JP2012149626A

JP2012149626A - 圧縮機用ベーン及びその製造方法

Info

Publication number: JP2012149626A
Application number: JP2011010892A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Mori; 敏彦毛利
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】焼結金属製のベーンを均一な密度で形成し、反りや圧力抜けを防止する。また、ベーンの研磨代を小さくして、歩留まり及び研磨工程の効率を高めると共に、研磨工具の摩耗を抑える。
【解決手段】平板状の圧粉体３０を厚さ方向に圧縮成形することで、圧縮方向の肉厚を小さくすることができるため、圧粉体３０の密度を均一にすることができる。これにより、密度差に起因する焼結体の反りや、低密度部における圧力抜けを防止できる。また、焼結体の反りを抑えることにより、研磨代を小さくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機に用いられるベーン、及びその製造方法に関する。

冷凍サイクルにおける冷媒の圧縮やエアコンプレッサーにおける空気の圧縮などに用いられる圧縮機として、ベーンで圧縮室を区画するベーンロータリー型と称されるものが知られている（例えば特許文献１参照）。

図７に、ベーンロータリー型の圧縮機１の一例を示す。この圧縮機１は、シリンダ２と、ロータ３と、ベーン１０とを有する。シリンダ２は、断面楕円形状の内周面２ａを有する。ロータ３は円筒形状を成し、シリンダ２の楕円形状の内周面２ａにほぼ内接している。ロータ３には複数の溝４が設けられ、各溝４にそれぞれベーン１０が配置される。ベーン１０は、溝４から突出する方向にバネ等（図示省略）により付勢され、その先端部がシリンダ２の内周面２ａと摺接する。シリンダ２とロータ３との間の空間５は、ベーン１０により複数の圧縮空間に区画される。ロータ３が、回転軸６を中心に図中の矢印Ａ方向に回転すると、吸入口７から供給された媒体が各圧縮室で圧縮され、吐出口８から排出される。

ベーン１０は、図８（ａ）に示すように平板状をなし、図８（ｂ）に示すように厚さ方向に対向した一対の平坦面１１，１２と、縦方向一方（図中上側）の側面に設けられ、厚さ方向に湾曲した凸曲面１３とを有する。凸曲面１３は、図９に拡大して示すように、厚さ方向中間部に頂部１３ａを有する円筒面で構成される。凸曲面１３の中心は、ベーン１０の厚さ方向中心に対して厚さ方向にオフセットしている。縦方向他方の側面１４及び横方向両側面１５，１５は、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、何れも平坦面状に形成される。尚、「厚さ方向」とは、ベーン１０の平坦面１１，１２の法線方向（図８（ｂ）の左右方向）であり、「縦方向」とは、厚さ方向と直交する一方向であり（図８（ｂ）及び（ｃ）の上下方向）、「横方向」とは、厚さ方向及び縦方向の双方と直交する方向である（図８（ｃ）の左右方向）。また、後述の圧粉体及び焼結体の説明においても、同様の用語を用いて方向を説明する。

特開２００６−３２２４１４号公報

ベーン１０は、例えば焼結金属で形成される。焼結金属からなるベーン１０は、例えば、金属粉末を圧縮成形して圧粉体を形成するフォーミング工程と、圧粉体を焼結して焼結体を形成する焼結工程と、焼結体の所定箇所を研磨する研磨工程とを経て製造される。

例えば図１０に示すように、フォーミング工程において厚さ方向両側から上下パンチ１１１，１１２で圧縮して圧粉体１０’を成形すると、凸曲面１３’がダイ１１０の内周面で成形されるため、凸曲面１３’の頂部１３ａ’がアンダーカットとなって、成形品をダイ１１０から排出することができない。

上記のような不具合は、図１１に示すように圧粉体１０’を縦方向に圧縮することで解消できる。この場合、圧粉体１０’の縦方向両端部付近Ｑ_Hは、上下パンチ１１１，１１２による圧縮力が伝わりやすいため密度が高くなる一方、圧粉体１０’の縦方向中央部Ｑ_Lは、上下パンチ１１１，１１２による圧縮力が伝わりにくく密度が相対的に低くなる。このように、圧粉体１０’に密度差が生じると、焼結時の膨張量（収縮量）が場所によって異なり、ベーン１０に反りが生じる恐れがある。また、圧粉体１０’に密度差が生じることで、焼結及び研磨が施されたベーン１０にも密度差が生じるため、ベーン１０の低密度部の表面開孔から媒体が焼結金属の内部に抜けてしまい、圧縮室の圧力が低下する恐れがある。

