JP5397396B2 - 回転電機の回転子鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、複数の爪を有する回転電機の回転子鉄心（ポールコア）の製造方法に関し、特に鍛造による成形精度の向上にかかわる。

車両用交流発電機等の回転電機の回転子として、内部が軸孔となっている円筒状のボス部、ボス部の一端から半径方向に展長されたディスク部、およびディスク部の外周から等間隔で軸方向他端側に延長された複数の爪部を有するポールコア（クローポール）が使用されている。ポールコアの隣接した爪部の間は、ディスク部の外周に達するＶ字状の溝（Ｖ溝）となっている。

一対のポールコアは対向して組み合わされ、一方のポールコアのＶ溝内に他方のポールコアの爪部が入り込み、所要の隙間を有して互いに噛み合い、ディスク部と爪部との間に磁界コイルが収容され、軸孔にシャフトが圧入されて一体化され、ランデル型ロータコアとなっている。

このポールコアは、生産性の観点から冷間鍛造または熱間鍛造が適用される。
特許文献１には、図８に示すように、ポールコアの製造方法として、ボス部２ａを下向き状態にして配置し、上型ｍ３ａのパンチｐおよび下型ｍ３ｂの中央部のダイｄで概形品のボス部２ａに軸孔２ｂを打ち抜き、同時に該上型ｍ３ａの各対応する部位の成形面で、その各爪部４ａをしごき加工して延伸しつつ、ディスク部３ａと９０度の角度になるまで折曲し、これによって各爪部４ａの両側内面の段差部４ａ１を、下型ｍ３ｂの爪部整形用の段差部ｆ２に圧接して爪段差部４ｂを整形する鍛造方法が記載されている。

しかしながら、この鍛造方法では、爪部４ａの折り曲げと同時に軸孔２ｂを被孔（穿孔）する間、爪部４ａとディスク部３ａとの接続部の外側表面が伸び、軸孔周辺のディスク部３ａの表面は内径側への伸びが生じる。その結果、ディスク部３ａ全体に外側に凸となる残留曲げ応力が残り、型解除後にスプリングバックを生じて爪部４ａの曲げ形状が開く方向に変位し易い。また、成形型からポールコアを解除すると、スプリングバックによりディスク部３ａ表面側の軸孔径が拡大し、ボス部端面側との径差で軸孔２ｂがテーパー状となり易い。さらに、パンチｐによる孔あけ時に、軸孔２ｂの口端には、引張応力の作用で孔口端にダレが生じる問題がある。

このため、シャフトを軸孔２ｂに挿通、嵌合させる場合、嵌合代寸法によってはボス部２ａ端面側で締め代が過大となり圧入が困難となる。また、ディスク部３ａ側で締め代過小傾向の場合は嵌合力を低下させ、シャフトの締結領域が軸孔全面ではなく、ディスク部３ａ側の一部でしかなくなる。この結果、回転軸に対するシャフトのぶれ、磁気吸引力、搭載環境振動の影響でシャフトに対しポールコアが振動し易く、運転中において磁気音、出力性能、ローター寿命への悪影響をもたらす。

特許第３６０９７４５号公報

この発明の目的は、軸孔加工と爪部の曲げ加工とを別々に行うことにより、爪部の曲げ加工によりディスク部で生じる内部応力の影響が軸孔に及ぶことを防止し、軸孔を適正に成形できる回転電機の回転子鉄心の製造方法の提供にある。

