JP2008524482A - 回転対称なアンダーカット付き外形形状を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば鍛造やキャスティングによって製造され得るワークピース（１３）上において、実質的に回転対称なアンダーカット付き外形形状を製造するための方法に関するものであり、ワークピースは、機械加工対象をなす少なくとも１つのサブセクション（１４）を備えている。サブセクション（１４）は、初期的には実質的に対称な形状を有している。ワークピース（１３）は、機械加工されない端部が、凹所（１１）内にクランプされる。凹所（１１）内においては、機械加工対象をなすサブセクション（１４）に対して、ツール（１２）が適用される。ツール（１２）は、機械加工対象をなすサブセクション（１４）に対して、一定速度または可変速度でもって回転駆動される。これにより、軸線方向の圧力によって、アンダーカット付き外形形状が、サブセクション（１４）上に形成される。

Description

本発明は、ワークピース上において、実質的に回転対称なアンダーカット付き外形形状を切り屑なくかつ切削無く製造するための方法に関するものであり、また、この方法によって製造されたワークピースに関するものである。この種のアンダーカット付き外形形状は、特に、鍛造あるいはキャスティングあるいは切削によって製造されたワークピースのサブセクション（あるいは、一部分）上に、形成することができる。

従来技術において公知の手法においては、例えば市販の自動車ディーゼルエンジン用ピストンの冷却ダクトといったような回転対称なアンダーカット付き外形形状は、切削によって製造される。つまり、例えば鍛造やキャスティング等によって製造された初期的ワークピースが、例えば旋削やミリングやまたはカットといったような材料除去方法によって機械加工され、これにより、アンダーカット付き形状が製造される。

公知手法に関する欠点は、一方においては、切り屑の量が多いことである。とりわけ、例えばピストンといったような大量生産品において、全体的に機械加工される必要のある内部形状に関して、切り屑の量が多いことである。公知手法に関する欠点は、他方においては、従来技術によって製造された製品においてグレイン障害（グレインのインターラップ）が起こることである。そのような障害により、ワークピースの構造が脆弱なものとなり、最終的な製品の摩耗耐性や寿命やコストに悪影響を与える。なお、本出願人の知る限りにおいて、本出願に関する関連文献は、存在していない。

本発明の目的は、より単純に加工を行い得るようなよってより迅速にかつより安価に加工を行い得るような、実質的に回転対称なアンダーカット付き外形形状を製造するための方法を開発することである。

この目的は、請求項１に記載された特徴点を具備した方法によって、解決される。有利であるような様々な実施形態は、従属請求項に規定されている。

本発明による方法を使用して加工されるべきワークピースは、加工対象をなす少なくとも１つのサブセクションを備えている。サブセクションは、例えば多角形や円筒形や円形や円錐形といったような、実質的に対称な、好ましくは実質的に回転対称な、初期外形形状を有している。サブセクションは、回転軸線を有している。加工時には、その回転軸線まわりに、ワークピースを回転させることができる。ワークピースのうちの、加工対象をなすサブセクションは、中実とすることも、部分的に中実とすることも、また、中空とすることも、できる。本発明による方法においては、ワークピースは、まず最初に、例えば明確なロックによっておよび／または摩擦ロックによって、加工対象ではない第１端部のところにおいて、コレットに対してクランプされる。ワークピースは、その後、コレットと一緒に、ツールに向けて駆動される。その後、ツールは、ワークピースの中心軸線まわりに定速でまたは可変速度で回転駆動されつつ、ワークピースのうちの、加工対象をなす、実質的に対称な好ましくは実質的に回転対称な、第２端部に対して、押圧される。これにより、加工ステップ時に、ツールを第２端部に対して軸線方向に押圧することによって、ピストン上の冷却ダクトといったようなアンダーカット付き外形形状を非切削的に製造することができる。

さらに、本発明による方法においては、アンダーカット付き外形形状に対して、機械的寸法を容易に与えることができる。これにより、最終製品を得るに際しては、最終的な微細加工プロセスを行うだけで良い。その結果、製造を、より迅速に行うことができ、結局のところ、より安価に製造を行うことができる。

好ましくは、ワークピースおよびツールの移動操作は、供給操作とされ、これにより、加工に必要な軸方向圧力が印加される。この供給操作は、ワークピースおよびコレットによって、あるいは、ツールによって、あるいは、平行的供給操作によって、行うことができる。

