JP4823367B2 - アンダーカット部を有する部材の成形方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば燃料噴射ノズルのように内周部の一部にアンダーカット部を有する部材の成形方法に関する。
燃料噴射ノズルの一般的な形状を図２０に示す。燃料噴射ノズルは軸方向に内径２〜４ｍｍの中空穴が形成され、この中空穴の先端に燃料噴出口が、また中空穴の奥部に燃料溜りとなるアンダーカット部が形成されている。
部材の内側部にアンダーカット部を機械加工によって形成できるのは、せいぜい内周部の径が１０ｍｍまでであり、燃料噴射ノズルのように内径２〜３ｍｍの中空穴の内周部にアンダーカット部を形成するには従来から電解加工によって形成している。
電解加工以外の方法としては、特許文献１〜３に提案される方法がある。特許文献1には、素材をカップ状に成形し、更にこのカップ状素材の上端周縁を外側に膨出させ、外側からダイでしごき加工することで膨出した前記上端周縁を内側に張り出すようにし、結果的に素材内側にアンダーカット部が成形されることが開示されている。
特許文献２には、上端部の内径が棒状素材よりも大径となったダイに棒状素材を入れ、上方から棒状素材よりも小径のパンチによって棒状素材の上端を加圧し、素材の上端部をダイ形状に倣って拡径するとともに、小径のパンチが棒状素材の上端に進入する際にアンダーカット部が自動的に成形されることが開示されている。
特許文献３には、肩部を有するダイに当該肩部に当か接する段部を有する素材をセットし、また素材に形成した袋穴の途中までマンドレルを挿入し、この状態でパンチによって素材を据え込み成形することでダイ上半部内の材料を変形せしめ、同時にダイ下半部では材料の径方向内側への流れを作らずにアンダーカット部とすることが開示されている。
また、自動車用エンジンにあっては、吸気弁や排気弁のバルブステムの往復直線動を案内すべく、シリンダヘッドに細い筒状のバルブガイドを取り付けている。このバルブガイドの素材としては一般に鉄の焼結品や銅系合金を用いているが、エンジンの高出力化に伴い、軽量で耐熱性に優れた素材を用いることが提案されている。
また、エンジンのシリンダヘッドに取り付けられるバルブガイドには小径のガイド穴が形成され、このガイド穴に吸気弁や排気弁のバルブステムが挿通され、高速で摺動するとともに高温下で使用される。このため、バルブガイドには耐磨耗性、耐焼付き性、耐スカッフ性及び熱伝導性に優れることが要求される。
上記の特性が要求されるため、バルブガイドの材料としては従来からＦｅ合金の焼結材が用いられてきたが、重量が増すという欠点がある。
そこで、特許文献４では溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマイズしながら急冷凝固堆積させてインゴットを製造し、このインゴットを押出し成形することで管状とし、これを所定寸法に切断することでバルブガイドとする方法が提案されている。
そこで、特許文献４では溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマイズしながら急冷凝固堆積させてインゴットを製造し、このインゴットを押出し成形することで管状とし、これを所定寸法に切断することでバルブガイドとする方法が提案されている。
また、特許文献５にはバルブガイドに限定されるものではないが、耐熱強度に優れたアルミニウム合金を製造する方法として、急冷凝固アルミニウム合金粉末を常温以上３００℃以下の温度で予備成形して得た成形体を、４５０℃〜５４０℃で鍛造する方法が提案されている。
アンダーカット部を有する部材を電解加工によって製造する場合には、洗浄工程が必ず必要になるとともに、研磨などの廃液処理の問題が生じる。
一方、特許文献１〜３にあっては、アンダーカット部を設ける箇所が限定されてしまう。つまり特許文献１では素材全体にアンダーカット部が形成され、特許文献２にあっては素材の上端部に限定され、特許文献３にあっては軸方向に形成した穴の奥部に限定される。
また、特許文献１〜３のいずれも素材自体を屈曲させることでアンダーカット部とするため、アンダーカット部の形状を一定にすることが困難で、製品歩留りも悪い。
一方、特許文献１〜３にあっては、アンダーカット部を設ける箇所が限定されてしまう。つまり特許文献１では素材全体にアンダーカット部が形成され、特許文献２にあっては素材の上端部に限定され、特許文献３にあっては軸方向に形成した穴の奥部に限定される。
また、特許文献１〜３のいずれも素材自体を屈曲させることでアンダーカット部とするため、アンダーカット部の形状を一定にすることが困難で、製品歩留りも悪い。
一方バルブガイドに関しては、上述したように、特許文献４や５のようなアトマイズ法によって得た急冷凝固アルミニウム合金粉末は、耐磨耗性、耐熱性および耐焼付き性などに優れるため、これをエンジンのバルブガイドなどの材料として用いれば軽量化が図れる。
