JP2013018013A - 油圧シリンダのピストンロッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッド部が鍛造成形により作られ、軸部が鋼材から作られるピストンロッドの製造工程を簡素化する。
【解決手段】所定の長さの棒鋼10の一端部10aに対して局部加熱が施される（Ｓ１０１）。次は、この加熱した一端部10aを軸線方向に押し潰して径方向に拡大し（Ｓ１０２）、そして、次に鍛造型によってヘッド部が形成される（Ｓ１０３）。その後、機械加工（Ｓ１０４）、仕上げ加工（Ｓ１０５）、品質検査（Ｓ１０６）を行うことによりヘッド部の上面及び下面の面加工、ネジ部の形成などが行われることによりピストンロッドが完成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械の油圧システムに用いられる油圧シリンダのピストンロッドの製造方法に関し、より詳しくは、ヘッド部が鍛造成形により作られるピストンロッドの製造方法に関する。

油圧シリンダは産業機械の油圧システムに広く用いられている。例えば油圧ショベル、フォークリフト、レッカー車、プレス機などには、その作業機構部分に油圧システムが組み込まれている。油圧ショベルを例に具体的に説明すると、油圧ショベルは、ブーム、アーム、バケットを独立して制御するために、ブーム用の第１油圧シリンダ、アーム用の第２油圧シリンダ、バケット用の第３油圧シリンダを備えている（例えば特許文献１、２）。

油圧シリンダはピストンロッドによって油圧を直線運動に変換するユニットである。油圧ショベルのような産業機械に採用される油圧シリンダはボア径等によって、大型、中型、小型に分類することができる。大型の油圧シリンダはボア径が約90〜480mmであり、大型及び中型の油圧ショベルに適用される。中型の油圧シリンダはボア径が約50〜120mmであり、小型の油圧ショベルに適用される。小型の油圧シリンダはボア径が約40〜120mmであり、ミニショベルやフォークリフトに適用される。

油圧シリンダに適用されるピストンロッド１は、図６の下方に図示するように、円形断面の軸部２の一端にヘッド部３を有し、このヘッド部３には軸受け部分３ａが形成されている。この軸受け部分３ａは円形貫通穴で構成される。他方、軸部２の他端部はネジ部４を有し、このネジ部４にピストン（図示せず）が取り付けられる。

産業機械に採用される油圧シリンダは、大型、中型、小型によって、そのピストンロッド１の材料や製造方法が異なる。まず、材料について説明すると、大型の油圧シリンダに採用されるピストンロッド１では、ヘッド部３が鋳鋼で構成され、軸部２が棒鋼で構成されている。中型では、ヘッド部３が鋳鋼又は鍛造品で構成され、軸部２が棒鋼で構成されている。小型では、ヘッド部３が鍛造品で構成され、軸部２が棒鋼で構成されている。

次に、従来の製造方法について説明すると、大型の油圧シリンダに採用されるピストンロッド１では、ヘッド部３と軸部２とが溶接によって接合されている。中型及び小型では、ヘッド部３と軸部２が摩擦圧接法又は溶接によって接合されている。

先ず、摩擦溶接法を使ったピストンロッド１の製造方法について説明すると、摩擦圧接法は、周知のように、ピストンロッドに限らず広く一般的に用いられており、対向して位置する２つのワークの接合面同士を押し当てて互いに相対回転させることにより２つのワークの接合が行われる（例えば特許文献３）。

この摩擦溶接法を使ったピストンロッド１の製造工程の概要は次の通りである。ヘッド部３を鍛造成形し、次いで、この鍛造素材に対して種々の機械加工が施される。この機械加工には、軸部２との圧接接合のために圧接面３ｂ（図６）を形成する加工と、圧接基準面３ｃ（図６）を形成する加工とが含まれる。

次に、軸部２に関して説明すると、所定長さの棒鋼を用意し、この所定長さの棒材に対して種々の機械加工が施される。この機械加工には、ヘッド部３との圧接接合のために圧接面２ｂ（図６）を形成する加工と、圧接基準面２ｃ（図６）を形成する加工とが含まれる。

これによりヘッド部３と軸部２とを接合するための準備が完了し、次いで、ヘッド部３と軸部２とが摩擦圧接法によって接合される。具体的には、軸回転しているヘッド部３に対して軸部２を押し付けることにより行われる。そして、ヘッド部３と軸部２の接合が完了したら、その後、仕上げ加工などを施すことによりピストンロッド１が完成する。

