专利名称：钢制活塞环的制作方法
技术领域：
本发明涉及活塞环，更详细地说，涉及改进后的钢制活塞环。
背景技术：
往复运动内燃机所使用的活塞环根据其功能可以分为压力环和油环。在汽车用发动机等上，该压力环一般由位于最靠近燃烧室侧的第一压力环和位于其下部侧(曲轴箱侧)的第二压力环构成的。
由于第一压力环靠近燃烧室而达到高温，而且也不能充分地供给润滑油，故要求高强度和优良的滑动特性。过去大多使用在滑动面上形成有硬质镀铬层的铸铁制活塞环，但近年来内燃机有日益追求高速化、提高输出功率、且降低燃料消费的趋势，随之，对活塞环的要求也很苛刻。因此，第一压力环中，用现有的具有镀铬层的铸铁制活塞环，在强度和耐磨特性方面不能充分地满足要求，大多使用在由马氏体不锈钢制的活塞环主体上施加了氮化处理层的不锈钢制活塞环代替铸铁制活塞环。
另一方面，第二压力环的滑动环境与第一压力环相比不太苛刻，至今一般使用片状石墨铸铁等的铸铁制活塞环，向钢材的转变较迟。但是，从防止地球变暖的观点出发，要求汽车发动机进一步降低燃料消耗，希望活塞环轻量化。
因此，与第一压力环一样，将第二压力环的母材从铸铁改变为钢，变成厚度比铸铁制活塞环薄、重量轻的钢制活塞环。
但是，要求第一压力环和第二压力环具有密封燃烧气体的功能，同时通过油环将涂敷在气缸内周面上的润滑油刮落到曲轴箱侧的功能也是很重要的。为此，必须在活塞环上升过程中易于到达该涂敷的润滑油上，在活塞环下降过程中容易刮落润滑油。
为了满足该必要的条件，将活塞环外周滑动面设成桶形面或向燃烧室侧减径而倾斜的所谓锥形面，将活塞环下侧面和外周滑动面所形成的下面侧角部设成所希望的锐角即所谓锐边。由于现有的铸铁材料的切削性良好，故容易加工这种形状的活塞环。
但是，如果将第一压力环或第二压力环的母材从铸铁变更为钢，则制造具有上述锐边的活塞环，由于钢材的切削性比铸铁材差，故在磨削和研磨加工时容易产生毛刺，使生产率显著降低。
一般，作为矩形断面的钢制活塞环的原材料的钢线材，如特开平1-035173号“活塞环材料的制造方法”所述那样，是钢材进行拉丝和/或轧制而制成的。将该线材卷绕成环状后切断，再进行研磨，切削等加工，制成规定尺寸的活塞环。
因此，如图1和图3所示，仅卷绕的活塞环1的各角部2为线材时的R面，为了制成锐边的活塞环，必须将活塞环一侧面的整个面或外周面的整个面通过研磨、切削加工至少去除相当于R的量。
但是，如上所述，由于原材料是钢材，故粘着的切削粉末难以从活塞环上去除，产生所谓毛刺的情况增多，故与用铸铁原材料时相比，必须设法降低磨削速度和减少一次磨削量等抑制毛刺的发生，因此，显著降低了加工生产率。
另外，为了提高活塞环的刮油性能，众所周知的活塞环如特开2001-124204号公报所揭示的那样，在外周滑动面与下侧面的角部设槽，该槽向轴向延伸至桶形的最顶部且在接合缝处中断。但是，该槽的半径方向的深度为0.5mm以上，是通常的称为中断底切形状的活塞环的槽之一种。
该公报虽然没有特别涉及活塞环的材质，但从为制造中断底切的活塞环的切削作业考虑，是铸铁制的活塞环，没有具体表示用于钢制的活塞环。将该众所周知的技术用于钢制的活塞环的情况下，如上所述，在抑制毛刺的发生及加工生产率方面尚存在问题。
另外，在性能方面，存在着需要以下其它形状的问题，即，(1)由于较大的底切，作为接合缝部的油消耗和漏气的对策，必须中断接合缝部的底切。
(2)在较大的底切的场合，在使用状态下产生扭曲，故在内周侧设内切环使其平衡。
