JP5785473B2

JP5785473B2 - ディスクブレーキ用軽量中空ピストンの製造方法

Info

Publication number: JP5785473B2
Application number: JP2011234341A
Authority: JP
Inventors: 戸田　正弘; 正弘戸田; 剛治高山; 濶芦川; 美佐緒伊藤
Original assignee: MATSUBISHI METAL INDUSTRY CO., LTD.; Nippon Steel Corp
Current assignee: MATSUBISHI METAL INDUSTRY CO., LTD.; Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: JP2013092196A

Description

本発明は、自動車等の制動に使用されるディスクブレーキ用部品のひとつであるカップ形状をした中空ピストンの外周部にダストブーツを挿入する溝を冷間鍛造とスピニングで成形することにより、座屈に対する危険断面部の強度を高めることで、ピストンの軽量化が可能となる中空ピストンとその製造方法に関する。

図１にディスクブレーキの模式図を示す。通常、ディスクブレーキは図１に示すように、カップ状の中空ピストン１（以下単にピストンともいう）はキャリパー２内に挿入される。キャリパー２内には、油圧シール３が設けられていて、油４を出し入れすることでピストン１は図１の水平方向に移動し、パッド５を通じて車軸に連結したディスク６を押し付けて車両を制動させる。キャリパー内に異物が混入しないようにダストブーツ７がピストンに設けられた溝部に挿入されている。また、ブレーキ自体の軽量化のためにピストンは中空のカップ形状となっている。この様なディスクブレーキ用のピストンはディスクへの押し付け力に耐え、かつ軽量であることが要望されている。

カップ形状であるピストンは従来から冷間鍛造によって製造されている。図２（ａ）〜（ｃ）にその成形方法を示すが、（ａ）に示す所定の長さの鋼棒８を素材として、（ｂ）に示すように冷間鍛造にてカップ状部品９にカップ成形し、（ｃ）に示すようにダストブーツが挿入される溝部１０は切削により成形される。ピストンは図１に示されるように油圧によりパッドを通じてディスクに押し付けられることから、ピストンの側壁部には座屈強度が必要である。座屈はピストン溝部の肉厚が最も薄い部分で発生し、一般にこの様な最弱部を危険断面部と称している。溝部の座屈強度はその肉厚と、鋼材の強度で決定される。溝部を切削のみにより成形する場合は、溝部の強度は側壁部のそれと同じである。一方、ピストンの側壁部の強度は加工前の鋼材強度に、塑性加工時に導入され加工ひずみによる加工硬化分がプラスされる。図２の工程では、溝部の危険断面部に導入される加工ひずみは、カップ状に冷間鍛造する際の加工ひずみのみである。従って、この従来方法にてピストンを軽量化するには、高強度な鋼材を用いて冷間鍛造成形することで、溝部の危険断面部の強度を確保することになる。強度の高い鋼材を用いた冷間鍛造成形では、冷間鍛造で用いられる金型への負荷が大きくなり、金型の早期破損や、金型寿命の低下を招くことになる。

そこで溝部を塑性加工で成形することで危険断面部の鋼材を加工硬化させることにより強度を確保する方法が考えられた。塑性加工のみで成形すると、溝部には連続した鍛流線が残留する。一方、溝部を切削で成形すると、カップ状に冷間鍛造した時の鍛流線が切断される。鍛造品は鍛流線が連続していることで強度が上昇する。従って、溝部を切削でなく塑性加工により成形することは連続した鍛流線を切断させないという観点からも溝部の高強度化に有効である。

溝部を塑性変形させて成形することが特許文献１に記載されている。特許文献１は鋼板から塑性加工のひとつであるスピニングにてカップ状部品を成形し、その後、溝部もスピニングで成形することが記載されている。カップ状部品をスピニングにて成形することで冷間鍛造に必要な焼鈍や潤滑処理を省略できることが記載されている。しかし、特許文献１にて成形されるピストン形状は従来の冷間鍛造と切削で成形される部品形状と同じである。まして、スピニングによる溝部の加工硬化に関する記載は無く、軽量化効果の記載もない。これはスピニング成形だけで導入される加工ひずみが小さいために加工硬化量が小さく、溝部の強度上昇が期待できないためと思われる。

