JP5526010B2 - スパークプラグ用主体金具の製造方法およびスパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグ用主体金具の製造方法およびスパークプラグの製造方法に関する。

ガソリンエンジンなどの内燃機関の点火に使用されるスパークプラグは、一般に、中心電極と、中心電極の外側に設けられた絶縁体と、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、主体金具に取り付けられて中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極（「外側電極」とも呼ばれる）とを備えている。

スパークプラグの構成部品としての主体金具は、外周面の一部にネジが形成された略円筒形状の部分（以下、「小径筒状部」と呼ぶ）を有している。エンジンヘッドにスパークプラグを取り付ける際には、主体金具の小径筒状部に形成されたネジが、エンジンヘッドのネジ孔に螺合する。

主体金具の製造の際には、金属製の線材を所定の長さにせん断することにより出発材料が作成され、大径孔と小径孔とが連通された内部孔を有する金型が準備され、出発材料を大径孔側から内部孔内に挿入して小径孔側へと押し出す鍛造成形によって略円筒形状の素材径部が形成される。そして、形成された素材径部の先端から所定の範囲内の外周面を切削し、素材径部の切削範囲外の外周面にネジを形成することにより、小径筒状部が形成される（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００４−２４７２８２号公報 特開２００９−９５８５４号公報

上述した素材径部を形成するための鍛造成形の際には、鍛造成形前に出発材料の先端面の縁に位置していた部分（以下、「縁部」と呼ぶ）が、成形時の抵抗によって、先端から軸方向に沿って離れるように移動する場合がある。このような縁部の移動が発生すると、鍛造成形により形成された素材径部の側面における移動後の縁部に相当する位置に、シワやクラック（以下、まとめて「シワ等」と呼ぶ）が発生する。このようなシワ等が素材径部の側面におけるネジを形成すべき範囲内に発生すると、その後のネジ形成加工（転造加工）の際にネジヒゲの発生といった不具合が発生する場合があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、スパークプラグ用主体金具の製造の際のネジ形成に伴う不具合の発生を抑制することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］大径筒状部と前記大径筒状部より外径が小さく外周面の一部にネジが形成された小径筒状部とを含むスパークプラグ用主体金具の製造方法であって、
大径孔と、前記大径孔より内径が小さい小径孔と、により連通された内部孔を有する金型を準備する準備工程と、
線材を所定の長さにせん断することにより、前記金型に挿入される金属製の出発材料を得るせん断工程と、
前記出発材料を前記金型の前記大径孔側から前記内部孔に挿入して前記小径孔側へと押し出して鍛造成形を行うことにより、前記出発材料に前記小径孔の内径と略同一の外径を有する素材径部を形成する鍛造成形工程と、
前記素材径部の先端から所定の切削範囲内の外周面を切削する切削工程と、
前記素材径部の前記切削範囲外の外周面にネジを形成して前記小径筒状部を形成するネジ形成工程と、を備え、
前記せん断工程で生じる前記出発材料の先端面の縁部が前記鍛造成形後に前記切削範囲内に収まることを特徴とする、スパークプラグ用主体金具の製造方法。

この方法では、せん断工程で生じる出発材料の先端面の縁部が鍛造成形後に切削範囲内に収まるために、素材径部の側面において移動後の縁部に相当する位置がネジを形成すべき範囲内となることはなく、素材径部の外周面にネジを形成する際にネジヒゲの発生といった不具合が発生することがない。そのため、この方法では、スパークプラグ用主体金具の製造の際のネジ形成に伴う不具合の発生を抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載のスパークプラグ用主体金具の製造方法であって、
前記内部孔は、前記大径孔を有する大径孔部と、前記小径孔を有し前記大径孔部と中心軸を共有する小径孔部と、前記大径孔部と前記小径孔部とを連通し、前記大径孔部と接する側の端から前記小径孔部と接する側の端に向かって内径が徐々に小さくなる連通孔部と、により構成されており、
前記金型の前記中心軸を含む断面における前記連通孔部の内壁と前記中心軸とのなす角度が、前記せん断工程で生じる前記出発材料の先端面の縁部が前記鍛造成形後に前記切削範囲内に収まるような角度であることを特徴とする、スパークプラグ用主体金具の製造方法。

