JP5340184B2 - 高圧用燃料噴射管のシールピン - Google Patents

Description

本発明は、超高圧下で高圧燃料噴射管にオートフレッテージ加工を行うために、該高圧燃料噴射管の配管口内側のテーパ部をシールするためのシールピンに関する。

従来、特許文献１、２等にみられるように、高圧燃料噴射管に対して恒久的に疲労破壊を防止する手法、つまり、密閉状態で高圧をかけて材料組織に残留応力を残して強度をあげる手法（オートフレッテージ加工と称す）が知られている。ディーゼル用燃料システムの設定圧の上昇に伴い、オートフレッテージ加工における内圧も高圧化してきている。特に、８００Ｍｐａ以上の内圧をかける際には、配管口への漏れ防止をする必要があり、市販のシールキャップではシール耐圧が低すぎて漏れてしまうことになり、シールとして使用することができなかった。

特許文献１においては、ワークの開口部に対して、切頭円錐形状の密封端部を油圧シリンダで圧力をかけて、密封端部でシールしている。これによって、密封端部がワークの開口部を密閉させる力が、内圧に比例して増加させることができるようにしている。このような方式のシールを用いると、内圧とのバランス合せのために油圧シリンダの圧力制御が複雑であり、油圧ポンプや高速弁などの付帯装置も必要となり、コスト高となってしまっていた。また、このような方式で自動化にした場合、ワーク搬送はパレット式になるため、パレット設備の費用が嵩むこととなる。さらに、ワーク品番が限定されておらず、ワークの開口部の位置が、常に定位置でない場合には、自動化にしたときに開口部の位置と密封端部との接続が非常に難しく、品番切替えのセッティングに問題が生じていた。

独国特許発明第１０２００６０５４４４０号明細書（ＤＥ１０２００６０５４４４０Ｂ３） 特開２００４−９２５５１号公報

本発明は、上記問題に鑑み、超高圧下で高圧燃料噴射管にオートフレッテージ加工を行うために、該高圧燃料噴射管の配管口内側のテーパ部をシールするためのシールピンを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、超高圧下で高圧燃料噴射管にオートフレッテージ加工を行うために、該高圧燃料噴射管の配管口（２３）をシールするためのシールピン（２０）であって、該シールピン（２０）は、前記配管口（２３）に挿入するシールピン端部の軸心部に設けられた、底部（２２'）を有する溝穴（２２）と、前記配管口（２３）の内側のテーパ部（２３’）に接触する、シールピン端部外周部（２５）と、を具備しており、前記テーパ部（２３’）に対して、前記シールピン端部外周部（２５）が、超高圧の内圧によって弾性領域で変形して、接触するように構成されたシールピンである。

これにより、オートフレッテージ加工における超高圧においても、配管口への漏れ防止を行うことができ、内圧とのバランス合せのために油圧シリンダの圧力制御や、油圧ポンプや高速弁などの付帯装置を不要とすることができる。特に、シールピン端部の軸心部に設けられた溝穴に内圧がかかるので、テーパ部に対して、シールピン端部外周部が、超高圧の内圧によって弾性領域で変形して、高いシール耐圧を持って密着するようになされている。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記シールピン端部外周部（２５）が、断面円弧状であることを特徴とする。これにより、接触部から漏れの無い面圧を確保することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記溝穴（２２）の前記底部（２２’）のコーナーに、Ｒ部が設けられているか、又は、前記底部（２２'）が球面であることを特徴とする。これにより、発生応力を極力抑え、疲労破壊しない材料の耐圧強度をアップすることができる。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の発明において、前記内圧の最大値が８００Ｍｐａ以上でオートフレッテージ加工を行う場合において、前記テーパ部内径（Ｄ１）を１としたときに、前記シールピンの形状寸法は、シールピン外周部（２６）の外径（Ｄ２）が約１．０８、かつ、溝穴内径（ｄ）が約０．７、かつ、溝穴深さ（Ｈ１）が約０．４であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記シールピンの材質は、ヤング率が２１０Ｇｐａ以上、かつ、降伏点が１５００Ｍｐａ以上であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１から５発明のシールピン（２０）をキャップ（２１）内に保持して、キャップ（２１）を高圧燃料噴射管の配管口（２３）にねじ止めし、内圧の最大値が８００Ｍｐａ以上でオートフレッテージ加工を行う場合に、前記配管口（２３）を前記シールピン（２０）でシールした高圧燃料噴射管である。
これにより、請求項１の発明と同様な効果を得ることが出来る。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の基礎となった比較技術の全体的斜視図である。 図１の比較技術の要部の断面図である。 図１の比較技術を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施形態を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施形態の要部を示す拡大図である。 図５のＡ部を示す拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。本発明の各実施形態が、本発明の基礎となった比較技術に対しても同一構成の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本発明の基礎となった比較技術の全体的斜視図である。図２は、図１の比較技術の要部の断面図である。図３は、図１の比較技術の概略を示す説明図である。
本発明の一実施形態を説明する前に、図１〜３を参照して、本発明の基礎となった比較技術を説明する。図２において、パレット１０に、オートフレッテージ加工を施すワーク１が設置されている。ワーク１の配管口２３には、密封ピン５の切頭円錐形状の密封端部５’が挿入されている。密封ピン５の他端には被押圧部６を有し、油圧シリンダなどに押圧される押圧部８が、圧力Ｐで密封ピン５に対して押圧できるようになっている。密封ピン５には、鍔７が設けられており、スプリング９によって、密封ピン５をワーク１の配管口２３に向けて予備的に押圧している。

