JP5798965B2 - ディスクブレーキ用中空ピストン及び成形ダイス - Google Patents

Description

車両の制動に使用されるディスクブレーキ用中空ピストンと成形ダイスに関する。

ディスクブレーキ用中空ピストンは、従来から鍛造による成形が主流である。
バー材を切断後、据え込み加工し略円柱状ブランクを準備、焼きなまし・潤滑処理後、後方押出と称される押出方法にて略カップ形状に鍛造成形する。その後、一回目の切削工程で略カップ形状の開口側端面及びピストンブーツ組み付け用の外周溝を加工、二回目の切削工程で略カップ形状の外周面と底面とを繋ぐ角部にＲ形状とテーパ面を加工、最後に外周面を研削加工し完成となる。

このように、鍛造により荒形状に成形後、切削や研削により除去加工し完成品とする製造方法は、材料歩留まりが良く、生産性が高いので自動車部品の大量生産に適用されることが多い。

しかし近年では、更なる切削代低減や無切削化を図ることで製造コスト削減を目論むことが多く、成形品には完成品に近い形状が求められている。その中には鍛造を使用しない方法も検討されている。

特許文献１では、円形板材をスピニング加工して中空ピストンを成形し、安価に中空ピストンを製造する方法を提案している。

この提案は、作業工程がシンプルで良いが、従来使用してきた鍛造成形設備が使用できなくなり、新たなスピニング加工用設備が必要になる。

よって、設備投資が必要になるので製法転換が困難であり、従来の鍛造による成形が主流のままとなっていた。

従来の鍛造成形を用いたディスクブレーキ用中空ピストンの製造工程は、バー材を切断後、据え込み加工し略円柱状ブランクを準備、焼きなまし・潤滑処理後、後方押出と称される押出方法にて略カップ形状に鍛造成形、その後、一回目の切削工程で略カップ形状の開口側端面及びピストンブーツ組み付け用の外周溝を加工、二回目の切削工程で略カップ形状の外周面と底面とを繋ぐ角部にＲ形状とテーパ面を加工、最後に外周面を研削加工し完成となる。

この製造工程において切削工程を省略しようとした場合、後方押出にて略カップ形状に鍛造成形する際に、略カップ形状の外周面と底面とを繋ぐ角部にＲ形状とテーパ面も同時に成形することで、上記二回目の切削工程を省略することが容易に考えられる。

例えば、特許文献２の図３に示される後方押出が最も基本的な後方押出であるが、略カップ形状の外周面と底面とを繋ぐ角部にＲ形状も同時に成形しようとした場合、特許文献３の図２のようにダイス（金型２）にＲ形状（金型面２ｂ）を設けている。

特開２００２−７０９０２号公報 特開２０００−２３３２５５号公報 特開２００４−３５８４８９号公報

上記従来技術のように、ダイスにこのＲ形状を形成した場合、Ｒの大きさにも因るが、成形時にこのＲ形状部に集中応力が掛かり、ダイスのＲ形状部に割れが発生しやすくなり、量産は困難なものとなっていた。

この場合、ダイスをＲ形状付近（特許文献３の図２の場合は２ａと２ｂの境目付近に断面方向）で分割面を構成することが一般的な対処法であるが、この分割面に材料や成形用潤滑剤が噛み込みやすく、分割面に微量に入り込んだ材料や成形用潤滑剤が、成形を繰返すうちに分割面内部に蓄積されて分割面が開いてしまいダイスが破損しやすく、この方法も量産が困難である。

そこで、ダイスのＲ形状部に掛かる集中応力を低減する方法としてカウンターパンチ上面（特許文献３の図２の場合は３ａ）の位置をダイス底面よりも突出させる方法がある。この方法は、金型寿命が改善されるが、ダイスのＲ形状と底面とカウンターパンチとから構成される溝に入り込んだ材料が局部的にデットメタル（材料が流れない状態）となり、Ｒ形状部にマクレ込みの発生の懸念があるので切削工程による仕上げが必要だった。

