JP2010510385A - 自緊法及び自緊装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る自緊法では、自緊したい厚壁のワークピース（２）を自緊装置（１）に位置決めする。ワークピース（２）の内室（５）を流体で満たし、耐圧性に閉鎖する。ワークピース（２）の内室（５）内の流体に提供されている容積を、ワークピース（２）の押しのけピストン開口（６）を通してワークピース（２）の内室（５）内に移動させられる押しのけピストン（１９）により減じる。それゆえ、圧力はワークピース（２）の内室（５）内で発生される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、厚壁のワークピースを自緊する方法、すなわち、自緊したい厚壁のワークピースを自緊装置に位置決めし、ワークピースの内室を流体で満たし、耐圧性に閉鎖する自緊法に関する。さらに本発明は、前記方法を実施するための装置、すなわち、自緊装置であって、自緊したいワークピースの内室を流体で満たす手段と、内室を耐圧性に閉鎖する手段と、ワークピースの内室内に圧力を形成する手段とを備える形式のものに関する。

自緊（Ａｕｔｏｆｒｅｔｔａｇｅ：オートフレタージ）とは、内圧負荷される厚壁の構成部品の静的かつ動的な負荷容量を高める方法のことを言う。この方法では、運転圧を大きく上回る伸張圧を１度加えることにより、適当に圧縮残留応力を形成する。このとき、ワークピースの降伏点は部分的に超過される。ワークピースの部分領域は、高圧下で永久的に塑性変形される一方、外側のワークピース領域は弾性変形されるのみである。これにより、ワークピース内部の予圧が行われ、運転強度の改良だけでなく、有利には高負荷される構成部品の、寿命にわたって堅固な形態を可能にする。このような構成部品は、特にディーゼル噴射系において使用される。最新の世代のいわゆるコモンレール、すなわち燃料分配器条片は、２００ＭＰａを超えるオーダの圧力で運転中負荷される。このことは、コモンレールの周囲で燃料を案内する管路や、そこに接続されるインジェクタにも言える。

一般的には、自緊処理の際、高圧流体を、処理したいワークピースに導入し、ワークピースの外に配置された圧力発生器により、接続管路を介してワークピースの内部と連絡した高圧流体を圧縮することによって高圧化する。このとき、一般的には、大きな増圧比を有する圧力変換器が使用される。例えば、圧力変換器のピストンの直径比と同一視され得る増圧比は、１：３０より大きい。高圧側には数百ＭＰａの圧力がかかるので、そこには、アッセンブリのすべてのコンポーネント、特に高圧ピストンのシール性を保証するために、特別な対策を講じる必要がある。このことは、高圧ピストンが、例えば超硬合金から製作されている高圧シリンダ内で案内されることにより達成される。硬度が高いことにより、超硬合金は脆く、打撃及び衝撃荷重に対して敏感である。それゆえ、超硬合金から製作される高圧シリンダは、別のより厚壁の鋼シリンダにより包囲される。鋼シリンダは、高圧領域の高い力を受容することができるように、予圧されている。この構造形式は、超硬合金シリンダが、難加工性の、加えて相対的に嵩張る超硬合金構成部品であるので、高圧シリンダに要するコストをつり上げる。また、高圧シリンダからワークピースの内室への配管も高圧に耐えなければならないので、自緊したい構成部品との超硬合金シリンダの連結も、まったく問題がないというわけにはいかない。適当なシールが設けられていなければならないので、全体構造は極めて手間がかかる。原則、高圧シリンダを含めたすべての高圧負荷される構成部品は、摩耗に曝されており、遅かれ早かれ交換されなければならない。

ＤＥ４１１５２８４Ａ１から、１つの管を収容するための２つの対応ホルダを備える、管のための自緊装置が公知である。この公知の装置では、管内に導入可能なマンドレルが設けられている。マンドレルは、マンドレルと管内壁との間に形成される、圧力媒体で負荷可能な環状室を封止するために、シール装置を支持する。圧力媒体供給は、マンドレルを受容するマンドレルホルダを通して行われる。マンドレルは、自緊のために必要な圧力媒体量を、一定の、マンドレル体積に相当する静的な容積成分だけ減じるために設けられている。

ここから出発して、本発明の課題は、摩耗に起因するコストが減じられている自緊法及び適当な自緊装置を提供することである。

この課題を解決するために、請求項１に記載の特徴を有する自緊法、すなわち、内室内の流体に提供されている容積を、ワークピースの押しのけピストン開口を通してワークピースの内室内に移動させられる少なくとも１つの押しのけピストンにより減じることを特徴とする自緊法、及び請求項１２に記載の特徴を有する自緊装置、すなわち、内室内の流体に提供されている容積が、ワークピースの押しのけピストン開口を通してワークピースの内室内に移動可能な少なくとも１つの押しのけピストンにより変更可能であることを特徴とする自緊装置が提案される。

