JP2022502258A - 螺旋状金属体の作成方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は螺旋状金属体（１'）の作成方法に関するものであり、まず鋳造法により鋳型において事前成形された螺旋状金属体を作成し、その後螺旋状金属体の長手軸に沿って螺旋状金属体を変形することで圧縮する。（図２）

Description

本発明は機械工学および作成技術、特に金属鋳造の分野に関する。コイル、螺旋構造体、またはバネの作成において特に有益に用いられ得る。

巻きコイルは電気機械において利用される。このように作成されたコイルは利用可能な設置スペースの一部を占めるにすぎない。その結果、電気機械の重量または構造上のスペースに対して低い電力密度またはトルク密度が生じる。鋳造ＡｌおよびＣｕコイルはこのデメリットを補うことができるが、しかし十分な寿命を有した恒久鋳型による鋳造ＡｌおよびＣｕコイルまたはＡｌおよびＣｕ合金から成る鋳造コイルの作成に関して、今日まで連続作成に適した方法が知られていなかった。

電気機械の電力密度またはトルク密度を向上させるため、連続方式に対してわずかに充填率を改善するために、現在複雑で多くが手作業で作成されるコイルが巻かれている。巻き線の全長にわたって、同一断面を有するワイヤがそれにより用いられている。さらに、従来の電気機械の場合、内側から外側に向かって順に重なって位置するコイルの複数の巻き線により熱放出が損なわれ、コイルの加熱が高温になり、それにより巻き線の断面に対する最大電流密度に必然的に制限が生じている。

鋳造ＡｌおよびＣｕコイルまたはＡｌおよびＣｕ合金から成る鋳造コイルはすでに知られているが、しかしながら現在のところ恒久鋳型において作成されておらず、むしろ、例えば精密鋳造または消失フォーム法における消失フォーム、または輪郭を規定して鋳型と溶湯が直接接触することを防ぐ塩中子を用いている。

非常に多様な形状を作成するため、先行技術においては輪郭形成鋳型が利用されている。複雑な形状の場合、鋳物を容易に取り除くために１つ以上の分離部を有する鋳型に加えて、中子が挿入されたり、スライドが用いられる。

銅部品の作成においては、１１００度以上の高い鋳造温度の結果として、鋳型および中子に対してますます多くの要求がなされている。鋳型への注入時の熱応力、特に温度衝撃は鋳型の寿命を短くし、部品の品質を制限し、またはその後の複雑な機械加工の必要性をもたらす。

これまでの鋳型コンセプトでは常に、複雑な形状の恒久鋳型または可動スライドまたは（恒久または非恒久）中子を追加で用いることになっていた。そのような鋳型は、鋳型の維持にかなりの費用が必要であったことと、加えて棄却率が高かったことにより、研究室での作業においてのみ利用することが可能であった。

特許出願ＥＰ２８１９２７６Ａ２により、簡易に形成された２部品から成る鋳造処理用恒久鋳型を可能とする、幾何学的に変形された模型形状が知られている。これは、複数の巻き線をそれぞれ１８０度回転させ、それによりコイルの幾何学的複雑さを大いに低下させることにより実現している。しかしながら、ここでの技術的な鋳造作成によると、挿入状態におけるコイル形状を実現するには非常に複雑な再成形処理が必要になる。

本発明は、コイル状金属体の簡易な作成方法を実現することを目的とし、その方法により鋳造鋳型の有効利用を可能にし、それにより螺旋構造体の高い充填率を可能とするものである。

本発明によると、本目的は特許請求項１および特許請求項２から７の特徴を有する方法により実現され、それらは方法の実施形態を提示する。特許請求項８から１０はコイル状金属体の作成装置に関するものである。

したがって、本発明は螺旋状金属体の作成方法に関するものであって、まず鋳造法により鋳型において事前成形された螺旋状金属体を作成し、その後螺旋状金属体の長手軸に沿って螺旋状金属体を変形することで圧縮する。

本発明は鋳造により螺旋状体を作成することを可能にし、個々の螺旋状スレッド間に十分に広い間隔を設けることで、鋳型は比較的厚い壁の構成を有することができる。鋳造処理の後に金属体を変形させることにより、鋳造により作成される形状のデザインにおいて隙間が設けられる。鋳造後、変形させることで金属体の目標形状が実現でき、また目標形状における螺旋構造体の個々のスレッド間に設けられた中間スペースは鋳型により設けられた制限によって鋳造技術においてほとんど実現可能ではなく、または大変な困難を伴ってのみ実現可能であるが、それよりかなり小さな中間スペースが実現可能である。

