JP2012084389A - スパークプラグ用中心電極の製造方法及びスパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパークプラグの中心電極を、電極材料からなるワークを押出成形して製造する際に、ワークの拡径を防いで寸法精度の低下を抑え、更には後段の押出工程でこれまでよりも小径化しできるようにして工程数の削減も可能にする。
【解決手段】ａ）ワークを準備する準備工程と、ｂ）ワークが挿入される挿入部と、ワークを所定の外径に成型する成型部とを備える金型にワークを挿入する挿入工程と、ｃ）金型に挿入したワークを押出し成型する押出工程とを備えるとともに、押出工程においてワークの未成型部の外径が拡がるのを抑制するための拡径抑制部が形成された挿入部を有する金型を用いてスパークプラグ用中心電極を製造する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、スパークプラグの中心電極を製造するための方法、並びに前記のスパークプラグ用中心電極の製造方法を含めたスパークプラグの製造方法に関する。

内燃機関には、点火のためのスパークプラグが用いられている。一般的なスパークプラグは、軸孔内の先端側に中心電極を保持し、後端側に接続端子を保持した絶縁碍子と、その絶縁碍子の胴部の周囲を取り囲んで保持する主体金具と、この主体金具の先端に一端が溶接され、他端が中心電極の先端に対向し火花放電ギャップを形成する接地電極とから構成されている。

このようなスパークプラグの中心電極を製造するには、従来では電極材料を切削加工していたが、本出願人は先に、電極材料からなるワークを金型に収容し、パンチで押し出して所定の電極形状に加工する方法を提案している（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２１３１５０号公報

スパークプラグの中心電極は、接地電極側に向かって段状に径が細くなっており、そのため押出成形も多段に行われるが、後段の押出工程では、前段の押出工程で用いた金型よりも小径の成型部が形成された金型を用いて押し出しを行う。また、金型は、ワークを挿入させるために、ワークの外径よりも大径の挿入口を有する。そのため、後段の押出工程では、ワークはパンチで押圧されて変形し、金型の成型部よりも上の部分が拡径した状態で押出される。そして、ワークの拡径した部分がそのまま残り、最終製品の寸法精度を低下させることがある。このようなワークの拡径は、後段の押出工程で用いる金型の成型部の口径が、前段の押出工程で用いる金型の成型部の口径よりも小さくなるほど顕著になるため、一度の成形で余り大きな縮径ができない状況にある。

また、押出成形は、金型を加熱して行う熱間押出成形と、常温で行う冷間押出成形とがあり、製造コストの面では冷間押出成形が好ましいが、上記のようなワークの拡径は、冷間押出成形を行う際に特に顕著になる。

最近では、エンジンの小型軽量化のために、スパークプラグの小型化も余儀なくされており、中心電極のより細径化に対する要望が強い。一方で、寸法精度も要求されているが、上記のように後段の押出工程で極端に細径化するのは困難であるため、成型部の口径を徐々に小さくして多段に押し出したり、切削加工を別途行う必要があり、工程増によるコスト高を招くようになる。

そこで本発明は、スパークプラグの中心電極を、電極材料からなるワークを押出成形して製造する際に、ワークの拡径を防いで寸法精度の低下を抑え、更には後段の押出工程でこれまでよりも小径化できるようにして工程数の削減も可能にすることを目的とする。

上位目的を達成するために本発明は、下記のスパークプラグ用中心電極の製造方法を提供する。
（１）ワークを準備する準備工程と、
前記ワークが挿入される挿入部と、前記ワークを所定の外径に成型する成型部とを備える金型に前記ワークを挿入する挿入工程と、
前記金型に挿入した前記ワークを押出し成型する押出工程とを備えるスパークプラグ用の中心電極の製造方法であって、
前記挿入部は、前記押出工程において前記ワークの未成型部の外径が拡がるのを抑制するための拡径抑制部を有することを特徴とするスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
（２）前記押出工程において、前記ワークの押し出し方向と直交する前記成型部の断面積をＳ１、前記ワークの断面積をＳ２としたとき、（Ｓ２−Ｓ１）／Ｓ２が２５％以上であることを特徴とする上記（１）に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
（３）前記拡径抑制部の長さ（Ｌ）が前記ワークの外径以上であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
（４）前記金型の前記挿入部の開口側を前記金型の後端側としたとき、
前記挿入部の開口から前記拡径抑制部の後端までの長さが、前記ワークの長さの１／４〜１倍であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
（５）前記中心電極は、スパークプラグの絶縁体の内孔に設けられた段部と当接するために鍔状に拡径した係止部と、前記係止部に隣接する第１の円柱部と、前記第１の円柱部に隣接して縮径する縮径部と、前記縮径部に隣接する第２の円柱部とを有し、前記縮径部及び前記第２の円柱部を形成するための押出工程において、
前記係止部が位置する側を中心電極の後端側としたとき、
前記拡径抑制部の長さ（Ｌ）が、前記第１の円柱部の後端から前記第２の円柱部の先端までの長さよりも短い金型を用いることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。

