JP2004534171A - 選択的に冷間加工した液圧モータ／ポンプのシュー - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】耐磨耗性シュー２６を製造する方法は、円筒状部材の一端部分３８を十分な深さまで加工硬化するためすえ込む工程４６、円筒状部材の部分を仕上がった寸法に機械加工する工程４８、及び機械加工した円筒状部材の部分の面２８又は３４を表面硬化する工程５６を含む。中空の領域３０がロッドストックの他端部分に形成され、中空領域の円周部５０はピストン２０の丸味を付けた端部１８の周りに縮み接合される。すえ込み又は成形過程中に行われた冷間加工は、硬化面に対する下地を提供し且つ加工硬化効果及び磨耗性を向上させる。より硬い金属面は、ＴｉＮにて被覆するようなその後の表面硬化のための下地を提供する。シューをピストンに接続するために使用される縮み接合法は、シューのスカート領域を冷間加工し且つシューの耐磨耗性を向上させる。硬化したロッドストックが使用されるならば、冷間ヘッディング工程４６は省略可能であるが、スカート部は、ピストンに縮み接合する前に焼鈍する工程６６が必要である。

Description

【発明の分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ又は同様の装置の斜板又は可動カム面に係合すべく頻繁に採用される型式の耐磨耗性シュー（shoe;すべり金）を製造する方法、及び該方法により得られる製品に関する。
【関連技術の説明】
【０００２】
甚だしく磨耗する機械部品を硬化することはかなり一般的な方法である。例えば、ポンプ（及び同様のモータ）は、斜板と称される偏心軸の回転カム面によって連続的に作動される複数のピストンを採用することがある。ピストンの各々は、ボール及びソケット継手によってピストンに対し固定され且つ斜板に係合する耐磨耗性面を有するシューを備える。米国特許第５，７２８，４７５号には、ポンプ、モータ、又は航空機の燃料と適合可能な同様の環境内で使用するのに適したシューの磨耗面を硬化する技術が示される。
【０００３】
上記米国特許に係る仕組みにおいて、シューは、ほぼ最終形状に機械加工され且つ、次に、表面硬化部を提供し得るように被覆される。その後、表面硬化したシューのスカート部分は、焼鈍して、スカート部は、ピストンの丸味を付けた部分に縮み取り付けられて、ボール及びソケット継手を形成する。この技術は、十分に成功しているが、より条件の厳しい用途の場合、改良された耐磨耗性継手が必要とされることがある。
【０００４】
幾つかの用途において、ホウ化物表面硬化被覆は、亀裂し易く、その明確な理由は、硬く薄いホウ化物被覆が柔軟な基礎金属によって十分に支持されないからである。更に、幾つかの作用条件は、被覆を貫通するように磨耗させる。シューをピストンヘッド部に縮み接合する必要性は、低温還元状態にて原ストック材料を使用することを妨げる。この状態にて延性が低下する結果、縮み接合する間に亀裂する可能性はより大きくなる。
【０００５】
表面硬化部の亀裂を防止し且つ、かかるシューの耐磨耗性の性質を向上させることが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、加工硬化した下地と、表面硬化した面と、ボール及びソケット継手のソケットを形成する加工硬化した面とを有するシューを提供する。カム係合面を形成するための冷間加工の低温ヘッディング加工法及びピストン及びシューを連結するための冷間加工縮み接合法は、別個の工程工程として行われる。シューが形成される円筒体ブランクの全体を冷間加工したならば、亀裂を生じさせることなく、縮み接合法を行うことは困難か又は不可能であろう。この方法は、カム係合面（バランスランド及び支持フランジ）の硬化は、熱拡散ホウ化被覆ではなくて冷間ヘッディング加工によって実現される点にて米国特許第５，７２８，４５７号と相違する。
【０００７】
一般的に且つ本発明の１つの形態において、耐磨耗性シューは、ほぼ円筒状のブランクの一端部分を冷間ヘッディング加工して、一端部分の寸法を半径方向に増し且つ軸方向に減少させて、他端部分を寸法的に不変のままにしつつ、一端部分を加工硬化することにより、形成される。スカート部を受け入れたピストンの丸味を付けた端部の周りで縮み接合することにより、シュー及びピストンを接続する間に、他端部分のその後の冷間加工及び硬化が行われる。その後の冷間加工を行う前に、寸法的に不変の部分に中空のスカート部が機械加工される。
