JP2008121806A - 弁軸の製造方法及びそれによって製造された弁軸 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に製造でき、且つ傷等が極力防止される弁軸の製造方法を提供する。
【解決手段】円柱状のシャフト素材１を切削して、径がそれぞれ異なる先端部Ａ、中央部Ｂ及び後部Ｃよりなるシャフト体２を形成するシャフト素材切削工程と、前記シャフト体切削工程により得られたシャフト体２に冷間鍛造加工を施し、Ｄカット部１３と鍔部１１とを有する鍔付きシャフト体３を形成するシャフト体鍛造工程と、前記鍔付きシャフト鍛造工程により得られた鍔付きシャフト体３に転造加工を施し、先端部Ａにネジ部ａを形成する鍔付きシャフト体転造工程と、を備える弁軸の製造方法。
【選択図】図１

Description

モーターの駆動により開閉が行われるモーター弁に用いられる弁軸の製造方法に関する。

現在、バルブの形状及び機構は多岐にわたっており、使用される環境、制御対象となる流体の種類等を考慮して、状況に応じて使い分けられている。
種々あるバルブの中でも特にモーター弁は緻密な流量制御を行うことができる（特許文献１参照）。

図４は、モーター弁を拡大して示す説明図である。
弁軸１０は雄ネジ１２が形成されているネジ部ａと、鍔部１１及びＤカット部１３からなる鍔部付きＤカット部ｂと、スライド部ｃとを有する。
スライド部ｃの端部には弁体２０が接合されており、弁軸１０が軸線に沿った移動（図面では上下方向）を行うと共に弁体２０も同様に移動を行う。
その結果、弁体２０と弁座３０との隙間の大きさが変化し、モーター弁内を流通する流体の流量が調節される。

鍔部１１はネジ部ａに隣接した位置に形成され、この鍔部１１はバネ受け１１Ｃとそれより径大となっている盤状の鍔１１Ａとを備える。
また、鍔１１Ａにおけるネジ部ａ側の表面には突起１１Ｂが突設されている。
雄ネジ１２がローター７０に形成されている雌ネジと螺合することで、弁軸１０はモーター弁に取り付けられる。

図示しないステップモーターによりローター７０が回転させられると、上記雌ネジも併せて回転するので、雌ネジに螺合する弁軸１０はローター７０の回転方向に応じて、上方または下方に移動する。
このとき、弁軸１０は基部６０に固定されたスラスト軸受け５０に挿嵌され、且つ弁軸１０とスラスト軸受け５０との接触面にはＤカット部１３が形成されているので、弁軸１０は回転することなく軸線方向に移動を行う。

突起１１Ｂは弁軸１０が可動域の限界地点に位置するにもかかわらず、弁軸１０が可動域を超えて更に移動させられることを防ぐ機能を有する。
すなわち、鍔１１Ａに突起１１Ｂが形成されない場合、可動域の限界地点に位置する弁軸１０が、ステップモーターによりさらに移動させられると、雄ネジ１２または雌ネジに過度の力が加わり変形する恐れがある。
しかし、突起１１Ｂが形成されることにより、突起１１Ｂが弁軸１０の過度な回転を妨害するので雄ネジ１２または雌ネジの変形が防止されるのである。

一方、バネ受け１１Ｃには弁体２０が閉じる方向（図面下方）に弁軸１０を付勢するための弁ばね４０が取り付けられる。
特開２００５−３５４８１８号公報

しかし、従来の弁軸は図５に示すように、雄ネジ１２が形成されたシャフトＰに、別体形成された鍔部１１を圧入することで製造されていた。
上記の二つの部品は全て切削加工により形成されているため、加工時間が長くなり、加工コストが嵩む。また、加工した部品の保管も大変である。
弁軸の製造に際しては、鍔部１１をシャフトＰに圧入する工程が必要となるので、圧入による組み付けのための作業工程数が増加する。
さらに、鍔部１１をシャフトＰに圧入したときに、シャフトＰの表面に傷や凹部が形成される場合があり、これらの傷や凹部が弁軸全体の強度低下や寿命の減少等を引き起こす原因となる。