しかしながら、急冷凝固アルミニウム合金粉末は高価であるばかりでなく、切削加工が困難でバルブガイドのような細径のガイド穴を有する筒状部材の成形には不向きである。つまり、熱間による押出し加工によって製造することになるが、金型の寿命が短くなるとともに加熱のエネルギーも必要となり、設備的にもコスト的にも問題がある。
上記課題を解決するため本発明は、小径の内径部を有する部材の成形方法であって、この成形方法は素材に大径の凹部を形成し、この凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工するようにした。
即ち、第１発明に係るアンダーカット部を有する部材の成形方法は、以下の工程１〜４を含むことで上記の課題を解決した。
１：部材の内周部よりも大径の凹部を鍛造などによって素材に形成する工程。
２：前記凹部の内周にアンダーカット部を形成する工程。
３：前記アンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入する工程。
４：前記マンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小する工程。
この後、旋削加工などを行って目的の製品、例えば燃料噴射ノズルの外径形状とする。
即ち、第１発明に係るアンダーカット部を有する部材の成形方法は、以下の工程１〜４を含むことで上記の課題を解決した。
１：部材の内周部よりも大径の凹部を鍛造などによって素材に形成する工程。
２：前記凹部の内周にアンダーカット部を形成する工程。
３：前記アンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入する工程。
４：前記マンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小する工程。
この後、旋削加工などを行って目的の製品、例えば燃料噴射ノズルの外径形状とする。
また、第２発明に係るアンダーカット部を有する部材の成形方法は、部材の内周部よりも大径の凹部を素材に成形し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径で先端部が円錐形状となったマンドレルを挿入し、このマンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工することで、前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小せしめ、またこれと同時に前記マンドレルの先端部に倣って目的とする部材の内周部の先端形状を雌テーパ状に成形するようにした。
上記構成とすることで、内周部にアンダーカット部と先端の雌テーパ状部とが同時に成形でき、また、雌テーパ状部の深さがマンドレル先端部の円錐状部の長さに等しいため、後加工における研削代を決める際の長手証が得られる。
上記構成とすることで、内周部にアンダーカット部と先端の雌テーパ状部とが同時に成形でき、また、雌テーパ状部の深さがマンドレル先端部の円錐状部の長さに等しいため、後加工における研削代を決める際の長手証が得られる。
第２発明に係る成形方法にあっては、前記大径の凹部の中心に、マンドレル先端部を差し込む深さはマンドレル先端部の長さと等しいかそれよりも浅く、また位置決め穴の開き角度はマンドレル先端部の角度と等しいかそれよりも大きい寸法の位置決め穴を形成しておくことが好ましい。
このように予め位置決め穴を形成しておくことで、マンドレルの位置がずれることがなくなる。尚、位置決め穴は鍛造成形によって前記凹部を成形する際に同時に成形しておけば効率がよい。
このように予め位置決め穴を形成しておくことで、マンドレルの位置がずれることがなくなる。尚、位置決め穴は鍛造成形によって前記凹部を成形する際に同時に成形しておけば効率がよい。
また、第３発明に係るアンダーカット部を有する部材の成形方法は、部材の内周部よりも大径の凹部を素材に成形し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入し、このマンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小せしめるようにしたアンダーカット部を有する部材の成形方法であって、前記スウェージング加工する前の素材の凹部の底部には面取り部が形成され、この面取り部の形成領域は前記マンドレルの先端を素材の凹部の底部に突き当てた状態でクリアランスとなる外側領域内とした。
第３発明に係る成形方法では、スウェージング加工の際には素材が長手方向に沿って開口方向に流動するが、上記構成のように凹部の底部のコーナに面取り部を設けておくと、素材が流動してもコーナ部において材料不足が起きることがなく、欠肉が発生しない。また、前記面取り部を形成領域はマンドレルと凹部内周との間のクリアランスの３５％〜１００％とすることが好ましい。３５％未満では材料不足が起きるおそれがある。１００％を超えると、マンドレル先端部と面取り部にかかりマンドレルの位置が安定しない。
