Manufacturing process for making an engine component formed of high carbon steel with a cold-forming

【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炭素鋼エンジン部品の製造方法に関し、より詳細には、本発明は、冷間成形を用いた高炭素鋼エンジン部品の製造プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼からエンジン部品を製造するのに利用可能ないくつかの公知のブランク（ダイスによる切断）加工技術がある。 そのような技術の特定の例は、ねじ機械加工、温間成形、及び熱間鍛造を含む。 ねじ機械加工は、棒材原料を取り出し、多数のスピンドルを有する機械を用いて、該原料を半加工された形状に、若しくは出発ブランク材に機械加工することを含む。 この出発ブランク材は、次いで、さらに所定の公差まで機械加工を受ける。 出発ブランク材を形成するために効果的である一方で、この操作に対する材料屑が高くなる傾向がある。
【０００３】
温間成形は、可鍛性を改善するために、被処理ワイヤを臨界温度以下に加熱することを含む。 ＡＳＴＭ Ａ２９５で特定されるＳＡＥ５２１００材料のような高炭素鋼（０．９３−１．０５％の間の炭素含有率を有する鋼）に対しては、臨界温度は、１３３０°Ｆである。 一旦加熱されると、該材料は、所望の形状に成形される。 しかしながら、成形された部材は、多数の用途に必要とされる厳しい公差に適合できないので、温間成形技術は、不利である。 より詳細には、成形された部材が冷却すると共に、該部材は変形し、そのため、所望の形状を達成するために、追加的な機械加工ステップを必要とする。
【０００４】
熱間鍛造は、棒材原料、被処理ワイヤ若しくはスラグ（短い棒材又は管材）のいずれかから開始する。 出発材料は、温間成形と類似の方法で加熱されるが、より高温まで加熱される。 より詳細には、材料は、臨界温度より高いが融点よりは低く加熱される。 一旦加熱されると、材料は、ハンマーで叩かれて所望の形状にされる。 しかしながら、温間成形と同様に、成形部材が冷却するにつれて、部材は変形する。 さらに、ハンマーで叩く操作を実行するために使用される金型は、粗く不精確になる傾向があり、そのため、所望の形状を達成するために、追加的な機械加工が必要とされる。
【０００５】
所定形状の部材が成形された後で、次いで、部材は熱処理される。 熱処理後に、成形部材は、次いで、端部研磨、外径研磨、内径研磨及び外径仕上げ操作といった複数の研磨操作を受ける。 一旦部材が完成すると、組となる部品に装着されて最終部品に組み立てられる。
【０００６】
機械加工、温間成形及び熱間鍛造に加えて、厳しい公差の複雑な部材を製造するため、若しくは、「ニアネットシェイプ」の部材を製造するために、冷間成形を使用することが知られている。 例えば、高強度のナット及びボルトを製造するために、膨径、頭出し加工（heading）及び押出成形のような、冷間成形技術を使用することが知られてきている。 しかしながら、そのような冷間成形技術は、製造中の金型の損傷及び部材の亀裂を避けるために、低炭素鋼を使用した複雑な部品の成形に対してのみ効果的であると判明した。
【０００７】
しかしながら、カムフォロワローラのように高い接触応力を経験する複雑な部材は、高炭素鋼（例えば、５２１００グレード）から製造されなければならない。 高炭素鋼を冷間成形する従来の試みは、結果的にいくつかの問題があった。 経験された１つの問題は、ニアネットシェイプの部品が被処理材の加工硬化により亀裂を生じる傾向があるということであった。 経験された別の問題は、成形金型の増大する摩耗であり、多くの場合、金型が壊れた。
【０００８】
