JP4436763B2 - 少なくとも１つの中空室を備えて形成された、周期的に内圧で負荷される金属製の構成部材の疲れ限度を高めるための方法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、少なくとも１つの中空室を備えて形成された金属製の構成部材の疲れ限度を高めるための方法に関する。

実際の使用から、金属製の構成部材の内室もしくは中空室が圧力負荷段階の間に１回、運転負荷を著しく上回る内圧で負荷される方法が知られている。適宜に選択された内圧の高さで、このように処理された構成部材には、圧力の減少後に構成部材の内室もしくは中空室の縁層に加圧残留応力が形成される。この加圧残留応力は部分可塑化、すなわち、永久部分塑性変形によって生ぜしめられる。この加圧残留応力によって、周期的なもしくは時間的に可変の内圧で負荷される構成部材の機械的な負荷耐性が著しく高められる。したがって、自己緊縮法とも呼ばれるこの既知の方法は、高負荷される鋼製構成部材の能力を増大させるために使用される。

金属製の構成部材に加圧残留応力を形成するための別の強化プロセスは、たとえばショットピーニング法またはディープローリング法（フィレット法）である。これらの方法は、室温に比べて高められたプロセス温度もしくは構成部材温度でも実施され、これによって、時間的に可変な内圧負荷での構成部材の運転中に加圧残留応力の安定性が高められ、これによって、振動破断に対する抵抗力も著しく高められる。

しかし、この場合、後者の強化法（ショットピーニング法またはディープローリング法）では、複雑な構成部材ジオメトリおよび内側表面を不十分にしか加工することができないかまたは強化することができないことが欠点となる。

本発明の課題は、加圧残留応力を任意のジオメトリの構成部材において高い安定性を備えて形成することができるような方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は、請求項１の特徴による方法によって解決される。

発明の利点
請求項１の特徴を備えた、少なくとも１つの中空室を備えて形成された金属製の構成部材、特に車両に用いられる噴射システムの構成部材の疲れ限度を高めるための方法によって、高い運転圧と、大きな圧力変動に基づき形成される負荷とに対する金属製の構成部材の、著しく改善された抵抗力もしくは耐振性が得られる。

このことは、構成部材を圧力負荷段階の間にその中空室で、構成部材に加圧残留応力を形成するために、構成部材を少なくとも部分的に部分塑性変形させるような圧力で負荷することによって達成される。この間もしくはこれに対して時間的にすぐ近くで、構成部材が温度処理段階の間、室温よりも高い構成部材温度に加熱される。これによって、大きな圧力変動に基づき形成される負荷に対する構成部材の抵抗力もしくは耐振性がさらに一層高められる。これによって、結果的には、温度処理段階により、構成部材における部分塑性変形の、本発明による方法によって処理された構成部材の疲れ限度を改善する物理的な効果が助成され、これによって、形成された加圧残留応力が有利に安定化される。

方法の有利な実施態様では、金属製の構成部材が、まず、圧力負荷段階の間、少なくとも部分的に、すなわち、有利には高負荷される領域で、加圧残留応力を形成するために部分塑性変形させられる。少なくともほぼ周辺温度もしくは室温で実施される圧力負荷段階にすぐ続いて、構成部材が温度処理段階で、室温よりも大きい温度にもたらされる。これによって、室温でしか可塑化されない構成部材に対する構成部材の、著しく改善された抵抗力もしくは耐振性が得られる。

これに対して択一的には、圧力負荷段階を、室温よりも高い構成部材温度で実施することが提案されていてもよい。この場合、温度処理段階は圧力負荷段階に時間的に前置されていてよい。

本発明による方法の別の有利な実施態様では、圧力負荷段階前だけでなく、圧力負荷段階にすぐ続いても、周辺の室温よりも高い構成部材温度が生ぜしめられる温度処理段階が設けられていてよい。この場合、圧力負荷段階も同じく、室温を上回る構成部材温度で実施される。これによって、著しく改善された抵抗力を備えた構成部材が製作される。なぜならば、圧力負荷段階の間に形成された加圧残留応力が、高められた安定性を有しているからである。

本発明による方法によって、特に複雑な構成部材ジオメトリを備えた構成部材の耐振性を高い装置手間なしに改善する可能性が得られる。この場合、有利な使用分野は、ディーゼル噴射技術およびガソリン噴射技術の、圧力を案内する管または複雑な構成部材、たとえば噴射管路およびポンプ、インジェクタおよび分配器の構成部材である。