また、第４発明に係るアンダーカット部を有する部材の成形方法は、先ず素材に目的とする部材の内周部よりも大径の凹部を成形し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入し、このマンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小せしめるようにしたアンダーカット部を有する部材の成形方法であって、前記スウェージング加工する前の素材の凹部内周または外周に、凹部の底部から所定長さ範囲において余肉部を予め設けるようにした。
ここで、前記余肉部は鍛造成形によって前記凹部を成形する際に同時に成形するのが効率がよい。
ここで、前記余肉部は鍛造成形によって前記凹部を成形する際に同時に成形するのが効率がよい。
第１発明によれば、機械加工が困難な内径１０ｍｍ以下の袋穴などの内周部にもアンダーカット部を形成することができる。また、加工に伴って廃液が生じることがなく、環境衛生上も有利である。また、従来の工程にかかる時間を大幅に短縮することができる。
更に、アンダーカット部の形状も素材を屈曲させて形成するのではなく、予め機械加工によって形成できるため、その形状が正確である。したがって、燃料噴射ノズルのような正確な形状が要求される部材の成形に適用することで、製品の歩留り向上が図れる。
第２発明によれば、電解加工と比較して廃液が生じることがなく環境衛生上有利で、またアンダーカット部の形状も予め機械加工によって形成できるため正確で、また、最終形状として機械加工が困難な内径１０ｍｍ以下の袋穴などの内周部にもアンダーカット部と雌テーパ部同時に形成することができる。特にマンドレル先端が挿入される位置決め穴を予め形成しておくことで、スウェージング加工する際の素材の倒れを防止でき長手証を得ることができる。
第３発明によれば、電解加工と比較して廃液が生じることがなく環境衛生上有利で、またアンダーカット部の形状も予め機械加工によって形成できるため正確で、また、最終形状として機械加工が困難な内径１０ｍｍ以下の袋穴などの内周部にもアンダーカット部を形成することができる。特にスウェージング加工する前の素材の凹部の底部に面取り部を形成しておくことで、スウェージング加工する際の材料不足を当該面取り部の材料で補うことができ、欠肉の発生を防止できる。
第４発明によれば、電解加工と比較して廃液が生じることがなく環境衛生上有利で、またアンダーカット部の形状も予め機械加工によって形成できるため正確で、また、最終形状として機械加工が困難な内径１０ｍｍ以下の袋穴などの内周部にもアンダーカット部を形成することがでる。特に余肉部を設けることでスウェージング加工する際の材料不足を補うことができ、欠肉の発生を防止できる。
以下に具体的な実施例を添付図面に基づいて説明する。
（第１発明）
（第１発明）
先ず、図１（ａ）に示すビレットを切断して棒状素材１を用意する。この棒状素材としてはＳＣＭ４１５等が適当である。
この後、図１（ｂ）に示すように、冷間鍛造（前方押出し又は後方押出し）にて前記棒状素材１に凹部２を形成する。この凹部２は後に製品の内周部になる部分であるが、その径は製品の内周部よりも大きく、十分に機械加工が可能な大きさ（１０ｍｍ以上）とする。
次いで、図１（ｃ）に示すように、凹部２にアンダーカット部３を形成し、続いて冷間でのスウェージング加工によって、図１（ｄ）に示すように、前記凹部２を内径２〜４ｍｍの袋穴４に成形し、更に旋削加工にて外周面を加工して図１（ｅ）に示す製品（燃料噴射ノズル）を得る。
尚、素材の加工方法としては図示するような半径方向に工具を移動するプランジ加工に限らず、素材を軸方向に移動させるインフィード加工でもよい。またスウェージング金型の先端形状を所定の形状にしておくことで、旋削加工を省略することもできる。
ここで、前記スウェージング加工を行う装置について説明する。スウェージング加工装置は図２に示すように、内側回転体５と外側回転体６とを備え、内側回転体５には９０°離間して径方向に貫通穴７が形成され、各貫通穴７内には内側から順にスウェージング金型８とストライカー９が摺動自在に嵌合している。一方、外側回転体６には周方向に等間隔で１２本のピン１０が回転自在に保持されている。
以上のスウェージング加工装置において、内側回転体５を時計廻りに、外側回転体６を反時計廻りに回転せしめると、遠心力によって内側回転体５に保持されているスウェージング金型８とストライカー９は径方向外側に付勢されるが、外側には外側回転体６が回転しており、この外側回転体６にはピン１０が保持されており、このピン１０は外側回転体６よりもその一部が内側に突出しているので、ピン１０がストライカー９の外端部を通過する度にストライカー９を径方向内方に押し込み、これに連動してスウェージング金型８も径方向内方に押し込まれ、４つのスウェージング金型８の中心にセットされた素材の表面を数千回／分の速度で叩きスウェージング加工を行う。