図３に模式的に示すように、ワーク１を密閉状態にして内圧ｐ（一例として最大圧８００Ｍｐａ以上）をかけ、ワーク１の材料組織に残留応力を残して強度をあげる、オートフレッテージ加工を行う。このような方式のシールを用いると、内圧とのバランス合せのために油圧シリンダの圧力制御が複雑であり、油圧ポンプや高速弁などの付帯装置も必要となり、コスト高となってしまっていた。また、このような方式で自動化にした場合、ワーク搬送はパレット式になるため、パレット設備の費用が嵩むこととなる。さらに、ワーク品番が限定されておらず、ワークの開口部の位置が、常に定位置でない場合には、自動化にしたときに開口部の位置と密封端部との接続が非常に難しく、品番切替えのセッティングに問題が生じていた。

これに対して、本発明の一実施形態は次のようなものである。
図４は、本発明の一実施形態を模式的に示す説明図である。図５は、本発明の一実施形態の要部を示す拡大図である。図６は、図５のＡ部を示す拡大図である。
図４、５に示すように、超高圧下でオートフレッテージ加工を施すワーク１には、配管口２３が設けられている。配管口２３の外周は、ねじ切りされており、キャップ２１がねじで固定されている。図５に示すように、キャップ２１の内部には、穴３２が設けられており、シールピン２０が挿入されている。３０、３１は、ドレン穴である。

シールピン２０は、その外周が、シールピン外周部２６とシールピン端部外周部２５から構成されている。配管口２３の内側のテーパ部２３’にシールピン端部外周部２５の一部が接触する。シールピン端部外周部２５は、好ましくは半径Ｒ１の断面円弧状である。シールピン端部外周部２５は、上記円弧又は円弧状に限らず、円錐面を含む任意の曲面であってよい。さらに、配管口２３に挿入するシールピン端部の軸心部には、底部２２'を有する溝穴２２が設けられている。溝穴２２の底部２２’のコーナーには、Ｒ部が設けられている。底部２２’は球面であっても良い。

配管口２３の外周に対して、キャップ２１を回して、配管口２３の内側のテーパ部２３’にシールピン端部外周部２５の一部が、所定圧で接触するように調整する。
図４に模式的に示すように、ワーク１にキャップ２１をかぶせて、密閉状態にして内圧ｐ（一例として最大圧８００Ｍｐａ以上）をかけ、ワーク１の材料組織に残留応力を残して強度をあげる、オートフレッテージ加工を行う。このとき、メインの油圧源からの内圧ｐの力を利用し、シールピン２０の溝穴２２の側面側へ、すなわち、シールピン端部外周部２５方向に変形する力を働かせ、径方向へ膨らませて変形させる。シールピン端部の軸心部に設けられた溝穴２２に内圧がかかるので、テーパ部２３’に対して、シールピン端部外周部２５の一部が、超高圧の内圧によって弾性領域で変形して、高いシール耐圧を持って密着するのである。

これにより、超高圧に対応したシールが可能となる。ここで、超高圧とは、ディーゼル用コモンレールに使用される圧力を指している。一例としては、数百Ｍｐａ程度の圧力を指している。

テーパ部２３’に対して、シールピン端部外周部２５が、最大圧が８００Ｍｐａ以上の超高圧の内圧によって、弾性領域で変形して接触する場合のシールピンの形状について、一例として述べる。各々の寸法値については実験値と解析結果に基づき決定したが、これに限定されるものではない。

図６に示すように、シールピンの形状寸法の比率は、内圧の最大値が８００Ｍｐａ以上でオートフレッテージ加工を行う場合において、テーパ部２３’の内径Ｄ１を１としたときに（Ｄ１が３〜５ｍｍの間において）、シールピン外周部の外径Ｄ２が約１．０８、溝穴内径ｄが約０．７、溝穴深さＨ１が約０．４である。シールピン端部外周部２５の半径Ｒ１は、一例として、外径Ｄ２の１／２程度とすると良い。ここで、「約」とはそれぞれの数値の前後１０％以内であることを指す。

この場合、テーパ部２３’の内径Ｄ１の穴（配管口２３の内側の穴）に対し、シールピンの外径を、約１０％程度大きく設定し、テーパ部２３’に確実に接触できるようにしたが、シールピン外周部の外径Ｄ２は約１．０８に限らず、テーパ部２３’に確実に接触できるように適宜設定すればよい。超高圧の内圧によって、弾性領域で変形して接触できるように、シールピン外周部の外径Ｄ２に対応して、他の比率も適宜設定すればよい。

