KR20110027709A - 로터 소재 단조용 금형 및 로터 소재의 단조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는, 로터 소재를 효율적으로 제조하는 것이다.　본 발명은, 하측 금형(10)과 성형용의 하중을 부여하는 상측 금형(30)을 구비하고, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)을 갖는 원기둥 형상의 로터 소재를 단조하는 금형을 대상으로 한다. 하측 금형(10)은, 그 성형 구멍 내에 돌출되는 베인 홈 성형용의 블레이드부(13)와, 성형 구멍의 중심에 배치되는 센터 구멍 성형용의 센터 핀(16)을 갖는다. 상측 금형(30)은, 하측 금형(10)의 센터 핀(16) 및 블레이드부(13) 이외의 부분에 주 하중을 부여하는 상측 금형 본체(31)와, 금형 본체(31)에 천공되어 형성된 센터 핀 대응 구멍(35)에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 센터 핀(16)에 제1 부 하중을 부여하는 배압 핀(40)과, 상측 금형 본체(31)에 천공되어 형성된 블레이드부 대응 구멍(36)에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 블레이드부(13)에 제2 부 하중을 부여하는 배압판(41)을 갖는다. 형 맞춤시에 블레이드부(13)의 선단부면을 블레이드부 대응 구멍(36)의 개구면에 대해 일치 또는 이격시킨다.

Description

로터 소재 단조용 금형 및 로터 소재의 단조 방법{DIE FOR FORGING ROTOR MATERIAL AND METHOD FOR FORGING ROTOR MATERIAL}

본 발명은, 외주부에 베인 홈을 갖는 로터 소재를 제조하기 위한 로터 소재 단조용 금형 및 로터 소재의 단조 방법에 관한 것이다.

압축기의 로터나 브레이크 제어용의 로터리식 진공 펌프의 로터는, 외주부에 축심에 대해 평행한 베인 홈을 주위 방향으로 등간격마다 복수 형성한 것이 일반적이다. 또한, 자동차에 탑재하는 공조용 로터리식 압축기의 로터나 브레이크 제어용 로터리식 진공 펌프의 로터는, 경량화를 목적으로서 알루미늄 합금제가 주류가 되고 있어, 단조 가공을 사용하여 제조하는 것이 일반적이다.

예를 들어 하기 특허문헌 1에 기재된 로터 제조 방법은, 하측 금형의 성형 구멍에 베인 홈 형성용의 블레이드부가 형성되어 있고, 그 성형 구멍 상에 세트한 원기둥형의 단조 소재를 상측 금형에 의해 하방으로 가압하여, 단조 소재를 성형 구멍 내에 충전한다. 이에 의해, 베인 홈이 하단부면으로부터 상단부면 근방까지 형성된 원기둥 형상의 로터 소재를 얻는다. 그리고 그 로터 소재의 상단부(잉여 두께부)를 축심에 대해 직교하는 면을 따라 절삭 가공에 의해 절삭 제거하여, 베인 홈의 일단부측(상단부측)을 개방함으로써, 베인 홈의 양단부를 개방하여, 로터 소재로서 구성하도록 하고 있다.

또한 하기 특허문헌 2에 기재된 로터 제조 방법은, 상측 금형의 성형면에, 베인 홈 형성용의 홈을 갖는 펀치가 설치되어 있고, 하측 금형의 성형 구멍 내에 세트된 단조 소재에, 상측 금형의 홈을 갖는 펀치를 타입하여, 상단부면으로부터 하단부면 근방에 걸쳐 베인 홈을 형성한다. 그 후 계속해서, 홈을 갖는 펀치를 타입하여, 베인 홈의 하단부측을 폐색하는 잉여 두께부를 펀칭하여 제거함으로써, 베인 홈의 양단부를 개방하도록 하고 있다.

일본 특허 공개 평11-230068호 공보 일본 특허 공개 제2000-220588호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 종래의 로터 제조 방법은, 단조 가공에 의해 얻어진 로터 소재의 잉여 두께부를 절삭 제거하는 것이지만, 잉여 두께부의 제거 작업이 곤란하며, 생산 효율이 저하될 우려가 있었다.

또한 상기 특허문헌 2에 기재된 종래의 로터 제조 방법은, 베인 홈의 하단부를 폐색하는 잉여 두께부를, 홈을 갖는 펀치에 의해 펀칭하여 제거하는 것이지만 일반적으로, 펀칭 가공은, 파단 위치를 정확하게 컨트롤하는 것이 곤란하며, 본의 아닌 깨짐이나 결락이 생길 가능성이 높아, 잉여 두께부를 확실하게 제거할 수 없다는 문제를 안고 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태는, 관련 기술에 있어서의 상술한 및/또는 그 밖의 문제점을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 기존의 방법 및/또는 장치를 현저하게 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 높은 생산 효율을 확보하면서, 잉여 두께부를 확실하게 제거할 수 있는 로터 소재 단조용 금형 및 로터 소재의 단조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적 및 이점은, 이하의 바람직한 실시 형태로부터 명백해질 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 구성을 구비하고 있다.

[1] 하측 금형과 성형용의 하중을 부여하는 상측 금형을 구비하여, 센터 구멍을 갖고, 또한 외주부에 축선에 평행한 베인 홈을 갖는 대략 원기둥 형상의 로터 소재를 단조하는 금형이며,

상기 하측 금형은, 그 성형 구멍 내로 돌출되는 베인 홈 성형용의 블레이드부와, 성형 구멍의 중심에 배치되는 센터 구멍 성형용의 센터 핀을 갖고,

상기 상측 금형은, 상기 하측 금형의 센터 핀 및 블레이드부 이외의 부분에 주 하중(主荷重)을 부여하는 상측 금형 본체와, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 센터 핀 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 센터 핀에 제1 부 하중(副荷重)을 부여하는 배압 핀과, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 블레이드부 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 블레이드부에 제2 부 하중을 부여하는 배압판을 가지며,

형 맞춤시에 있어서의 상기 블레이드부의 선단부면을 상기 블레이드부 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 것을 특징으로 하는 로터 소재 단조용 금형.

[2] 형 맞춤시에 있어서의 상기 블레이드부의 선단부면과 상기 블레이드부 대응 구멍의 개구면과의 간격을 베인 홈측의 단부면 차로 했을 때, 그 베인 홈측의 단부면 차가 0 내지 2mm로 설정되는 전항 1에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[3] 상기 블레이드부의 외주면과 상기 블레이드부 대응 구멍의 내주면 사이의 간격을 베인 홈측의 클리어런스로 했을 때, 그 베인 홈측의 클리어런스가 0.01 내지 0.1mm로 설정되는 전항 1 또는 2에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[4] 상기 베인 홈측의 클리어런스가 부분적으로 상이한 전항 3에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[5] 상기 베인 홈측의 클리어런스 중, 내주측 단부 및 외주측 단부 중 적어도 어느 한쪽의 클리어런스가, 중간부의 클리어런스에 대해 크게 설정되는 전항 3 또는 4에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[6] 형 맞춤시에 있어서의 상기 센터 핀의 선단부면을 상기 센터 핀 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 전항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[7] 형 맞춤시에 있어서의 상기 센터 핀의 선단부면과 상기 센터 핀 대응 구멍의 개구면과의 간격을 센터 구멍측의 단부면 차로 했을 때, 그 센터 구멍측의 단부면 차가 0 내지 2mm로 설정되는 전항 6에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[8] 상기 센터 핀의 외주면과 상기 센터 핀 대응 구멍의 내주면과의 간격을 센터 구멍측의 클리어런스로 했을 때, 그 센터 구멍측의 클리어런스가 0.01 내지 0.1mm로 설정되는 전항 6 또는 7에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[9] 상기 센터 구멍측의 클리어런스가 부분적으로 상이한 전항 8에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[10] 상기 배압 핀의 상부에 설치되어 제1 부 하중을 부여하기 위한 부 하중 부여 수단, 및 상기 배압판의 상부에 설치되어 제2 부 하중을 부여하기 위한 부 하중 부여 수단을 구비하는 전항 1 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[11] 상기 부 하중 부여 수단은 가스 쿠션인 전항 10에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[12] 센터 구멍을 갖고, 또한 외주부에 축선에 평행한 베인 홈을 갖는 대략 원기둥 형상의 로터 소재를 단조하는 방법이며,

성형 구멍 내로 돌출되는 베인 홈 성형용의 블레이드부와, 성형 구멍의 중심에 배치되는 센터 구멍 성형용의 센터 핀을 갖는 하측 금형을 준비하는 한편,

상기 하측 금형의 센터 핀 및 블레이드부 이외의 부분에 주 하중을 부여하는 상측 금형 본체와, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 센터 핀 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 센터 핀에 제1 부 하중을 부여하는 배압 핀과, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 블레이드부 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 블레이드부에 제2 부 하중을 부여하는 배압판을 갖는 상측 금형을 준비해 두고,

형 맞춤시에, 상기 블레이드부의 선단부면을 상기 블레이드부 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 것을 특징으로 하는 로터 소재의 단조 방법.