本方法は、鋳造後に金属体を少なくとも部分的に塑性変形することで長手軸に沿って圧縮するように構成され得る。

金属体を塑性変形することで、目標形状を安定化させ、固定手段を用いずに維持することを確実にする。

本方法はさらに、鋳造の後および圧縮の前に、特に研磨、および／または、艶出し、および／または、コーティングにより金属体を機械加工するように構成され得る。

事前成形された状態における例えば螺旋状スレッド間の中間スペースとまた金属体の他の部品は目標形状を実現した後よりも、鋳造後の方がより簡単に処理しやすいという事実により、上述の機械加工ステップは、金属体を目標形状に変形または圧縮する前の方がより好都合に行うことができる。

本方法はさらに、螺旋状金属体を圧縮するため、自由端と第１止めショルダとを有するマンドレルに螺旋状金属体を押入し、第１止めショルダと受入手段が有する第２止めショルダとの間で金属体が圧縮されるまで、マンドレルの自由端を受入手段に挿入するように構成され得る。

鋳造処理で用いた鋳型において金属体もすでに螺旋構造を有しているので、容易にマンドレルに押入でき、螺旋構造体の長手軸の方向に圧縮できる。マンドレル側にある第１止めショルダはこの目的のために役立つ。受入手段は例えば金属体ではなくマンドレルが挿入され得る開口部を有している。開口部には第２止めショルダを設けることができる。マンドレルを受入手段の開口部に挿入すると、螺旋状金属体は第１止めショルダと第２止めショルダとの間で長手方向に目標形状までまたはそれ以上に圧縮される。

本方法はさらに、事前成形された金属体を作成中に、特に材料断面テーパリングにより、螺旋構造体の各巻き線に少なくとも１つ、特に少なくとも２つの変形領域が設けるかまたは作成し、金属体の圧縮中に、最初に塑性的に変形領域を変形するように構成され得る。

断面が矩形状であるコイル状螺旋構造体の場合、変形領域はそれぞれ、螺旋構造体の個々のスレッドまたは巻き線の複数の短辺または長辺にさえ設けることができ、または螺旋構造体の個々の巻き線の複数の角部に設けることができる。複数の断面テーパリングは実際には金属体の鋳型に設けることができる。

さらに本方法は、圧縮の後に固定手段により金属体を全長に対して固定するように構成され得る。

その固定は、例えばコーティング材への浸漬、容器封入、または軸方向に螺旋構造体の複数の巻き線をまとめる外部の機械的クランプ（ｃｒａｍｐまたはｃｌａｍｐ）を適用することにより行うことができる。クランプは非導電材によるものか、金属体から電気的に絶縁されているかのいずれかでなければならない。

さらに本方法は、まず、圧縮されたコイル状金属体の所望の目標形状に特に非金属材からなる消失模型体を作成し、長手軸に沿って模型体を事前変形することで拡張し、特に模型体を用いて鋳造法の鋳型を作成することにより、または溶融法において利用することにより、事前変形された金属体の鋳造のための雄型鋳型として、拡張された模型体を用いるように構成され得る。

その模型体はそれから作成後に、螺旋構造体が軸方向に拡張されることにより事前変形される。また、模型体は、後に鋳造される金属体に強度の低い変形領域を形成するための複数の断面テーパリングがすでに設けられうる。この事前変形された模型体から、金属体はその後再成形され、場合によって機械加工される。その後、その金属体は圧縮されることで目標形状にもたらされる。

さらに、本発明は上述したタイプのコイル状金属体の作成装置に関するものであり、装置はマンドレルと受入手段とを備え、マンドレルは、自由端と、自由端から間隔をあけて第１止めショルダとを有し、マンドレルに押入されたコイル状金属体に対する制限止め部を形成するような寸法を第１止めショルダは有し、受入手段はマンドレルの自由端を挿入するための開口部と、開口部の周りを囲む、金属体に対する第２止めショルダとを有する。

本装置は、第１止めショルダの領域において、事前成形された金属体に適合して受け入れ可能とする外寸をマンドレルが有するように、また断面における少なくとも第１延出方向において、自由端に向かってマンドレルが先細りになるように構成され得る。マンドレルは、金属体の目標形状における中心部の連続する軸方向開口部の形状と大きさを有利に有することができる。最終的な変形の前に金属体へとよりよく挿通するために、マンドレルは自由端において先細りまたは縮小している。第１止めショルダはマンドレルにおけるフランジとして構成され得る。

さらに本装置は、マンドレルおよび受入手段の成形の結果として、受入手段へのマンドレルの挿入に対する長手方向止め部が形成され、長手方向止め部は、圧縮された螺旋状金属体の全長を固定するように構成され得る。