また、圧粉体１０’を縦方向に圧縮する場合、図１２に示すように、凸曲面１３’の端部に金型の破損を防止するためにランド部１３ａ’（平坦面）を設ける必要がある。このランド部１３ａ’はベーン１０には不要であるため、図１２に点線で示すように研磨工程で削り取られる。このように、ランド部１３ａ’が形成されることで研磨量が多くなるため、歩留まりが低下すると共に、研磨工程の時間が長くなり、さらに研磨工具の摩耗が早くなる。

本発明の解決すべき課題は、焼結金属製のベーンを均一な密度で形成し、反りや圧力抜けを防止することにある。

本発明の解決すべき他の課題は、ベーンの研磨代を小さくして、歩留まり及び研磨工程の効率を高めると共に、研磨工具の摩耗を抑えることにある。

前記課題を解決するためになされた本発明は、平板状の焼結金属からなり、厚さ方向に対向した一対の平坦面と、縦方向一方の側面に設けられ、厚さ方向中間部に頂部を有する凸曲面とを備えた圧縮機用ベーンを製造するための方法であって、金属粉末を圧縮成形して圧粉体を形成するフォーミング工程と、圧粉体を焼結して焼結体を形成する焼結工程と、焼結体を所定形状に成形するサイジング工程とを有し、フォーミング工程で平板状の圧粉体を厚さ方向に圧縮成形し、圧粉体の縦方向一方の側面をアンダーカットの無い形状に成形すると共に、サイジング工程で平板状の焼結体を縦方向に圧縮成形し、焼結体の縦方向一方の側面に前記凸曲面を成形するものである。

このように、平板状の圧粉体を厚さ方向に圧縮成形することで、図１１のように平板状の圧粉体を縦方向に圧縮する場合と比べて圧縮方向の肉厚を小さくすることができるため、圧粉体の密度を均一にすることができる。具体的には、ベーンの縦方向中央部における密度と、縦方向両端部における密度との差を、例えば０．３％以内にすることができる。これにより、密度差に起因する焼結体の反りや、低密度部における圧力抜けを防止できる。特に、サイジング工程の後、焼結体に研磨を施す研磨工程を有する場合、焼結体の反りを抑えることにより研磨代を小さくすることができ、例えば研磨代を０．１ｍｍ以下にすることができる。

上記のように圧粉体を厚さ方向に圧縮成形する際、圧粉体の縦方向一方の側面に凸曲面を成形すると、凸曲面の頂部がアンダーカットとなるため、型からの成形品の排出が阻害される（図１０参照）。従って、フォーミング工程では、圧粉体の縦方向一方の側面をアンダーカットの無い形状、すなわち厚さ方向中間部に頂部を有さない形状に成形することで、圧粉体のダイからの排出を可能となる。そして、サイジング工程で、圧縮方向を縦方向に変えることで、縦方向一方の側面に、厚さ方向中間部に頂部を有する凸曲面を成形することができる。

フォーミング工程で、金型の破損を防止するために、厚さ方向に対向する圧粉体の一対の平坦面の縁の全周にランド部を成形することがあるが、圧粉体にサイジングを施すことにより、ランド部を縮小あるいは消失させることができる。これにより、ランド部を削り取るための研磨代を設ける必要が無くなるため、研磨代をさらに小さくすることができる。

ところで、図１１に示すように、フォーミング工程において圧粉体を縦方向に圧縮成形すると、下パンチを押し上げてダイから取り出された圧粉体は、下パンチの上に縦方向に載置された不安定な状態となっているため、ロボット等で圧粉体が倒れないように支持する必要がある。これに対し、上記のように圧粉体を厚さ方向に圧縮成形すれば、上下パンチで圧粉体を圧縮成形した後、ダイから取り出された圧粉体は、下パンチの上に平置きされた状態となっているため、ロボット等で支持することなく安定した状態で圧粉体をダイから払い出すことができる。

以上のように、本発明によれば、フォーミング工程において圧粉体の厚さ方向に圧縮成形するため、圧粉体を均一な密度で成形することができる。これにより、密度差に起因する反りや圧力抜けが防止され、さらには焼結体の寸法精度を矯正するための研磨代も小さくすることができる。