次に溶接によるピストンロッド１の製造方法について説明すると、ヘッド部３の鍛造素材に対する機械加工には、軸部２との溶接のために接合面３ｄ（図７）を形成する加工と、溶接開先３ｅ（図７）を形成する加工とが含まれる。軸部２に対しても同様に、所定長さの棒材に対する機械加工には、ヘッド部３との溶接のために接合面２ｄ（図７）を形成する加工と、溶接開先２ｅ（図７）を形成する加工とが含まれる。

特開２０１０−１７４６１５号公報 特開２００８−３０８８９９号公報 特開２０１０−２１４３８８号公報

鍛造品のヘッド部３と棒鋼の軸部２との接合に摩擦圧接法又は溶接を採用した実施例のピストンロッドの製造方法では、前述したように、ヘッド部３と軸部２とを接合するための準備工程として、軸部２とヘッド部３の夫々に、圧接面２ｂ、３ｂ及び圧接基準面２ｃ、３ｃ又は接合面２ｄ、３ｄ及び溶接開先２ｅ、３ｅを形成する機械加工が必要となる。

本発明の目的は、鍛造により形成されるヘッド部３を備えた油圧シリンダのピストンロッドを前提として、その製造工程を簡素化することのできるピストンロッドの製造方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、鍛造成形により作られるヘッド部３と、棒鋼からなる軸部２とで構成される油圧シリンダのピストンロッドを前提として、従来その製造工程で必要とされた軸部２とヘッド部３の夫々に必要とされた圧接面２ｂ、３ｂ及び圧接基準面２ｃ、３ｃ又は接合面２ｄ、３ｄ及び溶接開先２ｅ、３ｅを形成するための機械加工を不要にすることのできるピストンロッドの製造方法を提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明によれば、
油圧シリンダのピストンロッドの製造方法であって、鍛造により成形されたピストンヘッドと、鋼材で構成される軸部とを有するピストンロッドの製造方法において、
所定長さの棒鋼を用意する第１工程と、
該棒鋼の一端部を加熱する第２工程と、
前記棒鋼の他端を係止しながら該棒鋼を長手方向に押圧することにより、前記第２工程で加熱した一端部を径方向に拡大させる第１の鍛造工程と、
該径方向に拡大した一端部を鍛造型で成形してピストンヘッドを形成する第２の鍛造工程とを有することを特徴とする油圧シリンダのピストンロッドの製造方法を提供することにより達成される。

本発明によれば、従来のようにヘッド部と軸部とを接合するための処理が不要であり、したがって従来のピストンロッドの製造で用いられていた摩擦圧接又は溶接による接合工程及び摩擦圧接又は溶接するための準備工程である圧接面及び圧接基準面又は接合面及び溶接開先を形成する工程を省くことができる。したがって、鍛造によるヘッド部と、鋼材による軸部とで構成されるピストンロッドの製造工程を簡素化することができる。

本発明の更なる目的及びその作用効果は、以下の本発明の実施例の詳しい説明から明らかになろう。

実施例のピストンロッドの製造工程のフロー図である。 局部鍛造によってヘッド部が形成された棒鋼に対する機械加工のフロー図である。 棒鋼を局部加熱した一端部を押し潰して径方向に拡大した膨出部を成形するためのフォージングプレス用据え込み金型セットの概念構成図である。 アプセッタ機を使って棒鋼を局部加熱した一端部を押し潰して径方向に拡大した膨出部を成形するための金型を説明するための図である。 棒鋼の膨出部を鍛造によりピストンロッドのヘッド部を形成する鍛造金型の概念構成図である。 従来例の一つとしてピストンロッドのヘッド部と軸部とを摩擦圧接法により接合する工程を説明するための図である。 従来例の他の例としてピストンロッドのヘッド部と軸部とを溶接により接合する工程を説明するための図である。

以下に、実施例として、従来技術の欄で説明した中型の油圧シリンダ（ボア径：約50〜120mm）に適用されるピストンロッドの製造に本発明を適用した例を説明するが、本発明は、ヘッド部が鍛造成形により作られ、そして軸部が鋼材で構成されるピストンロッドの製造に適用することができる。

