産業素材

成形体加工を用いた高生産性・高品質を両立する可変バルブタイミング部品生産ライン
High-Quality High-Productivity Manufacturing of Variable Valve Timing Parts
by Green Machining＊五十嵐直人

Naoto Igarashi

寺井園田康則武

Yasunori Sonoda亮太

Ryota Take

寛明

Hiroaki Terai

近年自動車エンジンへの搭載率が高まっている可変バルブタイミング機構（以下、VVT）は、吸排気バルブの開閉タイミングを可変することにより燃費向上、排ガス低減を実現するシステムである。現在、VVT は部品点数が少なく安価に製造できる油圧式が主流であるが、昨今の環境・低燃費志向の高まりに伴い、構成部品の複雑形状化が進みつつある。中でもロータは、従来単独の部品として存在していたオイルコントロールバルブ機能の一部を備えたものが登場するなど複雑形状化が著しいが、一般に粉末成形法では横穴や内溝形状は造形できないことから、焼結後に機械加工を行う必要があり、加工難易度の上昇に伴う製造コスト増加や品質安定化が課題であった。
そこで、高い生産性が期待できる成形体加工技術を適用し、①成形体加工条件の最適化、②成形体加工専用加工ラインの構築、③2D コードを用いたトレーサビリティ付与システムの開発により、高生産性と高品質を両立する VVT 部品生産ラインの構築に成功した。

In recent years, variable valve timing (VVT) systems have been increasingly used for vehicle engines. The most common
VVT systems are hydraulic systems because they require fewer parts and production costs are lower. However, the risingconcern for the environment and demand for improved fuel efficiency have made VVT systems more complicated. We havedeveloped a green machining technique that enables the one-chuck processing of a large number of complicated holesand lateral grooves and established a simple machining line for smart production. For quality assurance, compacts can betraced by 2D codes applied after in-line green machining.
キーワード：可変バルブタイミング機構、成形体加工、2D コード

1.

緒

言

近年自動車エンジンへの搭載率が高まっている可変バルブタイミング機構※1（Variable Valve Timing System。以下、VVT）とは、通常は固定されている吸排気バルブの開閉タイミングを可変させることで燃費向上や排ガス低減を実現するシステムである。VVT は駆動方式により油圧駆動式と電気駆動式に大別されるが、現在は部品点数が少なく安価に製造できる油圧式が主流である。油圧式 VVT は主にスプロケット、ハウジング、ロータと呼ばれる部品により構成され、それぞれ焼結工法に適した製品形状であること

ロータ(吸気側)
写真1

ロータ(排気側)VVT ロータ部品外観から2000年代以降、焼結部品の採用が増えている。昨今の環境・低燃費志向の高まりに伴い、VVT は高性能化・多悪化を招いていた。

機能化しており、構成部品を制御する油路構造は一層複雑

そこで我々は図1に示す VVT 用新規ロータ2点に対し、化している。また近年は、ロータの内径に油溝を追加し、高い生産性が期待できる成形体加工技術※2を適用すること

油圧の流れを制御する Oil Control Valve（以下、OCV）

により、①加工条件・工具形状最適化による複雑多数個穴と一体化させることで部品点数の削減を図った OCV 一体と内径溝部への成形体加工の適用、②成形プレスと成形体型 VVT の出現など、複雑形状化が著しい（写真1）。

加工を同期させたタッチレス・ストックレス・インライン

一般に粉末成形法では、金型を用いて横穴や内径溝形状成形体加工ライン、③成形体への2D コード ※3の付与によを造形することはできないことから、焼結後に機械加工にる製品1個単位でのトレーサビリティ確立をコンセプトとて内径油溝形状を付与する必要があり、機械加工時に発生した高生産性と高品質を両立する VVT 部品生産ラインの構する加工バリ処理も含め製造コストの増加や品質リスクの築に取り組んだ。

2017 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 191 号

47成形体加工適用箇所：1
縦穴：6横穴：2斜穴
内径溝 ：2ロータ(吸気側)