本発明の実施形態に係るベーンの側面図である。本発明の実施形態に係るベーンの製造方法におけるフォーミング工程を示す断面図である。図２の拡大断面図である。フォーミング工程においてダイから圧粉体を取り出す様子を示す断面図である。上記製造方法におけるサイジング工程を示す断面図である。図５の拡大断面図である。ベーンロータリー型圧縮機の断面図である。（ａ）は上記圧縮機に組み込まれるベーンの斜視図、（ｂ）は（ａ）図のベーンを横方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）図のベーンを厚さ方向から見た側面図である。図８（ｂ）の拡大図である。フォーミング工程において、圧粉体を厚さ方向に圧縮成形した場合を示す断面図である。フォーミング工程において、圧粉体を縦方向に圧縮成形した場合を示す断面図である。図１１の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係るベーン１０は、図７に示す圧縮機１に組み込まれ、その形状は図７及び図８に示すものと同様であるため、重複説明は省略する。ベーン１０は焼結金属で形成され、例えば鉄を主成分とする鉄系の焼結金属で形成される。この他、銅を主成分とする銅系の焼結金属や、銅及び鉄を主成分とする銅鉄系の焼結金属でベーン１０を形成することもできる。ベーン１０は、縦方向中央部における密度と、縦方向両端部における密度との差が、ベーン１０全体の平均密度の０．３％以内となっている。具体的には、図１に示すように、ベーン１０の縦方向中央部に設けられ、縦方向寸法が全長Ｌの１０％である中央部分Ａの密度ρ_Aと、ベーン１０の縦方向両端部に設けられ、縦方向寸法が全長Ｌの１０％である両端部分Ｂ，Ｃの密度ρ_B，ρ_Cとの差が、ベーン１０全体の平均密度ρの０．３％以内となっている（（ρ_B−ρ_A）×１００／ρ≦０．３、（ρ_C−ρ_A）×１００／ρ≦０．３）。

次に、ベーン１０の製造工程を詳しく説明する。ベーン１０は、フォーミング工程、焼結工程、サイジング工程、及び研磨工程を経て製造される。

フォーミング工程は、金属粉末を圧縮成形することにより、圧粉体３０を成形する工程であり、本実施形態では図２に示すフォーミング金型を用いて行われる。フォーミング金型は、ダイ２１と、上パンチ２２と、下パンチ２３とからなる。ダイ２１と下パンチ２３とで構成されるキャビティに金属粉末を充填した後、上パンチ２２を降下させて金属粉末を圧縮成形することにより、圧粉体３０が成形される。圧粉体３０の厚さ方向一方の平坦面３１は上パンチ２２の成形面２２ａで成形され、圧粉体３０の厚さ方向他方の平坦面３２は下パンチ２３の成形面２３ａで成形される。圧粉体３０の縦方向一方の側面３３、縦方向他方の側面３４、及び横方向両側面（図示省略）は、ダイ２１の成形孔２１ａで成形される。このように、圧粉体３０を厚さ方向に圧縮成形することにより、縦方向に圧縮成形する場合と比べて圧縮方向の肉厚が小さくなるため、圧粉体３０の密度差を抑えることができる。

フォーミング工程では、圧粉体３０の縦方向一方の側面３３は、図３に拡大して示すように、アンダーカットの無い形状、すなわち厚さ方向中間部に頂部の無い形状に成形される。図示例では、縦方向一方の側面３３が、平坦部３３ａと、平坦部３３ａと滑らかに連続した円筒部３３ｂとからなる。平坦部３３ａは、一対の平坦な側面３１，３２と直交する平坦面であり、円筒部３３ｂは、完成品のベーン１０の凸曲面１３に沿った曲面形状を成している（図６参照）。圧粉体３０の一対の平坦面３１，３２の縁には、全周にわたってランド部３１ａ，３２ａ及び面取り部３１ｂ，３２ｂが成形される。焼結される前の圧粉体３０は強度がそれ程高くないため、特に角部が損傷しやすいが、上記のように圧粉体３０の３１，３２の縁に面取り部３１ｂ，３２ｂを設けることで、圧粉体３０の角部の損傷を防止できる。また、上パンチ２２の成形面２２ａ及び下パンチ２３の成形面２３ａの縁には、面取り部３１ｂ，３２ｂを成形する突起部２２ａ１，２３ａ１が設けられるが、ランド部３１ａ，３２ａを設けることで、この突起部２２ａ１，２３ａ１の先端が鋭角となることが回避され、上パンチ２２及び下パンチ２３の損傷を防止できる。

成形後、上パンチ２２及び下パンチ２３を上昇させ、図４に示すように圧粉体３０をダイ２１から排出する。このように、下パンチ２３の成形面２３ａ上に圧粉体３０を平置きした状態でダイ２１から排出することができるため、ロボット等を用いなくても圧粉体３０の姿勢を安定させることができる。その後、圧粉体３０を水平方向に払い出すことで、フォーミング金型から取り出される。このとき、圧粉体３０の平坦面３２とランド部３２ａとの段差は微小であると共に、これらの間は面取り部３２ｂを介して滑らかに連続しているため、圧粉体３０と下パンチ２３とが干渉する恐れはほとんど無く、圧粉体３０は下パンチ２３の突起部２３ａ１を乗り越えて払い出される。

