專利名稱：鋼制活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活塞環(huán)，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及改進(jìn)后的鋼制活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
往復(fù)運(yùn)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)所使用的活塞環(huán)根據(jù)其功能可以分為壓力環(huán)和油環(huán)。在汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)等上，該壓力環(huán)一般由位于最靠近燃燒室側(cè)的第一壓力環(huán)和位于其下部側(cè)(曲軸箱側(cè))的第二壓力環(huán)構(gòu)成的。
由于第一壓力環(huán)靠近燃燒室而達(dá)到高溫，而且也不能充分地供給潤(rùn)滑油，故要求高強(qiáng)度和優(yōu)良的滑動(dòng)特性。過去大多使用在滑動(dòng)面上形成有硬質(zhì)鍍鉻層的鑄鐵制活塞環(huán)，但近年來(lái)內(nèi)燃機(jī)有日益追求高速化、提高輸出功率、且降低燃料消費(fèi)的趨勢(shì)，隨之，對(duì)活塞環(huán)的要求也很苛刻。因此，第一壓力環(huán)中，用現(xiàn)有的具有鍍鉻層的鑄鐵制活塞環(huán)，在強(qiáng)度和耐磨特性方面不能充分地滿足要求，大多使用在由馬氏體不銹鋼制的活塞環(huán)主體上施加了氮化處理層的不銹鋼制活塞環(huán)代替鑄鐵制活塞環(huán)。
另一方面，第二壓力環(huán)的滑動(dòng)環(huán)境與第一壓力環(huán)相比不太苛刻，至今一般使用片狀石墨鑄鐵等的鑄鐵制活塞環(huán)，向鋼材的轉(zhuǎn)變較遲。但是，從防止地球變暖的觀點(diǎn)出發(fā)，要求汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步降低燃料消耗，希望活塞環(huán)輕量化。
因此，與第一壓力環(huán)一樣，將第二壓力環(huán)的母材從鑄鐵改變?yōu)殇摚兂珊穸缺辱T鐵制活塞環(huán)薄、重量輕的鋼制活塞環(huán)。
但是，要求第一壓力環(huán)和第二壓力環(huán)具有密封燃燒氣體的功能，同時(shí)通過油環(huán)將涂敷在氣缸內(nèi)周面上的潤(rùn)滑油刮落到曲軸箱側(cè)的功能也是很重要的。為此，必須在活塞環(huán)上升過程中易于到達(dá)該涂敷的潤(rùn)滑油上，在活塞環(huán)下降過程中容易刮落潤(rùn)滑油。
為了滿足該必要的條件，將活塞環(huán)外周滑動(dòng)面設(shè)成桶形面或向燃燒室側(cè)減徑而傾斜的所謂錐形面，將活塞環(huán)下側(cè)面和外周滑動(dòng)面所形成的下面?zhèn)冉遣吭O(shè)成所希望的銳角即所謂銳邊。由于現(xiàn)有的鑄鐵材料的切削性良好，故容易加工這種形狀的活塞環(huán)。
但是，如果將第一壓力環(huán)或第二壓力環(huán)的母材從鑄鐵變更為鋼，則制造具有上述銳邊的活塞環(huán)，由于鋼材的切削性比鑄鐵材差，故在磨削和研磨加工時(shí)容易產(chǎn)生毛刺，使生產(chǎn)率顯著降低。
一般，作為矩形斷面的鋼制活塞環(huán)的原材料的鋼線材，如特開平1-035173號(hào)“活塞環(huán)材料的制造方法”所述那樣，是鋼材進(jìn)行拉絲和/或軋制而制成的。將該線材卷繞成環(huán)狀后切斷，再進(jìn)行研磨，切削等加工，制成規(guī)定尺寸的活塞環(huán)。
因此，如圖1和圖3所示，僅卷繞的活塞環(huán)1的各角部2為線材時(shí)的R面，為了制成銳邊的活塞環(huán)，必須將活塞環(huán)一側(cè)面的整個(gè)面或外周面的整個(gè)面通過研磨、切削加工至少去除相當(dāng)于R的量。
但是，如上所述，由于原材料是鋼材，故粘著的切削粉末難以從活塞環(huán)上去除，產(chǎn)生所謂毛刺的情況增多，故與用鑄鐵原材料時(shí)相比，必須設(shè)法降低磨削速度和減少一次磨削量等抑制毛刺的發(fā)生，因此，顯著降低了加工生產(chǎn)率。
