JP5455911B2 - 精密な粉末金属部品、精密な粉末金属部品を備えた組立体および精密な粉末金属部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、精確な寸法に製作されなければならない焼結粉末金属で構成された部品に関する。

焼結粉末金属で構成された部品は、そのような部品の製造に係る技術分野において周知のものである。焼結粉末金属で構成された部品を製作する利点は、部品をいわゆるニア・ネット・シェイプに成形することができる点にある。

粉末金属で構成された部分が精確な寸法を有していなければならない場合には、製造プロセスにおけるばらつきのため、要求される精度を得るために機械加工プロセスを用いて素材を部分的に取り除かなければならないのが通常である。かかるプロセスは、加工時間および加工経費を要するものであり、精確な寸法を得るということを除いて、部品の材料特性を必ずしも改善させるとは限らない。本発明は一部の種類の焼結粉末金属で構成された部品におけるこれらの問題点に対処するものである。

本発明は、精密な粉末金属部品、精密な粉末金属部品を備えた組立体および精密な粉末金属部品の製造方法を提供するものである。この粉末金属部品は、互いに向かい合う一対の対向表面を有する本体を備えている。一対の対向表面のうち少なくとも一方には少なくとも一つの突出部が設けられている。この突出部は、部品の本体の主要部よりも小さな断面積を有している。突出部の自由端から粉末金属部品の反対側の端部までの距離は、精密でなければならない部品の一寸法を規定する。粉末金属部品は、圧縮成形で製作された、端部において突出部を有する本体を焼結してさらに突出部の自由端をコイニングしてこの突出部の自由端と部品の反対側の端部との間の寸法が減少される。これにより、前記寸法を名目規定寸法の許容誤差内に収まるものとするものである。

本発明は、有利には、ポンプ歯車、例えばジェロータ歯車に適用することができる。

本発明の前述した目的およびその他の目的および利点は、以下に記載する詳細な説明に示されるとおりである。詳細な説明においては、本発明の好ましい実施形態が記載された添付図面が参照される。

本発明に係るコイニング突出部を有する焼結粉末金属ジェロータ歯車を示した斜視図である。 本発明に係るコイニングされた突出部を有するコイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車を示した斜視図である。 コイニング装置の断面を示した斜視図である。 図３のコイニング装置の断面を示した斜視図である。 図３のコイニング装置の断面を示した斜視図である。 図３のコイニング装置におけるコイニング突出部の平坦化を示した図であり、（ａ）はコイニング突出部の平坦化を示す図３のコイニング装置の断面図であり、（ｂ）は、コイニング突出部の平坦化を示す図６の（ａ）のエリア６ｂ−６ｂの詳細図である。 コイニング突出部を有する焼結粉末金属ブッシュ部品を示した図であり、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のコイニング突出部を有する焼結粉末金属ブッシュ部品の断面図であり、（ｃ）はコイニングされた突出部を有するコイニングされた焼結粉末金属ブッシュ部品の斜視図であり、（ｄ）は（ｃ）のコイニングされた突出部を有するコイニングされた焼結粉末金属ブッシュ部品の断面図である。 本発明に係るコイニング突出部を有する焼結粉末金属スペーサ部品を示した図であり、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のコイニング突出部を有する焼結粉末金属スペーサ部品の断面図であり、（ｃ）は、コイニングされた突出部を有するコイニングされた焼結粉末金属スペーサ部品の斜視図であり、（ｄ）は、（ｃ）のコイニングされた突出部を有するコイニングされた焼結粉末金属スペーサ部品の断面図である。 コイニングされた表面近辺のコイニングされた粉末金属素材のモノグラフである。 カバーに対して回転するジェロータ歯車の端面を示すために部分的に取り外されたハウジングのカバーを有するジェロータポンプを示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。本発明は、狭い範囲の許容寸法誤差が要求される粉末金属部品に関するものである。幾つかの種類の例示的部品が以下の段落において説明される。精確な許容寸法誤差が求められる部品を必要とする用途としてジェロータポンプ（ｇｅｒｏｔｏｒ ｐｕｍｐ）が挙げられる。この用途において、ジェロータ歯車は、ポンプの十分な封止（ｓｅａｌ）を確保するために狭い範囲の厚さ許容誤差のみが許容される。これは、歯車の端部が、図１０に示すようにポンプハウジングと歯車の端部とのスライド接合部分（インタフェース部分）において、ポンプハウジングに対して封止されるからである。この例示的ジェロータポンプ用途は、図１ないし図６において記載されているものである。