粒子間の機械的な結合(絡み合い)を外している

せん断加工
工具

一般的な機械加工

成形体加工適用箇所
縦穴
横穴
内径溝：1：9：2

工具

加工方向

図3

加工方向

成形体加工

一般的な機械加工と成形体加工の比較に比べ、より少ないせん断応力で機械加工を行うことが可能となる。成形体加工の主な特徴としては、①高生産性、

図1

ロータ(排気側)②低工具摩耗、③切削抵抗が小さいため加工設備が比較的対象製品と成形体適用部位発生しないことが挙げられる。特に、加工バリが発生しなコンパクト、④金属粒子が塑性変形しないため加工バリがいという特徴を活かし、バリ処理が困難な交差穴等へ成形体加工を適用する事例が見られる（2）。一方、成形体加工を2.

適用する上での課題としては、図4に示すように、①脆い成成形体加工技術開発

形体を取扱うことから製品のカケ、キレツの懸念がある、一般的な焼結部品の製法を図2に示す。製品形状を造形す②寸法精度、面粗さ精度が悪く、適用できる部位が限定さる成形工程では、鉄を主成分とする原料粉末を金型に投入れる（もしくは焼結後に仕上げ加工を行う必要がある）、③し、成形プレスを用いて500～700MPa 程度で加圧するこ防塵対策、専用マテハンが必要なことから成形体加工に特とにより“成形体”を作製する。この“成形体”は、金属粉化した専用設備が必要となる点が挙げられる。

末を押し固めただけの状態であり、粒子間は互いに金属結合しておらず、機械的に粒子が絡み合う力のみで形状を保持している。その後、焼結工程において1100～1200℃程度で焼成することにより、粉末粒子は互いに金属結合し、焼結体＝焼結部品となる。焼結工程以降では、焼結部品は

1) ワーク(成形体)のカケ、キレツの懸念がある(成形体加工時)

溶製材等と同様の取扱が可能となる。

1) カケ、キレツ抑制改善A) 成形体強度の向上
・成形体密度UP ・バインダの添加・粒径/表面形状の調整
B) 加工条件の最適化
・専用治具の使用(製品サポート治具)
・工具形状の最適化、加工条件の検討

2) 寸法、面粗さ精度が悪い
・加工面 ＝ 粒子の脱落面のため<一般的な焼結部品の製造工程>
混合工程

成形工程

焼結工程

ｻｲｼﾞﾝｸ工程

機械加工(後処理)

3) 専用加工設備が必要

開発課題<成形体加工品の製造工程>
混合工程

成形工程

成形体加工

注1

焼結工程

以降の工程は従来焼結部品と同様

図4(原理的に対策は困難)
成形体適用可否の見極め必要

3) 成形体加工専用設備の開発

・成形体を取り扱うため専用マテハン、チャック必要・防塵、切粉対策必要

2) 寸法、面粗さ精度対策

製造ｺｽﾄUP適用事例に制約有り<治具使用例>
工具 ワーク製品サポート治具

・成形体の取扱いを考慮した専用マテハン設計
・品質リスク(製品タッチ頻度)を最小にした加工ライン
・品質トレーサビリティを確保した生産ライン・防塵対策、集塵対策を織り込んだ加工ライン対策案

成形体加工における課題と対策案

注1 機械加工部位の一部、もしくは全ての部位に適用

図2

一般的な焼結部品、及び成形体加工品の工法

上記課題における①カケ・キレツ発生対策としては、成形体強度を上げカケ・キレツの発生を抑制する目的で、成形体密度を高く設定する、バインダを添加する等の事例が今回適用を検討した成形体加工とは、図3に示すように、挙げられるが、背反として成形圧力増加に伴う金型寿命の粉末が金属結合していない“成形体”の状態にて機械加工を低下や原料費が増加する問題がある。その他、成形体加工