另外，為了提高活塞環(huán)的刮油性能，眾所周知的活塞環(huán)如特開2001-124204號(hào)公報(bào)所揭示的那樣，在外周滑動(dòng)面與下側(cè)面的角部設(shè)槽，該槽向軸向延伸至桶形的最頂部且在接合縫處中斷。但是，該槽的半徑方向的深度為0.5mm以上，是通常的稱為中斷底切形狀的活塞環(huán)的槽之一種。
該公報(bào)雖然沒有特別涉及活塞環(huán)的材質(zhì)，但從為制造中斷底切的活塞環(huán)的切削作業(yè)考慮，是鑄鐵制的活塞環(huán)，沒有具體表示用于鋼制的活塞環(huán)。將該眾所周知的技術(shù)用于鋼制的活塞環(huán)的情況下，如上所述，在抑制毛刺的發(fā)生及加工生產(chǎn)率方面尚存在問題。
另外，在性能方面，存在著需要以下其它形狀的問題，即，(1)由于較大的底切，作為接合縫部的油消耗和漏氣的對(duì)策，必須中斷接合縫部的底切。
(2)在較大的底切的場(chǎng)合，在使用狀態(tài)下產(chǎn)生扭曲，故在內(nèi)周側(cè)設(shè)內(nèi)切環(huán)使其平衡。
本發(fā)明是鑒于上述問題研制成的，目的在于提供刮油性能優(yōu)良的、且生產(chǎn)率高的鋼制活塞環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述課題，本發(fā)明提供一種鋼制活塞環(huán)，其特征在于，在由活塞環(huán)主體外周面和下側(cè)面所形成的角部上，連續(xù)地設(shè)有一邊的長(zhǎng)度為0.05～0.4mm的、斷面呈大致四邊形或半徑為0.05～0.4mm的、斷面呈大致1/4圓形的槽，直至接合縫為止。
最好，使外周滑動(dòng)面成為桶形或錐形。
并且，本發(fā)明推薦一種活塞環(huán)的組合，是具有數(shù)個(gè)壓力環(huán)的活塞環(huán)的組合，其特征在于，至少2個(gè)壓力環(huán)具有上述的構(gòu)成必要條件。
提供一種鋼制活塞環(huán)的組合，其特征在于，例如第一環(huán)在由活塞環(huán)主體的桶形或錐形的外周面和下側(cè)面所形成的角部具有一邊長(zhǎng)度為0.05～0.4mm的、斷面呈大致四邊形的槽，第二環(huán)在由活塞環(huán)主體的錐形的外周面和下側(cè)面所形成的角部具有設(shè)成一邊長(zhǎng)度為0.05～0.4mm的、斷面呈大致四方形且連續(xù)至接合縫為止的槽。
另外，本發(fā)明還提供一種鋼制活塞環(huán)的組合，其特征在于，第一環(huán)在由活塞環(huán)主體的桶形或錐形的外周面和下側(cè)面所形成的角部具有半徑為0.05～0.4mm的、斷面呈大致1/4圓形的槽，第二環(huán)在由活塞環(huán)主體的錐形的外周面和下側(cè)面所形成的角部具有設(shè)成半徑為0.05～0.4mm的、斷面呈大致1/4圓形且連續(xù)至接合縫為止的槽。
當(dāng)然，在技術(shù)方面可以提供數(shù)個(gè)壓力環(huán)中的至少2個(gè)或全部、包括矩形斷面的壓力環(huán)，滿足本構(gòu)成必要條件的多樣的活塞環(huán)的組合。


圖1是表示桶形活塞環(huán)的基本形狀的部分?jǐn)嗝鎴D。
圖2是表示在圖1的例子中在角部設(shè)有槽的例子的部分?jǐn)嗝鎴D。
圖3是表示錐形活塞環(huán)的基本形狀的部分?jǐn)嗝鎴D。
圖4是表示在圖3的例子中在角部設(shè)有槽的例子的部分?jǐn)嗝鎴D。
圖5是表示圖2所示例子的槽的詳細(xì)構(gòu)造的部分放大斷面圖。
圖6是表示圖2所示例子的槽的詳細(xì)構(gòu)造的另一例的部分放大斷面圖。
圖7是表示圖4所示例子的槽的詳細(xì)構(gòu)造的部分放大斷面圖。
圖8是表示圖4所示例子的槽的詳細(xì)構(gòu)造的另一例的部分放大斷面圖。
圖9是表示在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的6000rpm滿負(fù)荷和圖中的圖形條件下的油消耗量(試驗(yàn)1～4)之圖。
圖10是表示在與圖9相同的條件下使用錐形的第一和第二壓力環(huán)的油消耗量(試驗(yàn)5和6)之圖。
圖11是表示在3600rpm滿負(fù)荷和2000rpm的1/2負(fù)荷條件下的油消耗量(試驗(yàn)7～10)之圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明為了將外周滑動(dòng)面為桶形或錐形的活塞1的下側(cè)面3和外周面4的切削量、即為了得到銳邊的角部2的切削量控制得較少，采用這樣的技術(shù)，即至少將相當(dāng)于殘留在角部2的R量的部分、即活塞環(huán)1的外周滑動(dòng)面4和環(huán)下側(cè)面3的角部2切削或研磨削除成一邊長(zhǎng)度為0.05～0.4mm的、斷面大致呈四邊形的槽5(參照?qǐng)D2、圖4、圖5、圖7)或半徑為0.05～0.4mm的、斷面呈大致1/4圓形的槽6(參照?qǐng)D6、圖8)。槽5直至接合縫為止，不中斷地、連續(xù)地形成。