本発明は以上の課題を解決すべく開発されたものである。
すなわち、安価に製造でき、且つ傷等が極力防止される弁軸の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記のような課題背景をもとに鋭意研究を重ねた結果、円柱状のシャフト素材を切削加工することでシャフト体を形成し、そのシャフト体を冷間鍛造して鍔付きシャフト体を形成し、その鍔付きシャフト体を転造加工して弁軸を形成することで上記の課題を解決できることを見出し、その知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち本発明は、（１）円柱状のシャフト素材を切削して、それぞれが異なる外径を有する先端部、中央部及び後部よりなるシャフト体を形成するシャフト素材切削工程と、前記シャフト体切削工程により得られたシャフト体に冷間鍛造加工を施し、Ｄカット部と鍔部とを有する鍔付きシャフト体を形成するシャフト体鍛造工程と、前記鍔付きシャフト鍛造工程により得られた鍔付きシャフト体に転造加工を施し、先端部にネジ部を形成する鍔付きシャフト体転造工程と、を備える弁軸の製造方法に存する。

また、本発明は、（２）前記シャフト体鍛造工程において、前記中央部によりＤカット部及び鍔部が形成される上記（１）に記載の弁軸の製造方法に存する。

また、本発明は、（３）前記シャフト体鍛造工程において、Ｄカット部が形成された後、鍔部が形成される上記（１）に記載の弁軸の製造方法に存する。

また、本発明は、（４）前記Ｄカット部はダイスにより形成され、前記鍔部はパンチにより形成される上記（３）に記載の弁軸の製造方法に存する。

また、本発明は、（５）前記シャフト素材切削工程おいて、前記中央部が、弁軸の鍔部付きＤカット部の長さ寸法よりも長く加工される上記（１）に記載の弁軸の製造方法に存する。

また、本発明は、（６）、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の弁軸の製造方法により製造された弁軸に存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば上記（１）から（６）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明の弁軸の製造方法は、切削加工と鍛造加工とを含む製造方法であるので、従来と比べて切削加工部分が少なくなり短い加工時間で弁軸を製造することができる。
その結果、弁軸を従来よりも安価に製造することも可能となる。

本発明の弁軸の製造方法によって製造された弁軸は、弁軸全体が一体に形成されるので、シャフトに鍔部を圧入する工程を要さず、表面に傷や凹部等が形成されない。

さらに、本発明の弁軸の製造方法は切削加工の後、鍛造加工を行うため、鍛流線が切断されずに連続する。
その結果、金属組織が緻密になり、製造される弁軸の強度や耐摩耗性が従来の弁軸よりも向上する。

〔第一の実施形態〕
本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図１は本実施形態に係る弁軸の製造方法を示す工程図である。
本実施形態に係る弁軸の製造方法は、図１（Ａ）に示す円柱状のシャフト素材１を切削して、外径がそれぞれ異なる先端部、中央部及び後部よりなるシャフト体２を形成するシャフト体切削工程（図１（Ｂ）参照）と、シャフト体切削工程で形成されたシャフト体２を冷間鍛造加工することで、Ｄカット部と鍔部１１とを形成して鍔付きシャフト体３を形成するシャフト体鍛造工程（図１（Ｃ）参照）と、シャフト体鍛造工程で形成された鍔付きシャフト体３の先端部Ａを転造加工して雄ネジ１２を形成することで、弁軸１０を完成させる鍔付きシャフト体転造工程（図１（Ｄ）参照）とを備えるものである。

本実施形態に係る弁軸の製造方法によって製造される弁軸１０は、図１（Ｄ）に示すように、ネジ部ａ、鍔付きＤカット部ｂ及びスライド部ｃを有する。
これら、ネジ部ａ、鍔付きＤカット部ｂ及びスライド部ｃの外径及び長さ等の各寸法は、取り付けられるモーター弁の設計内容により、適宜設定される。

シャフト体切削工程においては、切削加工を行う前に、シャフト素材１全体を三つに区分けし、先端から順に先端部Ａ、中央部Ｂ、後部Ｃとする（図１（Ａ）参照）。

先端部Ａにはネジ部ａが形成され、中央部Ｂには鍔付きＤカット部ｂが形成され、後部Ｃにはスライド部ｃが形成される。

まず、先端部Ａ、中央部Ｂ及び後部Ｃを切削加工し、シャフト体２を製造する［図１（Ａ）→図１（Ｂ）］。
このとき、先端部Ａはネジ部ａと同じ長さ寸法になるまで加工され、また、先端部Ａの外径はネジ部ａに形成される雄ネジ１２の山径と谷径との間の大きさの外径寸法に加工される。