[13] 형 맞춤시에 있어서의 상기 센터 핀의 선단부면을 상기 센터 핀 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 전항 12에 기재된 로터 소재 단조용 금형.

[14] 상기 제1 부 하중 및 제2 부 하중은 각각 29 내지 89MPa인 전항 12 또는 13에 기재된 로터 소재의 단조 방법.

[15] 상기 제1 부 하중 및 제2 부 하중을 독립하여 제어하는 전항 12 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 로터 소재의 단조 방법.

[16] 상기 센터 핀의 단면적이 클수록 제1 부 하중을 작게 하는 전항 12 내지 15 중 어느 한 항에 기재된 로터 소재의 단조 방법.

[17] 상기 로터 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제인 전항 12 내지 16 중 어느 한 항에 기재된 기재 로터 소재의 단조 방법.

발명 [1]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 베인 홈의 일단부면이 로터부의 단부면보다도 내측에 배치된 로터 소재를 얻을 수 있기 때문에, 베인 홈 내주면과 잉여 두께부 외주면과의 직경 차를 작게 할 수 있다. 이로 인해, 베인 홈측의 잉여 두께부를 간단하고 또한 확실하게 제거할 수 있어, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

발명 [2] [3]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 상기 효과를 확실하게 얻을 수 있다.

발명 [4] [5]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 잉여 두께부가 부주의하게 탈락되는 것을 방지할 수 있다.

발명 [6]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 센터 구멍의 일단부면이 로터부의 단부면보다도 내측에 배치된 로터 소재 가공품을 얻을 수 있기 때문에, 센터 구멍 내주면과 잉여 두께부 외주면과의 직경 차를 작게 할 수 있다. 이로 인해, 센터 구멍측의 잉여 두께부도 간단하고 또한 확실하게 제거할 수 있어, 보다 한층 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

발명 [7] [8]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 상기 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.

발명 [9]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 센터 구멍측의 잉여 두께부가 부주의하게 탈락되는 것을 방지할 수 있다.

발명 [10] [11]의 로터 소재 단조용 금형에 따르면, 센터 핀 및 블레이드부의 휨 변형 및 비틀림 변형을 억제할 수 있다.

발명 [12]의 로터 소재의 단조 방법에 따르면, 상기와 마찬가지로 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

발명 [13] [14]의 로터 소재의 단조 방법에 따르면, 상기 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.

발명 [15]의 로터 소재의 단조 방법에 따르면, 센터 핀 및 블레이드부에 형상이나 치수에 따라서 제1 부 하중 및 제2 부 하중을 개별로 설정할 수 있고, 센터 구멍 성형시에 외주를 향하는 메탈 플로우와 블레이드부를 내측으로 변형시키는 힘과의 균형을 보다 확실하게 유지할 수 있다.

발명 [16]의 로터 소재의 단조 방법에 따르면, 상기 효과를 보다 한층 확실하게 얻을 수 있다.

발명 [17]에 기재된 로터 소재의 단조 방법에 따르면, 치수 정밀도가 우수한 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 로터 소재를 재료 수율 좋게 단조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태인 로터 소재 단조용 금형을 분해하여 도시하는 사시도.
도 2a는 실시 형태의 단조용 금형에 의한 단조 가공에 있어서의 단조 준비 단계에서의 모식 단면도.
도 2b는 실시 형태의 단조용 금형에 의한 단조 가공에 있어서의 상측 금형 강하 단계에서의 모식 단면도.
도 2c는 실시 형태의 단조용 금형에 의한 단조 가공에 있어서의 가공 완료 단계에서의 모식 단면도.
도 2d는 실시 형태의 단조용 금형에 의한 단조 가공에 있어서의 가공품 취출 단계에서의 모식 단면도.
도 3은 실시 형태의 단조 가공에 의해 얻어진 로터 소재를 도시하는 사시도.
도 4는 실시 형태의 제법에 의해 제조되는 로터를 도시하는 사시도.
도 5는 로터 소재에 있어서의 베인 홈의 오프셋량을 도시하는 평면도.
도 6은 실시 형태의 단조용 금형에 있어서의 상측 금형을 조립 상태에서 도시하는 사시도.
도 7a는 단조용 금형에 있어서의 하측 금형에의 하중 부여 상태를 도시하는 부분 절결 사시도.
도 7b는 단조용 금형에 있어서의 단조 과정에 있어서의 메탈 플로우를 설명하기 위한 도면.
도 8a는 실시 형태에 있어서의 로터 소재의 평면도.
도 8b는 실시 형태에 있어서의 로터 소재의 베인 홈 부분을 확대하여 도시하는 평면도.
도 9는 실시 형태의 제조 방법에 있어서의 공정 수순을 나타내는 흐름도.
도 10은 실시 형태의 로터 소재를 센터 구멍부에서 절결하여 도시하는 단면도.
도 11은 실시 형태의 로터 소재를 베인 홈부에서 절결하여 도시하는 단면도.
도 12는 도 10의 2점 쇄선으로 둘러싼 부분을 확대하여 도시하는 단면도.
도 13a는 도 11의 2점 쇄선으로 둘러싼 부분을 확대하여 도시하는 단면도.
도 13b는 실시 형태의 로터 소재에 있어서의 베인 홈부 주변을 잉여 두께부를 제거한 상태에서 확대하여 도시하는 단면도.
도 14는 실시 형태의 제조 방법에 있어서의 잉여 두께부 제거 공정에 사용된 펀칭 장치를 개략적으로 도시하는 단면도.

<로터>

우선 처음으로 본 발명의 실시 형태에 관련하는 로터(R)의 구성에 대해 설명한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 로터(R)는, 중심에 샤프트를 관통시키는 샤프트 구멍으로서의 센터 구멍(3)을 갖는 개략 원기둥체이며, 외주면에는 홈 바닥이 단면 원형으로 확대된 5개의 베인 홈(4)이 형성되어 있다. 이들 베인 홈(4)은, 원기둥체의 축선에 평행하며 양단부면에 관통하고, 상기 센터 구멍(3)에 편심하여 내측으로 절입하도록 형성되어 있다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 베인 홈(4)의 오프셋량(U)은, 홈 폭 방향의 중심선(L1)과, 이 중심선(L1)과 평행하며 로터(R)의 축선을 지나는 직선(L2)과의 거리로 나타내어진다.

로터(R)의 재료로서는 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용되고, 그 일례로서 Si: 14 내지 16질량％, Cu: 4 내지 5질량％, Mg: 0.45 내지 0.65질량％, Fe: 0.5질량％ 이하, Mn: 0.1질량％ 이하, Ti: 0.2질량％ 이하를 함유하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금을 들 수 있다.

<제조 공정>

도 9에 도시한 바와 같이, 로터의 제조 공정은, 주로 절단 공정, 질량 선별 공정, 단조 공정, 펀칭 공정, 열처리 공정 및 검사 공정을 포함하고, 이들 공정을 거친 후 로터 제품으로서 출하된다.

절단 공정 및 질량 선별 공정은, 단조 소재를 얻기 위한 공정이며, 절단 공정에 있어서, 연속 주조재를 소정 길이로 절단하여, 소정 길이의 연속 주조재를 얻은 후, 각 주조재를 질량(중량)에 따라서 선별함으로써 원하는 단조 소재를 얻는 것이다.