本発明によれば、押出成形時におけるワークの拡径を抑えることができ、寸法精度の高い中心電極を得ることができる。また、一度の成形でこれまでよりも小径に押し出すことが可能であり、押し出し回数を削減することができ、製造コストを下げることができる。このような効果は、熱間での押出成形に比べてコスト面で有利な冷間押出成形において顕著となる。

スパークプラグの一例を示す断面図である。 中心電極の製造工程を示す工程図である。 第１製造工程を示す断面図である。 第２製造工程を示す断面図である。 第３製造工程を示す断面図である。 第５製造工程を示す断面図である。 第６製造工程を示す断面図である。 第８製造工程を示す断面図である。 第９製造工程を示す断面図である。 本発明で用いる金型の一例を示す断面図である。 中心電極の各部の寸法を説明するための図である。

以下、本発明に関して、中心電極の製造方法を例示して説明する。

図１はスパークプラグの一例を示す断面図である。図示されるように、スパークプラグ１００は、筒状の主体金具１１１と、この主体金具１１１の軸方向に沿って貫通孔１１６が内部に形成され、且つ両端部１１２ａ，１１２ｂが主体金具１１１から露出されるようにこの主体金具１１１の内部に嵌め込まれて保持された絶縁体１１２と、先端部１１３ａが露出されるように貫通孔１１６の一端部（図中下方）１１６ａに挿入固定された中心電極１１３と、後端部１１７ａが露出されるように貫通孔１１６の他端部（図中上方）１１６ｂに挿入固定された端子金具１１７と、貫通孔１１６内において中心電極１１３と端子金具１１７との間に設けられ、且つ中心電極１１３及び端子金具１１７のそれぞれに対し軸方向で離間配置された抵抗体１１８と、貫通孔１１６内において抵抗体１１８と中心電極１１３との間に隙間なく設けられた第１の導電性ガラスシール層１１９と、貫通孔１１６内において抵抗体１１８と端子金具１１７との間に隙間なく設けられた第２の導電性ガラスシール層１２０と、主体金具１１１に一端部（基部）１１４ａが抵抗溶接等により結合され、且つ中間部１１４ｃが曲げられて他端部１１４ｂが中心電極１１３の先端部１１３ａに対向配置された略Ｌ字形の接地電極１１４と、を備えている。また、主体金具１１１の外周面には、エンジン等の内燃機関のシリンダヘッド（相手部材）に取り付けられるための取付け用の雄ねじ１１５が周方向にわたって形成されている。更に、中心電極１１３の先端には、貴金属チップ１２１がレーザ溶接等により固着されており、接地電極１１４にも貴金属チップ１２２が固着され、両基金毒チップの間には火花放電ギャップｇが形成される。

上記の中心電極１１３を製造するには、図２〜９に示す工程に従うことができる。

（第１製造工程）
初めに、耐熱性および耐食性に優れたニッケルまたはニッケル合金等の第１金属材製の線材から円柱状の素材を切断する。そして、図３に示すように、この素材を金型１の挿入口１ａ内に挿入してパンチ２で平行打ちすることによって、断面形状が円柱形状のビレット３を形成する。このとき、ビレット３の先端部の外周には円弧状のコーナー４が成形され、ビレット３の後端面には平坦面５が成形される。ここで、２ａは成形後のビレット３を金型１の挿入口１ａ内から突き出すためのキックアウトピンである。