本発明の有利な形態は、従属請求項に係る発明である。本発明に係る自緊法の有利な形態では、ワークピースに予充填開口を介して流体を充填する。本発明の別の有利な形態では、押しのけピストン開口を、押しのけピストン開口の縁部に圧着されるシール錐により封止する。本発明のさらに別の有利な形態では、予充填開口を閉鎖ピストンにより閉鎖する。本発明のさらに別の有利な形態では、予充填するために、閉鎖ピストンを包囲するシールスリーブをワークピースの接続面に圧着する。本発明のさらに別の有利な形態では、閉鎖ピストンによりシールスリーブをばねの介在下で、接続面に圧着する。本発明のさらに別の有利な形態では、閉鎖ピストンを、シールリングを介して周方向でシールスリーブに対して封止し、シールスリーブがシールリング摩擦を介して閉鎖ピストンにより連行されるようにする。本発明のさらに別の有利な形態では、ワークピースを下から充填する。本発明のさらに別の有利な形態では、押しのけピストン開口と予充填開口とを対向させ、対向する開口を閉鎖する力を自緊圧に対して比例的に高める。本発明のさらに別の有利な形態では、押しのけピストンを自緊圧の到達後再びワークピースから、圧力がほぼ周囲圧に相当するまで走出させ、シール錐を押しのけピストン開口から、閉鎖ピストンを予充填開口から、かつシールスリーブを接続面から離間させ、かつ自緊されたワークピースを装置から取り出す。本発明のさらに別の有利な形態では、ワークピースが、燃料を案内する構成部品である。また、本発明に係る自緊装置の有利な形態では、押しのけピストンが高圧シリンダ内で案内されており、高圧シリンダにシール錐が設けられており、シール錐が、内室を封止するために、押しのけピストン開口の縁部に圧着可能である。本発明のさらに別の有利な形態では、予充填開口を閉鎖するための閉鎖ピストンが設けられており、閉鎖ピストンが、閉鎖ピストンの行程方向で移動可能なシールスリーブにより包囲されている。本発明のさらに別の有利な形態では、シールスリーブがばねを介して閉鎖ピストンに支持されている。本発明のさらに別の有利な形態では、シールスリーブが、充填接続部を有する。本発明のさらに別の有利な形態では、シールスリーブが、ワークピースの接続面に面した側に、シールリングを有する。本発明のさらに別の有利な形態では、閉鎖ピストンが、周面に設けられたシールリングを介してシールスリーブに対して封止されている。本発明のさらに別の有利な形態では、高圧シリンダが、漏れ接続部を有する。

本発明の根底には、相応の装置において摩耗し易い構成部品をできるだけ少なくするためには、高圧領域と、充填すべきワークピースとの間の管路をできるだけなくすことによって、摩耗し易い構成部品をできるだけ少なくすることが望ましいとの思想がある。この解決策は、高圧流体を、自緊したいワークピース外で予圧するのではなく、自緊したいワークピース内で予圧することに見出せる。このことは、内室内の高圧流体に提供されている容積を、押しのけピストン開口を通してワークピースの内室内に移動させられる少なくとも１つの押しのけピストンにより減じることにより達成される。この方法では、まず構成部分の内室に高圧流体を充填し、閉鎖する。つまり、圧力負荷される領域は、ほぼワークピースピースの内室に限定される。この内室は、自緊のために必要な高い圧力を形成するために、方法の経過と共に連続的に減じられる。その際に重要なのは、ワークピースが、押しのけピストンとの関係で見て、押しのけピストンが案内されるシリンダとして見なされるべきではなく、押しのけピストンの外径より大きな内径を有することである。こうすることでのみ、ワークピースの内面を全面的に自緊することが保証され得る。

有利な形態では、ワークピースに予充填開口を介して高圧流体を充填する。それゆえ、ワークピースは、ワークピースの押しのけピストン開口に有利には対向して位置する別の開口を有する。別個の開口を介した充填は、高圧流体を、比較的大きな横断面を有する充填接続部を介して内室に供給すること、すなわち、内室を迅速に充填することを可能にする。これにより、この不連続的な製造法のサイクルタイムをさらに減じることができる。