本发明是鉴于上述问题研制成的，目的在于提供刮油性能优良的、且生产率高的钢制活塞环。
发明内容
为了解决上述课题，本发明提供一种钢制活塞环，其特征在于，在由活塞环主体外周面和下侧面所形成的角部上，连续地设有一边的长度为0.05～0.4mm的、断面呈大致四边形或半径为0.05～0.4mm的、断面呈大致1/4圆形的槽，直至接合缝为止。
最好，使外周滑动面成为桶形或锥形。
并且，本发明推荐一种活塞环的组合，是具有数个压力环的活塞环的组合，其特征在于，至少2个压力环具有上述的构成必要条件。
提供一种钢制活塞环的组合，其特征在于，例如第一环在由活塞环主体的桶形或锥形的外周面和下侧面所形成的角部具有一边长度为0.05～0.4mm的、断面呈大致四边形的槽，第二环在由活塞环主体的锥形的外周面和下侧面所形成的角部具有设成一边长度为0.05～0.4mm的、断面呈大致四方形且连续至接合缝为止的槽。
另外，本发明还提供一种钢制活塞环的组合，其特征在于，第一环在由活塞环主体的桶形或锥形的外周面和下侧面所形成的角部具有半径为0.05～0.4mm的、断面呈大致1/4圆形的槽，第二环在由活塞环主体的锥形的外周面和下侧面所形成的角部具有设成半径为0.05～0.4mm的、断面呈大致1/4圆形且连续至接合缝为止的槽。
当然，在技术方面可以提供数个压力环中的至少2个或全部、包括矩形断面的压力环，满足本构成必要条件的多样的活塞环的组合。
图1是表示桶形活塞环的基本形状的部分断面图。
图2是表示在图1的例子中在角部设有槽的例子的部分断面图。
图3是表示锥形活塞环的基本形状的部分断面图。
图4是表示在图3的例子中在角部设有槽的例子的部分断面图。
图5是表示图2所示例子的槽的详细构造的部分放大断面图。
图6是表示图2所示例子的槽的详细构造的另一例的部分放大断面图。
图7是表示图4所示例子的槽的详细构造的部分放大断面图。
图8是表示图4所示例子的槽的详细构造的另一例的部分放大断面图。
图9是表示在汽油发动机上的6000rpm满负荷和图中的图形条件下的油消耗量(试验1～4)之图。
图10是表示在与图9相同的条件下使用锥形的第一和第二压力环的油消耗量(试验5和6)之图。
图11是表示在3600rpm满负荷和2000rpm的1/2负荷条件下的油消耗量(试验7～10)之图。
具体实施例方式
本发明为了将外周滑动面为桶形或锥形的活塞1的下侧面3和外周面4的切削量、即为了得到锐边的角部2的切削量控制得较少，采用这样的技术，即至少将相当于残留在角部2的R量的部分、即活塞环1的外周滑动面4和环下侧面3的角部2切削或研磨削除成一边长度为0.05～0.4mm的、断面大致呈四边形的槽5(参照图2、图4、图5、图7)或半径为0.05～0.4mm的、断面呈大致1/4圆形的槽6(参照图6、图8)。槽5直至接合缝为止，不中断地、连续地形成。
这样，可以获得以下优点(1)由外周滑动面下端部被削除的部分和外周面所形成的新的角部成为锐边9(参照图5～图8)，故可以获得确实的刮落润滑油的性能；(2)可以减少环侧面和环外周面4的磨削量，故产生毛刺的现象较少。
而且，具有因该槽而不产生扭转的优点，同时还具有这样的优点，即只要是该尺寸的槽，则不需要对接合缝附近的油消耗和漏气采取任何对策。
将研磨的、断面呈大致四边形的槽5的一边的长度设为0.05mm以上、0.4mm以下，是因为活塞环用线材的R倒角量在0.05～0.4mm范围内可以进行拉丝和(或)轧制的缘故。若一边长度为0.05mm以下，则线材的R面不能完全被削除，故不能在为锐边9，不能获得充分的刮落润滑油的性能。