這樣，可以獲得以下優(yōu)點(diǎn)(1)由外周滑動(dòng)面下端部被削除的部分和外周面所形成的新的角部成為銳邊9(參照?qǐng)D5～圖8)，故可以獲得確實(shí)的刮落潤(rùn)滑油的性能；(2)可以減少環(huán)側(cè)面和環(huán)外周面4的磨削量，故產(chǎn)生毛刺的現(xiàn)象較少。
而且，具有因該槽而不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即只要是該尺寸的槽，則不需要對(duì)接合縫附近的油消耗和漏氣采取任何對(duì)策。
將研磨的、斷面呈大致四邊形的槽5的一邊的長(zhǎng)度設(shè)為0.05mm以上、0.4mm以下，是因?yàn)榛钊h(huán)用線材的R倒角量在0.05～0.4mm范圍內(nèi)可以進(jìn)行拉絲和(或)軋制的緣故。若一邊長(zhǎng)度為0.05mm以下，則線材的R面不能完全被削除，故不能在為銳邊9，不能獲得充分的刮落潤(rùn)滑油的性能。
另外，由于通過對(duì)兩側(cè)面和外周面的研磨，殘留的角部2的R量最大也不會(huì)大于原來(lái)線材的R量，故一邊的長(zhǎng)度可以為0.4mm以下。如果將一邊的長(zhǎng)度設(shè)為0.4mm以上，則產(chǎn)生的毛刺增多，反而使生產(chǎn)率降低。
另外，本發(fā)明的槽部分即削除部分雖然很小，實(shí)際上擴(kuò)大了第二環(huán)槽脊或第三環(huán)槽脊的容積，故該部分的油壓下降，抑制潤(rùn)滑油向第一環(huán)槽脊或第二環(huán)槽脊上升，因此，起到減少潤(rùn)滑油消耗量的作用。
這意味著與用單純的鑄鐵材料得到的銳邊產(chǎn)品相比，刮油效果(降低油耗的效果)大。
另外，活塞環(huán)1的外周面4設(shè)成桶形面7或錐形面8即可。槽5向接合縫端面敞開而不中斷地連續(xù)的設(shè)置。在圖7和圖8所示的外周面上所形成的直線部4’是在外周研磨過程中形成的，從宏觀上看幾乎看不出來(lái)，但注意仔細(xì)觀察時(shí)則可以看出來(lái)。
以下，根據(jù)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
制造公稱外徑φ75×寬1.2mm×厚2.3mm的鋼制桶形環(huán)(參照?qǐng)D5和圖6)及錐形環(huán)(參照?qǐng)D7和圖8)作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的第一壓力環(huán)。
制造公稱外徑φ75×寬1.5mm×厚2.6mm的鋼制錐形環(huán)(參照?qǐng)D7和圖8)作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的第二壓力環(huán)。
制造公稱外徑φ99.2×寬2.5mm×厚3.9mm的鋼制桶形環(huán)(參照?qǐng)D5和圖6)作為柴油機(jī)的第一壓力環(huán)。
制造公稱外徑φ99.2×寬2.0mm×厚4.1mm的鋼制錐形環(huán)(參照?qǐng)D7和圖8)作為柴油機(jī)的第二壓力環(huán)。
這些鋼制活塞環(huán)通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)確認(rèn)了發(fā)明的效果(參照?qǐng)D9～圖11)。
作為制造所使用的原材料的線材的材質(zhì)為C0.59～0.66重量％、Si0.15～0.35重量％、Mn0.3～0.6重量％、P和S0.03重量％以下的鋼材，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的第一壓力環(huán)用寬約1.25mm×厚約2.4mm、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的第二壓力環(huán)用寬約1.55mm×厚約2.7mm、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的第一壓力環(huán)用寬約2.55mm×厚約4.0mm、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的第二壓力環(huán)用寬約2.05mm×厚約4.2mm的矩形線材，哪一種線材的角部R都約為0.30mm。
