JP4493704B2 - 金型及び成形体製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により成形体を製造するための金型に関する。また、本発明は、金型を用いて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により成形体を製造する方法に関する。
過去に「半溶融ダイキャスト成形法により予備成形体をニアネットシェイプ成形し、その予備成形体を超精密仕上げ加工して目的とする成形体を得る」という成形体製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この製造方法を採用すれば、鋳造方法を採用するのに比べて高強度の成形体を製造することができる上、原材料費や、機械加工費、工具消耗品代を低減することができ、さらには研削廃材や加工廃液などの破棄物を低減することができる。
特開2005−36693号公報
しかし、半溶融ダイキャスト成形法や半凝固ダイキャスト成形法により成形品を製造する場合において金型に中央部から外周部へと延びる溝が存在すると、金型寿命として通常求められる成形品ショット数より大幅に少ない成形品ショット数で、外周部側の溝端部付近に亀裂が生じるという問題が生じた。
本発明の課題は、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により成形品を製造する場合において金型の長寿命化を実現することにある。
第1発明に係る金型は、第1溝部及び第2溝部を備える。第1溝部は、中央部から外周部へ延びる成形品部分に対応する。第2溝部は、第1溝部の外周部側の終端から延び、第1溝部のいずれかの部分に合流し、成形品部分から除去する部分に対応する。なお、湯口は第1溝部の中央部側の端部近傍に設けられている。
ところで、従来の第1溝部しか存在しない金型が半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形に用いられた場合、金型に高温の半溶融金属が加圧充填されると、第1溝部の外周部側の溝端近傍の溝壁(以下「外周端溝壁」という)を押す力が生じる。つまり、このとき、外周端溝壁には、引張荷重が負荷されることになる。その一方、このような金型から成形品が取り出されると、金型の温度は外周側から低下していく。このとき、金型の中心部と金型外周部との間に大きな温度差が発生し、熱膨張による圧縮荷重が外周端溝壁に発生する。したがって、このような金型では、外周端溝壁に、加圧による引張荷重と熱膨張による圧縮荷重とが交互に繰り返し負荷され、その結果、外周端溝壁に大きな応力振幅が発生することになる。そして、その応力振幅が金型の材料の疲労限度を越えると、疲労破壊が発生して外周端溝壁に亀裂が生じることになる。
しかし、本発明に係る金型には、第2溝部が形成されているため、外周端溝壁が存在しない。つまり、この金型には、大きな応力振幅が発生しない。このため、本発明に係る金型は寿命が長くなる。
なお、目的とする成形体を得るためには、上述したように、予備成形体から第2溝部に対応する部分を切削等の手法により除去すればよい。
第2発明に係る金型は、第1発明に係る金型であって、第1溝部は、渦巻き形状を保持しながら一方向に向かって延びる渦巻き溝部である。第2溝部は、渦巻き溝部の巻き終わり端から延び渦巻き溝部のいずれかの部分に合流する。なお、第2溝部の外周辺は円弧であるか、円弧と、渦巻き溝部の外周辺上の任意の点から延びる接線とから構成されるのが好ましい。また、この金型において、渦巻き溝部は、端面から一方向に延びていてもよいし、凹部(鏡板に相当する部分)から一方向に延びていてもよい。
この金型では、第1溝部が、渦巻き形状を保持しながら一方向に向かって延びる渦巻き溝部である。そして、第2溝部が、渦巻き溝部の巻き終わりから延び渦巻き溝部のいずれかの部分に合流する。このため、スクロール部材用の金型の寿命を長くすることができる。
第3発明に係る金型は、第2発明に係る金型であって、第2溝部を深さ方向に沿って見た場合における第2溝部の外周辺は、円弧である。
金型に渦巻き溝部が形成されている場合において、第2溝部を深さ方向に沿って見た場合における第2溝部の外周辺を円弧形状にすると、第2溝部の溝壁に、加圧による引張荷重および熱膨張による圧縮荷重が負荷されることを防止することができる。このため、この金型は寿命が長くなる。
第4発明に係る金型は、第2発明に係る金型であって、第2溝部を深さ方向に沿って見た場合における第2溝部の外周辺は、円弧と、渦巻き溝部の外周辺上の任意の点から延びる接線とから構成される。