（第２製造工程）
次に、図４に示すように、このビレット３を金型６の挿入口６ａ内に挿入してパンチ７で強く押して、断面形状が円柱形状のビレット８を形成する。このとき、ビレット８の後端面には略円形状の下孔９が成形される。ここで、７ａは成形後のビレット８を金型６の挿入口６ａ内から突き出すためのキックアウトピンである。

（第３製造工程）
次に、図５に示すように、このビレット８を金型１０の挿入口１０ａ内に挿入して下孔９をパンチ１１でさらに強く打つことによって、図２（ｂ）に示すように、断面形状が円筒形状のカップ１２を形成する。このとき、カップ１２の内部には、先端が閉塞され、後端が開口した軸方向穴（凹部）１３が成形される。ここで、１１ａは成形後のカップ１２を金型１０の挿入口１０ａ内から突き出すためのキックアウトピンである。

（第４製造工程）
一方、熱伝導性に優れた銅または銅合金等の第２金属材に塑性加工を施すことにより、図２（ａ）に示すように、断面形状が円柱形状の軸芯１４を形成する。この軸芯１４には、先端側にカップ１２の軸方向穴１３の深さよりやや長い軸方向寸法で、且つ軸方向穴１３の内径とほぼ同じ外径を持つ軸状の円柱部１５、および後端側に円柱部１５より外径が大きい円板部１５ａが成形される。

（第５製造工程）
次に、図６に示したように、カップ１２の軸方向穴１３内に軸芯１４の円柱部１５を挿入した複合体を、金型１７の挿入口１７ａ内に挿入してパンチ１６で平行打ちすることによって、図２（ｃ）に示すように、ワーク１８を形成する。このとき、軸芯１４は、円板部１５ａが軸方向穴１３の後端面より突出した状態でカップ１２内に緊密的に保持される。ここで、１６ａは成形後のワーク１８を金型１７の挿入口１７ａ内から突き出すためのキックアウトピンである。

（第６製造工程）
次に、図７に示すように、ワーク１８を金型１９の挿入口１９ａ内に挿入してパンチ２０で押し込んで前方押出し成形することによって、ワーク１８の先端側を細径化して、図２（ｄ）に示すように、丸棒状の押出し成形体２１を形成する。この押出し成形体２１の先端側にはワーク１８より外径が小さい丸軸状の棒状部（φｄ1）２２が成形され、後端側には前方押出し成形が施されない残部２３が成形される。

（第７製造工程）
次に、押出し成形体２１の後端側の残部２３を含む部分２４を切断することにより、図２（ｅ）に示すように、ワーク１８を細径化した第１の柱状部材２５を形成する。

（第８製造工程）
次に、図８に示すように、第１の柱状部材２５を金型２６の挿入口２６ａ内に挿入してパンチ２７で押し込んで前方押出し成形することによって、第１の柱状部材２５の先端側をさらに細径化して、図２（ｆ）に示すように、段付の第２の柱状部材２８を形成する。この第２の柱状部材２８の棒状部２２の先端側には、棒状部２２よりも外径が小さい丸軸状の径小部（φｄ3）２９が成形される。

（第９製造工程）
次に、図９に示したように、第２の柱状部材２８を金型３０の挿入口３０ａ内に挿入してパンチ３１で押し込んで押通し成形することによって、第２の柱状部材２８の棒状部２２の先端側をさらに細径化して、図２（ｇ）に示すように、２段付の第３の柱状部材３２を形成する。この第３の柱状部材３２の棒状部２２と径小部２９との間には、棒状部２２よりも外径が小さく、径小部２９よりも外径が大きい段部としての丸軸状の径中部（φｄ２）３３が成形される。また、第３の柱状部材３２の後端側（挿入口３０ａの端面側）には、スパークプラグ１００の絶縁体１１２の内孔に設けられた段部１１２ｂに当接するために鍔状に拡径した係止部３４が成形される。第３の柱状部材３２は中心電極１１３（図１参照）として使用される。ここで、３１ａは成形後の第３の柱状部材３２を金型３０の待つ穴３０ａから突き出すためのキックアウトピンである。