高炭素鋼を冷間成形する困難さを軽減するために、特殊な加工ステップが、冷間成形前に高炭素鋼を処理するために使用されてきた。 従来、高炭素鋼ワイヤの加工は、所望の物理特性を生成するために、複数の引き抜き操作を含んでいた。 適当な型充填を確実にするために、成形プロセス中には、材料体積が非常に重要であるので、鋼被処理ワイヤの加工は、２段階の引き抜き加工プロセスを含んでおり、第１の引き抜き加工は、結果的に、２５％若しくはそれより大きい主要な断面積の減少につながる。 第２の引き抜き操作は、５％若しくはそれより少ないい面積の減少を伴う、より正確に制御された寸法出し引き抜き加工である。
【０００９】
被処理ワイヤに対する標準的な加工例は、以下のとおりである。 最初に、１８ｍｍの出発直径を有する標準的なワイヤロッドが提供される。 この出発ワイヤは、次いでアニールされる。 次いで、亜鉛燐酸塩コーティングが潤滑剤として作用するように塗布されて該ワイヤは１５．５ｍｍ（２５．８％の減少）まで引き抜き加工される。 引き抜き加工されたワイヤは、再度アニールされる。 次いで、剥離（ピーリング）操作が実行され、直径を１４．７ｍｍまでピーリングする。 次に、ワイヤは、ブラシがけされて、１４．５ｍｍ（２．７％の減少）まで引き抜き加工される。 次いで、ワイヤは、欠陥をチェックするために渦電流（eddy current）検査を受け、亜鉛燐酸塩コーティングが、さらなる加工を通じて潤滑剤として作用するようにワイヤに塗布される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ワイヤを加工するために必要とされる操作数が増加するので、かなり効果的である一方で、そのために、コストがかさむ。 このため、成形金型への損傷を実質的に制限するように適度な成形性のある高炭素鋼の加工方法を含む、高炭素鋼（すなわち、略０．６５％より高い炭素含有率を有する）からなるエンジン部品の費用対効果の高い製造方法が必要である。 さらに、材料を節約しコストを低減するために、ブランクの中心から材料が変位することを許容する高炭素鋼からなるエンジン部品の費用対効果の高い製造方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高炭素鋼（炭素含有率が０．７０％より高い）から、精度が良く、硬化され且つ研磨されたエンジン部品を製造する冷間成形製造プロセスに関する。 従来技術の欠点、特に制限された金型寿命及び最終仕上げ部材の亀裂を避けるために、プロセスの第１ステップは、増加された成形性と低減された内部材料応力とを有する予備処理された高炭素鋼の出発材料を提供することを含む。
【００１２】
本発明に対応して、少なくとも０．７０％、より好ましくは、０．９０％より高い炭素含有率を有する高炭素鋼被処理ワイヤが、特に、処理される。 被処理ワイヤの加工の第１ステップは、その成形性を増加させるためのアニーリング、及び、次いで、亜鉛燐酸塩のような潤滑剤で被処理ワイヤを被覆することを含む。 次に、アニールされた被処理ワイヤは、第１の予め定められた直径まで引き抜き加工され、その結果、被処理ワイヤは、少なくとも２５％低減される。 引き抜き操作後、引き抜かれた被処理ワイヤは、表面の欠陥を除去するために、第２の予め定められた直径までピーリングされる。 次いで、被処理ワイヤは、ブラシがけされる。
【００１３】
ブラシがけされた被処理ワイヤは、次に、第２の引き抜き操作を受ける。 第２の引き抜き操作は、より制御されて５％より少なく直径を減少させる。 引き抜き加工後、被処理ワイヤは、欠陥用の渦電流検査を受ける。 本発明の１つの観点に従って、引き抜き加工された被処理ワイヤは、冷間成形において増加された成形性を提供するために、再度アニールされる。 最後に、アニールされた被処理ワイヤは、亜鉛燐酸塩若しくは有機物のような潤滑剤で被覆される。
【００１４】
一旦予備処理されると、被処理ワイヤは、次に、「ニアネットシェイプ」に冷間成形され、「ニアネットシェイプ」とは、部材が実質的に最終寸法に近く製造されることを意味する。 冷間成形操作は、頭出し加工（heading）若しくは押出成形のいずれかにより実行される。 冷間成形を使用するため、被処理ワイヤは、強制的にニアネットシェイプにされ、このため、屑を最小限にし、研磨操作を低減若しくは省略する。 本発明に対応して、冷間成形操作は、加工硬化を避け、それに伴い成形される部材及び成形金型の両者への亀裂及び損傷を避けるために、複数の操作及び革新的なステップで実行される。 さらに、部材は、ニアネットシェイプに成形されるので、追加的な機械加工は全く必要なく、非常に厳しい公差に部材の所定特性を維持し、表面仕上げを改善するために、最小限の研磨のみが必要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の特徴及び進歩的な観点は、以下の詳細な説明、クレーム、及び以下にその簡単な説明がある図面を検討するときに、より明らかになるであろう。