上記従来の方法と比較した場合の利点は、本発明による加工ステップにおいては、材料が、微粉化されたり切削されたりあるいは他の態様で除去されたりしないことである。これにより、形成されたアンダーカット付き外形形状に対して実質的に平行に延在するような、連続的なかつインターラップされていないグレインが、材料内に形成される。これにより、最終製品の材料強度および寿命が大幅に増大する。同様に、最終製品に起こり得る欠陥が、処理済みワークピース部分を完全に加工することにより、さらに低減される。

好ましい実施形態においては、加工ステップにおいて形成されることとなるアンダーカット付き外形形状は、加工対象をなすワークピースサブセクションの初期的外形形状に対して、回転対称的な態様で、内向きにまたは外向きに配向させることができる。ディーゼルエンジンピストンの内側および／または外側冷却ダクトは、従来技術においては切削加工によって製造されなければならないものであったけれども、本発明においては、内向きまたは外向きに配向した外形形状の一例として、言及することができる。外向きに配向したアンダーカット付き外形形状は、例えば、従来技術においては同様に切削加工によって製造されなければならないものであったような前方軸体ハウジング上においても、見出すことができる。本発明による方法により、構造的により安定した態様でもって、双方のタイプの外形形状を製造することができる。

本発明による方法において使用されるツールは、加工対象をなすワークピースに応じて、対称形状を有したものとも、また、非対称形状を有したものとも、することができる。さらに、ツールを、第１速度でもって回転させること、なおかつ、ワークピースを、第１速度とは異なるものとして選択し得る第２速度でもって回転させること、が有利であることが判明している。ツールの速度は、ワークピースの速度と比較して、最大で３０％の分だけ、相違することができる。ツールおよび／またはコレットの回転駆動システムが、追加的にフリーホイールを有している場合には、第１速度および／または第２速度を変更することができる。これにより、材料の流れを極めて規則的なものとすることができる。その結果、最終製品の特性を改良することができる。

ワークピースのうちの加工対象をなす実質的に対称なサブセクションとツールとの間に位置した摩擦面を大きなものに維持することが要望されているような用途においては、加工対象をなすサブセクションの回転軸線と、ツールの中心軸線とを、位置合わせすることができる。しかしながら、例えば、加工対象をなすサブセクションが中実とされたワークピースの場合のように、摩擦がより小さいことが要望される場合には、すなわち、より小さな摩擦面が要望される場合には、さらに好ましい実施形態においては、加工対象をなすサブセクションの回転軸線とツールの中心軸線とを、偏心距離ｅの分だけ、偏心させることができる。偏心距離の大きさは、回転ツールが、加工対象をなすワークピース部分の中心軸線まわりにおいて、軸線方向に振動するように、調節することができる。この軸線の振動は、例えば、ツールを径方向に移動させることによって、得られる。その上、摩擦面の減少は、より小さな力しか必要としないという利点をもたらす、すなわち、より小さな加工エネルギーしか必要としないという利点をもたらす。それは、部分的にしか接触していないからである。

さらに有利な実施形態においては、ワークピースの全体を、事前プロセスに基づいて決定された温度分布となるように加熱する、あるいは、例えば材料に関して適切な鍛造温度にまで、予備的ステップにおいて加熱する。その結果、材料の流れ応力（曲げ強度）を低減させることができ、回転対称なワークピースサブセクションの加工を、容易に行うことができる。

加工対象をなすサブセクションが、例えば事前ステップの目標加熱の結果として、所定の温度分布を有しているように、アンダーカット形状を調節することが、特に好ましい。このため、幾何形状は、特に、形成されたアンダーカットの長さおよびクリアランスを備えている。方法におけるこの特徴点のために、加工は、一方においては、単純化され（流れ応力が低減され）、他方においては、より正確なものとなりかつより再現性の良いものとなる。

本発明による方法により、さらに、アンダーカット付き外形形状の正確な形状を決定することができる。この目的のために、加工ステップにおいて製造されることとなるアンダーカット付き外形形状は、１つまたは複数の回転自由なツールあるいは１つまたは複数の回転駆動型のツールに対して押圧されることにより、決定される。この押圧は、形成されるべきアンダーカットに対して、実質的に径方向において行うことができる。例えば回転可能なツールといったような追加的なツールの適用により、さらに、形成されたアンダーカット付き外形形状に対して、ギャップを形成することができる。よって、追加的なツールは、外形形状だけでなく、前面や、前面から側面への尖鋭端移行部分や、クリアランスまでをも、所定態様でなおかつ単一操作でもって、調節し得るように構成することができる。このようにして、複雑なアンダーカット付き外形形状を、正確に、カスタム的に形成することができる。

