JP4829575B2 - アルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金製鍛造成形品およびその製造方法に関するもので、特には主成形方向に平行な溝状部位を有する成形品を鍛造成形する工程を含むアルミニウム合金製鍛造成形品に関するもので、例えば、自動車に搭載する空調用ロータリー式コンプレッサーのローターや、ブレーキ制御用のロータリー式真空ポンプのローター素材の製造方法に関するものである。

主成形方向に平行な溝状部位を有する成形品として、コンプレッサーのローターやブレーキ制御用のロータリー式真空ポンプのローターがある。自動車に搭載する空調用ロータリー式コンプレッサーのローターやブレーキ制御用のロータリー式真空ポンプのローターは、軽量化を目的としてアルミニウム合金製が主流になっている。通常、このローターの鍛造用素材は円筒形の外周から内側に向かってベーン収納のための複数の溝が切られた形状になっている。最終的には、この鍛造用素材は、その中心部に機械加工によりシャフト挿入用の穴を開け、寸法出しのための機械加工を施してローター製造に使用される。

図１４は、従来の鍛造方法によってローター素材を製造する工程の一例である。従来の方法では、図１４（Ａ）のように所定の長さに切断し加熱されたアルミニウム材料をブランク（鍛造用素材）２としてブッシュ３に投入する。図１４（Ｂ）は、上方より上型１である加圧パンチが円筒形の長手方向で必要とされる寸法を得るための所定のストロークを降下し、ローター素材の成形が完了した状態を表している。その後、図１４（Ｃ）のように、下方からノックアウトピン８によって鍛造品が排出される。

このローター素材の製造方法としては、熱間鍛造による方法が知られており、例えば、特開平３−１６５９４８号公報には以下の方法が開示されている。

複数のベーン収納部を有するアルミニウム合金製ローターの製造方法において、ダイス穴の軸方向に垂直な断面をコンテナ内の軸方向に垂直な断面に対して減少させるかあるいは同じとし、互いに同軸上に配置されたダイスとコンテナを有する金型構造を用い、ブランクをコンテナ内に挿入し、該ブランクを前記ローター素材の外輪郭形状を有しているダイスの穴の中に加圧パンチによって押し込み、ダイプレートによりバックアップされる前記ダイス穴内のブランクを前記ダイプレート内のノックアウトパンチによってコンテナを通してノックアウトを取り出すことを特徴とするアルミ合金製ローターの製造方法が開示されている。

しかし、この鍛造方法では、鍛造品の下端面のコーナー部付近にパンチ荷重が伝わり難く、完全に材料がダイス内に充填されることが難しい。そのため、鍛造品の、特に形状精度が必要なベーン収納溝の溝幅が製品端面付近で広がるという問題がある。そのために、本来必要な寸法よりも長い鍛造品を得て、溝幅が広がっている部分を切削加工することにより、所定形状を有した部分のみを残して製品とするという処理が必要になるため、材料歩留まりが悪くなる。

上記の課題を解決するために、例えば特開２０００−１１７３８１号公報には、以下のような鍛造方法が開示されている。

（１）ベーン収納溝を有するアルミニウム合金製ローター素材を鍛造法により製造する際、ベーン収納溝を成形するダイス羽根部の下部に位置するアンビル上のダイス羽根部の脇にあたる部分に凸部を設け、それにより鍛造品端面のベーン収納溝脇に凹部を成形することによりベーン収納溝の溝幅の広がりを矯正することを特徴とする鍛造方法、及び（２）前記凸部の総面積が製品端面の面積の３０％以下であることを特徴とする上記（１）に記載の鍛造方法、及び（３）前記凸部の位置がダイス羽根部から４ｍｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（２）記載の鍛造方法、及び（４）前記凸部の高さが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）記載の鍛造方法が開示されている。

一方で、熱間鍛造後に機械加工されていたシャフト挿入用の穴を、熱間鍛造でセンター穴としてベーン収納溝と一緒に鍛造成形する方法がある。これにより、切削加工代を大幅に削減し、鍛造用素材の歩留まりの向上を図ることができる。

