JP5434451B2 - 金属用コイニング金型およびスクロール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、金属用コイニング金型及びコンプレッサーに関する。

本発明に先行する従来技術として、図８に示すようにロール１０２ａと１０２ｂを用いて金型１００を被加工物１０３に押し付けるコイニング加工が見られ、この装置に使用する金型１００は金属塊を切削等によって形成した大型のものが使用されている（例えば特許文献１）。

特開平０６−１９８３５１号公報

このようなコイニング加工では、図８に示すように加工物に比べ金型に十分な強度を持たせるために、大きく、厚い構成になっている。従って、金型作成に要する加工や熱処理に時間がかかり、金型が高価となり、更に、金型が大きいので、大きな生産設備を使用する必要があり、生産コストが高価になるという課題が有った。さらに、このような金型は冷間加工ではＳＫＤ１１、熱間加工ではＳＫＤ６１といったダイス鋼等を用いる事が多く、製作は硬くした後に、表面を加工して研磨し金型として完成させる工程を取ることが多い。そして、例えば０．０１〜０．０５ミリメートルといった微少な突起を多数加工するには、従来のダイス鋼を用いるものでは製作に時間がかかり、従って費用がかかり、高価な金型、ひいては高価な製品となってしまう、という課題があった。

本発明はこの様な問題点に鑑みてなされたもので、精度良く大量に製作する事ができ、かつ、安価に提供することのできるコイニング金型及びそれを用いて生産したコンプレッサーを提供するものである。

上記目的を達成するための本発明は、板金に０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を多数設け金属用コイニング金型としてあり、また、摺動面に、０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を設けた板金製のコイニング金型を押し付けて、直径が０．０２〜０．３ミリメートルで深さが０．００１〜０．０１５ミリメートルの窪みを０．１〜０．８のピッチで形成したコンプレッサーとしてある。

本発明は、板金に０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を形成したものであるから、従来の金属塊を加工して形成した金型に比べ金型の材料費が安価となり、安価に金型を供給する事が出来るとともに、当該コイニング金型で摺動面を形成した回転式コンプレッサーも安価に提供することができる。

（ａ）本発明の実子の形態１における金属用コイニング金型の側面図、（ｂ）同平面図 同コイニング金型の版を示す平面図 同金属用コイニング金型のエッチング後の断面形状を示す拡大断面図 同金属用コイニング金型のバレル後の拡大断面図 同コイニング金型を押しつけた鋳鉄製素材摺動面の窪み形状を示す拡大断面図 同コイニング金型を用いたプレス装置の側面図 同コイニング金型を用いて摺動面を形成したスクロールコンプレッサーの縦断面図 従来のコイニング金型とプレス装置を示す説明図

第１の発明は、プレス機に用いられる金型であって、板金に０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を多数設けたものとしてあり、コイニング金型の製作コストが安価となり、また、コイニング金型がうすいので、生産設備も小型にすることが出来、コイニング金型の寿命が短くても部品の製作コストは安価とする事ができる。

また、請求項２の発明では、エッチングで突起を形成した後、バレル加工で製作したものであり、安価な材料をエッチングで精度良く大量に、バレル加工で容易に滑らかな表面を得る事が出来るため、再現性が高く精度の良い安価な金属用コイニング金型を提供する事が出来る。

更に請求項３の発明では、シリコン、銅、チタンを含むステンレス鋼を冷間圧延後、時効処理を施し、Ｈｖ４５０以上としたうすい板の表面に０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を形成したことにより、安価で、寿命の長い金属用コイニング金型を提供する事が出来る。

