JP5591136B2 - 異形金属リングの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属リングを製造する方法に関する。

この種の異形金属リングの代表的なものとして、従来、可変ノズルベーン付きターボチャージャに用いられている、ノズルベーン回動用のユニゾンリングが知られている。
例えば下記特許文献１，特許文献２，特許文献３にこのユニゾンリングを含むノズルベーン装置が開示されている。

ターボチャージャでは、エンジンの排気によりタービンホイールを回転させることで、共通のシャフトにて一体に繋がったコンプレッサホイールを回転させ、そしてコンプレッサホイールの回転により空気を圧縮して、エンジンに吸入空気として供給する。

可変ノズルベーンは、タービンハウジングにおける上記タービンホイールへの排気の供給口に配置され、羽根の向きを変えることでタービンホイールに向けての排気の流路面積を変化させ、エンジンの回転数に応じてタービンホイールへの排気の供給量を調節する。

ユニゾンリングは、駆動アームによる駆動にて回転させられ、上記のノズルベーンを共に回動、即ち開閉動作させるリング部材である。
図１３はその具体例を示している。
図に示すユニゾンリング１０の場合、外周形状が、周方向に沿って凸形状部１２と凹形状部１４とを複数有する凹凸形状をなしている。
また内周形状が、周方向に沿って凸形状部１２の内側に位置する凹形状部１６を複数有する凹凸形状をなしている。

内周側には、更に、周方向所定個所において径方向内方に突出する凸形状部１８が設けられており、そしてこの凸形状部１８と同一の周方向位置において、外周側には凹形状部１４とは異なった形状の凹形状部２０が設けられている。
ここで内周側の凹形状部１６は、ノズルベーンにおける各羽根との係合用の部分であり、また凸形状部１８は、駆動アームとの連結用の部分である。

駆動アームにてユニゾンリング１０が中心周りに回転すると、凹形状部１６にてこれと係合状態にあるノズルベーンの各羽根が軸周りに回転し、排気流路の開度を増減変化させる。

このユニゾンリング１０は、例えば外径がφ１３３ｍｍ程度，内径がφ１０８ｍｍ程度，厚みｔが９ｍｍ程度のもので、従来にあっては、これを次にようにして製造していた。
即ち、図１４に示しているように先ずシート状の金属板材２００に対してプレス打抜加工を施し、外周形状が所望形状をなす中間リング品１０Ａとなし、次に内周面に対し切削加工（内径加工）を施して凹形状部１６を形成し、ユニゾンリング１０となしていた。
但し厳密にはその後において熱処理等を施して最終製品とする。

しかしながらこの製造方法の場合、プレス打抜加工の際、材料の多くの部分が打抜屑となって、打抜歩留りが１８％と低く、またこれに続く内径加工の加工歩留りも６９％程度で、全体の歩留りが１２％程度と低く、このためユニゾンリングの製造コストが高くなる問題が生じていた。
この製造方法ではまた、ユニゾンリング１０の１つ１つをプレス打抜加工にて得ることとなるため、製造の工数も多く、このこともまたユニゾンリングの製造コストを高める要因となっていた。

以上ユニゾンリングを代表例として説明したが、同様の問題は歯車その他の異形金属リング、即ち外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属リングを製造するに際して同様に生じる問題である。

特開２００２−４７９４１号公報 特開２００５−２０７３７３号公報 実開平３−９２５０２号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、ユニゾンリングその他の異形金属リングを安価に生産性高く製造することのできる異形金属リングの製造方法を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１は、外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属リングを製造する方法であって、金属の棒材から得た押出用素材に、２段階の押出加工を施し、第１段目では後方押出加工を行い、その後第２段目の前方押出加工を行って、外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属パイプを得、しかる後に該異形金属パイプを軸直角方向の切断面で所定幅に切断することによって前記異形金属リングを得ることを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記異形金属リングが、可変ノズルベーン付きターボチャージャにおけるノズルベーン回動用のユニゾンリングであることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、前記第１段目において行う後方押出加工において、前記押出用素材の内周側に凸形状部を形成し、該内周側の凸形状部が位置している部分の外周側に、減面率調整用の凸形状部を形成し、前記第２段目において行う前方押出加工において、該押出用素材の外周側に形成した減面率調整用の凸形状部を圧縮により消失させることを特徴とする。