この方法では、金型の断面における連通孔部の内壁と中心軸とのなす角度が、せん断工程で生じる出発材料の先端面の縁部が鍛造成形後に切削範囲内に収まるような角度であるため、素材径部の側面において移動後の縁部に相当する位置がネジを形成すべき範囲内となることはなく、素材径部の外周面にネジを形成する際にネジヒゲの発生といった不具合が発生することがない。そのため、この方法では、スパークプラグ用主体金具の製造の際のネジ形成に伴う不具合の発生を抑制することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載のスパークプラグ用主体金具の製造方法であって、
前記所定の角度は２０度から２７度の範囲内であることを特徴とする、スパークプラグ用主体金具の製造方法。

この方法では、上記所定の角度を２７度より小さくすることにより、鍛造成形の際の連通孔部における加工速度を増加させて出発材料の先端面の縁部が鍛造成形後に切削範囲内に収まるようにすることができると共に、上記所定の角度を２０度より大きくすることにより、鍛造成形に伴うバリの発生を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、主体金具の製造方法および製造装置、スパークプラグの製造方法および製造装置、等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施例におけるスパークプラグ１００の構成を示す説明図である。 本実施例における主体金具５０の製造方法を示すフローチャートである。 本実施例における主体金具５０の製造方法を示す説明図である。 本実施例における主体金具５０の製造方法を示す説明図である。 本実施例における主体金具５０の製造方法を示す説明図である。 本実施例における主体金具５０の製造方法を示す説明図である。 本実施例における主体金具５０の製造方法を示す説明図である。 金型ＤＩａの絞り角度θａとシワ高さＨｗとの関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。 金型ＤＩａの絞り角度θａとバリの発生の有無との関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ−１．スパークプラグの構成：
Ａ−２．主体金具の製造方法：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ−１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の第１実施例におけるスパークプラグ１００の構成を示す説明図である。図１において、スパークプラグ１００の中心軸である軸線ＯＬの右側にはスパークプラグ１００の側面構成を示しており、軸線ＯＬの左側にはスパークプラグ１００の断面構成を示している。なお、以下では、図１における軸線ＯＬに沿った上側（接地電極３０が配置されている側）をスパークプラグ１００の先端側と呼び、下側（端子金具４０が配置されている側）を後端側と呼ぶものとする。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極（外側電極）３０と、端子金具４０と、主体金具５０と、を備えている。中心電極２０は絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０は主体金具５０によって保持される。接地電極３０は、主体金具５０の先端側に取り付けられ、端子金具４０は絶縁碍子１０の後端側に取り付けられている。

絶縁碍子１０は、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の絶縁体であり、例えばアルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成されている。絶縁碍子１０の軸方向に沿った中央付近には他の部分より外径の大きい中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも後端側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも先端側には、先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７のさらに先端側には、先端側胴部１７より外径が小さい脚長部１３が形成されている。

主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にわたる部位を包囲して保持する略円筒形状の金具であり、例えば低炭素鋼といった金属により形成されている。主体金具５０は、比較的小径の小径筒状部５８と、概ね小径筒状部５８より大径の大径筒状部５９と、を有している。小径筒状部５８は、略円筒形状のネジ部５２と、ネジ部５２の先端側に位置しネジ部５２より外径の小さい略円筒形状の先端円筒部５３と、を含んでいる。先端円筒部５３の先端側の端面である先端面５７は、中空円形状であり、先端面５７の中空部分から絶縁碍子１０の脚長部１３の先端が突出している。ネジ部５２の側面には、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付ける際にエンジンヘッドのネジ孔に螺合するネジ山が形成されている。大径筒状部５９は、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付ける際に工具が嵌合する工具係合部５１と、ネジ部５２の後端側に鍔状に形成されたシール部５４と、を含んでいる。シール部５４とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。工具係合部５１は、例えば六角形断面形状である。

中心電極２０は、有底筒状に形成された被覆材２１の内部に、被覆材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２５を埋設した略棒状形状の電極である。本実施例では、被覆材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金により形成されており、芯材２５は、銅または銅を主成分とする合金により形成されている。中心電極２０は、被覆材２１の先端側が絶縁碍子１０の脚長部１３の軸孔１２から突出した状態で絶縁碍子１０の軸孔１２内に収容されており、セラミック抵抗３およびシール体４を介して、絶縁碍子１０の後端に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。

接地電極３０は、屈曲した略棒状形状の電極である。本実施例では、接地電極３０も、中心電極２０と同様に、ニッケルを主成分とするニッケル合金により形成された被覆材と、銅または銅を主成分とする合金により形成された芯材と、の二層により構成されている。接地電極３０は、一方の端部が主体金具５０の先端面５７に抵抗溶接によって接合されており、他方の端部が中心電極２０の先端部と対向するように屈曲されている。接地電極３０の自由端と中心電極２０の先端との間には、火花ギャップが形成される。