金型に渦巻き溝部が形成されている場合において、第2溝部を深さ方向に沿って見た場合における第2溝部の外周辺を円弧と、渦巻き溝部の外周辺上の任意の点から延びる接線とから構成すると、第2溝部の溝壁に、加圧による引張荷重および熱膨張による圧縮荷重が負荷されることを防止することができる。このため、この金型は寿命が長くなる。
第5発明に係る金型は、第1発明に係る金型であって、第1溝部は、中央部から外周部へ放射状に延びる複数の溝部である。また、第2溝部は、全ての第1溝部の外周部側の終端部分に合流する。
この金型では、第1溝部が、中央部から外周部へ放射状に延びる複数の溝部である。そして、第2溝部が、全ての第1溝部の外周部側の終端部分に合流する。このため、放射状の補強リブ等を有する成形品用の金型の寿命を長くすることができる。
第6発明に係る成形体製造方法では、第1発明から第5発明のいずれかに係る金型を用いて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により予備成形体が製造される。
ところで、従来の第1溝部しか存在しない金型が半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形に用いられた場合、金型に高温の半溶融金属が加圧充填されると、第1溝部の外周端溝壁を押す力が作用する。つまり、このとき、外周端溝壁に引張荷重が負荷されることになる。その一方、このような金型から成形品が取り出されると、金型の温度は外周側から低下していく。このとき、金型の中心部と金型外周部との間に大きな温度差が発生し、熱膨張による圧縮荷重が外周端溝壁に発生する。したがって、このような金型では、外周端溝壁に、加圧による引張荷重と熱膨張による圧縮荷重とが交互に繰り返し負荷され、その結果、外周端溝壁に大きな応力振幅が発生することになる。そして、その応力振幅が金型の材料の疲労限度を越えると、疲労破壊が発生して外周端溝壁に亀裂が生じることになる。
しかし、第1発明から第5発明に係る金型には、第2溝部が形成されているため、外周端溝壁が存在しない。つまり、この金型には、大きな応力振幅が発生しない。このため、本発明に係る金型は寿命が長くなる。したがって、この成形体製造方法を利用すれば、金型費を抑制することができ、そのような成形体を安く製造することができる。
第7発明に係る成形体製造方法は、予備成形体製造工程及び除去工程を備える。予備成形体製造工程では、第1発明から第5発明のいずれかに係る金型が用いられて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により予備成形体が製造される。除去工程では、予備成形体の第2溝部に対応する部分が除去される。
ところで、従来の第1溝部しか存在しない金型が半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形に用いられた場合、金型に高温の半溶融金属が加圧充填されると、第1溝部の外周端溝壁を押す力が作用する。つまり、このとき、外周端溝壁に引張荷重が負荷されることになる。その一方、このような金型から成形品が取り出されると、金型の温度は外周側から低下していく。このとき、金型の中心部と金型外周部との間に大きな温度差が発生し、熱膨張による圧縮荷重が外周端溝壁に発生する。したがって、このような金型では、外周端溝壁に、加圧による引張荷重と熱膨張による圧縮荷重とが交互に繰り返し負荷され、その結果、外周端溝壁に大きな応力振幅が発生することになる。そして、その応力振幅が金型の材料の疲労限度を越えると、疲労破壊が発生して外周端溝壁に亀裂が生じることになる。
しかし、第1発明から第5発明に係る金型には、第2溝部が形成されているため、外周端溝壁が存在しない。つまり、この金型には、大きな応力振幅が発生しない。このため、本発明に係る金型は寿命が長くなる。したがって、この成形体製造方法を利用すれば、金型費を抑制することができ、そのような成形体を安く製造することができる。
第1発明によれば、半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形用の金型の寿命を長くすることができる。
第2発明によれば、スクロール部材用の金型の寿命を長くすることができる。
第3発明及び第4発明よれば、半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形用の金型の寿命を長くすることができる。
第5発明によれば、放射状のリブ等を有する成形品用の金型の寿命を長くすることができる。
第6発明に係る成形体製造方法を利用すれば、金型の長寿命化を実現することができると共に、金型費を抑制することができ、成形体を安く製造することができる。