通過以下工序制造了現(xiàn)有產(chǎn)品和本發(fā)明產(chǎn)品。
(現(xiàn)有產(chǎn)品)桶形環(huán)卷繞→熱處理→研磨側(cè)面→研磨桶形面→加工接合縫間隙→研磨加工外周錐形環(huán)卷繞→熱處理→研磨側(cè)面→研磨錐形面→加工接合縫間隙→研磨加工外周(本發(fā)明產(chǎn)品)桶形環(huán)卷繞→熱處理→研磨側(cè)面→研磨桶形面→切削下面角部→加工接合縫間隙→研磨加工外周錐形環(huán)卷繞→熱處理→研磨側(cè)面→研磨錐形面→切削下面角部→加工接合縫間隙→研磨加工外周研磨加工側(cè)面后，角部2的R約為0.26～0.28mm?，F(xiàn)有產(chǎn)品中，在研磨桶形或研磨錐形面后對(duì)外周進(jìn)行研磨加工，但對(duì)下側(cè)面的角部幾乎不進(jìn)行加工，故成為R約為0.26～0.28mm的角部。
本發(fā)明產(chǎn)品中，是使用硬質(zhì)合金的鍍層刀具將下面角部2切削成一邊約為0.3mm的斷面呈大致四邊形(參照?qǐng)D5和圖7)。另外，與此不同，改變車刀的前端形狀，制作了切削部分的斷面形狀為半徑約0.3mm的1/4圓形的槽的產(chǎn)品(參照?qǐng)D6和圖8)。
將上面所述的活塞環(huán)作為2L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和3.3L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的第一環(huán)、第二環(huán)，油環(huán)使用常用的油環(huán)，確認(rèn)了本發(fā)明產(chǎn)品的油消耗的效果(與現(xiàn)有的油環(huán)組合起來(lái)的試驗(yàn)1、5、7相比)。另外，現(xiàn)有油環(huán)采用與本發(fā)明油環(huán)同樣材質(zhì)、同樣尺寸(但沒有槽5、6)的油環(huán)。
在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上用第一壓力環(huán)為桶形和第二壓力環(huán)為錐形的組合在6000rpm滿負(fù)荷和狀態(tài)條件(圖形)下進(jìn)行油消耗試驗(yàn)，其結(jié)果示于圖9。試驗(yàn)1表示現(xiàn)有環(huán)的組合。
用第一壓力環(huán)為桶形的本發(fā)明產(chǎn)品與第二壓力環(huán)為錐形的現(xiàn)有產(chǎn)品的組合進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了在6000rpm滿負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為30％，在狀態(tài)條件下油消耗的降低效果為21％(試驗(yàn)2)。
另外，用第一壓力環(huán)為桶形的現(xiàn)有產(chǎn)品和第二壓力環(huán)為錐形的本發(fā)明產(chǎn)品的組合進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了在6000rpm滿負(fù)荷時(shí)油耗的降低效果為36％，在狀態(tài)條件下油消耗的降低效果為30％(試驗(yàn)3)。
另外，用第一壓力環(huán)為桶形的本發(fā)明產(chǎn)品和第二壓力環(huán)為錐形的本發(fā)明產(chǎn)品的組合進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了在6000rpm滿負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為45％，在狀態(tài)條件下油消耗的降低效果為44％(試驗(yàn)4)。
在同一發(fā)動(dòng)機(jī)上，在第一壓力環(huán)和第二壓力環(huán)為錐形的6000rpm滿負(fù)荷和狀態(tài)條件(圖形)下進(jìn)行油消耗試驗(yàn)，其結(jié)果示于圖10。試驗(yàn)5表示現(xiàn)有環(huán)的組合。
