(57)【要約】【課題】ディスクブレーキ用ピストンを製造するにあたり、軽量化を図ると同時に、十分な座屈強度を有するピストンを得る。【解決手段】鋼材を、ピストン６の外径と等しい外径を有する円板状に予備成形する第一工程と、円板状の鋼材１１を、冷間鍛造により中空のカップ状部品１２に成形する第二工程と、冷間鍛造によりカップ状部品１２の開口部側の端部１３を胴部に対して０°＜θ≦３０°の傾斜角θで絞り成形するとともに開口部側の端部１３を圧縮加工することによって、開口部側の端部１３を縮径して端部１３をカップ状部品１２の胴部１４に対して内側に傾斜させ、且つ開口端面を平坦にする第三工程と、開口部側の端部１３の外周に、スピニング加工によって溝９を形成する第四工程と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクブレーキ用ピストンの製造方法であって、
鋼材を、ピストンの外径と等しい外径を有する円板状に予備成形する第一工程と、
前記円板状の鋼材を、冷間鍛造により中空のカップ状部品に成形する第二工程と、
冷間鍛造により前記カップ状部品の開口部側の端部を胴部に対して０°＜θ≦３０°の傾斜角θで絞り成形するとともに前記開口部側の端部を圧縮加工することによって、前記開口部側の端部を縮径して前記端部を前記カップ状部品の胴部に対して内側に傾斜させ、且つ開口端面を平坦にする第三工程と、
前記開口部側の端部の外周に、スピニング加工によって溝を形成する第四工程と、を有することを特徴とする、ディスクブレーキ用ピストンの製造方法。
【請求項２】
前記開口端面の水平方向の厚さが、前記カップ状部品の胴部側壁の肉厚に対して１〜１．５倍となるように、前記第三工程を行うことを特徴とする、請求項１に記載のディスクブレーキ用ピストンの製造方法。
【請求項３】
前記第二工程後の前記カップ状部品は、前記円板状の鋼材の断面に対する断面減少率が０．７〜０．８であることを特徴とする、請求項１または２に記載のディスクブレーキ用ピストンの製造方法。
【請求項４】
前記第三工程において、前記カップ状部品の中空部にマンドレルを挿入し、絞り成形時の縮径量を規制することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のディスクブレーキ用ピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に用いられるディスクブレーキ用ピストンの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディスクブレーキは、車輪とともに回転するディスクをパッドで押さえつけることにより制動するものであり、自動車等の制動手段として広く用いられている。図５に、一般的なディスクブレーキ５１の概要を示す。ブレーキキャリパー５５内にピストン５６が配置され、ピストン５６の先端にパッド５４が取り付けられている。ブレーキキャリパー５５とピストン５６との間にシール材５７が設けられ、ブレーキキャリパー５５内に油や空気等を出し入れすることにより、ピストン５６が図５の左右方向に移動し、パッド５４を介してディスク５３を押しつけたり離したりする。ピストン５６の開口側の端部付近には、ブレーキキャリパー５５内に異物が混入しないためにダストブーツ５８が取り付けられ、このダストブーツ５８をはめ込むために、ピストン５６の開口側の外周部に、溝５９が形成されている。このようなディスクブレーキ５１において、ピストン５６は、ブレーキ全体の軽量化を図るために中空のカップ形状に形成され、パッド５４をディスク５３へ押し付けるための十分な強度を有すると同時に、軽量であることが求められている。
【０００３】
このようなディスクブレーキ用の中空ピストンを製造する方法として、例えば特許文献１に、冷間鍛造による後方押出で有底円筒体を成形した後、有底円筒体の開放端側を前方押出により絞り成形する方法が開示されている。ところが、この製造方法では、ダストブーツが挿入される溝が切削により形成されて、部分的に肉厚が小さい個所が生じるため、その部分の座屈強度が著しく低下する。
【０００４】
そこで、溝部周辺の強度を向上させるピストンの製造方法として、特許文献２には、鋼棒をカップ状部品に成形した後、カップ状部品の開口部に圧縮加工を加えて溝を形成する位置の肉厚を大きくし、その後、肉厚を大きくした位置の外周にスピニング加工を施して溝部を形成する中空ピストンの製造方法が開示されている。この方法は、冷間鍛造による圧縮加工とスピニングとを組み合わせて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できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５１−４６６７０号公報