Ａ−２．主体金具の製造方法：
図２は、本実施例における主体金具５０の製造方法を示すフローチャートである。また、図３ないし図７は、本実施例における主体金具５０の製造方法を示す説明図である。

主体金具５０の製造の際には、まず初めに出発材料Ｍが準備される（図２のステップＳ１１０）。図３（ａ）には出発材料Ｍの側面構成を示しており、図３（ｂ）には出発材料Ｍの平面構成を示している。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、出発材料Ｍは、直径Ｒｍの略円柱形状の金属材料である。この出発材料Ｍは、金属製の線材を所定の長さにせん断することにより得られる。そのため、出発材料Ｍの中心軸Ａｍに略直交する先端面ＥＳは、せん断面ＳＳと破断面ＦＳとを有している。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）には、出発材料Ｍの先端面ＥＳの縁（エッジ）に位置する部分である縁部ＥＰも示している。

次に、出発材料Ｍに対する金型を用いた鍛造成形が実行される（図２のステップＳ１２０）。本実施例では、鍛造成形として、互いに異なる金型を用いた複数回の（多段の）鍛造成形が実行される。図４（ａ）ないし図４（ｄ）には、各回の鍛造成形の概要を示している。なお、図４（ａ）ないし図４（ｄ）において、中心軸Ａｄの右側には、各回の鍛造成形前の状態を示しており、中心軸Ａｄの左側には、各回の鍛造成形後の状態を示している。

図４（ａ）に示す１回目の鍛造成形では、出発材料Ｍに対する金型ＤＩａを用いた鍛造成形により、成形体１０２ａが製造される。図５には、図４（ａ）に示す１回目の鍛造成形に用いられる金型ＤＩａの詳細構成を示している。図５に示すように、金型ＤＩａは、大径孔ＬＨと大径孔ＬＨより径の小さい小径孔ＳＨとを連通する内部孔ＩＨを有している。内部孔ＩＨは、大径孔ＬＨを有する大径孔部ＬＨＰと、小径孔ＳＨを有すると共に大径孔部ＬＨＰと中心軸Ａｄを共有する小径孔部ＳＨＰと、大径孔部ＬＨＰと小径孔部ＳＨＰとを連通する連通孔部ＣＨＰと、により構成されている。大径孔部ＬＨＰおよび小径孔部ＳＨＰは、略円柱形状であり、大径孔部ＬＨＰの内径ＲＨｌは、小径孔部ＳＨＰの内径ＲＨｓより大きい。また、連通孔部ＣＨＰの内径は、大径孔部ＬＨＰと接する側の端から小径孔部ＳＨＰと接する側の端に向かって、徐々に小さくなっている。なお、本明細書では、金型ＤＩａの内部孔ＩＨの中心軸Ａｄを含む断面における連通孔部ＣＨＰの内壁と中心軸Ａｄとのなす角度を、絞り角度θａと呼ぶものとする。

図４（ａ）に示す１回目の鍛造成形では、図５に示す金型ＤＩａを用いて、略円筒形状のスリーブ２２１ｋとスリーブ２２１ｋの中空内に挿入された略円柱形状のピン（「ポンチ」とも呼ばれる、以下同様）２２１ｂとが小径孔部ＳＨＰに設置された状態で、大径孔ＬＨから大径孔部ＬＨＰ内に挿入された出発材料Ｍが、略円柱形状のピン２２１ａによって小径孔部ＳＨＰ側に押し出される。この１回目の鍛造成形により製造される成形体１０２ａの構成を図６に示している。図４（ａ）および図６に示すように、１回目の鍛造成形により製造される成形体１０２ａは、金型ＤＩａの連通孔部ＣＨＰ（図５参照）を通過する際に形成される素材径部ＭＲを有する。素材径部ＭＲは、略円柱形状であり、その外径は、金型ＤＩａの小径孔部ＳＨＰの内径ＲＨｓと略同一である。また、この鍛造成形の際には、出発材料Ｍの先端面ＥＳの縁部ＥＰが、成形時の抵抗によって、先端から軸方向に沿って離れるように移動する場合がある（この場合には、出発材料Ｍにおける縁部ＥＰ以外の部分が、成形体１０２ａにおける先端面の縁を構成することとなる）。このような移動は、特に、先端面ＥＳの破断面ＦＳ側の縁部ＥＰで発生しやすい。このような縁部ＥＰの移動が発生すると、鍛造成形により形成された素材径部ＭＲの側面における移動後の縁部に相当する位置（以下、「縁部移動位置Ｐ１」と呼ぶ）に、シワやクラック（シワ等）が発生する。