上記のスウェージング加工装置を用いて凹部２とアンダーカット部３を形成した素材１を成形するには、先ず図３（ａ）に示すように、クランパ１１で素材１を把持するとともに、素材１の凹部２内にマンドレル１２を挿入する。このマンドレル１２の外径は目的とする製品（燃料噴射ノズル）の袋穴の内径と等しいものを用いる。
そして、図３（ｂ）に示すように、マンドレル１２で素材１をストッパ１３に当接する位置まで押し込み、前記したようにスウェージング金型８によって素材１の外面を叩いてスウェージング加工を施す。このスウェージング加工により凹部２の内径はマンドレル１２の外径まで縮径されるが、アンダーカット部３は残る。尚、素材の加工方法としては図示するような半径方向に工具を移動するプランジ加工に限らず、素材を軸方向に移動させるインフィード加工でもよい。
この後、旋削加工を施して製品（燃料噴射ノズル）の外径形状とするのであるが、前記スウェージング金型８の先端形状を所定の形状にしておくことで、旋削加工を省略することができる。
（第２発明）
次に第２発明の実施例について説明する。第２発明は第１発明を更に改善したものであり、具体的には、第１発明にあっては、鍛造（前方押出し又は後方押出し）によって素材に大径の凹部を形成し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成した後、当該凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工し、その後、外面に研削加工などを施してノズル形状にするようにしている。
次に第２発明の実施例について説明する。第２発明は第１発明を更に改善したものであり、具体的には、第１発明にあっては、鍛造（前方押出し又は後方押出し）によって素材に大径の凹部を形成し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成した後、当該凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工し、その後、外面に研削加工などを施してノズル形状にするようにしている。
第１発明の方法は、燃料噴射ノズルなどの成形には極めて有効であるが、スウェージング加工に用いる通常のマンドレルは先端部が平坦であるので、中空穴の雌テーパ状先端部の加工を後から行わなければならず、加工が面倒である。また後加工によって雌テーパ状先端部を形成しても当該雌テーパ状先端部の長さを正確に知ることができないので、最終的な外形寸法にする際の研削代を正確に知ることができず、このため先端の肉厚にばらつきが生じやすい。
また、燃料噴射ノズルなどの成形には極めて細いマンドレルを用いる必要がある。極めて細いマンドレルを用いた場合に、図４に示すように、マンドレルの先端が凹部の中心からずれていると、ストッパに突き当てた際に素材が倒れ、大きな負荷がマンドレルにかかり座屈が生じることがある。また素材に倒れが生じると中空穴の深さ精度が得られないことにもなる。
そこで第２発明では、先ず、ビレットを切断して図５（ａ）に示す棒状素材２１を用意する。この棒状素材としてはＳＣＭ４１５等が適当である。この後、図５（ｂ）に示すように、冷間鍛造（前方押出し又は後方押出し）にて前記棒状素材２１に凹部２２を形成する。この凹部２２は後に製品の内周部になる部分であるが、その径は製品の内周部よりも大きく、十分に機械加工が可能な大きさ（１０ｍｍ以上）とする。
棒状素材２１を冷間鍛造したならば、図５（ｃ）に示すように、凹部２２にアンダーカット部２３を形成し、続いて冷間でのスウェージング加工によって、図５（ｄ）に示すように、前記凹部２２を内径２〜４ｍｍの袋穴２４に成形し、更に旋削加工にて外周面を加工して図５（ｅ）に示す製品（燃料噴射ノズル）を得る。
尚、素材の加工方法としては図示するような半径方向に工具を移動するプランジ加工に限らず、素材を軸方向に移動させるインフィード加工でもよい。またスウェージング金型の先端形状を所定の形状にしておくことで、旋削加工を省略することもできる。
前記スウェージング加工装置は第１発明に用いた装置と同様である。即ち図２に示すように、内側回転体５と外側回転体６とを備え、内側回転体５には９０°離間して径方向に貫通穴７が形成され、各貫通穴７内には内側から順にスウェージング金型８とストライカー９が摺動自在に嵌合している。一方、外側回転体６には周方向に等間隔で１２本のピン１０が回転自在に保持されている。
以上のスウェージング加工装置において、内側回転体５を時計廻りに、外側回転体６を反時計廻りに回転せしめると、遠心力によって内側回転体５に保持されているスウェージング金型８とストライカー９は径方向外側に付勢されるが、外側には外側回転体６が回転しており、この外側回転体６にはピン１０が保持されており、このピン１０は外側回転体６よりもその一部が内側に突出しているので、ピン１０がストライカー９の外端部を通過する度にストライカー９を径方向内方に押し込み、これに連動してスウェージング金型８も径方向内方に押し込まれ、４つのスウェージング金型８の中心にセットされた素材の表面を数千回／分の速度で叩きスウェージング加工を行う。
