JP5529730B2 - 金属粉末部品の公差改善 - Google Patents
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Description
この出願は、米国仮特許出願第６０／９４３，７３７号（出願日：２００７年６月１３日）に基づく優先権を伴う出願である。この米国仮特許出願の内容は、参考までに本明細書に含まれる。
本発明は、粉末金属（powder metal; PM）部品における寸法公差（dimensional tolerance）を改善すること、特に、弁座（valve seat）又は弁ガイド（valve guide）のような円筒状のＰＭ部品の外径（outer diameter; OD）を正確にサイジングすること（sizing）に関する。
弁座インサート（valve seat insert）は、通常アルミニウム製のシリンダヘッド内に圧入されて（締まりばめ）、弁の裏面（backside）上のシリンダヘッドから燃焼室を封鎖すると共に、そこに直接的に接触している弁シーティング（valve seating）による損傷からアルミニウム製のシリンダヘッドを保護する役割をする。この弁座は、高温において耐磨耗性及び耐腐食性を有しなければならない。また、この弁座は、弁から熱を奪って、シリンダヘッドによる（熱の）吸収を可能にするものである。前記ヘッドに圧入された（締まりばめ）弁ガイドは、弁軸（stem part）をガイドするものである。したがって、この弁ガイドは、耐摩耗性を有すると共に、前記軸からシリンダヘッドへ熱を伝導するものでなければならない。
こん弁座として鋳鉄、黄銅合金（brass alloy）、及び、焼結金属粉末が使われてきた。焼結金属粉末は、その優れた耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、及び、熱伝導性に基づいて、最も厳しい用途に適している。しかしながら、この部品は、適切なしまりばめ（interference fit）を得るために非常に厳格な公差で作られるので、ＯＤから材料を取り除いて、その部品を丸くし、かつ、より正確な直径のものにするために、機械加工が必要とされる。効率の良い機械加工を可能にするために、弁座又は弁ガイドの金属粉末合金は、耐摩耗性及び耐熱性を犠牲にして、工作機械による切削がされ易いように製造される。工作機械による切削ができるとしても、依然として、更なる製造プロセスおよびツーリングコストがかかる機械加工が必要とされる。
本発明は、正確なサイズ、及び、円形（roundness）を提供しつつも、比較的耐磨耗性及び耐熱性を有する金属粉末合金の使用を可能にする部品及び方法に関する。本発明において、圧縮の際に部品のＯＤ上にリブ(rib)を形成し、その部品を焼結し、その後、一定のサイズ及び形状にコイニング（「圧印加工」とも呼ぶ；coining）する。
好ましい具体例において、リブはスプライン（spline）のような軸方向のリブであり、かつ、前記部品の長さ（全長）だけあっても良く、或いは、その長さ（全長）に至らなくても良い。
リブが部品の最外直径(outermost diameter)上に設けられるか、又は、前記部品が単一のＯＤを有するものであれば、部品は、リブを永久的に変形して所望のサイズ及び円形の有効直径（リブのピークによって形成される。）を生じるダイを通るようになる。理想的に、前記有効直径を再びサイジングし（resize）、又は、形を作り直す（reshape）ための機械加工は不要である。
コイニングされたリブは、弁座とシリンダヘッド間のシーリングに影響を与えないように（即ち、燃焼室からの漏れ経路を提供しないように）十分短いものでなければならない。
また、このデザインは、シリンダヘッドにおけるアルミニウム合金材料の、リブ間の空間への側方流動（lateral flow）、及び、リブによるシリンダヘッドの変形を可能にすることで、生産ラインにおける圧入力（press-in force）による部品のしっかりとした固定を可能にする。
本発明の前述の目的及び利点は、次の発明の詳細な説明から明確になるだろう。この明細書において、符号は添付した図面（本発明の好ましい具体例を説明する。）に基づいて付されたものである。
図１は、シリンダヘッド１８のボア１６内に挿入された弁座１４（締まりばめ構造）を概略的に示す。弁２０は、弁座に接触した状態で配置されて、弁ヘッド２６の裏側（backside）上の通路２４から燃焼室２２を閉鎖する。弁軸（valve stem）２８は、通路２４（チューブ状の弁ガイドインサートを敷いたものであっても良い。）を通って延設されている。その弁軸は、シリンダヘッド１８内に圧入され得る。