계속해서 단조 가공에 있어서, 상기 단조 소재를 단조 가공하여 로터 소재를 얻은 후, 펀칭 공정에 있어서, 로터 소재로부터 잉여 두께부를 제거하여 로터(R)를 얻는 것이다.

그 후, 열처리 공정에 있어서, 로터(R)에 대해 가열 처리 및 켄칭 처리를 행하여, 경도 및 내마모성을 향상시켜 로터 제품으로 한다. 그리고 검사 공정에 있어서 최종 검사를 행하여, 이상이 없으면 출하된다.

이하, 본 실시 형태에 기초하는 로터 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.

<단조 공정>

도 1, 도 2a 내지 도 2d는 본 실시 형태의 단조 가공에 사용되는 단조 장치로서의 단조용 금형을 도시하는 도면, 도 3은 이 단조용 금형에 의해 단조되는 로터 소재(1)를 도시하는 도면이다.

이들 도면에 도시한 바와 같이 단조용 금형은, 다이스로서의 하측 금형(10)과 성형용 하중을 부여하는 펀치로서의 상측 금형(30)을 구비하고 있다. 이들 금형 재료로서는 주지의 금형용 강재가 사용된다.

하측 금형(10)은, 성형 구멍(12)을 갖는 하측 금형 본체(11)와, 하측 금형 본체(11)의 하측에 배치되는 베이스(15)와, 하측 금형 본체(11)의 상측에 배치되는 부시(19)로 분할된다.

상기 하측 금형 본체(11)의 성형 구멍(12) 내에는, 구멍 내주벽면으로부터 베인 홈(4)을 성형하기 위한 5개의 블레이드부(13)가 돌출되어 있다. 상기 블레이드부(13)는, 베인 홈(4)의 단면 형상에 대응하고, 단부에 원형부를 갖는 박판 형상이다. 상기 베이스(15)는 플레이트 형상이며, 중심에 로터(R)의 센터 구멍(3)을 성형하기 위한 센터 핀(16)이 고정되고, 이 센터 핀(16)을 둘러싸도록 녹아웃 핀(17)용의 관통 구멍(18)이 뚫어 형성되어 있다. 상기 부시(19)는, 하측 금형 본체(11)의 성형 구멍(12)과 동일한 직경으로 상하로 관통하는 장전 구멍(20)을 갖는 환형체이다.

상기 베이스(15), 하측 금형 본체(11) 및 부시(19)를 조립 부착하면, 하측 금형 본체(11)의 성형 구멍(12) 내에 센터 핀(16)이 삽입되어 성형 구멍(12) 내부가 로터(R)의 반전 형상으로 되고, 또한 부시(19)의 장전 구멍(20)이 성형 구멍(12)에 연통한다. 또한, 도 2a에 도시한 단조의 준비 단계에 있어서, 녹아웃 핀(17)은 베이스(15)의 관통 구멍(18)에 삽입되고, 선단부면이 베이스 상면과 동일 높이로 되는 위치에서 대기하고 있다.

상측 금형(30)은, 단조 소재(W)에 주 하중(F)을 부여하기 위한 상측 금형 본체(31)와, 부 하중(F1)(F2)을 부여하기 위한 원형 핀(40) 및 편평판(41)으로 분할된다.

또한 본 실시 형태에 있어서는, 원형 핀(40)에 의해 배압 핀이 구성됨과 함께, 편평판(41)에 의해 배압판이 구성되어 있다.

상기 상측 금형 본체(31)는, 하반체 펀치부(32)가 상기 부시(19)의 관통 구멍(20)에 대응하는 외경의 개략 원기둥체로 형성되고, 대직경의 상반체(33)에는 상면에 오목부(34)가 형성되어 있다. 이 오목부(34)에는, 상기 원형 핀(40)의 단면 형상에 대응하여 상기 원형 핀(40)을 진퇴 가능하게 끼워 넣는 1개의 원형 구멍(35)과, 상기 편평판(41)의 단면 형상에 대응하여 상기 편평판(41)을 진퇴 가능하게 삽입하는 5개의 편평 구멍(36)이 형성되어 있다. 상기 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36)은 모두 펀치부(32)의 선단부면에 관통하는 것이며, 편평 구멍(36)은 펀치부(32)의 외주면에도 개구되어 있다. 또한, 상기 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(35)의 위치는 하측 금형 본체(11)에 있어서의 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)의 위치에 대응하고 있다.

또한 본 실시 형태에 있어서는, 원형 구멍(36)에 의해 센터 핀 대응 구멍이 구성됨과 함께, 편평 구멍(35)에 의해 블레이드부 대응 구멍이 구성되어 있다.

상기 원형 핀(40)은, 하측 금형 본체(11)의 센터 핀(16)보다도 직경이 큰 원형 핀이며, 상단부에 상기 원형 구멍(35)보다도 직경이 큰 빠짐 방지부(42)가 일체로 형성되어 있다. 상기 편평판(41)은, 하측 금형 본체(11)의 블레이드부(13)와 마찬가지로 선단부에 원형부를 갖는 박판 형상이지만 블레이드부(13)보다도 한 둘레 크고, 상단부에 상기 편평 구멍(36)보다도 단면적을 확대시킨 빠짐 방지부(43)가 일체로 장착되어 있다.

그리고, 도 2a 및 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 상측 금형 본체(31)의 오목부(34)로부터 원형 구멍(35)에 상기 원형 핀(40)을 끼워 넣음과 함께, 각 편평 구멍(36)에 상기 편평판(41)을 끼워 넣으면, 상측 금형 본체(31), 상기 원형 핀(40), 상기 편평판(41)이 합쳐져 펀치부(32)의 선단부면 및 둘레면이 각각 연속되어, 하나의 원기둥체가 형성된다.

상기 원형 핀(40) 및 편평판(41)의 상방에는, 이들에 부여하는 하중을 부여하기 위한 가스 쿠션(45)이 배치되어 있다. 상기 가스 쿠션(45)은 실린더(46) 내에 피스톤 로드(47)가 진퇴 가능하게 삽입되고, 피스톤 로드(47)에 퇴입 방향의 힘이 가해지면, 내부에 봉입된 압축 가스에 의해 상기 퇴입 방향의 힘에 균형을 이루는 전진 방향의 힘을 발생하는 것이며, 퇴입 거리가 커질수록 전진 방향의 힘도 커진다. 상기 각 가스 쿠션(45)은 실린더(46)가 장착반(48)에 고정되고, 피스톤 로드(47)의 선단부를 원형 핀(40) 및 편평판(41)의 상기 빠짐 방지부(42)(43)에 접촉시켜, 원형 핀(40) 및 편평판(41)에 피스톤 로드(47)의 전진력에 의한 초기 하중을 부여한 상태에서, 상측 금형 본체(31)와 장착반(48)이 조립 부착되어 있다. 또한, 상기 원형 핀(40) 및 편평판(41)이 상승하여 피스톤 로드(47)가 퇴입하면, 퇴입 거리에 따른 하중이 원형 핀(40) 및 편평판(41)에 부여된다. 따라서, 장착반(48)은 상측 금형(30)과 함께 승강하지만, 원형 핀(40) 및 편평판(41)에 부여되는 부 하중(F1)(F2)은, 주 하중(F)으로부터 독립하여 가스 쿠션(45)에 의해 제어된다.

상기 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)의 값은 가스 쿠션(45)의 작동 하중의 설정에 의해 조절할 수 있고, 또한 원형 핀(40) 및 편평판(41) 각각에 가스 쿠션(45)이 장비되어 있으므로, 이들도 독립하여 하중 제어할 수 있다. 즉, 상기 상측 금형 본체(32)에 부여하는 주 하중(F), 원형 핀(40)에 부여하는 제1 부 하중(F1), 5개의 편평판(41)에 부여하는 5개의 제2 부 하중(F2)은 각각 독립된 하중으로 설정할 수 있다.