【特許文献２】特開２０１３−９２１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、側壁が直立した形状のピストンは座屈強度が十分でなく、開口側の端部の肉厚を厚くするのは困難である。すなわち、例えばカップ状部品の断面減少率を７０％以上にして大幅な軽量化を図る場合、圧縮加工時に、肉厚が薄く直立した側壁が座屈変形する可能性がある。また、カップ状部品の断面減少率を７０％未満にした場合には、側壁の肉厚が厚く圧縮加工時に大きな力を要するため、やはり側壁が座屈変形する可能性があるという問題点がある。
【０００７】
本発明の目的は、軽量化を図ると同時に、十分な座屈強度を有するディスクブレーキ用ピストンの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は、ディスクブレーキ用ピストンの製造方法であって、鋼材を、ピストンの外径と等しい外径を有する円板状に予備成形する第一工程と、前記円板状の鋼材を、冷間鍛造により中空のカップ状部品に成形する第二工程と、冷間鍛造により前記カップ状部品の開口部側の端部を胴部に対して０°＜θ≦３０°の傾斜角θで絞り成形するとともに前記開口部側の端部を圧縮加工することによって、前記開口部側の端部を縮径して前記端部を前記カップ状部品の胴部に対して内側に傾斜させ、且つ開口端面を平坦にする第三工程と、前記開口部側の端部の外周に、スピニング加工によって溝を形成する第四工程と、を有することを特徴とする、ディスクブレーキ用ピストンの製造方法を提供する。
【０００９】
前記開口端面の水平方向の厚さが、前記カップ状部品の胴部側壁の肉厚に対して１〜１．５倍となるように、前記第三工程を行うことが好ましい。
【００１０】
前記第二工程後の前記カップ状部品は、前記円板状の鋼材の断面に対する断面減少率が０．７〜０．８であってもよい。また、前記第三工程において、前記カップ状部品の中空部にマンドレルを挿入し、絞り成形時の縮径量を規制してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、軽量且つ十分な座屈強度を有するディスクブレーキ用ピストンを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態にかかるディスクブレーキ用ピストンの製造方法で製造されたピストンを用いたディスクブレーキの概要を示す縦断面図である。
【図２】本実施の形態にかかるディスクブレーキ用ピストンの製造方法の各工程を実施した際に製造される部材形状を示す説明図であり、それぞれ（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程、（ｃ）は第三工程、（ｄ）は第四工程によって製造された部材を示す。
【図３】第三工程の加工方法の例を示す縦断面図であり、（ａ）は加工直前、（ｂ）は加工途中、（ｃ）は加工完了時の状態を示す。
【図４】実施例で成形したピストンの寸法を示す縦断面図である。
【図５】一般的なディスクブレーキの概要を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１４】
図１は、本実施の形態にかかるディスクブレーキ用ピストンの製造方法によって製造されたピストンを用いたディスクブレーキの概要を示す。ディスクブレーキ１は、タイヤ２とともに回転するディスク３を、両側からパッド４で押さえつけて摩擦力を発生させ、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して、タイヤ２を制動させるものである。図１に示すように、ブレーキキャリパー５内に、中空カップ形状で開口側端部が絞り成形されたピストン６が配置され、ピストン６の開口部側先端にパッド４が取り付けられている。ブレーキキャリパー５の内側とピストン６の外周との間にシール材７が設けられ、ブレーキキャリパー５内に油を出し入れすることにより、ピストン６が図１の左右方向に移動する。ピストン６の移動に伴い、ピストン６先端に取り付けられたパッド４が、ディスク３を押しつけたり、ディスク３から離れたりする。ピストン６の開口側の端部付近にはダストブーツ８が取り付けられ、このダストブーツ８をはめ込むために、ピストン６の開口側の外周部に、溝９が形成されている。
【００１５】
図２は、本実施の形態にかかるディスクブレーキ用ピストン６の製造方法において、各工程によって製造される部材の形状を示す。まず、第一工程では、図２（ａ）に示すように、棒材あるいはコイル材から切断された中実材を、ピストン６の外周寸法に合わせた寸法および形状を有する円板状の鋼材１１に、冷間鍛造にて予備成形する。なお、ピストン６の外周寸法に合わせた棒材あるいはコイル材から切断した中実材を用いる場合には、予備成形をする必要は無い。また、板状鋼材からピストン６の外周寸法に合わせた円板状に打抜いた素材を鋼材１１として用いることも可能である。なお、鋼材１１の外径は、成形するピストン６の外径と概ね等しければよく、厳密に同じでなくても構わない。
【００１６】