また、スピニングにてピストンに類似したカップ状部品を鋼板から成形することが特許文献２に記載されているが、危険断面となる溝部の成形方法に関する記載は無い。

特許文献３には、中空円筒のピストンの一部をスピニングにより塑性加工することが記載されているが、特許文献１と同様、強度が必要となる溝部は切削により成形するものであり、加工硬化を利用することによる強度向上に関する記載は見られない。

特開２００２−７０９０２号公報特開２００１−２５８２５号公報特開２００２−５９３１８号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、冷間鍛造とスピニングを組み合わせてピストン溝部を加工硬化させることにより、側壁部の肉厚が薄くてもピストンの座屈強度を確保可能とした軽量ピストンおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した。その結果、溝部を有する中空ピストンを成形する際、鋼棒素材を冷間鍛造にてカップ状に成形した後、冷間鍛造にてカップ開口部に圧縮加工を加え製品の溝部に該当する位置の肉厚を厚くした後に、スピニングにて溝部を成形することで溝部に大きな加工ひずみを導入することができ、座屈強度向上とピストンの軽量化が同時に達成可能となることを見出して、本発明を完成した。
本発明の要旨は、以下の通りである。

（１）ディスクブレーキ用の、外周部に溝を有するカップ状ピストンの製造方法において、鋼棒を冷間鍛造にてカップ状部品に成形した後、さらに冷間鍛造にてカップ状部品開口部に圧縮加工を加え、溝部に該当する位置の肉厚を厚くし、さらにその後、肉厚を厚くした位置にスピニング成形を施して溝部を成形する際に、カップ状部品開口部の圧縮加工と溝部を成形するスピニング加工によって対数ひずみで０．１８〜１．１０の加工ひずみを溝部に加え、ピストンの外径をｄ１、内径をｄ２、側壁部の肉厚をｔ１とし、溝部の最小肉厚をｔ２、溝部の最大肉厚をｔ３とするとき、下記（１）式で示される定数ａが０．８５以下であって、ｔ２はｔ１の０．５〜１．０倍、ｔ３はｔ１の０．９倍以上、ｔ２部の断面中心硬さ（ＨＶ）がｔ１部の硬さ（ＨＶ）の１．１〜１．３倍とすることを特徴とする軽量ピストンの製造方法。
ａ＝（ｄ２／ｄ１） ^２・・・（１）

本発明によれば、溝部を有する中空ピストンを成形する際、カップ状に冷間鍛造成形した後、カップ開口部に圧縮加工を加えた後、溝部をスピニングにて成形することで側壁部の肉厚ｔ１，溝部の肉厚ｔ２，ｔ３が所定の範囲であり、かつ座屈時の危険断面となる溝部の最も肉厚が薄いｔ２部の硬さが所定の範囲にあることで、座屈強度向上とピストンの軽量化が同時に達成可能となる。

ディスクブレーキにおけるピストンの役割を示す模式図である。冷間鍛造と切削による従来からのピストン成形方法を（ａ）〜（ｃ）に示す図である。冷間鍛造とスピニングを組み合わせた本発明の成形方法を（ａ）〜（ｄ）に示す図である。ピストンの形状を示す図で、（ａ）は本発明で成形されたピストンの形状を示し、ｄ１はピストンの外径、ｄ２はピストンの内径、ｔ１は側壁部の肉厚を示す。ｔ２，ｔ３は溝部の形状で、ｔ２は溝部で最も肉厚が薄い部分、ｔ３は溝部で最も肉厚が厚い部分の肉厚を示す。（ｂ）は従来の方法で成形されたピストンの形状を示し、ｔ１は側壁部の肉厚を示し、ｔ４は溝部で最も肉厚が薄い部分の肉厚を示す図である。試作したピストンの座屈試験結果の一例を示す図である。

以下、本発明を適用した、溝部を有するカップ状ピストンとその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

