JP6257130B2 - リップリングの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気圧縮機の揺動型ピストンに装着するリップリングの製造方法の技術分野に属する。

圧縮空気を生成する装置として圧縮機が一般的に知られており、本願の出願人による先願発明（特願2012-170102）として、「ロッキングピストン」と称される揺動型ピストンを一段側と二段側に備えた可搬型二段圧縮機が提案されている。この先願発明である二段圧縮機を図３に示す。

（圧縮機の構成）
この二段式の空気圧縮機は、クランクケース１と、クランクケースに設けられた一段側シリンダ２（低圧用のシリンダ）と、この一段側シリンダに対し揺動しつつ往復動する揺動型ピストン３と、クランクケース１に設けられた二段側シリンダ４（高圧用のシリンダ）と、この二段側シリンダに対し揺動しつつ往復動する揺動型ピストン５と、ピストン駆動用のモータ７と、そのロータと一体回転するモータシャフト８を有している。またこの二段圧縮機は、生成した圧縮空気を貯留するための空気タンク１２と、持ち運び用の一対のハンドル１４を装備している。

シリンダ２，４は円筒状に形成され、該シリンダの先端側にはそれぞれ、従来と同様にシリンダヘッド２１，４１が搭載されている。シリンダヘッド２１，４１内にはそれぞれ、空気を吸い込む吸込室と、圧縮空気を吐出する吐出室とが画成されている。また、シリンダ２，４内にはそれぞれ、揺動型ピストン３，５のピストン本体が収容され、各シリンダ内に圧縮室を画成している。

モータ７が駆動すると、モータシャフト８に連結されたピストン３，５が往復動する。この往復運動の間、ピストン３，５の全体がそれぞれシリンダ２，４に対して揺動を繰り返し、そのときシリンダ２，４の内周面には、ピストン３，５に装着した可撓性リップリング（後述）が常時摺接する。

ピストン３，５はそれぞれ、吸込室から圧縮室内に空気を吸い込む吸込行程と、圧縮室内の空気を圧縮して吐出室に吐出する圧縮行程とを繰り返し、圧縮空気を生成する。一段側シリンダ２で圧縮された空気は、シリンダヘッド２１の吐出室を介して二段側へ送出され、二段側シリンダ４において更に圧縮される。二段側シリンダ４で生成された高圧の圧縮空気は、シリンダヘッド４１の吐出室を介して吐出され、外部の空気タンク１２に貯留される。空気タンク１２に貯留された圧縮空気は、釘打ち機などの用途に供される。

（揺動型ピストンの構成）
次に図４に基づいて、二段側シリンダ４（高圧用のシリンダ）に設けられるピストン５の構成について詳細に説明する。なお一段側のピストンについては、二段側のピストンとサイズ上の違いがある点を除いてほぼ同様の構成であるため、その説明を省略する。

ピストン５は、一般的に「ロッキングピストン」と称される揺動型ピストンである。このピストン５は、図４に示すように、シリンダ４内に収容されるピストン本体５１と、該ピストン本体と一体のピストンロッド５２で構成されている。ピストン本体５１には、該ピストン本体とシリンダ４との間をシールするリップリング５３（シール部材）が装着され、略円盤状の固定部材５４によって固定されている。

ピストン本体５１の上面側（圧縮室を向いた側）には、固定部材５４と凹凸嵌合する円形の凹部が形成されている。ピストン本体５１の裏面側には、該ピストン本体と一体のピストンロッド５２が延設されている。ピストンロッド５２の基端側には環状部５５が設けられ、軸受５６とクランク軸５７を介してモータシャフト８に連結されている。このピストンロッド５２とピストン本体５１は一体的に形成されているため、ピストン本体５１がシリンダ４内に収容された状態で、ピストン５の全体が一体となってシリンダ４に対して揺動しつつ往復動する。

ピストン本体５１と固定部材５４は、両者の間にリップリング５３が介在するように組み合わされている。リップリング５３は、ピストン本体５１と固定部材５４との間で挟持されており、この状態で、固定部材５４はピストン本体５１に対してネジ固定されている。