焼結工程では、圧粉体３０を所定の焼結温度で焼結して、焼結体４０’を形成する。このとき、圧粉体３０の密度がほぼ均一であるため、焼結時の膨張量が均一となり、焼結工程において密度差に起因する反りを抑えることができる。

サイジング工程は、焼結体４０’を圧縮して所定形状に成形する工程である。本実施形態では、図５に示すサイジング金型を用いてサイジング工程が行われる。サイジング金型は、ダイ５１と、上パンチ５２と、下パンチ５３とからなる。ダイ５１の内周に配置した焼結体４０’を、上パンチ５２及び下パンチ５３で縦方向に圧縮することで、所定の形状にサイジングされた焼結体４０が得られる。焼結体４０の一対の平坦面４１，４２及び横方向両側面（図示省略）は、ダイ５１の成形孔５１ａで成形される。焼結体４０の縦方向一方の側面４３は上パンチ５２の成形面５２ａで成形される。詳しくは、図６に拡大して示すように、焼結体４０の縦方向一方の側面４３は、厚さ方向中間部に頂部４３ａを有する凸曲面状に成形される。これと同時に、サイジング前の焼結体４０’の平坦面４１，４２の縁に全周にわたって形成されたランド部４１ａ’，４２ａ’及び面取り部４１ｂ’，４２ｂ’が、縮小あるいは消失される。図示例では、焼結体４０’の縦方向一方の側面４３’の縁に設けられたランド部４１ａ’，４２ａ’及び面取り部４１ｂ’，４２ｂ’が消失する。こうして、焼結体４０の縦方向一方の側面４３をサイジング工程で成形することで、縦方向一方の側面４３の表層の密度を高めることができる。

尚、サイジング金型の上パンチ５２にはランド部が設けられず、厚さ方向端部に鋭角な部分Ｓが形成されるため、焼結体４０を成形する際、この鋭角部分Ｓの破損が懸念される。しかし、サイジング工程による圧縮量はフォーミング工程による圧縮量よりもはるかに小さいため、サイジング金型の上パンチ５２に加わる負荷はフォーミング金型の上パンチ２２に加わる負荷と比べて小さい。従って、サイジング金型に上記のような鋭角部分Ｓを設けても、破損の恐れは小さい。

研磨工程は、所定形状にサイジングされた焼結体４０に研磨仕上げを施す工程である。研磨仕上げは、焼結体４０のうち、精度が必要な箇所にのみ施され、本実施形態では、固定側の部材（シリンダ等）と摺接する縦方向一方の側面４３及び横方向両側面と、ロータの溝と摺接する一対の平坦面４１，４２とが研磨され、ベーン１０が完成する。

上記のように、圧粉体３０の密度がほぼ均一であることにより焼結体４０’の反りが抑えられるため、研磨により反りを矯正する必要がほとんどない。また、焼結体４０’のランド部４１ａ’，４２ａ’及び面取り部４１ｂ’，４２ｂ’をサイジング工程で消失させるため、研磨によりランド部や面取り部を消失させる必要がない。以上により、研磨工程における研磨代は小さくて済み、具体的には例えば０．１ｍｍ以下にすることができる。このように研磨代が小さいことで、歩留まりの向上、研磨工程の時間短縮、及び研磨工具の摩耗低減を図ることができる。また、研磨代が小さいことで、研磨後のベーン１０の凸曲面１３に、サイジング工程で密度が高められた表層部分を残すことができる。ベーン１０の凸曲面１３はシリンダ２の内周面２ａと摺接するため、この部分の密度を高めることで耐摩耗性が高められると共に冷媒のリークを抑えることができる。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、フォーミング工程において、圧粉体３０の縦方向一方の側面３３を、平坦部３３ａと円筒部３３ｂとからなる形状に成形する場合を示したが、これに限らず、例えば縦方向一方の側面の全面を平坦面状に成形してもよい（図示省略）。ただし、図６に示すように、圧粉体３０の縦方向一方の側面を、ベーン１０の縦方向一方の側面の凸曲面形状に沿って湾曲させることにより、サイジング工程における圧縮率を小さくして金型の負担を減じると共に、圧縮率を厚さ方向でおおよそ均一にすることができるため好ましい。

また、上記の実施形態では、ロータに設けたベーンがシリンダの内周面と摺接する圧縮機に本発明を示したが、これに限らず、シリンダに設けたベーンがロータの外周面と摺接する圧縮機に本発明を適用することもできる（図示省略）。