この発明の要旨は、ビレットの端面の一方をダイで受け、他方をパンチで断面円形の溝を形成することで、軸孔予定の円筒領域の一部を形成し、同時にボス部を成形するとともに、ボス部外周に放射状に配列される爪部の予備形状を成形する仮成形工程と、
ボス部側の端面をダイで受け、ボス部側の端面またはディスク部側の端面のいずれかから穿孔パンチで押圧し、仮成形工程で未加工の円筒領域の残部を被孔し、軸孔を形成する孔抜き工程と、ボス部端面と、ディスク部のポールコア外側表面と連続する爪部の外側側面を軸方向に押圧することで、爪部の外側側面が軸方向に平行となるよう爪部を折り曲げ、折り曲げ後、外径方向に伸びる爪基底部から軸方向に折り曲げられた爪折り曲げ部、軸方向に伸びる爪先端部を形成し、更に爪先端部はその先端の径方向厚みが基底部側に対しテーパー状に薄くなるように成形するしごき工程と、ボス部端面、爪先端部、爪折り曲げ部、爪基底部のポールコア中心側側面を、軸方向に沿って押圧し、ボス部の厚みと平面度を所定の寸法に成形するサイジング工程を含む、ポールコアの製造方法において、孔抜き工程としごき工程は同時に行わず、孔抜き工程の後、穿孔パンチを解除し、少なくとも穿孔パンチより該軸孔との締め代が少ないマンドレルを該軸孔に挿通するとともに、ボス部外周を外周拘束部材により円筒に拘束して、しごき工程の各加工を行うことにある。

図８に示す如く、爪部の曲げ加工と軸孔の穿孔とを同時に一方向から実施すると、爪部の曲げ加工の影響でディスク部が径方向に伸長する内部応力を生じる。このため、ディスク部表面付近で軸孔の径が広がり、軸孔が軸方向に沿ってテーパー状となる。
この発明では、爪部の曲げ加工と軸孔の穿孔とを同時に行わないので、爪曲げ加工によりディスク部の内部応力の影響を受けず、軸孔がテーパー状となることを防止できる。
また、この発明によれば、マンドレルの挿通方向は、ボス部端面側からディスク部側へ向かう方向であり、ボス部外周を円筒に拘束する外周拘束部材と軸孔を円筒に拘束するマンドレルとを、軸方向において被加工材に対し同一側に配置している。これにより、上下型の同一側に外周拘束部材とマンドレルとを共に固定させることが可能で、上下型に別々に分けて各部材を配列させる場合にくらべ互いの位置が正確に設定でき、マンドレルと軸孔との位置のずれによる偏摩耗、破損を抑制できる。

請求項２に記載の発明では、各成形加工前に、該軸孔と同一径をもつマンドレルを該軸孔に挿通させることを特徴とする。
各成形加工の圧力で、軸孔の内周面が膨張し内径が小さくなるため、マンドレルを成形中か成形後に軸孔へ挿入した場合、膨張部に干渉し、破損する恐れがある。成形前に挿入することで、これを防止できる。

また、請求項２に記載の発明では、マンドレル使用により成形精度が良いため、軸孔の内周面を切削除去する必要がなくなる。内周面の切削が不要であることにより、軸孔の内周面に円周方向に筋目がなく、かつポールコア材料内部に較べ内周表面の材料硬度が高い。
軸孔内周表面付近の被加工材料が成形加工による硬化を生じ、切削削除されることがないので、シャフトを圧入し組み立てる際に、シャフト表面と軸孔表面上で材料むしれが減少し、嵌合代が減少した場合の締結強度の低下、むしれバリによるかじり発生が抑制される。

請求項３に記載の発明では、しごき工程において、ポールコア外側のディスク部表面を各成形による軸方向に働く力に対向するように押圧することを特徴とする。
これにより、爪部の曲げ加工中にディスク部表面が軸方向外側に凸に湾曲することを抑制できる。