（リップリングの構成）
シール材として機能するリップリング５３は、図５の拡大図に示すように、断面略Ｌ字状に形成され、底部に円形穴が形成された略カップ状の形態を有している。このリップリング５３は可撓性の樹脂材料から形成され、ピストン本体と固定部材との間で挟持される板状部６１（内周側固定部）と、ピストンが往復動する際にシリンダ内壁に摺接する環状部６２（外周側摺接部）と、これらの間に位置するＲ状の屈曲部６３を有している。

リップリング５３は、ピストン本体５１がシリンダ内で往復動しつつ左右に揺動変位している間、理想的には、その環状部６２が弾性変形しながらシリンダ内周面に対し全周にわたって隙間なく常時摺接する。これにより、ピストンとシリンダとの間が気密にシールされ、ピストン上方の圧縮室内の圧縮空気がピストン本体外周とシリンダの間の隙間から漏出するのが阻止される。

かかるリップリングの従来の製造方法の概要を図６に示す。
従来、リップリングを製造するにあたっては、図６に示すように、所定厚さの環状の板状材料を用意し、次いで、この板状材料に対してプレス等で曲げ加工を施すことで、カップ状の完成形状に仕上げていた。

上記構成の揺動型ピストンを具備する圧縮機が作動しているとき、シリンダ内で圧縮する圧力が高くなる程、リップリングの環状部６２や屈曲部６３に掛かる背圧が強くなり、破損が起こり易くなる。

それを防ぐ為にリップリングの肉厚を厚くした場合、図６に示すように、曲げ加工では環状部６２の圧縮応力が大きくなる為、該環状部が波打ったように変形してしまい、リップリングのシール性（ピストンとシリンダとの間の気密性）を阻害するといった問題が生じ、また、屈曲部６３の引張り応力が大きくなる為、屈曲部が伸びたり亀裂を生じたりして、剛性が低下してしまうといった問題が生じる。

かかる問題に対し、切削加工又は成形加工の単独加工でリップリングを製造することも検討されたが、そのような塑性変形を伴わない切削加工又は成形加工では、曲げ加工による復元応力（環状部６２が拡径方向へ開こうとする内部応力）が付与されない為、リップリングのシール性が悪くなるといった問題が生じる。

そこで、上述した問題点に鑑み、本発明の目的は、リップリングの耐久性とシール性を向上させる新たなリップリング製造方法を提供することにある。

上記目的は、略カップ状の完成形状を有するリップリングの製造方法において、板状形状と略カップ形状の中間の外観を有する中間形状体を切削加工又は成形加工により作製し、該中間形状体に対し曲げ加工（塑性加工）を施して略カップ状の完成形状とする、ことによって達成される。

この製造方法では、屈曲部の肉厚がより厚く、環状部の肉厚がより薄くなるように、前記中間形状体を作製してもよい。

本発明の製造方法により、曲げ加工の度合いを小さく出来る為、圧縮応力や引張り応力を抑えることが出来、変形や亀裂を防ぐことが出来る。また、曲げ加工による復元応力も生じる為、シール性も保持出来る。
また、材料を切削加工又は成形加工で製造する為、肉厚は均一に制限されず、必要に応じて肉厚を変えることが出来る。例えば、リップリングの屈曲部は摩耗により肉厚が最も薄くなる為、その部分をあらかじめ厚くすることにより耐久性を向上させることが出来、環状部は先端側の肉厚を薄くすることにより、環状部が背圧により開き易くなる為、シール性が良くなる。
また本発明の製造方法は、硬くて曲げ加工が困難な材料にも有効である。

本発明のリップリング製造方法の第１実施形態を示す図である。 本発明のリップリング製造方法の第２実施形態を示す図である。 揺動型ピストン（ロッキングピストン）を具備する空気圧縮機を示す図である。 図３の空気圧縮機が具備する揺動型ピストンとその周辺構造を示す図である。 揺動型ピストンに装着されたリップリングとその周辺構造を示す拡大図である。 従来のリップリング製造方法を示す図である。

（第１実施形態）
本発明のリップリング製造方法の第１実施形態を図１に示す。

本実施形態では、はじめに、リップリング用の樹脂材料からなる肉厚の円柱状又は円筒状の材料を作製する。かかる材料をこの出願で「被加工材料」と称する。図１に示す被加工材料７１は、例えば、長尺の円柱状又は円筒状の材料を所定厚さにスライスすることで製造できる。リップリングの製造に用いる樹脂材料としては、自己潤滑性・可撓性に優れた公知の材料、例えば、フッ素樹脂やこれを基材とする複合材料などを用いることができる。

