内燃机用活塞、该活塞的制造装置以及制造方法与流程

本发明涉及在冠部的背面侧设有多个冷却用凸部的内燃机用活塞、该活塞的制造装置以及制造方法的改良技术。

背景技术：

以往，作为内燃机运行中热负荷高的内燃机用活塞的冷却方法，采取了各种手段，作为其中之一，例如已知以下专利文献1所记载的手段。

该活塞例如由铝合金材料一体形成，在冠部的与冠面位于相反侧的背面侧一体地突设有多个冷却用鳍片。该各冷却鳍片中位于所述背面的大致中央侧的冷却鳍片设置为大致直线状，并且位于其外周侧的冷却鳍片以包围中央侧的冷却鳍片的方式形成为圆弧状。

而且，利用与所述活塞一体成形的多个冷却鳍片能够增大冠部背面侧的表面积，提高活塞驱动时的冷却效果。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)实开昭56-118938号公报

技术实现要素：

然而，由于上述专利文献1所记载的活塞的所述各冷却鳍片从冠部背面向下方形成为突起状，因此在利用重力模具铸造法(重力铸造法)进行铸造的情况下，在具有对冷却鳍片进行成形的凹部的模具内注入熔融金属时，熔融金属从所述凹部的上端开口侧进入内部(底部侧)，以空气残留在所述凹部的底部侧的状态凝固。

因此，不能得到对模具成形面的充分的复制性，不能充分地确保冷却鳍片的表面积。其结果是，存在冠部的冷却效率低下之虞。

本发明是鉴于上述现有的技术问题而做出的，其目的在于提供一种内燃机用活塞、活塞制造装置以及制造方法，在铸造时，能够消除在冠部背面对凸部进行成形的模具的凹部底部侧处的空气的残留而得到对模具成形面的充分的复制性。

本申请权利要求1所述的内燃机用活塞具备：冠部，其具有界定燃烧室的冠面；推力侧和反推力侧的裙部，其与该冠部一体设置，并且沿着气缸壁面滑动；一对围裙部，其从该一对裙部的圆周方向连结，并且具有形成活塞销孔的销座；凹部，其形成在所述冠部的与冠面位于相反侧的背面，在所述两个裙部之间沿着大致长度方向形成；多个凸部，其一体地设置在该凹部的底面，沿着所述围裙部方向或裙部方向延伸；所述各凸部的长度方向的至少一段缘一体结合于与该一端缘对置的所述凹部的内侧面。

作为该活塞的制造装置，铸造模具的下模在位于形成所述两个裙部的各内表面的内表面形成之间的中央部的上表面，形成有在活塞的冠部背面形成凹部的突出部，并且在该突出部的上表面形成有在冠部背面形成各凸部的多个槽部，所述中央部的高度形成为比下模的其他内表面形成部高出所述突出部的高度，并且所述各槽部的深度形成为比所述突出部的高度浅，另外，在所述各槽部的长度方向的至少一端侧形成的开口部形成为比各槽部的底面低或处于大致同一高度，向所述模具的内部注入的熔融金属从所述开口部流入所述各槽部的底面侧。

根据本发明，在铸造时使熔融金属流入在活塞的冠部背面对多个凸部进行成形的铸造模具的各槽部的底部侧而抑制空气的残留，能够确保对模具成形面的良好的复制性。由此，能够使活塞凸部的表面积成为所期望的大小。