その後、２回目以降の鍛造成形が行われる。図４（ｂ）に示す２回目の鍛造成形では、金型ＤＩｂの内部孔にスリーブ２２２ｋおよびピン２２２ｂが設置された状態で、１回目の鍛造成形により製造された成形体１０２ａが内部孔に挿入されてピン２２２ａにより成形され、成形体１０２ｂが製造される。２回目の鍛造成形では、主に、主体金具５０の大径筒状部５９（図１参照）の内部孔およびシール部５４が形成される。図４（ｃ）に示す３回目の鍛造成形では、金型ＤＩｃの内部孔にスリーブ２２３ｋおよびピン２２３ｂが設置された状態で、２回目の鍛造成形により製造された成形体１０２ｂが内部孔に挿入されてピン２２３ａにより成形され、成形体１０２ｃが製造される。３回目の鍛造成形では、主に、主体金具５０の小径筒状部５８の内部孔が形成される。図４（ｄ）に示す４回目の鍛造成形では、金型ＤＩｄの内部孔にスリーブ２２４ｋが設置された状態で、３回目の鍛造成形により製造された成形体１０２ｃが内部孔に挿入されてピン２２４ａおよび外側型２２４ｃにより成形され、成形体１０２ｄが製造される。４回目の鍛造成形では、主に、主体金具５０の工具係合部５１が形成される。その後、成形体１０２ｄにおける先端側の内部孔と後端側の内部孔との間にある壁体１２４ｄが図示しない打ち抜きピンによって打ち抜かれ、両内部孔が連通する。

鍛造成形が完了すると、次に、鍛造成形により製造された成形体１０２ｄ（図４（ｄ）参照）に対する切削加工が行われる（図２のステップＳ１３０）。切削加工の際には、成形体１０２ｄにおける素材径部ＭＲの先端から所定の切削範囲ＣＰ内の外周面が切削され、先端円筒部５３を有する成形体１０２ｅが製造される。このとき、素材径部ＭＲにおける切削範囲ＣＰ以外の部分に対する切削は行われない。図７には、切削加工により製造される成形体１０２ｅの構成を示している。なお、切削加工の際には、成形体１０２ｄの大径筒状部５９に対応する部分（例えば工具係合部５１の周辺部分）の切削も行われる。

次に、成形体１０２ｅの素材径部ＭＲにおける切削範囲ＣＰ外の外周面にネジを形成する加工（転造加工）が実行される（図２のステップＳ１４０）。これにより、ネジ部５２を有する小径筒状部５８が形成される。

以上の工程により、主体金具５０が製造される。その後、製造された主体金具５０と他の構成部品とが組み立てられて、スパークプラグ１００（図１）が製造される。

ここで、本実施例の主体金具５０の製造は、出発材料Ｍの準備（図２のステップＳ１１０）におけるせん断によって生じる出発材料Ｍの先端面ＥＳの縁部ＥＰが、鍛造成形（同ステップＳ１２０）の際に先端から軸方向に沿って離れるように移動しても、移動後の縁部に相当する位置（縁部移動位置Ｐ１）が素材径部ＭＲの切削範囲ＣＰ内に収まるように実行される。そのため、その後の切削工程（同ステップＳ１３０）において、素材径部ＭＲの縁部移動位置Ｐ１は切削の対象となる。また、その後のネジ形成工程（同ステップＳ１４０）において、縁部ＥＰの移動を原因として、ネジヒゲの発生といった不具合が発生することがない。従って、本実施例の主体金具５０の製造方法によれば、主体金具５０の製造の際のネジ形成に伴う不具合の発生を抑制することができる。

本実施例では、縁部移動位置Ｐ１が素材径部ＭＲの切削範囲ＣＰ内に収まるように、１回目の鍛造成形に用いられる金型ＤＩａ（図５参照）の絞り角度θａが設定されている。図８は、金型ＤＩａの絞り角度θａとシワ高さＨｗとの関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。シワ高さＨｗは、素材径部ＭＲにおける先端面から縁部移動位置Ｐ１までの中心軸Ａｍに沿った距離である。図８に示すように、絞り角度θａが大きいほど、先端面ＥＳの縁部ＥＰの移動量が大きくなり、シワ高さＨｗが大きくなる。これは、絞り角度θａが大きいほど、金型ＤＩａの連通孔部ＣＨＰにおける加工速度が低下するためである。