また、鍛造成形において、略カップ形状の底部の厚さを厚くすることにより、Ｒ形状の付近の材料流れを全体的に減少することができるので、分割面に材料が噛み込むことがなく、量産可能と考えられるが、この場合、製品質量が増加してしまうため、材料歩留りが悪化しコスト効果が得られない。その上、車両重量が増加し走行性能が低下する懸念がある。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、略カップ形状に鍛造成形する際に、塑性流動を良好なものとすることで、無切削化を図り、切削工程を削減して、低コストを図るディスクブレーキ用中空ピストンを提供するものである。

本発明の後方押出で成形されるディスクブレーキ用の中空ピストンであって、筒部と、筒部の一端に形成された底部と、を有するカップ形状をしており、筒部の外周面と底部の底面を繋ぐ部分は、底面に接する曲率部と、その曲率部に接し、外周面と一定の角度で交差するテーパ面と、底面に円周上に配置された複数の突起と、底面中心の凹面と、で形成され、底面と曲率部とテーパ面は連続した塑性流動を有する構成とする。

また、ディスクブレーキ用の中空ピストンを後方押出で成形する成形ダイスであって、中空ピストンは、筒部と、筒部の一端に形成された底部と、を有するカップ形状をしており、筒部の外周面と底部の底面を繋ぐ部分は、底面に接する曲率部と、曲率部に接し、外周面と一定の角度で交差するテーパ面と、で形成され、外周面を成形する第１キャビティを有する上型と、上型と分離され、テーパ面と曲率形状と底面を成形する第２キャビティを有する下型と、を有し、上型の上型分割面における第１キャビティ径は、下型の下型分割面における第２キャビティ径よりも大きく設定され、上型と下型の分割部に段差が形成された構成とする。

本発明は、略カップ形状に鍛造成形する際に、塑性流動を良好なものとすることで、無切削化を図り、切削工程を削減して、低コストを図るディスクブレーキ用中空ピストンを提供することができる。

本発明のディスクブレーキの一断面例を示す図である。 本発明に係るディスクブレーキ用中空ピストンの成形ダイスで成形された中空ピストンの一断面例を示す図である。 図２に示す本発明の中空ピストンの製造工程を示す図である。 本発明のディスクブレーキ用中空ピストンの成形ダイスの金型構造の断面を示す図である。 本発明のディスクブレーキ用中空ピストンの成形ダイスの分割部を拡大した断面を示す図である。

以下、本発明を実施例に基づき説明する。
図１は、中空ピストンをディスクブレーキに使用した場合の断面図である。
図１において、キャリパ１は一方の脚部１Ａにシリンダ２が形成され、他方の脚部１ＢはディスクＤを跨ぐブリッジ部１Ｃを介してディスクＤの反対側へと延びて形成されている。中空ピストン３はシリンダ２内に摺動可能に挿嵌され、その中空ピストン３は略カップ状に形成され、シリンダ２の底部１３との間に液圧室４を構成している。液導入穴５はキャリパ１の脚部１Ａ底部に穿設され、その液導入穴５はマスターシリンダ（図示せず）からの液圧を液圧室４内に導入し、この液圧で中空ピストン３をディスクＤに向けて摺動させるようになっている。

摩擦パッド６、７は中空ピストン３とキャリパ１の脚部１Ｂとの間に位置して、ディスクＤの両面側に配設され、その摩擦パッド６、７は中空ピストン３が液圧によって摺動するときにディスクＤの両面に押圧され、そのディスクＤに制動力を付与するようになっている。即ち、中空ピストン３によって摩擦パッド６がディスクＤの一側面に押圧されると、その反力でキャリパ１全体が中空ピストン３とは逆方向に移動し、他方の脚部１Ｂが摩擦パッド７をディスクＤの他側面へと押圧するようになる。

環状のブーツ取付溝８はシリンダ２の開口側内周面に形成され、環状のブーツ取付溝９は中空ピストン３の開口側外周に形成され、ピストンブーツ１０はシリンダ２と中空ピストン３との間に設けられ、そのピストンブーツ１０は可撓性の樹脂材料により蛇腹上に形成され、その両端側はブーツ取付溝８、９に組み付けられている。そして、そのピストンブーツ１０はシリンダ２と中空ピストン３との間に外部の土砂や雨水等が侵入するのを防止するようになっている。