本発明では、上記の何れかの押出工程、あるいは全ての押出工程において、押出しの際にワークが拡径しないように、挿入部に拡径抑制部が形成された金型を用いる。例えば、図８に示す第８製造工程において、図１０に示すような拡径抑制部５０を有する金型２６Ａを用いる。

拡径抑制部５０は、挿入口２６ａの挿入側の端面２６ｂから所定の位置にて内方に突出した段状部であり、成型部６０まで連続して形成されている。拡径抑制部５０の口径は、棒状部２２が摺動できる程度に、棒状部２２の外径よりも若干大径に設定されている。更に、拡径抑制部５０の挿入口２６ａ側の端部は、挿入口２６ａの内壁に向かって順次拡径する傾斜面５１であってもよい。

拡径抑制部５０の無い金型を用いると、押し出しの際に、棒状部２２の成型部６０より上の部分が拡径し、押し出し後も拡径した部分が残って棒状部２２の寸法精度が低下することがある。これに対し、拡径抑制部５０があると、押し出しの際に棒状部２２は拡径抑制部５０の口径以上には拡径せず、押し出し後の寸法精度が低下することがない。

また、金型２６Ａにおいて、端面２６ｂから拡径抑制部５０と成型部６０との境界までの部分（以下「挿入部」）の長さＬＡは、棒状部２２の長さＡの１／４〜１倍とすることが好ましい。挿入部の長さＬＡがこれより長くなりすぎると、パンチ（図８：符号２７）の移動距離が長くなり、パンチの寿命を低下させるおそれがある。

また、拡径抑制部５０の長さL（案内部５１含まず）を、棒状部２２の外径以上にすることが好ましい。

このような拡径抑制部５０を有する金型２６Ａは、後述する実施例にも示すように、断面減少率εを２５％以上にする場合に特に有効になる。

また、上記工程で得られる第３の柱状部材３２は、図２（ｇ）に示すように、係止部３４と、係止部３４に連続する棒状部２２と、棒状部２２に連続する径中部３３と、径中部３３に連続する径小部２９を有するが、図１１に示すように棒状部２２の長さをＬ１とするとき、金型２６Ａにおける拡径抑制部５０の長さＬをＬ１以下にすることが好ましい。拡径抑制部５０の長さＬをＬ１よりも長くしても拡径を抑制する効果の更なる向上は見込めないばかりでなく、パンチの移動距離が長くなる結果、パンチの寿命を低下させるおそれがある。

上記の工程は、熱間で行ってもよく、冷間で行ってもよいが、金型を加熱する必要がないことから製造コスト上有利な冷間で行うことが好ましい。

このようにして中心電極１１３が製造され、図１に示すようなスパークプラグを組み立てる。尚、接地電極１１４は、図示される単極の他、多極接地電極のスパークプラグとすることもできる。

以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験１：拡径抑制部の長さ（Ｌ）の検証）
クロム含有量が１０質量％のニッケル合金でカップを作製し、銅合金からなる軸芯と複合化して図２（ｃ）に示すようなワーク１８を作製した。

そして、ワーク１８を押出成形して図２（ｆ）示すような第２の柱状部材２８を成形した。次いで、図１０に示すような拡径抑制部を有する金型を用い、図２（ｇ）に示すような第３の柱状部材３２を押出成形した。その際、拡径抑制部の長さ（Ｌ）を、第３の柱状部材３２における棒状部２２の外径（Ｄ＝３ｍｍ）の１倍、２倍、５倍並びに棒状部２２の長さ（Ｌ１）に変更した。また、第３の柱状部材３２の棒状部２２の外径と、径小部２９の外径との比、即ち断面減少率εが１０％、２０％、２５％、３０％。５０％または７０％になるように成型部６０の口径を設定した。これらの押出成形は冷間で行った。

第３の柱状部材３２への押出成形を、拡径抑制部の長さ（Ｌ）及び断面減少率εを変えて各１００回行い、金型への挿入不良または寸法不良が発生した回数を求めた。結果を表１に示す。