行い形状付与する工法であり、一般的な焼結体の機械加工時にカケが発生しないように製品非加工面を支えるサポー

48

成形体加工を用いた高生産性・高品質を両立する可変バルブタイミング部品生産ライン

（3）、
（5）
ト治具を用いた事例が報告されているが（1）、、適用で加工取り代を削減することで切削抵抗を低減することが有きる形状が制約される等の課題がある。

効と推定される。

そこで我々は、①成形体加工に適した工具形状、及び加また出口側穴のカケについては、工具がワークを貫通す工条件の最適化によるカケの抑制を目指すとともに、②マる際に大きな破片の脱落が発生しており、穴開けが終了しテハン時のカケ、キレツ対策として、品質リスクを最小にた後も大きなカケとして残存することが判った。そのためする成形体加工ラインの検討、そして③品質トレーサビリ

出口側穴のカケについても、工具の先端角を鋭角とし、スティを確保できる VVT 部品生産ラインの検討を行った。

ラスト方向への応力をラジアル方向へ分散させることで工2－1

具貫通時の大きな破片の脱落が抑制されると推定される。

成形体加工用工具開発

成形体加工用工具の検討にあたり、最初にカケの発生メ

ただし今回の製品では、図6に示すように薄肉部へ横穴をカニズムについて検証を行った。表1に示すように成形密開ける必要があり、ラジアル方向への過大な応力によって度6.9g/cm3の成形体を用意し、ドリル径 ø4の工具を用い該当部へのキレツ発生が懸念された。て成形体を加工した際に工具が入る入口側の穴、及び工具

そこで図7に示すように、入口側穴のカケ対策として工が出てくる出口側の穴に発生するカケの生成状況を高速度具の外周コーナー部の角度を鋭角にすることで切削抵抗をカメラにて撮影した。

低減しつつ、出口側穴カケ対策及び薄肉部キレツ対策として工具先端角をスラスト方向／ラジアル方向へ応力配分を最適化した専用工具を開発した。

表1
サンプル

工具

加工条件

本工具を用いることにより、出口側穴のカケ量を1.6mm

成形体加工テスト条件

試料形状：10mm×10mm×55mm
材料組成：Fe-2.0Cu-0.8C-0.8%Lub（EBS）
成形体密度：6.90 g/cm3から、0.3mm 程度へと劇的に低減させることに成功した。

試験イメージ
カメラ

ドリル

パンチ
端面側

ドリル径：ø4先端角度：120°
材質：高速度鋼※一般的な金属加工用ドリル

カメラ

回転数：6000rpm
Vf：1600mm/min

過剰なラジアル方向への応力によって引張応力が発生し、キレツ発生懸念

半開き横穴形状(3箇所)

テストドリル外観

カット位置

ø4貫通穴を開け、工具の入口側、及調査内容 び出口側の穴エッジ部に発生するカケを調査

横穴部
製品断面評価結果を図5に示す。入口側穴のカケについては、工図6

具の外周コーナー部がワークに接触する際に大きなカケが対象品の横穴形状、及び断面カット形状発生しており、穴開けが終了した後もカケとして残存している。そのため入口側穴のカケ対策としては、工具の先端角を鋭角とし、外周コーナー部近傍の工具一回転あたりのカケ量：0.49

外周コーナ部
大きな脱落対策案

工具進行方向

コーナー外周部角度を鋭角とし切削抵抗低減

外周コーナー部の切削抵抗大によりカケ発生

カケ量：1.56

工具進行方向

取り代

工具外観

入口側カケ

出口側カケ

カケ量：0.49

カケ量：1.55

先端角①、外周ｺｰﾅ角②を個別に設定し最適化

カケ量：0.30

カケ量：0.33

図7

改善工具評価結果まとめ

改善工具

発生原因

送り f = mm/rev

カケ発生状況

工具種類
一般工具(金属加工用)①②

工具進行方向

先端角
ラジアル力
スラスト力

工具先端

工具が貫通する際に大きな脱落が発生

先端角度を鋭角としスラスト力を低減

図5 カケの発生状況、発生対策と対策案

2－3

成形体加工条件の最適化

成形体加工条件の検討にあたっては、図8に示すように横軸にドリル回転速度、縦軸に送り速度をパラメータとし2017 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 191 号