図２（ａ）〜（ｃ）に示す様に、従来法では（ａ）に示すピストンと外径ｄ１がほぼ同じ鋼棒８を素材として用い、これを（ｂ）に示すようにカップ状部品９に冷間鍛造成形し、その後、（ｃ）に示すようにこのピストン外周部に溝部１０を切削により成形している。鋼材は塑性加工時の加工ひずみによって加工硬化するが、従来法で導入される加工ひずみはカップ状成形する時だけであり、その加工ひずみεはε＝−ｌｎ（１−（ｄ２／ｄ１）^２）で算出される。即ち、ｄ１とｄ２の比で算出され、ｄ２が大きくなると加工ひずみが大きくなる。図２の従来法では、強度が必要となる溝部の硬さはこの塑性加工時の加工ひずみのみによって決定される。

一方、本発明の製造工程が図３（ａ）〜（ｄ）に示される。（ａ）に示すピストンと外径ｄ１がほぼ同じ鋼棒８を素材として用い、これを（ｂ）に示すようにカップ状部品９に冷間鍛造成形した後、（ｃ）に示すようにカップ開口部をさらに冷間鍛造である圧縮加工することにより、カップ開口部付近の内径をφｄ２からφｄ３へ加工して、溝部成形部（肉厚部）１１を形成する。さらに、（ｄ）に示すように溝部１０をφｄ４へスピニングにより成形する。これらの加工によって導入される加工ひずみは、カップ成形時の加工ひずみε１=−ｌｎ（１−（ｄ２／ｄ１）^２）と、カップ開口部の圧縮加工時の加工ひずみε2=ｌｎ（ｄ３／ｄ２）^２と、スピニングによる加工時の加工ひずみε3=ｌｎ（ｄ4／ｄ3）^２との合計となり、従来法に比べてε2＋ε３分の加工ひずみがより多く導入され、その分鋼材の加工硬化によって溝部の強度が大きくなる。ピストンが座屈するのは溝部の肉厚が最も薄い部分であることから、溝部の強度を向上できる分、ｔ１の肉厚を薄くすることができ、軽量化が可能となる。

図４に示すように、ピストンの外径をｄ１、内径をｄ２、とするとき、下記（１）式で示すａは、カップ成形時の加工の厳しさを表すパラメーターである。
ａ＝（ｄ２／ｄ１）^２・・・（１）
ａは、０．５５〜０．８５であることが必要である。ｄ１はほぼ素材径でもあることからｔ１が小さくなる、即ち、ａが大きくなることは、ｔ１の肉厚が薄くなりカップ成形が厳しくなることである。ａが０．８５を超えるような加工では加工が厳しく、金型への負荷が大きくなる。そのため、ａの上限を０．８５とする。

ａの下限は、特に限定するものではないが、０．５５未満より小さいディスクブレーキ用のピストンは見られない。ａは、０．５５以上であることが好ましい。

溝部の肉厚が最も薄いｔ２部の断面中心硬さ（ＨＶ）がｔ１部のそれの１．１倍以上であることが必要である。ここで、断面中心硬さとは、カップ状ピストンの長さ方向の切断面（図４の切断面）において、ｔ２部における肉厚の中心に硬さ計で測定した硬さのことである。

溝部の硬さとしてｔ２部の断面中心硬さを規定するのは、溝部の最も肉厚が薄い部分、即ちｔ２部がピストンをディスクに押し付けたときの危険断面となるからである。従って、座屈強度を確保しつつピストンを軽量化させるにはこのｔ２部が加工硬化していることが必要であり、その加工硬化量がｔ１部より１．１倍以上必要である。一方、１．３倍超にするには、スピニング時にｔ２を薄くする必要がある。スピニング時に座屈が発生する可能性がでてくるため、上限を１．３倍とする。よって、１．１倍〜１．３倍の範囲とする。

硬さの測定箇所としては側壁部の長さ方向（図４の上下方向）の中央部が適切であり、ｔ１部、ｔ２部とも断面の厚さ方向の中心硬さを測定するものとする。硬さとしてはビッカース硬さ（ＨＶ）が適切である。

