JP6723103B2

JP6723103B2 - 軸の製造方法

Info

Publication number: JP6723103B2
Application number: JP2016142977A
Authority: JP
Inventors: 真行三上
Original assignee: Nittan Valve Co Ltd
Current assignee: Nittan Corp
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-07-21
Also published as: JP2018012124A

Description

本発明は、軸の製造方法に関する。

軸の製造方法には、特許文献１に示すように、軸素材本体の外周面にジャーナル相当部を形成し、該ジャーナル相当部表面に硬化処理を行うことによりジャーナル部を形成するものが提案されている。具体的には、硬化処理としてレーザ光照射が用いられ、そのレーザ光照射をジャーナル相当部に行うことにより、レーザ焼入れが行われたジャーナル部が形成される。
この軸の製造方法を用いれば、ジャーナル相当部に対してだけ硬化処理が的確に行われることになり、ジャーナル部において耐摩耗性や疲労強度を向上させることができる。

特開２００７−７７４２８号公報

しかし、上記軸の製造方法にあっては、レーザ光照射を行うために、複雑で高価なレーザ光照射設備が必要となるばかりか、レーザ光照射に伴うランニングコストをも考慮しなければならなくなる。
しかも、軸素材の材料として、焼入れによる硬化処理が期待できない金属材料が用いられる場合には、そもそも硬化処理としてレーザ光照射を用いることができず、ジャーナル部の耐摩耗性や疲労強度を向上させることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、レーザ光照射を用いなくても、簡単にジャーナル部の耐摩耗性や疲労強度を向上させることができる軸の製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明にあっては、（１）〜（６）の構成とされている。すなわち、
（１）軸素材として、軸素材本体の外周面にジャーナル相当部を有するものを用意し、該ジャーナル相当部に硬化処理を行うことによりジャーナル部を形成する軸の製造方法において、
前記軸素材として、前記ジャーナル相当部の外径を前記ジャーナル部の外径よりも拡径することにより、該ジャーナル相当部に該ジャーナル部に比して余肉部分を有するものを用意し、
前記硬化処理として、前記余肉部分を、該ジャーナル相当部の全周に亘って該ジャーナル相当部の径方向内方に向けて押し潰す構成とされている。
この構成によれば、ジャーナル相当部における余肉部分の押し潰しによりジャーナル相当部の全周面を塑性変形させることができ、その塑性変形部分（全周面部分）を的確に加工硬化させることができる。
また、軸素材の材料として、焼入れによる硬化処理が期待できない金属材料が用いられる場合においても、硬化処理として、ジャーナル相当部を径方向内方に向けて押し潰すことにより、塑性変形を生じさせ、ジャーナル部を加工硬化させることができる。

（２）前記（１）の構成の下において、
前記余肉部分を、前記ジャーナル相当部の全周に亘って該ジャーナル相当部の径方向内方に向けて押し潰すことが、一対のダイスにより、該ジャーナル相当部を挟持しつつ該ジャーナル相当部に対して転造加工を行うことである構成とされている。
この構成によれば、ジャーナル相当部に対してだけ、一対のダイスを用いて転造加工を行うことができることになり、簡単な転造設備を用いて、ジャーナル部だけを具体的に加工硬化させることができる。

（３）前記（２）の構成の下において、
前記一対のダイスとして、互いに対向する対向面を有すると共に、該両対向面が相対移動するものを用い、
前記一対のダイスの両対向面の相対移動を利用することにより、前記ジャーナル相当部を該一対のダイス間に取り込んで、該ジャーナル相当部を転動させつつ該ジャーナル相当部に転造加工を行う構成とされている。
この構成によれば、一対のダイスにより、特別に、軸素材の取付け（セット）、取外しを行うことなく転造加工を行うことができるばかりか、一対のダイスの相対移動に伴い、軸素材を、その一対のダイスの相対移動方向一方側から取り込んで、その軸素材を一対のダイスの相対移動方向他方側から搬出することができる。このため、ジャーナル相当部に対する転造加工を、連続的な流れ作業の下で行うことができ、当該軸を迅速に製造できる。

（４）前記（１）の構成の下において、
前記ジャーナル相当部として、該ジャーナル相当部における前記軸素材の軸線方向内方側において環状溝を有するものを用いる構成とされている。
この構成によれば、一対のダイスによる押圧面積を、ジャーナル相当部に環状溝を有しない場合に比して減らすことができ、転造加工に要する押圧力を減少させることができる。このため、ジャーナル相当部に対する転造加工を的確に行うことができる。