상기 하측 금형(10)과 상측 금형(30)은, 상기 원형 핀(40) 및 편평판(41)이 하측 금형(10)의 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)의 대응 위치에 존재하도록 배치되어 있다. 따라서, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 부 하중(F1)은 센터 핀(16)의 바로 위에 부여되고, 제2 부 하중(F2)은 블레이드부(13)의 바로 위에 부여된다. 주 하중(F)은 센터 핀(16) 및 블레이드부(13) 이외의 부분에 부여된다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)은 주 하중(F)보다도 작은 값으로 설정되어 있다.

다음에, 상기 단조용 금형을 사용하여, 도 4의 로터 소재(1)를 제조하기 위해 단조 소재(W)를 단조하는 방법에 대해 도 2a 내지 도 2d, 도 7, 도 8을 참조하면서 설명한다.

도 2a에 도시한 바와 같이 하측 금형(20) 및 상측 금형(30)의 소요 부분에 윤활제를 도포하고, 원기둥형의 단조 소재(49)를 부시(19)의 장전 구멍(20)에 장전한다. 상기 단조 소재(W)는, 전술한 바와 같이, 연속 주조재를 소정 길이로 절단하는 등의 방법에 의해 제작된 것이며, 필요에 따라서 소정 온도로 가열되고 있다. 상기 윤활제로서는, 수성 흑연 윤활제, 유성 흑연 윤활제 등을 예시할 수 있고, 단조 소재(W)와 금형(10)(30) 사이에서 스커핑이 발생하지 않도록 하기 위해서는, 수성 흑연 윤활제와 유성 흑연 윤활제를 병용하는 것이 바람직하다. 도포량은 각각 2 내지 10g 정도이다. 또한, 단조 소재(W)가 알루미늄 합금인 경우의 예비 가열 온도는 400 내지 450℃가 바람직하다.

이 상태로부터 도 2b에 도시한 바와 같이, 상측 금형(30)을 주 하중(F)으로 강하시켜 하측 금형(10)에 장전된 단조 소재(W)를 단조하면, 단조 소재(W)가 성형 구멍(12) 내에 충전되는 과정에서, 주 하중(F)보다도 작은 제1 부 하중(F1)이 부여된 원형 핀(40) 및 제2 부 하중(F2)이 부여된 편평판(41)이 밀어 올려지고, 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36) 내에 재료가 유입된다. 상측 금형(30)의 하강에 수반하여 원형 핀(40) 및 편평판(41)이 상승하고, 피스톤 로드(47)의 퇴입 거리가 커짐에 따라서, 원형 핀(40)에 부여되는 제1 부 하중(F1) 및 편평판(41)에 부여되는 제2 부 하중(F2)이 증대된다. 이와 같이 하여, 단조 소재(W)에 대해, 원형 핀(40) 및 편평판(41) 이외의 부분에는 주 하중(F)이 부여되는 것에 반해, 원형 핀(40) 및 편평판(41)에 대응하는 부분에는 주 하중(F)으로부터 독립된 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)이 부여된다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 원형 핀(40) 및 편평판(41)에 주 하중(F)보다도 작은 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)을 부여함으로써, 원형 핀(40) 및 편평판(41)이 상승하고, 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36) 내에 재료가 유입된다. 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36) 내에 재료가 유입됨으로써, 하측 금형(10)의 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)에 가해지는 힘이 완화된다. 그 결과, 도 7b에 도시한 바와 같이, 성형 구멍(12)의 벽면과 블레이드부(13) 사이의 메탈 플로우(α1) 및 이 메탈 플로우(α1)에 의해 블레이드부(13)를 내측으로 변형시키는 힘(α2)이 완화되고, 또한 센터 구멍(3)의 성형시에 외주를 향하는 메탈 플로우(α3)가 블레이드부(13)를 내측으로 변형시키는 힘(α2)과 반대 방향으로 작용하므로, 이들 힘(α2)(α3)의 균형을 유지함으로써, 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)의 휨 변형 및 비틀림 변형을 억제할 수 있다.

상기 제1 부 하중(F1)과 제2 부 하중(F2)의 적정값은 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)의 체적에 따라서 적절히 설정한다. 이들의 체적이 커질수록 재료의 릴리프량이 증가하므로, 블레이드부(13)의 체적이 일정하면, 센터 핀(16)의 체적이 커질수록 제1 부 하중(F1)을 작게 하여 원형 구멍(35)으로의 유입량을 증대시킴으로써 균형을 유지할 수 있다.

상술한 과정을 거쳐 도 2c에 도시한 바와 같이, 상측 금형(30)이 하사점까지 강하하면, 로터 소재(1)의 형상으로 성형된다.

여기서 본 실시 형태에 있어서, 상측 금형(30)이 하사점까지 강하한 시점(형 맞춤시)에서는, 센터 핀(16)의 선단부면(상단부면)은, 원형 구멍(35)의 개구면(하단부 위치)에 대해 일치 또는 이격시키도록 하고 있다.

구체적으로, 센터 핀(16)의 선단부면과, 원형 구멍(35)의 개구면 사이의 간격을 센터 구멍측의 단부면 차(D3)로 했을 때, 그 센터 구멍측의 단부면 차(D3)를 0 내지 2mm로 설정하고 있다(도 12 참조).

또한 형 맞춤시에 있어서, 블레이드부(13)의 선단부면(상단부면)은, 편평 구멍(36)의 개구면(하단부 위치)에 대해 일치 또는 이격시키도록 하고 있다.

구체적으로는, 블레이드부(13)의 선단부면과, 편평 구멍(36)의 개구면과의 간격을 베인 홈측의 단부면 차(D4)로 했을 때, 그 베인 홈측의 단부면 차(D4)를 상기와 마찬가지로 0 내지 2mm로 설정하고 있다(도 13a 참조).

또한 본 실시 형태에 있어서는, 센터 핀(16)의 외주면과, 원형 구멍(35)의 내주면과의 간격을 센터 구멍측의 클리어런스(D5)로 했을 때, 그 센터 구멍측의 클리어런스(D5)를 0.01 내지 0.1mm로 설정하고 있고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 0.1mm로 설정하도록 하고 있다(도 12 참조).

또한 블레이드부(13)의 외주면과, 편평 구멍(36)의 내주면과의 간격을 베인 홈측의 클리어런스(D6)로 했을 때, 그 베인 홈측의 클리어런스(D6)를 상기와 마찬가지로 0.01 내지 0.1mm로 설정하고 있고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 0.1mm로 설정하도록 하고 있다(도 13a 참조).

또한 말할 필요도 없이, 클리어런스(D5)(D6)를 조정하는 경우에는, 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36)의 내경을 변경함으로써 행하는 것이 일반적이다.

상측 금형(30)의 타입이 완료된 후에는, 도 2d에 도시한 바와 같이 상측 금형(30)을 상승시키고, 녹아웃 핀(17)을 상승시켜 단조된 로터 소재(1)를 돌출시킨다. 원형 핀(40) 및 편평판(41)이 로터 소재(1)로부터 이격되어 하방으로부터의 힘이 제거되면, 가스 쿠션(45)의 피스톤 로드(47)가 초기 위치로 복귀된다.

상술한 공정에 있어서, 하측 금형(10)의 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)의 휨 변형 및 비틀림 변형이 억제되기 때문에, 도 3에 도시한 로터 소재(1)는 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 치수 정밀도가 높은 것으로 되고, 또한 변형을 억제함으로써 금형 수명이 길어진다. 게다가, 블레이드부(13)의 변형 방지를 위해 로터 소재의 외경을 확대할 필요가 없으므로, 후가공에서 절삭 제거하는 부분이 없어 재료에 낭비가 발생하지 않는다.

또한, 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)을 주 하중(F)보다도 작은 값으로 설정한 것으로, 원형 핀(40) 및 블레이드부(13)가 밀어내는 재료가 유동하기 쉽게 되어 있기 때문에, 상측 금형(30)을, 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36)에 원형 핀(40) 및 블레이드부(13)가 물려 들어가는 높이까지 강하시킬 수 있다. 이로 인해, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 두께부의 이동에 의해, 제작되는 로터 소재(1)는, 로터부(2)의 상단부면(일단부면(2a))에, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 부분에 대응하여 잉여 두께부(5)(6)가 형성된다.

