、成形体２の軸方向両端面が金型に面接
触する場合に比べて、予熱されている成形体２の軸方向
両端部の温度低下が抑えられ、成形体２の軸方向両端部
に溶湯が円滑に浸透できる。これによって、成形体２の
軸方向両端部に溶湯未含浸部が形成されることが防止さ
れ、成形体２の軸方向両端部の強度と強度上の信頼性が
向上する。また、突起１０により、成形体２の両端面２
ｃ、２ｄとそれに対向する金型面３ｃ、３ｄとの間に隙
間２１ができ、そこに溶湯が充填されるので、成形体２
の軸方向両端面２ｃ、２ｄからも溶湯が成形体両端部に
浸透し、成形体軸方向両端部の複合化が促進され、これ
によっても成形体２の軸方向両端部の強度と強度上の信
頼性が向上する。

【００１４】成形体２の予熱温度は従来に比べて低くて
よく、予熱炉取り出し時温度で従来は約７００℃以上必
要であったものが、本発明の方法ではたとえば約３００
℃以上でよい。ボア入子温度はそれより低くたとえば約
１００〜２００℃であるが、成形体２とボア入子１との
間の隙間８によって、成形体２の温度低下が遅くなるの
で、成形体２の予熱温度を低くすることができる。ま
た、突起１０による成形体軸方向端面とそれに軸方向に
対向する金型面との隙間２１により、成形体軸方向両端
部の、金型への熱伝導による、温度低下が抑えられるの
で、成形体２の予熱温度を低くすることができる。

【００１５】つぎに、本発明の各実施例の方法の構成、
作用を説明する。本発明の第１実施例は、成形体２と金
型３との何れか少なくとも一方に突起１０が形成され、
突起１０に対向する面に凹部が形成されない場合に関す
るものである。図３および図４は、成形体２の方に突起
１０が形成された場合を示しており、図８は金型３の方
に突起１０が形成された場合を示している。成形体２
は、第１工程において、金型３の固定型３ａと可動型３
ｂによって挟まれて支持される。突起１０が成形体２の
方に形成される場合には、突起１０は、円筒状の成形体
２の軸方向端面２ｃ、２ｄに、図４に示すように、周方
向の一部に、複数箇所、形成されるか、または周方向全
周にわたって形成される。突起１０が周方向全周にわた
って形成される場合は、隙間８に溶湯５を導入するため
に、固定型３ａのシリンダブロックジャーナル部の両側
面と成形体２の内周面との間に溶湯５が成形体内周側に
まわる隙間２０（図９）を設けておく。ボア入子１は可
動型３ｂに支持しておき可動型３ｂと一体的に移動させ
る。

【００１６】図５〜図７は、成形体２に突起１０を一体
に形成する、成形体２の製造方法を示している。図５、
図６において、成形型１２のフランジ部に、突起１０を
形成するための凹部１３を設けておき、成形型１２を強
化繊維および／または強化粒子を混合したスラリーに入
れて成形型１２の内側から吸引し、成形型１２の表面に
強化繊維および／または強化粒子の層を形成し、それを
成形型１２ごとスラリーから取り出し、乾燥させる。成
形、乾燥後、図７に示すように、成形型１２の下部１４
を外して、成形体２を脱型する。その後、焼成する。こ
の成形体２は、軸方向両端面に突起１０を一体に備えて
いる。

【００１７】本発明の第１実施例の作用はつぎの通りで
ある。突起１０とその対向面（凹部を設けないため平
面）との接触は、線接触または点接触に近いため、成形
体２の軸方向端面の大部分が金型３から離れており、成
形体２の軸方向端部の温度低下が効果的にはかられ、そ
れによって、成形体２の軸方向端部の複合化が促進さ
れ、強度および強度上の信頼性が向上する。

【００１８】本発明の第２実施例は、突起１１に対向す
る面に凹部１１が設けられる場合で、図９、図１０に示
されている。図９は、突起１０が成形体２側に設けら
れ、金型３側に凹部１１が形成された場合の、固定金型
上面を示している。凹部１１はシリンダボア軸芯を中心
とする円周上を周方向に延びており、突起１０が周方向
に一部しか形成されていなくても、固定金型上面が存在
する限り全周にわたって延びている。図示は省略する
が、可動金型側にも同様の凹部１１が形成されており、
全周にわたって延びている。図１０は突起１０が金型３
側に設けられ、成形体２側に凹部１１が形成された場合
の、成形体２の上部の一部を示している。凹部１１はシ
リンダボア軸芯を中心とする円周上を周方向に延びてお
り、突起１０が周方向に一部しか形成されていなくて
も、成形体上面が存在する限り全周にわたって延びてい
る。図示は省略するが、成形体下端側にも同様の凹部１
１が形成されており、全周にわたって延びている。突起
１０は凹部１１に係合される。この状態において、成形
体２の軸方向端面とそれが対向する金型面との間には約
２ｍｍ以上の隙間２１が存在する。それより小である
と、溶湯が隙間２１で凝固するからである。