図１を参照すると、焼結粉末金属で構成されたジェロータポンプのジェロータ歯車１０は、（イ）（ジェロータ歯車１０の軸方向の両端において）互いに向かい合った対向表面１２（ｏｐｐｏｓｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ）と、（ロ）歯面１４（ｔｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅｓ）と、（ハ）穴部１６と、（ニ）前記対向表面１２と前記穴部１６との間に設けられた面取部１８（ｃｈａｍｆｅｒ）と、（ホ）（コイニングプロセスにおいてコイニング処理されるべき部分としての）複数のコイニング突出部２０（ｃｏｉｎｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ）とを備えている。コイニング突出部２０の断面形状は好ましくはテーパ状とされ、例えば、その断面積がコイニング突出部２０の自由端において最小化となるような、半円形の断面形状を有している。コイニング突出部２０の自由端は平坦に形成（ｆｌａｔｔｅｎｅｄ）されており、かつ、スライド封止を提供するために、ハウジングの隣接表面に対して摺接（スライド）するように構成されている。代替的に、コイニング突出部２０の形状は、三角形、台形、または、歯車本体と一体的に設けられた突出部の基部（または根元）から自由端２１までテーパ状に設けられたその他の断面形状とされてもよい。

コイニング突出部２０は、一般的には、対向表面１２の周縁に沿って設けられているとともに（ジェロータ歯車１０の）軸方向に延在されている。また、好ましくは、コイニング突出部２０は、コイニング突出部２０の自由端２１が摺接するポンプハウジングなどの相手部品の隣接表面に対する十分な封止を確保するために、対向表面１２上の位置に設けられている。例えば、コイニング突出部２０は、歯のエッジに沿って設けられた、歯の谷径に隣接した一の円形形状の部分に設けられているとともに、ジェロータ歯車１０を貫通している軸方向穴部１６に連続している面取部１８に隣接した他の円形形状の部分近接した、歯の根元に対して（前記一の円形形状の部分を介在させて）径方向内側に隔てられた他の円形形状の部分にも設けられている。

ジェロータ歯車１０の寸法、すなわち、穴径、歯数、直径ピッチ、歯圧力角、歯厚、歯形などは、焼結粉末金属ジェロータ歯車１０を使用する用途に応じて適宜決定することができる。

図２を参照すると、コイニング処理された焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０には、コイニング突出部２０をコイニングして成形された突出部１２０を有する前記特徴部分が含まれている。このコイニングされた突出部１２０（ｃｏｉｎｅｄ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）には、図６に示すようにコイニングされた自由端１２１が設けられている。コイニングされた自由端１２１を設けることにより、名目規定寸法に対する高度に精確な全厚を得ることができる。コイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０は、名目規定寸法に対して５０ミクロン未満という許容誤差を満たすことができる。なお、ここにいう全厚（ｏｖｅｒａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）とは、「コイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０の一方の側の対向表面１２のコイニングされた自由端１２１と、（ジェロータ歯車１１０の軸方向）反対側の対向表面１２のコイニングされた自由端１２１との間の距離」をいうものとする。代替的に、コイニングされた突出部１２０が一方の側の対向表面１２のみに設けられている場合には、全厚とは、「コイニングされた自由端１２１とこれに対して反対側となる対向表面１２との間の距離」をいうものとする。

コイニングされた突出部１２０は、図６に示すように台形状の形状を有している。対向表面１２１に近接したコイニングされた突出部１２０の両側部は、コイニング突出部２０の元の半円形状に基づいて弓状とされている。コイニングされた突出部１２０は、その自由端において元の粉末金属素材に対して約９５パーセントの相対的密度を有している。有利には、コイニングされた突出部１２０は、コイニングされていない粉末金属部品と比較して強度特性が向上されており、改善された封止特性を確保するために孔隙が存在する度合いもより低くなっている。他の利点としては、ポンプ歯車とハウジングとの間にはより少ない表面接触面積が介在していることが挙げられる。有利には、コイニングされた突出部１２０の間またはそれに囲まれたポケットまたは凹部は、流体を収容する流体溜めであり（これは作動油が潤滑油であるケースである）、パフォーマンスの向上、効率性の向上および耐久性の向上が得られる。

油圧ポンプなどのサブアセンブリについては、ポンプの適切な動作のために十分な封止面（漏れまたは圧力損失の最小化）を確保するために、歯車に対して非常に厳密な全厚制御を行う必要がある。これらのポンプに要求される厚さの許容誤差は、例えば５０ミクロン未満、通常は３０ミクロン未満である。現行の製造方法では、二次的な機械加工作業を追加することなしにはこれらの許容誤差レベルを満足することができない。本発明のリブは、部品の端部の外側輪郭または周縁部もしくは他面に沿って、粉末金属パンチ（上部パンチおよび／または底部パンチ）内に配置されることができる。この特徴によって、パンチによって成形された、部品正面の表面を超えて突出する隆起した部分を得ることができ、この部分をコイニング作業における非常に精度の高い全厚許容誤差に適合するまでに塑性変形させることが可能となる。この変形部分は、ジェロータ歯車のケースについていえばポンプアセンブリのための封止面を提供する。コイニング作業の際におけるリブの端部における多孔質材料に対する応力場の適用の間、細孔の平坦化が生じ、膨らんだ部分の厚さまたは高さの減少が生じるが、これは図９のマイクログラフに示すとおりである。厚さの減少が増すことで、完全密度の約９５パーセントに達すると素材の圧縮強度は急速に拡大する。細孔のさらなる閉鎖に伴い塑性変形が支配的な精密化メカニズムとなる。

コイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０を製造するプロセスは、以下のとおりである。（まず、）鉄、アルミニウム、ブロンズ、真鍮または従来の粉末金属ジェロータ歯車を製作するための（あるいは、ジェロータ歯車とは異なる別部品に適用するのであればその部品を製作するための）技術分野において周知のその他の混合物を含む粉末金属混合物を作る。（続いて、）粉末金属混合物を、成形金型内に配置して、該金型内においてパンチを用いて上下から圧縮する。この成形金型は、粉末金属部品の歯面１４の逆形状を有している。パンチは、コイニング突出部２０を有する部品の対向表面１２の逆形状を有している。かかる装置は技術分野において周知のものであり、油圧式装置または機械式装置によって駆動されるものである。

次に、圧縮した粉末金属ジェロータ歯車を焼結する。焼結時間、焼結温度および周囲環境は、選択された粉末金属混合物に基づいて選択することができる。それらの条件の組合せは技術分野において周知である。焼結の結果、最終製品に近い形状を有するいわゆるニア・ネット・シェイプ（ｎｅａｒ ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）とされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１０を得ることができる。

典型的には冷却した後で、焼結粉末金属ジェロータ歯車１０を、図３に示すようにコイニング装置２２でコイニングする。このコイニング装置２２は、超硬工具（ｃａｒｂｉｄｅ）などで構成された成形用構成部２４、油圧アクチュエータまたはプレス要素２６、固定具２７、ポジティブストップ２８および内径支持部３０を備えている。成形用構成部２４は、移動可能な上側成形用構成部３２と、下側成形用構成部３４とを備えている。また、成形用構成部２４は、コイニング突出部２０と接触してこれを変形させるコイニング表面３６を備えている。上側成形用構成部３２は、ポジティブストップ２８と接触するフランジ部３８を備えている。ポジティブストップ２８は、上側成形用構成部３２の動作を停止させることができ、したがって、コイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０の全厚を決定することができる。

コイニング装置のための他の実施形態も可能である。例えば、油圧式プレスに代えて機械式プレスを用いてもよい。また、穴部１６は、内歯スプラインをなすコイニング突出部２０を有してもよい。これらの突出部は、コイニング作業中において内径支持部３０によって変形されることができる。また、焼結プロセスを変更することも可能である。例えば、コイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０は、部品としての強度特性をさらに向上させるために浸潤処理を施してもよい。焼結プロセスに対するかかる変更は、技術分野において周知であろう。いずれにせよ、本発明のプロセスによって、コイニングされた突出部１２０とコイニングされた自由端１２１とを有するコイニングされた焼結粉末金属ジェロータ歯車１１０を得ることができるのである。

コイニングプロセスは切削加工よりも迅速かつ低コストである。また、コイニングプロセスは、鉄、鉄鋼、アルミニウム、ブロンズおよび真鍮などの、コイニング作業の間に塑性変形しうる様々な粉末金属素材に対して用いることができる。

鍛造プロセスは、許容寸法誤差の範囲が狭い他の種類の部品を製造するためにも用いることができる。例えば、図７の（ａ）には、コイニング突出部２２０が設けられた焼結粉末金属ブッシュ部品２１０が記載されている。該部品をコイニングすることにより、図７の（ｃ）に示すように、コイニングされた突出部３２０を有するコイニングされた焼結粉末金属ブッシュ部品３１０が得られる。また、図８の（ａ）には、コイニング突出部４２０が設けられた焼結粉末金属スペーサ部品４１０が記載されている。該部品をコイニングすることにより、コイニングされた突出部５２０を有するコイニングされた焼結粉末金属スペーサ部品５１０が得られる。また、歯車または歯車状の構成要素を有するか、あるいは、ある表面に対してスライドまたは回転する端部を有するとともに該表面に対して封止されなければならない他の構成要素を備えた他の種類のポンプおよび他の機械も存在するので、本発明は、有利には、例えば、Ｐポンプまたはリングポンプなどにも適用することができる。

本発明の好ましい実施形態についてかなり詳細に記載してきたところである。記載された好ましい実施形態に対する多くの変更および変形は、当該技術分野における通常の知識を有する者にとり自明であろう。したがって、本発明は、記載された実施例に局限されるものとみるべきではなく、本発明の特許請求の範囲の記載によって規定されるべきである。