또한 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)은 개별로 부여되므로, 센터 구멍(3) 상의 잉여 두께부(5)와 베인 홈(4) 상의 잉여 두께부(6)가 개별로 형성되고, 이들 잉여 두께부(5)(6)의 평면 형상은 원형 핀(40) 및 편평판(41)의 단면 형상에 대응한 것으로 된다.

본 실시 형태에 있어서는, 단조 가공시에, 제1, 제2 부 하중(F1)(F2)에 의한 배압을 부여하도록 하고 있기 때문에, 잉여 두께부(5)(6)가 로터부(2)로부터 부주의하게 터지거나, 찢어지거나 하는 문제를 확실하게 방지할 수 있어, 후술하는 구성의 잉여 두께부(5)(6)를 로터 소재(1)에 일체로 형성할 수 있다.

여기서 본 실시 형태에 있어서, 로터 소재(1)는, 로터부(2)와 잉여 두께부(5)(6)에 의해 구성되는 것이며, 로터부(2)에는 잉여 두께부(5)(6)가 포함되지 않는다.

이와 같이 하여 형성되는 잉여 두께부(5)(6)는 도 10, 도 11에 도시한 바와 같이, 로터부(2)의 일단부면(2a)으로부터 일단부측으로 팽출하도록 설치되어 있다.

또한 전술한 바와 같이, 형 맞춤 상태에서, 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)의 각 선단부면이 원형 구멍(35) 및 편평 구멍(36)의 각 개구면에 대해 일치 또는 이격되어 있기 때문에, 로터 소재(1)에 있어서의 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 일단부면(3a)(4a)은, 잉여 두께부(5)(6)의 내부에 도달하고 있지 않고, 각 일단부면(3a)(4a)은 로터부(2)의 일단부면(2a)보다도 내측에 배치되어 있다.

또한 말할 필요도 없이, 로터 소재(1)에 있어서의 로터부(2)의 타단부면(하단부면(2b))에 있어서는, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)이 모두 개방되어 있다.

여기서, 상기한 바와 같이, 센터 구멍측의 단부면 차(D3) 및 베인 홈측의 단부면 차(D4)는 0 내지 2mm로 설정되어 있기 때문에, 로터 소재(1)에 있어서의 로터부(2)의 일단부면(2a)과 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 일단부면(3a)(4a)과의 각 단부면 차(파단 길이 D3, D4)도 마찬가지의 값으로 설정된다.

또한, 센터 구멍측의 클리어런스(D5) 및 베인 홈측의 클리어런스(D6)는 0.01 내지 0.1mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.1mm로 설정되어 있기 때문에, 로터 소재(1)에 있어서의 잉여 두께부(5)(6)의 외주면과, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내주면과의 직경 차(D5)(D6)도 마찬가지의 값으로 설정된다.

한편 도 8b에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 잉여 두께부(6)와 베인 홈(4)과의 직경 차(D6) 중, 로터부 외주측 단부의 직경 차(D61) 및 내주측 단부의 직경 차(D62)가, 중간 주요부의 직경 차(D60)보다도 두껍게 형성되어 있다.

또한 본 실시 형태에서는, 로터 소재(1)에 있어서의 센터 구멍(3)의 내주면과 일단부면(2a) 사이의 곡률 반경(r3)은 0.2 내지 1mm로 설정되어 있다. 또한 베인 홈(4)의 내주면과 일단부면(4a) 사이의 곡률 반경(r4)도 마찬가지로 0.2 내지 1mm로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이 범위로 설정함으로써, 도 13b에 도시한 바와 같이 잉여 두께부(5)(6)를, 예를 들어 펀칭으로 제거했을 때에, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내측에 잔존하는 내측 버의 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내벽면으로부터의 높이(B1)의 평균값을 바람직한 값으로 조정할 수 있다. 구체적으로는, 내측 버의 높이(B1)를 1mm 이하로 설정할 수 있다. 또한 이 내측 버의 높이(B1)가 1mm를 초과하는 경우에는, 파단 위치가 불안정해져 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내측 치수의 정밀도 관리가 곤란해진다.

또한 본 실시 형태에서는, 로터 소재(1)에 있어서의 잉여 두께부(5)(6)의 외주면과 일단부면(2a) 사이의 곡률 반경(r3a)(r4a)은, 잉여 두께부(5)(6)의 상기 내주면측의 곡률 반경(r3)(r4) 이하로 조정하는 것이 좋다. 구체적으로는, 「r3a≤r3」「r4a≤r4」의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 이 범위로 설정함으로써, 도 13b에 도시한 바와 같이 잉여 두께부(5)(6)를, 예를 들어 펀칭으로 제거했을 때에, 일단부면(2a)에 잔존하는 볼록 버 높이(B2)의 평균값을 바람직한 값으로 조정할 수 있다. 구체적으로는, 볼록 버의 높이(B2)를 1mm 이하로 설정할 수 있다. 또한 파단 위치도 안정시킬 수 있고, 그 결과 볼록 버의 높이(B2)의 편차도 작아지므로, 후공정에서의 절삭값 관리가 용이해져 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 치수 정밀도 관리가 용이해진다. 또한 내측 버의 높이(B2)가 1mm를 초과하는 경우에는, 파단 위치가 불안정해져 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내측 치수의 정밀도 관리가 곤란해진다.

본 발명에서 사용되는 금형은, 이러한 형상을 갖는 로터 소재를 성형 금형이며, 상측 금형의 원형 구멍(35)에 곡률 반경(r3a)을, 편평 구멍(36)의 곡률 반경(r4a)의 반전 형상을 가짐과 함께, 하측 금형의 센터 핀(16)의 곡률 반경(r3)의 반전 형상을, 블레이드부(13)에 곡률 반경(r4)의 반전 형상을 갖는 것이다.

본 실시 형태의 단조 가공에서는, 주 하중(F), 제1 부 하중(F1), 제2 부 하중(F2)은, 로터 소재(1)의 형상 및 각 부의 치수, 재료 조성, 가공 온도 등에 따라서 적절히 설정한다. 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제로 직경 40 내지 70mm, 높이 30 내지 60mm의 로터(R)를 제조하는 경우의 설정값으로서, 주 하중(F): 270 내지 325MPa, 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2): 29 내지 89MPa를 예시할 수 있다.

또한, 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)을 지나치게 작게 설정하면 잉여 두께부(5)(6)가 찢어질 우려가 있고, 반대로 지나치게 크게 설정하면 센터 핀(16) 및 블레이드부(13)에 가해지는 힘을 완화시키는 효과가 작아, 쓰러짐 변형 및 비틀림 변형을 억제하는 효과가 작아진다. 상술한 바와 같이 알루미늄 합금제 로터(R)를 단조하는 경우는 29 내지 89MPa가 바람직하고, 또한 39 내지 49MPa의 범위가 바람직하다. 또한, 가스 쿠션(45)과 같은 스프링식의 부 하중 부여 수단에서는 상측 금형(30)의 하강에 수반하여 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)이 증대되지만, 상기 적합 범위의 하중은 초기 하중이다.

또한, 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)을 부여하기 위한 부 하중 부여 수단은 한정되지 않지만, 상측 금형(30)의 승강에 추종하여 하중을 부여할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 가스 쿠션과 같은 스프링식의 것이 바람직하고, 다른 부 하중 부여 수단으로서 기계식 스프링, 유압 기구, 완충기를 예시할 수 있다.

<펀칭 공정>

도 14는 펀칭 가공 공정(잉여 두께부 제거 공정)에 사용되는 잉여 두께부 제거 장치로서의 펀칭 장치(다이 세트)를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 14에 도시한 바와 같이, 이 펀칭 장치는 하측 금형(8)과, 상측 금형(9)을 구비하고, 나중에 상세하게 설명하는 바와 같이, 펀칭 처리에 의해 로터 소재(1)로부터 잉여 두께부(5)(6)를 펀칭하여 제거할 수 있도록 되어 있다.

하측 금형(8)은, 하측 플레이트(81)와, 그 하측 플레이트(81)의 상면에 설치되는 하측 금형 본체(85)를 구비하고 있다.