上記のスウェージング加工装置を用いて凹部２２とアンダーカット部２３を形成した素材２１を成形するには、先ず図６（ａ）に示すように、クランパ１１で素材２１を把持するとともに、素材２１の凹部２２内にマンドレル１２を挿入する。このマンドレル１２の外径は目的とする製品（燃料噴射ノズル）の袋穴２４の内径と等しく、またマンドレル１２の先端部１２ａは目的とする製品の袋穴２４の先端の雌テーパ状部２４ａを形成するために円錐状をなしている。
そして、図６（ｂ）に示すように、マンドレル１２で素材２１をストッパ１３に当接する位置まで押し込み、前記したようにスウェージング金型８によって素材２１の外面を叩いてスウェージング加工を施す。このスウェージング加工により凹部２２の内径はマンドレル１２の外径まで縮径されるが、アンダーカット部２３は残る。この縮径に伴って素材２１の底部の材料も矢印で示すように内側に移動し、マンドレルの先端部１２ａを包むように移動し、図６（ｃ）に示すように、雌テーパ状部２４ａが形成される。
上記の雌テーパ状部２４ａの位置はマンドレルの先端部１２ａと一致する。またマンドレル１２の長さ及び素材２１の端部の位置はセンサなどにより測定することができる。したがって、素材２７の底部の厚さ（ｔ0）を正確に知ることができ、この厚さ（ｔ0）から研削代（ｔ1）を決めることができる。即ち、マンドレルの先端部１２ａを長手方向の加工代として用いることができる。
図７（ａ）は前記素材２１の凹部２２の中心に位置決め穴２５を形成した例を示す図であり、この位置決め穴２５にマンドレルの先端部１２ａを差し込むことで、スウェージング加工の際にマンドレル１２がずれて、倒れが生じることがない。
前記位置決め穴２５については、図７（ｂ）に示すように、開き角がマンドレルの先端部１２ａの角度よりも小さいと、スウェージング加工後に欠肉となるおそれがあるので、位置決め穴２５の深さはマンドレル先端部の長さと等しいかそれよりも浅く、また位置決め穴２５の開き角度はマンドレル先端部の角度と等しいかそれよりも大きくする。
また、前記位置決め穴２５の形成は、図８に示すように鍛造（前方押出し）によって凹部２２を成形する際に同時に成形することが工程上有利である。また前方押出しの代わりに後方押出しによって凹部２２と位置決め穴２５を同時に成形してもよい。
図９（ａ）及び（ｂ）は鍛造の際に、凹部２２の底部から所定の範囲において、前記位置決め穴２５の他に、素材２１の外周部または凹部２２の内周部に余肉部２１ａ、２１ｂを設けた例を示している。スウェージング加工の際に、素材２１の材料は軸方向に沿って開口方向に移動するため凹部２２の底部付近では材料が不足するが、余肉部２１ａ、２１ｂを設けることでその不足分を補うことができる。
（第３発明）
次に第３発明の実施例について説明する。第３発明は第１発明を更に改善したものであり、具体的には、第１発明にあっては、前記したように鍛造（前方押出し又は後方押出し）によって素材に大径の凹部を形成し、図１０（ａ）に示すように、この凹部の内周にアンダーカット部を形成した後、当該凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工し、その後、外面に研削加工などを施してノズル形状にするようにしている。
次に第３発明の実施例について説明する。第３発明は第１発明を更に改善したものであり、具体的には、第１発明にあっては、前記したように鍛造（前方押出し又は後方押出し）によって素材に大径の凹部を形成し、図１０（ａ）に示すように、この凹部の内周にアンダーカット部を形成した後、当該凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工し、その後、外面に研削加工などを施してノズル形状にするようにしている。
第１発明の方法は、燃料噴射ノズルなどの成形には極めて有効であるが、成形比を大きくすると、スウェージング加工の際に素材が長手方向に沿って開口方向に流動し、その際、図１０（ｂ）に示すように、凹部のコーナ部が取り残され、最終的には図１０（ｃ）に示すように、欠肉が発生することがある。
そこで、第３発明では先ず、ビレットを切断して図１１（ａ）に示す棒状素材３１を用意する。この棒状素材としてはＳＣＭ４１５等が適当である。この後、図１１（ｂ）に示すように、冷間鍛造（前方押出し又は後方押出し）にて前記棒状素材３１に凹部３２を形成する。この凹部３２は後に製品の内周部になる部分であるが、その径は製品の内周部よりも大きく、十分に機械加工が可能な大きさ（１０ｍｍ以上）とする。
前記凹部３２の底部のコーナ部には面取り部３２ａが形成されている。図１２（ａ）に示すように、面取り部３２ａはＲ面取りとされ、その形成領域はスウェージング加工用のマンドレルと凹部３２の内周面との間のクリアランスとなる領域とする。そして、このクリアランス領域の全てを面取り部としてもよいが、３５％以上の割合であれば欠肉を起こすことがない。