另外，由于通过对两侧面和外周面的研磨，残留的角部2的R量最大也不会大于原来线材的R量，故一边的长度可以为0.4mm以下。如果将一边的长度设为0.4mm以上，则产生的毛刺增多，反而使生产率降低。
另外，本发明的槽部分即削除部分虽然很小，实际上扩大了第二环槽脊或第三环槽脊的容积，故该部分的油压下降，抑制润滑油向第一环槽脊或第二环槽脊上升，因此，起到减少润滑油消耗量的作用。
这意味着与用单纯的铸铁材料得到的锐边产品相比，刮油效果(降低油耗的效果)大。
另外，活塞环1的外周面4设成桶形面7或锥形面8即可。槽5向接合缝端面敞开而不中断地连续的设置。在图7和图8所示的外周面上所形成的直线部4’是在外周研磨过程中形成的，从宏观上看几乎看不出来，但注意仔细观察时则可以看出来。
以下，根据实施例进行说明。
制造公称外径φ75×宽1.2mm×厚2.3mm的钢制桶形环(参照图5和图6)及锥形环(参照图7和图8)作为汽油发动机的第一压力环。
制造公称外径φ75×宽1.5mm×厚2.6mm的钢制锥形环(参照图7和图8)作为汽油发动机的第二压力环。
制造公称外径φ99.2×宽2.5mm×厚3.9mm的钢制桶形环(参照图5和图6)作为柴油机的第一压力环。
制造公称外径φ99.2×宽2.0mm×厚4.1mm的钢制锥形环(参照图7和图8)作为柴油机的第二压力环。
这些钢制活塞环通过发动机试验确认了发明的效果(参照图9～图11)。
作为制造所使用的原材料的线材的材质为C0.59～0.66重量％、Si0.15～0.35重量％、Mn0.3～0.6重量％、P和S0.03重量％以下的钢材，汽油发动机的第一压力环用宽约1.25mm×厚约2.4mm、汽油发动机的第二压力环用宽约1.55mm×厚约2.7mm、柴油发动机的第一压力环用宽约2.55mm×厚约4.0mm、柴油发动机的第二压力环用宽约2.05mm×厚约4.2mm的矩形线材，哪一种线材的角部R都约为0.30mm。
通过以下工序制造了现有产品和本发明产品。
(现有产品)桶形环卷绕→热处理→研磨侧面→研磨桶形面→加工接合缝间隙→研磨加工外周锥形环卷绕→热处理→研磨侧面→研磨锥形面→加工接合缝间隙→研磨加工外周(本发明产品)桶形环卷绕→热处理→研磨侧面→研磨桶形面→切削下面角部→加工接合缝间隙→研磨加工外周锥形环卷绕→热处理→研磨侧面→研磨锥形面→切削下面角部→加工接合缝间隙→研磨加工外周研磨加工侧面后，角部2的R约为0.26～0.28mm。现有产品中，在研磨桶形或研磨锥形面后对外周进行研磨加工，但对下侧面的角部几乎不进行加工，故成为R约为0.26～0.28mm的角部。
本发明产品中，是使用硬质合金的镀层刀具将下面角部2切削成一边约为0.3mm的断面呈大致四边形(参照图5和图7)。另外，与此不同，改变车刀的前端形状，制作了切削部分的断面形状为半径约0.3mm的1/4圆形的槽的产品(参照图6和图8)。
将上面所述的活塞环作为2L汽油发动机和3.3L柴油发动机的第一环、第二环，油环使用常用的油环，确认了本发明产品的油消耗的效果(与现有的油环组合起来的试验1、5、7相比)。另外，现有油环采用与本发明油环同样材质、同样尺寸(但没有槽5、6)的油环。
在汽油发动机上用第一压力环为桶形和第二压力环为锥形的组合在6000rpm满负荷和状态条件(图形)下进行油消耗试验，其结果示于图9。试验1表示现有环的组合。