【００１６】
本発明の方法は、これに限定されないが、自動車用途のカムフォロワローラを含む多様性に富んだ仕上げられた高炭素鋼部材を製造するのに有用である。 カムローラを製造するための好ましい実施形態では、本発明の方法は、大きくて回転楕円形状にされたカーバイド構造を有し、予め定められた高強度且つ高炭素含有率の鋼材料の予備処理されたワイヤを用意することを含む。 鋼ワイヤは、好ましくは以下の特性を有する。 すなわち、略６３％より大きいＺ％（降伏時の断面積減少％）として表される最大（ultimate）降伏強度、略６１０ＭＰａより大きいＲｍとして表される最大引張強度、及び、亀裂のないエンジン部品を提供するために略２００ブリネルより小さいと判定される硬度である。
【００１７】
始めに、制御され予め定められた表面仕上げ及び表面仕上げ方向を有するように、特別に処理された被処理ワイヤが、好ましくは、提供される。 表面仕上げの小さい不連続性は、応力を増加させ、亀裂に進展する可能性があるので、表面仕上げは非常に重要である。 従って、表面が平滑になるにつれて、応力増加因子は少なくなり、そのため、亀裂を発生する可能性も低くなる。 部材中に高い応力が典型的には１方向に存在するので、表面仕上げ方向もまた重要である。 このため、表面仕上げが同一方向ではない場合には、その部材は、成形中に亀裂を発生するようなより低い特性を再度有することになる。
【００１８】
本発明の１つの観点に対応して、図１のフローチャートを参照して、予め定められた表面仕上げ及び表面仕上げ方向を達成するために、高炭素鋼の被処理ワイヤロッド１０が然るべく処理される。 少なくとも略０．６５％の炭素含有率を有する高炭素鋼（ＳＡＥ５２１００若しくは均等物）の被処理ワイヤロッド１０が用意される。 好ましくは、仕上げ部材が高い接触応力に耐え得るように、炭素含有率は、０．９０％より高い。
【００１９】
次に、被処理ワイヤ１０は、成形性を増加させるように該被処理ワイヤ１０を軟化させるためにアニールされる１２。 次いで、被処理ワイヤ１０は、亜鉛燐酸塩若しくは該被処理ワイヤ１０を潤滑するための他の好適な潤滑剤で被覆される１４。 潤滑された被処理ワイヤ１０は、次に、少なくとも略２５％の縮小を受けるように、予め定められた直径まで引き抜き加工される１６。 従来技術とは異なり、引き抜き加工され縮小された被処理ワイヤ１０は、次いで、第２の予め定められた直径までピーリングされ１８、さらに、潤滑コーティングを被処理ワイヤ１０に接着させるために、外部表面がワイヤブラシ処理される２０。 次に、被処理ワイヤ１０は、再度、第３の予め定められた直径まで引き抜き加工される２２。 引き抜き加工２２は、初期の引き抜き加工１６よりも精確であり、引き抜き加工１６における減少よりもかなり少ない直径の減少を含む。 好ましい実施形態では、引き抜き加工２２は、略５％より少ない直径の減少を含む。 次いで、被処理ワイヤは、渦電流検査を受けてもよい２４。
【００２０】
本発明に対応して、オプション的な渦電流検査２４の後で、被処理ワイヤ１０は、さらに、第２のアニーリング操作２６を受ける。 従来技術とは異なり、第２のアニーリング操作２６は、ピーリング操作１８の後で且つニアネットシェイプに被処理ワイヤを冷間成形する（より詳細に以下に論じられる）直前に発生する。 予想に反して、従来技術で行われているようなピーリング前のアニーリング操作を省略することは、ピーリング操作１８の障害とはならないことが判明した。 さらに、ピーリング操作１８前のアニーリングステップを省略することにより、被処理ワイヤ１０に対する処理ステップは、増加せず、コストも増加しない。 さらに、第２の引き抜き２２操作後に第２のアニーリング操作２６を組み込むことは、引き続く加工に対する被処理ワイヤの成形性を改善し、亀裂問題を低減し金型寿命を増加させることが判明した。 アニーリング操作２６後に、被処理ワイヤ１０は、部材成形処理を受ける前に、亜鉛燐酸塩で被覆される２８か、被処理ワイヤ１０を潤滑する石鹸中に浸積される。