中央部Ｂは鍔部付きＤカット部ｂの長さ寸法よりも幾分長く加工され、その外径は鍔部付きＤカット部ｂの外径寸法と同じ寸法（詳しくは、後述する円形部b1の外径寸法と同じ寸法）に加工される。

後部Ｃの長さ寸法及び外径寸法は、スライド部ｃの長さ寸法及び外径寸法と同じ寸法に加工される。

中央部Ｂがこのような寸法で加工されることで、次に行われるシャフト体鍛造工程において、中央部Ｂを短縮させて、鍔部１１を形成することができる。

なお、上述したシャフト素材１の材質は特に限定されるものではなく、モーター弁の仕様にもよるが、鉄、アルミニウム等が採用され、強度、耐摩耗性、原材料費等の観点からはステンレス鋼を使うことが好ましい。

図２はシャフト体鍛造工程を示す工程図である。
シャフト体鍛造工程は、第一の金型であるダイスと、第二の金型であるパンチとを用いて、シャフト体形成工程で製造されたシャフト体２にＤカット部及び鍔部を形成する工程である。

ダイス４の内部にはキャビティ（内壁）が形成されており、そのキャビティは中央部Ｂを加工する中央部加工部４Ｂと、後部Ｃを加工する後部加工部４Ｃとを有する。

さらに、中央部加工部４Ｂは開口部に近い方から順に、鍔形成部４Ｂ１、バネ受け形成部４Ｂ２及びＤカット部形成部４Ｂ３を備える。

鍔形成部４Ｂ１は製造する弁軸の鍔の径及び厚さに応じて、開口部が円環状に設定されている。

またバネ受け形成部４Ｂ２は、鍔形成部４Ｂ１に隣接して形成され、形成するバネ受けの径及び厚さに応じて、同様に円環状に設定される。

Ｄカット部形成部４Ｂ３の断面の形状は、図２（Ａ）のＸ１−Ｘ１線で切った場合の断面図に示す通り、円を両側からカットした形、すなわち直線と曲線とで形成された、いわゆる小判形をしいる。
そのため、中央部Ｂがここに圧入されると、中央部ＢにはＤカット部が形成される。

また、Ｄカット部形成部４Ｂ３とバネ受け形成部４Ｂ２との間には、図２（Ａ）のＸ２−Ｘ２線で切った場合の断面図に示すように、円形に形成された円形部がある。

中央部加工部４Ｂの各部位における内径及び長さは、鍔付きＤカット部ｂ（図１（Ｄ）参照）の各部分の寸法と同じに設定される。

また、後部加工部４Ｃにおける内径及び長さも、スライド部ｃの寸法と同じに設定される。

パンチ５における先端部加工部５Ａの内径及び長さは、ネジ部ａの外径及び長さに同じに設定される。

次に、シャフト体鍛造工程について説明する。
先ず、図２（Ａ）に示すように、シャフト体形成工程で製造されたシャフト体２を、後部Ｃ側から第一の金型であるダイス４に圧入する。
このとき、後部Ｃは後部加工部４Ｃに挿入され、中央部Ｂはしごき作用を受けながら中央部加工部４Ｂに圧入される。
すなわち、Ｄカット部形成部４Ｂ３は小判形をしているため、中央部Ｂの表面がしごかれ、そこにＤカット部１３が形成される。
このとき、シャフト体２全体は幾分長くなる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、先端部Ａに第二の金型であるパンチ５を圧入させる。
これにより、中央部Ｂが短縮し、先端部Ａとの境界付近が太径化し、鍔形成部４Ｂ１、バネ受け形成部４Ｂ２及び突起形成部５Ｂの寸法通りにそれぞれ鍔１１Ａ、バネ受け１１Ｃ及び突起１１Ｃが形成される。
以上により、図２（Ｃ）に示すような鍔付きシャフト体３が完成する。

上記のように、シャフト体２を冷間鍛造することで、鍔付きシャフト体３を製造するので、先端部Ａの表面組織が緻密化し、硬度が増す。
その結果、次の工程で形成されるネジ部ａの耐磨耗性が向上する。

また、同様にＤカット部１３の表面の強度も向上し、モーター弁に搭載されるスラスト軸受けとの接触面の耐久性が増す（図４参照）。

次に、鍔付きシャフト体転造工程を行う。鍔付きシャフト体転造工程は、前工程のシャフト体鍛造工程で製造された鍔付きシャフト体３の先端部Ａに雄ネジ１２を形成する工程である。