本発明による対象の別の利点および有利な実施態様は、明細書、図面の簡単な説明および特許請求の範囲から知ることができる。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１ａ〜図１ｄに関して、自動車の内燃機関に用いられる燃料噴射システムの鋼製の構成部材１が横断面図で示してある。この構成部材１は少なくともほぼ管状に形成されている。本実施例では、ディーゼル噴射システムの共通の蓄圧器（レール）である。

図１ａに示した構成部材１は、最大の運転圧をはるかに上回る、いわゆる「自己緊縮圧」による負荷前の構成部材１に相当している。図１ｂには、自己緊縮圧を加えた後の構成部材が示してある。両図面を比較すると、自己緊縮圧に基づく構成部材１の内径ならびに外径の変化もしくは拡張を認めることができる。この変化もしくは拡張は、構成部材１の、半径方向で制限された部分的な部分塑性変形に起因している。

より良好に理解するためには、図１ｂに示した構成部材１の壁が、ハッチングした２つの異なる領域２，３によって図示してある。ハッチングは、構成部材の壁の異なる領域を示すためにしか使用されていない。両領域は一体に形成されている。構成部材の壁の第１の領域２は、構成部材１の壁の、この構成部材１を内室４で自己緊縮圧によって負荷している間に弾性変形および可逆変形を被った区分である。

構成部材１の内室もしくは中空室４を仕切りかつ第１の領域２によって完全に取り囲まれた第２の領域３は、構成部材１の壁の、自己緊縮圧の減少後、直径の拡張に表れる永久塑性変形もしくは不可逆変形を有する区分である。

自己緊縮は、周期的な高い圧力で負荷される構成部材の強度を高めるための自体公知の方法である。自己緊縮プロセスの間、噴射システムの運転圧をはるかに上回る歪み圧もしくは自己緊縮圧を１回加えることによって適切に加圧残留応力が構成部材に加えられる。この加圧残留応力は、構成部材の内室を仕切る領域が塑性変形させられ、したがって、自己緊縮後に永久変形もしくは可塑化を有することによって形成される。これに対して、構成部材の外側の領域は、自己緊縮プロセス後に部分的に再び戻る弾性変形しか有していない。

内側の領域３における構成部材の、部分的に実施された可塑化と、外側の領域２の自己緊縮プロセスの間の単なる弾性変形とによって、図１ｃに示した状況が付与される。この状況では、図１ｃにまず単独位置で示した内側の領域３の外径が、自己緊縮プロセス後、第１の領域２の内径よりも大きくなっている。組み合わされた状態では、第２のもしくは内側の領域３が外側のもしくは第１の領域２によって圧縮され、外側の領域２が内側の領域３によって拡張され、これによって、構成部材１の壁に、図１ｄに示した応力経過が生ぜしめられる。この応力経過は、内側の領域３に加圧残留応力が加えられていることを明瞭にしている。

このように加工された構成部材は、自己緊縮されていない構成部材に比べて、より高い機械的な負荷耐性によって特徴付けられている。したがって、自己緊縮された構成部材は、自己緊縮されていない構成部材よりも高い最大の運転圧で負荷可能となる。なぜならば、原理的に構成部材の内室内の圧力が、まず、加圧残留応力と等しくなり、より高い内圧で初めて引張り応力が内側の領域３に生ぜしめられるからである。この引張り応力は、許容できないほど高い値の場合に構成部材１の故障を生ぜしめる。しかし、この許容できなほど高い値は、自己緊縮されていない構成部材の場合よりも著しく高い圧力で初めて達成される。

これによって、有利には、より僅かな肉厚を備えた構成部材を形成する可能性が得られる。これによって、特に燃料噴射システムの製作コストならびに構成部材重量を減少させることができる。

本実施例では、本発明による構成部材の疲れ限度を高めるための自己緊縮プロセスもしくは方法が、室温よりも高い構成部材温度で実施される。この場合、本実施例では、室温という概念は３０℃までの温度範囲を意味している。構成部材温度は、構成部材１の材料に関連して２００℃〜４００℃の温度範囲にある。この場合、構成部材１の、強化したい区分の構成部材温度が、使用される材料に関連して、２５０℃〜３５０℃の範囲にあると有利である。

前述した構成部材温度での構成部材１の自己緊縮によって、構成部材１の、十分に改善された抵抗力もしくは耐振性が得られる。なぜならば、高められた構成部材温度に基づき、いわゆる「静的な歪み時効」の効果が助成されるからである。構成部材１の内側の領域３の塑性変形は材料における転位によって生ぜしめられる。この場合、高められた温度によって、同時に構成部材１の材料内での不純物原子の拡散が生ぜしめられる。