【００２１】
１つの好ましい実施形態では、低融点材料の使用に関連する問題を軽減するために、本発明に対応して、亜鉛燐酸塩を含まないワイヤ潤滑コーティングが、潤滑コーティングとして使用される。 好適なコーティングは、引き抜き加工用石鹸、カルシウム燐酸塩、モリブデン硫化物、テフロン（登録商標）若しくは他の有機コーティングを含む。
【００２２】
亜鉛燐酸塩の代わりに石鹸のような有機潤滑剤を使用するときには、革新的な型設計及び全体の成形プロセスが、表面を形成する外径に対する鋼の動きが最小化されるようなものでなければならない。 このことは、亜鉛燐酸塩から石鹸に切り換えるときに、部材に敏感な金型寿命が害されないように実行される。 このアプローチは、また、石鹸潤滑剤が被処理ワイヤのかなりの長さから消失する場合に発生する可能性がある、型とブランクとの冷間溶接のリスクを防止するために行われる。
【００２３】
本発明に対応する被処理ワイヤ１０の予備処理の例は、以下のとおりである。 ０．７０％より高い炭素含有率を有し直径１８ｍｍを有する被処理ワイヤロッド１０が用意される。 被処理ワイヤ１０はアニールされ次いで亜鉛燐酸塩若しくは他の好適な潤滑剤で被覆される。 次に、被処理ワイヤ１０は、直径１５．５ｍｍ（２５．８％の減少）まで引き抜き加工され、直径１４．７ｍｍまでピーリングされる。 渦電流検査が行われ、次いで、被処理ワイヤ１０は、成形性を増加させるためにアニールされ、成形操作の前に、亜鉛燐酸塩のような潤滑剤で被覆されるか、若しくは、石鹸の浸積を受ける。
【００２４】
冷間成形操作で使用するために高炭素鋼の被処理ワイヤを予備処理する代替的な方法も開示される。 図２を参照して、予め定められた清浄度を有する被処理ワイヤ３０が用意される。 被処理ワイヤ３０はアニールされ３２、第１の予め定められた直径までピーリングされる３４。 次に、被処理ワイヤ３０は、ワイヤブラシ処理され３６、第２の予め定められた直径まで引き抜き加工される３８。 引き抜き加工された被処理ワイヤ３０は、さらに渦電流検査４０を受け、次いで、本発明に対応して、成形性を増加させるために第２のアニーリング操作４２を受ける。 最後に、被処理ワイヤ３０は、亜鉛燐酸塩で潤滑され、若しくは、石鹸の浸積を受ける。
【００２５】
本発明に対応する被処理ワイヤ３０を予備処理する例は、以下のとおりである。 ０．７０％より高い炭素含有率を有し直径１６ｍｍを有する被処理ワイヤロッド３０が用意される。 被処理ワイヤ３０はアニールされ３２、次いで直径１５．２ｍｍまでピーリングされる３４。 ピーリング操作３４後に、被処理ワイヤ３０は、ワイヤブラシ処理され３６、直径１４．５ｍｍ（９％の減少）まで引き抜き加工される。 最後に、被処理ワイヤ３０は、渦電流をチェックされ４０、二回目のアニールされ４２、亜鉛燐酸塩若しくは他の好適な潤滑剤で潤滑される４４。
【００２６】
本発明に対応して、一旦予備処理された被処理ワイヤ１０若しくは３０が用意されると、該被処理ワイヤは冷間成形される。 冷間成形は、ねじ成形のような従来の機械加工に比較して、材料屑を低減する。 好ましい実施形態では、予備処理されたワイヤ１０若しくは３０は、押出成形、頭出し加工若しくは他の好適な冷間成形プロセスを使用して、冷間成形される。
【００２７】
押出成形は、実質的に均一な断面積を有する長さを形成するために、ワイヤブランク１０若しくは３０を予め定められた断面を有するダイオリフィスを強制的に通過させることを含む。 被処理ワイヤ１０若しくは３０がダイを通過するに伴って、予備処理ステップにより形成された被処理ワイヤ１０若しくは３０の増大した成形性のために、被処理ワイヤ１０若しくは３０は流れ出し、ピン若しくは複数のピンを囲む。 このため、結果的に、ブランクは、最小限の屑となる材料を有する予め定められた形状に成形される。