以下、本発明を図示し、続いて図面における実施形態に基づいて説明する。図面は以下の通りである。

螺旋状体の斜視図である。

螺旋構造体の長手軸に沿って圧縮された螺旋状体を３つの連続する段階で示したものである。

２つの止めショルダの間で機械加工装置のマンドレルに対して螺旋構造体の長手軸に沿って圧縮された螺旋状体を３つの連続する段階で示したものである。

変形領域が図示された螺旋状体を示すものである。

模型体を用いた際の作成処理を概略的に示すものである。

以下、簡易鋳型コンセプトを用いた精密鋳造に使われる消失模型の作成について説明する。鋳物（とりわけ金属圧力鋳造、低圧鋳造、チル鋳造、金属粉末射出鋳造）あるいは模型プレートまたは消失模型（とりわけ、ワックス射出成形におけるもの、砂型鋳造におけるもの、ディサマティック（Ｄｉｓａｍａｔｉｃ）による砂型鋳造、消失フォーム用のビーズ法発泡スチロール（ＥＰＳ）模型）の作成に簡易な２部品からなる鋳型コンセプトを利用可能とするため、具体的に、巻き線の長い方を９０度以下で回転させることと組み合わせて、巻き線ヘッドを可塑的に再成形することによって、消失模型のコイル形状の複雑さを減少させる。このため、模型体の場合、巻き線ヘッドおよび巻き線（長い薄板）は再成形され、一方で、図１に示すような形状を採用する。図１は模型体の形状を示すものであり、模型体は初めに螺旋状金属体の目標形状を有することができ、その後長手軸６に沿って拡張することによって事前変形し、金属体の鋳型を形成する。しかしながら、この形状はまた長手方向６における鋳造後および圧縮前の螺旋状金属体の形状に対応するものでもある。巻き線ヘッド２の複数の端部とまた螺旋構造体の個々の巻き線３、４、５が図示されている。作成される金属体の鋳造処理において、螺旋構造体の個々の巻き線は拡張された間隔Ｄを有している。その結果、鋳型設計において繊細な細工および複雑な領域が回避される。

したがって、いかなる種類の差し込み式コイルにとっても堅固で簡単な管理のコンセプトが作成される。

巻き線ヘッドの事前変形および模型における巻き線の回転の結果、恒久鋳型方法による鋳造コイルと、消失模型とそしてまた消失鋳型の大量連続作成に適した製造が可能となる。鋳造処理後に、鋳造システムを保持可能とすることで、鋳物に対する操作補助器具として次の処理ステップのために溶湯を供給する。これは、特に実際の鋳物品は、純アルミニウム（Ｒ９９．７または類似のもの）またはイー・コッパ（Ｅ−ｃｏｐｐｅｒ（登録商標））から成ることが多く、非常に低い強度とそしてまた高い柔軟性を有しているため、さらなる塑性変形から守られるという利点を有する。鋳造コイルは事前変形位置に固定されるが、これはその後に続く処理ステップにとって非常に有利になり、自動化処理を可能にする。巻き線間隔が増加した事前変形されたコイルによって処理のしやすさが改善されることにより、特にバリ取り、艶出し、洗浄、研磨、コーティング法などの処理ステップは大いに簡略化される。後に続く処理は、鋳造システムが取り除かれる前または後に行われることができ、またさらなる後続の処理ステップ（研磨、艶出し、および電気的絶縁のためのコーティング）の後にのみ行うことができる。この形状変化のさらなる利点としては、巻き線または螺旋構造体のコアにガイドロッドを挿入することで鋳造後に簡単に再成形処理を行うこと、および複数の巻き線の再成形を直接連続して行うことがある。

これは、図２に示すように止めショルダを有するマンドレルを挿通させることで実現される。図２は、上部から下部へ３つの連続する段階において、螺旋状金属体の３つの異なる圧縮ステップであり、上部には螺旋状金属体１'の長手軸に沿った非圧縮形状が示され、中央部には部分的に圧縮された形状が、そして下部には完全に圧縮された形状が示されている。金属体の左側には、それぞれ自由端７ａと第１止めショルダ７ｂとを有するマンドレル７が図示され、それに対して右側には、それぞれマンドレル７の自由端７ａを受け入れるための第２止めショルダ８ａと開口部８ｂとを有する受入手段８が図示されている。