第7発明に係る成形体製造方法を利用すれば、金型の長寿命化を実現することができると共に、金型費を抑制することができ、成形体を安く製造することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る摺動部品を用いた圧縮機について、高低圧ドーム型スクロール圧縮機を例に挙げて説明する。なお、本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型圧縮機は、冷媒として二酸化炭素冷媒(CO2)やR410A等の高圧冷媒に耐え得るように設計されている。
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機1は、蒸発器や、凝縮器、膨張機構などと共に冷媒回路を構成し、その冷媒回路中のガス冷媒を圧縮する役割を担うものであって、図1に示されるように、主に、円筒状の密閉ドーム型のケーシング10、スクロール圧縮機構15、オルダムリング39、駆動モータ16、下部主軸受60、吸入管19及び吐出管20から構成されている。以下、この高低圧ドーム型スクロール圧縮機1の構成部品についてそれぞれ詳述していく。
<高低圧ドーム型スクロール圧縮機の構成部品の詳細>
(1)ケーシング
ケーシング10は、密閉容器であって、主に、略円筒状の胴部ケーシング部11、椀状の上壁部12及び椀状の底壁部13から構成されている。上壁部12は、胴部ケーシング部11の上端部に溶接されている。底壁部13は、胴部ケーシング部11の下端部に溶接されている。そして、このケーシング10には、主に、ガス冷媒を圧縮するスクロール圧縮機構15と、スクロール圧縮機構15の下方に配置される駆動モータ16とが収容されている。このスクロール圧縮機構15と駆動モータ16とは、ケーシング10内を上下方向に延びるように配置されるクランク軸17によって連結されている。そして、この結果、スクロール圧縮機構15と駆動モータ16との間には、間隙空間18が生じる。
(2)スクロール圧縮機構
スクロール圧縮機構15は、図1に示されるように、主に、ハウジング23と、ハウジング23の上方に密着して配置される固定スクロール24と、固定スクロール24に噛合する可動スクロール26とから構成されている。以下、このスクロール圧縮機構15の構成部品についてそれぞれ詳述していく。
a)ハウジング
ハウジング23は、その外周面において周方向の全体に亘って胴部ケーシング部11に圧入固定されている。つまり、胴部ケーシング部11とハウジング23とは全周に亘って密着されている。このため、ケーシング10の内部は、ハウジング23の下方の高圧空間28とハウジング23の上方の低圧空間29とに区画されていることになる。また、このハウジング23には、上端面が固定スクロール24の下端面と密着するように、固定スクロール24がボルト38により締結固定されている。また、このハウジング23には、上面中央に凹設されたハウジング凹部31と、下面中央から下方に延設された軸受部32とが形成されている。そして、この軸受部32には上下方向に貫通する軸受孔33が形成されており、この軸受孔33にクランク軸17の主軸部17bが軸受34を介して回転自在に嵌入されている。
b)固定スクロール
固定スクロール24は、図1に示されるように、主に、鏡板24aと、鏡板24aの鏡面から鏡面と略直交する方向に沿って下方に延びる渦巻き状(インボリュート状)のラップ24bとから構成されている。鏡板24aには、後述する圧縮室40に連通する吐出穴41と、吐出穴41に連通する拡大凹部42とが形成されている。吐出穴41は、鏡板24aの中央部分において上下方向に延びるように形成されている。拡大凹部42は、鏡板24aの上面に水平方向に広がるように形成された凹部である。
そして、固定スクロール24の上面には、この拡大凹部42を塞ぐように蓋体44がボルト44aにより締結固定されている。そして、拡大凹部42に蓋体44が覆い被せられることによりスクロール圧縮機構15の運転音を消音させるマフラー空間45が形成されている。なお、固定スクロール24と蓋体44とは、図示しないパッキンを介して密着させることによりシールされている。
c)可動スクロール
可動スクロール26は、アウタードライブ型の可動スクロールであって、図1、図2及び図3に示されるように、主に、鏡板26aと、鏡板26aの鏡面26Pから鏡面26Pと略直交する方向に沿って上方に延びる渦巻き状(インボリュート状)のラップ26bと、鏡板26aの下面から下方に延びクランク軸17の偏心軸部17aの外側に嵌合する軸受部26cと、鏡板26aの両端部に形成される溝部26d(図3参照)とから構成されている。
