JP3861072B2

JP3861072B2 - ピストン用半製品の製造方法

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Publication number: JP3861072B2
Application number: JP2003142949A
Authority: JP
Inventors: 不二夫角南; 広造吉武; 俊吉金; 成甲朴
Original assignee: Yamanaka Engineering Co Ltd
Current assignee: Yamanaka Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: JP2004344907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有底円筒状のカップ部とアーム部とを有するピストン用半製品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機等に用いられるピストン部材は、圧縮機内のシリンダボアを往復スライド移動するものであり、ピストン部材は、このシリンダボアを摺動するヘッド部と、そのヘッド部を往復移動させる駆動装置と連結（接続）させるアーム部とを有している。そして、このヘッド部は、軽量化を図るため中空構造とされており、ヘッド部の製作は、有底筒状のカップ部と、それとは別体の蓋状のキャップ部材とを、圧接（摩擦溶接）等により一体化させ中空としている。
【０００３】
従来、この中空のヘッド部を構成する有底円筒状のカップ部を有するピストン用半製品を作成する方法としては、二軸方向からの金型移動により行なう鍛造成型方法が従来知られている（例えば、特許文献１参照）。
この方法は、図14（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第一軸51方向（図14の紙面方向）に移動する（図外の）金型により、被加工材53に対して熱間鍛造によるバリ出し成型を（図14（ｂ）に示す予備成型を介して）行い、アーム部に相当する部位57，57を有する第一加工品54を成型する。その後、一旦、この第一加工品54を金型から取り出して、図14（ｄ）のようにバリ取り加工（トリム工程）を経て、上記第一軸51に直角な第二軸52方向から、（図外の）金型（パンチ）により、図14（ｅ）のように第一加工品54のカップ部となるべき部分（両側）を熱間（又は冷間）による鍛造成型し、第二加工品55としている。その後、第二加工品55の両端部側に、別工程により製造したキャップ部材56を圧接（摩擦溶接）して、図14（ｆ）のような中空ヘッド部を形成した第三加工品58としている。そして、この第三加工品58をセンター（図14（ｆ）の矢印部）にて２分割に切断して、切削加工、表面処理等を行いピストン製品としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５９７８１公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の製法においては、図14（ｃ）に示すように、第一加工品54は、バリが多く形成され、材料の歩留りが悪いという問題点がある。また、ピストン製品（半製品）を得るまでの工程が多く必要で、特に、鍛造による成型の途中にバリ取りのトリム工程が必要となり、製造工程が複雑化してしまう。また、二軸方向からの金型による鍛造成型は、装置を巨大化させたり、又は、複数のプレス機が必要となったり、装置が複雑となる。
【０００６】
また、従来の方法により成型された製品は、図14（ｆ）に示す如く、キャップ部材56との接合部59（圧接加工部）が、アーム部57′に近い部位であるため、この部位は圧縮機の運転状態において、シリンダボアから出たり入ったりする部位であり熱歪みの影響を受けやすいため、運転後、この接合部59において割れや歪みが生じやすく、弱点となるおそれがあった。
【０００７】