また、面取り部３２ａとしてはＲ面取りに限らず、図１２（ｂ）に示すようにＣ面取りとしてもよい。更にこの図に示すように、凹部３２の中心にマンドレルの円錐状先端部を差し込む位置決め穴３４を形成しておくことでスウェージング加工の際にマンドレルがずれて、倒れが生じることがない。
尚、凹部３２、面取り部３２ａ及び位置決め穴３４については、図１３に示す冷間による鍛造成形（前方押出し）によって同時に成形することが加工効率上有利である。鍛造成形としては後方押出しでもよいが、パンチが座屈しやすいので前方押出しの方が有利である。
図１１に戻って、棒状素材３１を冷間鍛造したならば、図１１（ｃ）に示すように、凹部３２にアンダーカット部３３を形成し、続いて冷間でのスウェージング加工によって、図１１（ｄ）に示すように、前記凹部３２を内径２〜４ｍｍの袋穴３４に成形し、更に旋削加工にて外周面を加工して図１１（ｅ）に示す製品（燃料噴射ノズル）を得る。
前記スウェージング加工装置は第１発明に用いた装置と同様である。即ち図２に示すように、内側回転体５と外側回転体６とを備え、内側回転体５には９０°離間して径方向に貫通穴７が形成され、各貫通穴７内には内側から順にスウェージング金型８とストライカー９が摺動自在に嵌合している。一方、外側回転体６には周方向に等間隔で１２本のピン１０が回転自在に保持されている。
以上のスウェージング加工装置において、内側回転体５を時計廻りに、外側回転体６を反時計廻りに回転せしめると、遠心力によって内側回転体５に保持されているスウェージング金型８とストライカー９は径方向外側に付勢されるが、外側には外側回転体６が回転しており、この外側回転体６にはピン１０が保持されており、このピン１０は外側回転体６よりもその一部が内側に突出しているので、ピン１０がストライカー９の外端部を通過する度にストライカー９を径方向内方に押し込み、これに連動してスウェージング金型８も径方向内方に押し込まれ、４つのスウェージング金型８の中心にセットされた素材の表面を数千回／分の速度で叩きスウェージング加工を行う。
上記のスウェージング加工装置を用いて凹部３２とアンダーカット部３３を形成した素材３１を成形するには、先ず図１４（ａ）に示すように、クランパ１１で素材３１を把持するとともに、素材３１の凹部３２内にマンドレル１２を挿入する。このマンドレル１２の外径は目的とする製品（燃料噴射ノズル）の袋穴３４の内径と等しく、またマンドレル１２の先端部１２ａは目的とする製品の袋穴３４の先端の雌テーパ状部３４ａを形成するために円錐状をなしている。
そして、図１４（ｂ）に示すように、マンドレル１２で素材３１をストッパ１３に当接する位置まで押し込み、前記したようにスウェージング金型８によって素材３１の外面を叩いてスウェージング加工を施す。このスウェージング加工により凹部３２の内径はマンドレル１２の外径まで縮径されるが、アンダーカット部３３は残る。
上記の縮径に伴って素材３１の底部のコーナ部の材料も矢印で示すように内側に移動し、マンドレルの先端部１２ａを包むように移動し、図１４（ｃ）に示すように、雌テーパ状部３４ａが形成される。このとき、コーナ部は面取り部３２ａとなっているので、素材が移動する際に材料不足を生じることがない。
尚、素材の加工方法としては図示するような半径方向に工具を移動するプランジ加工に限らず、素材を軸方向に移動させるインフィード加工でもよい。またスウェージング金型の先端形状を所定の形状にしておくことで、旋削加工を省略することもできる。
（第４発明）
次に第４発明の実施例について説明する。第４発明は第１発明を更に改善したものであり、具体的には、第１発明にあっては、鍛造（前方押出し又は後方押出し）によって素材に大径の凹部を形成し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成した後、当該凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工し、その後、外面に研削加工などを施してノズル形状にするようにしている。
次に第４発明の実施例について説明する。第４発明は第１発明を更に改善したものであり、具体的には、第１発明にあっては、鍛造（前方押出し又は後方押出し）によって素材に大径の凹部を形成し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成した後、当該凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入して外側からスウェージング加工し、その後、外面に研削加工などを施してノズル形状にするようにしている。
第１発明の方法は、燃料噴射ノズルなどの成形には極めて有効であるが、成形比を大きくすると、スウェージング加工の際に素材が長手方向に沿って開口方向に流動し、その結果、一部の製品には、図１５に示すように、凹部の底部内周に欠肉が発生することがある。