また、請求項４の発明は、摺動面に、０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を設けた板金製のコイニング金型を押し付けて、直径が０．０２〜０．３ミリメートルで深さが０．００１〜０．０１５ミリメートルの窪みを０．１〜０．８のピッチで形成したコンプレッサーであり、摺動面での潤滑油の楔効果と接触面積低減効果により、摩擦係数を大幅に低減することができて、効率が高い回転式コンプレッサーを提供する事が出来る。さらに、多数の微小な窪み、すなわち、隣り合う窪みのピッチが狭いため、潤滑油に含まれるゴミの捕集が効果に行われる為、高い信頼性のコンプレッサーを提供する事ができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるコイニング金型の側面図及び平面図、図２は同コイニング金型のエッチングの版の形状を示す平面図、図３はエッチング後の金型の突起形状を示す拡大断面図、図４はバレル後の金型の突起形状を示す拡大断面図である。

図１において、３１は薄板、例えば０．２ミリメートルの板金から製作した金属用コイニング金型であり、これに設けてある突起４０は、直径が０．１ミリメートル、ピッチが０．２ミリメートルで形成されている。この突起４０は図２に示す円形４１の部分をレジスト膜でマスキングして残留させ、その他の部分をエッチングで０．０１〜０．０３ミリメートルハーフエッチングして製作したものである。また、外形や内径は板厚全体をエッチングで抜いた物である。上記コイニング金型の素材は、シリコンを１．５１％、銅を０．５５％、チタン０．３４％を含むステンレス鋼を用いており、１０％の圧延率で冷間圧延後、４８０℃で時効処理を行い、Ｈｖ５１０の硬さにしたものである。なお、エッチングのレジスト膜の付着前に、表面の酸化皮膜をダイヤモンドペーストなどで、削り取った方がきれいにエッチング加工する事ができる。また、本金型は、この説明に用いたシリコ
ンを１．５１％、銅を０．５５％、チタン０．３４％を含むステンレス鋼以外に、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどのステンレス鋼で製作しても良い。

これらの工程の後、前記エッチングを行うと、図３に示す様に概略円錐台の形の突起が薄板の上に形成され、その突起の側面４２は、非常に荒れた形状となっている。この側面が荒れたままの円錐台をプレス素材、例えば回転式コンプレッサーの摺動面（以下、本実施の形態ではこの回転式コンプレッサーの摺動面を例にして説明していく）に押し付けると、コイニング金型の荒れた側面に窪まされたコンプレッサー部品が弾性変形の戻り分だけ食い込んでしまい、コイニング金型を離す際に、硬いコイニング金型に品物の一部が引っ張られた状態となり、窪みの周りに突起が発生してしまう。完成した摺動面にコイニング金型を押し付けて、窪みを形成するので、窪みの周りに盛り上がりが出来てしまうと、摺動面積減少は達成するが、楔効果で油膜が出来易くなっている部分に盛り上がりが有ると、せっかく出来た油膜が切れてしまい、焼き付の原因になりかねない。

そこでこの実施の形態では、薄板に形成された突起４０の面の荒れを除去し、円錐台の頂面のエッジを丸めて球形に近くすべく、バレル加工を行っている。そのバレル加工後の形状を図４に示す。尚、突起の高さは、エッチングの時間を制御して行えば容易に狙う事が出来る。

本金属用コイニング金型は、エッチングの版のデータから製作するので、エッチングが出来る範囲で自由に形状を選ぶ事ができ、スラスト摺動面やラジアル摺動面あるいは往復摺動面など、さまざまな摺動面に対して最適な形状を選定する事が容易である。また、直径０．１ミリメートル、ピッチ０．２ミリメートルも、種々の範囲を選定することが可能である。

このようなコイニング金型で形成した摺動面は図５に示すようになる。本例では、最深部で約０．００２ミリメートルとなっており、また、その直径は０．０９ミリメートル程度である。さらにこの窪みは中心のピッチで約０．２ミリメートルで摺動面全体に成形されている。

次に上記コイニング金型を用いてのコイニング加工について説明する。図５は図１の金属用コイニング金型を押し付けて成形したくぼみの拡大断面図、図６は同コイニング金型を用いたプレス装置の側面図である。