方法の別の重要な特徴は、ワークピースの押しのけピストン開口を、押しのけピストン開口の縁部に圧着されるシール錐により封止することである。シール錐は、押しのけピストンが案内される高圧シリンダの構成部分であってよい。これにより、従来、圧力発生器と、自緊したいワークピースとの間で必要であった別個のアダプタプレートが省略される。原則的に、シール錐はしかし、個別的に交換され得るように、別個の構成部品として形成されていてもよい。封止は、形状結合（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：形状による束縛）式及び摩擦力結合（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：摩擦力による束縛）式に、ワークピースとシール座との間の直接的な金属接触を介して行われる。このことはもちろん、シール座がワークピースのジオメトリ（幾何学形状）に合わせて調整されていることを前提とする。それゆえ、シール座は、円錐先端又は球の形状を有していることができる。シール座のジオメトリの選択にとって重要なことは、実現されるシール性である。

シール性は、本発明に係る方法では特に、対向する開口を閉鎖する力を自緊圧に対して比例的に高めることにより保証され得る。押しのけピストン開口と別個の予充填接続部とが対向していない場合、もちろん、自緊のために内室を封止することを可能にするために、ワークピースのための適当な支持装置が設けられていなければならない。

押しのけピストン開口がシール錐により封止されるのと同様に、予充填開口も閉鎖、詳細には、好ましくはやはり円錐形の先端又は丸み付けられた先端を備える閉鎖ピストンにより閉鎖される。それゆえ、閉鎖ピストン自体は、僅かにワークピースの内室に係入するのみである。閉鎖ピストン自体は、所望の高圧流体量が内室内に存在するようになって初めて、内室を封止すればよい。

内室の充填により、ガスはできる限り完全に内室から除去される。それゆえ、内室は、充填時に押しのけピストン開口の領域で開放されていなければならない。それゆえ、予充填開口が押しのけピストン開口より低位に配置されており、その結果、ワークピースがいわば下方から充填され得ると特に有利である。高圧流体の導入前、シールスリーブはワークピースの接続面に圧着される。このシールスリーブは、閉鎖ピストンを包囲し、ワークピースの接続面に対して、端部に設けられたシールリングを介して封止され、閉鎖ピストンの外周に対して、別のシールリングを介して封止されている。

それゆえ、本発明に係る方法では、まずワークピースが手又はロボットによりクランプ及びポジショニング装置に置かれる。引き続いて、シールスリーブが下からワークピースに圧着されなければならない。圧着は、閉鎖ピストンを予充填接続部の方向で移動させることにより行われる。このとき、シールスリーブは連行される。その際、シールスリーブは、ばねの介在下で閉鎖ピストンに支持されている。ばねは、ワークピースの充填時に確実な封止を保証するために、十分な予圧が生じるまで緊縮される。ワークピースに設けられた押しのけピストン開口は、この工程中開放されたままである。ワークピースの予充填開口が周方向で封止された後、シールスリーブに設けられた充填接続部を介して高圧流体がワークピースに導入され得る。空気は、押しのけピストン開口の領域で、高圧流体が上方でワークピースの押しのけピストン開口から溢流するまで逃がされる。

高圧流体が内室の充填時に、管理されることなく押しのけピストン開口から流出することがないように、この開口の領域にも、予充填接続部に用いられるようなシールスリーブが設けられていてもよい。余分な高圧流体は、このヘッド側のシールスリーブに流入し、そこで管理下で導出される。

充填工程の終了後、閉鎖ピストンの円錐形のシール先端が予充填接続部に挿入され、予充填接続部を耐圧性に封止する。同時に、ワークピースはさらに上方に動かされ、高圧シリンダの円錐形のシール錐に圧着される。今や、構成部品の内室は封止されており、内圧負荷の準備が整う。

押しのけピストンが別のハイドロリックシリンダによりワークピースの内室に移動させられると、高圧流体に提供されている容積が減じられ、結果的に、流体の圧力は数百ＭＰａに上昇する。そこで本来の自緊が行われる。

自緊圧がワークピース内で達成された後、放圧が実施される。このために、押しのけピストンは、押しのけピストンに固く結合されているハイドロリックシリンダにより、ワークピースから、圧力がほぼ周囲空気圧に等しくなるまで走出される。その後、閉鎖ピストンが再び戻されるので、内室の両開口は再び開放されている。閉鎖ピストンを戻す際、シールスリーブも一緒に出発位置へと連行される。このことはシール摩擦に基づく。

製造サイクルの終了時、押しのけピストン、及びシールスリーブを含めた閉鎖ピストンは、再び出発位置にある。処理されたワークピースは取り出し可能である。プロセスは冒頭から開始される。

