(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球形の頂面とその頂面の球面半径より小さい球面半径である球形の外周面を有し、前記頂面と外周面との間を滑らかに連続させた半球体を鍛造するに際して、
前記半球体と同体積を持つ円柱状又は球状の素形材を、第１の金型による加圧圧縮でもって、前記半球体の頂面の球面半径である頂面を持ち、かつ、その高さが前記半球体より低い予備成形品に鍛造する第１工程と、
前記予備成形品を、第２の金型による加圧圧縮でもって、前記半球体の外周面の球面半径である外周面を持つ本成形品に鍛造する第２工程とを含むことを特徴とする半球体の鍛造方法。
【請求項２】
前記第１の金型は、前記半球体の頂面の球面半径より若干大きい球面半径で形成された凹陥部を具備し、前記第２の金型は、前記半球体の外周面の球面半径より若干小さい球面半径で形成された凹陥部を具備し、前記第２工程において、前記本成形品の頂面と第２の金型の凹陥部の底部との間に隙間を形成した状態とすることを特徴とする請求項１記載の半球体の鍛造方法。
【請求項３】
前記半球体は、斜板式コンプレッサの一部を構成するシューであることを特徴とする請求項１又は２記載の半球体の鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大きな球面半径と小さな球面半径とを組み合わせた外表面を持つ半球体の鍛造方法に関し、例えば、自動車用エアコン等の一部を構成する斜板式コンプレッサに使用されるシュー等の半球体の鍛造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車用エアコン等の一部を構成する斜板式コンプレッサは、図４にその概略構成を示すように、一対のシリンダブロック５ａ，５ｂ内に、斜板２を固定した回転軸３が回転自在に支持されている。シリンダブロック５ａ，５ｂには円周方向の等間隔位置に複数のシリンダボア５が形成され、各ボア５内に両頭形のピストン４が摺動自在に収容されている。各ピストン４の中央部分には斜板２の外周部を跨ぐようにして凹陥部４ａが形成され、この凹陥部４ａの軸方向対向面に球面座４ｂが形成されている。
【０００３】
シュー１はこの球面座４ｂに収容され、斜板２とピストン４との間に介在して、斜板２の回転運動をピストン４の往復運動に変換させる働きをし、回転荷重と揺動荷重とを併せ受ける。尚、両頭形のピストンを備えた複動形の場合を例示したが、単動形の場合も基本的には同様の構成である。シュー１は一般に半球状で、その球面状外表面にてピストン４の球面座４ｂと係合し、平坦な底面にて斜板２と摺接する。
【０００４】
シュー１は鋼球から型鍛造によって成形され、半球状或いはボタン状の外観を呈している。このシュー１は、通常、軸受鋼（ＳＵＪ２）からなる鋼球を素形材として、型鍛造（ヘッダー）、フラッシング、研削、プレス加工等の工程を経て製造される。
【０００５】
ところで、従来のシュー１は、その外表面が単一な球面半径を持つ形状をなしており、プレス成形時のノックアウトピンの痕跡として若干の窪みを有するもの（特公平７−２４９１３号公報）、半球状のもの（特公平３−１２６７１号公報）また、半球体の頂部を一部切り欠いたもの（特公昭６３−４６２７１号公報）などがある。
【０００６】
しかしながら、シュー１の頂面にノックアウトピンの痕跡のあるものや、一部切欠きのあるものはシュー１の頂面周囲に鋭角な部分が残り、これによりシュー１の頂面と摺接するピストン４の球面座４ｂをかじるという欠点を生じる。また、シュー１の頂面が半球状のものは、シュー１の頂面とピストン４の球面座４ｂとの間に潤滑油溜りがなく、焼付きを生じるという欠点があった。
【０００７】