図４の突起形状を持つコイニング金型を固定スクロールの摺動面に押し付けて窪みを成形する時にはコイニング金型３１を図６に示すプレス装置にセットし、一つの型につき複数回の押し込みと除荷を行って、窪みを成形する。図６において、３０は上パンチ、３１は本実施の形態のコイニング金型、３２はプレス素材、例えば回転式コンプレッサーの固定スクロール、３３は下ダイである。このような状態で上パンチ３０を下ダイ３３に向けて押し込むことにより固定スクロールの摺動面に微細な窪みを形成することができる。

窪みの深さはプレス機の荷重にほぼ比例するので、荷重で深さを制御することが出来る。また、上パンチ３０の押し付け早さは遅いほうが窪みの深さが均一になりやすい。押し付け早さとしては、本例では一分間に１ミリメートルで３回荷重と除荷を繰り返して成形した。また、コイニング金型の突起が小さいと、荷重を上げても窪みが形成されにくい場合が有るので、金属用コイニング金型の突起高さは窪みの深さの倍以上が望ましい。

更に、プレス装置の下ダイ３３の下方あるいは、下ダイ３３と固定スクロール３２の間あるいは、上パンチ３０の情報に緩衝部材、例えば新聞紙を１〜２枚程度挟むと、プレス機械の多少の上下の平行度の狂いを矯正してくれるので、均一な深さの窪みに近づける事
ができる。

固定スクロール３２とコイニング金型３１の位置決めは基準ピンなどを用いれば容易に窪みの位置を決める事が出来るため、数枚のコイニング金型で異なった形状などの窪みを成形するときでも設計意図どおりに窪みを成形する事が出来る。また、エッチングの一枚の版から、コイニング金型３１が製作されるため、その寸法精度は高く、常に安定した金型を更新する事が出来る。また、エッチングは大きな板から複数枚のコイニング金型を多数枚取りする事が出来るので、安価にコイニング金型を製作する事が出来る。また、バレル加工も、一回で多数のコイニング金型を加工する事が出来るので、非常に安価にコイニング金型を製作する事が出来る。

固定スクロール３２は鋳鉄で製作されているので、その硬さはせいぜい、Ｈｖ換算で２００程度であり、Ｈｖ５００程度のコイニング金型３１で十分に成形する事が出来、また、金型寿命が短くても、エッチングとバレル加工により、大量に均質なコイニング金型を製作する事が出来るので、摺動面に多数の微小な窪みを設けても、生産コストが上昇する額はわずかである。

図７は上記コイニング金型で形成した固定スクロールを用いた回転式コンプレッサーの一種であるスクロールコンプレッサーを示す縦断面図である。

図７において、鉄製の密閉容器１の内部全体は吐出管２に連通する高圧雰囲気となり、その中央部にモータ３、上部に圧縮部が配置され、モータ３の回転子３ａに固定されたクランクシャフト４の一端を支承する圧縮部の本体フレーム５が密閉容器１に固定されており、その本体フレーム５に固定スクロール６が取り付けられている。

クランクシャフト４に設けられた主軸方向の油穴７は、その一端が給油ポンプ装置８に通じ、他端が最終的に旋回スクロール９の旋回軸受１０に通じている。固定スクロール６と噛み合って圧縮空間１１を形成する旋回スクロール９は、渦巻き状の旋回スクロールラップ９ｂと旋回軸受１０とを直立させた支持円板９ａとからなり、固定スクロール６と本体フレーム５との間に配置されている。

固定スクロール６は、鏡板６ａと渦巻き状の固定スクロールラップ６ｂとからなり、固定スクロールラップ６ｂの中央部に吐出口１２、外周部に吸入室１３が配置されている。

クランクシャフト４の主軸部４ａから偏心してクランクシャフト４の上端部に配置された旋回軸部４ｂは、旋回スクロール９の旋回軸受１０と係合摺動し、クランクシャフト４の下端部に配置された副軸部４ｃは密閉容器１内に溶接や焼き嵌めして固定された副軸受１９により軸支され、主軸部４ａ、旋回軸部４ｂ、副軸部４ｃの三点で支持された構成をしている。旋回スクロール９の支持円板９ａと本体フレーム５に設けられた第１のスラスト軸受１５ａとの間は、油膜形成可能な微小隙間が設けられている。支持円板９ａには旋回軸受１０とほぼ同心の環状シール部材１６が遊合状態で装着されており、その環状シール部材１６はその内側の背面室１７と外側の背圧室１８とを仕切っている。