請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、前記第１段目において行う後方押出加工において、前記押出用素材を底部付きの円筒カップ形状の成形品とし、該成形品に対して前記第２段目の前方押出加工を行うことを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、金属の棒材から得た押出用素材に押出加工を施して、外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属パイプを得た後、その異形金属パイプを軸直角方向の切断面で所定幅に切断することで、異形金属リングを得るようになしたものである。

かかる本発明の製造方法によれば、従来の製造方法に比べて歩留りを大幅に高めることができ、また所要工数も少なくし得て、異形金属リング製造のためのコストを大きく削減することができる。

尚本発明において、上記棒材としては断面丸形状のもの且つ中実構造のものを用いることが望ましい。
また押出加工を２段階に分けて行い、そして第１段目では後方押出加工を行い、その後前方押出加工を行って異形金属パイプを得るようになすことができる。

また異形金属リングが内周形状においても周方向に凹凸形状をなしている場合には、押出加工時にその内周の凹凸加工も同時に行うことも可能であるが、押出加工では内周の凹凸形状は加工せず、異形金属パイプを軸直角方向の切断面で所定幅に切断して得たリングを中間製品として、その中間製品に対し、更に機械加工によって内周側の加工を行い、以て内周側を凹凸形状とするようになしても良い。

本発明は、外周形状が周方向に凹凸形状をなす様々な異形金属リングを製造するに際して適用することが可能であるが、特に、可変ノズルベーン付きターボチャージャにおけるノズルベーン回動用のユニゾンリングの製造に適用して好適である（請求項２）。

本発明はまた、第１段目において行う後方押出加工において、押出用素材の内周側に凸形状部を形成し、内周側の凸形状部が位置している部分の外周側に、減面率調整用の凸形状部を形成し、第２段目において行う前方押出加工において、押出用素材の外周側に形成した減面率調整用の凸形状部を圧縮により消失させるようになすことができる（請求項３）。

本発明はまた、第１段目において行う後方押出加工において、押出用素材を底部付きの円筒カップ形状の成形品とし、その成形品に対して第２段目の前方押出加工を行うことができる（請求項４）。

本発明の適用対象のユニゾンリングの一例を示した図である。 本発明の製造方法において中間成形品として得られる異形金属パイプの図である。 図２の異形金属パイプの横断面を拡大して示した図である。 図１のユニゾンリングを製造する本実施形態の製造方法の各工程を示した図である。 同実施形態における後方押出加工で使用する型の構成説明図である。 同実施形態における後方押出加工の作用説明図である。 同実施形態における後方押出加工にて得られる成形品の図である。 本実施形態における前方押出加工前後の成形品の形状変化を示した図である。 同実施形態における前方押出加工で使用する型の構成説明図である。 同実施形態における前方押出加工の作用説明図である。 図９の型の要部を示した図である。 図２の成形品のフランジ部を除去した成形品の図である。 従来のユニゾンリングの一例を示した図である。 従来のユニゾンリングの製造方法を示した図である。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図１はユニゾンリング１０を表しており、図示のようにこのユニゾンリング１０は、円形リング体の外周面と内周面とに、周方向に沿って凹凸を付けた形態の異形リング形状をなしている。
詳しくは、このユニゾンリング１０は外周形状が、略台形状の凸形状部１２を２４°ごとの一定間隔で複数（ここでは１５個）有するとともに、それら凸形状部１２と１２との間に略逆台形状の凹形状部１４を有する形状をなしており、また内周形状が、凸形状部１２の位置においてＵ字状の凹形状部１６を複数（ここでは１５個）有する形状をなしている。