次に、第二工程として、円板状の鋼材１１を、冷間鍛造の後方押出により、図２（ｂ）に示すような中空のカップ状部品１２に成形する。本実施形態においては、円板状の鋼材１１の断面積に対する、カップ状部品１２の中空部１２ａの断面積で表される断面減少率（減面率）Ｒｄ（＝ｄ２／Ｄ２）は、０．７〜０．８とした。断面減少率が０．７未満では、ピストン６の軽量化効果が少なく、一方、断面減少率が０．８を超えると、カップ状に冷間鍛造成形する際の金型寿命が著しく短くなるため、断面減少率は０．７〜０．８の範囲が好ましいからである。
【００１７】
その後、第三工程として、カップ状部品１２の開口側の端部に対し、絞り成形とともに圧縮加工を行い、図２（ｃ）に示したカップ状部品１２を成形する。このような形状のカップ状部品１２を得るために、例えば図３に示した加工方法で成形する。まず、図３（ａ）に示すように、第二工程で成形されたカップ状部品１２を固定し、中空部１２ａ内にマンドレル２１を挿入する。そして、カップ状部品１２の開口部側の端部を内側に絞るとともにカップ状部品１２の開口端を底部に向けて押圧する金型２２が、図３（ａ）の下方に向けて押し込まれる。金型２２は、カップ状部品１２の開口側の端部１３の側面を、所定角度の傾斜で内側に絞る傾斜面２３と、カップ状部品１２の開口端を図３の下方へ押圧する押圧面２４とを有している。金型２２が下方に押し込まれると、図３（ｂ）に示すように、先ず、カップ状部品１２の開口部側の端部１３が、傾斜面２３に沿って徐々に内側に傾斜し、縮径する。開口端の内側がマンドレル２１に接触すると、それ以上は縮径されず、絞り加工による縮径量が規制される。その後は、押圧面２４によってカップ状部品１２の先端が押圧され、図３（ｃ）に示すように、開口端が平坦に形成される。このようにして、カップ状部品１２の開口側の端部１３を縮径すると同時に、開口端を平坦に形成することができる。
【００１８】
第三工程は、図２（ｃ）に示したカップ状部品１２の開口側の端部１３の傾斜角θが、胴部１４に対して０°＜θ≦３０°となるように行われることが好ましい。傾斜角θを設けるのは、後述する第四工程にて溝９を成形した際、溝９からカップ内径側への側壁部肉厚を大きくするためである。この肉厚が薄いと、ピストン６がパッド４からの圧力を受けた際に座屈してしまう。ただし、θが３０°を超えると、第三工程にて端部１３を圧縮加工する時や第四工程にて溝９を成形した時に、製品形状が成り立たない可能性が生じる。
【００１９】
また、圧縮加工後の開口端面の水平方向の厚さＬは、カップ状部品１２の胴部１４の肉厚ｔに対して１〜１．５倍となるようにすることが好ましい。ディスクブレーキのピストン６は、パッド４を通じてディスク３を押し付ける機構であり、ピストン６の開口端面にてその荷重を受ける。開口端面の面積が小さいと、端面の面圧が大きくなり塑性変形する可能性があることから、端面の面積は大きい方が良い。したがって、開口端面の水平方向の厚さＬは、カップ状部品１２の胴部１４の肉厚以上とする必要がある。一方、開口端面の厚さＬを大きくするには、図３（ｂ）の成形時に金型２２を押し込む必要あるが、側壁部肉厚ｔに対して１．５倍を超えるようにするには金型２２への負荷が大きくなり、金型２２の寿命が著しく低下する。
【００２０】
図３では、中空部１２ａ内にマンドレル２１を挿入して、金型２２にてカップ状部品１２の上端面の肉厚を増肉している。これは、実生産では素材重量や潤滑状態のバラツキにより製品寸法のバラツキが生じるので、厚さＬを安定して生産するために、マンドレル２１を用いている。厚さＬの寸法精度が必要ない製品であったり、素材の重量バラツキが小さい場合には、マンドレル２１を挿入しなくても良い。
【００２１】
この第三工程で行われる冷間鍛造による塑性変形によって、端部１３は肉厚を増すとともに加工硬化される。
【００２２】
また、本実施の形態の第三工程において、端部１３を胴部１４に対して屈曲させることで、端部１３に圧縮力を加えた際、胴部１４が座屈しにくくなる。前述の特許文献２では、側壁全体が直立した状態でカップ上端を圧縮してカップ上部の肉厚を増肉させているが、カップ上部のみを塑性変形させて増肉させるためには、金型（本発明では図３における金型２２）においてカップ上端面と接触する部分の摩擦を小さくする必要があり、金型の面粗さが少なくなるようにラッピングを施すなどして管理する必要がある。なお、金型面が粗いとカップ上端面の厚さＬが増肉せず、カップ側壁全体が変形したり、場合によっては側壁が座屈する可能性がある。
【００２３】
こうして絞り成形と圧縮加工とからなる第三工程で成形されたカップ状部品１２に対して、第四工程を行う。第四工程は、第三工程で縮径された開口部側の端部１３の外周に、図２（ｄ）に示したように、スピニング加工によって、ダストブーツはめ込み用の溝９を形成する。こうして、ピストン６が完成する。溝９の形成を、切削でなくスピニング加工なる塑性変形によって成形することにより、鍛流線を切断させることがなく、溝９およびその周辺部を加工硬化させることができる。すなわち、上述した第三工程での端部１３の肉厚増加と、第三工程及び第四工程の２回の加工硬化によって、溝９は、パッド４から受ける荷重に対して十分な座屈強度を確保できる。