図２は、典型的な弁座としての金属粉末弁座１４を示す。この金属粉末弁座は、焼結後、かつ、機械加工前に、公差範囲から外れ、かつ、少なくとも円形公差（round tolerance）範囲から外れた真ん丸ではないＯＤ１２を有する。シリンダヘッド内へのこれらの弁座のしまりばめ（即ち、圧入）に要求される厳格な公差は、それらをサイズ公差及び円形公差（範囲）以内のものにするための研削（grinding）又はその他の機械加工を必要とした。
典型的な弁座の微細構造が図３に示されている。この微細構造は、鉄キャリア相（ferrous carrier phase）（暗い部分）と、高合金硬質相（high alloy hard phase）（白い部分）とからなる。この材料は、弁座の形状における公差改善のための塑性変形を許さないものである。
図４によれば、本発明において、圧縮の際に、ＰＭリング３４のＯＤ３２上にリブ３０が形成される。これらのリブの形状は、図５に示したように、円形（rounded shape）であっても良く、図６に示したように、より狭く先のとがった形状のものであっても良い。より円形のリブ３０（図５）の高さＨ1は、０．１２７ｍｍ未満（＜０．００５インチ）であり、より先のとがったリブの高さＨ2は、若干長くても良い（例えば、０．１５２ｍｍ（＜０．００６インチ））。リブは、コイニングされるときにより変形しやすくなるように、あまり緻密な状態（7.4 g/cm3）でないほうが好ましい。コイニング後のコイニング面における密度は、リブ間の外径表面（outer diameter surface）３１の表面密度よりも高い。
リブ３０をサイジングすることによって、そのリブを塑性変形することによる機械加工を行わずに、ＯＤにおける変化（即ち、ＯＤ公差）、及び、ＯＤ円形における変化を減らすことができる。好ましくは、弁ガイド及び幾つかの弁座のような、概して連続的な壁（Straight wall）からなるリングに対し、コイニング工程はダイ内のボアを高速で通過することであり得る。ここで、ボアはテーパー状のものであるので、部品に正確なサイズ及び形状を有するＯＤを提供することができる。これらの部材は、ＯＤ上に０．０５ミクロン未満の公差を提供するための機械加工よりも低いコストの作業を可能にする。
図７及び８は、コイニングによるサイジング後のＯＤを示したものである。コイニングされたリブの高点（high point）又はランド（land）で構成された大径（major diameter）は、例えば、２８．２７８ｍｍであり、そして、前記ランド間の谷の底部によって構成された谷径（Root diameter）は、例えば、２８．０７０ｍｍである。図８において、ランドの幅Ｗは、各ランドの縁部（edge）における半径Ｒ1（０．２５ｍｍ）及び各谷の縁部における半径Ｒ2（０．３８ｍｍ）を有する頂上（top）において０．５１ｍｍであり得る。この角度αは、例えば、１２０°であり得る。コイニングの前に、大径は、例えば、28.278+0.05mm/-0.00mm（又は+0.075mm/-0.00mm）であり得る。コイニングの間に、リブは、その変化に起因して、必要な程度だけ平たくなり得る。リブ全てが平たくならなくても良い。なぜならば、寸法におけるわずかな変化はあり得るからである。
本発明の方法は、加工硬化（work hardening）しやすい弁座材料のように、連続的な壁のサイジング（straight wall sizing）するのにあまりにも硬質の材料に対して行うことができる。多孔性（posority）は、一部の材料の塑性変形（ＯＤ公差改善をもたらすための手段を提供する。）に伴って崩れ得る。低強度又は高延性（ductility）材料に圧入されると、材料は、凹部（recession）へ変形し（即ち、ＯＤサイズにおける相違）、ＯＤ内に依然として残存し、ロッキング（locking）及び耐圧性（pressure tightness）を提供する。これは、漏れの恐れのある弁座において特に重要である。弁トレインアセンブリ（valve train assembly）における最も重要なシーリング面は、弁が閉じられたときの、弁の面と、シリンダヘッドにおけるシートとの間である。これらの面における漏れは、エンジン圧縮（engine compression）、及び、パワーを減らすだけでなく、弁の燃焼（valve burning）をも引き起し得る。ＩＤ面の加工硬化がなければ、機械加工性は損傷されない。スプライン（spline）の数及び半径方向の位置（配置）は、圧入力及び／又はシーリング要求条件に基づいて異なり得る。これらは、概して１０〜７２個のスプライン（これらのスプラインは、概してＯＤの周りに等間隔に配されている。）を有している。