次に、この被加工材料７１に切削加工を施して、板状形状と略カップ形状の中間の外観（カップ形状に近づくように環状の板状材料を途中まで曲げたかの如く見える外観）の形状に切り出す。かかる形状をこの出願で「中間形状」と称する。このような外観を有する中間形状体７２は、環状部６２の立ち上がり角度がリップリング完成品７３に比べて小さく、全体として平面視円形の略皿状の形状を有している。

なお、「板状形状と略カップ形状の中間の外観の形状」とは、環状部６２の立ち上がり角度（板状部６１に対する傾斜角度）θ１が、リップリング完成品７３の場合の立ち上がり角度θ２に至らない程度に（すなわちθ１＜θ２）、環状部６２が立ち上がったように見える外観の形状である。中間形状における環状部６２の立ち上がり角度θ１は、例えば６０°に設定される。

この切削工程で切り出す中間形状体７２の寸法は特に限定されず、例えば、切り出す中間形状体の厚みを全体で均一にしてもよく、或いは、図１に示すように部位によって厚みを変えてもよい。例えば、屈曲部６３の側の肉厚がより厚くなるように、また、環状部６２の側の肉厚がより薄くなるように、中間形状体７２を形成してもよい。

次に、上記工程で製造された中間形状体７２に対し、加熱条件下でプレス等の曲げ加工を施す。この曲げ加工では図１右側に示すように、加熱された金型を利用して環状部を縮径方向に曲げる加工を施すため、環状部６２及び屈曲部６３は変形し、環状部６２は更に立ち上がってその立ち上がり角度が増し（θ１→θ２）、その結果、設計どおりの寸法の略カップ形状のリップリング完成品が得られる。

上記曲げ加工を通じて中間形状体は塑性変形し、その環状部６２の外径は縮径する。ただし、シリンダに対するシール性を確保するため、環状部６２の外径、すなわちリップリング完成品７３の外径はシリンダ内径より少し大きくなるように設定される。

なお、この出願で言及する厚み、外径、環状部の立ち上がり角度などに関する寸法は特に限定されるものではなく、圧縮機の使用条件等により変更可能である。

（第２実施形態）
次に、図２に基づいてリップリング製造方法の第２実施形態を説明する。

第２実施形態の製造方法では、中間形状体７２を成形加工で作製して、これを第１実施形態と同様に曲げ加工により完成形状に仕上げる。すなわち、本実施形態は、中間形状体７２の作製工程の点で第１実施形態と相違し、中間形状体７２を完成形状に仕上げる曲げ加工の工程の点で共通する。以下、上記第１実施形態との相違点を中心に、第２実施形態のリップリング製造方法について説明する。

中間形状体７２の作製にあたっては、図２左側に示すように、一般的な樹脂成型と同様に、所定の樹脂材料を金型に流し込んで、所定寸法・所定形状の中間形状体を作製する。すなわち、中間形状体７２の作製にあたっては、第１実施形態と同様に、塑性変形を伴う曲げ加工は施されない。

上記の成型加工によって得られた中間形状体７２は、第１実施形態と同様に、曲げ加工によって所定寸法の完成形状に仕上げる。

（本発明の効果）
上述した本発明の方法によれば、「曲げ加工」、「切削加工」又は「成形加工」のいずれかの単独加工でリップリングを製造するのではなく、「切削加工」と「曲げ加工」の２工程（又は「成形加工」と「曲げ加工」の２工程）を経て製造するようになっている。このように「切削加工」と「曲げ加工」（又は「成形加工」と「曲げ加工」）を組み合わせて製造する結果、従来のように「曲げ加工」単独で製造する場合と比べて、曲げ加工の度合いを小さく出来る為、圧縮応力や引張り応力の発生を抑えることが出来、変形や亀裂を防ぐことが出来る。加えて、中間形状体を完成形状に仕上げる際に曲げ加工を利用するので、曲げ加工による復元応力（環状部が拡径方向へ開こうとする内部応力）も生じ、シール性を確保出来る。