環状のシール取付溝１１はシリンダ２の内周面に形成され、取付溝にはシール部材１２が組み付けられる。このシール部材１２は中空ピストン３の外周面と摺動可能となっており液圧室４の液体が外部に漏れるのを防止している。

次に図２により本発明の成形方法で得られる中空ピストン３を説明する。
図２は中空ピストン３の断面図であり、図２におけるＰは矢視図、Ｑは拡大図である。
中空ピストン３は筒部３１とその一端に形成される底部３２により構成され略カップ形状をしている。

筒部３１の外周面３３は図１シリンダ２及びシール部材１２と摺動するので、面精度が要求される。

開口側の外周にはブーツ取付溝９が環状に形成され、端面には図１の摩擦パッド６、７を押圧する押圧面３４が形成される。

筒部３１の内周空間３５は軽量化の他に、ブレーキ制動時、摩擦パッドから伝達される熱が図１の液圧室４に伝わり辛くし、液の沸騰や劣化を防ぐ役割をしている。

図１のキャリパ１との組立においては、内周面３６は特開平３−２４３３１号公報のように治具が嵌合され、キャリパ１に自動で組み込まれるので外周面３３と内周面３６の同軸精度が必要とされる。

底部３２の底面３７には図２のＰ矢視図に示される位置に突起３８が形成されている。これは、図１のシリンダの底部１３に中空ピストン３の底面３７が張り付かないように、常に液圧室４を確保するために設けられている。底面３７の中心には凹部４２が形成されている。外周面３３と底面３７を繋ぐ部分について図２Ｑ拡大図で説明する。

外周面３３と底面３７を繋ぐ部分は底面３７に接する曲率部であるＲ部３９とそのＲ部３９に接し外周面３３と角度θで交差するテーパ面４０で形成されている。本発明では、底面３７と曲率部であるＲ部３９とテーパ面４０は連続した塑性流動を有している。この曲率部であるＲ部３９及びテーパ面４０は、特開平３−２４３３１号公報に記載のように中空ピストン３が自動で組み込みされる時に、ピストンブーツ１０、シリンダ２、シール部材１２にキズを付けないように組み込むために必要な形状である。

本発明は、このＲ部３９及びテーパ面４０を鍛造にて成形し、無切削化を図り、切削工程の削減し、中空ピストン３の製造コスト削減を図ることを目的としている。

次に図３により、図２に示す中空ピストン３の製造工程を説明する。
最初のブランク工程５０により、円柱状のブランク５１を準備する。この円柱状のブランク５１はバー材を所定の質量にプレス切断または鋸切断したものを据え込み加工して、次工程の後方押出用ダイスのキャビティ径より僅かに小さく成形したものである。また、次工程の後方押出に備えて、焼きなまし、潤滑処理を施したものである。

次工程は鍛造工程５２により、後方押出して略カップ形状のピストン素材５３を成形する工程である。金型構造は後で説明するが、後方押出とは、成形パンチの押圧方向の後方に向かって材料が押出されるので後方押出と呼ばれる。

この後方押出にて中空ピストン３の完成形状となる部位は、図２において内周面３６と内周底面４１、底面３７、突起３８、凹部４２、Ｒ部３９、テーパ面４０である。

次工程は旋盤または単能盤による切削工程５４で、軸方向を底面３７で基準５５にして外周面３３をチャックして、開口側のブーツ取付溝９から押圧面３４にかけて加工を行う（従来技術の場合、この切削加工後、軸方向は押圧面３４を基準にして外周面３３を再度チャックしなおして図２のＲ部３９、テーパ面４０の加工をしなければならない。）。

その後、センタレス研磨機で外周面３３を研削工程５６にて研削して仕上げて中空ピストン３の完成となる。

次に図４及び図５により本発明のディスクブレーキ用の中空ピストン３を成形するダイス６１について説明する。

図４は本発明の後方押出用ダイスを設置した金型構造断面図であり、図５は本発明の後方押出用ダイスの分割部６９を拡大したダイス６１単体の断面図であり、分割部６９が分り易いようにピストン素材５３は除いてある。