しかし、上記の熱間鍛造でセンター穴とベーン収納溝を一緒に鍛造成形する際、センター穴として成形される部分の鍛造用素材が成形方向とは逆向きに流動するため、鍛造品の下端面のコーナー部付近で鍛造用素材が不足する。センター穴のない場合に比べて鍛造品の下端面のコーナー部付近にメタルを充填させることが難しくなり、鍛造品の特に形状精度が必要なベーン収納溝の溝幅が製品端面付近で広がる問題点が発生する。原理的に、鍛造荷重を十分に高くすれば、鍛造品の下端面のコーナー部付近にも十分に鍛造用素材を充満させることは可能であるが、その場合はダイスに加わる荷重が過大となり、ダイス寿命が短くなってしまう問題点と、ダイスへの大きな荷重によってダイス羽根部が変形し、逆にベーン収納溝の寸法精度が低下する問題点が生ずる。

本発明者が、センター穴を有するローター素材において、特開２０００−１１７３８１に開示されている方法で、ベーン収納溝の溝幅が製品端面付近で広がりを抑制できるか調査したが、十分な効果を確認することができなかった。この方法でも、鍛造荷重を十分に高くすれば、鍛造品の下端面のコーナー部付近にも十分に鍛造用素材を充満させることは可能である。しかし、金型への負荷が大きくなり、前述と同様にダイス寿命が短くなる問題点と、ベーン収納溝の寸法精度が低下する問題点が生ずる。

一方で、成形品の端部の形状の張を改善する工法として、背圧鍛造工法がある。背圧鍛造工法は、例えば、スクロールの羽根の高さを均一に充満させるために用いられており、鍛造時に材料の先端面に鍛造方向と逆向きの荷重を加えながら材料を圧下することで、荷重が伝わりにくい材料先端部も高精度で成形することを可能とする手法である。例えば、国際特許ＷＯ０１-０７７３９８号公報に、鍛造スクロール部品及びその製造方法が開示されている。
特開平３−１６５９４８号公報 特開２０００−１１７３８１公報 国際特許ＷＯ０１-０７７３９８号公報

センター穴を有するローター素材の鍛造においても、背圧鍛造工法によって、鍛造品の下端面のコーナー部付近にも材料を充分に充填させることができる。しかし、製品端面付近でベーン収納溝の溝幅が広がる問題は解消されるが、その反面、単に背圧工法を適用したのであっては新たに別の問題点が発生していることが判明した。

金型のダイス羽根部の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形が生じ、ベーン収納溝の位置寸法精度が悪くなる問題が発生する。ベーン収納溝の位置寸法精度が悪くなると、所定の寸法精度を確保するために結局切削加工を施すことが必要となり、やはり材料歩留まりが悪くなるという問題が発生する。

本発明は上記事情に鑑み、主成形方向に溝状部位を有する成形品を鍛造成形して製造する際において、溝状部位の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善し、後工程の切削処理の省略、処理工数の削減を図ることを目的としている。