金属体（１'）は、図２における下部の圧縮後の短縮された目標形状において塑性変形により維持されるか、または固定手段１０により圧縮が維持されることが可能である。そのような固定手段には例えば機械的クランプ（ｃｒａｍｐまたはｃｌａｍｐ）１０が含まれ得る。しかしながら、金属体はまた例えば絶縁材料を用いた接着により固定することも可能であり、その絶縁材料は同時に螺旋構造体の複数の巻き線を互いに絶縁する。

図３には、上下の３つの異なる段階において、螺旋状金属体１にマンドレル７を挿入することを示し、またそれによりマンドレル７の長手軸に平行に延出する長手軸６の方向において螺旋状金属体を前進圧縮していることを示す。マンドレル７および受入手段８を用いることで、コイルは目標状態または挿入状態に変形される。これにより再成形処理と補正を組み合わせることができる。塑性変形が維持されることで弾性変形コンポーネントが緩められた後、目標形状が実現されるまで圧縮が続けられ得る。自由端７ａにおいて、マンドレルが薄いことにより挿通を容易にすることができ、またマンドレルが第１止めショルダ７ｂに向かって厚くなり、そこで断面において螺旋構造体の内側の端部輪郭に対応している。理想的には、螺旋構造体の内側の端部輪郭が、目標形状におけるコイルまたは螺旋状金属体と少なくとも同じ高さを有する。

図４において図示されているように、螺旋状金属体の複数の特定箇所において変形領域１０、１１、１２、１３を設けることができ、また変形領域１０、１１、１２、１３は例えば材料断面において減らすことが可能であり、変形の少ない場合および塑性変形へ移行する際、それらの箇所における弾性変形領域を正確に取り除く。したがって、金属体の圧縮時の弾性変形の割合を減らし、目標形状をあらかじめよりよく推定し、実現することができる。複数の変形領域は例えば複数の巻き線の複数の角部または複数の巻き線の複数の直線部にも設けることができる。

図５において、まず目標形状に作成された模型体１１が概略的に示されている。模型体１１は長手方向に拡張された事前変形模型体１１'に変えられた後、再成形処理により、同様に拡張された形状の金属体１３に変換される。そしてこれは複数の可能な作業ステップ１４、例えばバリ取りおよび／またはコーティングにより機械加工されることが可能であり、その後圧縮されて金属体１３'を形成する。

目標形状に対して事前変形された巻き線ヘッドと事前変形状態で目標形状に対して９０度以下で回転された巻き線の組み合わせによって、以下の利点が実現される。つまり、巻き線ヘッドの修正とそれと同時に９０度より小さい角度でコイルを回転させることを組み合わせてまた可変に適用することで、この鋳型コンセプトはどんな種類および大きさの差し込み式コイルにも用いることができる。巻き線の関連する箇所における抜き勾配が不要で（平行エッジおよび非平行エッジの巻き線が実現可能である）、その結果、溝を埋める要因が製造により減少することを防ぐ。事前変形コイルはマンドレルを用いて簡単に押圧することで挿入状態に再成形することができる。最後の形状への補正を直接再成形で行うようにマンドレルの形状を設計することができる。器具の小さい突出領域により、より小さい射出機械や、より小さい鋳型、または複数の空洞を利用可能にする。

本発明は、非常に様々なサイズ（例えば、Ａｌプレス成形またはＣｕコイルの鋳型射出成型（ＭＩＭ）の恒久鋳型で必要とされる、ステアリングモータにおけるような小さな形状、または消失フォームあるいは砂型鋳造において作成できる大型のコイル）の鋳造コイルの作成に用いることができる。

本発明のさらなる利点は、オプションとして、ブロック成形法を用いる代わりに、シェル精密鋳造を用いることを可能としたことである。これは事前変形により可能となる。

精密鋳造におけるシェル構成を可能にするため、鋳造鋳型の場合、個々の巻き線間に十分なスペースを作成する。壁の薄い鋳型でシェルが互いに重なって形成されること、または個々の螺旋状スレッドの間隔が狭すぎる場合の問題が防止される。

鋳造の際にコイル状金属体に作成されるバリは、最終的な変形前に容易に処理可能であり、例えばまた自動的に除去可能でもある。

精密鋳造の際、および消失模型（消失フォーム）を用いる方法の場合に、本発明により利用可能なクローズド・シェルまたはセラミック鋳型はそれぞれ突出表面を有するバリのない鋳物を作成することを可能とし、鋳造システムは分離されその後機械加工される必要があるだけである。個々の処理ステップはそれにより特に連続作成のために自動化することができる。