本発明に係る方法では、高圧流体体積の量をできるだけ小さく維持することに尽力している。これにより、この方法はより高速で実施される。加えて、このような自緊装置の、遅かれ早かれ交換されなければならない摩耗部品は、所望の圧力がワークピースの外で形成される従来慣用の自緊装置に比べて明らかに小さく寸法設定され得る。押しのけピストンはもちろん、ワークピースの全長を貫通する必要はなく、できる限り小さな高圧流体装填量で、同時にできる限り小さなストロークで、方法の所望の結果が達成されるように寸法設定されている。それゆえ、本発明の範囲内で、使用される高圧流体体積の量を、内室内に金属製のインサートの形態の一定の体積の押しのけ体が挿入されていることにより減じることも可能である。このようなインサートは、例えば屈曲した燃料管路で有利であるように、フレキシブルな形態であってもかまわない。本発明に係る方法は、特に、燃料を案内する構成部品の自緊のために使用され得る。具体的には、コモンレールの自緊のために極めて良好に適している。それというのも、コモンレールは、特に高い圧力に耐える必要のある厚壁の真っ直ぐなワークピースであるからである。もちろん、この方法は、燃料インジェクタの自緊、燃料を案内する管路の自緊及び噴射領域における圧力負荷される構成部分の自緊のためにも適している。

本発明について以下に、図示の実施の形態を参照しながら詳述する。

出発位置にある自緊装置の概略縦断面図である。 充填工程終了後の図１の自緊装置を示す図である。 ワークピースの高圧負荷中の自緊装置を示す図である。

図１は、コモンレール等の厚壁のワークピース２を自緊する自緊装置１を示す。このためにワークピース２は、高圧シリンダ３と閉鎖シリンダ４との間に位置決めされる。この実施の形態では、高圧シリンダ３、ワークピース２及び閉鎖シリンダ４の中心長手方向軸線ＭＬＥは、一直線に整合している。

図示のように、ワークピース２は孔の形態の内室５を有する。図平面で見て上側の開口を押しのけピストン開口６と呼び、図平面で見て下側の開口を予充填開口７と呼ぶ。後続の図面に示すように、押しのけピストン開口６及び予充填開口７の封止は、相応のシール錐を介して行う。第１のシール錐８は、高圧シリンダ３の構成部分であり、押しのけピストン開口６を閉鎖するために押しのけピストン開口６に押し付けられる。しかし、押しのけピストン開口６を閉鎖する前に、まず、図示されていない高圧流体を内室５に注入する必要がある。この注入は、半径方向でシールスリーブ１１に配置されている充填接続部１０を介して行う。しかし、高圧流体を充填接続部１０を介して内室５に導入する前に、シールスリーブ１１を、図２に示すように、ワークピース２の接続面１２に向かって移動させる必要がある。この移動は、シールスリーブ１１内に配置されている閉鎖ピストン１３により行う。シールスリーブ１１は、ばね１４を介して閉鎖ピストン１３の鍔１５に支持されているので、端面に組み込まれたシールリング１６の介在下で、ワークピース２の接続面１２に押し付けられ、ここに封止を形成する。高圧流体は、押しのけピストン開口６から流出するようになるまで、内室５に導入される。引き続いて、シールスリーブ１１内に収容されたシールリング１７を介して封止されている閉鎖ピストン１３を予充填接続部７に押し付け、予充填接続部７を閉鎖ピストン１３の円錐形のシール先端１８により閉鎖する。同時に、高圧シリンダ３のシール錐８をワークピース２の縁部９に押し付けることにより、内室５の上端の封止を行う。内室５内の高圧流体に提供されている容積を押しのけピストン１９により減じることにより、高圧流体の圧力負荷を行う。

図３は、どのようにマンドレル状の押しのけピストン１９を、シール錐８を貫いて内室５内に移動させるかを示す。この場合、内室５内の高圧流体は、内室５内にワークピース２の自緊に至る数百ＭＰａの圧力が形成され得る強さに圧縮される。押しのけピストン１９は、図示されていないハイドロリックシリンダに連結されている。ハイドロリックシリンダは、押しのけピストン１９の横断面に比べて大きなピストン面に働くより低い圧力により、必要な自緊圧を形成する。漏れ接続部２０は漏れ流の流出を可能にする。

押しのけピストン１９が液圧式に移動させられるのと同様に、閉鎖ピストン１３にも、概略的に示したハイドロリックシリンダ２１が作用する。ハイドロリックシリンダ２１は、閉鎖ピストン１３に固結されている。