但し外周面の図１（Ａ）中上端の位置には、略逆台形状の凹形状部１４とは形状の異なった、Ｕ字状の凹形状部２０が設けられている。
また内周面の図１（Ａ）中上端の位置には、凹形状部２０の位置において下向きに即ち径方向内方に突出する、凸形状部１８が設けられている。
ここで凸形状部１８は略Ｕ字状をなしている。
本実施形態において、このユニゾンリング１０は、図２及び図３に示す異形金属パイプ３２を軸直角方向に切断した後、内径加工（及び凹形状部２０Ａの加工を含む外径加工）を施すことによって得られる。

尚異形金属パイプ３２は、軸方向一端に径方向外向きに張り出したフランジ部３４を有しているが、実際には異形金属パイプ３２に対しフランジ部３４を除去する加工を行った後に、これを軸直角方向に切断し、その後内径側の凹形状部１６の加工と内周面全体の切削仕上げ加工を含む内径加工、及び外周面全体の切削仕上げ加工を含む外径加工を行うことでユニゾンリング１０が得られる。

この異形金属パイプ３２の横断面形状の寸法、詳しくは凸形状部１２から１２までの寸法ａ＝φ１３３ｍｍ、凹形状部１４から１４までの寸法ｂ＝φ１２２ｍｍ，内形ｃ＝１０８．１ｍｍである。
また中心Ｏから凸形状部１８までの寸法ｄ＝４７．９ｍｍであり、中心Ｏから凹形状部２０までの寸法ｅ＝６１．７ｍｍである。

本実施形態において、ユニゾンリング１０は次のようにしてこれを製造する。
先ず、図４に示しているように金属（ここではオーステナイトステンレス鋼であるJIS SUS310S）の断面円形の長尺材３６に対して切断具３８により軸直角方向に切断加工を行い、所定サイズの中実の丸棒４０を、第１段目の前工程の後方押出加工の押出用素材として用意する。
ここでは丸棒４０のサイズは外径φ１６０ｍｍ×高さ１２５ｍｍＬである。

以上のようにして丸棒４０を得たら、次に押出加工を行う。
ここでは押出加工として先ず後方押出加工を行い、しかる後前方押出加工を行う。

図７は後方押出しにて得られる成形品５０の形状を、また図８は同じ成形品５０の要部を後の前方押出しによる成形品（具体的には図２の異形金属パイプ３２）の要部形状と比較して示している。
図において、２０４は後方押出加工による成形品５０の外形線を表しており、図示のように後方押出しによる成形品５０は、図２の異形金属パイプ３２、つまりユニゾンリング１０における内周側の凸形状部１８を予め備えている。

また周方向においてこの凸形状部１８が位置している部分の外周側に、減面率調節用の凸形状部５６が成形されている。
ここで減面率調節用の外周側の凸形状部５６は、全体として略台形状をなしており、内周側の凸形状部１８を含む分画域Ａ-ｎ，Ａ-１にまたがって、即ち分画線Ｂ-ｎからＢ-１にかけて形成されている。

外周側の凸形状部５６は、後述の前方押出成形の際に減面率を調節するために設けられているもので、ここでは分画域Ａ-１における面積Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ１ｃ，Ｓ１ｄを加えた全体の面積が、後の前方押出加工によって面積Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに減面されたときの減面率が、隣接する分画域Ａ-２における面積Ｓ２ｂ，Ｓ２ｃを加えた合計の面積が前方押出加工によってＳ２ｂに減面されたときの減面率と等しくなるように、外周側の凸形状部５６の形状が定められている。