そして、この可動スクロール26は、溝部26dにオルダムリング39(図1参照)が嵌め込まれることによりハウジング23に支持される。また、軸受部26cにはクランク軸17の偏心軸部17aが嵌入される。可動スクロール26は、このようにスクロール圧縮機構15に組み込まれることによってクランク軸17の回転により自転することなくハウジング23内を公転する。そして、可動スクロール26のラップ26bは固定スクロール24のラップ24bに噛合させられており、両ラップ24b,26bの接触部の間には圧縮室40が形成される。そして、この圧縮室40では、可動スクロール26の公転に伴い中心に向かって変位し、その容積が収縮していく。この高低圧ドーム型スクロール圧縮機1では、このようにして圧縮室40に入ったガス冷媒が圧縮される。
d)その他
また、このスクロール圧縮機構15には、固定スクロール24とハウジング23とに亘り、連絡通路46が形成されている。この連絡通路46は、固定スクロール24に切欠形成されたスクロール側通路47と、ハウジング23に切欠形成されたハウジング側通路48とから構成される。そして、連絡通路46の上端、即ちスクロール側通路47の上端は拡大凹部42に開口し、連絡通路46の下端、即ちハウジング側通路48の下端はハウジング23の下端面に開口している。つまり、このハウジング側通路48の下端開口は、連絡通路46の冷媒を間隙空間18に流出させる吐出口49となっている。
(3)オルダムリング
オルダムリング39は、可動スクロール26の自転運動を防止するための部材であって、ハウジング23の上面に形成されているオルダム溝(図示せず)に嵌め込まれている。なお、このオルダム溝は、長円形状の溝であって、ハウジング23において互いに対向する位置に配設されている。
(4)駆動モータ
駆動モータ16は、直流モータであって、主に、ケーシング10の内壁面に固定された環状のステータ51と、ステータ51の内側に僅かな隙間(エアギャップ通路)をもって回転自在に収容されたロータ52とから構成されている。そして、この駆動モータ16は、ステータ51の上側に形成されているコイルエンド53の上端がハウジング23の軸受部32の下端とほぼ同じ高さ位置になるように配置されている。
ステータ51には、ティース部に銅線が巻回されており、上方及び下方にコイルエンド53が形成されている。また、ステータ51の外周面には、ステータ51の上端面から下端面に亘り且つ周方向に所定間隔をおいて複数個所に切欠形成されているコアカット部が設けられている。そして、このコアカット部により、胴部ケーシング部11とステータ51との間に上下方向に延びるモータ冷却通路55が形成されている。
ロータ52は、上下方向に延びるように胴部ケーシング部11の軸心に配置されたクランク軸17を介してスクロール圧縮機構15の可動スクロール26に駆動連結されている。また、連絡通路46の吐出口49を流出した冷媒をモータ冷却通路55に案内する案内板58が、間隙空間18に配設されている。
(5)クランク軸
クランク軸17は、図1に示されるように、略円柱状の一体成形部品であって、主に、偏心軸部17a、主軸部17b、バランスウェイト部17c及び副軸部17dから成る。偏心軸部17aは、可動スクロール26の軸受部26cに収容される。主軸部17bは、ハウジング23の軸受孔33に軸受34を介して収容される。副軸部17dは、下部主軸受60に収容される。
(6)下部主軸受
下部主軸受60は、駆動モータ16の下方の下部空間に配設されている。この下部主軸受60は、胴部ケーシング部11に固定されるとともにクランク軸17の下端側軸受を構成し、クランク軸17の副軸部17dを収容している。
(7)吸入管
吸入管19は、冷媒回路の冷媒をスクロール圧縮機構15に導くためのものであって、ケーシング10の上壁部12に気密状に嵌入されている。吸入管19は、低圧空間29を上下方向に貫通すると共に、内端部が固定スクロール24に嵌入されている。
(8)吐出管
吐出管20は、ケーシング10内の冷媒をケーシング10外に吐出させるためのものであって、ケーシング10の胴部ケーシング部11に気密状に嵌入されている。そして、この吐出管20は、上下方向に延びる円筒形状に形成されハウジング23の下端部に固定される内端部36を有している。なお、吐出管20の内端開口、即ち流入口は、下方に向かって開口されている。
<高低圧ドーム型スクロール圧縮機の運転動作>