하측 플레이트(81)는, 그 중앙에, 상하 방향으로 관통하는 잉여 두께부 배출 구멍(82)이 형성되어 있다. 또한 하측 플레이트(81)의 양측부에는 수직 방향을 따라 가이드 바(83)가 세워 설치되어 있다.

하측 금형 본체(85)는, 하측 플레이트(81)의 상면에 잉여 두께부 배출 구멍(82)을 폐색하도록 하여 고정되어 있다.

이 하측 금형 본체(85)에는, 하측 플레이트(81)의 잉여 두께부 배출 구멍(82)에 대응하여, 워크 설치부(86)가 설치되어 있다. 워크 설치부(86)는, 상기 로터 소재(1)를 그 일단부면(2a)측을 하측을 향해 설치할 수 있도록 구성되어 있다. 즉 이 워크 설치부(86)에는, 센터 구멍측 잉여 두께부(5)에 대응하여 센터 구멍측 탈형 구멍(87)이 형성됨과 함께, 베인 홈측 잉여 두께부(6)에 대응하여 베인 홈측 탈형 구멍(88)이 형성되어 있다. 이 센터 구멍측 탈형 구멍(87)은, 그 내주 형상이 센터 구멍측 잉여 두께부(5)의 외주 형상에 대응하여 형성되어 있고, 센터 구멍측 잉여 두께부(5)를 적합 상태로 끼워 맞출 수 있도록 되어 있다. 또한 베인 홈측 탈형 구멍(88)은, 그 내주 형상이 베인 홈측 잉여 두께부(6)의 외주 형상에 대응하여 형성되어 있고, 베인 홈측 잉여 두께부(6)를 적합 상태로 끼워 맞출 수 있도록 되어 있다. 또한 각 탈형 구멍(87)(88)은 상하 방향으로 관통하고 있고, 하단부측이 하측 플레이트(81)의 잉여 두께부 배출 구멍(82)에 연통되어 있다.

그리고 로터 소재(1)의 잉여 두께부(5)(6)를, 탈형 구멍(87)(88)에 각각 적합 상태로 끼워 맞추어, 로터부(2)의 일단부면(2a)을 워크 설치부(86) 상에 적재함으로써, 로터 소재(1)를 워크 설치부(86) 상에 위치 결정 상태로 세트할 수 있도록 되어 있다.

상측 금형(9)은 상측 플레이트(91)와, 그 상측 플레이트(91)의 하면에 설치되는 상측 금형 본체(95)를 구비하고 있다.

상측 플레이트(91)는 상하 방향으로 승강 가능하게 구성되어 있고, 도시하지 않은 유압 실린더 등의 승강 구동 수단에 의해 승강 구동할 수 있도록 되어 있다.

또한 상측 플레이트(91)의 양측부에는, 하측 플레이트(83)의 가이드 바(83)에 대응하여, 가이드 구멍(93)이 형성되어 있고, 후술하는 바와 같이 상측 플레이트(91)가 강하할 때에, 가이드 바(83)가 가이드 구멍(93)에 삽입됨으로써, 상측 플레이트(91)의 강하 이동이 가이드되도록 되어 있다.

상측 금형 본체(95)는, 하측 금형 본체(85)에 대향하도록 하여, 상측 플레이트(91)의 하면에 고정되어 있다.

상측 금형 본체(95)에는, 하측 금형 본체(85)에 있어서의 센터 구멍측 탈형 구멍(87) 및 베인 홈측 탈형 구멍(88)에 각각 대응하여, 즉 하측 금형(85)에 설치되는 로터 소재(1)의 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)에 각각 대응하여, 센터 구멍측 펀칭 펀치(97) 및 베인 홈측 펀칭 펀치(98)가 각각 하방으로 돌출되도록 설치되어 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 펀칭 펀치(97)(98)가 충격 부재로서 구성되어 있다.

다음에, 상기 구성의 펀칭 장치를 사용하여, 로터 소재(1)의 잉여 두께부(5)(6)를 제거하는 방법에 대해 설명한다.

우선 펀칭 장치의 하측 금형(8)에 있어서의 워크 설치부(86)에, 로터 소재(1)를 그 일단부면(2a)측을 하향으로 하여, 각 잉여 두께부(5)(6)를, 대응하는 탈형 구멍(87)(88)에 적합하게 한 상태로 설치한다. 이 설치 상태에서는, 상측 금형 본체(85)의 센터 구멍측 펀칭 펀치(97) 및 베인 홈측 펀칭 펀치(98)가, 로터 소재(1)의 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 타단부측 개구부에 대향하여 배치된다.

이와 같이 하여 로터 소재(1)를 세트한 상태에서, 상측 금형(85)을 강하시키면, 상측 금형 본체(85)의 펀치(97)(98)가 로터 소재(1)의 상단부면(타단부면(2b))측으로부터 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)에 삽입되고, 각 펀치(97)(98)가 잉여 두께부(5)(6)에 가압 상태로 부딪쳐서, 잉여 두께부(5)(6)가 펀칭된다. 이에 의해 잉여 두께부(5)(6)가 로터부(2)로부터 제거되고, 그 제거된 잉여 두께부(5)(6)가 하측 플레이트(81)의 잉여 두께부 배출 구멍(82)을 통해 하방측으로 배출된다. 이와 같이 하여 도 14에 도시한 바와 같이, 로터 소재(1)에 있어서의 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 일단부측이 개방됨으로써, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 양단부가 모두 개방된 로터(R)를 얻을 수 있다.

여기서 본 실시 형태에 있어서, 잉여 두께부(5)(6)와 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)과의 직경 차(D5)(D6)를 작게 설정하고 있기 때문에, 잉여 두께부(5)(6)를 소정의 위치에서 고정밀도로 확실하게 제거할 수 있다.

특히 본 실시 형태에 있어서는, 잉여 두께부(5)(6)의 파단 길이(D3)(D4)를 얇게 형성하고 있기 때문에, 잉여 두께부 제거시의 파단 영역을 적게 할 수 있고, 바닥 하중으로 간단하게 제거할 수 있어, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 펀치(97)(98)에 의해 바닥 하중으로 잉여 두께부(5)(6)를 펀칭할 수 있기 때문에, 고하중이 요인으로 되어, 로터(R)에 유해한 균열이나 파단이 발생하는 것을 유효하게 방지할 수 있어, 고품질의 로터 제품을 제조할 수 있다.

게다가 또한 저하중으로 가공할 수 있기 때문에, 펀치(97)(98) 자체의 마모도 경감시킬 수 있어, 펀치(97)(98)의 내구성, 나아가 펀칭 장치의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한 잉여 두께부 제거시의 파단 영역이 적기 때문에, 파단 자국(파단면)도 작아져, 파단 자국에 의한 악영향을 피할 수 있어, 예를 들어 후공정에 있어서 파단 자국을 마무리하기 위한 마무리 가공을 행할 필요도 없고, 공정수의 삭감에 의해, 생산성을 보다 한층 향상시킬 수 있음과 함께 비용을 삭감할 수 있다.

게다가 본 실시 형태에 있어서는, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 일단부면(3a)(4a)이, 로터부(2)의 일단부면(2a)보다도 내측에 배치되어 있기 때문에, 잉여 두께부 제거 후의 파단 자국이, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내주면, 즉 로터(R)의 내부에 배치되기 때문에, 이 점에 있어서도, 파단 자국에 의한 악영향을 방지할 수 있고, 파단 자국의 후처리 가공이 일절 불필요해져, 보다 한층 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 실시 형태에 있어서는, 잉여 두께부(6)와 베인 홈(4)과의 직경 차(D6) 중 로터부 외주 단부측의 직경 차(D61) 및 내주 단부측의 직경 차(D62)를, 중간 주요부의 직경 차(D60)보다도 두껍게 형성하고 있기 때문에, 단조 가공 후, 펀칭 가공 전에 잉여 두께부(6)가 부주의하게 탈락되는 것을 방지할 수 있고, 예를 들어 잉여 두께부(6)가 단조 가공용 금형 내에 잔존하는 등의 문제를 확실하게 방지할 수 있어, 높은 생산성을 유지할 수 있다.