ここでは分画域Ａ-２における減面率６６％に対し、分画域Ａ-１における減面率が６６％となるように、凸形状部５６の形状が定められている。
尚、分画域Ａ-２，Ａ-３・・・Ａ-(ｎ-１)までの各分画域における減面率も全て６６％で同等である。
分画域Ａ-ｎにおける減面率は、隣接する分画域Ａ-１における減面率と同じ６６％である。
尚、外周側の凸形状部５６はあくまで前方押出加工の際の減面率調節用のものであり、従ってこの凸形状部５６は、後続の前方押出成形により圧縮され消失する。

図５，図６は、後方押出加工の方法を具体的に示している。
図５において、４２はポンチ，４６はダイスで、５８は押出成形された成形品５０（図７参照）を突き出すエジェクタである。
尚成形品５０は、次の２段目の前方押出加工の押出用素材となる。
ポンチ４２には、図２の異形金属パイプ３２、つまり図１のユニゾンリング１０の凸形状部１８を成形するための、凸形状部１８に対応した凹型部４４が備えられている。
更にダイス４６には、成形品５０に対して図７（Ａ）の凸形状部５６を付与するための凹型部６０が備えられている。

この後方押出加工では、図６（Ａ）に示しているようにポンチ４２を図中上方に後退させた状態で、ダイス４６の内部に上記の丸棒４０をセットし、続いてポンチ４２を図中下方に押し込んで丸棒４０を押圧する。

するとポンチ４２にて押圧された丸棒４０は、図６（Ｂ）に示しているように塑性変形を起して、ポンチ４２の外周面とダイス４６の内周面とに接触しながら、それらポンチ４２とダイス４６との間の環状空間４８内を上向きに（後方に）這い上がり、底部５２付きの円筒カップ状の成形品５０に成形される。

以上のようにして成形品５０を成形したら、ダイス４６内の成形品５０をエジェクタ５８によって突き上げ、ダイス４６から離脱させる。
ここにおいて図４及び図７の底部５２付きの円筒カップ状の成形品５０が得られる。

図７は、このようにして得られた有底の円筒カップ状の成形品５０の具体的形状を表したものである。
図において５２は底部を、５４は円筒状の周壁部を表している。
また１８は、周壁部５４の内周側に形成された凸形状部を示しており、更に５６は、凸形状部１８と同じ周方向位置において、周壁部５４の外周側に形成された凸形状部を表している。
尚この後方押出加工によって得た成形品５０は、例えば外径がφ１６０ｍｍ×内径φ１０８ｍｍで、高さが２１５ｍｍＬの寸法である。
尚、底部５２の厚みは１０ｍｍである。

以上の後方押出加工は、例えば次のような条件の下で行う。
即ち、丸棒４０の炉出し温度を１１７７〜１２３３℃とし、押出加工（鍛造）前の温度を１０８７〜１１１２℃とし、押出加工後の温度を９３６〜１０２５℃の温度とし、また鍛圧を約９５０ｔとして鍛造即ち後方押出加工を行う。

以上のような後方押出加工を終えたら、次に２段目の後工程の押出加工として前方押出加工を行う。
図９及び図１０はその具体的な内容を示している。
これらの図において、６２はポンチで、図１の凸形状部１８に対応した凹型部４４が備えられている。
６４はダイスで、後述のランド部６８よりも上側の内面６６には、図７の凸形状部５６に対応した形状の凹型部６０が備えられている。

ランド部６８は、押出用素材としての成形品５０を軸方向に通過させる際に、これを径方向内方に絞って、成形品（前方押出加工後の成形品である図２及び図４の異形金属パイプ３２）の外周面に凹凸形状を付与し成形する部分で、ダイス６４の内面６６から径方向内方に全周に亘り突出せしめられている。

その内周側の部分には、図１１に示すように、図１のユニゾンリング１０における凸形状部１２（厳密には図３の異形金属パイプ３２における対応する凸形状部１２）を成形するための、対応した形状の凹型部２８と、凸形状部１２と１２との間の凹形状部１４を成形するための（厳密には図３の異形金属パイプ３２における凹形状部１４を成形するための）、対応した形状の凸型部３０とを周方向に交互に備え、更に図１における凹形状部２０に対応した凸型部（図示省略）を備えている。
このランド部６８は、その上面詳しくは材料の流れの上流側の面がテーパ面２６とされている。