附图说明

图1是表示本发明的内燃机用活塞在气缸壁面上滑动的状态的纵剖视图。

图2是本实施方式的活塞的主视图。

图3是该活塞的底视图。

图4是图3的a-a线剖视图。

图5是图4的b部分的放大图。

图6是图4的c-c线剖视图。

图7是图6的d部分的放大图。

图8是取下本实施方式的铸造模具装置的上部模芯的状态的俯视图。

图9是铸造模具装置的纵剖视图。

图10是图9的e部分的放大图。

图11是本实施方式的铸造模具装置的型芯的分解平面图。

图12是表示对该型芯进行合模的状态的主视图。

图13是表示对该型芯进行合模的状态的左视图。

图14是表示对该型芯进行合模的状态的俯视图。

图15是表示对该型芯进行合模的状态的平面图。

图16是表示向该铸造装置的型腔内注入熔融铝合金的初期状态的说明图。

图17是图17的f-f线剖视图。

图18是表示在该型腔内进一步填充熔融铝合金的状态的说明图。

图19是表示逐渐上升的熔融铝合金从型芯的上部侧流入各槽部的状态的说明图。

图20是图18的g部分的放大图。

图21是表示熔融铝合金在各槽部进一步上升的状态的图18的g部分的放大图。

图22是表示在型腔内填充有熔融铝合金的状态的说明图。

图23是图22的h部分的放大图。

图24表示第二实施方式的活塞，其中a是活塞的底视图，b是a的i-i线剖视图。

图25表示第三实施方式的活塞，其中a是活塞的底视图，b是a的j-j线剖视图。

图26表示第四实施方式的活塞，其中a为活塞的底视图，b为a的k-k线剖视图。

图27表示第五实施方式的活塞，其中a为活塞的底视图，b为a的l-l线剖视图。

具体实施方式

以下，对本发明的内燃机用活塞、该活塞的制造方法以及制造装置的实施方式详细地进行说明。本实施方式的活塞适用于火花塞点火式的汽油内燃机。

如图1所示，所述活塞1设置为在内燃机的气缸体01内形成的大致圆柱状的气缸壁面02内上下滑动自如，在所述气缸壁面02与图外的气缸盖的下表面之间形成燃烧室03，并且经由与活塞销04连结的连杆05连结于图外的曲轴。

如图1～图3所示，所述活塞1整体以ac8aal-si系的铝合金作为母材而一体铸造，形成为大致圆筒状，并且具备：在冠面2a上界定燃烧室的冠部2；与该冠部2的下端外周缘一体设置的圆弧状的一对推力侧裙部3a及反推力侧裙3b；经由各连结部位与该各裙部3a、3b的圆周方向的两侧端连结的一对围裙部4a、4b。需要说明的是，在该围裙部4a、4a一体形成有经由活塞销孔4c、4c对图外的活塞销的两端部进行支承的销座4b、4b。

所述冠部2成为壁较厚的圆盘状，在界定所述燃烧室03的冠面2a上形成有防止与进气门和排气门干涉的图外的气门凹槽，并且冠面2a的外周部形成为凸状。另外，冠部2在外周部形成有供压缩环和油环5a～5c嵌装的三个活塞环槽2b、2c、2d。

另外，在所述冠部2的与冠面2a位于相反侧的背面2e，形成有如图1、图3～图5所示的矩形形状的凹部6，并且在该凹部6的底面6a一体设有多个凸部7。

如图3所示，所述凹部6形成为在沿着连结所述两个裙部3a、3b的中心的轴线x上(与销座部4b、4b的轴线正交的方向)呈长方形形状延伸，长边的长度l如图4所示，延伸到所述冠部2的圆弧状上壁面8a、8b与裙部3a、3b的连结部位附近，并且短边的宽度w如图6所示，形成为延伸到圆弧状上壁面9a、9b与两销座部4b、4b的连结部位附近。

另外，如图5及图7所示，所述凹部6的长边侧的对置内侧面6b、6b与短片侧的对置内侧面6c、6c分别形成为从所述底面6a向下的圆弧状，并且各外周缘6d并不是与所述圆弧状上壁面8a、8b、9a、9b圆滑地连结，而是呈阶梯状连结。

如图3所示，所述各凸部7一体地设置在所述凹部6的底面6a上，经由以各销座部4b、4b的轴线y为中心的规定间距s，即经由所述凹部底面6a的矩形状的中央部，在附图中分为左右两组。也就是说，分为推力侧裙部3a侧的组的四个凸部7和反推力侧裙部3b侧的组的四个凸部7d共计八个。

并且，两组各凸部7沿着所述销座部4b、4b的轴线y形成为直线状，也就是说，沿着一对围裙部4a、4a的对置方向形成，并且彼此以一定的宽度间隙s1平行设置。另外，两端部7a、7b连结于所述凹部6的长边侧的对置内侧面6b、6b，外表面7c的横截面分别形成为圆弧状。另外，如图5及图7所示，其高度h形成为比所述凹部6的深度d略低。