本発明は、以下の手段を提供する。すなわち、
（１）鍛造成形されたアルミニウム合金製ローター素材であって、組成が、Ｓｉが１４〜１６質量％、Ｃｕが４〜５質量％、Ｍｇが０．４５〜０．６５質量％、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以下、Ｚｎが０．１質量％以下、Ｔｉが０．２質量％以下を含有し、残りがＡｌと不可避不純物であり、鍛造成形品の寸法精度の悪いところを削除するような下端面の切削処理が施されることなく、ベーン収納溝の溝幅の端面付近での広がりが５０μｍ以下、上端面と下端面のベーン収納溝円筒部の中心位置の差が０．０７５ｍｍ以下の寸法精度を有することを特徴とする主成形方向に平行なベーン収納溝を有する鍛造成形されたアルミニウム合金製ローター素材を製造するためのアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法であって、上金型と成形孔内に突出した薄板状部位を有する下金型とを用いて、主成形方向に平行なベーン収納溝を有する鍛造成形品を鍛造成形する工程を含み、鍛造用素材の主成形方向の先端面に背圧力を付与した背圧板が下金型に設けられているベーン収納溝形成部よりも１ｍｍ以上高い位置で待機した状態で成形を開始することで、ベーン収納溝の溝幅の製品端面付近での広がりを抑制し、鍛造用素材の成形孔内への充填率が１０％〜５５％の間に該背圧力を瞬間的に除去することで、背圧板をフリーにしてダイス羽根部にかかる高圧力を開放するとともに、ダイス羽根部の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形を抑制してベーン収納溝の位置寸法精度の悪化を抑えることを特徴とするアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（２）上記上金型は、加圧パンチからなる上型を含み、上記充填率は、成形開始時点での上型の下死点までの長さをＬ、上型の所定のスライド角度でのパンチストロークの長さをΔＬとしたとき、［ΔＬ÷Ｌ×１００］％で表されることを特徴とする前項１に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（３）上記上金型は、加圧パンチからなる上型を含み、上記充填率は、成形開始時点での上型の下死点までの長さをＭ、成形開始時点から移動したときのパンチストロークの長さをΔＭとしたとき、［ΔＭ÷Ｍ×１００］％で表されることを特徴とする前項１に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（４）上記記充填率が１０％〜３０％の間に背圧力を瞬間的に除去する前項１〜３の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（５）背圧力が２ｋｇ／ｃｍ²以上、７ｋｇ／ｃｍ²以下の範囲であることを特徴とする前項１〜４の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（６）背圧力が油圧クッションおよび／またはガスクッションによるものであることを特徴とする前項１〜５の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（７）アルミニウム合金連続鋳造棒、アルミニウム合金の押出材、粉末アルミニウム合金の押出材、もしくはこれらの圧延材のいずれか１種を鍛造用素材として用いる前項１〜６の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（８）アルミニウム合金の組成が、Ｓｉが１４〜１６質量％、Ｃｕが４〜５質量％、Ｍｇが０．４５〜０．６５質量％、残りがＡｌと不可避不純物である鍛造用素材を用いることを特徴とする前項１〜７の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
（９）鍛造用素材のアルミニウム合金の組成に、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以下、Ｚｎが０．１質量％以下、Ｔｉが０．２質量％以下添加されていることを特徴とする前項８に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。

（１）に記載の本発明の鍛造成形されたアルミニウム合金製ローター素材を製造するためのアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法によれば、主成形方向に平行なベーン収納溝を有する鍛造成形品を鍛造成形する際において、ベーン収納溝の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善し、後工程の切削処理を省略、処理工数を削減させて、アルミニウム合金製ローターを製造することができる。
（２）に記載の本発明の製造方法によれば、充填率を成形時のパンチストロークの長さによって予め算出することができる。
（３）に記載の本発明の製造方法によれば、充填率を成形時のパンチストロークの長さによって予め算出することができる。
（４）に記載の本発明の製造方法によれば、より確実に、ベーン収納溝の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善できる。
（５）に記載の本発明の製造方法によれば、ベーン収納溝の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善できる。
（６）に記載の本発明の製造方法によれば、簡便な方法にて、ベーン収納溝の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善できる。
（７）に記載の本発明の製造方法によれば、ベーン収納溝の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善できる。
（８）に記載の本発明の製造方法によれば、耐磨耗性と強度に優れ、低熱膨張係数が得られる。自動車に搭載する空調用コンプレッサー部品の使用に適している。
（９）に記載の本発明の製造方法によれば、耐磨耗性と強度に優れ、低熱膨張係数が得られる。自動車に搭載する空調用コンプレッサー部品の使用に適している。

例えば、本発明の方法によれば、ローターのベーン収納溝の溝幅の製品端面付近で広がりを抑制し、例えば、溝幅の広がり最大幅を５０μｍ以下（好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下）、ダイス羽根部の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形によるベーン収納溝の寸法精度の悪化を防ぐ、例えば、ベーン収納溝円筒部の中心位置の上下での差を０．０７５ｍｍ以下（好ましくは０．０６ｍｍ未満、より好ましくは０．０５ｍｍ以下）とすることができる。
好ましくは、ベーン収納溝の円筒部の外周から中心方向へ５．５ｍｍの範囲に溝幅の広がりを抑えることができる。

このため、鍛造成形品として所定の範囲の寸法精度が得られているので、後工程での鍛造品端面の切削加工処理を省略または切削加工量を減らすことができ、素材投入量を減らして歩留まりを向上させるとともに、寸法精度が良好なローターを安価に製造できる。

本発明を詳細について説明する。本発明の対象である主成形方向にベーン収納溝を有する鍛造成形品として、コンプレッサーのローターやブレーキ制御用のロータリー式真空ポンプのローターがあるが、これを一例として本発明を説明する。