一方、近年では、斜板式コンプレッサのより一層の高速化及び高圧化、更に低速へと使用範囲の拡大化により、シュー１に対しても耐焼付き性、耐かじり性の向上が要望され、特に、ピストン４と摺接するシュー１の外表面の耐焼付き性、耐かじり性が強く要望されている。
【０００８】
前述した問題点を解決するものとして、図５に示す形状のシュー１がある。このシュー１は、ピストン４の球面座４ｂと摺接する球面半径Ｒ１の外周面１ａが形成され、その頂面１ｂは球面半径Ｒ１より大きい球面半径Ｒ２を持ち、その頂面１ｂと外周面１ａとの間１ｃは球面半径Ｒ１より小さい球面半径Ｒ３でもって継目なく滑らかに連続させた形状をなす。尚、シューの底面１ｄは、外径Ｄの約８０％に相当する径を持つ平面状に形成され、その外周にはテーパー状の逃げ面１ｅが設けられている。
【０００９】
従来、図５に示すような形状のシュー１を製作する場合、前述した特公平７−２４９１３号公報等に記載されている方法により、球面半径Ｒ１を有する外表面を持つ半球体を鍛造し、次に、その半球体の頂面では球面半径Ｒ２を持ち、球面半径Ｒ１の外周面との間では球面半径Ｒ３を持つ形状に切削或いは研削により機械加工していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように半球体を製造した上で切削或いは研削により機械加工していたのでは、加工工数が多く、形状精度のバラツキも大きくて工業的に好適な手段ではない。
【００１１】
ここで、前述の球面半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を持つ外表面形状のシュー１を一回の鍛造で製作する場合には、図６に示すように球面半径ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３を持つ凹陥部６を具備した金型７を必要とする。通常、単一な球面半径を持つ凹陥部を具備した金型は、その球面半径より若干小さい外径の真球を用い、この真球を回転と揺動とを組み合わせて回転させた金型をラッピング加工により仕上げすることにより製作され、精度の高い球面形状の製作を安価かつ容易に実現している。しかしながら、図６に示す凹陥部６を具備した金型７のラッピング仕上げに真球を使用することはできない。
【００１２】
そこで、金型７の凹陥部６と逆形状を有する雄型のラッピング棒を製作することも考えられるが、球面半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を持つ外表面形状の加工精度をどんなに高めても真球の精度には及ばない。また、ラッピング棒の加工精度を高めようとすればするほど加工工数は増加するために好適な手段ではない。更に、このラッピング棒を用いて金型をラッピング加工する場合、ラッピング棒を揺動すると金型の凹陥部がラッピング棒と干渉してその形状が不正確となる。また、注意深く緩やかな回転又は静止状態でラッピングする場合は金型の凹陥部の円周方向のキズを取り除くのが困難となって加工工数も多大となる。
【００１３】
また別の手法として、真球の一部を切り欠いてラッピングする方法も考えられるが、この場合、回転ラッピングのみで揺動ラッピングすることができず、前述と同様、金型凹陥部の円周方向のキズを取り除くのが困難であって加工工数も多大となる。次に、別のラッピング棒を用いて金型の凹陥部の球面半径ＲＢ２部分をラッピングする場合も回転ラッピングのみとなり、揺動ラッピングを行うと球面半径ＲＢ３部分の形状を変形させるのでキズが残って精度も劣る。また、図７に示すように金型７の凹陥部６の球面半径ＲＢ３部分（図中斜線ａ部分）のラッピングは細心な注意を払っても金型７に食い込んでその形状を変形させ、凹陥部６の内側へ突出する形となる（図中斜線ｂ部分）。
【００１４】