請求項４に記載の発明では、軸孔の抜き工程と爪部外周のバリを打ち抜くフラッシュ孔抜き工程とを同時に行うことを特徴とする。
この方法によれば、一回のプレス作動で、２工程を行い、量産効果を上げることができる。
請求項５に記載の発明では、サイジング工程において、爪先端部の外径側の側面を、内径側へ押圧して矯正するとともに爪先端部の面取り整形を行うことを特徴とする。
これにより爪の形状寸法の精度を上げることができる。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれか１に記載の回転電機の回転子鉄心の製造方法により製造される回転電機の回転子鉄心であって、軸孔の内周表面の材料硬度は、回転子鉄心の内部の材料硬度より高いことを特徴とする。
この発明の回転電機の回転子鉄心は、軸孔内周表面付近の被加工材料が成形加工による硬化を生じ、かつ切削削除されることがない。すなわち、軸孔の内周表面の材料硬度が高いため、シャフトを圧入し組み立てる際に、シャフト表面と軸孔表面との摩擦で生じる材料むしれが減少でき、嵌合代が減少した場合の締結強度の低下、むしれバリによるかじり発生などの不具合が抑制される。

回転電機の回転子鉄心の斜視図である。 ポールコア製造工程のフローチャートである。 仮成形工程図である。 孔抜き工程である。 フラッシュ抜き工程図である。 しごき工程図である。 サイジング工程である。 ポールコアのしごき工程図である（従来例）。

この発明を実施するための形態を図に示す実施例とともに説明する。

図１は、車両用交流発電機の回転子に使用されるポールコア（クローポール）１を示す。このポールコア１は、一対が対向して配されるとともに磁界コイルが内装され、シャフトが圧入されてランデル型ロータコアに組み立てられる。ポールコア１は、円筒状のボス部２と、このボス部２の一端側から径方向に展長したディスク部３とを備える。このディスク部３の外周部分からは、爪状磁極を形成する複数の爪部４が軸方向の他端側に延長されている。ボス部２の内部がシャフトに外嵌めされる軸孔５となっている。

ポールコア１の製造工程は、図２に示すように、
ア）軸孔予定の一部円筒領域、中央ボス部および爪部の予備形状を成形する仮成形工程 イ）軸孔の穿孔、貫通させる孔抜き工程
ウ）爪部を軸方向に折り曲げて折り曲げ部、爪先端部を成形するフラッシュ抜き工程
エ）爪先端部をテーパー状に先細り加工するしごき工程
オ）ボス部厚みと平面度を確保する仕上げ成形であるサイジング工程
の加工順を採用する。

以下、この順序に各工程を図３〜図７とともに説明する。
図３は、仮成形工程を示す。
図３（ａ）に示すように、円盤状のビレット６を、円環状の溝６１とその外周の円環皿状凹所６２と、さらにその外周に等間隔に放射状に延長された複数の爪部凹所６３とが設けられたダイ６Ａで受け、上方から中央に浅い円径凸部６４を有し、凸部６４の外周に円環板状凹所６５と、円環板状凹所６５から複数の爪部凹所６３に対応して形成された複数の爪部凹所６６とを有するパンチ６Ｂで加圧する。

これにより、図３（ｂ）に示すように、下面に中央に軸孔５予定の円柱状凹所６７を有する円筒状のボス部２の円筒領域６８を形成する。同時に、ボス部２の外周に放射状に配列される爪４の予備形状部６９を成形する。また上面には中央に浅い円形凹所６０が形成され、一次仮成形品７が鍛造される。

図４は孔抜き工程を示す。
仮成形品７のボス部２側の端面をダイ７Ａで受け、上方から加圧手段７１で加圧しながら、ボス部２側からパンチ７Ｂで仮成形工程で未加工の円筒領域６８の残部を穿孔し、軸孔５を形成して二次仮成形品８を成型する。

図５はフラッシュ抜き工程を示す。
二次仮成形品８をダイ８Ａで受け、パンチ８Ｂで外周のバリ８１を切断し、三次仮成形品９を成形する。

図６は、しごき工程を示す。
三次仮成形品９を、ダイ９Ａとパンチ９Ｂとにより、ボス部２端面と、ディスク３のコア外側表面と連続する爪部４の外側側面を軸方向に押圧する。これにより、爪部４の外側側面が軸方向に平行となるよう爪部４を折り曲げ、折り曲げ後、外径方向に伸びる爪基底部４１から軸方向に折り曲げられた爪折り曲げ部４２、軸方向に伸びる爪先端部４３を形成する。
さらに爪先端部４３はその先端の径方向厚みが爪基底部４１側に対しテーパー状に薄くなるように成形して、第４次仮成形品１０を製造する。