如以上那样，由于在活塞1的冠部2的背面2e侧形成有所述凹部6和各凸部7，因此与不形成这样的凹部6和凸部7的情况相比背面2e整体的表面积变大。

因此，在形成有所述各凸部7的凹部6区域的散热效果变好，能够提高冠部2及冠部2附近的活塞1的冷却效率。

尤其是所述凸部7的前端面7c形成为圆弧状，因此整体的表面积变大，能够使所述散热效果进一步变好。

另外，所述凹部6的长边侧的对置内侧面6b、6b和短片侧的对置内侧面6c、6c分别形成为从所述底面6a向下的圆弧状，并且各外周缘6d不与所述圆弧状上壁面8a、8b、9a、9b圆滑地连结，而是呈阶梯状连结，因此利用这些结构能够使所述凹部6的区域的表面积变大。其结果是，在所述各凸部7的基础上，背面2e整体的表面积变大，因此所述散热效果变好而能够实现冷却效率的提高。

〔活塞的铸造模具装置〕

作为对所述活塞1进行铸造的铸造用模具10，如图8及图9所示，主要由以下部分构成：作为模体的铸模11；在该铸模11的内部下部侧设置的作为下模的型芯12；在铸模11的上部设置的作为上模的顶芯13；由这些各模芯11～13隔成的型腔14。

所述铸模11设有用于向所述型腔14浇注熔融金属的浇道15，该浇道15在上游侧形成有浇口15a且下游部15b与所述型腔14的下部侧连通。

所述型芯12与所述铸模11的内表面和所述顶芯13的下表面13a协同而对活塞1的冠部2、裙部3a、3b以及围裙部4a、4a等进行成型。

即，如图11～图15所示，该型芯12由多个分割模芯组合而成，具备：位于中央而对所述凹部6和各凸部7进行成型的中央部即大致板状的中心模芯16；在该中心模芯16的图中两侧配置，主要对两个裙部3a、3b的圆周方向的中央部内表面进行成型的两个肋部模芯17、17；在所述中心模芯16的图中上下配置，主要对包括销座部4b、4b的所述围裙部4a、4a进行成型的两个侧部模芯18、18。

如图9～图15所示，所述中心模芯16的上端面16a形成为向两个肋部模芯17、17侧延伸的长方形形状，从下端面到上端面16a的高度h2形成为比所述两个肋部模芯17及两个侧部模芯18的高度高，该高度的差构成为用于形成所述冠部2背面2e的凹部6的突出部19。

所述突出部19存在于所述中心模芯16的整个上端面16a，在其上表面(上端面16a)形成有用于形成所述冠部2的背面2e侧的各凸部7的多个槽部20。即，该各槽部20由隔着突出部19的矩形状的中央上端面19a的两个组构成，每个组在所述两个肋部模芯17，17侧各有四个槽部20，所述突出部19的宽度方向、即所述两个侧部模芯18、18之间形成为直线状，并且各个剖面形成为大致圆弧状。另外，该各槽部20的深度d1形成为比所述突出部19的高度h2浅，并且在轴向的两端部形成有开口部20a、20b。

所述顶芯13配置为利用由图外的气缸等形成的升降机相对于所述铸模11的上端开口开闭自如，利用下端面的型腔面13a对所述冠部2的冠面2a进行成型。

也就是说，在向型腔14浇注(浇铸)熔融铝合金而对作为产品的活塞1进行成型时，所述顶芯13的与所述型芯12对置的型腔面13a形成在用于复制活塞1的冠面2a的复制面。

另外，在所述顶芯13的上端部外周一体设有凸缘部13b，该凸缘部13b在利用所述升降机使模芯本体从所述铸模11的上端开口11a进入内部时，与该铸模11的上端开口缘抵接而限制模芯本体进一步的移动。

〔活塞的铸造方法〕

因此，在使用所述铸造用模具10对活塞1进行铸造时，预先在所述铸模11内进行型芯12的各模芯16～18的合模，接着使位于图9的位置的顶芯13下降到图16所示的顶芯13的凸缘部13b与铸模11的上端开口部11a的孔缘抵接的位置，从而进行合模(合模工序)。

随后，如图16、17所示，从所述铸模11的浇口15a经由浇道15从型腔14的下部向内部逐渐注入熔融铝合金21，如图22所示，向整个型腔14填充熔融铝合金21(注入工序)。

由此，供给到所述型腔14内的熔融铝合金21如图18所示地，在铸模11的内部沿着中心模芯16、两个肋部模芯17、17以及两个侧部模芯18、18的各外面逐渐上升，在到达中心模芯16的上端部16a时，如图19的实线箭头所示，熔融铝合金21进入各侧部模芯18、18的两外侧面侧，由此进一步从所述各槽部20的各开口部20a、20b侧进入底面20c侧，如图20、图21所示，从底面20c侧逐渐向上端方向上升(流入工序)。