Ｄ×０は、拡径抑制部の無い金型を用いた場合を示すが、押出成形して縮径すると成形不良を起こしやすく、断面減少率εが大きくなるほど成形不良が顕著になることがわかる。これに対し、棒状部２２の外径以上（Ｄ×１）の口径を有する拡径抑制部を有する金型を用いることにより、成形不良を少なくすることができる。また、断面減少率εを大きくするほど拡径抑制部の長さ（Ｌ）を長くすることが有効になる。但し、拡径抑制部の長さ（Ｌ）を、棒状部２２の長さ（Ｌ１）以上にする必要がないことがわかる。

また、拡径抑制部の長さ（Ｌ）を、棒状部２２の外径（Ｄ×１）以上にすれば、断面減少率εを２０％以下において、確実に成形不良を防ぐことができる。

（試験２：挿入部の長さ（ＬＡ）の検証）
試験１と同様の第３の柱状部材３２を押出成形した。その際、棒状部２２には、長さ（Ａ）が３０ｍｍ、１５ｍｍ、１０ｍｍのものを用いた。また、金型には、図１０に示すような拡径抑制部を有し、挿入部の長さ（ＬＡ）が前記の棒状部２２の長さ（Ａ）に対し１／５倍、１／４倍、１／３倍、１／２倍、２／３倍または１倍のものを用いた。

第３の柱状部材３２への押出成形を、棒状部２２の長さ（Ａ）及び挿入部の長さ（ＬＡ）を変えて各１００回行い、金型への挿入不良回数を求めた。結果を表２に示す。

表２に示すように、棒状部２２の長さ（Ａ）に関わらず、挿入部の長さ（ＬＡ）を棒状部２２の長さ（Ａ）より長くする必要がないことがわかる。また、棒状部２２が短くなるほど挿入部の長さ（ＬＡ）を短くすることができ、棒状部２２の長さ（Ａ）にもよるが、棒状部２２の長さ（Ａ）の１／４倍から効果が現れている。

１２ カップ
１４ 軸芯
１８ ワーク
２２ 棒状部
２５ 第１の柱状部材
２６、２６Ａ 金型
２６ａ 挿入口
２８ 第２の柱状部材
２９ 径小部
３２ 第３の柱状部材
３３ 径中部
３４ 係止部
５０ 拡径抑制部
６０ 成型部
１００ スパークプラグ
１１１ 主体金具
１１２ 絶縁体
１１３ 中心電極
１１４ 接地電極
１２１、１２２ 貴金属チップ

Claims (6)

1. ワークを準備する準備工程と、
   前記ワークが挿入される挿入部と、前記ワークを所定の外径に成型する成型部とを備える金型に前記ワークを挿入する挿入工程と、
   前記金型に挿入した前記ワークを押出し成型する押出工程とを備えるスパークプラグ用の中心電極の製造方法であって、
   前記挿入部は、前記押出工程において前記ワークの未成型部の外径が拡がるのを抑制するための拡径抑制部を有することを特徴とするスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
2. 前記押出工程において、前記ワークの押し出し方向と直交する前記成型部の断面積をＳ１、前記ワークの断面積をＳ２としたとき、（Ｓ２−Ｓ１）／Ｓ２が２５％以上であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
3. 前記拡径抑制部の長さ（Ｌ）が前記ワークの外径以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
4. 前記金型の前記挿入部の開口側を前記金型の後端側としたとき、
   前記挿入部の開口から前記拡径抑制部の後端までの長さが、前記ワークの長さの１／４〜１倍であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
5. 前記中心電極は、スパークプラグの絶縁体の内孔に設けられた段部と当接するために鍔状に拡径した係止部と、前記係止部に隣接する第１の円柱部と、前記第１の円柱部に隣接して縮径する縮径部と、前記縮径部に隣接する第２の円柱部とを有し、前記縮径部及び前記第２の円柱部を形成するための押出工程において、
   前記係止部が位置する側を中心電極の後端側としたとき、
   前記拡径抑制部の長さ（Ｌ）が、前記第１の円柱部の後端から前記第２の円柱部の先端までの長さよりも短い金型を用いることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のスパークプラグ用の中心電極の製造方法。
6. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔に保持される中心電極と、
   前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
   基端部が前記主体金具に接合され、その先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法であって、
   前記中心電極を、請求項１〜５の何れか１項に記載の方法で製造する工程を有することを特徴とするスパークプラグの製造方法。

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