図７はサイジング工程を示す。
第４次仮成形品１０を、ダイ１０Ａとパンチ１０Ｂとにより、ボス部２端面、爪先端部４３、爪折り曲げ部４２、爪基底部４１、コア中心側側面を、軸方向に沿って押圧、ボス部２の厚みと平面度を所定の寸法に成形する。

この発明では、しごき工程、サイジング工程において、孔抜き工程としごき工程は同時に行わず、孔抜き工程の後、該パンチ７Ｂを解除し、図６（ａ）に示すように、少なくとも該パンチ７Ｂより該軸孔との締め代が少ないマンドレル１１を該軸孔５に挿通するとともに、ボス部外周を外周拘束部材により円筒に拘束して、しごき工程の各加工を行う。
このため、爪部４の曲げ加工によりディスク部３の内部で生じる応力の影響が軸孔５に及ぶことが阻止される。この結果、爪部４の曲げ加工の影響で、軸孔５のディスク３の表面側部分が拡径して軸孔５がテーパー状に変形する不具合を防止できる。

また、各成形加工前に、軸孔５と同一径をもつマンドレル１１を該軸孔５に挿通させておき、各成形加工により軸孔５の変形を阻止する。
これにより、各成形の圧力で、軸孔５の内周面が膨張し内径が小さくなり、マンドレル１１を成形中か成形後に軸孔５へ挿入した場合、膨張部に干渉し破損する不具合を防止できる。

さらに、マンドレル１１の挿通方向は、ボス部２端面側からディスク部３側へ向かう方向とすると次の利点がある。
ボス部２の外周円筒の拘束部材と軸孔５の内周円筒を拘束するマンドレル１１を、軸方向において被加工材に対し同一側に配置することができる。このため、上下型の同一側に共に固定させることができ、上下型に別々に分けて各部材を配列させる場合にくらべ互いの位置が正確で、マンドレル１１と軸孔５との位置のずれによる偏摩耗、破損を抑制できる。

しごき工程においては、ポールコア１の外側のディスク部３表面を各成形による軸方向に働く力に対向するように押圧する。
この結果、爪部４の曲げ加工中にディスク部３の表面が軸方向に凸状に湾曲することを抑制できる。

また、マンドレル１１の使用により成形精度が向上し、軸孔５の内周面は切削加工が不要である。軸孔内周表面付近の被加工材料が成形加工により加工硬化を生じ、切削加工されることがないので、コア材料内部にくらべ内周表面の材料硬度が高い。軸孔５は、円周方向に切削加工による加工筋目が生じなく、高い硬度をもつ内周表面を有する。このため、シャフトを圧入して組み立てる際に、シャフトによる軸孔５表面の材料むしれが減少する。この結果、嵌合代が減少した場合の締結強度の低下、むしれバリによるかじり発生が、いずれも抑制される効果をもたらす。

以上、本実施例では、ポールコアの製造方法として、上記した５つの工程順に作業を進めることを説明したが、これに限らず、孔抜き工程とフラッシュ抜き工程とを同時に行ってもよい。
この方法によれば、一回のプレス作動で、２工程を行い、量産効果を上げることができる。

また、サイジング工程においては、爪先端部４３の外径側の側面を内径側へ押圧して、矯正するとともに爪部４の面取り整形を同時に行ってもよい。これにより爪部４の形状寸法の精度を上げることができる。
さらに、孔抜き工程において、パンチ７Ｂによる穿孔は、ディスク３側からパンチ７Ｂで押圧して行ってもよい。この方法でも同様な作用効果を奏する。