図４の金型構造から説明する。
この断面図は後方押出直後の状態で、図３におけるブランク５１がダイス６１の第１キャビティ６２に投入され、パンチ１１１が押圧方向１１２へブランク５１を加圧、第１キャビティ６２とパンチ１１１の成形面１１３から構成される隙間から材料がパンチ１１１の押圧方向１１２と反対方向、つまり後方へ流動した状態を示す。

詳しく説明すると、ダイス６１は受圧台９１に固定されている。このダイス６１は、図２の中空ピストン３の外周面３３を成形する図５の第１キャビティ６２と、図２の中空ピストン３の底面３７を成形する図５の第２キャビティ底面６４と、図２の突起３８を成形する凹部６５と、図２のＲ部３９を成形する図５のＲ面６６と、図２のテーパ面４０を成形する図５のテーパ面６７とを一体で形成した第２キャビティ６３を有する。

図４において、第２キャビティ底面６４の凹部６５の内周中心には、微小に突出してカウンターパンチ１０１が設置され図２の中空ピストン３の凹部４２を成形する。このダイス６１の底部内面６８とカウンターパンチ外周１０２は勘嵌されて摺動可能になっており、成形完了後、ダイス６１からピストン素材５３を取出すために、排出方向１０３へカウンターパンチ１０１が移動し、ピストン素材５３を排出する。

後方押出においては、成形品の排出機構にカウンターパンチを必ず設置しなければならない。本発明のように、第２キャビティ底面６４の凹部６５の内周中心に、微小に突出してカウンターパンチ１０１を設置した理由を説明する。

仮に、カウンターパンチ１０１の径を拡大し、凹部６５をカウンターパンチ成形面１０４に形成したとすると、Ｒ面６６とカウンターパンチ１０１との間に溝が形成される。この溝に材料が流れ込むと、その材料がデットメタル（材料が流れない状態）になり、カウンターパンチ成形面とＲ面を、溝を跨いで流れる材料との境界でマクレ込みが発生してしまうためである。

本発明のように、第２キャビティ底面６４の凹部６５の内周中心に、微小に突出してカウンターパンチ１０１を設置すれば、溝になる空間は形成されないので、上記のようなマクレ込みは発生しない。仮に発生したとしても、マクレ込みがＲ面６６まで到達することもない。

カウンターパンチ１０１の突出量は、金型の弾性変形を考慮しなければならないので、金型材質により変化するが、実施例では、図２の中空ピストン３の凹部４２の深さ０.１〜０.１５で、マクレ込みのない成形が可能であった。この凹部の深さは、深くするほどパンチ１１１の成形端面１１４とカウンターパンチ１０１の成形面１０４が接近するので、成形荷重が極端に上昇し金型寿命が悪化するので、浅く設定することが望ましい。

図４と図５により本発明の後方押出用ダイスについて説明する。
ダイス６１は、中空ピストン３の外周面３３を成形する第１キャビティ６２を有する上型７０と、中空ピストン３の底面３７を成形するキャビティ底面６４と、底面３７の突起３８を成形する凹部６５と、底面３７と外周面３３を繋ぐＲ部３９を成形するＲ面６６と、Ｒ部３９に接するテーパ面４０を成形するテーパ面６７とを一体で形成した第２キャビティ６３を有する下型７１とが個別に製作される。

上型７０は第１キャビティ６２を形成する上金型７２を補強するために第１補強部材７４と第２補強部材７５により２重に焼嵌めしている。

下型７１は第２キャビティを形成する下金型７３を補強するために第３補強部材７６により１重に焼嵌めしている。

上記、焼嵌めによる補強は、例えばテーパ圧入による補強でも可能である。
上型７０の第２補強部材７５の下部内周７７は、下型７１を下型外周７８と圧入で勘嵌されるように設定され、下型分割面７９と上型分割面８０を突き当てた状態で仮固定される。上記、圧入は締代が小さい焼嵌めでも構わない。

上型７０の下部内周７７開口側には円周溝８１を形成しておき、一方、円周溝８１に対面する下型７１の位置に切欠き８２を形成しておき、切欠き８２と略同形状のリング状の結合部材８３を切欠き８２に埋設し、この結合部材８３の端面８４を、治具（図示せず）を使用してプレスにて押圧し、結合部材８３の材料を円周溝８１に塑性流動させて、下型７１を上型７０に固定する。このとき、分割部６９には、結合部材８３を押圧したときに伝達される圧縮応力が残留応力８５として残るので、ピストン素材５３成形時、分割部６９の開きを防止できるしくみになっている。