この２段目の後工程の押出加工である前方押出加工では、図９に示しているように、ポンチ６２をダイス６４から図中上向きに後退させた状態の下で、ダイス６４の内部に、１段目の後方押出加工にて成形したカップ状の成形品５０を、図１０（Ａ）に示すようにセットし、その状態でポンチ６２を図中下方に押し込んで行く。

するとダイス６４内にセットされていたカップ状の成形品５０が、ポンチ６２とともに図中下向きに押し出され、そしてランド部６８を通過することで、そこで成形品５０がポンチ６２とランド部６８との間でしごかれ、図２に示す横断面形状のフランジ部３４付きの異形金属パイプ３２が得られる（図４参照）。

図に示しているように、前方押出成形後の成形品としての異形金属パイプ３２では、図７，図８における成形品５０の外周側の凸形状部５６が消失している。
この凸形状部５６の消失は、成形品５０がランド部６８を通過することで生じる。
尚、フランジ部３４については、この後の工程の外削加工によって除去せしめられ、ここにおいて図２及び図４の異形金属パイプ３２が、図１２及び図４に示す異形金属パイプ３２となる。
この実施形態において、２段目の前方押出加工の条件は、例えば押出加工（鍛造）前温度を８９６〜１００８℃とし、押出加工後の温度を８３２〜９０５℃とし、鍛圧を約１４００ｔとして行うことができる。

この実施形態では、図１１（Ａ）に示しているようにランド部６８の上面のテーパ面２６には、ランド部６８の外周端から上記の凹型部２８の上端２８ａに到る溝６７が付加してあり、図１１（Ｂ）に示しているようにこの溝６７の付加によって、凹型部２８の上端２８ａの位置が、凸型部３０の上端３０ａと同じ軸方向の高さに位置させてある。
また溝６７は、その溝幅が外周端で最も広く、内周端に向うにつれて溝幅が漸次狭小化するものとなしてある。
ここで溝６７の溝幅Ｗは、互いに隣接する溝６７と６７との間の部分が、ランド部６８の外周端から同じ幅で凸型部３０の上端（内周端）３０ａに到るように寸法が定められている。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば本発明は上記のユニゾンリング以外の他の様々な異形金属リングを製造するに際して適用可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

１０ ユニゾンリング
３２ 異形金属パイプ
４０ 丸棒
５０ 成形品
６４ ダイス
６８ ランド部

Claims (4)

1. 外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属リングを製造する方法であって、
   金属の棒材から得た押出用素材に、２段階の押出加工を施し、第１段目では後方押出加工を行い、その後第２段目の前方押出加工を行って、外周形状が周方向に凹凸形状をなす異形金属パイプを得、しかる後に該異形金属パイプを軸直角方向の切断面で所定幅に切断することによって前記異形金属リングを得ることを特徴とする異形金属リングの製造方法。
2. 請求項１において、前記異形金属リングが、可変ノズルベーン付きターボチャージャにおけるノズルベーン回動用のユニゾンリングであることを特徴とする異形金属リングの製造方法。
3. 前記第１段目において行う後方押出加工において、前記押出用素材の内周側に凸形状部を形成し、該内周側の凸形状部が位置している部分の外周側に、減面率調整用の凸形状部を形成し、前記第２段目において行う前方押出加工において、該押出用素材の外周側に形成した減面率調整用の凸形状部を圧縮により消失させることを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の異形金属リングの製造方法。
4. 前記第１段目において行う後方押出加工において、前記押出用素材を底部付きの円筒カップ形状の成形品とし、該成形品に対して前記第２段目の前方押出加工を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の異形金属リングの製造方法。

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