随后，如图22所示，所述熔融铝合金21最终完全地填充在型腔14内，各槽部20和突出部19的上表面也被熔融铝合金21覆盖而形成冠部2的冠面2a和包括所述各凹6及凸部7的整个背面2e。

也就是说，在该状态下，紧贴于铸模11的内表面、型芯12的外表面以及顶芯13的型腔面13a而进行形状复制。

尤其是在该实施方式中，所述熔融铝21从浇口15a经过浇道15而从铸模11的下方向冠部2侧的型腔14流入，冠部2侧的型腔14是熔融铝21合流的部位，容易裹入空气而造成铸造不良、例如浇铸不满。

然而，在本实施方式中，如上所述，熔融铝合金21进入各槽部20内的方向，如图19的虚线箭头所示，并不是越过所述突出部19而从上端开口侧进入内部，而使在越过所述突出部19之前，如该图的实线箭头所示，从各槽部20的两端开口部20a、20b进入底面20c侧，由此开始逐渐上升地流入。

因此，在各槽部20内，熔融铝合金21与底面20c之间不会进入空气，熔融铝合金21迅速地与包括各槽部20的底面20c的内表面整体紧密贴合，因此形状复制性良好。其结果是，能够充分地确保利用所述各槽部20形成的所述各凸部7的表面积。

而且，由于流入所述各槽部20之后的熔融铝合金21以逐渐覆盖所述突出部19的外表面整体的方式一边紧密贴合一边渗透，因此该突出部19所形成的所述凹部6的内表面的表面积大。

需要说明的是，在熔融铝合金21向所述型腔14内的填充完成，冷却了规定时间之后，对铸造用模具10进行开模而将活塞1的母材取出(取出工序)。

之后，通过对活塞母材的表面等机械地进行切削，完成图2所示的活塞1的成型作业。

如上所述，根据本实施方式的活塞1，在冠部2的背面2e侧能够通过所述凹部6来增大表面积，并且在所述铸造中不会受到空气的影响，能够得到设置在该凹部6内的各凸部7的良好的复制性，因此能够确保大的表面积，与所述凹部6相配合地使冠部2的散热效果变好。其结果是，能够实现冠部2的冷却效率的提高。

而且，如前所述，所述凹部6的各内侧面6b、6b、6c6c的外周缘6d并不是与所述圆弧状上壁面8a、8b、9a、9b圆滑地连结，而是呈阶梯状地连结，因此利用这些结构能够增大所述凹部6的区域的表面积。由此，能够与所述各凸部7相配合地增大背面2e整体的表面积，因此所述散热效果变好而能够促进冷却效率。

另外，根据活塞制造方法及制造装置，使上述各槽部20的长度方向的方向沿着突出部19的宽度方向配置，各开口部20a、20b与熔融铝合金21逐渐上升而来的两个侧部模芯18、18对置形成，并且能够使各槽部20的底面20c的高度处于比肋部模芯17、17和侧部模芯18、18的上端面更高的位置，因此熔融铝合金21容易流入各槽部20内。

由此，熔融铝合金21向上述各槽部20内的流入性得以提高，并且处于空气不残留的状态，因此能够高精度地对上述各凸部7进行成形。

由此，由于能够增大所述各凸部7的表面积，散热效果进一步提高，能够进一步促进活塞1的冷却效率。

另外，在所述中心模芯16设置突出部19，并且使各槽部20的深度d2比突出部19的高度低，能够排除空气的影响而使表面精度提高，因此该成形作业变得容易，能够实现成本的降低。

而且，各槽部20沿着围裙部4a、4a方向形成为直线状，因此容易填充熔融金属。这是由于，向模具内逐渐注入熔融铝合金21时，熔融铝合金21从重力方向下侧逐渐上升，在形成冠部2的阶段，对于向该冠部2的中央集中的速度，围裙部4a、4a方向比裙部3a、3b方向快。也就是说，由于围裙部4a、4a方向的形成快，因此向各槽部20的流入变快，利用各槽部20能够使形成各凸部7的形状复制性良好。

〔第二实施方式〕

图24a、b表示本发明的第二实施方式，其基本构造与第一实施方式相同，不同之处在于对各凸部7的排列进行了改变。

即，在活塞1的冠部2的背面2e侧形成有与第一实施方式同样地在两个裙部3a、3b之间延伸的长方形形状的凹部6，并且隔着该凹部6的中央部在左右形成有两个凸部7的组，每个组有三个凸部7。该各凸部7彼此经由规定的宽度间隙s2并排设有三列，并且沿着凹部6的长度方向，也就是说换言之，沿着一对推力侧裙部3a及反推力侧裙部3b排列的方向延伸设置。因此，所述各凸部7的数量虽然比第一实施方式少，但各自的长度形成得较长，由此能够确保大的表面积。