給油ポンプ装置８によって吸い上げられた潤滑油はクランクシャフト４の油穴７を通り旋回スクロール９の旋回軸受１０と旋回軸部１４との間に形成された軸方向の内部空間２０へ導かれ、一方は旋回スクロール９の支持円板９ａの背面に設けられた絞り部２１を経由して固定スクロール６と本体フレーム５とによって囲まれて形成される背圧室１８へと通じ、旋回スクロール９を固定スクロールラップ６ｂ外周部の第２のスラスト軸受１５ｂに押さえつける機能を持った背圧調整弁２２、オイル供給通路２２ａを通って吸入室１３へと導かれる。もう一方は旋回スクロール９の内部の通路２６を経由し、圧縮空間１１へ
と導かれ、旋回スクロールラップ９ｂと固定スクロール６の鏡板６ａとの摺動部にオイルが供給される。また、圧縮部に流れなかった残りのオイルは旋回軸受１０、背面室１７、主軸受１４を通り圧縮部外部へ排出される。

吐出口１２の出口側を開閉する逆止弁装置２３が固定スクロール６の鏡板６ｂの平面上に取り付けられており、その逆止弁装置２３は薄鋼板製のリード弁２３ａと弁押さえ２３ｂとからなる。

以上のように構成されたスクロールコンプレッサーは、旋回スクロールラップ９ｂと摺動する固定スクロール６の鏡板６ａ、つまり摺動部に微小な窪み２２を多数、つまり、最深部で約０．００２ミリメートル、直径０．０９ミリメートル程度、中心のピッチで約０．２ミリメートルの窪みを鏡板６ａの全面に配置した状態となっており、潤滑油の保持による起動時の潤滑油供給、運転時の楔効果による旋回スクロールの浮上、摺動面積の減少（本例では約１５％）による摩擦損失の低減、潤滑油内のゴミ補足による摩耗起点の回避といった効果が得られ、その結果、運転時の効率が最大で１％程度向上する事が確認された。

なお、本実施の形態では、スクロールコンプレッサーの固定スクロールと旋回スクロールの間のスラスト摺動面に多数の微少な窪みを設ける例を示したが、ラジアル摺動面や往復動摺動面に設けても良いし、さらに、ロータリーコンプレッサー、レシプロコンプレッサーのラジアル、スラスト両摺動面についても同様に適用しても良い。

以上詳述した如く、本発明によると、精度の安定したコイニング金型を安価に製作することが出来る。また、安価で性能が高く、信頼性の高い回転式コンプレッサーの提供ができる。

６ 固定スクロール
６ａ 鏡板
６ｂ 固定スクロールラップ
７ 油穴
９ 旋回スクロール
９ｂ 旋回スクロールラップ
３０ 上パンチ
３１ コイニング金型
３２ 固定スクロール
３３ 下ダイ
４０ コイニング金型の突起
４１ エッチング版の円形
４２ コイニング金型のエッチング後の突起の側面

Claims (3)

1. プレス機に用いられる金型であって、板金に０．０１〜０．０５ミリメートルの突起を多数設けた金属用コイニング金型において、
   前記突起は、エッチングで突起形状を形成した後、バレル加工を施して製作されていることを特徴とする金属用コイニング金型。
2. シリコン、銅、チタンを含むステンレス鋼を冷間圧延後、時効処理を施し、Ｈｖ４５０以上としたうすい板より製作したことを特徴とする請求項１に記載の金属用コイニング金型。
3. 旋回スクロールと固定スクロールとを備えたスクロール圧縮機であって、
   請求項１に記載の金属用コイニング金型を用いて、前記固定スクロールの鏡板表面に前記突起が形成されていることを特徴とするスクロール圧縮機。