すなわち、はじめに「切削加工」又は「成形加工」を利用して中間形状体を作製し、これを曲げ加工を利用して完成形状に仕上げることで、リップリング製造の全工程を通しての曲げ加工量（塑性変形量）を少なくしている。その結果、剛性向上のためにリップリングの肉厚を厚くしても、曲げ加工量が少ないために、変形や亀裂の原因となる圧縮応力や引張り応力を抑えることができる。
また、中間形状から完成形状へ仕上げる際には、塑性変形を伴う曲げ加工を施すので、この曲げ加工を通じて復元応力がリップリング完成品に確実に付与され、その結果、リップリングのシール性も確保できる。

また、中間形状体を作製するための「切削加工」又は「成形加工」と、該中間形状体を完成形状に変形させるための「曲げ加工」の２段階の加工を経てリップリングを製造する為、完成品の肉厚は均一に制限されることがなく、使用条件等に応じて部位毎に肉厚を変えることが出来る。
例えば、揺動型ピストンはシリンダに対して揺動しつつ往復動を繰り返すため（単なる往復動ではない）、リップリングで最も摩耗し易い部位は屈曲部６３であり、この部位の肉厚を増すことでリップリングの耐久性が向上する。そこで、中間形状体７２の作製時に屈曲部６３の肉厚が環状部６２よりも厚くなるように加工することにより、リップリングの耐久性を向上させることが出来る。なお、中間形状体の作製工程で屈曲部６３の肉厚を厚くしても、後工程の曲げ加工での塑性変形量は少ないので、屈曲部６３での変形や亀裂の発生を抑制できる。
また例えば、中間形状体７２の作製時に環状部６２の肉厚が屈曲部６３よりも薄くなるように（環状部６２の先端側寄りでより薄くなるように）加工することで、ピストン作動時において環状部６２が背圧を受けた際に、この環状部が拡径方向に弾性変形して開き易くなる為、シール性が良くなる。

また本発明の製造方法は、リップリング製造の全工程を通しての曲げ加工量（塑性変形量）が従来に比して少なくて済むので、硬くて曲げ加工が困難な材料にも有効であり、そのような材料を用いる場合であっても設計どおりの寸法に仕上げることができる。

また、従来品と同一寸法・同一形状のリップリングを本発明により製造する場合には、従来の製造方法で使っていた金型を、本発明における曲げ加工でもそのまま利用できるので、既存設備を有効活用してリップリングの性能を向上させることができる。

１ クランクケース
２ 一段側のシリンダ（低圧側のシリンダ）
３ 一段側の揺動型ピストン（揺動型の第１のピストン）
４ 二段側のシリンダ（高圧側のシリンダ）
５ 二段側の揺動型ピストン（揺動型の第２のピストン）
７ モータ
８ モータシャフト
１２ 空気タンク
１４ ハンドル
２１ シリンダヘッド
４１ シリンダヘッド
５１ ピストン本体
５２ ピストンロッド
５３ リップリング（シール部材）
５４ 固定部材
５５ 環状部
５６ 軸受
５７ クランク軸
６１ 板状部（内周側固定部）
６２ 環状部（外周側摺接部）
６３ 屈曲部
７１ 被加工材料（出発材料）
７２ 中間形状体（中間形状材料）
７３ リップリング完成品

Claims (2)

1. 板状部と、該板状部に対して傾斜角度θ２で傾斜した環状部と、板状部と環状部の間に位置する屈曲部と、を含んで構成され、略カップ状の完成形状を有するリップリングの製造方法において、
   板状形状と略カップ形状の中間の外観を有する略皿状の中間形状体であって、板状部に対して環状部が傾斜角度θ１（θ１＜θ２）で傾斜した中間形状体を、切削加工又は樹脂を金型に流し込む加工により作製し、
   該中間形状体に対し金型を用いた曲げ加工を施して、板状部に対して環状部が傾斜角度θ２で傾斜した略カップ状の完成形状とする、
   ことを特徴とするリップリングの製造方法。
2. 屈曲部の肉厚が厚く、環状部の肉厚が薄くなるように、前記中間形状体を作製することを特徴とする請求項１に記載のリップリングの製造方法。