次に、高低圧ドーム型スクロール圧縮機1の運転動作について簡単に説明する。駆動モータ16が駆動されると、先ず、クランク軸17が回転し、可動スクロール26が自転することなく公転運転を行う。すると、低圧のガス冷媒が、吸入管19を通って圧縮室40の周縁側から圧縮室40に吸引され、圧縮室40の容積変化に伴って圧縮され、高圧のガス冷媒となる。そして、この高圧のガス冷媒は、圧縮室40の中央部から吐出穴41を通ってマフラー空間45へ吐出され、その後、連絡通路46、スクロール側通路47、ハウジング側通路48、吐出口49を通って間隙空間18へ流出し、案内板58と胴部ケーシング部11の内面との間を下側に向かって流れる。そして、このガス冷媒は、案内板58と胴部ケーシング部11の内面との間を下側に向かって流れる際に、一部が分流して案内板58と駆動モータ16との間を円周方向に流れる。なお、このとき、ガス冷媒に混入している潤滑油が分離される。一方、分流したガス冷媒の他部は、モータ冷却通路55を下側に向かって流れ、モータ下部空間にまで流れた後、反転してステータ51とローター52との間のエアギャップ通路、または連絡通路46に対向する側(図1における左側)のモータ冷却通路55を上方に向かって流れる。その後、案内板58を通過したガス冷媒と、エアギャップ通路又はモータ冷却通路55を流れてきたガス冷媒とは、間隙空間18で合流して吐出管20の内端部36から吐出管20に流入し、ケーシング10外に吐出される。そして、ケーシング10外に吐出されたガス冷媒は、冷媒回路を循環した後、再度吸入管19を通ってスクロール圧縮機構15に吸入されて圧縮される。
<摺動部品の製造方法>
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機1において、クランク軸17、ハウジング23、固定スクロール24、可動スクロール26、オルダムリング39及び下部主軸受60は摺動部品であり、これらの摺動部品は下記製造方法により製造される。
(1)原材料
本発明の実施の形態において上記摺動部品の原材料となる鉄素材としては、C:2.2〜2.5wt%、Si:1.8〜2.2wt%、Mn:0.5〜0.7wt%、P:<0.035wt%、S:<0.04wt%、Cr:0.00〜0.50wt%、Ni:0.50〜1.00wt%が添加されているビレットが採用される。なお、ここにいう重量割合は全量に対する割合である。また、ここに「ビレット」とは、一端、上記成分の鉄素材が溶融炉において溶融された後に、連続鋳造装置により円柱形状等に成形された最終成形前の素材を意味する。なお、ここで、C及びSiの含有量は、引張強度及び引張弾性率が片状黒鉛鋳鉄より高くなること、及び複雑な形状の摺動部品基体を成形するのに適切な流動性を備えていることの両方を満足するように決定される。また、Niの含有量は、金属組織の靭性を向上させて成形時の表面クラックを防止するのに適切な金属組成を構成するように決定されている。
(2)製造工程
本発明の実施の形態に係る摺動部品は、半溶融ダイキャスト成形工程、熱処理工程、仕上げ工程及び部分熱処理工程を経て製造される。以下、各工程について詳述する。
a)半溶融ダイキャスト成形工程
半溶融ダイキャスト成形工程では、先ず、ビレットを高周波加熱して半溶融状態とする。次いで、その半溶融状態のビレットを所定の金型に注入する際に、ダイキャストマシンで所定圧力を加えながらビレットを所望の形状に成形し摺動部品基体を得る。そして、摺動部品基体を金型内で急冷して凝固させると、その摺動部品基体の金属組織は、全体的に白銑化したものとなる。なお、摺動部品基体は最終的に得られる摺動部品よりも若干大きく、この摺動部品基体は、後の仕上げ工程において加工代が取り除かれて最終的な摺動部品となる。
なお、本発明の実施の形態において、可動スクロール26の基体126は図4及び図5に示される金型80を用いて成形される。
可動スクロール26の基体126を半溶融ダイキャスト成形するための金型80は、図4に示されるように、第1型部分81及び第2型部分82からなる。なお、湯口(図示せず)は鏡板相当部分のほぼ中心に配置されている。そして、第2型部分82には、図4及び図5に示されるように、鏡板26aの上部を形成するための凹部823と、ラップ26bを形成するための渦巻き溝部821と、渦巻き溝部821の巻き終わり端から内周側の渦巻き溝部821に連通する連通溝部822とが形成されている。なお、渦巻き溝部821は、可動スクロール26の基体126を抜きやすくするために、底部(チップ部分に対応する部分)から凹部823に向かうに従って幅が広がるように形成されている。したがって、この金型80により形成される可動スクロール26の基体126では、ラップ相当部分はチップ相当部分から鏡板相当部分に向かうに従って幅が広くなる。また、連通溝部822によって形成される部分は、後の仕上げ工程において除去されることになる。