【０００８】
また一般的に、耐磨耗性シューは、加工硬化したロッドストック材料から形成され、一端部分を焼鈍し、次に、その焼鈍したロッドストックの端部分に中空領域を形成することによって、ピストンに組み立てられる。その後に、中空領域の円周をピストンの丸味を付けた端部の周りに縮み接合すると、焼鈍した端部は再度硬化される。
【０００９】
本発明の１つの有利な効果は、硬化領域が表面硬化した面の破断を減少させるべく、表面硬化した面に対する支持体を適用する点である。ラーベス相析出（Laves phase precipitation）は何ら生じない。このため、硬化後の熱処理は全く不要である。シューを硬化を通して冷間ヘッディング加工することは、すえ込んだ材料（upset material）を硬化する場合と相違し、バランスランド（balance land）及び補助的なバランスランドの研磨及びラッピングを簡易にする。補助的バランスランドの耐磨耗性は、増大する。例えば、２μｍの厚さの窒化チタン被覆のような、その後の表面硬化は、経歴的に、２５μｍの厚いホウ化被覆を通じて下地金属まで磨耗させる条件下の試験を行なったとき、無傷のままである。マスキング工程は、従前の方法にて採用された化学的手段と相違し、機械的な仕組みによって、より簡単に行うことができる。より硬い基層は、耐磨耗性被覆を支持するより優れた下地を提供する。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
相応する参照番号は、幾つかの図面の全体を通じて相応する部品を示す。
【００１７】
【００１８】
次に、図面、特に、図１及び図２を参照すると、アキシャルピストンポンプ又はモータのピストンシュー１０が図示される。図１には、ピストン２０の丸味を付けた端部を受け入れ得るように開放したピストンのスカート部分１６すなわちフランジ１６が図示される一方、図２には、環状の又は丸味を付けたピストンヘッド部１８の周りに縮み接合された部分が図示される。シュー１０は、カム板２２と接触する平坦なシューの磨耗面１２を有する。シュー１０の支持フランジ１４は、補助的カム板２４に対しても磨耗する。ピストンシュー１０が燃料環境内にて作動し得るようにするため、ピストンシュー１０は、耐磨耗性で、燃料と適合可能であり且つ、望ましい耐磨耗性を提供するものでなければならない。ピストンシュー１０は、燃料と適合可能であり且つ、耐磨耗性を提供する冷間加工可能なコバルト系合金で出来ている。カム板２２に対して圧接する磨耗面１２及び補助的なカム板２４に対して圧接する支持フランジ１４には、望まれる耐磨耗性を提供する熱拡散ホウ化物処理が施される。冷間加工されるであろうシュー１０のフランジ１６の十分な延性を回復するため、その領域を１１２１．１１゜（２０５０゜）乃至１２３２．２２゜Ｃ（２２５０゜Ｆ）の範囲の温度にて非酸化環境中で焼鈍するため、溶体化処理が行われる。磨耗面１２及び支持フランジ１４は、シュー１０が銅部品のような吸熱体と係合することにより、より低温度に維持され、このため、被覆面がその被覆を失うことはない。次に、シュー１０のフランジ領域１６を縮み接合によって冷間加工し、材料をピストンヘッド部１８の丸味を付けた形状に形成する。図１及び図２のシュー１０及びピストン２０は、上述した米国特許第５，７２８，４７５号に記載されたものと実質的に同一である。
【００１９】
図３において、図１及び図２のシュー１０に代えて使用することのできる耐磨耗性シュー２６は、カム板に係合する表面硬化した平坦な環状のバランスランドすなわち面２８と、ピストンに対する枢動継手を提供するソケット３０と、表面硬化した面３４に対する堅固な支持体を提供すべく面領域における加工硬化した下地３２とを有する。その冷間加工性、耐食性及び耐磨耗性に基づいて燃料モータ及びポンプシューに対しハイネス２５（ＡＭＳ５７５９）が最初に選ばれ且つ、溶体化処理焼鈍したバーの形態にて使用した。シュー２６をピストンに対して縮み接合する方法は、縮み接合した領域内で加工硬化させた。この加工硬化は、Ｃｏ系合金の固有の耐磨耗性と共に、ピストンとシューとの境界面にて必須の耐磨耗性を生じさせた。
【００２０】