溝部の最小肉厚ｔ２，溝部の最大肉厚ｔ３と側壁部の肉厚ｔ１との関係において、溝部最小肉厚ｔ２を、ｔ１の０．５〜１．０倍としているが、ｔ２がｔ１の０．５倍より小さいとｔ２の肉厚が薄く座屈してしまうためである。一方ｔ２がｔ１の１．０倍より大きいと軽量化効果が少ないからである。

溝部最大肉厚ｔ３をｔ１の０．９倍以上としている。カップ上部の圧縮加工とスピニングによって溝部が成形されるが、ｔ３がｔ１の０．９倍以上となる様に加工されていないと十分な加工ひずみが付与されず、ピストンがディスクに押し付けられる際に座屈が発生してしまう。一方、上限は特に設けないが、１．８倍より厚くしても座屈強度の向上効果は小さい。

本発明は図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、鋼棒素材を冷間鍛造にてカップ状部品にカップ成形した後、冷間鍛造にてカップ状部品の開口部に圧縮加工を加え製品（ピストン）の溝部に該当する位置の肉厚を厚くする。その後、スピニングにて溝部を成形することで溝部に大きな加工ひずみを導入することができる。これにより、溝部の最も肉厚が薄い部分が加工硬化して座屈強度を確保することができ、また、薄肉化が可能となるので、軽量ピストンとすることが可能となる。

カップ状に成形する方法としては冷間鍛造の他に特許文献１、特許文献２の様にスピニングでも成形可能である。しかし、本発明ではカップ成形後にカップ開口部を冷間鍛造によって圧縮加工を行うことから、カップ成形とカップ開口部の圧縮加工を連続的に加工することを考慮し、本発明では冷間鍛造によってカップ状に成形している。従って、生産性の効率化を考えないのであればカップ成形をスピニングで行い、その後カップ開口部の圧縮加工を冷間鍛造にて行うことも可能である。

カップ成形後カップ開口を冷間鍛造にて圧縮加工を行うのは、溝部の最小肉厚ｔ２を確保するためと、溝部に加工ひずみを導入するためである。圧縮加工を加えず、カップ成形後スピニングのみで溝部を成形しても溝部の最小肉厚が確保できず、また所定の加工ひずみを溝部に導入できない。

カップ開口部の圧縮加工とスピニングでの加工ひずみによって溝部に対数ひずみで０．１８以上の加工ひずみを導入させるのは、これ以上の加工ひずみを加えないと座屈に抗する強度を確保ができないからである。なお、本発明での加工ひずみは溝部の内径変化で算出され、図３において、カップ成形後の内径をｄ２とすると、カップ開口部の圧縮加工時とスピニング加工によって内径ｄ４へ加工されたとき、加工ひずみはｌｎ（ｄ２／ｄ４）^２で算出される。一方、この加工ひずみが１．１０以上になると、圧縮加工及びスピニングでの負荷荷重が大きくなりすぎる。したがって、０．１８〜１．１０とする。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

被加工材としてＪＩＳＧ４０５１（１９７９年）機械構造用炭素鋼Ｓ１０Ｃ（Ｃ：０．１１質量％、Ｓｉ：０．２２％，Ｍｎ：０．４５％，Ｐ：０．０２１％，Ｓ：０．０１０％）を用いた。圧延材を焼準（９００℃熱処理後空冷）することで鋼材のビッカース硬度はＨＶ１２２であった。本被加工材を用い、形状が異なる種々のピストン形状のものを作成した。図４に示すように、本発明例、比較例とも溝部は深さ２ｍｍ、高さ３ｍｍ一定とし、カップ上端から５ｍｍの位置に設けた。成形品の高さＨは外径ｄ１と同じとし、カップ底部の肉厚は５ｍｍとした。冷間鍛造後、溝部を切削で成形した従来法でのピストンも成形した。