게다가 또한 본 실시 형태에 있어서는, 잉여 두께부(6)의 양단부 직경 차(D61)(D62)를 두껍게 형성하고 있기 때문에, 이 부분에 있어서의 부주의하게 파단되는 것을 확실하게 방지할 수 있어, 잉여 두께부(6)가 부주의한 탈락을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 즉, 잉여 두께부(6)의 양단부는, 탈락시에 파단 개시점으로 되기 쉽고, 그 양단부를 두껍게 형성함으로써 파단이 발생하기 어려워져 부주의한 탈락을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한 본 실시 형태에 있어서는, 베인 홈(4)측의 잉여 두께부(6)의 외주에 있어서의 직경 차(클리어런스 D6)를 부분적으로 두껍게 하도록 하고 있지만, 그것에만 한정되지 않고, 본 발명에 있어서는, 센터 구멍(3)측의 잉여 두께부(5)의 외주에 있어서의 직경 차(D5)를 부분적으로 두껍게 하도록 해도 좋다.

여기서 본 실시 형태에 있어서, 잉여 두께부 외주의 직경 차(D5)(D6)나 파단 길이(D3)(D4)가 지나치게 큰 경우에는, 펀칭 가공에 있어서, 잉여 두께부(5)(6)를 고정밀도로 제거할 수 없어, 파단 자국에 의한 악영향이 발생할 우려가 있다. 반대로 직경 차(D5)(D6)가 지나치게 작은 경우에는, 펀칭 가공 전에 잉여 두께부(5)(6)가 부주의하게 탈락되어 버릴 우려가 있다.

또한 파단 길이(D3)(D4)가 마이너스인 경우, 즉 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 일단부면(3a)(4a)이, 로터부(2)의 일단부면(2a)보다도 외측에서 잉여 두께부(5)(6)의 내부에 배치되어 있는 경우에는, 펀칭 가공으로 잉여 두께부(5)(6)를 제거했다고 해도, 잉여 두께부(5)(6)의 주위벽의 일부가 잔존하여, 잔존부(파단 자국)가, 로터(R)의 외측으로 돌출되도록 배치되어 버린다. 이로 인해, 그 돌출 파단 자국을, 후공정에 있어서 제거할 필요가 있기 때문에, 공정수가 증가되어, 생산성의 저하를 초래할 우려가 있어, 바람직하지 않다.

또한 본 실시 형태의 펀칭 가공은, 로터 소재(1)를 특별히 가열할 필요가 없어, 냉간으로 행하고 있다. 다만 본 발명에 있어서는, 펀칭 가공을 행하기 직전에 로터 소재(1)를 가열하여, 펀칭 가공을 열간으로 행하도록 해도 좋다.

<변형예>

상기 실시 형태에 있어서는, 잉여 두께부(5)(6)를, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 타단부측으로부터 삽입한 펀치(97)(98)에 의해 펀칭하도록 하고 있지만, 본 발명에 있어서는, 잉여 두께부를 제거할 때에, 펀치에 의한 펀칭 가공에만 한정되지 않는다.

즉 로터 소재(1)에 있어서의 외측으로부터, 예를 들어 축심 방향에 직교하는 방향으로부터 해머 등의 충격 부재를 부딪쳐서, 그 충격에 의해, 잉여 두께부를 때려 떨어뜨리도록 제거하거나, 재단 공구 등의 충격 부재에 의해 잉여 두께부(5)(6)의 뿌리(기단부)를 축심 방향에 직교하는 면을 따라 재단하도록 하여, 잉여 두께부(5)(6)를 잘라내도록 해도 좋다.

실시예

〔실시예 1〕

도 1 및 도 2에 도시한 단조용 금형(10)(30)을 사용하여 도 3에 도시한 로터 소재(1)를 단조했다. 상기 로터 소재(1)는, 도 4에 도시한 알루미늄 합금제 로터(R)를 제작하기 위한 소재이다.

상기 로터(R)에 있어서, 외경: 52mm, 높이: 50mm, 센터 구멍(3)의 직경: 10mm, 베인 홈(4)의 수: 5, 홈 폭: 3mm, 홈의 깊이: 15mm, 오프셋 치수(U): 10mm이다. 또한 재료 합금은 A390을 사용했다.

또한 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 단조용 금형에 있어서, 하측 금형(10)의 센터 핀(16)과 상측 금형(30)의 원형 구멍(35)과의 클리어런스(D5)를0.1mm로 하고, 하측 금형(10)의 블레이드부(13)와 상측 금형(30)의 편평 구멍(36)과의 클리어런스(D6)도 상기와 마찬가지로 0.1mm로 했다.

또한 하측 금형(10)의 센터 핀(16)과 상측 금형(30)에 있어서의 원형 구멍(35)의 개구면과의 간격(파단 길이 D3)을 1.5mm로 하고, 하측 금형(10)의 블레이드부(13)와 상측 금형(30)에 있어서의 편평 구멍(36)의 개구면과의 간격(파단 길이 D4)도 상기와 마찬가지로 1.5mm로 했다.

그리고, 400℃로 가열한 단조 소재(W)를 하측 금형(10)에 장전하고, 이하의 성형 하중을 부여하여 로터 소재(1)를 형성했다. 이 단조 중에 제1 부 하중(F1) 및 제2 부 하중(F2)이 증대되고, 최종 하중은 각각의 초기 하중의 1.5배이었다.

주 하중(F)=325MPa

제1 부 하중(F1)의 초기 하중: 32.9MPa(4.0kg/㎟)

제2 부 하중(F2)의 초기 하중: 44.1MPa(4.5kg/㎟)

이와 같이 하여 얻어진 로터 소재(1)를, 상기 도 14에 도시한 펀칭 장치를 사용하여, 잉여 두께부(5)(6)를 제거하여 로터(R)로 했다.

단조 소재(W)에 대한 로터(R)의 재료 수율(로터(R)의 중량/단조 소재(W)의 중량×100)은 82.9％이었다.

〔실시예 2〕

표 1에 나타낸 바와 같이, 잉여 두께부(5)(6)의 파단 길이(D3)(D4)를 「0」으로 설정한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 마찬가지로 로터(R)를 제작했다.

〔비교예 1〕

표 1에 나타낸 바와 같이, 잉여 두께부(5)(6)의 파단 길이(D3)(D4)를 「-2mm」로 설정한 것 이외에는, 상기 실시예와 마찬가지로 로터(R)를 제작했다.

〔비교예 2〕

표 1에 나타낸 바와 같이, 잉여 두께부(5)(6)의 파단 길이(D3)(D4)를 「-2mm」로 설정하고, 잉여 두께부 외주의 클리어런스(D5)(D6)를 「2mm」로 설정한 것 이외에는, 상기 실시예와 마찬가지로 로터(R)를 제작했다.

〔평가〕

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 2의 제법에서는, 단조 가공시에, 잉여 두께부(5)(6)가 부주의하게 파단되거나 탈락되는 일이 없어, 정체되지 않고 가공할 수 있었다.

또한 실시예 1, 2의 제법에서는, 펀칭 가공 후(잉여 두께부 제거 후)에 있어서의 파단면이 작고, 또한 파단 자국(파단면)이, 센터 구멍(3) 및 베인 홈(4)의 내부에 형성되어 있었다. 따라서, 파단 자국을 마무리 가공하지 않아도 전혀 문제는 없다고 사료된다.

이에 반해, 비교예 1의 제법에서는, 단조 가공시에 잉여 두께부(5)(6)가 부주의하게 파단되어 버려 원활하게 가공할 수 없었다.

또한 비교예 2의 제법에서는, 펀칭 가공 후에 있어서의 파단면이 크고, 게다가 파단 자국(파단면)이 외부로 돌출되도록 배치되어 있었다. 따라서 실제로 사용하는 경우에는, 이 파단 자국을 마무리 가공에 의해 제거할 필요가 있다고 사료된다.

〔시험예 1 내지 7〕

센터 구멍(3)측의 곡률 반경(r3)(r3a)이, 표 2에 나타낸 값으로 되도록 조정한 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 로터를 제작했다. 그리고 내측 버, 볼록 버(도 13b 참조)에 대한 평가를 행했다. 그 결과를 표 2에 함께 나타낸다.