（５）前記（１）の構成の下において、
前記軸素材として、溶体化処理を経たものを用いる構成とされている。
この構成によれば、焼入れ焼き戻し処理が行えない軸素材においても、溶体化処理により金属組織を均一にすることができ、軸素材における基本的硬さの向上を図ることができる。更に、余肉部分をジャーナル相当部の径方向内方に向けて押し潰すことにより(冷間加工時（転造時）)、加工硬化させ、ジャーナル部の硬さをより高めることができる。

（６）前記（１）の構成の下において、
ターボチャージャにおけるタービンシャフトを形成するために用いる構成とされている。
この構成によれば、ターボチャージャにおけるタービンシャフトを製造するために最適な製造方法を提供できる。

本発明によれば、レーザ光照射を用いなくても（レーザ焼入れを行わなくても）、簡単にジャーナル部の耐摩耗性や疲労強度を向上させることができる。
また、軸素材の材料として、焼入れによる硬化処理が期待できない金属材料が用いられる場合であっても、ジャーナル部の耐摩耗性や疲労強度を向上させることができる。

ターボチャージャで使用されるタービンシャフトを説明する説明図。図１のタービンシャフト（仕上げ加工後のタービンシャフト）を示す拡大正面図。実施形態に係るタービンシャフトの製造工程（加工工程）を示す工程図。素材成形工程において成形された第１軸素材を説明する説明図。荒加工工程において加工された第２軸素材を説明する説明図。第２軸素材を一対の丸ダイスにより転造加工することを説明する説明図。第２軸素材を一対の平ダイスにより転造加工することを説明する説明図。流れ作業の下で、第２軸素材を転造加工することを示す説明図。仕上げ加工工程を説明する説明図。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る軸の製造方法を、排気ガスのエネルギを利用した自動車用ターボチャージャに用いられるタービンシャフトを例にとって説明する。

１．先ず、軸としてのタービンシャフトについて説明する。
自動車には、図１に示すように、ターボチャージャ１を搭載したものが存在する。具体的に説明すれば、燃焼室２には、排気通路３、吸気通路４がそれぞれ連なっており、排気通路３にはタービンハウジング５が設けられ、吸気通路４にはコンプレッサハウジング６が設けられている。そのタービンハウジング５内にはタービンホイール７が収容され、コンプレッサハウジング６内にはコンプレッサインペラ８が収容されている。
前記タービンハウジング５と前記コンプレッサハウジング６との間には、ベアリングハウジング９が介在されている。そのベアリングハウジング９には、その内部において２つの軸受け（ジャーナル軸受け）１０，１１が取付けられており、その２つの軸受け１０，１１にタービンシャフト１２が回転可能に支持されている。このタービンシャフト１２は、その一端部がタービンハウジング５を貫通してタービンホイール７に連結され、その他端部は、コンプレッサハウジング６を貫通してコンプレッサインペラ８に連結されている。
これにより、タービンホイール７が排気ガスにより回転されると、その回転は、タービンシャフト１２を介してコンプレッサインペラ８に伝達され、コンプレッサインペラ８は、吸気を圧縮して燃焼室２に送り出す。この際、タービンシャフト１２は、１０万rpm以上の回転数をもって回転することになり、タービンシャフト１２は、高温度環境下で使用される。

このようなタービンシャフト１２は、図２に示すように、軸状に形成されている。そのタービンシャフト１２の一端部には、他の軸状部分よりも拡径された拡径部１３が形成され、その拡径部１３には、その先端からタービンシャフト１２の軸線方向内方向けて順に、タービンホイール７を取付けるための取付け部１４、環状のシール材等を取付けるためのシール構造部１５が設けられている。タービンシャフト１２の他端部には、雄ねじ部１６が形成されており、この雄ねじ部１６には、コンプレッサインペラ８にタービンシャフト１２の他端部を貫通させた状態でナットが螺合される（コンプレッサインペラ８とタービンシャフト１２との連結）。タービンシャフト１２の一端部と他端部とは、軸本体部１７により連なっており、その軸本体部１７の外周面には、軸本体部１７の径よりも多少、拡径されたジャーナル部１８が設けられている。ジャーナル部１８には、その軸線方向中央部において、幅広の環状溝１９が形成されており、ジャーナル部１８は、この環状溝１９を基準として両側に第１ジャーナル部分２０と第２ジャーナル部分２１とを有するように構成されている。第１ジャーナル部分２０は、細幅の溝４５を介して前記シール構造部１５に隣合っており、第２ジャーナル部分２１は、第１部分２０よりもタービンシャフト１２の軸線方向内方側に配置されている。この第１、第２ジャーナル部分２０、２１が前記軸受け１０，１１に回転可能にそれぞれ支持される。