図１を参照して、実施例の製造方法によれば一本の中実の棒鋼１０からピストンロッド１（図６）が製造される。先ず第１工程Ｓ１０１として、所定の長さの棒鋼１０の一端部１０ａに対して加熱処理（局部加熱）が施される。そして、次の第２工程Ｓ１０２では、この加熱した一端部１０ａを軸線方向に押し潰して、この一端部１０ａを径方向に拡大したヘッド端部が形成される。この膨出端部の形成には、後に説明するフォージングプレス用据え込み金型セット２００（図３）が使用される。

フォージングプレス用据え込み金型セット２００によって一端部１０ａが径方向に拡大された棒鋼１０は、当該一端部１０ａが、後に説明する鍛造金型３００（図５）によって熱間鍛造され、これによりヘッド部３（図６）が形成される（Ｓ１０３）。この熱間鍛造は、好ましくは、予備成形と本成形の２つの金型を用いて行われる。

次の工程Ｓ１０４では、ヘッド部３が鍛造形成された棒鋼１０に対して機械加工が施され、軸部２（図６）の旋削加工やヘッド部３の上面及び下面の面加工、ネジ部４（図６）を形成する加工などが行われる。この機械加工工程Ｓ１０４については、後に図２を参照して説明する。

次の工程Ｓ１０５で仕上げ加工を施すことでピストンロッド１が完成する。そして、このピストンロッド１は品質検査工程Ｓ１０６を経て出荷される。

前述した機械加工Ｓ１０４及び仕上げ加工Ｓ１０５に含まれる工程のフローを示す図２を参照して、機械加工Ｓ１０４は、工程Ｓ２０１〜工程Ｓ２０６の６つの工程で構成されている。工程Ｓ２０１はヘッド部３の軸受け部分３ａ（図６）の内径を形成する加工が行われる。次の工程Ｓ２０２では軸部２を所定の直径にするための旋削加工が行われる。そして、次の工程Ｓ２０３ではヘッド部３の上面と下面とを形成する面加工が行われる。

次に仕上げ加工Ｓ１０５が続くが、そのうち、工程Ｓ２０４では、軸部２のネジ部４を形成する加工が施され、次の工程Ｓ２０５で、このネジ部４に対して高周波処理が施される。そして、次の工程Ｓ２０６において軸部２を研削する加工が施される。これらの工程Ｓ２０１〜Ｓ２０６の順番は任意である。

図３は、前述したヘッド端部形成工程Ｓ１０２で使用するフォージングプレス用据え込み金型セット２００の概要を示す図である。フォージングプレス機に設置されるフォージングプレス用据え込み金型セット２００はベース２０２を有し、このベース２０２は、その長手方向一端部に位置するガイド部２０４と、他端部に位置する軸部支持台２０６とを有し、このガイド部２０４と軸部支持台２０６は一体構造である。

ベース２０２の長手方向中央部分２０２ａには、ベース２０２の長手方向に移動可能な押圧部材つまり据え込み金型２０８及び左右一対の被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂが配設されている。据え込み金型（押圧部材）２０８は、ガイド部２０４の上下方向に延びる断面矩形の凹所２０４ａと相補的な形状を有している。

据え込み金型２０８と、その両側に位置する左右一対の被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂは一体構造を有し、被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂがベース２０２の平らな中央部分２０２ａに案内されて長手方向に前後動すると、これに伴って据え込み金型２０８が前後に移動する。

なお、ガイド部２０４には油圧シリンダ（図示せず）が配設され、この油圧シリンダのピストンロッドが据え込み金型２０８に連結されている。ピストンロッドが短縮動作することにより、据え込み金型２０８は図面右方向に退却動作すると共に一対の被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂも図面右方向に移動する。被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂは本来であれば実線で描くべき部材であるが、線図の錯綜を避けるために、図３では、被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂは仮想線で描いてある。

引き続き図３を参照して、ベース２０２の上方に駆動部材２２０が配設されている。この駆動部材２２０は油圧シリンダ（図示せず）によって駆動されて上下に移動する。駆動部材２２０は、その長手方向中央部分に一対の駆動側くさび部材２２２Ａ、２２２Ｂを有し、この一対の駆動側くさび部材２２２Ａ、２２２Ｂは駆動部材２２０と一体構造である。したがって、駆動部材２２０が下降すると一対の駆動側くさび部材２２２Ａ、２２２Ｂが下降する。他方、駆動部材２２０が上昇すると一対の駆動側くさび部材２２２Ａ、２２２Ｂが上昇する。