用第一压力环为桶形的本发明产品与第二压力环为锥形的现有产品的组合进行试验，确认了在6000rpm满负荷时油消耗的降低效果为30％，在状态条件下油消耗的降低效果为21％(试验2)。
另外，用第一压力环为桶形的现有产品和第二压力环为锥形的本发明产品的组合进行试验，确认了在6000rpm满负荷时油耗的降低效果为36％，在状态条件下油消耗的降低效果为30％(试验3)。
另外，用第一压力环为桶形的本发明产品和第二压力环为锥形的本发明产品的组合进行试验，确认了在6000rpm满负荷时油消耗的降低效果为45％，在状态条件下油消耗的降低效果为44％(试验4)。
在同一发动机上，在第一压力环和第二压力环为锥形的6000rpm满负荷和状态条件(图形)下进行油消耗试验，其结果示于图10。试验5表示现有环的组合。
用第一压力环和第二压力环为锥形的本发明产品的组合进行试验，确认了在6000rpm满负荷时油消耗的降低效果为43％，在状态条件下油消耗的降低效果为44％(试验6)。
在柴油发动机上，用第一压力环为桶形和第二压力环为锥形的组合进行了在3600rpm满负荷和2000rpm的1/2负荷时的油消耗试验，其结果示于图11。试验7表示现有环的组合。
用第一压力环为桶形的本发明产品与第二压力环为锥形的现有产品的组合进行试验，确认了在3600rpm满负荷时油消耗的降低效果为22％，在2000rpm的1/2负荷时油消耗的降低效果为39％(试验8)。
用第一压力环为桶形的现有产品和第二压力环为锥形的本发明产品的组合，确认了在3600rpm满负荷时油消耗的降低效果为26％，在2000rpm的1/2负荷时油消耗的降低效果为49％(试验9)。
另外，在用第一压力环为桶形的本发明产品和第二压力环为锥形的本发明产品的组合，确认了在3600rpm满负荷时油消耗的降低效果为36％，在2000rpm的1/2负荷时油消耗的降低效果为58％(试验10)。
根据以上试验可知，第一压力环和第二压力环组合，例如桶形形状的、带有断面呈四边形的槽的活塞环和锥形形状的、带有断面呈四边形的槽的活塞环的组合，对降低油消耗量是有效的。并且，根据所进行的试验可以确认，图9～图11所示的其它的活塞组合降低油消耗量的效果也很高。
权利要求
1.一种钢制活塞环，其特征在于，在由活塞环主体外周面和下侧面所形成的角部上，连续地设有一边的长度为0.05～0.4mm的、断面呈大致四边形或半径为0.05～0.4mm的、断面呈大致1/4圆形的槽，直至接合缝为止。
2.根据权利要求1所述的钢制活塞环，其特征在于，外周滑动面呈桶形或锥形。
3.根据权利要求1或2所述的钢制活塞环，活塞环是压力环。
4.一种活塞环的组合，是具有数个压力环的活塞环的组合，其特征在于，至少2个压力环具有权利要求1或2的构成必要条件。
全文摘要
在由活塞环(1)的外周面(4)和下侧面(3)形成的角部(2)上形成有一边的长度为0.05～0.4mm的、断面呈大致四边形或半径为0.05～0.4mm的、断面呈大致1/4圆形的槽(5、6)。由槽(5、6)形成的锐边(9)起刮油作用，并且，槽(5、6)起降低第二环槽脊和第三环槽脊的油压的作用。
文档编号F02F5/00GK1473250SQ02802832
公开日2004年2月4日 申请日期2002年7月30日 优先权日2001年8月2日
发明者吉田秀树, 佐藤彰 申请人:株式会社理研