図３は鍔付きシャフト体転造工程の一例を示す説明図である。
図３（Ａ）に示すように、鍔付きシャフト体３の先端部Ａを間に介在させるように一対の丸ダイスＸを配置する。

次に所定の回転数で回転させながら、丸ダイスＸ間の距離を徐々に狭めていくことにより、鍔付きシャフト体３を押圧していく。
丸ダイスＸに押圧された鍔付きシャフト体３も同様に回転し、その表面に丸ダイスＸに対応する雄ネジ１２が形成される。

そして図３（Ｂ）に示すような雄ネジ１２が形成され弁軸１０が完成する。
因みに完成した弁軸１０のＸ３−Ｘ３線で切った断面の形状は、図３（Ｃ）に示すように、小判形である。

このように、本発明の弁軸の製造方法においては、切削加工と冷間鍛造加工とを併用するので、弁軸を高い寸法精度で、且つ切削加工だけを使った従来の製造方法よりも短時間で製造することができる。
その結果、従来よりも安価に弁軸を製造することができる。

また、製造された弁軸は、弁軸全体が一体に形成されているので、従来のようにシャフトＰに別体形成された鍔部１１を圧入する製造方法に比べ、製造過程で表面に傷や凹部等が生じることがない。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上記の実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
例えば、上述した第一の実施形態においては、後部Ｃに特別な加工を必要としないため、ダイスの後部加工部４Ｃの形状は最終的に成形される弁軸１０の寸法と同じになっているが、後部Ｃに特別な加工を必要とする際は、後部加工部４Ｃを応じた形状に加工することとなる。

転造加工工程において、丸ダイスの代わりに板ダイスを使用することも可能であり、その場合は、板ダイスを往復運動させることにより加工する。

図１は、第一の実施形態に係る弁軸の製造方法を示す工程図である。 図２は、シャフト体鍛造工程を模式的に示す工程図である。 図３は、鍔付きシャフト体転造工程の一例を示す説明図である。 図４は、モーター弁を拡大して示す説明図である。 図５は、従来の弁軸の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１…シャフト素材
２…シャフト体
３…鍔付きシャフト体
４…ダイス
４Ｂ…中央部加工部
４Ｂ１…鍔形成部
４Ｂ２…バネ受け形成部
４Ｂ３…Ｄカット部形成部
４Ｃ…後部加工部
５…パンチ
５Ａ…先端部加工部
５Ｂ…突起形成部
１０…弁軸
１１…鍔部
１１Ａ…鍔
１１Ｂ…突起
１１Ｃ…バネ受け
１２…雄ネジ
１３…Ｄカット部
２０…弁体
３０…弁座
４０…弁バネ
５０…スラスト軸受け
６０…基部
７０…ローター
Ａ…先端部
Ｂ…中央部
Ｃ…後部
ａ…ネジ部
ｂ…鍔付きＤカット部
ｂ１…円形部
ｃ…スライド部
Ｐ…シャフト
Ｘ…丸ダイス

Claims (6)

1. ネジ部、鍔付きＤカット部及びスライド部を有し、モーター弁に用いられる弁軸の製造方法であって、
   円柱状のシャフト素材を切削して、それぞれが異なる外径を有する先端部、中央部及び後部よりなるシャフト体を形成するシャフト素材切削工程と、
   前記シャフト体切削工程により得られたシャフト体に冷間鍛造加工を施し、Ｄカット部と鍔部とを有する鍔付きシャフト体を形成するシャフト体鍛造工程と、
   前記鍔付きシャフト鍛造工程により得られた鍔付きシャフト体に転造加工を施し、先端部にネジ部を形成する鍔付きシャフト体転造工程と、を備えることを特徴とする弁軸の製造方法。
2. 前記シャフト体鍛造工程において、前記中央部にＤカット部及び鍔部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の弁軸の製造方法。
3. 前記シャフト体鍛造工程において、前記Ｄカット部が形成された後、前記鍔部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の弁軸の製造方法。
4. 前記シャフト体鍛造工程において、前記Ｄカット部はダイスにより形成され、前記鍔部はパンチにより形成されることを特徴とする請求項３に記載の弁軸の製造方法。
5. 前記シャフト素材切削工程おいて、前記中央部が、弁軸の鍔部付きＤカット部の長さ寸法よりも長く加工されることを特徴とする請求項１に記載の弁軸の製造方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の弁軸の製造方法により製造された弁軸。

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