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てプロセスウィンドウ評価を実施し、カケの発生する“境内径溝を貫通する横穴界条件”を確認し、良品化条件を設定している。
またもう一つのパラメータとなる工具状態については、より定量的に工具の摩耗・劣化具合を分析するため、切削動力計を用いて成形体加工時に発生するスラスト力を計測し、成形体加工時の経時的な工具の劣化を定量的に評価し寿命設定している（図9）。

交差部(横穴、縦穴)

内径溝形状
NGNG

標準送り×3

回転数×0.55
送り×2.7

成形体加工適用事例

OKOK

標準送り×2

回転数×0.75
送り×2

通常、内径溝を加工する場合、旋盤加工を選択するのが回転数

標準回転数×0.6

一般的であるが、被削物である成形体を高速で回転させた際に発生する遠心力や把握力によるキレツ発生リスクを懸念し、マシニング加工による内径溝加工を採用した。

OKNG理が非常に困難となることから、本内径溝についても横穴・成形体加工と同様に成形体加工適用を検討した。

標準条件

標準回転数×0.5

図8

図10

内径溝用工具としては、成形体加工の低切削抵抗性を活成形体加工条件・プロセスウィンドウ評価

かし、図11に示すように内径溝形状と総型（同一形状）の専用工具を開発し、ワークへの発生応力が最小となるようにねじれ角や逃げ角を最適化することでカケの発生を抑制<スラスト荷重測定例>
1穴目
17,000穴目

150

150

150
荷重(kN)

200荷重(kN)

200荷重(kN)

200100100
50500-50-50-50

スラスト荷重（ｋN)time

数個穴と内径溝のワンチャック加工を実現している。

500timeしている。本内径溝専用工具を用いることにより、複雑多

100

0200

36,000穴目

Step.1

製品

time

送り(F)：0.26
送り(F)：0.07

150
100

Step.2

回転させた工具を内径壁面へ当てる

500010,000

図92－4

内径溝用専用工具

20,000
加工数

30,000

製品を回転させる
ことで内径溝を加工

40,000成形体加工数とスラスト荷重

内径溝加工への成形体加工適用

図112－5

内径溝の加工方法（概要）

成形体加工ライン開発

今回の開発品は OCV 一体型構造のため、図10に示すよ

成形体加工は、従来の機械加工に比べて高い生産性が期

うに内径溝に横穴が貫通した油路構造をしている。本内径待できるが、成形工程や焼結工程に比べてサイクルが遅い

溝を焼結後に機械加工した場合、横穴出口貫通部のバリ処ことから工程間にバッファ＝中間仕掛品が発生する。その50

成形体加工を用いた高生産性・高品質を両立する可変バルブタイミング部品生産ライン

ため実際の生産においては、成形工程にて成形した成形体

本ラインの特徴は、1個流し生産、製品タッチレス、スを一旦ストックし、一定量溜まった後に成形体加工工程にトックレス、そして2D コードによるトレーサビリティ確送ってから成形体加工を実施している。そして成形体加工

立をコンセプトとした VVT 部品生産ラインとなる。

済のサンプルは再度ストックされ、一定量溜まった後に焼2－6

トレーサビリティの確保結工程へ流す“ストック方式”が主流となる。このストッ成形体加工という難易度の高い技術を量産適用するにあク方式に対してプレス同期方式は、成形プレスの生産サイ