本実施例では、素材径部ＭＲにおける切削範囲ＣＰを先端から２．８ｍｍの範囲としている。そのため、絞り角度θａが３０度より小さければ、縁部移動位置Ｐ１が切削範囲ＣＰ内に収まる。反対に、絞り角度θａが４０度より大きければ、縁部移動位置Ｐ１が切削範囲ＣＰ外となるため、ネジ形成に伴う不具合が発生するおそれがある。

他方、絞り角度θａを小さくし過ぎると、鍛造成形後の成形体１０２ａの先端面の縁にバリが発生する場合がある。図９は、金型ＤＩａの絞り角度θａとバリの発生の有無との関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。図９に示すように、絞り角度θａが２０度より大きければ、バリの発生の可能性は極めて小さいが、絞り角度θａが１５度より小さいと、バリが発生するおそれがある。

従って、図８および図９に示す実験結果によれば、絞り角度θａが２０度から３０度の範囲内であれば、縁部移動位置Ｐ１が切削範囲ＣＰ内に収まってネジ形成に伴う不具合の発生を抑制することができると共に、バリの発生も抑制することができる。なお、ネジ形成に伴う不具合の発生防止の可能性を高める観点から、絞り角度θａは２０度から２７度の範囲内であることがより好ましく、２０度から２５度の範囲内であることがさらに好ましい。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施例におけるスパークプラグ１００およびその構成部品としての主体金具５０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。

また、上記実施例では、鍛造成形工程（図２のステップＳ１２０）が４回の鍛造成形により構成されるとしているが、鍛造成形工程において実施される鍛造成形の回数（段数）は４回に限られず、任意の回数に変形可能である。

また、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。

３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…被覆材
２５…芯材
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ネジ部
５３…先端円筒部
５４…シール部
５７…先端面
５８…小径筒状部
５９…大径筒状部
１００…スパークプラグ
１０２…成形体
１２４…壁体

Claims (4)

1. 大径筒状部と前記大径筒状部より外径が小さく外周面の一部にネジが形成された小径筒状部とを含むスパークプラグ用主体金具の製造方法であって、
   大径孔と、前記大径孔より内径が小さい小径孔と、により連通された内部孔を有する金型を準備する準備工程と、
   線材を所定の長さにせん断することにより、前記金型に挿入される金属製の出発材料を得るせん断工程と、
   前記出発材料を前記金型の前記大径孔側から前記内部孔に挿入して前記小径孔側へと押し出して鍛造成形を行うことにより、前記出発材料に前記小径孔の内径と略同一の外径を有する素材径部を形成する鍛造成形工程と、
   前記素材径部の先端から所定の切削範囲内の外周面を切削する切削工程と、
   前記素材径部の前記切削範囲外の外周面にネジを形成して前記小径筒状部を形成するネジ形成工程と、を備え、
   前記せん断工程で生じる前記出発材料の先端面の縁部が前記鍛造成形後に前記切削範囲内に収まることを特徴とする、スパークプラグ用主体金具の製造方法。
2. 請求項１に記載のスパークプラグ用主体金具の製造方法であって、
   前記内部孔は、前記大径孔を有する大径孔部と、前記小径孔を有し前記大径孔部と中心軸を共有する小径孔部と、前記大径孔部と前記小径孔部とを連通し、前記大径孔部と接する側の端から前記小径孔部と接する側の端に向かって内径が徐々に小さくなる連通孔部と、により構成されており、
   前記金型の前記中心軸を含む断面における前記連通孔部の内壁と前記中心軸とのなす角度が、前記せん断工程で生じる前記出発材料の先端面の縁部が前記鍛造成形後に前記切削範囲内に収まるような角度であることを特徴とする、スパークプラグ用主体金具の製造方法。
3. 請求項２に記載のスパークプラグ用主体金具の製造方法であって、
   前記連通孔部の内壁と前記中心軸とのなす角度は２０度から２７度の範囲内であることを特徴とする、スパークプラグ用主体金具の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のスパークプラグ用主体金具の製造方法を用いて前記主体金具を製造する工程を備える、スパークプラグの製造方法。

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