これによりシュー１の加工精度が低下する。このようにシュー１の外表面の寸法精度が悪いと、その外表面と摺接するピストン４の球面座４ｂとの当たりが悪く局部的に面圧が高くなり、シュー１の動きが円滑でなくなりコンプレッサの動力ロスとなり、また、ピストン４の球面座４ｂを摩耗させ、シュー１と斜板面とのクリヤランスが増加して両者間でガタツキが発生しやすくなってコンプレッサの騒音が増加する。
【００１５】
また、図６に示す金型７により一回の鍛造でもってシュー１を製作する場合、素形材が金型７の凹陥部６に加圧圧縮されて凹陥部６の内壁に強く密着することとなり、鍛造完了後、外力を加えることなく離型させることが非常に困難である。
【００１６】
この金型にノックアウトピンを装着した場合、ノックアウトピンの先端を若干（０．２ｍｍ程度）シューの頂面に食い込ませて加圧圧縮することとなるため、そのシュー１の頂面にノックアウトピンの凹状の食込み跡が残る。その食込み跡とその周囲部分とが交差する箇所は鋭角となるので、その部分を別の加工工程で面取りすることとなるが、大きな面取りは困難であり、その部分がある程度残存するので、シュー１と摺接するピストン４の球面座４ｂを著しく傷つける。
【００１７】
以上のことから、本発明は前述した種々の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、頂面の球面半径よりも小さい球面半径を有する外周面を頂面と外周面間で継目なく滑らかに連続させたシューの外表面を簡単な手段でもって高精度に製作でき、またシューの頂面とピストンの球面座との間に油溜りを形成でき、シューが摺接するピストンの球面座内壁を傷つけない形状をなす安価で高性能のシューを冷間鍛造により鍛造する方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、球形の頂面とその頂面の球面半径より小さい球面半径である球形の外周面を有し、前記頂面と外周面との間を滑らかに連続させた半球体を鍛造するに際して、
前記半球体と同体積を持つ円柱状又は球状の素形材を、第１の金型による加圧圧縮でもって、前記半球体の頂面の球面半径である頂面を持つ予備成形品に鍛造する第１工程と、
前記予備成形品を、第２の金型による加圧圧縮でもって、前記半球体の外周面の球面半径である外周面を持つ本成形品に鍛造する第２工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】
第１工程は球面半径Ｒ２を持つ頂面を形成するためのもので、その球面半径Ｒ２より若干大きい球面半径ＲＢ２の浅い凹陥部を第１の金型に設け、この第１の金型により素形材を加圧圧縮することにより予備成形品を製作する。尚、この予備成形品は、その高さが前記半球体より低いものとする。
【００２０】
第２工程は球面半径Ｒ１を持つ外周面を形成するためのもので、その外周面の球面半径Ｒ１より若干小さい球面半径ＲＢ１を持つ半球状の凹陥部を第２の金型に設け、この第２の金型により予備成形品を加圧圧縮することにより本成形品を製作する。尚、前記第２工程において、前記本成形品の頂面と第２の金型の凹陥部の底部との間に隙間を形成した状態とすれば、本成形品を金型から離型させ易くなる点で好適である。
【００２１】
これにより、本成形品は、頂面の球面半径Ｒ２よりも小さい球面半径Ｒ１を有する外周面を形成すると共にその外周面と頂面との間をその外周面の球面半径Ｒ１より小さい球面半径Ｒ３でもって滑らかに連続させた形状となる。
【００２２】
また、本発明は、斜板式コンプレッサの一部を構成するシューの鍛造に適用することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半球体の鍛造方法の実施形態を以下に詳述する。この実施形態は、自動車用エアコン等の一部を構成する斜板式コンプレッサ（図４参照）に使用されるシュー１に適用した場合である。尚、本発明方法は斜板式コンプレッサ用シュー以外にも適用可能であるのは勿論である。