２．次に、上記タービンシャフト１２の製造方法について説明する。
タービンシャフト１２は、図３に示す製造工程図（加工工程図）に従って製造される。

（１）タービンシャフト１２の製造に当たり、先ず、図３に示すように、加工材料が予め準備される。
加工材料に基づき、要求特性を確保すると共に、後述の転造加工を適正に行うためである。この場合、上記加工材料を準備するに当たり、長尺な加工材料が一定長さに切断される。
加工材料としては、上記理由から、転造加工を行えるもの等が準備され、その加工材料の中には、焼入れによる硬化処理ができない金属材料としてのオーステナイト系ステンレスや、析出硬化系ステンレス、Ni基合金等の耐熱金属も含めることができる。特に、高温環境下で用いられ１０万rpm以上の回転数で回転しなければならないタービンシャフト１２の場合には、従来の軸材料であるＳＣＭ４３５等の構造用鋼に比してこれらの耐熱金属を用いることが好ましい。

（２）次に、図３、図４に示すように、前記加工材料から第１軸素材２５が加工される（素材成形工程）。
第１軸素材２５は、加工材料に対して塑性加工や除去加工を行うことにより形成され、その第１軸素材２５は、軸状に形成されると共に、その一端部において、他の部分よりも拡径された拡径部１３Ａが形成される。このとき、拡径部１３Ａには、未だ、取付け部１４、シール構造部１５は形成されていない。

（３）次に、図３に示すように、前記第１軸素材２５に対して熱処理が行われる（熱処理工程）。
第１軸素材２５全体の基本的硬さを高めつつ、その基本的硬さの均一化を図るためである。
熱処理としては、焼入れ焼戻し処理、又は溶体化処理（好ましくは溶体化処理に続いて時効処理を行うもの）を用いることができる。
焼入れ焼戻し処理は、第１軸素材２５（加工材料）が焼入れ焼戻し可能材料である場合に用いることができ、溶体化処理は、第１軸素材２５がステンレス、Ni基合金、オーステナイト系ステンレス(SUS303、SUS304、SUS316等)等である場合に用いることができる。また、溶体化処理の好ましい態様として、溶体化処理とその溶体化処理に続く時効処理とを行う場合には（以下、溶体化処理及び時効処理）、時効処理により結晶粒を細かくできる限り、第１軸素材２５として、焼入れ焼戻し可能材料であるか否かにかかわらず種々の材料を用いることができる。
特に、熱処理として、溶体化処理及び時効処理を用いる場合には、第１軸素材２５として、析出硬化系ステンレス、Ni基合金等を用いたものが好ましい。
これは、第１に、第１軸素材２５が焼入れ焼き戻し処理を行えないものであっても、溶体化処理及び時効処理により結晶粒を細かくすることができることになり、溶体化処理及び時効処理を経た後に、第１軸素材２５における基本的硬さの均一化を図ることができるからである。第２に、後述する転造加工において、ジャーナル相当部２７における余肉部分２８をそのジャーナル相当部２７の径方向内方に向けて押し潰す際に、結晶粒を細かくできることに基づいて同じ圧力の下で塑性変形量を高めることができることになり、ジャーナル部１８の硬さをより高めることができるからである。第３に、析出硬化系ステンレス、Ni基合金等は加工硬化し易い材料であり、その観点から、転造加工において、加工率を高めることができるからである。

（４）次に、図３、図５に示すように、前記熱処理を終えた第１軸素材２５に対して荒加工が行われて、第２軸素材２６が形成される（荒加工工程）。
第１軸素材２５の拡径部１３Ａ以外の部分において、ジャーナル相当部２７と軸本体部１７とを形成するためである。
上記ジャーナル相当部２７は、第１軸素材２５において、拡径部１３Ａに隣合った領域を加工することにより形成され、本実施形態においては、その本体１３Ａとジャーナル相当部２７との間に細幅の溝４５が介在される。このジャーナル相当部２７の径は、ジャーナル部１８（図５中、仮想線参照）の径よりも拡径されており、ジャーナル相当部２７は、その径方向外方において、ジャーナル部１８に比して余肉部分２８を有している。
このジャーナル相当部２７には、本実施形態においては、その第２軸素材２６の軸線方向中央部において環状溝１９が形成される。このため、ジャーナル相当部２７は、第２軸素材２６の軸線方向において、環状溝１９を基準として両側に、第１部分４０と第２部分４１とを有することになる。
上記軸本体部１７は、上記ジャーナル相当部２７よりも第１軸素材２５の軸線方向他端側を加工することにより形成され、その径が所定径とされる。
尚、図５中、符号２９は、切削加工具である。