以下の説明において、一対の駆動側くさび部材２２２Ａ、２２２Ｂを総称するときには参照符合２２２を使用する。また、一対の被動側くさび部材２１０Ａ、２１０Ｂを総称するときには参照符合２１０を使用する。

駆動側くさび部材２２２は、そのベース２０２のガイド部２０４と対抗する面２２２ａが鉛直面で構成され、これとは反対側の面つまり、ベース２０２の軸部支持台２０６と対抗する面２２２ｂが傾斜面で構成されて、下方に向けて先細りの形状を有している。

ベース２０２のガイド部２０４は、凹所２０４ａを挟む左右一対の壁の軸部支持台２０６と対抗する面が、鉛直の起立面２０４ｂで構成され、この起立面２０４ｂは、駆動側くさび部材２２２の鉛直面２２２ａと擦接することで駆動くさび部材２２２の上下動を案内する。

ベース２０２に移動可能に配置された左右一対の被動側くさび部材２１０は、ガイド部２０４と対抗する面２１０ａを有し、この面２１０ａが傾斜面で構成されることにより、被動側くさび部材２１０は上方に向けて先細りの形状を有している。被動側くさび部材２１０は、その傾斜面２１０ａが、下降動する駆動側くさび部材２２２の傾斜面２２２ｂと擦接することにより図面左方向に駆動される。勿論、この被動側くさび部材２１０の左方向の移動と一緒に据え込み金型２０８も左方向に移動することになる。

ベース２０２の軸部支持台２０６は、ベース２０２の長手方向に延びる第１の円弧溝２０６ａを有し、この円弧溝２０６ａに、棒鋼１０（図１）が位置決めされる。この軸部支持台２０６に対応して、ベース２０２の上方に位置する駆動部材２２０には、軸部押さえ部材つまり溝付きダイ２２４が配設され、この溝付きダイ２２４は、ベース２０２の一端部の下面にほぼ均等に配置された複数のバネ２２６を介して取り付けられている。溝付きダイ２２４には、その下面に第２の円弧溝２２４ａが形成されており、この第２の円弧溝２２４ａは、上述した第１の円弧溝２０６ａに対抗して位置し且つベースの長手方向に延びている。

図１に戻って、工程Ｓ１０１で一端部１０ａを加熱した棒鋼１０は、この加熱した一端部１０ａがフォージングプレス用据え込み金型セット２００内に設置される。フォージングプレス用据え込み金型セット２００は駆動部材２２０が上方に位置し且つ据え込み金型２０８が図面の右方に位置する待機状態で棒鋼１０を受け入れる。

フォージングプレス機はストッパ２３０を有し、このストッパ２３０によって棒材１０の他端部１０ｂが係止される。駆動部材２２０が下降動すると、この駆動部材２２０と一体構造の駆動側くさび部材２２２によって被動側くさび部材２１０が図面の左方に変位し、この被動側くさび部材２１０と一体構造の据え込み金型２０８が、棒鋼１０の局部加熱されている一端部１０ａを押し潰す。据え込み金型２０８及びストッパ２３０は棒材１０の端部を受け入れる凹所２０８ａ、２３０ａを有するのが好ましい。

駆動部材２２０が下降する過程で、溝付きダイ２２４はバネ２２６によって軸部支持台２０６の上に押し付けられ、これにより、棒鋼１０はその局部加熱した一端部１０ａの近傍の部位が溝付きダイ２２４と軸部支持台２０６によって固定される。

フォージングプレス用据え込み金型セット２００によって、棒鋼１０の局部加熱した一端部１０ａを長手方向に押し潰して径方向に拡大させる第１の鍛造工程が終わったら、フォージングプレス機は待機状態に戻る。据え込み金型２０８は、前述したように図外の油圧シリンダによって右方動して待機位置に引き戻される。