上記一実施形態では、一例として、内圧ｐの最大値が８００Ｍｐａ以上でオートフレッテージ加工を行う場合において、テーパ部内径Ｄ１を１としたときに、シールピン２０の形状寸法は、シールピン外周部Ｄ２が、１．０８である第１の数値又は第１の数値の前後１０％以内、溝穴内径（ｄ）が、０．７である第２の数値又は第２の数値の前後１０％以内、溝穴深さ（Ｈ１）が、０．４である第３の数値又は第３の数値の前後１０％以内である。この一例としての数値に限らず、超高圧の内圧によって、シールピン端部外周部２５が弾性領域で変形してテーパ部２３’に確実に接触できるように、シールピン外周部の外径Ｄ２その他の比率を適宜設定すると良い。

シールピンの材質は、ヤング率が２１０Ｇｐａ以上、降伏点が１５００Ｍｐａ以上であることが必要である。一例として、ＳＫＨ５１などが挙げられるが、弾性領域で変形して接触でき、破損しないことが重要である。

図５のように、シールピン２０が弾性領域で変形して、配管口２３の内側のテーパ部２３’に、シールピン端部外周部２５の一部が接するように接触して、密着固定することが好ましい。その他、テーパ部２３’の最内周の角部で接触するようにしても良い。この場合においては、シールピン端部外周部２５の形状が、テーパ角６０度位の円錐形状であっても良い。

内圧の最大値が８００Ｍｐａ以上の超高圧のシール条件の考え方は、以下のようなものである。
１．接触部において、漏れの無い面圧を確保する（シール力確保）。
２．発生応力を極力抑え、疲労破壊しない材料の耐圧強度を満足する（変形しても弾性領域である）。
口元がテーパ状にひろがる形状をもつ配管口に対し、前記１．の対応として、シールピン端部外周部２５の接触部形状を円弧状の形状にしている。前記２．の対応として、溝穴２２の底部２２’にコーナーＲを持たせている。溝穴２２の底部２２’のコーナーＲの効果としては、応力集中回避と、強度アップにつながる壁の肉厚確保が挙げられる。

本発明のシールピン２０を用いたオートフレッテージ加工を行う手順（方法）について、以下に説明する。ワーク１をパレット１０に固定する。オートフレッテージ加工の前工程として、キャップ２２をネジ締め機で配管口に固定する。つぎに、オートフレッテージ加工処理を行う。これにより、ワーク１は、密閉状態で高圧をかけて材料組織に残留応力を残して強度をあげることができる。その後、後工程で、ネジ締め機で配管口２３からキャップ２０を取り外す。なお、ワーク搬送手段は、パレット１０に特に限定する必要はなく、位置決め及び搬送ができれば良い。

１ ワーク
２０ シールピン
２１ キャップ
２２ 溝穴
２３ 配管口
２５ シールピン端部外周部
２６ シールピン外周部

Claims (6)

1. 超高圧下で高圧燃料噴射管にオートフレッテージ加工を行うために、該高圧燃料噴射管の配管口（２３）をシールするためのシールピン（２０）であって、
   該シールピン（２０）は、前記配管口（２３）に挿入するシールピン端部の軸心部に設けられた、底部（２２'）を有する溝穴（２２）と、
   前記配管口（２３）の内側のテーパ部（２３’）に接触する、シールピン端部外周部（２５）と、を具備しており、
   前記テーパ部（２３’）に対して、前記シールピン端部外周部（２５）が、超高圧の内圧によって弾性領域で変形して、接触するように構成されたシールピン。
2. 前記シールピン端部外周部（２５）が、断面円弧状であることを特徴とする請求項１に記載のシールピン。
3. 前記溝穴（２２）の前記底部（２２’）のコーナーに、Ｒ部が設けられているか、又は、前記底部（２２'）が球面であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシールピン。
4. 前記内圧の最大値が８００Ｍｐａ以上でオートフレッテージ加工を行う場合において、前記テーパ部内径（Ｄ１）を１としたときに、前記シールピンの形状寸法は、シールピン外周部（２６）の外径（Ｄ２）が約１．０８、かつ、溝穴内径（ｄ）が約０．７、かつ、溝穴深さ（Ｈ１）が約０．４であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシールピン。
5. 前記シールピンの材質は、ヤング率が２１０Ｇｐａ以上、かつ、降伏点が１５００Ｍｐａ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のシールピン。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のシールピン（２０）をキャップ（２１）内に保持して、キャップ（２１）を高圧燃料噴射管の配管口（２３）にねじ止めし、内圧の最大値が８００Ｍｐａ以上でオートフレッテージ加工を行う場合に、前記配管口（２３）を前記シールピン（２０）でシールした高圧燃料噴射管。

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