また、上記の実施形態では、冷凍サイクルに組み込まれる圧縮機のベーンについて説明したが、例えば、エアコンプレッサーの圧縮機のベーンに本発明を適用することもできる（図示省略）。

１圧縮機
２シリンダ
３ロータ
４溝
５空間
６回転軸
７吸入口
８吐出口
１０ベーン
１１，１２平坦面
１３凸曲面（縦方向一方の側面）
１３ａ頂部
１４縦方向他方の側面
１５，１５横方向の側面
２１ダイ
２２上パンチ
２３下パンチ
３０圧粉体
３１，３２平坦面
３１ａ，３２ａランド部
３１ｂ，３２ｂ面取り部
３３縦方向一方の側面
３４縦方向他方の側面
４０焼結体
４１，４２平坦面
４１ａ’，４２ａ’ ランド部
４１ｂ’，４２ｂ’ 面取り部
４３縦方向一方の側面
５１ダイ
５２上パンチ
５３下パンチ

Claims

平板状の焼結金属からなり、厚さ方向に対向した一対の平坦面と、縦方向一方の側面に設けられ、厚さ方向中間部に頂部を有する凸曲面とを備えた圧縮機用ベーンであって、
縦方向中央部における密度と、縦方向両端部における密度との差が、全体の平均密度の０．３％以内である圧縮機用ベーン。
フォーミング工程で、圧粉体の縦方向一方の側面をアンダーカットの無い形状に成形すると共に、サイジング工程で縦方向一方の側面を前記凸曲面の形状に成形した請求項１の圧縮機用ベーン。
少なくとも前記一対の平坦面及び前記凸曲面に研磨仕上げが施された請求項１又は２の圧縮機用ベーン。
前記凸曲面が円筒面である請求項１〜３何れかの圧縮機用ベーン。
前記円筒面の中心軸が、厚さ方向中心に対してオフセットした位置に設けられた請求項４の圧縮機用ベーン。
鉄系の焼結金属からなる請求項１〜５何れかの圧縮機用ベーン。
請求項１〜６何れかのベーンと、ベーンを挿入する溝部が形成されたロータと、内周にロータ及びベーンを収容するシリンダとを備えた圧縮機。
ベーンの前記凸曲面が、シリンダの内周面と摺動する請求項７の圧縮機。
ベーンの前記凸曲面が、ロータの外周面と摺動する請求項７の圧縮機。
冷凍サイクルに組み込まれる請求項７〜９何れかの圧縮機。
平板状の焼結金属からなり、厚さ方向に対向した一対の平坦面と、縦方向一方の側面に設けられ、厚さ方向中間部に頂部を有する凸曲面とを備えた圧縮機用ベーンを製造するための方法であって、
金属粉末を圧縮成形して圧粉体を形成するフォーミング工程と、圧粉体を焼結して焼結体を形成する焼結工程と、焼結体を所定形状に成形するサイジング工程とを有し、
フォーミング工程で平板状の圧粉体を厚さ方向に圧縮成形し、圧粉体の縦方向一方の側面をアンダーカットの無い形状に成形すると共に、
サイジング工程で平板状の焼結体を縦方向に圧縮成形し、焼結体の縦方向一方の側面に前記凸曲面を成形する圧縮機用ベーンの製造方法。
サイジング工程の後、焼結体に研磨を施す研磨工程をさらに有する請求項１１の圧縮機用ベーンの製造方法。
研磨工程において、焼結体の少なくとも一対の平坦面及び前記凸曲面に研磨を施す請求項１２の圧縮機用ベーンの製造方法。
研磨工程における研磨代が０．１ｍｍ以下である請求項１２又は１３の圧縮機用ベーンの製造方法。
フォーミング工程で、厚さ方向に対向する圧粉体の一対の平坦面の縁に全周にわたって成形されたランド部を、サイジング工程で縮小する請求項１１〜１４何れかの圧縮機用ベーンの製造方法。
フォーミング工程で、圧粉体の縦方向一方の側面を、平坦部と、平坦部と滑らかに連続した円筒部とからなる形状に成形する請求項１１〜１５何れかの圧縮機用ベーンの製造方法。
フォーミング工程で、圧粉体の縦方向一方の側面の全面を平坦面状に成形した請求項１１〜１６何れかの圧縮機用ベーンの製造方法。
フォーミング工程において、上下パンチで圧粉体を圧縮成形した後、下パンチの成形面に圧粉体を載置した状態で圧粉体をダイから取り出す請求項１１〜１７何れかの圧縮機用ベーンの製造方法。