用第一壓力環(huán)和第二壓力環(huán)為錐形的本發(fā)明產(chǎn)品的組合進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了在6000rpm滿負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為43％，在狀態(tài)條件下油消耗的降低效果為44％(試驗(yàn)6)。
在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，用第一壓力環(huán)為桶形和第二壓力環(huán)為錐形的組合進(jìn)行了在3600rpm滿負(fù)荷和2000rpm的1/2負(fù)荷時(shí)的油消耗試驗(yàn)，其結(jié)果示于圖11。試驗(yàn)7表示現(xiàn)有環(huán)的組合。
用第一壓力環(huán)為桶形的本發(fā)明產(chǎn)品與第二壓力環(huán)為錐形的現(xiàn)有產(chǎn)品的組合進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了在3600rpm滿負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為22％，在2000rpm的1/2負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為39％(試驗(yàn)8)。
用第一壓力環(huán)為桶形的現(xiàn)有產(chǎn)品和第二壓力環(huán)為錐形的本發(fā)明產(chǎn)品的組合，確認(rèn)了在3600rpm滿負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為26％，在2000rpm的1/2負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為49％(試驗(yàn)9)。
另外，在用第一壓力環(huán)為桶形的本發(fā)明產(chǎn)品和第二壓力環(huán)為錐形的本發(fā)明產(chǎn)品的組合，確認(rèn)了在3600rpm滿負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為36％，在2000rpm的1/2負(fù)荷時(shí)油消耗的降低效果為58％(試驗(yàn)10)。
根據(jù)以上試驗(yàn)可知，第一壓力環(huán)和第二壓力環(huán)組合，例如桶形形狀的、帶有斷面呈四邊形的槽的活塞環(huán)和錐形形狀的、帶有斷面呈四邊形的槽的活塞環(huán)的組合，對(duì)降低油消耗量是有效的。并且，根據(jù)所進(jìn)行的試驗(yàn)可以確認(rèn)，圖9～圖11所示的其它的活塞組合降低油消耗量的效果也很高。
權(quán)利要求
1.一種鋼制活塞環(huán)，其特征在于，在由活塞環(huán)主體外周面和下側(cè)面所形成的角部上，連續(xù)地設(shè)有一邊的長(zhǎng)度為0.05～0.4mm的、斷面呈大致四邊形或半徑為0.05～0.4mm的、斷面呈大致1/4圓形的槽，直至接合縫為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼制活塞環(huán)，其特征在于，外周滑動(dòng)面呈桶形或錐形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼制活塞環(huán)，活塞環(huán)是壓力環(huán)。
4.一種活塞環(huán)的組合，是具有數(shù)個(gè)壓力環(huán)的活塞環(huán)的組合，其特征在于，至少2個(gè)壓力環(huán)具有權(quán)利要求1或2的構(gòu)成必要條件。
全文摘要
在由活塞環(huán)(1)的外周面(4)和下側(cè)面(3)形成的角部(2)上形成有一邊的長(zhǎng)度為0.05～0.4mm的、斷面呈大致四邊形或半徑為0.05～0.4mm的、斷面呈大致1/4圓形的槽(5、6)。由槽(5、6)形成的銳邊(9)起刮油作用，并且，槽(5、6)起降低第二環(huán)槽脊和第三環(huán)槽脊的油壓的作用。
文檔編號(hào)F02F5/00GK1473250SQ02802832
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2002年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月2日
發(fā)明者吉田秀樹, 佐藤彰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社理研