b)熱処理工程
熱処理工程では、半溶融ダイキャスト成形工程後の摺動部品基体が熱処理される。この熱処理工程において、摺動部品基体の金属組織は、白銑化組織からパーライト/フェライト基地、塊状黒鉛から成る金属組織へと変化する。なお、この白銑化組織の黒鉛化、パーライト化については熱処理温度、保持時間、冷却速度などを調節することにより調節することができる。例えば、Honda R&D Technical Review の Vol.14 No.1 の論文「鉄の半溶融成形技術の研究」にあるように、950℃で60分保持した後に0.05〜0.10℃/secの冷却速度で炉中にて徐冷することにより、500MPa〜700MPa程度の引張強度、HB150(HRB81(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))〜HB200(HRB96(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))程度の硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織はフェライト中心であるために軟らかく被削性に優れるが、機械加工時に構成刃先を形成して刃具寿命を低下させる可能性がある。また、1000℃で60分保持した後に空冷し、さらに最初の温度より少し低い温度で所定時間保持した後に空冷することにより、600MPa〜900MPa程度の引張強度、HB200(HRB96(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))〜HB250(HRB105,HRC26(SAE J 417硬さ換算表からの換算値、なおHRB105は試験タイプの有効な実用範囲を超えるため参考値である))程度の硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織において、片状黒鉛鋳鉄と同等の硬度を有するものは、片状黒鉛鋳鉄と同等の被削性を有し、同等の延性・靭性を有する球状黒鉛鋳鉄と比較すると被削性に優れている。また、1000℃で60分保持した後に油冷し、さらに最初の温度より少し低い温度で所定時間保持した後に空冷することにより、800MPa〜1300MPa程度の引張強度、HB250(HRB105,HRC26(SAE J 417硬さ換算表からの換算値、なおHRB105は試験タイプの有効な実用範囲を超えるため参考値である))〜HB350(HRB122,HRC41(SAE J 417硬さ換算表からの換算値、なおHRB122は試験タイプの有効な実用範囲を超えるため参考値である))程度の硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織はパーライト中心であるために硬く、被削性に劣るが、耐摩耗性に優れている。ただし、硬すぎることによる摺動相手材への攻撃性を有する可能性がある。
なお、本発明の実施の形態において、この熱処理工程では、摺動部品基体の硬度がHRB90(HB176(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))よりも高くHRB100(HB219(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))よりも低くなるような条件下で熱処理される。
c)仕上げ工程
仕上げ工程では、摺動部品基体が機械加工されて摺動部品の完成となる。
<金型損傷メカニズム>
半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形に、図6に示されるような従来の第2型部分を有する金型が用いられた場合の金型損傷メカニズムを参考までに以下に説明する。なお、第1型部分は上述した第1型部分と全く同一である。
先ず、金型に高温の半溶融金属が加圧されながら投入されると、第2型部分82Aの渦巻き溝部821Aの巻き終わり端(外周側の端)近傍の溝壁(以下「外周端溝壁」という)を押す力が生じる。つまり、このとき、外周端溝壁には、引張荷重が負荷されることになる。なお、図8には、外周端溝壁に作用する引張応力を解析した結果(コンター図)を示した。
次に、充填された高温の半溶融金属からの伝熱により金型の温度が急上昇し、数秒後に成形品が取り出されると、金型80の温度は外周側から低下していく。なお、図7には、金型の中央部の溝壁と外周端溝壁とにおける実測温度値の時系列変化図を示す。また、図10には、金型の温度をサーモビュワーを用いて測定した結果を示す。