この発明の回転電機の回転子鉄心の製造方法では、爪部４の曲げ加工と軸孔５の穿孔とを同時に行わないので、爪部４の曲げ加工によりディスク部３の内部応力の影響を受けず、軸孔５がテーパー状となることを防止できる。また、各成形加工前に、該軸孔５と同一径をもつマンドレル１１を該軸孔５に挿通させることにより、軸孔５の寸法精度および内周表面の材料硬度が高い。このため、ポールコアとシャフトとの嵌合が円滑かつ確実に行えるという、実用上優れた効果を奏している。

１ 車両用交流発電機の回転子鉄心
２ ボス部
３ ディスク部
４ 爪部
５ 軸孔
６ ビレット
７ 一次仮成形品
８ 二次仮成形品
９ 三次仮成形品
１０ 四次仮成形品
１１ マンドレル

Claims (6)

1. ビレットの端面の一方をダイで受け、他方をパンチで押圧し、軸孔予定の円筒領域の一部を形成し、同時に中央にボス部およびディスク部を成形するとともに、前記ボス部外周に放射状に配列される爪部の予備形状を成形する仮成形工程と、
   前記ボス部側の端面をダイで受け、前記ボス部側端面または前記ディスク部側端面のいずれかから孔抜きパンチで押圧し、仮成形工程で未加工の前記円筒領域の残部を被孔し、軸孔を形成する孔抜き工程と、
   前記ボス部端面と、前記ディスク部の外側面と連続する前記爪部の外側面を軸方向に押圧することで、前記爪部の外側面が軸方向に平行となるよう前記爪部を折り曲げて、外径方向に伸びる爪基底部、該爪基底部から軸方向に折り曲げられた爪折り曲げ部、および該爪折り曲げ部から軸方向に伸びる爪先端部を形成し、
   更に前記爪先端部はその先端の径方向厚みが基底部側に対しテーパー状に薄くなるように成形するしごき工程と、
   前記ボス部の端面、前記爪先端部、前記爪折り曲げ部、および前記爪基底部の中心側面を軸方向に沿って押圧し、前記ボス部の厚みと平面度を所定の寸法に成形するサイジング工程と、
   を含む回転電機の回転子鉄心の製造方法において、
   前記孔抜き工程と前記しごき工程は同時に行わず、前記孔抜き工程の後、前記孔抜きパンチを解除し、少なくとも前記孔抜きパンチより前記軸孔との締め代が少ないマンドレルを前記軸孔に挿通するとともに、前記ボス部外周を外周拘束部材により円筒に拘束して、前記しごき工程の各加工を行い、
   前記マンドレルの挿通方向は、前記ボス部の端面側から前記ディスク部側へ向かう方向であり、
   前記外周拘束部材と前記マンドレルを、軸方向において被加工材に対し同一側に配置することを特徴とする回転電機の回転子鉄心の製造方法。
2. 請求項１に記載の回転電機の回転子鉄心の製造方法において、
   前記しごき工程前に、前記軸孔と同一径をもつ前記マンドレルを前記軸孔に挿通させることを特徴とする回転電機の回転子鉄心の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の回転子鉄心の製造方法において、
   前記しごき工程において、前記ディスク部の外側表面を各加工による軸方向に働く力に対向するように押圧することを特徴とする回転電機の回転子鉄心の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の回転電機の回転子鉄心の製造方法において、
   前記孔抜き工程と、前記爪部外周のバリを打ち抜くフラッシュ孔抜き工程とを同時に行うことを特徴とする回転電機の回転子鉄心の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の回転電機の回転子鉄心の製造方法において、
   前記サイジング工程は、前記爪先端部の外側面を内径側へ押圧して矯正するとともに、前記爪先端部の面取り整形を行うことを特徴とする回転電機の回転子鉄心の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の回転電機の回転子鉄心の製造方法により製造される回転電機の回転子鉄心であって、
   前記軸孔の内周表面の材料硬度は、回転子鉄心の内部の材料硬度より高いことを特徴とする回転電機の回転子鉄心。

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