【００１９】凹部１１を形成しておいてそれに突起１０
を係合させるので、成形体２を金型３内に配置、保持す
るときに、位置の精度が高くなるとともに、保持強度も
高くなる。位置精度が悪いと、成形体２を複合化した後
シリンダボア内面を切削したときに成形体２を削り過ぎ
る部分が出てアルミのみの部分が現れる場合があるが、
位置精度が出ていることによりこの種の不具合の発生を
防止できる。

【００２０】

【発明の効果】請求項１のシリンダブロックの製造方法
によれば、成形体の軸方向端面と該軸方向端面に軸方向
に対向する金型面の何れか少なくとも一方に突起を形成
して成形体を支持するので、予熱した成形体から金型へ
の熱伝導が少なくなり、成形体の軸方向端部の温度低下
が軽減され、未含浸部分が形成されにくくなり、強度と
強度上の信頼性が向上する。請求項２のシリンダブロッ
クの製造方法によれば、成形体の軸方向端面と該軸方向
端面に軸方向に対向する金型面の何れか少なくとも一方
に突起を形成して成形体を支持するので、予熱した成形
体から金型への熱伝導が少なくなり、成形体の軸方向端
部の温度低下が軽減され、未含浸部分が形成されにくく
なり、強度と強度上の信頼性が向上する。また、成形体
の軸方向端面と該軸方向端面に軸方向に対向する金型面
の何れか少なくとも一方に形成された突起を他方に形成
された凹部に係合させるので、成形体を精度高く位置決
めすることができる他、保持強度も向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の何れの実施例にも適用可能なシリンダ
ブロックの製造方法の工程図である。

【図２】本発明の何れの実施例にも適用可能な注湯圧対
時間特性図である。

【図３】本発明の第１実施例の方法を実施する装置の、
突起が成形体側に形成された場合の、一部断面図であ
る。

【図４】図３のうち成形体の斜視図である。

【図５】図４の成形体の成形型の正面図である。

【図６】図４の成形体の成形型の側面図である。

【図７】図４の成形体の成形型からの脱型時の正面図で
ある。

【図８】本発明の第１実施例の方法を実施する装置の、
突起が金型側に形成された場合の、一部断面図である。

【図９】本発明の第２実施例の方法を実施する装置の、
金型側に凹部が形成された場合の、金型の一部斜視図で
ある。

【図１０】本発明の第２実施例の方法を実施する装置
の、成形体側に凹部が形成された場合の、成形体の一部
斜視図である。

【図１１】従来のシリンダブロックの製造方法を実施す
る装置の断面図である。

【図１２】従来方法におけるボア入子と成形体の断面図
である。

【図１３】従来方法における成形体の圧縮剪断を示す成
形体の一部の断面図である。

【図１４】従来方法における成形体の周方向割れを示す
成形体の一部の断面図である。

【図１５】従来方法における成形体の周方向割れ部か加
工時に露出した状態を示す成形体の一部の斜視図であ
る。

【図１６】従来方法に成形体の潰れを示すシリンダブロ
ックの一部の断面図である。

【符号の説明】

１ボア入子１ａボア入子外周面２成形体２２ａ成形体内周面２ｃ、２ｄ成形体の軸方向両端面３型３ａ固定型３ｂ可動型４キャビティ５溶湯８隙間９シリンダブロック９ａ金属基複合材料１０突起１１凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内外周面を有する成形体を、前記成形体
の前記内周面とボア入子の外周面の間に溶湯が導かれる
隙間が形成されるように、型のキャビティに配置すると
ともに、前記成形体の軸方向端面と該軸方向端面に軸方
向に対向する金型面の何れか少なくとも一方に形成され
た突起により前記成形体を金型に保持する第１の工程
と、前記キャビィに溶湯を注湯し前記成形体の内周面と外周
面とから前記成形体に溶湯を含浸させ前記成形体を複合
化させる第２の工程と、からなる金属基複合材料製シリ
ンダブロックの製造方法。
【請求項２】内外周面を有する成形体を、前記成形体
の前記内周面とボア入子の外周面の間に溶湯が導かれる
隙間が形成されるように、型のキャビティに配置すると
ともに、前記成形体の軸方向端面と該軸方向端面に軸方
向に対向する金型面の何れか少なくとも一方に形成され
た突起を他方に形成された凹部に係合させることにより
前記成形体を金型に保持する第１の工程と、前記キャビィに溶湯を注湯し前記成形体の内周面と外周
面とから前記成形体に溶湯を含浸させ前記成形体を複合
化させる第２の工程と、からなる金属基複合材料製シリ
ンダブロックの製造方法。