１ 自緊装置
２ ワークピース
３ 高圧シリンダ
４ 閉鎖シリンダ
５ ワークピース２の内室
６ 押しのけピストン開口
７ 予充填開口
８ シール錐
９ 縁部
１０ 充填接続部
１１ シールスリーブ
１２ 接続面
１３ 閉鎖ピストン
１４ ばね
１５ 鍔
１６ シールリング
１７ シールリング
１８ シール先端
１９ 押しのけピストン
２０ 漏れ接続部
２１ ハイドロリックシリンダ
ＭＬＥ 中心長手方向軸線

Claims (19)

1. 自緊したい厚壁のワークピース（２）を自緊装置（１）に位置決めし、ワークピース（２）の内室（５）を流体で満たし、耐圧性に閉鎖する自緊法において、内室（５）内の流体に提供されている容積を、ワークピース（２）の押しのけピストン開口（６）を通してワークピース（２）の内室（５）内に移動させられる少なくとも１つの押しのけピストン（１９）により減じることを特徴とする自緊法。
2. ワークピース（２）に予充填開口（７）を介して流体を充填する、請求項１記載の自緊法。
3. 押しのけピストン開口（６）を、押しのけピストン開口（６）の縁部（９）に圧着されるシール錐（８）により封止する、請求項１又は２記載の自緊法。
4. 予充填開口（７）を閉鎖ピストン（１３）により閉鎖する、請求項１から３までのいずれか１項記載の自緊法。
5. 予充填するために、閉鎖ピストン（１３）を包囲するシールスリーブ（１１）をワークピース（２）の接続面（１２）に圧着する、請求項１から４までのいずれか１項記載の自緊法。
6. 閉鎖ピストン（１３）によりシールスリーブ（１１）をばね（１４）の介在下で、接続面（１２）に圧着する、請求項５記載の自緊法。
7. 閉鎖ピストン（１３）を、シールリング（１７）を介して周方向でシールスリーブ（１１）に対して封止し、シールスリーブ（１１）がシールリング摩擦を介して閉鎖ピストン（１３）により連行されるようにする、請求項６記載の自緊法。
8. ワークピース（２）を下から充填する、請求項１から７までのいずれか１項記載の自緊法。
9. 押しのけピストン開口（６）と予充填開口（７）とを対向させ、対向する開口を閉鎖する力を自緊圧に対して比例的に高める、請求項１から８までのいずれか１項記載の自緊法。
10. 押しのけピストン（１９）を自緊圧の到達後再びワークピース（２）から、圧力がほぼ周囲圧に相当するまで走出させ、シール錐（８）を押しのけピストン開口（６）から、閉鎖ピストン（１３）を予充填開口（７）から、かつシールスリーブ（１１）を接続面（１２）から離間させ、かつ自緊されたワークピース（２）を装置（１）から取り出す、請求項１から９までのいずれか１項記載の自緊法。
11. ワークピース（２）が、燃料を案内する構成部品である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の自緊法。
12. 自緊装置であって、自緊したいワークピース（２）の内室（５）を流体で満たす手段と、内室（５）を耐圧性に閉鎖する手段と、ワークピース（２）の内室（５）内に圧力を形成する手段とを備える形式のものにおいて、内室（５）内の流体に提供されている容積が、ワークピース（２）の押しのけピストン開口（６）を通してワークピース（２）の内室（５）内に移動可能な少なくとも１つの押しのけピストン（１９）により変更可能であることを特徴とする自緊装置。
13. 押しのけピストン（１９）が高圧シリンダ（３）内で案内されており、高圧シリンダ（３）にシール錐（８）が設けられており、シール錐（８）が、内室（５）を封止するために、押しのけピストン開口（６）の縁部（９）に圧着可能である、請求項１２記載の自緊装置。
14. 予充填開口（７）を閉鎖するための閉鎖ピストン（１３）が設けられており、閉鎖ピストン（１３）が、閉鎖ピストン（１３）の行程方向で移動可能なシールスリーブ（１１）により包囲されている、請求項１３記載の自緊装置。
15. シールスリーブ（１１）がばね（１４）を介して閉鎖ピストン（１３）に支持されている、請求項１４記載の自緊装置。
16. シールスリーブ（１１）が、充填接続部（１０）を有する、請求項１４又は１５記載の自緊装置。
17. シールスリーブ（１１）が、ワークピース（２）の接続面（１２）に面した側に、シールリング（１６）を有する、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の自緊装置。
18. 閉鎖ピストン（１３）が、周面に設けられたシールリング（１７）を介してシールスリーブ（１１）に対して封止されている、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の自緊装置。
19. 高圧シリンダ（３）が、漏れ接続部（２０）を有する、請求項１２から１７までのいずれか１項記載の自緊装置。

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