棒鋼１０の一端部１０ａを径方向に拡大させる第１の鍛造工程でフォージングプレス機を使用する代わりにアプセッタ鍛造機を用いてもよく、アプセッタ機は横型、縦型のいずれでも良い。図４は、横型アプセッタ機の金型２５０を示す。アプセッタ機の金型２５０は一対の溝付きダイ２５２、２５２を有し、この溝付きダイ２５２で棒材２が把持され、そして、据え込み金型２５４によって棒材１０の一端部１０ａに軸方向の加圧力が付与され、これにより棒材１０の一端部１０ａを径方向に拡大する成形が行われる。

図５は、図１の工程Ｓ１０３の鍛造に用いられる金型３００の概要を示す図である。この鍛造金型３００はフォージングプレス機に設置されている。鍛造金型３００によってヘッド部３を成型する第２の鍛造工程では軸部２はその周囲が押圧された状態で支持される。この軸部２の支持機構は図５において矢印で図示してある。この支持機構は、図３の軸部押さえ部材つまり溝付きダイ２２４、軸部支持台２０６に類する構成を有している。これにより、第２の鍛造工程の過程で軸部２が変形するのを防止することができる。

如上のように、実施例の製造方法によれば、従来では摩擦圧接や溶接のために必要とされた圧接面２ｂ、３ｂ（図６）及び圧接基準面２ｃ、３ｃ(図６)又は接合面２ｄ、３ｄ（図７）及び溶接開先２ｅ、３ｅ（図７）を作る機械加工が不要になり、鍛造のヘッド部３と棒鋼の軸部２とからなるピストンロッド１の製造工程を簡素化することができる。

また、実施例の製造方法によれば、軸部２とヘッド部３とを同じ材料から作ることができ、また、軸部２の熱処理を省くことができる。また、１本の棒鋼１０の一端部１０ａを局部的に加熱し、そして、軸部２の周囲を支持しながら一端部１０ａを鍛造してヘッド部３を形成することから、軸部２の曲がり変形を抑えることができる。これにより、軸部２の切削加工時間を短縮することができる。

また、従来の摩擦圧接法によるピストンロッドの製造では、摩擦圧接処理に伴って軸部２が曲がり変形するため、軸部２を真っ直ぐに且つ直径を整えるために旋削処理が必要であったが、実施例の製造方法によれば、棒鋼１０の周囲を支持しながら局部鍛造によりヘッド部３を形成することから、ヘッド部３の鍛造に伴う軸部２の曲がり変形を防止することができる。したがって、図２の施削工程Ｓ２０２は、軸部２の長手方向にその直径を整えるために行われる。

本発明は、油圧シリンダのピストンロッドに関し、ヘッド部が鍛造成形され、軸部が鋼材で構成されるピストンロッドの製造に適用することができる。

１ ピストンロッド
２ ピストンロッドの軸部
３ ピストンロッドのヘッド部
１０ 棒鋼
２００ 棒鋼の加熱した一端部を押し潰して径方向に拡大させる成形のためのフォージングプレス用据え込み金型セット
２５０ 棒鋼の加熱した一端部を押し潰して径方向に拡大させる成形のためのアプセッタ機の金型
３００ フォージングプレス機により径方向に拡大した端部を更に鍛造成形してピストンロッドのヘッドを形成するための鍛造金型

Claims (4)

1. 油圧シリンダのピストンロッドの製造方法であって、鍛造により成形されたピストンヘッドと、鋼材で構成される軸部とを有するピストンロッドの製造方法において、
   所定長さの棒鋼を用意する第１工程と、
   該棒鋼の一端部を加熱する第２工程と、
   前記棒鋼の他端を係止しながら該棒鋼を長手方向に押圧することにより、前記第２工程で加熱した一端部を径方向に拡大させる第１の鍛造工程と、
   該径方向に拡大した一端部を鍛造型で成形してピストンヘッドを形成する第２の鍛造工程とを有することを特徴とする油圧シリンダのピストンロッドの製造方法。
2. 前記第１の鍛造工程が、前記棒鋼の加熱した一端部の近傍部分の周囲を支持しながら行われる、請求項１に記載の油圧シリンダのピストンロッドの製造方法。
3. 前記第２の鍛造工程が、前記軸部の周囲を支持しながら行われる、請求項１又は２に記載の油圧シリンダのピストンロッドの製造方法。
4. 前記第２の鍛造工程の後に、前記ピストンヘッドの及び軸部に対する機械加工が行われる請求項１〜３のいずれか一項に記載の油圧シリンダのピストンロッドの製造方法。

Images