本発明による方法を使用して製造されるワークピースは、したがって、形成されたアンダーカット付き外形形状に対して実質的に平行に、連続的な非インターラップグレインを具備していることを特徴とする。そのようなグレインフローは、材料の流入能力と寿命と無欠陥性とを増大させ、したがって、ワークピース品質を全体的に向上させる。加えて、最終的なワークピースの製造に要する時間を大幅に低減することができる。これにより、コスト的な利点をもたらすことができる。

本発明による方法によって処理（あるいは、加工）され得るワークピースは、様々な材料とすることができる。例えば、ディーゼルエンジンピストンの場合、市販の自動車の高性能エンジンのためにはスチールが使用され、一方、圧縮比率の小さな乗合自動車エンジンのためにはシリコン合金が使用される。

以下においては、本発明に関し、図１〜図７を参照しつつ、本発明の例示としてのいくつかの実施形態について、説明する。

図１〜図３に示す方法においては、高性能ディーゼルエンジン内で使用され得るような鍛造スチール製ピストン上に、回転対称なアンダーカット付き外形形状が形成される。

本発明による方法は、図１に図示されたデバイスを使用して、実行される。このデバイスは、ワークピース１３に対してクランプ止めされるためのコレット１１と、ワークピースを加工するためのツール１２と、ワークピース１３が付設されたコレットをツール１２に対して供給するための手段（図示せず）と、を備えている。ここでは、ツール１２は、加工時に生成される材料の流れを径方向に制限するための周縁リムを備えている。この例示としての実施形態においてワークピース１３として使用されているスチール製ピストンは、スチール製ピストンの加工端を構成することとなる中空のかつ回転対称なサブセクション１４を備えている。加工ツール１２は、このサブセクションに対して押圧されており、加工に際して必要な軸線方向圧力は、供給動作によって印加される。

コレット１１は、クランプ止めされているワークピース１３と一緒に、回転軸線１５回りに、回転することができる。一方、ツール１２は、ツール自身の中心軸線１６回りに、回転することができる。コレットとツールとの双方は、回転駆動源（図示せず）を備えている。各回転駆動源は、フリーホイールを備えており、それぞれの回転速度は、速度制御手段によって個別的に制御することができる。

ツールの中心軸線１６は、一方においては、コレットの回転軸線１５と一致することができる、あるいは他方においては、互いに平行なままオフセットすることができる（偏心距離ｅ＞０）。

前者の場合には、ツール１２とワークピースのうちの加工対象をなすサブセクション１４との間に発生する摩擦は、ツール１２の周縁速度とコレット１１の周縁速度との間の差だけによって単に引き起こされる。そのため、速度制御によって決定される。よって、特にアルミニウムといったような非常に柔らかいワークピース材料の場合には、この摩擦を、最低限度に制限することができ、これにより、過度の摩擦に起因するような材料の損失を避けることができる。しかしながら、スチールといったようなより硬い材料が使用された場合には、多くの場合において、ツール１２と被加工ワークピースサブセクション１４との間の摩擦が低減されることが好ましく、これにより、結果的に発生する力およびモーメントを制限することができる。この目的のため、ワークピースの回転軸線とツールの回転軸線との間のオフセット量（すなわち、偏心距離）を調節することができる。

図２は、鍛造スチール製ピストン２１上においてアンダーカット付き外形形状として冷却ダクト２２を形成する場合の加工シーケンスの一例を示している。ピストンは、コレットによってクランプされた状態であって、加工の目的のために、鍛造プロセスによって決定された温度分布でもってすなわち実質的に鍛造温度でもって、なおかつ、例えば、ｎ_１ ＝１０００ｍｉｎ^−１という速度でもって、回転駆動される。ツールも、同様に回転駆動される。しかしながら、ツールは、初期的には、ｎ_２（０）＜ｎ という、より低速で回転駆動される。例えばｎ_２（０） ＝７５０ｍｉｎ^−１という速度で回転駆動される。加工という目的のために、ピストンは、軸線方向において押圧されつつ、ツールに対して供給される。この例示としての実施形態においては、ツールの回転駆動源のフリーホイールが利用される。これにより、ツールの回転速度（ｎ_ｕ ）は、ツールとワークピースとの間の接触面のところに形成される形状部分の回転速度に自動的に一致することができる。結果的に得られる一様な材料流れのために、まず最初に、被加工ピストンサブセクション上には、フランジ状延出部２３が、形成される。さらに軸線方向に押圧した際には、材料が徐々に流れる（あるいは、移動する）ことにより、フランジを曲げることができ、さらに、この曲げを、ツール１２の隆起エッジ１７によって、径方向に制限することができる。これにより、ピストンにおいて、アンダーカット付き外形形状を得ることができる。