冷間鍛造は８０００ｋＮのクランク鍛造機を用いた。スピニング成形にはＣＮＣスピニングマシンを用い、先端Ｒ０．２〜０．８のロールを用いて成形した。

また、成形後、製品を長手方向に切断し、切断面を研磨した。溝部ｔ２部肉厚中心部、側壁部ｔ１部肉厚中心部の硬さをビッカース硬さ計にて測定した。ビッカースの荷重は５ｋｇ（４９Ｎ）であり、長手方向に３点測定し、平均値を求め、断面中心硬さとした。

成形したピストンの座屈荷重を測定するため、ピストンをカップ開口端から圧縮する圧縮試験を行った。圧縮試験には５００ｋＮの油圧試験機を用いて行った。圧縮試験結果の一例として、図５に本発明例Ｎｏ．３での荷重−変位線図を示す。荷重と変位の関係が直線関係から外れる点を座屈荷重とし、図５では座屈荷重は２３１ｋＮであった。

表１に成形品形状、断面中心硬さ、座屈荷重、製品の重量を示す。金型負荷として図３（ｂ）の様にカップ状部品に成形した時の鍛造荷重とパンチ面圧を示す。パンチとはカップ形状の内径側を成形する金型であり、パンチへの面圧としては３０００ＭＰａ以下であることが望ましい。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１５が本発明例であり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は外径ｄ１が６０ｍｍ、Ｎｏ．７、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１０はｄ１が３８ｍｍ、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１３はｄ１が８０ｍｍ、Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１５はｄ１が３０ｍｍの場合である。

本発明ではパンチ面圧がいずれも３０００ＭＰａより小さい。

また、座屈荷重もｄ１が６０ｍｍの場合２０８ｋＮ以上、ｄ１が３８ｍｍで１０６ｋＮ以上、ｄ１が８０ｍｍで３５９ｋＮ以上、ｄ１が３０ｍｍで６３ｋN以上となっている。

Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２４〜Ｎｏ．３１が比較例である。

Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．２０は冷間鍛造によるカップ状部品に成形後、カップ状部品の開口面を冷間鍛造で圧縮を加えた後に、溝部をスピングで成形する本発明方法の場合であるが、肉厚ｔ２、ｔ３等が本発明の条件と異なる。

Ｎｏ．１６は肉厚ｔ２が薄い場合であり、重量は４８２ｇ、座屈荷重は１９８ｋＮである。外径ｄ１が６０ｍｍの本発明方法で座屈荷重が最も小さい同じＮｏ．１の座屈荷重は２０８ｋＮとＮｏ．１６より座屈荷重が大きいにもかかわらず、その重量は３３７ｇであり、１４５ｇと３０％も軽量であるが、座屈荷重は２３１ｋＮと約１４％も座屈荷重が大きい。即ち、Ｎｏ．１６は本発明に対して、その重量の割に座屈荷重が低い。

Ｎｏ．１７は肉厚ｔ２が厚い場合である。座屈荷重は２２６ｋＮであり、その重量は３９６ｇである。外径ｄ１が６０ｍｍと同じ本発明例Ｎｏ．３はその重量が４０４ｇ、座屈荷重は２３１ｋＮと座屈強度はやや高いが、重量に大差なく、肉厚ｔ２が肉厚ｔ１との間で１．０倍超となると、座屈荷重向上効果が小さい。

Ｎｏ．１８は肉厚ｔ２、及びｔ３も薄い場合である。溝部はカップ開口部の圧縮加工とスピニングで成形されるが、それらの加工ひずみが０．９１と小さいため、溝部のｔ２位置の硬さが小さく、座堀荷重は２４６ｋＮである。Ｎｏ．１８とほぼ同じ座堀荷重である本発明例Ｎｏ．5に比べて１３４ｇも重い。

Ｎｏ．１９は肉厚ｔ３のみが薄い場合である。Ｎｏ．１８に比べて肉厚ｔ２は所定の厚みとなっている。しかし座屈荷重は２５２ｋＮであり、外径ｄ１が同じで座屈荷重が２７８ｋＮと近いＮｏ．６に比べて重量は１４４ｇ、２５％も重い。