たっては、製造変化点を正確に把握・管理することが品質クルに合うように成形体加工機を複数台並行に設置し、連リスク管理として必要と考えた。

結した生産形態である。それぞれの特徴を表2に示す。

そこで本加工ラインでは、図13に示すように、個々の製品に対し成形体加工直後に2D コードをインラインにて付与することで、製品1個単位で製造履歴を保有することを

表2
生産方法

ストック方式生産方式の特徴（成形体加工）
メリット

デメリット

・成形体加工機台数最小（投資額少）

・品質リスク小（製品タッチ回数少）プレス同期方式 ・設置スペース小（ストッカー不要）
・生産リードタイム短い

・品質リスク大（製品タッチ回数多）・設置スペース大（ストッカー要）・生産リードタイム長い

可能としており、製品の2D コードを読むことで、例えば複数ある同一設備のうちどれを使用して製造された製品なのかといった情報についてもトレース可能としている。

製品外観

・加工機台数多（投資額大）
・設備稼働率低（生産量少の場合）

今回は、成形体加工機の台数が増え設備投資額が増加す

2Dコード

製造日、製造設備情報を印字る課題はあるものの、①ストッカー（中間仕掛置場）に貯める・払い出す際の製品タッチがなく品質リスクが小さい、

図13②ストッカーが不要のため設置スペースが小さい、③仕掛

2D コード外観（完成品）

りゼロ・生産リードタイムに優れるプレス同期方式を採用した。今回導入した成形プレスと同期連動したストックレ
ス・成形体加工ラインの概略図を図12に示す。成形体加工

3.

結言

ラインは成形プレス機、2D コード印字機、成形体加工機、本開発により①加工条件・工具形状の最適化による複雑焼結炉により構成されており、各設備を連結した自動化ラ

多数個穴と内径溝部への成形体加工の適用、②成形プレスインとなる。成形プレス機にて成形された成形体は、成形と成形体加工を同期させたタッチレス・ストックレス・イ体加工機に流れ、成形体加工が行われる。その後、レーザンライン成形体加工ライン、③成形体への2D コード付与

マーカにて2D コードが印字され、焼結工程に流れる。

による製品1個単位でのトレーサビリティ確立をコンセプトとした、高生産性と高品質を両立する VVT 生産ラインの構築に成功した。

成形体加工機・１個流し生産・タッチレス生産

成形プレス(200ton)

・ストックレス生産(仕掛品レス)
・トレーサビリティ(2Dコード)

サイジングプレス(200ton)

レーザーマーカ(2D コード印字)
ベルト焼結炉図12

成形体加工・プレス同期ライン概略

2017 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 191 号

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用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

可変バルブタイミング機構

4サイクルレシプロエンジンにおいて、通常は固定されている吸排気バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）やリフト量を可変とする機構。
※2

成形体加工

粉末冶金法において、固相焼結する前の、粉体を押し固めた“成形体”の状態にて行う機械加工。
※3

2D コード（2次元コード）

横方向にしか情報を持たない1次元コード（バーコード）に対し、横（水平）、縦（垂直）の2方向に情報を持つ表示方式のコードのこと。1次元コードに比べ、より多くの情報をコード化することができ、また印字面積を小さくすることが可能。

参考

文

献

（1）	日本粉末冶金工業会・工業会賞（平成15年度）（2） 日本粉末冶金工業会・工業会賞（平成19年度）（3） 日本粉末冶金工業会・工業会賞（平成20年度）（4） 日本粉末冶金工業会・工業会賞（平成28年度）（5）	㈱ファインシンター、焼結部品へのグリーン加工、SOKEIZAI Vol.52
No.1（2011）（6）	五十嵐 ら、APMA2017 The 4th International Conference on Powder
Metallurgy in Asia 0138

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

五 十 嵐 直 人＊ ：住友電工焼結合金㈱
主席技師

製品開発部

園田康則

：住友電工焼結合金㈱

生産技術部

武亮太

：住友電工焼結合金㈱
主席技師

製品開発部

寺井寛明

：住友電工焼結合金㈱
工場長

製造部

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＊主執筆者

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成形体加工を用いた高生産性・高品質を両立する可変バルブタイミング部品生産ライン