図３及び図４を比較すると、シューを形成する焼鈍したロッドストック３６が点線で示され且つ、２つの端部分３８、４０を有する。端部３８は、一端部分の寸法を半径方向に増大させ且つ、軸方向に減少させ得るように、参照番号４６で示すように、すえ込み又は冷間ヘッディング加工される。冷間ヘッディング加工は、また、一端部分を加工硬化する働きをする一方にて、他端部分４０は寸法的に不変であり且つ、非硬化状態に止まる。その後、端部４０は、参照番号５８にて示すように、冷間加工し且つ、硬化することになろう。冷間ヘッディング加工したブランクは、参照番号４８、５２で示すように機械加工して、冷間加工５８する前に、最終的な断面の斜線形状及び最終寸法を形成し且つ、ピストン２０の丸味を付けた端部１８を受け入れるべく端部分４０にスカート部すなわちフランジ５０によって画成された中空のスカート領域３０を形成し、また、カムに係合する耐磨耗面２８、３４を形成する。スカート部５０は、縮み接合部５８により硬化される迄、非硬化状態に止まなければならないが、例えば、ＴｉＮ材料を約２μｍの厚さに施すことにより、参照番号５４で示したスカート領域をマスキングし且つ、機械加工したカム係合面を費用面硬化する５６ことにより、カム係合面２８、３４の硬さを向上させることができる。その後、縮み接合部５８は、縮み接合部に近接する円筒状部材に対し増大した硬さを与える。
【００２１】
冷間ヘッディング加工の前に、柔軟なロッドストック材は、右側部分４０及び点線で囲った伸長領域４２を取り巻く図３の外形線により示すように、コバルト合金の円筒状ブランクである。ロッドストック材は、仕上がったシューの最大直径よりも小さい直径を有する。冷間ヘッディング加工は、材料を軸方向に圧縮し且つ、領域４２内で材料を半径方向外方に偏位させ、加工硬化した下地領域３２及び硬化面２８、３４の円周方向外側部分を形成する。工程工程４６は、この加工硬化が円筒状部材の部分３８をかなりの深さまで硬化させることを示す。機械加工工程４８、５２は、参照番号４４で示すような余剰な材料を除去し且つ、参照番号５６で示すように、機械加工した円筒状部材の部分の面２８、３４をマスキングし且つ表面硬化する準備ができた、図３に斜線領域で示すような、仕上がった寸法のシューを形成する。
【００２２】
図３及び図４をまとめると、全体として３０ＨＲＣ以下の硬さを有する焼鈍状態３６にある原基礎金属は、縮み接合前のシュースカート部５０の直径以上又は該直径に等しい単一直径の正円形の円筒体である。この材料は、冷間ヘッディング加工し４６、図３に図示するようなブランクを形成する。より大径の部分３８は、望ましい硬化部を提供するのに十分な程度だけ冷間ヘッディング加工ダイによりすえ込まれる。すえ込み比（軸方向の減少量をすえ込むべき部分の当初の軸方向長さで割った値）は、全体として、２０乃至４０％の範囲にあり、縮小量はより大であることが好ましい。すえ込み部分は、バランスランド２８及び支持フランジ３４を構成する材料を備えている。このすえ込み部分は、バランスランド２８及び支持フランジ３４を構成する材料を備えている。非すえ込み部分４０は、スカート部５０を構成する非冷間加工材料を備えている。このように、スカート部は、亀裂を生じさせずに、箇所５８にて縮み接合することができる柔軟な状態にある。冷間ヘッディング加工した４６後、シューの最終的な幾何学的形態をブランクから機械加工する。バランスランド２８及び支持フランジ３４は、その後、箇所５６にて熱拡散ホウ化物処理し且つ（又は）窒化チタンを被覆し、耐磨耗性を更に向上させることができる。次に、シューを箇所５８にてピストンヘッド上に縮み接合し、シュースカート部に対し冷間加工を施し且つ耐磨耗性を付与する。
【００２３】
図５には、硬化したロッドストック６２から開始して実質的に同一のシュー２６が形成される方法の１つの改変例が図示される。端部４０は、焼鈍し６６、縮み接合工程７２の間、加工硬化される迄、柔軟な状態に止まっている。焼鈍したロッドストックの端部分に中空の領域３０を形成することと、他端部分を機械加工し、カムに係合する耐磨耗性面を形成することとを含む、仕上がった直径まで両端を機械加工することは、箇所６４にて実現される。冷間ヘッディング加工及び半径方向への増大は何ら生じないため、ロッドストック６２は、仕上がったシューの最大直径以上又は該最大直径に等しい直径でなければならない。機械加工したならば、スカート部は、マスキングし６８、表面硬化を防止し、また、磨耗面２８、３４は、従来と同様に、表面硬化させる。
【００２４】