本発明で製造するローター１０は、図１に示すように円筒部の外周１１でかつ軸方向に複数のベーン収納溝１２およびシャフトを貫通させるセンター穴１３を有したものである。

通常、このローター１０の鍛造用素材は円筒形の外周から内側に向かってベーン収納のための複数のベーン収納溝１２が切られた形状になっている。その寸法は、例えば、円筒形の外周の直径が５４〜６８ｍｍ、ベーン溝の幅が２．８〜３．１ｍｍ、ベーン溝の深さ（円筒形の外周から中心方向の溝の長さ）が４３．０〜５４．０ｍｍ、円筒形の長手方向の長さが３１．５〜４４．０ｍｍである。

次に、ローター１０の製造に用いる背圧鍛造金型を例として、本発明に用いる金型について説明する。本発明で用いる金型１４の分解斜視図を図２に示す。金型１４は、上金型１５、下金型１６から構成され、上金型１５は、加圧パンチからなる上型１５ａを含んで構成され、下金型１６は、下型１６ａを固定し鍛造成形前の鍛造用素材を収納するための貫通した穴１６ｂを有するブッシュ１６ｃ、図３に示したように成形孔１７の壁面から内方側に突出したベーン収納溝１２を形成するためのダイス羽根部（ベーン収納溝形成部）１８を５個有した下型１６ａ、下型１６ａと同様にベーン収納溝形成部を有し下パンチを摺動自在に収めることができるダイスＢ１６ｄ、プレス装置より背圧が加えられる背圧板（下パンチ）１６ｅ、センター穴を成形する円筒形状の突出部を有するセンターピン１６ｆ、中心位置に焼き嵌めにより固定されたセンターピン１６ｆとノックアウトピン貫通用の貫通孔１６ｈとを有するダイスＣ１６ｉ、プレス装置からの背圧力を下パンチに伝達し、なおかつ鍛造成形品を型内から取り出すためのノックアウトピン１６ｇを含んで構成されている。
なお、本実施例では金型を分割する関係上、下型１６ａとダイスＢ１６ｄに分けているが、一体ものであっても良い。

図４は、本発明の金型を用い、背圧力を付与した鍛造方法によるローター素材を鍛造成形する工程の一例である。本発明の背圧鍛造工法では、先ず、成形開始前に下型１６ａに設けられた成形孔１７のベーン収納溝形成部よりも１ｍｍ以上高い位置（図７、符合Ｚ）に背圧板（下パンチ）１６ｅを待機させており、背圧板１６ｅにノックアウトピン１６ｇを介して背圧が負荷されている。
背圧板（下パンチ）１６ｅを１ｍｍ以上高い位置に待機させることにより、背圧力が確実に安定して付与されることになるので好ましい。
まず、図４（Ａ）のように、所定の長さに切断し加熱されたアルミニウム材料をブランク（鍛造用素材）１９としてブッシュ１６ｃの貫通孔に投入する。次に、加圧パンチが下降し背圧板（下パンチ）１６ｅによって背圧が下方より負荷された状態でローター素材の成形が始まる。図４（Ｂ）は、ブランク（鍛造用素材）１９が成形孔１７内に流動した成形途中の状態を表している。この状態がさらに進行し、下金型１６の成形孔内への鍛造用素材１９の充填率がある所定の範囲となった時点で背圧を開放する。その後、図４（Ｃ）のように、上型１５ａのパンチが円筒形の長手方向で必要とされる寸法を得るために所定のストロークの長さ降下し、ローター素材の成形が完了する。そして、図４（Ｄ）のように下方からノックアウトピン１６ｇによって鍛造成形品が排出される。