そこで第４発明では、ビレットを切断して図１６（ａ）に示す棒状素材４１を用意する。この棒状素材としてはＳＣＭ４１５等が適当である。この後、図１６（ｂ）に示すように、冷間鍛造（前方押出し又は後方押出し）にて前記棒状素材４１に凹部４２を形成する。この凹部４２は後に製品の内周部になる部分であるが、その径は製品の内周部よりも大きく、十分に機械加工が可能な大きさ（１０ｍｍ以上）とする。
前記冷間鍛造として図１７に示すように前方押出しを行う場合には、凹部４２の底部から所定長範囲の棒状素材４１の外周に余肉部４１ａを設ける。この余肉部４１ａは後述するスウェージング加工の際の材料流れを補うものであり、好ましい範囲（Ｌ）としては、スウェージング加工の際のマンドレル径（ノズル内径）を（ｄ）とした場合、２ｄ≦Ｌ≦４ｄである。
また冷間鍛造として図１８に示すように後方押出しを行う場合には、凹部４２の内周面であって底部から所定長範囲に余肉部４１ｂを設ける。この余肉部４１ｂについても好ましい範囲は２ｄ≦Ｌ≦４ｄである。
余肉の発生は底部から、マンドレルと下孔とのクリアランス分の位置から発生するため、少なくともマンドレル径（ｄ）の２倍の余肉部が無いと、発生位置より上方で材料不足が生じるおそれがあり、また、４倍を超えると、アンダーカット部へ材料の流入が起こり、アンダーカット部の形状が変形してしまうおそれがある。そこで、範囲をｄの２〜４倍とした。また余肉部の体積は、事前にテストして、発生した欠肉部の体積以上であればよい。
尚、実施例では冷間鍛造と同時に余肉部を成形する例を示したが、凹部４２の成形とは別に余肉部を成形してもよい。
余肉の発生は底部から、マンドレルと下孔とのクリアランス分の位置から発生するため、少なくともマンドレル径（ｄ）の２倍の余肉部が無いと、発生位置より上方で材料不足が生じるおそれがあり、また、４倍を超えると、アンダーカット部へ材料の流入が起こり、アンダーカット部の形状が変形してしまうおそれがある。そこで、範囲をｄの２〜４倍とした。また余肉部の体積は、事前にテストして、発生した欠肉部の体積以上であればよい。
尚、実施例では冷間鍛造と同時に余肉部を成形する例を示したが、凹部４２の成形とは別に余肉部を成形してもよい。
上記の如くして、棒状素材１を冷間鍛造したならば、図１６（ｃ）に示すように、凹部４２にアンダーカット部４３を形成し、続いて冷間でのスウェージング加工によって、図１６（ｄ）に示すように、前記凹部４２を内径２〜４ｍｍの袋穴４４に成形し、更に旋削加工にて外周面を加工して図１５（ｅ）に示す製品（燃料噴射ノズル）を得る。
前記スウェージング加工装置は第１発明に用いた装置と同様である。即ち図２に示すように、内側回転体５と外側回転体６とを備え、内側回転体５には９０°離間して径方向に貫通穴７が形成され、各貫通穴７内には内側から順にスウェージング金型８とストライカー９が摺動自在に嵌合している。一方、外側回転体６には周方向に等間隔で１２本のピン１０が回転自在に保持されている。
以上のスウェージング加工装置において、内側回転体５を時計廻りに、外側回転体６を反時計廻りに回転せしめると、遠心力によって内側回転体５に保持されているスウェージング金型８とストライカー９は径方向外側に付勢されるが、外側には外側回転体６が回転しており、この外側回転体６にはピン１０が保持されており、このピン１０は外側回転体６よりもその一部が内側に突出しているので、ピン１０がストライカー９の外端部を通過する度にストライカー９を径方向内方に押し込み、これに連動してスウェージング金型８も方向内方に押し込まれ、４つのスウェージング金型８の中心にセットされた素材の表面を数千回／分の速度で叩きスウェージング加工を行う。
上記のスウェージング加工装置を用いて凹部４２とアンダーカット部４３を形成した素材４１を成形するには、先ず図１９（ａ）に示すように、クランパ１１で素材４１を把持するとともに、素材４１の凹部４２内にマンドレル１２を挿入する。このマンドレル１２の外径は目的とする製品（燃料噴射ノズル）の袋穴の内径と等しいものを用いる。
そして、図１９（ｂ）に示すように、マンドレル１２で素材４１をストッパ１３に当接する位置まで押し込み、前記したようにスウェージング金型８によって素材４１の外面を叩いてスウェージング加工を施す。このスウェージング加工により凹部４２の内径はマンドレル１２の外径まで縮径されるが、アンダーカット部４３は残る。このとき、素材４１の材料は軸方向に沿って開口方向に移動するため凹部４２の底部付近では材料が不足するが、その不足分は余肉部４１ａまたは４１ｂから補われる。
尚、素材の加工方法としては図示するような半径方向に工具を移動するプランジ加工に限らず、素材を軸方向に移動させるインフィード加工でもよい。
この後、旋削加工を施して製品（燃料噴射ノズル）の外径形状とするのであるが、前記スウェージング金型８の先端形状を所定の形状にしておくことで、旋削加工を省略することができる。
Claims (12)
- 部材の内周部にアンダーカット部を設ける成形方法であって、以下の工程１〜４を含むことを特徴とする成形方法。
１：部材の内周部よりも大径の凹部を素材に形成する工程。
２：前記凹部の内周にアンダーカット部を形成する工程。