図４及び図５の双方において、基礎金属は、ハイネス２５又はＬ−６０５（Ｃｏ−１０、Ｎｉ−２０、Ｃｒ−１５、Ｗ−３、Ｆｅ−０．１、Ｃ−１、Ｓｉ−１．５、Ｍｇ−０．０３、Ｐ−０．０２、Ｓ）である。図５において、原基礎金属６２は、冷間加工した状態にあり、望ましい耐磨耗性又は被覆支持体を提供するのに十分な硬さを有する。シュー２６は、この加工硬化した材料から機械加工される。シューは、その後、例えば、上述した米国特許第５，７２８，４７５号に示す型式の銅吸熱体に該シューを配置することにより、箇所６６にて焼鈍される。該特許において、かかる構成は、表面硬化被覆から得られる析出物を溶解させるために使用される一方、本発明にて、かなりの深さまでの柔軟化が実現される。単一の誘導コイルをスカート部の周りに巻き、その後、典型的なシューの場合、スカート部を１０分間、１１７６．６７゜Ｃ（２１５０゜Ｆ）乃至１２３２．２２゜Ｃ（２２５０゜Ｆ）まで加熱することにより溶体化焼鈍を行うことができる。このことは、スカート部領域内の冷間加工部を焼鈍し、シューを亀裂させずに、ピストンに縮み接合させることを可能にする。より大形の部品の場合、より長い時間が必要であろう。支持フランジ及びバランスランドを備える材料は、１１７６．６７゜Ｃ（２１５０゜Ｆ）以下の温度に吸熱体によって維持され、冷間加工状態が保たれる。バランスランド及び支持フランジは、その後、熱拡散ホウ化物処理し且つ（又は）窒化チタンを被覆して耐磨耗性を更に向上させることができる。次に、シューは、ピストンヘッドに縮み接合し、シュースカート部に対し冷間加工を行い且つ耐磨耗性を付与する。
【００２５】
図６には、冷間ヘッディング加工４６により付与される硬さの変化が示される。材料は、下方に且つ外方に流れて領域６０は、実質的に加工硬化される。しかし、円錐形領域７４、７６内の材料は、幾つかの状況において、殆ど冷間加工されず、非硬化状態のままである。これらの円錐形領域は、「不作用領域」を構成し、領域７６は、仕上がったバランスランド領域から除外する必要がある。また、領域７４は、補助的なバランスランド３４の領域内に半径方向外方に流れ出してはならない。円筒状ブランク（blank）の当初寸法は、環状の磨耗面２８及びその下方の下地並びに面３４を加工硬化することを保証し得るように選ぶ必要がある。当初のブランクの長さがＬであるならば、当初の円筒容積及び冷間ヘッディング加工後の容積は、等式化し且つ解いて、Ｌ＝（Ａ²Ｗ＋Ｃ²Ｂ）／Ａ²が得られるようにすることができる。
すえ込み比Ｕは、高さの変化と当初の高さとの比である、すなわちＵ＝（Ｌ−Ｅ−Ｂ）／（Ｌ−Ｅ）である。図６に示した同様の三角形の場合、機械加工する前に、シューのヘッディング加工部分３８の高さＢは、Ｂ＝Ｆ／（Ｇ／２Ａ＋１／２）である。選んだすえ込み比の場合、これら３つの等式を同時に解いてＬ、Ｕ、Ｂを求めることができる。この多少理想化した分析は、不作用領域の頂点が一致するものと想定し、また、その他の簡略化のための推定値を用いる。また、材料を機械加工するための多少の余裕を含めなければならない。それらの結果は、実際のシューの設計による実験によって確認しなければならない。
【００２６】
一例において、バランスランド２８における硬さは約４４ＨＲＣ、支持フランジ３４の硬さは約４５ＨＲＣである。シューソケットの頂点の硬さは４３ＨＲＣであった。硬さは、ピストンに縮み接合する前に、スカート部の中間点及び頂点にてそれぞれ３６ＨＲＣまで減少し、最終的に、３５ＨＲＣとなった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】
先行技術のシュー及びシューに係合するカム面の断面図である。
【図２】
ピストンロッドの丸味を付けた端部の周りに縮み接合させた図１の先行技術のシューの断面図である。
【図３】
本発明に従って製造された改良したシューの断面図である。
【図４】
図３のシューを製造する方法を示すフローチャートである。
【図５】
図３のシューを製造する１つの代替的な方法を示すフローチャートである。
【図６】
その変形及びそれに伴う硬化を示す、図３のシューを形成することのできるブランクの図である。

Claims (22)

1. 耐磨耗性シュー（２６）を製造する方法であって、
   全体として円筒状のブランクの一端部分（３８）の寸法を半径方向に増し且つ軸方向に縮小させ、他端部分（４０）を寸法的に不変のままとしながら、前記一端部分を加工硬化させるように、前記一端部分を冷間ヘッディング加工する工程（４６）、及び