（５）次に、図３に示すように、第２軸素材２６に対して歪み取り焼鈍が行われる。
前記荒加工（切削加工）に基づく歪みを取るためである。このため、前述の熱処理工程において、焼入れ焼戻し処理が行われた場合には、焼戻し処理温度以下の温度で熱処理され、溶体化処理の好ましい態様として、溶体化処理及び時効処理が行われた場合には、時効処理温度以下の温度で熱処理される。

（６）次に、前記第２軸素材２６におけるジャーナル相当部２７に対して、図３に示すように、転造加工が行われる（転造加工工程）。
ジャーナル相当部２７における余肉部分２８を塑性変形させて、ジャーナル部１８として、加工硬化を生じたものを得るためである。勿論この場合、ジャーナル相当部２７だけを転造加工することから、軸本体部１７の軸歪を抑制できる。またこの場合、ジャーナル相当部２７が拡径部１３Ａに溝４５を介して離間されており、転造加工に際して、転造加工に使用するダイスの配置自由度を高めることができると共に、余肉を逃げ易くして転造加工時の変形性を高め、加工硬化し易くすることができる。
転造加工においては、丸ダイス転造盤、平ダイス転造盤、プラネタリ転造盤等を用いることができる。例えば、丸ダイス転造盤Ｄ１を用いてジャーナル相当部２７を転造する場合には、図６に示すように、その一対の丸ダイス３０，３０間に第２軸素材２６のジャーナル相当部２７だけを挟持し、その状態で、一対の丸ダイス３０，３０を同速度で同一方向に回転させながら互いの距離を狭めることが行われる。これにより、余肉部分２８が、そのジャーナル相当部２７の全周に亘ってそのジャーナル相当部２７の径方向内方に向けて押し潰され、その押し潰しに基づく塑性変形により、圧縮残留応力が生成されたジャーナル部１８が形成される。

平ダイス転造盤Ｄ２を用いてジャーナル相当部２７を転造する場合には、図７に示すように、一対の平ダイス３９，３９間に第２軸素材２６のジャーナル相当部２７だけを挟持し、その状態で、一対の平ダイス３９，３９を相対移動させながら互いの距離を狭めることが行われる。この場合においても、丸ダイス転造盤Ｄ１と同様、ジャーナル相当部２７の押し潰しに基づく塑性変形により、圧縮残留応力が生成されたジャーナル部１８が形成される。

転造加工を連続的な流れ作業の下で行う観点からは、転造加工装置としてプラネタリ転造盤を用いることが好ましい。プラネタリ転造盤Ｄ３は、図８に示すように、円弧状の内周面を有するセグメントダイス３１と、セグメントダイス３１の内周側に一定間隔の隙間３３をあけた状態で配置されてその軸線を中心として回転する丸ダイス３２とを備えている。このプラネタリ転造盤Ｄ３においては、セグメントダイス３１と丸ダイス３２との間の一方側（進入側）の隙間開口３４から第２軸素材２６が隙間３３内に供給（進入）され、その第２軸素材２６のジャーナル相当部２７だけがセグメントダイス３１の内周面と丸ダイス３２の外周面とに挟持される。そのジャーナル相当部２７は、丸ダイス３２の回転に伴い、転動しつつセグメントダイス３１と丸ダイス３２とにより押し潰され、これにより、ジャーナル相当部２７はジャーナル部１８として転造加工される。そしてこの後、この転造加工された第２軸素材２６は、その転動に伴い、セグメントダイス３１と丸ダイス３２との間の他方側（退出側）の隙間開口３５から外部に搬出される。これにより、ジャーナル相当部２７に対する転造加工を、連続的な流れ作業の下で行うことができ、短時間で多くの第２軸素材２６に対して転造加工処理を行うことができる。