另外，该各凸部7的高度形成为比所述凹部的深度低等其他结构与第一实施方式相同。

另外，该活塞1的制造方法和制造装置除了对所述各凸部7进行成形的各槽部20的配置和数量不同之外其他均与第一实施方式相同。因此，该实施方式也能够得到与第一实施方式相同的作用效果。

〔第三实施方式〕

图25a、b表示第三实施方式，活塞和制造装置的基本构造及制造方法与第一、第二实施方式相同，不同之处在于改变了各凸部7的数量、长度。

即，活塞1在形成于冠部2的背面2e的凹部19的内侧形成有左右两个凸部组，该各凸部7各自的长度短，在各组中各凸部7与销座部4b、4b方向平行地设置为五列，并且各凸部7沿着所述各裙部3a、3b方向配置为两列。由此，所述凹部6的底面6a形成为格子状。

因此，该实施方式也能够得到与第一、第二实施方式相同的作用效果，但与上述其他实施方式相比所述凹部6的格子状的底面6a的表面积变大，并且各凸部7自身的表面积也变大，因此散热效果变好。其结果是，冠部2的冷却效率进一步提高。

〔第四实施方式〕

图26a、b表示第四实施方式，该活塞1的基本构造与第一实施方式相同，但在长方形形状的凹部6的底面6a设置的各凸部7不是相对于销座部4b、4b的轴线y的直线状，而是形成为向外侧弯折为凸状的圆弧状。

因此，该实施方式也能够得到与上述各实施方式相同的作用效果，并且由于各凸部7形成为圆弧状，因此与直线状的第一实施方式相比表面积略大。因此，冠部2的散热效果也变好。

〔第五实施方式〕

图27a、b表示第五实施方式，该活塞1的基本构造与第一实施方式相同，但在长方形形状的凹部6的底面6a设置的各凸部7不是相对于销座部4b、4b的轴线y的直线状，而是形成为向外侧弯折为凸状的く形及反く形。

因此，该实施方式也能够得到与上述各实施方式相同的作用效果，并且由于各凸部7形成为圆弧状，因此与直线状的第一实施方式相比表面积略大。因此，冠部2的散热效果也变好。

本发明不限于上述各实施方式的结构，例如进一步改变上述各凸部的形状、增加其数量，并且凹部的大小、深度也能够根据活塞的规格、大小等任意地进行设定。

另外，所述各凸部的高度可以形成为比凹部的深度低或大致相等。

根据上述实施方式能够把握的技术的思想如下所示。

所述多个凸部的某一特定的邻接的两个凸部的间隔可以形成为比除此之外的邻接的凸部之间的间隔大。根据该发明，通过形成所述两个凸部的间隔大的部位，能够作为对冠部的厚度进行测定的机构使用。

所述多个凸部可以形成为圆弧状。根据该发明，由于所述多个凸部形成为圆弧状，因此与形成为直线状的情况相比能够增大表面积。

所述圆弧状的凸部可以形成为向径向外侧凸的形状。根据该发明，通过成为向径向外侧凸的形状，在中央形成有空间，能够使该空间与冠部的厚度测定部位重叠。

所述多个凸部可以形成为楔状。根据该发明，与将所述凸部形成为直线状的情况相比能够增大表面积。

所述多个凸部可以形成为向径向外侧凸的形状。根据该发明，通过在中央部形成空间，能够利用该空间对冠部的厚度进行测定。也就是说，能够使凸部的前端与冠部的厚度测定部位重叠。

所述多个凸部可以形成为沿着所述凹部的活塞销孔的轴向和与该轴向交叉的方向延伸的格子状。

所述中心模芯之外的其他模芯可以对所述裙部和围裙部的内表面进行成型。

在所述脱模而将活塞从型腔内取出的工序中，在使所述中心模芯下降后，可以使所述其他模芯在该空间内彼此接近移动而使所述下模脱模。通过采用该脱模方法，即使在活塞上存在底部沟槽，也能够不受任何阻碍地进行脱模。另外，由于所述各凸部位于凹部内，即使使其他模芯向彼此接近的方向也不会与所述凸部干涉。