【００２４】
本発明方法は、頂面１ｂの球面半径Ｒ２よりも小さい球面半径Ｒ１を有する外周面１ａを頂面１ｂから延在させ、頂面１ｂと外周面１ａとの間１ｃをその外周面１ａの球面半径Ｒ１より小さい球面半径Ｒ３でもって滑らかに連続させたシュー１（図５参照）を鍛造することにある。
【００２５】
本発明方法の最初の工程（準備工程）として、図１（ａ）に示すように最終的に製作するシュー１と同体積を持つ円柱状又は球状の素形材８，９を用意する。この素形材８，９としては、例えば玉軸受に使用される焼入れされた軸受鋼（ＳＵＪ２）が好適であり、良好な鍛造性を得る目的から焼鈍しされていることが必要である。また、加工性を考慮して焼入れせずに鍛造してもよい。また、円柱状又は球状の素形材８，９は、後述する第２工程で使用する第２の金型１３（図３参照）に形成された凹陥部１４の開口径の約７０％の外径を有することが望ましい。
【００２６】
円柱状の素形材８は、冷間引抜き線材などのように外径が滑らかに仕上がっている線材が安価に入手でき、これを使用する場合には、前述の線材を定寸に切断後、その両端を鋭角除去の適当な面取り等により仕上げればよい。また、球状の素形材９は、ボールベアリング製造において仕上げ途中のボールを利用でき、市場などより容易に入手できる。この時、表面粗さはＲｍａｘ０．４μｍ以下のものがよい。
【００２７】
次の工程（第１工程）では、素形材８，９から予備成形品１０（図１（ｂ）参照）を製作する第１の金型１１として、図２に示す上型１１ａ及び下型１１ｂを使用する。この第１工程で使用する上型１１ａの凹陥部１２は単純な球面半径ＲＢ２からなるため、これのラッピング仕上げには市販のボールベアリングが利用できて高精度の金型が容易に製作できる。
【００２８】
上型１１ａはその中心部に浅い凹陥部１２を有し、その球面半径ＲＢ２は、後述の第２工程において予備成形品１０が加圧圧縮される時にその頂部が若干盛り上がるのでその分を見込んで、球面半径Ｒ２より若干大きい球面半径ＲＢ２とし、例えばシュー１の外周面１ａの球面半径Ｒ１の約１７５％程度がよい。また、凹陥部１２の深さｍはシュー１の高さＨの４０％がよい（図５参照）。前述の凹陥部１２の表面粗さはラッピング加工して鏡面仕上げとする。一方、下型１１ｂは平面形状とし、その表面粗さは研削仕上げとする。
【００２９】
この第１工程では、最初の工程で準備した前述の素形材８，９を上型１１ａと下型１１ｂとの間に移送し、この第１の金型１１でもって加圧圧縮することにより、素形材８，９を、図１（ｂ）に示すようにシュー１の頂面１ｂの球面半径Ｒ２より若干大きい球面半径を持つ頂面とし、かつ、高さｈをシュー１より低い予備成形品１０に鍛造する。これにより製作された予備成形品１０の高さｈはシュー１の高さＨ（図５参照）の約９５％が望ましい。
【００３０】
この第１工程での加圧圧縮は素形材８，９を単純圧縮するもので、圧縮率も小さく荷重も少ないので小型の金型１１でよく、潤滑被膜も不要である。これにより金型１１の表面粗さがシュー１の表面粗さに比例し、近似なものとなり容易に良好なものが得られる。
【００３１】
次の工程（第２工程）では、図３に示すように予備成形品１０から本成形品１６を製作する第２の金型１３として、上型１３ａ及び下型１３ｂを使用する。この第２工程で使用する上型１３ａの凹陥部１４は単純な球面半径ＲＢ１からなるため、これのラッピング仕上げには市販のボールベアリングが利用できて高精度の金型が容易に製作できる。
【００３２】