ダイス６１の分割部６９について詳しく説明する。
ダイス６１において、上型分割面８０における第１キャビティ径Ｄ１は、下型分割面７９における第２キャビティ径Ｄ２よりも大きく設定されており、分割部には段差δが形成されていることが特徴としている。

この段差δの目的を説明する。
このダイス６１の第１キャビティ６２に図３ブランク５１が投入されパンチ１１１がブランク５１を押圧し後方押出が始まる。後方押出始めは、第２キャビティ６３とパンチ成形端面１１４の距離は離れているので、成形荷重は第１キャビティ６２と第２キャビティ６３内に分散される。よって、第２キャビティ６３のＲ面６６とテーパ面６７は角肉部であるので、材料の充填も進まないし、材料の流れも少ない。

しかし、パンチ１１１の押圧が進み、底厚ｔが薄くなるにしたがい、パンチ１１１の押圧により伝達される成形荷重の殆どは第２キャビティ６２で受けることになる。

同時に第２キャビティ６２のＲ面６６とテーパ面６７にも材料の充填が進み、矢印で示す材料流れ８６が発生する。

このとき、下型７１は、軸方向に潰されると同時に、第２キャビティ径Ｄ２が拡大される。拡大した第２キャビティ径Ｄ２は、第１キャビティ径Ｄ１より小さく、段差δが僅かに確保されていれば、材料流れが堰き止められることは無い。

仮に、第２キャビティ径Ｄ２が第１キャビティ径Ｄ１より大きく、段差δがマイナスになった場合は、このテーパ面６７表面を流れていた材料は第１キャビティ６２の上型分割面８０に堰き止められて内部隙間８７に進入し、成形を繰返すうちに蓄積し、分割部６９が開いてしまい成形不可能となる。また、成形したピストン素材５３の外周面３３にはカジリが発生する。

したがって、材料流れ８６を正常に保つためには、予めこの段差δを設定することが必要である。

段差δは大きく設定しすぎるとピストン素材５３の外周面３３にその段差跡が残り、正常な材料流れを保てないが、実施例では、δ＝０.０６mm程度で正常な材料流れ８６を得られたが、種々条件により変化するので実験的に求めることが望ましい。

次に、この段差δの形成方法であるが、通常、焼嵌めによる製作を考えた場合、上金型と下金型を同一の補強リングで焼嵌めにより補強した後、そのキャビティ内径を研削あるいは放電加工で仕上げることになるので、加工工具や電極の位置が分割面とずれたり、ダレ形状になったりして、分割面に微小段差の加工・仕上げは困難である。

しかし、上記に説明したように、第１キャビティ６２を有する上型７０と、第２キャビティ６３を有する下型７１とを個別に製作し寸法を管理、圧入と結合部材８３による塑性結合を利用することによりダイス６１とすることで、分割部６９に段差δを形成することが可能となった。

次に、分割部６９から内部隙間８７へ進入する成形用潤滑材１２１をダイス６１から排出する方法を説明する。

この成形用潤滑材１２１はブランク５１に施されたボンデ処理が挙げられる。ボンデ処理後のブランク５１の表面には粉状の固体潤滑剤が塗されている。

この固体潤滑剤は成形時、高圧化され液状になり分割部６９から内部隙間８７に進入するが、その後、固体に戻り分割隙間８７に蓄積し分割部６９が開いてしまう問題がある。

実施例では、ダイス６１の内部隙間８７から外周方向へ放射状に開けられた複数の空孔８８（第１の空孔）と、下型７１の第３補強部材７６に円周上に軸方向に開けられた複数の空孔８９（第２の空孔）を設け、その第２の空孔である空孔８９から高圧の空気である高圧エア１２２を通すことにより、分割部６９から内部隙間８７へ進入する成形用潤滑材１２１を高圧エア１２２と共に外部に排出するようにしている。