そして、このように金型の中央部の溝壁と外周端溝壁との間に大きな温度差が発生すると、外周端溝壁には、熱膨張による圧縮荷重が作用する。なお、図9には、外周端溝壁に作用する圧縮応力を解析した結果(コンター図)を示した。
したがって、このような金型では、外終端溝壁に、加圧による引張荷重と熱膨張による圧縮荷重とが交互に繰り返し負荷され、その結果、外周端溝壁に大きな応力振幅が発生することになる。そして、その応力振幅が金型の材料の疲労限度を越えると、疲労破壊が発生して外周端溝壁に亀裂CRが生じることになる。
<金型の特徴>
本実施の形態に係る金型80には連通溝部822が形成されている。このため、この金型82には、従来の金型に存在していた外周端溝壁が存在しない。したがって、この金型82では、一部の溝壁への応力集中を防ぐことができ、応力振幅の大きさを大幅に低減できる。よって、半溶融ダイキャスト成形や半凝固ダイキャスト成形においてこのような金型を利用すれば、応力振幅による金型負荷を軽減することができ、引いては金型寿命を10倍以上延ばすことができる。
<変形例>
(A)
先の実施形態に係る金型80では第2型部分82の連通溝部822が図5に示されるような形状とされていたが、連通溝部の形状については特に限定されず、例えば、は図11〜図14に示されるような連通溝部822A,822B,822C,822Dが形成されてもよい。なお、応力解析(平均応力、応力振幅、疲労限に対する安全率等を考慮)の結果、図13及び図14に示されるような形状の連通溝部822C,822Dが特に好ましい。図13では、底面視において渦巻き溝部821及び連通溝部822Cの外周辺が円弧に近い形状とされている。また、図14では、底面視において連通溝部822Dの外周辺が円弧と、渦巻き溝部821の外周辺上の点から延びる接線とから構成されている。
(B)
先の実施の形態では本発明が可動スクロール26の成形金型に適用されたが、固定スクロールやハウジング等、他の部品の成形金型に本発明が適用されてもよい。例えば、平板部材の成形において図15に示されるような金型部分100が用いられてもよい。なお、かかる場合、符号110で示される溝部が成形品部分に対応する溝部であり、符号120で示される溝部が連通溝部であって機械加工等によって除去される部分に対応する溝部である。また、例えば、図18および図19に示されるような補強リブ251を有するハウジング250の成形において、図16および図17に示されるような金型200が用いられてもよい。なお、かかる場合、符号210で示される溝部が補強リブ251に対応する溝部であり、符号220で示される溝部が連通溝部であって機械加工等によって除去される部分に対応する溝部である。
(C)
先の実施の形態では密閉型の高低圧ドーム型スクロール圧縮機1が採用されたが、圧縮機は、高圧ドーム型の圧縮機であっても低圧ドーム型の圧縮機であってもよい。また、半密閉形や開放型の圧縮機であってもよい。
(D)
先の実施の形態では鉄素材としてC:2.2〜2.5wt%、Si:1.8〜2.2wt%、Mn:0.5〜0.7wt%、P:<0.035wt%、S:<0.04wt%、Cr:0.00〜0.50wt%、Ni:0.50〜1.00wt%が添加されているビレットが採用されたが、鉄素材の元素割合は、本発明の趣旨を損ねない限り、任意に決定することができる。
(E)
先の実施の形態では自転防止機構としてオルダムリング39が採用されているが、自転防止機構としてピン、ボールカップリング、クランク等、いかなる機構が採用されてもよい。
(F)
先の実施の形態ではスクロール圧縮機1が冷媒回路内で用いられる場合を例に挙げたが、用途に付いては空調用に限定するものではなく、単体もしくはシステムに組込まれて用いられる圧縮機や送風機、過給機、ポンプなどであってもよい。
(G)
先の実施の形態に係るスクロール圧縮機1には潤滑油が存在したが、オイルレス若しくはオイルフリー(油があってもなくてもよい)タイプの圧縮機、送風機、過給機、ポンプであってもよい。
(H)
先の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機1は、アウタードライブ型のスクロール圧縮機であったが、本発明に係るスクロール圧縮機はインナードライブ型のスクロール圧縮機であってもよい。
(I)
先の実施の形態に係る可動スクロール26では切欠部がエンドミル等により形成されたが、図5に示される可動スクロール26の鏡板26aの中心部分の上面において切欠部(座ぐり部)が半溶融ダイキャスト成形工程において予め形成されてもよい。
(J)
先の実施の形態では、摺動部品の原材料として鉄素材が用いられたが、本発明の趣旨を損ねない限り、鉄以外の金属材料が用いられてもかまわない。