【００２４】
したがって、本実施の形態によれば、カップ状部品の断面減少率が０．７以上となり、側壁の肉厚が薄くなっても、十分な座屈強度を確保することができる。そして、断面減少率を大きくできることにより、従来よりもピストン６の軽量化を図ることができる。
【００２５】
ところで、ピストン６の開口側の端面は、ディスクブレーキ１のパッド４を押圧するために、平坦にする必要がある。この点に関し、第三工程で絞り成形しか行わなかった場合、次の工程であるスピニング加工時に、カップ上端部を平坦に成形するロール等を設けて端面の成形を行わなければならず、設備が複雑になり手間がかかる。本実施の形態では、上記したように、第三工程で、絞り成形と端面の圧縮加工とを同時に行うようにしたので、簡易な設備でピストン６を製造することができる。なお、第四工程においてカップ上端面を平坦に成形しながら溝部成形を行うと、溝部成形ロールと素材との密着が強くなり、溝部成形ロールの寿命が悪化するなどの問題が発生する。
【００２６】
ピストンの素材となる鋼材のＣ量は、０．０６〜０．２５質量％程度とするのがよい。ただし、本実施形態では、前述の通り、ピストンの軽量化を図るために断面減少率Ｒｄを０．７以上とすることが望ましく、その際、Ｃ量が０．１５質量％を超えると、成形時の金型への負荷が大きくなり金型寿命が低下する。また、Ｃ量が０．０６質量％未満ではピストンの強度が確保できないことから、Ｃ量は０．０６〜０．１５質量％であることがさらに好ましい。
【００２７】
なお、図２および図３では、第三工程で絞り成形されるカップ状部品１２の端部１３の縦断面が直線状に傾斜して縮径されているが、端部１３の縦断面が湾曲部を有する曲線状になるように縮径してもよい。
【００２８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【実施例】
【００２９】
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。
【００３０】
被加工材としてＪＩＳ  Ｇ４０５１（１９７９年）機械構造用炭素鋼Ｓ１０Ｃ（Ｃ：０．１１質量％、Ｓｉ：０．２２質量％、Ｍｎ：０．４５質量％、Ｐ：０．０２１質量％、Ｓ：０．０１０質量％）を用い、形状が異なる種々のカップ状ピストンを成形した。図４に示すように、本発明例、比較例とも溝の上下方向の寸法は４ｍｍ一定、溝の深さは２ｍｍ以上とし、上端から５ｍｍの位置から溝を設けた。成形品の高さＨは外径Ｄと等しく、底部の肉厚は側壁の壁厚に等しいｔ１とした。
【００３１】
本発明例としては、請求項に記載した製造方法で成形した（Ｎｏ．１〜１４）。また、比較例として、冷間鍛造後、溝を切削で成形する従来法によるピストン（Ｎｏ．２０〜２３）、第三工程において開口部側の端部の絞り成形を行わないもの（Ｎｏ．１７、１８）、第三工程において開口部側の端部の絞り成形の角度が請求項１の範囲から外れたもの（Ｎｏ．１５、１６、１９）を成形した。冷間鍛造は１００００ｋＮ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て成形した。
【００３２】
表１に、各成形品の形状、絞り成形形状、製品の重量の一覧を示す。スピニング成形により溝を所定の形状に成形すると、図４に示す溝部の壁厚ｔ２が得られるが、ピストンの座屈強度を確保するには、溝部の壁厚ｔ２を一定以上確保する必要がある。本実施例では、溝部の壁厚ｔ２が外径Ｄの４％以上である（Ｄ×０．０４≦ｔ２）場合に、座屈強度が十分であると判断した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１に示すように、本発明例では、全ての場合でピストンが成形できた。これに対して、Ｎｏ．２０〜２３は、切削により溝を成形するため、肉厚ｔ１を大きくする必要があり、重量が重くなる。Ｎｏ．１７，１８は、第三工程の絞りを行わなかったため、端面精度が悪く端面の厚さＬが不均一になった。また、ｔ２が薄く座屈強度が低い。Ｎｏ．１５，１６，１９は傾斜角θが大きいため、第三工程での絞り加工で座屈発生し、形状不良となり加工不可になった。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ディスクブレーキ用ピストンの製造に有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１    ディスクブレーキ
２    タイヤ
３    ディスク
４    パッド
５    ブレーキキャリパー
６    ピストン
７    シール材
８    ダストブーツ
９    溝
１１  鋼材
１２  カップ状部品
１３  端部
１４  胴部
２１  マンドレル
２２  金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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