상기 표로부터 명백해진 바와 같이, 곡률 반경(r3)(r3a)을 특정의 값으로 조정한 것은 내측 버 및 볼록 버의 상태가 안정되어 있었다.

또한 베인 홈(4)측의 곡률 반경(r4)(r4a)에 대해서도, 상기와 마찬가지의 시험을 행한 결과, 마찬가지의 평가를 얻을 수 있었다.

본원은 2008년 6월 24일자로 출원된 일본 특허 출원의 일본 특허 출원 제2008-164327호, 및 2009년 2월 26일자로 출원된 일본 특허 출원의 일본 특허 출원 제2009-44372호의 우선권 주장을 수반하는 것이며, 그 개시 내용은 그대로 본원의 일부를 구성하는 것이다.

여기에 사용된 용어 및 표현은, 설명을 위해 사용된 것이며 한정적으로 해석하기 위해 사용된 것은 아니고, 여기에 기재되고 또한 설명된 특징 사항의 어떠한 균등물도 배제하는 것은 아니고, 본 발명의 클레임된 범위 내에 있어서의 각종 변형도 허용하는 것이라고 인식되어야만 한다.

본 발명은, 많은 서로 다른 형태로 구현화될 수 있는 것이지만, 이 개시는 본 발명의 원리의 실시예를 제공하는 것으로 간주되어야 하며, 그들 실시예는, 본 발명을 여기에 기재하고 또한/또는 도시한 바람직한 실시 형태에 한정되는 것을 의도하는 것은 아니라는 이해를 바탕으로, 많은 도시 실시 형태가 여기에 기재되어 있다.

본 발명의 도시 실시 형태를 몇 개 여기에 기재했지만, 본 발명은, 여기에 기재한 각종의 바람직한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 이 개시에 기초하여 소위 당업자에 의해 인식될 수 있는 균등한 요소, 수정, 삭제, 조합(예를 들어, 각종 실시 형태에 관한 특징의 조합), 개량 및/또는 변경을 갖는 모든 실시 형태도 포함하는 것이다. 클레임의 한정 사항은 그 클레임에서 사용된 용어에 기초하여 널리 해석되어야 하며, 본 명세서 혹은 본원의 프로섹션 중에 기재된 실시예에 한정되어야 하는 것은 아니며, 그러한 실시예는 비배타적이라고 해석되어야 한다.

본 발명의 로터 소재용 방법은, 압축기 등의 로터를 제조할 때에 적용할 수 있다.

1: 로터 소재
3: 센터 구멍(샤프트 구멍)
4: 베인 홈
10: 하측 금형
12: 성형 구멍
13: 블레이드부
16: 센터 핀
30: 상측 금형
35: 원형 구멍(센터 핀 대응 구멍)
36: 편평 구멍(블레이드부 대응 구멍)
40: 원형 핀(배압 핀)
41: 편평판(배압판)
D3: 센터 구멍측의 단부면 차
D4: 베인 홈측의 단부면 차
D5: 센터 구멍측의 클리어런스
D6: 베인 홈측의 클리어런스
R: 로터
W: 단조 소재

Claims (17)

1. 하측 금형과 성형용의 하중을 부여하는 상측 금형을 구비하여, 센터 구멍을 갖고, 또한 외주부에 축선에 평행한 베인 홈을 갖는 대략 원기둥 형상의 로터 소재를 단조하는 금형이며,
   상기 하측 금형은, 그 성형 구멍 내로 돌출되는 베인 홈 성형용의 블레이드부와, 성형 구멍의 중심에 배치되는 센터 구멍 성형용의 센터 핀을 갖고,
   상기 상측 금형은, 상기 하측 금형의 센터 핀 및 블레이드부 이외의 부분에 주 하중(主荷重)을 부여하는 상측 금형 본체와, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 센터 핀 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 센터 핀에 제1 부 하중(副荷重)을 부여하는 배압 핀과, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 블레이드부 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 블레이드부에 제2 부 하중을 부여하는 배압판을 가지며,
   형 맞춤시에 있어서의 상기 블레이드부의 선단부면을 상기 블레이드부 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 것을 특징으로 하는 로터 소재 단조용 금형.
2. 제1항에 있어서, 형 맞춤시에 있어서의 상기 블레이드부의 선단부면과 상기 블레이드부 대응 구멍의 개구면과의 간격을 베인 홈측의 단부면 차로 했을 때, 그 베인 홈측의 단부면 차가 0 내지 2mm로 설정되는 로터 소재 단조용 금형.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 블레이드부의 외주면과 상기 블레이드부 대응 구멍의 내주면 사이의 간격을 베인 홈측의 클리어런스로 했을 때, 그 베인 홈측의 클리어런스가 0.01 내지 0.1mm로 설정되는 로터 소재 단조용 금형.
4. 제3항에 있어서, 상기 베인 홈측의 클리어런스가 부분적으로 상이한 로터 소재 단조용 금형.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 베인 홈측의 클리어런스 중, 내주측 단부 및 외주측 단부 중 적어도 어느 한쪽의 클리어런스가, 중간부의 클리어런스에 대해 크게 설정되는 로터 소재 단조용 금형.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 형 맞춤시에 있어서의 상기 센터 핀의 선단부면을 상기 센터 핀 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 로터 소재 단조용 금형.
7. 제6항에 있어서, 형 맞춤시에 있어서의 상기 센터 핀의 선단부면과 상기 센터 핀 대응 구멍의 개구면과의 간격을 센터 구멍측의 단부면 차로 했을 때, 그 센터 구멍측의 단부면 차가 0 내지 2mm로 설정되는 로터 소재 단조용 금형.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 센터 핀의 외주면과 상기 센터 핀 대응 구멍의 내주면과의 간격을 센터 구멍측의 클리어런스로 했을 때, 그 센터 구멍측의 클리어런스가 0.01 내지 0.1mm로 설정되는 로터 소재 단조용 금형.
9. 제8항에 있어서, 상기 센터 구멍측의 클리어런스가 부분적으로 상이한 로터 소재 단조용 금형.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배압 핀의 상부에 설치되어 제1 부 하중을 부여하기 위한 부 하중 부여 수단, 및 상기 배압판의 상부에 설치되어 제2 부 하중을 부여하기 위한 부 하중 부여 수단을 구비하는 로터 소재 단조용 금형.
11. 제10항에 있어서, 상기 부 하중 부여 수단은 가스 쿠션인 로터 소재 단조용 금형.
12. 센터 구멍을 갖고, 또한 외주부에 축선에 평행한 베인 홈을 갖는 대략 원기둥 형상의 로터 소재를 단조하는 방법이며,
    성형 구멍 내로 돌출되는 베인 홈 성형용의 블레이드부와, 성형 구멍의 중심에 배치되는 센터 구멍 성형용의 센터 핀을 갖는 하측 금형을 준비하는 한편,
    상기 하측 금형의 센터 핀 및 블레이드부 이외의 부분에 주 하중을 부여하는 상측 금형 본체와, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 센터 핀 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 센터 핀에 제1 부 하중을 부여하는 배압 핀과, 상기 상측 금형 본체에 천공되어 형성된 블레이드부 대응 구멍에 진퇴 가능하게 끼워 넣어져 상기 블레이드부에 제2 부 하중을 부여하는 배압판을 갖는 상측 금형을 준비해 두고,
    형 맞춤시에, 상기 블레이드부의 선단부면을 상기 블레이드부 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 것을 특징으로 하는 로터 소재의 단조 방법.
13. 제12항에 있어서, 형 맞춤시에 있어서의 상기 센터 핀의 선단부면을 상기 센터 핀 대응 구멍의 개구면에 대해 일치 또는 이격시키도록 한 로터 소재 단조용 금형.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 제1 부 하중 및 제2 부 하중은 각각 29 내지 89MPa인 로터 소재의 단조 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부 하중 및 제2 부 하중을 독립하여 제어하는 로터 소재의 단조 방법.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센터 핀의 단면적이 클수록 제1 부 하중을 작게 하는 로터 소재의 단조 방법.
17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제인 로터 소재의 단조 방법.

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