Ｎｏ．２０は外形ｄ１が８０ｍｍで肉厚ｔ２、及びｔ３も薄い場合であり、座屈荷重３３３ｋＮ、重量７６５ｇである。外形ｄ１が８０ｍｍで座屈荷重が３５９ｋＮのＮｏ．１１に比べて重量は８９ｇ、と１１％も重い。

Ｎｏ．２１、Ｎｏ．２２はカップ成形後、カップ開口部の圧縮加工を行わず、そのままスピニングにより溝部を成形した場合である。そのため、肉厚ｔ２、ｔ３とも薄い。

Ｎｏ．２１は外径ｄ１が６０ｍｍであるが、同じ外径ｄ１が６０ｍｍであり座屈荷重が最も小さいＮｏ．１と比較し、製品重量は３７０ｇと３３ｇ、９％以上重いにもかかわらず、座屈荷重は１６９ｋＮと１９％も低い。

Ｎｏ．２２は外径ｄ１が３８ｍｍであるが、同じ外径３８ｍｍである本発明例Ｎｏ．７と比較し、重量はほとんど変わらないが、座屈荷重は９２ｋＮと約１３％も小さい。

Ｎｏ．２４〜Ｎｏ．３１は、図２の様にカップ成形のみ冷間鍛造で行い、溝部を切削による従来法で成形したものである。

Ｎｏ．２４〜Ｎｏ．２６は外径ｄ１が６０ｍｍの場合であるが、座屈荷重は１９７ｋＮ以下と同じ外径ｄ１が６０ｍｍである本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６に比べて低い。Ｎｏ．２６の座屈荷重１９７ｋＮとＮｏ．２４、Ｎｏ．２５に比べて大きいが、重量が５６８ｇである。Ｎｏ．１は座屈荷重２０８ｋＮであるが重量は３３７ｇと２４９ｇ、４２％も小さく、本発明法により軽量化が可能となっている。

Ｎｏ．２７，Ｎｏ．２８は外径ｄ１が３８ｍｍ、Ｎｏ．２９〜Ｎｏ．３１が外径８０ｍｍの場合であるが、同じ外径の本発明例に比べて座屈荷重が低い。Ｎｏ．３０の座屈荷重は３３６ｋＮと高いが、ｔ１の肉厚が９．０ｍｍと厚いからであり、ｔ１の肉厚が８．０ｍｍである本発明例Ｎｏ．１３と比較すると、Ｎｏ．３０は重量が１３６７ｇとＮｏ，１３より２９ｇ、２０％も重いが、座屈荷重は４０％も低い。

以上、実施例により本発明の効果を説明してきたが、本発明により座屈荷重を向上しつつピストンを軽量化できる。

１中空ピストン
２キャリバー
３油圧シール
４油
５パッド
６ディスク
７ダストブーツ
８棒鋼
９カップ状部品
１０溝部
１１溝部成形部
ｄ１外径
ｄ２内径
ｔ１側壁部の肉厚
ｔ２溝部の最小肉厚
ｔ３溝部の最大肉厚

Claims

ディスクブレーキ用の、外周部に溝を有するカップ状ピストンの製造方法において、鋼棒を冷間鍛造にてカップ状部品に成形した後、さらに冷間鍛造にてカップ状部品開口部に圧縮加工を加え、溝部に該当する位置の肉厚を厚くし、さらにその後、肉厚を厚くした位置にスピニング成形を施して溝部を成形する際に、カップ状部品開口部の圧縮加工と溝部を成形するスピニング加工によって対数ひずみで０．１８〜１．１０の加工ひずみを溝部に加え、ピストンの外径をｄ１、内径をｄ２、側壁部の肉厚をｔ１とし、溝部の最小肉厚をｔ２、溝部の最大肉厚をｔ３とするとき、下記（１）式で示される定数ａが０．８５以下であって、ｔ２はｔ１の０．５〜１．０倍、ｔ３はｔ１の０．９倍以上、ｔ２部の断面中心硬さ（ＨＶ）がｔ１部の硬さ（ＨＶ）の１．１〜１．３倍とすることを特徴とする軽量ピストンの製造方法。
ａ＝（ｄ２／ｄ１） ^２・・・（１）