そこで本発明は、材料の歩留りが良く、また生産管理が容易で成形性の良いピストン用半製品の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るピストン用半製品の製造方法は、一軸方向一方側からのピン型の押圧により被加工材を押出成型して被加工材本体部と該被加工材本体部から突出状となる中間成型アーム部を成型する第一工程と、該一方側からのパンチの押し込みにより該被加工材本体部を該パンチの外周空間部に進入させて該被加工材本体部をカップ部に成型する第二工程と、上記中間成型アーム部を他方側から押圧して所定形状のアーム部に成型する第三工程と、を有し、上記第一工程において、上記中間成型アーム部は、そのアーム軸心が上記被加工材本体部の軸心と偏心するよう押出成型され、かつ、上記被加工材本体部と上記中間成型アーム部との間に繋ぎ部を形成し、該繋ぎ部は、該中間成型アーム部の配設側に向かってボリュームが増大するよう傾斜状に成型され、さらに、上記第二工程において、該被加工材本体部を上記パンチの上記外周空間部に進入させる際に、上記繋ぎ部を押し潰して該繋ぎ部を該被加工材本体部側へ塑性流動させ、上記中間成型アーム部が該被加工材本体部側へ引き込まれて変形するのを防止する。
【０００９】
また、上記第一工程において、上記ピン型による押圧方向と反対方向から上記押出成型されていく上記中間成型アーム部を押圧制御しながら成型する。
また、上記第二工程において、上記被加工材本体部の上記外周空間部への進入に対向して、進入する該被加工材本体部を押圧制御しながら成型する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図示の実施の形態に基づき、本発明を詳説する。
【００１１】
本発明の製造方法により作製されるピストン用半製品は、例えばエアコン等に用いられる圧縮機用のピストン部材を構成するものである。ピストン部材は圧縮機のシリンダボアを往復スライド移動するものであり、図13に示すように、ピストン部材はシリンダボアに実際に摺動するヘッド部30と、ヘッド部30を往復移動させる駆動装置と連結（接続）させるアーム部（羽部）６と、を有する。そして、このヘッド部30は軽量化を図るため中空構造とされている。
本発明により作製されるピストン用半製品29は、図13において実線にて示した部分であり、ピストン用半製品29は、中空ヘッド部30を（中空ヘッド部30の全体のうち７割〜８割を）構成する有底円筒状のカップ部４と、カップ部４に連続するアーム部６と、を備える。そして、別工程により作製されたキャップ部材28がカップ部４の開口端部に接合（圧接）されて、中空ヘッド部30が構成される。なお、キャップ部材28を、図13において二点鎖線により示している。
【００１２】
図１〜図８は、本発明に係る製造方法を説明する製造装置（金型）の断面側面図であり、図10〜図13は、被加工材１が成型されてピストン用半製品29となるまでの図を示す。
本発明の製造方法は、熱間（又は温間又は冷間）にて行なうものであり、第一工程、第二工程、第三工程を有し、第一工程では、一軸方向一方側からのピン型11の押圧により被加工材１を押出成型して、被加工材本体部２と被加工材本体部２から突出状となる中間成型アーム部３を成型する（図１〜図２）。第二工程では、上記一軸方向一方側からのパンチ12の押し込みにより、被加工材本体部２をパンチ12の外周空間部13に進入させて、被加工材本体部２をカップ部４に成型する（図３〜図４）。そして、第三工程では、中間成型アーム部３を他方側から押圧して所定形状のアーム部６に成型する（図５〜図８）。なお、図１〜図４は、製品に対して、同一の一方向から見た断面側面図であるが、図５〜図８は、製品に対して、その直交方向から見た断面側面図である。また、上記「一方側」とは、製品において、カップ部４となる側であり、「他方側から」とはアーム部６となる側である。
【００１３】
つまり、第一工程では、短円柱形の被加工材１を押出成型により、被加工材本体部２と中間成型アーム部３とを有する第一中間品７を成型し（図10〜図11）、第二工程では、第一中間品７の被加工材本体部２をカップ部４に成型して第二中間品８とし（図12）、第三工程では、第二中間品８の中間成型アーム部３を製品の軸方向直交方向である径方向に凹凸部のあるアーム部６に成型してピストン用半製品29を成型する（図13）。
【００１４】