高められた構成部材温度は、構成部材１の材料継ぎ目での不純物原子の拡散効果を助成する。この拡散効果は、塑性変形によって生ぜしめられる、構成部材１の材料継ぎ目での転位の戻りを防止する。この転位は自己緊縮後に構成部材１に加圧残留応力を生ぜしめる。

これに対して択一的には、構成部材１の自己緊縮が室温で実施され、構成部材が、自己緊縮プロセスにすぐ続いて、材料に関連して５〜２０分であってよい温度処理段階の間、適切な加熱装置によって２００℃〜４００℃のプロセス温度、有利には２５０℃〜３５０℃のプロセス温度にもたらされることが提案されていてもよい。この方法実施態様も同じく構成部材の材料継ぎ目での不純物原子の拡散を助成し、これによって、構成部材の材料継ぎ目での前述した防止効果が、高められた構成部材温度による前述した自己緊縮プロセスに類似して達成される。

運転の間、変動する内圧で負荷される構成部材の疲れ限度を高めるための本発明による方法の別の実施態様では、自己緊縮プロセスを、室温に比べて高い構成部材温度、すなわち、２００℃〜４００℃の範囲、有利には２５０℃〜３５０℃の範囲で実施することが提案されている。これにすぐ続いて、構成部材１が温度処理段階の間、５〜２０分、有利には使用される材料に関連して最大１０分の長さで２００℃〜４００℃、有利には２５０℃〜３５０℃の構成部材温度に保たれ、これによって、前述した効果が得られる。

特に高められた構成部材温度での方法の実施時には、著しく変化する運転圧によって高い負荷にさらされている局所的な領域が、自己緊縮圧による構成部材の負荷前に所望の構成部材温度を有していることが提案されており、これによって、前述した効果が確実に得られる。

図２には、概略的に製造装置５が示してある。この製造装置５によって、自己緊縮圧が構成部材１の内部に加えられる。図２に示した構成部材は、燃料噴射システムの高圧分配器６（レール）を成している。この高圧分配器６を介して内燃機関の全てのシリンダに、高圧下にある燃料が供給される。

この場合、自動車のコモンレール装置もしくは燃料噴射システムに形成される極めて高い圧力は、噴射管路内の調整可能な不変の高圧から分離され、これによって、種々異なる要求を伴った種々異なる噴射の段階を実現することができる。したがって、たとえば、十分な噴射圧が開始から提供されることが保証されるようになっている。短いパイロット噴射によって、構成スペースにおける温度上昇ならびにピーク圧が減少させられ、内燃機関のピストンに対する作業圧がより長く維持されるようになっている。さらに、燃焼の「硬度」と燃焼騒音とが有利に低減されるようになっている。

これらの要求は、公知のコモンレール装置によって実現される。このコモンレール装置では、噴射量が最大５回の部分量に分割され、コモンレール装置が１６００ｂａｒを上回る噴射圧で運転される。

このような噴射システムの個々の構成部材を、十分な疲れ限度と同時に可能な限り僅かな構成部材寸法を備えて形成することができるようにするためには、構成部材が本発明による方法によって強化される。このためには、高圧分配器６の、矢印７で示した側で高圧分配器６の内室（図示せず）に、高圧分配器６の材料に関連して、たとえば５０００ｂａｒ〜１５０００ｂａｒを受け入れることができる自己緊縮圧が、螺合部を介してまたは別の適切なハイドロリック的なシール部材、たとえば栓体を通して供給される。高圧分配器６の別の開口８Ａ〜８Ｆは同時に閉鎖ねじまたは別の適切なハイドロリック的なまたは機械的な閉鎖装置もしくはシール装置１１（図面にシンボリックに矢印によって示した）によって密に閉鎖される。

製造装置５は、大量生産に対して適宜な操作技術を備えて形成されており、これによって、任意の構成部材を製造サイクルにおいて自動的に供給することができ、ハイドロリック的に閉鎖することができ、自己緊縮することができ、再び取り出すことができる。高圧分配器６の加熱もしくは高圧分配器６の構成部材温度の調整は、本実施例では、製造装置５において、破線として概略的にしか図示していない加熱装置９によって行われる。この加熱装置９は、本実施例では、製造装置５に組み込まれた炉として形成されている。