３：前記アンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入する工程。
４：前記マンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小する工程。 - 請求項１に記載の成形方法において、前記部材は燃料噴射ノズルであることを特徴とする成形方法。
- 部材の内周部よりも大径の凹部を素材に成形し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径で先端部が円錐形状となったマンドレルを挿入し、このマンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工することで、前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小せしめ、またこれと同時に前記マンドレルの先端部に倣って目的とする部材の内周部の先端形状を雌テーパ状に成形することを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項３に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記大径の凹部の中心にはマンドレル先端部を差し込む位置決め穴が形成され、この位置決め穴の深さはマンドレル先端部の長さと等しいかそれよりも浅く、また位置決め穴の開き角度はマンドレル先端部の角度と等しいかそれよりも大きいことを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項４に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記位置決め穴は鍛造成形によって前記凹部を成形する際に同時に成形することを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項３乃至請求項５に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記部材は燃料噴射ノズルであることを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 部材の内周部よりも大径の凹部を素材に成形し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入し、このマンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小せしめるようにしたアンダーカット部を有する部材の成形方法であって、前記スウェージング加工する前の素材の凹部の底部には面取り部が形成され、この面取り部の形成領域は前記マンドレルの先端を素材の凹部の底部に突き当てた状態でクリアランスとなる外側領域内とすることを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項７に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記面取り部を形成領域は前記マンドレルと凹部の内周との間のクリアランスの３５％〜１００％であることを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項７又は請求項８に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記部材は燃料噴射ノズルであることを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 部材の内周部よりも大径の凹部を素材に成形し、この凹部の内周にアンダーカット部を形成し、このアンダーカット部が形成された素材の凹部に目的とする部材の内周部の径と等しい径のマンドレルを挿入し、このマンドレルを挿入した素材の外側からスウェージング加工して前記アンダーカット部を残した状態で素材の前記凹部の内径をマンドレル外径まで縮小せしめるようにしたアンダーカット部を有する部材の成形方法であって、前記スウェージング加工する前の素材の凹部内周または外周には凹部の底部から所定長さ範囲において余肉部が設けられていることを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項１０に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記余肉部は鍛造成形によって前記凹部を成形する際に同時に成形することを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
- 請求項１０または請求項１１に記載のアンダーカット部を有する部材の成形方法において、前記部材は燃料噴射ノズルであることを特徴とするアンダーカット部を有する部材の成形方法。
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