次に、各工程ごとについて説明する。先ず、第一工程において、図１に示すように、第一下型９の第一空間部14の第一大径空間部15内に被加工材１を装着する。被加工材１の外周形状はこの大径空間部15の内周形状と略同一（僅かに小さい）とされている。第一空間部14は、第一工程において得られる被加工材本体部２の外周形状に対応する直線状の第一大径空間部15と、第一工程において得られる中間成型アーム部３の外周形状に対応する直線状の第一小径空間部16と、を有し、空間部14は、第一下型９を（上下）貫通している。
また、第一下型９の上方位置には第一上型10が配設され、これら下型９と上型10とは、プレス機（図外）等に設置されて相互接近離間可能とされており、上型10には、下型９の大径空間部15の内周形状に対応する外周形状のピン型11が取着されている。
【００１５】
そして、図２では、第一上型10を下降させて第一下型９に接近させ、ピン型11の先端を被加工材１の上端面に当接させ、さらに押し込んで、ピン型11により、空間部14に装着された被加工材１を前方押出成型して、被加工材１の下部を空間部14の小径空間部16の形状に対応する中間成型アーム部３とし、被加工材１の上部を大径空間部15の形状に対応する被加工材本体部２に成型する。
【００１６】
また、この第一工程において、被加工材本体部２と中間成型アーム部３との間に繋ぎ部５を形成する。この繋ぎ部５は、後にも説明するが、図４に示す第二工程において、被加工材本体部２をパンチ12の外周空間部13に進入させる際に、繋ぎ部５が押し潰されて繋ぎ部５が被加工材本体部２側へ塑性流動され、中間成型アーム部３が被加工材本体部２側へ引き込まれて変形するのを防止させるためのものであり、繋ぎ部５は、塑性流動用のボリューム部となるものである。
【００１７】
繋ぎ部５の形状について具体的に説明すると、図11に示すように、第一中間品７を成型する第一工程において、中間成型アーム部３は、そのアーム軸心Ｃ₁ が被加工材本体部２の軸心Ｃ₂ と（平行であるが）偏心するよう、押出成型されており、繋ぎ部５は、中間成型アーム部３の配設側に向かってボリュームが増大するよう傾斜状に成型される。つまり、被加工材本体部２の軸心Ｃ₂ からアーム軸心Ｃ₁ 方向へ向かって、軸方向の肉厚が増大する繋ぎ部５を成型する。そして、この繋ぎ部５の肉厚は、直線的に増大するようされている。つまり、繋ぎ部５の中間成型アーム部３側の面が直線状傾斜面となる。
【００１８】
この繋ぎ部５の肉厚勾配（繋ぎ部５の直線状傾斜面と軸心直交面との成す角度）θは、10°〜25°の範囲で設定されるのが好ましく、これが下限値未満であると、第二工程におけるカップ部４の成型の際の充当（塑性流動）させるボリュームとして不足し、上限値を超えると、第二工程における成型に際し大きな負荷が局部的に発生し成型不良を起こすおそれがある。
つまり、第一下型９の第一空間部14は、第一段付き面部31を介して第一大径空間部15と第一小径空間部16とが連続しており、第一段付き面部31の傾斜角度を10°〜25°に設定されればよい。なお、図１と図２では、角度θを20°としている。
【００１９】
さらに、図１〜図２に示すように、第一工程において、ピン型11による下方への押圧方向と反対方向から、ピン型11により前方押出成型されていく中間成型アーム部３を押圧制御しながら（背圧Ｐ₁ をかけながら）成型している（ダイクッション）。これを具体的に説明すると、貫通状である空間部14において、ピン型11の挿入側と反対側に、小径空間部16の内周形状に対応する外周形状を持つ対抗ピン17が小径空間部16の所定待機位置に挿入状態とされている。そして、ピン型11による押出成型により形成されていく中間成型アーム部３の先端面に対抗ピン17の先端面を当接させながら対抗ピン17を抵抗を持たせて（矢印ａ方向に）後退させ、成型されていく中間成型アーム部３に負荷（流動抵抗）をかけながら成型を行ない、第一中間品７を得る。つまり、対抗ピン17の後退していく方向（矢印ａ）と反対方向の背圧Ｐ₁ を作用させる。
【００２０】
対抗ピン17が、成型されていく中間成型アーム部３の先端面を押し付けながら後退することにより、押し出される中間成型アーム部３の各部の素材流れは速度が不均等とならず、成型の均一化が図れる。