本発明で用いた上型１５ａの外観を図５に示す。本発明の上型１５ａは、上型の動作方向軸の上方から見てベーン収納溝形成部に対応する位置に上型の動作方向と逆向きの凹み形状部２４を有する金型が好ましい。この凹み形状部２４を有する金型１５ａを使用した時の鍛造成形品の外観の一例を図６に示す。このような形状を有することにより、鍛造成形品の加圧パンチに接する部分にメタルの余肉部分２５を付けて、ダイス羽根部１８付近でのメタルフローを自由にする。これにより、ベーン収納溝１２近傍および円筒形状の突出部近傍において、加圧パンチからの直接荷重をメタル部分で吸収し、加圧パンチによる荷重を緩和することができる。その結果、ベーン収納溝１２の形成部やセンターピン１６ｆの変形を抑える効果があり、金型寿命を延ばすことができる。
特に、ベーン収納溝１２に対して、凹み形状部２４の深さはベーン収納溝１２の幅に対して０．５倍以上３．５倍以下（例えばベーン収納溝の幅が３．０ｍｍで、凹み形状部２４の深さは１．５ｍｍ〜１０．５ｍｍ）、凹み形状部２４の幅はベーン収納溝１２の幅に対して１倍以上３．５倍以下（例えばベーン収納溝１２の幅が３．０ｍｍで、凹み形状部２４の幅は３．０ｍｍ〜１０．５ｍｍ）が好ましく、本発明の方法では、機構的に溝寸法精度を向上するので、従来の方法より凹み形状部の容積を小さくすることができ、材料歩留まりを改善することができる。

図４で示される装置を用いた本発明のローターの製造方法の実施形態の一例を説明する。本発明の製造方法は、連続鋳造棒を鍛造成形品の所定の長さに切断する工程、鍛造用素材に潤滑剤を塗布する工程、鍛造用素材を所定の温度に予備加熱する工程、金型を予備加熱する工程、金型へ潤滑剤を塗布する工程、鍛造用素材を投入する工程、鍛造用素材を鍛造成形する工程、ノックアウトピンによって鍛造成形品を排出する工程、鍛造成形品をベーン収納溝の軸方向長さ以下に切断してベーン収納溝を貫通させる工程、取り出した鍛造成形品を連続的に溶体化、時効処理を実施する熱処理工程、を含む製造工程である。

次に、各工程について段階的に説明する。

＜連続鋳造棒を鍛造成形品の所定の長さに切断する工程＞＜鍛造用素材に潤滑剤を塗布する工程＞
予め鍛造材料となる柱状のアルミニウム合金を所定の長さに切断して鍛造用素材（ブランク）１９とし、その鍛造用素材１９をボンデ処理、あるいは黒鉛系水溶潤滑剤へ浸漬して潤滑剤の塗布処理を施す。

＜鍛造用素材を所定の温度に予備加熱する工程＞
本工程では、ブランク１９を所定の鍛造温度、例えば４００〜４５０℃に予備加熱する。ブランク（鍛造素材）１９の体積は、必要とするローター素材の体積ではなく、鍛造成形品の加圧パンチに接する部分にメタルの余肉部分を付けた体積とする。また、ブッシュ１６ｃの内径は、下型１６ａの内径と同じ或いは若干太径にすると、鍛造後に鍛造成形品のノックアウト作業が円滑に行われるので好ましい。

＜金型を予備加熱する工程＞
金型１４は、上型１５および下型１６の双方をヒーターによって予備加熱しておき、１５０〜３００℃の範囲に加熱保持されていることが好ましい。

＜金型へ潤滑剤を塗布する工程＞
次に、潤滑剤を金型１４へ塗布する。潤滑剤の塗布は下型１６だけで良い。潤滑剤としては、水性黒鉛潤滑剤、油性黒鉛潤滑剤が挙げられるが、ブランク１９と金型１４間でカジリが発生しないようにするには、水性黒鉛潤滑剤と油性黒鉛潤滑剤を併用し、塗布量は共に２〜１０ｇ（濃度は０．５〜２５質量％）とするのが好ましい。

＜鍛造用素材を投入する工程＞
図４（Ａ）に示すように、本工程ではブランク（鍛造用素材）１９を金型１４のブッシュ１６ｃの内部に投入する。

＜鍛造用素材を鍛造成形する工程＞
ブランク１９をブッシュ１６ｃの内部に投入した後、加圧パンチからなる上型１５ａを下降させると、ブランク１９は、下パンチからの背圧を受けながら下型１６ａに押し込まれ、図４（Ｂ）に示すように圧縮鍛造が開始される。
なお、鍛造開始時の下パンチ上面の位置は、ベーン収納溝１２の溝幅が鍛造成形品端面付近で広がりを抑制するために、下型１６ａのベーン収納溝形成部よりも１ｍｍ以上高い位置に待機した状態から鍛造成形を開始することが好ましい。つまり、図７に示す距離Ｚが１ｍｍ以上であることが好ましい。