図３は、アンダーカット付き外形形状をより良好に形成し得るよう機能するさらなる２つの加工手段を示している。ピストンの外壁形状を寸法的にできるだけ正確なものとし得るよう、ここでは円筒形状とされた追加的なツール３１に対しては、供給機構３２によって、新たに形成された外形形状の側方表面へと向かう径方向押圧力が、印加される。これにより、加工時に発生する径方向外向きの材料流れを制限することができる。その結果、新たに形成された外形形状の外径３３は、所望の値とされる。ツールとピストン外形形状との間の摩擦を制限し得るよう、追加的なツールは、回転自由に支持するものとも、また、例えばｎ_３ ＝７５０ｍｉｎ^−１という速度でもって回転駆動するものとも、することができる。

さらに、冷却ダクトのクリアランス３４は、回転可能なツール３５を使用して、カスタム的に形成することができる。このツールは、Ｌ字形状のものとして構成されている。長い方のアーム３６は、アンダーカット付き外形形状の曲がり部分に対しての供給方向に直交したすなわち軸線方向に直交した表面に対して、当接している。また、短い方のアーム３７は、ギャップに対して係合しており、アンダーカット付き外形形状の曲がり部分の径方向内表面に対して、当接している。これにより、回転可能なツール３５は、必要に応じて、径方向内向きの材料流れと、ピストンコレットに向けての供給方向における材料流れと、が制限される。ツール３１，３５の組合せにより、機械加工の許容範囲が設定されているかどうかにかかわらず、寸法的に正確な態様でもって、ピストン上に、冷却ダクトを形成することができる。

さらなる例として、図４は、前方軸体ハウジング３８を示す断面図であって、加工対象をなすサブセクションに関し、加工前の状態３９と、加工後の状態４０と、を示している。本発明による方法により、加工前には円筒形状であった外形形状は、所望に外向きのアンダーカット４１付き外形形状へと、加工された。

図５は、スチール製ピストンの加工シーケンスの一例を示すものであって、この場合には、材料が流れる向き（あるいは、材料が移動する向き）は、内向きとされている。この場合、ピストンの加工対象をなす回転対称サブセクション５０は、本発明による方法によって、徐々に内向きに曲げられる。最終的には、サブセクション５０は、燃焼ボウル５２のエッジ５１に対して当接する。これにより、閉じた気密性の冷却ダクト５３が形成される。

また、気密冷却ダクトは、図６の加工シーケンスによって示すように、加工のための材料流れ方向を外向きとすることによっても、ピストン上に形成することができる。この場合、個別のリング状支持体６２が、冷却ダクトの径方向外周端部のところにおいて、ピストンの外形形状に取り付けられている。本発明による方法においては、ピストンのサブセクション６０は、初期的には円筒形状のものであって、フランジ状延出部６１を有するように再形成される。延出部６１は、最終的には、径方向において、リング状支持体６２上において、ピストンの側面に対して当接する。これにより、延出部６１とリング状支持体６２とが、気密冷却ダクト６３を形成する。

また、図７に示すように、リング状支持体を使用することなく、材料流れ方向を外向きとして、気密冷却ダクトを形成することができる。この場合にも、加工対象をなすサブセクション７０のところにおける材料流れの方向は、まず最初は、拡径方向（延出部７１）であり、その後は、ピストンの予め形成された外形形状に向けて湾曲する。これにより、気密冷却ダクト７３が形成される。

特許請求の範囲によって規定される方法により、非切削加工によって、鍛造やキャスティングや他の製法により製造されたピストン上において、回転対称なアンダーカット付き外形形状を製造することができる。本発明の範囲内に属する様々な実施形態は、上記開示により、当業者には自明であろう。