上型１３ａはその中心部に単一の球面半径ＲＢ１からなる半球状の凹陥部１４を有し、その球面半径ＲＢ１はシュー１の球面半径Ｒ１より若干小さい寸法とし、その表面粗さは鏡面仕上げとする。また、凹陥部１４の深さｎはシュー１の高さＨ（図５参照）の８５％以上が良好である。尚、この球面半径ＲＢ１は素形材８，９の材質、硬さ、及び本成形品１６の頂面１ｂと上型１３ａの凹陥部１４との隙間量ｐなどの諸条件から適宜最適値に設定される。一方、下型１３ｂはシュー１の底面形状に合わせた形状とする。尚、シュー１の底面１ｄは、外径Ｄ（図５参照）の約８０％に相当する径を持つ平面状に形成され、その外周にはテーパー状の逃げ面１ｅが設けられている。
【００３３】
この第２工程では、第１工程で製作された予備成形品１０を上型１３ａと下型１３ｂとの間に移送し、この第２の金型１３でもって所定のシュー１の高さＨに加圧圧縮することにより、頂面１ｂの球面半径Ｒ２よりも小さい球面半径Ｒ１を有する外周面１ａを頂面１ｂから延在させ、頂面１ｂと外周面１ａとの間１ｃをその外周面１ａの球面半径Ｒ１より小さい球面半径Ｒ３でもって滑らかに連続させた本成形品１６を得る。
【００３４】
この第２工程での加圧圧縮では、予備成形品１０の外周部分が上型１３ａの凹陥部１４のほぼ中央部位から接触し、その中央部位から上方と下方との両方へ向けて接触していき本成形品１６の外周面１ａが形成されるので上型１３ａの凹陥部１４は均等に負荷を受けるので第２の金型１３の長寿命化が図れる。また、加工比も小さいなっているので潤滑被膜も不要となる。これにより第２の金型１３の表面粗さが本成形品１６の表面粗さに比例し、近似なものとなり容易に良好なものが得られる。
【００３５】
この加圧圧縮の完了後、上型１３ａをプレス下死点から上昇させれば、上型１３ａと本成形品１６との間の隙間に閉じ込められた空気が圧縮されているため、その圧縮空気による復元力で本成形品１６の離型は容易となる。尚、ノックアウトピンを使用する場合には、ノックアウトピンを上型１３ａに予め装着しておき、上型１３ａがプレス下死点から上昇する時に弱い力が作用するようにして離型させることも可能である。
【００３６】
最終の工程（仕上げ工程）として、第２工程で製作された本成形品１６の底面１ｄを研削などにより加工し、その全体をバレル研削により仕上げ加工することによりシュー１を得る。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳述する。
【００３８】
本発明方法の準備工程では、図１（ａ）に示すようにシュー１と同一体積で、外径９．８ｍｍ、高さ７．３３ｍｍの円柱状の素形材８を用意し、その両端についてＲ１の面取りを行った。次に、第１工程では、図２に示すように球面半径ＲＢ２が１４ｍｍで深さｍが１．４ｍｍの浅い凹陥部１２を有し、表面を鏡面仕上げした上型１１ａと、表面を研削加工により仕上げ、その表面粗さをＲｍａｘ３μｍとした下型１１ｂとを使用した。
【００３９】
上型１１ａがプレス上死点に上昇した時に素形材８を下型１１ｂの中心部に移送して位置決めし、上型１１ａの下降により加圧圧縮し、高さｈが５．３０ｍｍの予備成形品１０を得た。そして、上型１１ａの上昇により取り出された予備成形品１０の外表面は上型１１ａの凹陥部１２の鏡面が転写されたもので良好な面が得られ、その半径はほぼ１４ｍｍであった。
【００４０】
次に、第２工程では、図３に示すようにシュー１の外周面１ａの球面半径Ｒ１より微小な寸法である球面半径ＲＢ１が７．９５ｍｍで深さｎが４．８ｍｍの凹陥部１４を有する上型１３ａと、所定のシュー１の底面に加圧仕上げする形状とした下型１３ｂとを使用した。尚、上型１３ａの凹陥部１４の球面半径ＲＢ１は、予備成形品１０を上型１３ａにより加圧圧縮して成形した後、本成形品１６を上型１３ａから離型させるとその本成形品１６の球面半径が微小に変化するので簡単な実験などにより適宜設定すればよい。
【００４１】