また、図示省略するが、図２の状態からピン型11を上方の離間位置に後退させ、さらに、後退した対抗ピン17を上昇させ、第一中間品７を押し上げることで、第一下型９から第一中間品７を容易に取り出すことができる。
【００２１】
次に、第二工程について説明する。図３に示すように、第一工程において成型した第一中間品７を第二下型18に装着する。第二下型18の第二空間部20は、第二工程において得られるカップ部４の外周形状に対応する直線状の第二大径空間部21と、第一工程において得られた中間成型アーム部３の外周形状に対応する───第一下型９の第一小径空間部16と同じ形状の───直線状の第二小径空間部22と、を有し、空間部20は第二下型18を（上下）貫通する。
そして、この空間部20は、第二段付き面部32を介して大径空間部21と小径空間部22とが連続しており、この第二段付き面部32と、第二下型18に装着された第一中間品７の繋ぎ部５の傾斜面との間には、小隙間部23が形成されることとなる。つまり、第二下型18の第二段付き面部32は、軸心直交面に対して０°〜５°の角度を持つ平面に形成されている。なお、図３と図４では、この角度を５°としている。
【００２２】
この第二工程において、図外の第二上型に取着させたパンチ12と、第二下型18とをプレス機等に設置し、相互接近させ（第二上型を降下させ）、パンチ12の先端面を第一中間品７の被加工材本体部２の端面に当接させ、さらに、押圧し、被加工材本体部２をカップ部４に成型する（後方押出成型）。そして、被加工材本体部２をパンチ12の外周空間部13に進入させる際に、繋ぎ部５を押し潰してその繋ぎ部５を被加工材本体部２側へ塑性流動させ、中間成型アーム部３が被加工材本体部２側へ引き込まれて（引張りを受けて）変形するのを防止する。つまり、パンチ12の押し込みと第二段付き面部32により、繋ぎ部５の傾斜角度が小さくなるよう押し潰され（例えば20°から５°に押し潰され）、潰されて圧縮される（塑性流動する）繋ぎ部５の部分がパンチ12の外周空間部13側へ充当される。
【００２３】
また、この図４に示す第二工程において、被加工材本体部２の外周空間部13への進入に対向して（対抗して）、進入する被加工材本体部２を、全周にわたって均等に、押圧制御しながら（背圧Ｐ₂ をかけながら）成型している（ダイクッション）。これを具体的に説明すると、空間部20において、大径空間部21の内周形状に対応する外周形状を持ちかつパンチ12に外嵌状となって摺動可能で副第二上型19に取着される環状対抗型25が、パンチ12の第二下型18への接近（降下）と共に被加工材本体部２に当接するまで前進し、環状対抗型25がパンチ12に外嵌状でかつ第二大径空間部21に挿入状態とされる。
そして、パンチ12による押し込み成型により徐々に形成されていくカップ部４の環状先端面に環状対抗型25の先端面を当接させながらその環状対抗型25を抵抗を持たせて（矢印ｂ方向に）後退させ、成型されていくカップ部４に負荷（流動抵抗）をかけながら成型を行ない、第二中間品８を得る。つまり、パンチ12を前進方向である押し込み方向（矢印ｃ）に進ませながら、環状対抗型25をそれとは反対方向へ後退させる。また、環状対抗型25の後退していく方向（矢印ｂ）と反対方向に背圧Ｐ₂ を作用させる。
環状対抗型25が素材を押し付けながら後退することにより、成型されたカップ部４の周方向各部の素材流れが全周にわたって速度が不均等とならず、成型の均一化が図れる。
【００２４】
また、図３と図４に示すように、第二下型18の第二小径空間部22の下部には、ピン部材26が挿入状とされており、かつ、第一中間品７の中間成型アーム部３の先端面とピン部材26の先端面は第二工程において当接状態を維持する。従って、パンチ12による成型が行なわれても、中間成型アーム部３の部分は変形（塑性流動）することなく、そのままの形状が維持される。
【００２５】
また、図４の状態からパンチ12及び環状対抗型25を上方の離間位置に後退させ、さらに第二小径空間部22に挿入状とされていたピン部材26を上昇させて、第二中間品８を押し上げることで、第二下型18から第二中間品８を容易に取り出すことができる。
【００２６】
次に、第三工程について説明する。図５に示すように、第二工程において成型した第二中間品８を第三下型33に装着する。第二中間品８は、第一及び第二工程における姿勢と逆向きとしている（カップ部４が中間成型アーム部３より下方位置となる姿勢としている）。