また、この高圧エア１２２は、ダイス６１の温度上昇を防止にも役立てられる。
以上により、本発明の後方押出用のダイス６１にて成形されるディスクブレーキ用の中空ピストン３は、略カップ形状の外周面３３と底面３７とを繋ぐ角部にＲ部３９とテーパ面４０を後方押出と同時に成形することができるので、無切削化が可能で切削工程を削減し低コスト化が図れる。

また、本発明の後方押出用のダイス６１にて成形されるディスクブレーキ用の中空ピストン３は、上記Ｒ部３９には材料のマクレ込み等の発生がなく、材料の流れが連続しており、塑性流動が良好なので品質の安定化が図れる。

さらに、本発明の後方押出用のダイス６１にて成形されるディスクブレーキ用の中空ピストン３は、塑性流動が良好なので、分割部６９に材料の噛み込みがない上に、分割部６９と内部隙間８７に入り込んだ成形用潤滑材１２１は排出可能なので、内部隙間８７に成形用潤滑材１２１の蓄積がないので、分割部６９が開くことが無く型寿命も良好である。

１ キャリパ
２ シリンダ
３ 中空ピストン
４ 液圧室
５ 液導入穴
６、７ 摩擦パッド
９ ブーツ取付溝
１０ ピストンブーツ
１１ シール取付溝
１２ シール部材
１３、３２ 底部
３１ 筒部
３３ 外周面
３４ 押圧面
３５ 内周空間
３６ 内周面
３７ 底面
３８ 突起
３９ Ｒ部
４０ テーパ面
４１ 内周底面
４２ 凹部
５１ ブランク
５３ ピストン素材
６１ ダイス
７０ 上型
７１ 下型
８３ 結合部材
９１ 受圧台
１０１ カウンターパンチ
１０２ カウンターパンチ外周
１０３ 排出方向
１０４ カウンターパンチ成形面
１１１ パンチ
１１２ 押圧方向
１１３ 成形面
１１４ パンチ成形端面

Claims (6)

1. ディスクブレーキ用の中空ピストンを後方押出で成形する成形ダイスであって、
   前記中空ピストンは、筒部と、前記筒部の一端に形成された底部と、を有するカップ形状をしており、前記筒部の外周面と前記底部の底面を繋ぐ部分は、前記底面に接する曲率部と、前記曲率部に接し、前記外周面と一定の角度で交差するテーパ面と、で形成され、
   前記外周面を成形する第１キャビティを有する上型と、前記上型と分離され、前記テーパ面と前記曲率形状と前記底面を成形する第２キャビティを有する下型と、を有し、
   前記上型の上型分割面における第１キャビティ径は、前記下型の下型分割面における第２キャビティ径よりも大きく設定され、
   前記上型と前記下型の分割部に段差が形成され、
   前記上型と前記下型は、前記段差を形成するための接触部をそれぞれ有し、
   前記接触部には、前記上型と前記下型との間に生じる残留応力が生じる成形ダイス。
2. 請求項１記載の成形ダイスであって、
   前記上型分割面と前記下型分割面との間に設けられかつ成型用潤滑材を収納する空間が設けられる成形ダイス。
3. 請求項１または２に記載の成形ダイスであって、
   前記上型と前記下型との間に固定されることにより前記残留応力を保持させる結合部材を備える成形ダイス。
4. 請求項１記載の成形ダイスであって、
   前記中空ピストンの底面に複数の突起が形成され、
   前記複数の突起は、前記第２キャビティの第２キャビティ底面に設けた複数の凹部により形成され、
   前記第２キャビティは、前記複数の凹部とテーパ成形面と曲率成形面と前記底面が一体で形成された成形ダイス。
5. 請求項１または請求項２記載の成形ダイスであって、
   前記上型と前記下型の分割隙間から外周方向へ放射状に開けられた第１の空孔と、前記下型の補強部材に軸方向に開けられた第２の空孔と、を有し、
   成形時に前記分割隙間から進入した成形用潤滑材を、前記第２の空孔に高圧の空気を通して、外部に排出可能にした成形ダイス。
6. 請求項４記載の成形ダイスを使用したディスクブレーキ用の中空ピストンの成形方法であって、
   前記中空ピストンの前記凹部は、前記第２キャビティ底面に設けた前記凹部の内周中心に摺動可能に設置されたカウンターパンチにより成形された中空ピストンの成形方法。