本発明によって、ＡｌおよびＣｕまたはＡｌおよびＣｕ合金等の原料を用いて鋳造コイルを大量連続作成することが可能であり、それにより生産性、設計自由度、および連続利用における採算性を大いに向上させることができる。さらに、上述した手順によって、鋳造技術で処理される他の原料を螺旋形状にもたらすことができる。さらに、異なる巻き数、巻き厚、および巻き幅を有する異なる螺旋構造体を、例えばセラミック材からなる適宜異なる内部はめ込みを用いて外部形状に作成することができ、それにより異なる設計が可能である。本発明では、したがって例えば電気機械におけるコイルとしての利用に関して、螺旋構造体の経済的な作成への多大な貢献がなされ、先行技術に対してより高い電力密度とより高い効率性を備えた電気機械の新たな製造方法が開発される。螺旋構造体またはコイル、コイル用の模型、または簡易な形状に形成された鋳型におけるコイル用の消失鋳型の作成に対する革新的なコンセプトを用いることで、大量連続のための堅固で自動化可能な製造処理が可能になる。

圧力鋳造、低圧鋳造、砂型鋳造、消失フォーム・コア・パケット法、重力鋳造、傾斜シェル鋳造、精密鋳造、およびそこから派生した様々な方法等の従来の鋳造法に加えて、ワッフルメーカについても同様に、形状を調整可能とすることで、上述した輪郭を有した鋳型の半分まで溶湯を流し入れ、鋳型を閉じ、それにより溶湯をその輪郭内に行き渡らせることができる。

鋳造体の簡易な目視検査および金属組織学的分析により、成型部品の製造による履歴と作成タイプが明らかにされる。特に、巻き線および巻き線ヘッドにおいて塑性的に再成形された領域を金属組織学的に検出することができる。

Claims (10)

1. 螺旋状金属体の作成方法であって、
   まず鋳造法により鋳型において事前成形された螺旋状金属体を作成し、
   その後前記螺旋状金属体の長手軸に沿って前記螺旋状金属体を変形することで圧縮する、方法。
2. 前記鋳造の後に前記螺旋状金属体を少なくとも部分的に塑性変形することで前記長手軸に沿って圧縮する、請求項１に記載の方法。
   
3. 前記鋳造の後および前記圧縮の前に、特に研磨、および／または、艶出し、および／または、コーティングにより前記螺旋状金属体を機械加工する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記螺旋状金属体を圧縮するため、自由端と第１止めショルダとを有するマンドレルに前記螺旋状金属体を押入し、
   前記第１止めショルダと受入手段が有する第２止めショルダとの間で前記螺旋状金属体が圧縮されるまで、前記マンドレルの前記自由端を前記受入手段に挿入する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 事前成形された前記螺旋状金属体の作成中に、特に材料断面テーパリングにより、螺旋構造体の各巻き線に少なくとも１つ、特に少なくとも２つの変形領域が設けるかまたは作成し、
   前記螺旋状金属体の前記圧縮中に、最初に塑性的に前記変形領域を変形する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記圧縮の後に固定手段により前記螺旋状金属体を全長に対して固定する、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. まず、圧縮された前記螺旋状金属体の所望の目標形状に特に非金属材からなる消失フォーム法の例えばフォーム部である消失模型体を作成し、
   前記長手軸に沿って前記消失模型体を事前変形することで拡張し、
   特に前記消失模型体を用いて前記鋳造法の鋳型を作成することにより、または溶融法において利用することにより、事前変形された前記螺旋状金属体の前記鋳造のための雄型鋳型として、拡張された前記消失模型体を用いる、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の前記螺旋状金属体の作成方法のための装置であって、
   前記装置は
   マンドレルと、
   受入手段と
   を備え、
   前記マンドレルは、
   自由端と、
   前記自由端から間隔をあけて第１止めショルダと
   を有し、
   前記マンドレルに押入された螺旋状金属体に対する制限止め部を形成するような寸法を前記第１止めショルダは有し、
   前記受入手段は、
   前記マンドレルの前記自由端を挿入するための開口部と、
   前記開口部の周りを囲む、前記螺旋状金属体に対する第２止めショルダと
   を有する、装置。
9. 前記第１止めショルダに隣接する領域において、事前成形された前記螺旋状金属体に適合して受け入れ可能とする外寸を前記マンドレルが有し、
   断面における少なくとも第１延出方向において、前記自由端に向かって前記マンドレルが先細りになる、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記マンドレルおよび前記受入手段の成形の結果として、前記受入手段への前記マンドレルの挿入に対する長手方向止め部が形成され、
    前記長手方向止め部は、圧縮された前記螺旋状金属体の全長を固定する、
    請求項８または９に記載の装置。

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