   続いて前記他端部分を硬化させるように冷間加工する工程（５８）を含む方法。
2. 前記ピストン（２０）の丸味を付けた端部（１８）を受け入れ得るように前記他端部分に中空のスカート部（３０、５０）を形成するため、冷間加工する前に冷間ヘッディング加工したブランクを機械加工する工程（５２）を更に含む請求項１の方法。
3. 前記冷間加工する工程は、受け入れたピストンの丸味を付けた端部の周りにスカート部（５０）を縮み接合する工程（５８）、シュー及びピストンを接続する工程、及びスカート部を加工硬化させる工程を含む請求項２の方法。
4. 前記冷間加工する工程（４６）の後で且つ縮み接合する工程（５８）の前に、一端部分を所定の最終寸法まで機械加工する工程（４８）を更に含む請求項３の方法。
5. カムに係合する耐磨耗面（２８又は３４）を形成するため、冷間ヘッディング加工した端部分（３８）を機械加工する工程を更に含む請求項３の方法。
6. 前記機械加工したカムに係合する面を表面硬化する工程を更に含む請求項５の方法。
7. 前記表面硬化する工程はＴｉＮ材料の適用を含む請求項６の方法。
8. 請求項１の方法により製造された耐磨耗性シュー（２６）。
9. 前記円筒状ブランクはコバルト合金を含む請求項１の方法。
10. 耐磨耗性シュー（２６）を製造する方法であって、
    円筒状部材の一部分をかなりの深さまで加工硬化させる工程（４６）、
    円筒状部材の部分を仕上げ寸法まで機械加工する工程（４８）、及び
    機械加工した円筒状部材の部分の表面を表面硬化する工程（５６）を含む方法。
11. ピストン（２０）の丸味を付けた端部（１８）を受け入れるため前記別の部分に中空のスカート部（３０、５０）を形成するように、前記円筒状部材の別の部分を機械加工する工程（５６）を更に含む請求項１０の方法。
12. 前記中空のスカート部を前記丸味を付けた端部の周りに縮み接合する工程（５８）を更に含み、該縮み接合する工程は縮み接合部に近い円筒状部材に対し増大した硬さを付与する請求項１１の方法。
13. 耐磨耗性シュー（２６）であって、カムに係合する表面硬化した面（２８、３４）、ピストン（２０）に枢動可能に結合することを可能にするソケット（３０）、及び表面硬化した面に対する剛性な支持体を提供する面領域の加工硬化した下地（６０）を有する、耐磨耗性シュー（２６）。
14. 前記ソケットはピストン（２０）の丸味を付けた部分（１８）の周りに縮み接合され（５８）且つ縮み接合により加工硬化される請求項１３の耐磨耗性シュー。
15. ピストン（２０）及び耐磨耗性シュー（２６）とを形成し且つ組み立てる方法であって、前記シューは、仕上がったシューの最大直径以下の直径のロッドストックから形成されるものであり、前記方法は、
    前記ロッドストックの一端部分の寸法を軸方向に縮小させ且つ半径方向に増大させるようにロッドストックの一端部分（３８）をすえ込む工程（４６）、
    ロッドストックの他端部分（４０）内に中空領域（３０）を形成する工程、及び
    中空領域（３０）の円周部（５０）をピストン（２０）の丸味を付けた端部（１８）の周りに縮み接合する工程（５８）を含む方法。
16. 前記すえ込む工程の間に前記一端部分を加工硬化する工程を更に含む請求項１５の方法。
17. 前記すえ込んだ一端を表面硬化する工程（５６）を更に含む請求項１６の方法。
18. 前記縮み接合する工程の間に中空領域の円周を加工硬化する工程を更に含む請求項１５の方法。
19. ピストン（２０）及び硬化されたロッドストック（６２）から形成された耐磨耗性シュー（２６）を形成し且つ組み立てる方法であって、
    ロッドストックの一端部分内に中空領域を形成する工程、
    ロッドストックの一端部分を焼鈍する工程（６６）、及び
    中空領域の円周部をピストンロッドの丸味を付けた端部（１８）の周りに縮み接合する工程（７２）を含む方法。
20. 前記ロッドストックの他端部分を機械加工してカムに係合する耐磨耗表面を形成する追加的な工程を含む請求項１９の方法。
21. 前記機械加工したカム係合面を表面硬化する工程（７０）を更に含む請求項２０の方法。
22. 前記縮み接合する工程（７２）は前記一端部分を加工硬化する請求項１９の方法。

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