本発明に係る金型は、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により成形体を製造する場合において寿命が長いという特徴があり、溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により成形品を製造する場合において非常に有用である。
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールの上面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールのV−V断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールを製造するための金型及び半溶融ダイキャスト成形により成形された可動スクロールの基体の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールを製造するための金型のうち鏡板及びラップ形成側の部分の底面図である。 可動スクロールを製造するための従来の金型のうち鏡板及びラップ形成側の部分の底面図である。 従来の金型で可動スクロールを成形したときの温度実測値の時系列変化を表すグラフ図である。 従来の金型に半溶融金属を加圧投入したときに生じる応力の解析結果を示す図である。 従来の金型において熱変形によって発生する応力の解析結果を示す図である。 従来の金型の温度をサーモビュワーを用いて測定した結果を示す図である。 変形例(A)に係る鏡板及びラップ形成側の金型部分の底面図である。 変形例(A)に係る鏡板及びラップ形成側の金型部分の底面図である。 変形例(A)に係る鏡板及びラップ形成側の金型部分の底面図である。 変形例(A)に係る鏡板及びラップ形成側の金型部分の底面図である。 変形例(B)に係る金型部分の上面図である。 変形例(B)に係るハウジングを製造するための金型のうち補強リブ形成側の部分の上面図である。 変形例(B)に係るハウジングを製造するための金型のV−V断面図である。 変形例(B)に係るハウジングの底面図である。 変形例(B)に係るハウジングのIII−III断面図である。
82 金型の第2型部分(金型)
100,200 金型部分(金型)
110 成形品に対応する溝部(第1溝部)
210 補強リブに対応する溝部(第1溝部)
120,220 連通溝部(第2溝部)
126 可動スクロールの基体(予備成形体)
821 渦巻き溝部(第1溝部)
822,822A,822B,822C,822D 連通溝部(第2溝部)

Claims (7)

  1. 中央部から外周部へ延びる成形品部分に対応する第1溝部(110,210,821)と、
    前記第1溝部の外周部側の終端から延び、前記第1溝部のいずれかの部分に合流し、前記成形品部分から除去する部分に対応する第2溝部(120,220,822,822A,822B,822C,822D)と
    を備える金型(82,100,200)。
  2. 前記第1溝部は、渦巻き形状を保持しながら一方向に向かって延びる渦巻き溝部であり、
    前記第2溝部は、前記渦巻き溝部の巻き終わり端から延び前記渦巻き溝部のいずれかの部分に合流する
    請求項1に記載の金型。
  3. 前記第2溝部を深さ方向に沿って見た場合における前記第2溝部の外周辺は、円弧である、
    請求項2に記載の金型。
  4. 前記第2溝部を深さ方向に沿って見た場合における前記第2溝部の外周辺は、円弧と、前記渦巻き溝部の外周辺上の任意の点から延びる接線とから構成される、
    請求項2に記載の金型。
  5. 前記第1溝部は、前記中央部から前記外周部へ放射状に延びる複数の溝部であり、
    前記第2溝部は、全ての第1溝部の外周部側の終端部分に合流する
    請求項1に記載の金型。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の金型を用いて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により予備成形体(126)を製造する成形体製造方法。
  7. 請求項1から5のいずれかに記載の金型を用いて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法により予備成形体(126)を製造する予備成形体製造工程と、
    前記予備成形体の前記第2溝部に対応する部分を除去する除去工程と
    を備える成形体製造方法。
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