スチール製ピストンがワークピースとして選択された場合に、本発明による方法において必要とされる構成部材の構造を概略的に示す図である。 初期的ワークピースが鍛造スチール製ピストンとされている例において、請求項１記載の加工シーケンスを示す図である。 駆動可能とされた支持ツールまたは支持可能とされた支持ツールによる、および、回転可能ツールによるクリアランスに対しての、外形形状に関する付加的なカスタム成形を示す図である。 さらなる例として、前方軸体ハウジングを示す図であって、加工対象をなす外形形状が、加工プロセスの前後において示されている。 気密冷却ダクトを形成するための加工シーケンスを示す図であって、材料の流れ方向が、内向きとされている。 気密冷却ダクトを形成するための他の加工シーケンスを示す図であって、材料の流れ方向が、外向きとされている。 気密冷却ダクトを形成するためのさらに他の加工シーケンスを示す図であって、材料の流れ方向が、外向きとされている。

符号の説明

１１ コレット
１２ ツール
１３ ワークピース
１４ サブセクション

Claims (14)

1. 内燃機関用のピストン上において実質的に回転対称なアンダーカット付き冷却ダクトを製造するための方法であって、
   前記ピストンが、加工対象をなす少なくとも1つのサブセクションを備え、
   前記サブセクションが、実質的に対称形状の初期形状を有し、さらに、回転軸線を有し、
   前記サブセクションが、中実なもの、あるいは、部分的に中実なもの、あるいは、中空なもの、として構成され得る場合に、
   この方法においては、
   （Ａ）前記ピストンを、加工対象ではない第１端部のところにおいて、コレットによってクランプし；
   （Ｂ）前記コレットによってクランプされた前記ピストンを、ツールに向けて移動させ；
   （Ｃ）前記ツールを、前記ピストンのうちの実質的に対称形状をなす第２端部に対して当接させつつ、一定速度でもってまたは可変速度でもって回転駆動し；
   （Ｄ）前記第２端部を加工することにより、アンダーカット付き冷却ダクトを、非切削的に製造する；
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記ステップＢにおける前記移動操作を、供給操作とすることを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の方法において、
   前記ステップＤにおいて形成する前記アンダーカット付き冷却ダクトを、加工対象をなす前記サブセクションの前記初期形状に対して実質的に回転対称な態様で内向きに曲がったものまたは外向きに曲がったものとすることを特徴とする方法。
4. 請求項１記載の方法において、
   前記ステップＣおよび前記ステップＤにおいて使用する前記ツールを、対称的なツール形状のもの、あるいは、非対称なツール形状のもの、とすることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
   前記ステップＤにおいては、前記ツールを、第１速度でもって回転駆動するとともに、前記ピストンを、前記第１速度とは異なる速度として選択され得る第２速度でもって回転駆動することを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法において、
   前記第１速度および／または前記第２速度を、可変とすることを特徴とする方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
   前記ステップＣおよび前記ステップＤにおいては、前記ピストンのうちの加工対象をなす実質的に対称な部分の回転軸線と、前記ツールの中心軸線とを、互いに位置合わせすることを特徴とする方法。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、
   前記ステップＣおよび前記ステップＤにおいては、前記ピストンのうちの加工対象をなす実質的に対称な部分の回転軸線と、前記ツールの中心軸線とを、偏心距離ｅの分だけ位置ズレさせることを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、
   前記偏心距離を調節することによって、前記ツールを、軸線方向において、加工対象をなすピストン部分の中心軸線まわりに振動させることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法において、
    前記ステップＡにおいて、前記ピストンの全体を、事前プロセスに基づいて決定された温度分布となるように加熱する、あるいは、前記ステップＡの前のステップにおいて、前記ピストンの全体をまたは前記ピストンのうちの加工対象となる部分だけを、加熱することを特徴とする方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法において、
    前記アンダーカットの幾何形状を、特に、形成されたアンダーカットの長さおよびクリアランスを、調節することにより、加工対象をなす前記サブセクションを、所定の温度分布とすることを特徴とする方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法において、
    さらに、
    （Ｅ）形成対象をなす前記冷却ダクトに向けての前記ツールの径方向押圧力を調節することにより、前記冷却ダクトの外形形状を形成することを特徴とする方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法において、
    さらに、
    （Ｆ）追加的なツールを適用することにより、形成対象をなす冷却ダクトにギャップを形成し、ここで、前記追加的なツールを、外形形状と前面と前面から側面への尖鋭端移行部分とクリアランスとを単一操作でもって調節し得るものとすることを特徴とする方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載された方法によって製造されたピストンであって、
    形成された冷却ダクトに対して実質的に平行に、連続的な非インターラップグレインを具備していることを特徴とするピストン。

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