【００２８】
頭出し加工では、ダイが用意され、被処理ワイヤ１０若しくは３０は、その一端をピン若しくは複数のピンに接触させてダイに配置される。 ピンは、ダイの中で、被処理ワイヤ１０若しくは３０中にハンマーで叩き込まれ、その結果、被処理ワイヤ１０若しくは３０は、ダイ中で、ピンの周りに流れる。 本発明に対応して、冷間成形を使用して形成されるエンジン部品は、図３にて見られ得るように、複数の段階のプロセス５０にて実行される。 この複数の段階のプロセス５０は、１つ若しくは２以上の異なる冷間成形技術を使用してもよい。
【００２９】
予備処理された被処理ワイヤに対して冷間成形されたブランクは、結果として、亀裂のない表面、亀裂のない一層以下の表面を形成する。 所定の用途で使用されるとき、若しくは、本来のエンジン装置製造業者により指定されるような１０００時間又はこれより長いエンジンサイクル試験を受けるときに、前述した特性は、剥落、亀裂若しくは仕上げられたエンジンローラに発生し得る任意の他の欠陥を防止するために、冷間成形されたブランクに必要とされる。
【００３０】
冷間成形操作後に、加工されたブランクは、次いで、予備洗浄され、使用される鋼のグレードに対する公称組成に基づいて、予め定められた温度で予め定められた時間、熱処理されて焼き入れされる。 熱処理及び焼き入れ操作は、高い耐摩耗性及び耐疲労性を維持するように、冷間成形により発生する全ての誘起応力を軽減する。
【００３１】
本発明の１つの観点に対応して、本発明は、成形金型に過負荷をかけることなく若しくは被処理材の降伏強度を超えることなく、部材に対するニアネットシェイプに成形することを許容するので、亀裂問題は最小化される。 従って、端部研磨、外径研磨及び内径研磨のような研磨操作は、冷間成形プロセスの寸法制御により、実質的に低減及び／又は省略され得る。 このため、本発明の方法は、製造時間及び費用を低減し、ブランクの強度若しくは金型寿命を増加させる。
【００３２】
多数の異なるエンジン部品は、上述したプロセスを用いて成形可能であることが理解される一方で、図３乃至５は、本発明に対応して製造されたカムフォロワローラを図解する。 本発明に対応して被処理ワイヤ１０若しくは３０が用意される。 次いで、該被処理ワイヤは、５つのステップのプロセスで冷間成形される５０。 最初に、スラグ５２が被処理ワイヤ１０若しくは３０から切り出される。 次に、スラグ５２の端部５４が凹みを形成される５６。 次いで、スラグ５２の角部５８の外径が、面取りされる。 内径６０は、薄肉化される。 最後に、薄肉化された内径６０が抜き取られて、ニアネットシェイプを有する完成したカムフォロワローラ６６が形成される。 カムフォロワローラ６６は、加工硬化を避けるために革新的な方法で成形されるので、カムフォロワローラ６６及び金型両者への損傷及び亀裂が回避される。 さらに、カムフォロワローラ６６は、ニアネットシェイプに成形されるので、端部研磨、外径研磨及び内径研磨のような研磨操作が実質的に低減及び／又は省略される。
【００３３】
冷間成形操作後に、カムフォロワローラ６６は、予備洗浄され、カムフォロワローラ６６の成形に使用される高炭素鋼のグレードに対する公称組成に基づいて、工業規格に従って熱処理されて焼き入れされる。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態が開示された。 しかしながら、当業者は、所定の改良が、本発明の教示の範囲内に入ることを了解するであろう。 そのため、以下のクレームが、本発明の真正な範囲及び内容を決定するために、検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】冷間成形用の高炭素鋼ワイヤの加工方法を図解するフローチャートである。
【図２】冷間成形用の高炭素鋼ワイヤの代替的な加工方法を図解するフローチャートである。
【図３】本発明に対応して、カムフォロワローラを製造するための加工操作を図解する。
【図４】本発明に対応する加工操作の種々の段階におけるカムフォロワローラを図解する。