これに対して択一的には、当然ながら、強化したい構成部材の所望の構成部材温度が、製造装置において別の適切な加熱装置、たとえば抵抗加熱または局所的な誘導加熱をベースとした加熱装置を介して調整されることが提案されていてもよい。

高圧分配器６を製造装置５内に自己緊縮プロセスの間ならびに場合によってこれに続く温度処理段階の間に確実に位置決めしかつ自己緊縮の間の構成部材の変形を回避するためには、製造装置５が、その都度強化したい構成部材の輪郭に適合可能な支持装置１０を備えて形成されている。

本発明の別の実施態様では、圧力負荷段階前に構成部材温度が温度処理段階の間、材料に関連した予め規定された値に調整されることが提案されていてよい。この値では、自己緊縮圧の供給によって、構成部材の、運転の間に高負荷される領域に部分塑性変形が生ぜしめられる。これに対して、構成部材の、通常の運転の間により少なく負荷されている領域には部分塑性変形は生ぜしめられない。

さらに、構成部材が加圧残留応力の形成のために部分塑性変形させられる領域でしか構成部材温度が高められず、構成部材の別の領域がそれほど激しく加熱されないかまたは主として全く加熱されないことが提案されていてよい。

本発明の方法の別の実施態様では、構成部材温度が構成部材の材料に関連して本来の自己緊縮プロセスの間、これにすぐ続く温度処理段階の間に生ぜしめられる構成部材温度よりも高いかまたは低いかまたは同じであることが提案されていてよく、これによって、構成部材における前述した強化プロセスが得られる。

本発明による方法を実施する前の燃料噴射システムの管状の構成部材の横断面図である。 本発明による方法の実施後の図１ａに示した構成部材を示す図である。 図１ａおよび図１ｂに示した構成部材の概略的な縦断面図である。 本発明による方法の実施後の図１ａ〜図１ｃに示した構成部材における残留応力経過を示す図である。 本発明による方法を実施するための装置を示す図である。

符号の説明

１ 構成部材、 ２ 領域、 ３ 領域、 ４ 内室、 ５ 製造装置、 ６ 高圧分配器、 ７ 側、 ８Ａ〜８Ｆ 開口、 ９ 加熱装置、 １０ 支持装置、 １１ 閉鎖装置もしくはシール装置

Claims (9)

1. 少なくとも１つの中空室（４）を備えて形成された金属製の構成部材（１）の疲れ限度を高めるための方法において、
   当該方法が、以下のステップ：すなわち、
   ・構成部材（１）に加圧残留応力を形成するために、構成部材（１）をその中空室（４）において、構成部材（１）を、中空室（４）を規定する内壁で少なくとも部分的に塑性変形させるような自己緊縮圧で負荷する圧力負荷段階と、
   ・構成部材を室温を上回る構成部材温度に加熱し、該構成部材温度を圧力負荷段階の間に２００℃〜４００℃に調整する、少なくとも圧力負荷段階前の温度処理段階と
   を備えていることを特徴とする、少なくとも１つの中空室を備えて形成された金属製の構成部材の疲れ限度を高めるための方法。
2. 構成部材温度を２００℃〜４００℃に調整する温度処理段階を圧力負荷段階後に実施する、請求項１記載の方法。
3. 圧力負荷段階前の温度処理段階の間の構成部材温度と圧力負荷段階後の温度処理段階の間の構成部材温度とを等しくする、請求項２記載の方法。
4. 圧力負荷段階前の温度処理段階の間の構成部材温度と圧力負荷段階後の温度処理段階の間の構成部材温度とを異ならせる、請求項２記載の方法。
5. 圧力負荷段階前の温度処理段階および／または圧力負荷段階後の温度処理段階によって、圧力負荷段階の間に生ぜしめられる、構成部材（１）の材料内での不純物原子の拡散プロセスを助成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 構成部材を室温を上回る構成部材温度に加熱し、圧力負荷段階の間もしくは圧力負荷段階後、構成部材温度を２５０℃〜３５０℃に調整するかもしくは保持する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 圧力負荷段階前の温度処理段階の期間および／または圧力負荷段階後の温度処理段階の期間を材料に関連して最大１０分に設定する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 構成部材温度を、圧力負荷段階前の温度処理段階の間および／または圧力負荷段階後の温度処理段階の間、抵抗加熱によって調整する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 構成部材温度を、圧力負荷段階前の温度処理段階の間および／または圧力負荷段階後の温度処理段階の間、構成部材の局所的な誘導加熱によって調整する、請求項１か８までのいずれか１項記載の方法。

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