第三下型33は、カップ部４に密着外嵌状となる孔部34を有する本体部35と、カップ部４に密着挿入状となる下パンチ36と、カップ部４の開口先端面を全周にわたって受ける環状型37と、本体部35の上面に配設されピストン用半製品29の外形状のアーム部６側の略半分を形成させる分割型38ａ，38ｂと、を有し、第二中間品８を図６のように保持させる。
【００２７】
第三下型33の上方位置にある第三上型39は、分割型38ａ，38ｂの外周部に形成されたテーパー面40に面でもって当接する内テーパ面41を有して閉状態の分割型38ａ，38ｂを締めつけ固定する押さえ型42と、閉状態となった分割型38ａ，38ｂにて構成される空間部43内において中間成型アーム部３を押圧してアーム部６に成型する上パンチ44と、を有する。そして、第三上型39の押さえ型42の鉛直方向下向きの（図外のプレス機による）押さえ力と、テーパー面40と内テーパー面41との作用により、左右に分割可能な分割型38ａ，38ｂを、成型荷重を超える力にて側方（水平方向）から締めつけ、隙間が生じるのを防いでいる。
【００２８】
そして、図６から図７に示すように、上パンチ44を降下させ、上パンチ44により第二中間品８の中間成型アーム部３を押圧し、カップ部４の形状は第三下型33により維持されたまま、中間成型アーム部３を、その軸方向長さを縮めるよう圧縮させて軸方向直交方向に膨出させ、所定形状のアーム部６に成型する。そして、図８に示すように、第三上型39を上昇させ、分割型38ａ，38ｂを開状態とし、環状型37を上昇させれば、成型されたピストン用半製品29を第三下型33の本体部35から容易に取り出すことができる。
【００２９】
また、図５に示すように、第二成型工程にて作製された第二中間品８を、第三工程における第三下型33の本体部35へ装着する際に、位相決め手段により、第三下型33に対して第二中間品８が所定の位相（向き）にて装着できるようしている。つまり、ピストン用半製品29は、アーム部６とカップ部４とが偏心した状態とされるため、第二中間品８は、第三上型39と第三下型33に対して位相決めを行なって装着させる必要がある。
【００３０】
位相決め手段は、図９（ａ）と（ｂ）に示すように、第二工程において成型される第二中間品８が有するカップ部４の外周面の一部と、第三工程において第二中間品８が装着される第三下型33の空間部の内周面の一部のうち、一方に形成した（断面蒲鉾型の）凸部46と、他方に形成した凹溝47とにより構成され、図９（ａ）と（ｂ）では、第二中間品８に（例えば、半径１mm程度の断面円形の）凸部46が第二工程において同時に形成され、第三下型33に凸部46に嵌合する凹溝47が予め形成されている。凸部46は、軸心方向に形成された直線的な凸条、又は、突起とすればよく、凹溝47は、それに対応した形状とすればよい。これによれば、凸部46と凹溝47とが嵌合する状態でしか、第二中間品８は第三下型33に装着できず、第二中間品８の第三下型33に対する位相決めが簡単に行なえる。
【００３１】
また、位相決め手段の他の実施例としては、図９（ｃ）と（ｄ）に示すように、第二工程において成型される第二中間品８が有するカップ部４の内周面の一部と、第三工程において第二中間品８のカップ部４を外嵌状に装着させる下パンチ36の外周面の一部のうち、一方に形成した凸部46と、他方に形成した凹溝47とにより構成されてもよく、図９（ｃ）と（ｄ）では、第二中間品８のカップ部４に凸部46が第二工程において同時に形成され、下パンチ36に凸部46に嵌合する凹溝47が予め形成され、第二中間品８を下パンチ36に装着することで、位相を合わしている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は上述の構成により次のような効果を奏する。
【００３３】
（請求項１によれば）各工程において段階的に塑性加工を進めるため、最適な金型形状を持って成型が行なえ、バリが生じず材料の歩留りが良く、金型負荷を極めて小さくすることができ、金型寿命を長くできる。つまり、成型するための荷重が小さくて済み、その結果、成型品に無理な負荷をかけない。また、金型の簡素化によりイニシャルコストの低減が可能で、かつランニングコストも低減でき生産性が向上する。