Claims (17)

1. 互いに向かい合った一対の対向表面と、前記一対の対向表面の一方に設けられた自由端に向かってテーパ状に設けられているとともに該対向表面の一方の少なくとも一部に延在されている突出部と、を有する部品本体を備えた焼結粉末金属で構成された部品において、
   （イ）前記突出部における自由端が、該自由端から他の前記対向表面までの寸法を名目規定寸法に対する許容誤差の範囲内に収めて減少させるように、塑性変形され、そして、
   （ロ）前記突出部の自由端が、前記一対の対向表面の他方の塑性変形されていない表面よりも低い孔隙率を有するものとされ、
   前記部品が歯車とされ、前記突出部が、前記歯車の歯の周縁部を包囲するように延在している突出部と、前記歯車の歯の基部において前記端面の一部を包囲するように延在している突出部と、前記歯車を貫通して設けられた穴部を包囲するように延在している突出部と、で構成されている
   ことを特徴とする焼結粉末金属で構成された部品。
2. 前記一対の対向表面には、それぞれ、前記焼結粉末金属で構成された部品の自由端に向かってテーパ状に設けられた少なくとも一つの突出部が設けられ、
   前記一対の対向表面に設けられた突出部の自由端が、その一対の対向表面の一方の自由端と該一対の対向表面における他方の自由端との間の寸法を名目規定寸法の許容誤差内に収めて減少させるように塑性変形され、そして、
   前記一対の対向表面に設けられた突出部の自由端が、塑性変形されていない隣接表面よりも低い孔隙率を有するものとされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
3. 前記突出部には、前記自由端に隣接して弓状の側部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
4. 前記部品が油圧ポンプ用の歯車とされ、そして、前記突出部が、前記歯車の少なくとも一方の端面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
5. 前記突出部が、前記歯車の両方の端面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
6. 前記突出部が、前記歯車の歯の周縁部を包囲するように延在している突出部として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
7. 前記突出部が、前記歯車をその軸方向において貫通して設けられた穴部を包囲するように延在されている突出部として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
8. 前記突出部が、前記端面の上に液体溜めを有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の焼結粉末金属で構成された部品。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載された焼結粉末金属で構成された部品を少なくとも一つ備えたジェロータポンプであって、前記焼結粉末金属で構成された部品が油圧ポンプ用の歯車とされていることを特徴とするジェロータポンプ。
10. 互いの間に接合部を有する少なくとも２つの構成部品を備えた組立体において、
    前記２つの構成部品の一方が請求項１に記載された焼結粉末金属で構成された部品であり、
    前記一方の構成部品には、前記２つの構成部品の他方と接合する接合面が設けられ、
    前記接合面が、前記一方の構成部品の突出部の自由端の表面によって少なくとも部分的に規定され、そして、
    前記自由端の表面が、塑性変形されているとともに、前記一方の構成部品の塑性変形されない隣接面よりも、低い孔隙率とされている
    ことを特徴とする組立体。
11. 前記自由端が前記他方の構成部品に対して摺接するものとされ、そして、前記自由端が、液流を防止するシールをなしていることを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
12. 前記自由端が、該自由端が設けられた前記一方の構成部品の端部の周縁部にわたって延在されていることを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
13. 前記組立体がポンプとされ、かつ、前記構成部品がポンプ歯車とされていることを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
14. （ａ）粉末金属混合物をプレスして成形体とする工程と、
    （ｂ）前記成形体に一対の対向表面を成形して、前記一対の対向表面の少なくとも一方に、自由端に向かってテーパ状とされた突出部を、該自由端から該一対の対向表面の他方までの距離が該距離の名目規定寸法よりも大きくなるように、成形する工程と、
    （ｃ）前記成形体を焼結する工程と、
    （ｄ）前記突出部の前記自由端をコイニングして前記距離を前記名目規定寸法の許容誤差内に収まるように減少させる工程と、
    を順次有し、
    前記成形体が歯車とされ、前記突出部が、前記歯車の歯の周縁部を包囲するように延在している突出部と、前記歯車の歯の基部において前記端面の一部を包囲するように延在している突出部と、前記歯車を貫通して設けられた穴部を包囲するように延在している突出部と、で構成されている
    ことを特徴とする焼結粉末金属で構成された部品を製造する方法。
15. 前記粉末金属部品の前記一対の対向表面に、それぞれ、自由端に向かってテーパ状とされた少なくとも一つの突出部を設けることを特徴とする請求項１４に記載の焼結粉末金属で構成された部品を製造する方法。
16. 前記突出部に、前記自由端に隣接して弓状の側部を設けることを特徴とする請求項１４に記載の焼結粉末金属で構成された部品を製造する方法。
17. 前記自由端を平坦なものとすることを特徴とする請求項１４に記載の焼結粉末金属で構成された部品を製造する方法。