また、本発明は、表面積接触（surface area contact）の減少に基づいて全体的な圧入力（pres fit force）を減少させるか、又は、一定の力(set force)における圧入に対するより大きい公差を可能にする。
本発明は、図９（弁座５０）に示したように、段付き外径（stepped outer diameter）を有する弁座に適用され得る。リブ５２は、全面（full height）ではなく、その部品のより小さい外径上に設けられている。これらのリブをサイジングするために、その部品は、ダイへ挿入されて、反対方向に引き抜かれる（withdraw）。より小さい外径を有する端部５４（リブが配されていないもの）は、リブの端部から弁座５２の端部に向かってその直径が徐々に細くなり（taper down）、それにより、リブをコイニングするとき、及び、シリンダヘッド内に弁座を挿入するとき、導入部（lead-in）を提供する。導入部テーパー（lead-in taper）は、図４の弁座上に提供され得る。
以上、本発明の好ましい具体例について詳細に説明した。提示された具体例に対する様々な変形及び変化は、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明は、前述した具体例に制限されるものではない。
Claims (13)
- ２つの部品間の締まりばめの際に、１つの部品のボア内に挿入される外表面を有する金
属粉末部品であって、
前記金属粉末部品が、弁座であり、
前記金属粉末部品が、前記部品の圧縮のときに形成される前記金属粉末部品の外表面上
に形成され、かつ、前記金属粉末部品と共に焼結されるリブを有し、そして、
前記リブが、所定のサイズ及び形状へのコイニングによって、前記金属粉末部品の前記リブ間の表面よりも大きい密度を有するように圧縮されて、前記リブの高点をつなぐことによって形成される円形を提供することを特徴とする金属粉末部品。 - 前記リブが、前記金属粉末部品の長手方向の軸方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末部品。
- 前記リブが、前記金属粉末部品の全長に亘って延設されていることを特徴とする請求項２に記載の金属粉末部品。
- 前記リブが、前記金属粉末部品の全長より短い長さだけ延設されていることを特徴とする請求項２に記載の金属粉末部品。
- 前記金属粉末部品が、単一の外径を有することを特徴とする請求項１に記載の金属粉末部品。
- 前記金属粉末部品が、２以上の異なる外径を有する段差付き金属粉末部品として形成され、そして、前記リブが、前記２以上の異なる外径のうち1以上の外径を形成する外表面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末部品。
- ２つの部品間の締まりばめの際に、１つの部品のボア内に挿入される外表面を有する金属粉末部品の製造方法であって、
前記金属粉末部品の圧縮の際に、前記金属粉末部品の外表面上にリブを形成するステップと、
前記金属粉末部品を焼結するステップと、
所定のサイズ及び形状へのコイニングによって、前記リブを塑性変形して、前記リブの高点に
よって形成される円形を提供するステップと、
を含み、そして、
前記金属粉末部品が、弁座である
ことを特徴とする製造方法。 - 前記焼結させた金属粉末部品を、前記リブのうち少なくとも一部を干渉するダイ内のボアを通過させることによって、前記リブを変形することを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
- 前記リブが、前記金属粉末部品の長手方向の軸方向に平行に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
- 前記リブが、前記金属粉末部品の全長に亘って延設されていることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
- 前記リブが、前記金属粉末部品の全長より短い長さだけ延設されていることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
- 前記金属粉末部品が、単一の外径を有することを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
- 前記金属粉末部品が、２以上の異なる外径を有する段差付き金属粉末部品として形成され、そして、前記リブが、前記２以上の異なる外径のうち1以上の外径を形成する外表面上に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
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