さらに、工程ごとで異なる部分の成型を順番に行なうため、型の動作が単純であり、作業管理が行ないやすい。従って、製品精度を向上させ、不良品の発生を無くすることができる。
各工程ごとで、潤滑油の供給と排出を金型の形状（製品形状）に見合った方法にて行なえる。
【００３４】
また、繋ぎ部５の素材をカップ部４成型時に引き込ませることにより、中間成型アーム部３を変形させることがない。繋ぎ部５の素材を、成型されていくカップ部４側へ充当させることで、カップ部４の成型を容易にさせる。
また、複雑な形状であるピストン用半製品に対して安定して成型が行なえ、所望する製品形状を無理なく塑性加工できる。
（請求項２によれば）押し出される中間成型アーム部３の素材流れの速度を均一化でき、寸法精度の良い製品を得ることができる。
（請求項３によれば）特に、アーム軸心Ｃ₁と被加工材本体部２の軸心Ｃ₂とが偏心するような場合、カップ部４の周壁部における周方向の素材流れの速度（押し上げ高さ）が不均等となりやすいが、それを防止することができ、カップ部４の形状を均一化させることができ、製品精度の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法の第一工程を説明する製造装置の断面図である。
【図２】第一工程における成型後の状態を示す製造装置の断面図である。
【図３】第二工程における成型前の状態を示す製造装置の断面図である。
【図４】第二工程における成型後の状態を示す製造装置の断面図である。
【図５】第三工程における準備状態を示す製造装置の断面図である。
【図６】第三工程における成型開始時の状態を示す製造装置の断面図である。
【図７】第三工程における成型後の状態を示す製造装置の断面図である。
【図８】第三工程における製品取出し作業を説明する製造装置の断面図である。
【図９】位相決め手段を説明する断面図である。
【図１０】被加工材の側面図である。
【図１１】第一中間品の側面図及び正面図である。
【図１２】第二中間品の側面図及び正面図である。
【図１３】ピストン用半製品の平面図と側面図と正面図である。
【図１４】従来の製造方法を説明する製品の側面図である。
【符号の説明】
１被加工材
２被加工材本体部
３中間成型アーム部
４カップ部
５繋ぎ部
６アーム部
11 ピン型
12 パンチ
13 外周空間部
Ｃ₁ アーム軸心
Ｃ₂ 軸心

Claims

一軸方向一方側からのピン型（11）の押圧により被加工材（１）を押出成型して被加工材本体部（２）と該被加工材本体部（２）から突出状となる中間成型アーム部（３）を成型する第一工程と、該一方側からのパンチ（12）の押し込みにより該被加工材本体部（２）を該パンチ（12）の外周空間部（13）に進入させて該被加工材本体部（２）をカップ部（４）に成型する第二工程と、上記中間成型アーム部（３）を他方側から押圧して所定形状のアーム部（６）に成型する第三工程と、を有し、
上記第一工程において、上記中間成型アーム部（３）は、そのアーム軸心（Ｃ ₁ ）が上記被加工材本体部（２）の軸心（Ｃ ₂ ）と偏心するよう押出成型され、かつ、上記被加工材本体部（２）と上記中間成型アーム部（３）との間に繋ぎ部（５）を形成し、該繋ぎ部（５）は、該中間成型アーム部（３）の配設側に向かってボリュームが増大するよう傾斜状に成型され、
さらに、上記第二工程において、該被加工材本体部（２）を上記パンチ（ 12 ）の上記外周空間部（ 13 ）に進入させる際に、上記繋ぎ部（５）を押し潰して該繋ぎ部（５）を該被加工材本体部（２）側へ塑性流動させ、上記中間成型アーム部（３）が該被加工材本体部（２）側へ引き込まれて変形するのを防止することを特徴とするピストン用半製品の製造方法。
上記第一工程において、上記ピン型（ 11 ）による押圧方向と反対方向から上記押出成型されていく上記中間成型アーム部（３）を押圧制御しながら成型する請求項１記載のピストン用半製品の製造方法。
上記第二工程において、上記被加工材本体部（２）の上記外周空間部（ 13 ）への進入に対向して、進入する該被加工材本体部（２）を押圧制御しながら成型する請求項１又は２記載のピストン用半製品の製造方法。