また、本実施形態においては、転造加工に際して、ジャーナル相当部２７として、第１部分４０と第２部分４１との間に環状溝１９を有するものに対して、転造加工が行われる。このため、転造時の一対のダイスによる押圧面積を、ジャーナル相当部２７に環状溝１９を有しない場合に比して減らすことができ、転造加工に要する押圧力を減少させることができる。これにより、ジャーナル相当部２７に対する転造加工を的確に行えることになる。
加えて、拡径部１３Ａと第１部分４０の間に溝４５が設けられており、転造時に余肉を逃げ易くして、塑性変形を促すことができる。

（７）前記転造加工を終えた第２軸素材２６に対して、図３、図９に示すように、仕上げ加工が行われる。（仕上げ加工工程）。
タービンシャフト１２の仕上げ精度高めると共に、タービンシャフト１２としての完成形状を得るためである。
このため、ジャーナル部１８の外周面、端面が必要な精度の範囲で除去加工され、拡径部１３Ａに取付け部１４及びシール構造部１５が加工され、第２軸素材２６の他端部に雄ねじ部１６が加工される。勿論この場合、ジャーナル部１８については、必要な加工精度の範囲内であれば、除去加工をする必要はない。
尚、図９中、符号３６は切削加工具を示す。

（８）したがって、このようなタービンシャフト１２の製造方法の下で、タービンシャフト１２を製造すれば、レーザ光照射を用いなくても（レーザ焼入れを行わなくても）、簡単にジャーナル部１８の耐摩耗性や疲労強度を向上させることができる。
特に、加工材料として、焼入れによる硬化処理が期待できないオーステナイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、Ni基合金等の耐熱金属が用いられる場合であっても、タービンシャフト１２全体の基本的強度を高めつつ、ジャーナル部１８の耐摩耗性や疲労強度を向上させることができ、高温環境下において用いられるタービンシャフト１２として、好ましいものを提供できる。

３．以上実施形態について説明したが本発明においては、次の態様を包含する。
（１）荒加工工程を熱処理工程に先立って行うこと。
（２）加工材料として、焼入れ処理ができるものを用いる場合には、熱処理工程において、焼入れ・焼き戻しによる調質処理を行ってもよいこと。
（３）丸ダイス転造盤としては、３つ以上の丸ダイスを有するものを用いてもよいこと。

１ターボチャージャ
１２タービンシャフト（軸）
１８ジャーナル部
１９環状溝
２６第２軸素材（軸素材）
２７ジャーナル相当部
２８余肉部分
３０丸ダイス
３１セグメントダイス
３２丸ダイス
３９平ダイス

Claims

ターボチャージャにおけるタービンシャフトの軸素材として、焼き入れによる硬化処理ができない耐熱金属製の軸素材本体の外周面に円柱状ジャーナル相当部を有するものを用意し、該ジャーナル相当部に加工硬化処理を行うことにより、ジャーナル軸受けに回転可能に支持される円柱状ジャーナル部を形成する軸の製造方法において、
前記軸素材として、前記ジャーナル相当部の外径を前記ジャーナル部の外径よりも拡径することにより、該ジャーナル相当部に該ジャーナル部に比して余肉部分を有するものを用意し、
前記加工硬化処理として、前記余肉部分を、該ジャーナル相当部の全周に亘って該ジャーナル相当部の径方向内方に向けて押し潰す、軸の製造方法であって、
前記ジャーナル相当部として、該ジャーナル相当部における前記軸素材の軸線方向内方側において幅広の環状溝を有するものを用いる、
ことを特徴とする軸の製造方法。
請求項１において、
前記余肉部分を、前記ジャーナル相当部の全周に亘って該ジャーナル相当部の径方向内方に向けて押し潰すことが、一対のダイスにより、該ジャーナル相当部を挟持しつつ該ジャーナル相当部に対して転造加工を行う、
ことを特徴とする軸の製造方法。
請求項２において、
前記一対のダイスとして、互いに対向する対向面を有すると共に、該両対向面が相対移動するものを用い、
前記一対のダイスの両対向面の相対移動を利用することにより、前記ジャーナル相当部を該一対のダイス間に取り込んで、該ジャーナル相当部を転動させつつ該ジャーナル相当部に転造加工を行う、
ことを特徴とする軸の製造方法。
請求項１において、
前記ジャーナル相当部は、該ジャーナル相当部の軸線方向中央部に形成した前記環状溝の両側に、前記ジャーナル軸受けの幅にそれぞれ対応する幅の第１部分と第２部分を有し、前記環状溝の幅が前記第１，第２部分の幅よりも大きい、
ことを特徴とする軸の製造方法。
請求項１において、
前記軸素材として、溶体化処理を経たものを用いる、
ことを特徴とする軸の製造方法。