上型１３ａがプレス上死点に上昇した時に予備成形品１０を下型１３ｂの中心部に移送して位置決めし、上型１３ａの下降により加圧圧縮して本成形品１６を得た。この時、下死点における上型１３ａと下型１３ｂとの間は０．２〜０．３ｍｍとし、その下死点における上型１３ａの凹陥部１４の頂部と下型１３ｂの表面との距離を５．５０５ｍｍとした。
【００４２】
そして、上型１３ａを上昇させることにより、その凹陥部１４内に圧縮されていた空気の復元力が本成形品１６に作用して本成形品１６の離型が容易となる。尚、ノックアウトピンを用いる場合は上型１３ａにノックアウト用の穴１５を適当な寸法に設ければよい。
【００４３】
このようにして製作された本成形品１６の外表面は上型１３ａの凹陥部１４の寸法とほぼ同等になり、その表面粗さは上型１３ａの凹陥部１４の鏡面が転写されたように良好な表面となった。また、本成形品１６の高さＨ（底面から頂面までの寸法）は平均５．４０ｍｍとなり、上型１３ａの凹陥部１４の頂部と本成形品１６の頂面１ｂとの間には、０．１０４ｍｍの隙間ｐが生じた。更に、本成形品１６の頂面１ｂの球面半径Ｒ２は平均１１．５ｍｍとなり、本成形品１６の頂面１ｂと外周面１ａとをつなぐ間１ｃは継目のない滑らかな曲面となり、そこでの球面半径Ｒ３は平均６．５ｍｍとなった。本成形品１６の頂面１ｂと外周面１ａとをつなぐ間１ｃの表面粗さは予備成形品１０の頂面の表面粗さが残ったものであった。この表面粗さは第１工程の上型１１ａの凹陥部１２の鏡面が転写されたものといえ、良好な表面となった。
【００４４】
その後、仕上げ工程において本成形品１６の底面１ｄを研削し、続いて全体をバレル研磨することにより最終的にシュー１を得た。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、例えば、自動車用エアコン等の一部を構成する斜板式コンプレッサに使用されるシューの製作に適用した場合、頂面の球面半径よりも小さい球面半径を有する外周面を頂面と外周面間で継目なく滑らかに連続させたシューの外表面を簡単な手段でもって高精度かつ優れた表面粗さで製作できる。
【００４６】
また、このシューを斜板式コンプレッサに組み込み使用した場合、シューの外表面の寸法精度が高く表面粗さも良好であるのでピストンの球面座との当たりが良好で、更に、シューの頂面とピストンの球面座との間に油溜りを形成でき、シューが摺接するピストンの球面座内壁を傷つけない形状をなす安価で高性能のシューを冷間鍛造により鍛造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明方法の準備工程で使用する円柱状又は球状の二種の素形材を示す正面図
（ｂ）は本発明方法の第１工程で製作された予備成形品を示す正面図
（ｃ）は本発明方法の第２工程で製作された本成形品を示す正面図
【図２】本発明方法の第１工程で使用する第１の金型と予備成形品を示す断面図
【図３】本発明方法の第２工程で使用する第２の金型と本成形品を示す断面図
【図４】シューを使用した斜板式コンプレッサの縦断面図
【図５】本発明方法により製作されたシューを示す拡大正面図
【図６】シューを一回の加圧圧縮により成形する場合に使用する金型を示す断面図
【図７】図６の金型の凹陥部を示す拡大断面図
【符号の説明】
１  半球体（シュー）
１ａ  外周面
１ｂ  頂面
１ｃ  頂面と外周面との間
８，９  素形材
１０  予備成形品
１１  金型
１２  凹陥部
１３  金型
１４  凹陥部
１６  本成形品
【図１】
0003863653.tif 000002
【図２】
0003863653.tif 000003
【図３】
0003863653.tif 000004
【図４】
0003863653.tif 000005
【図５】
0003863653.tif 000006
【図６】
0003863653.tif 000007
【図７】
0003863653.tif 000008