前述の通り、本発明の背圧鍛造工法による場合、鍛造時に鍛造用素材（ブランク）１９の先端面に背圧を負荷しながら圧縮鍛造する。

ローター鍛造用の金型１４は、図３に示すようにダイス羽根部（ベーン収納溝成形部）１８が成形孔１７の内周壁面から半径方向に対し傾斜した状態で突出している。このため、鍛造用素材１９の塑性流動（フロー）状態がダイス羽根部１８の両側でアンバランスとなり、不均一な圧力がダイス羽根部１８に負荷される。さらに、背圧鍛造工法を用いる場合は、鍛造時に材料が流動する先端面に背圧を負荷しながら圧縮鍛造するため、金型壁面と鍛造用素材の密着性が良くなるので、ダイス羽根部１８にかかる圧力が高くなる。その結果、不均一な状態で高い圧力がそのままダイス羽根部１８の両側に負荷されることになり、ダイス羽根部１８は不均一な高い圧力の影響により「たおれ変形」や「ねじれ変形」が生じることになる。その結果、鍛造成形品のベーン収納溝１２の位置寸法精度の悪化が生じる。
しかし、本発明は、所定の充填率に到達した時点で背圧を除去することにより背圧板１６ｅをフリーにするので、ダイス羽根部１８にかかる高い圧力が開放され、その結果、ベーン収納溝１２の位置寸法精度の悪化を抑えることができる。

従来の背圧工法を適用してスクロールを鍛造した場合、上記のような現象は発生していなかった。なぜなら、スクロールは成形品側が薄い形状をしているので、鍛造用素材の流動による圧力バランスの不均一が生じにくい場合であり、結果としてダイス側には不均一な高い圧力が発生することが無く、ダイスに変形が生じないからと推定される。
それに対して、ローターはダイス側が薄い形状（ダイス羽根部の形状）をしていて、一方その両側には鍛造用素材の流動による圧力バランスの不均一が生じており、その結果、薄い形状のダイス側は不均一な高い圧力の影響を受けることになる。そして、ダイス羽根部１８が軸方向に垂直な方向に倒れ、変形やねじれ変形を受けやすい形状であるので、背圧鍛造成形時に、前述したような不具合が新たに発生しているものと推定される。

そのため、本発明では、この現象の発生を抑え、ベーン収納溝１２の位置寸法精度の悪化を防ぐために、所定の充填率に到達した時点で背圧を除去することとしている。

ここで、所定の充填率とは、成形時のパンチストロークの長さによって予め算出することができる。ローターの場合には、下型１６ａへの鍛造用素材１９の充填率が１０％〜５５％に間に背圧を除去する必要がある。

ベーン収納溝１２を有するアルミニウム合金製ローター素材の鍛造成形過程においては、ダイスへの鍛造用素材１９の充填率が１０％〜５５％（より好ましくは１０％〜３０％）の間に背圧を除去することが好ましい。ダイス羽根部１８の倒れ変形やねじれ変形が生じる原因となるダイス羽根部１８への高圧力がより確実に開放され、ベーン収納溝１２の位置寸法精度の悪化を抑えることができるからである。

本発明では、背圧鍛造成形時に所定の範囲の鍛造用素材１９の充填率で背圧を除去する手段として、図８に示す背圧装置を配備した鍛造機２０を用いた。鍛造機２０には、図２に示す上金型１５および下金型１６を備えたダイセットが取り付けられており、ダイセットは上ダイセットプレート２１と下ダイセットプレート２２およびガイドポスト２３から構成され、下ダイセットプレート２２には下金型１６へ背圧力を伝えるための油圧シリンダー２６を含む。また、プレス動作を監視し、背圧力を制御するために油圧発生装置２７に電気信号を発信するプレス動作監視装置２８、油圧発生装置２７、油圧配管２９が配備されている。背圧力を除去するタイミングの入力、記憶、または、動作条件の入力、各入力条件から除去するタイミングを算出、記憶を実行する制御装置を設けるのが好ましい。さらに、品種別に、条件をデータベース化して蓄積しておくことが好ましい。

なお、背圧力発生装置としては、油圧クッションの他に、所定の充填率において背圧力を制御する（除去する）装置が配備してあれば良く、例えばガスクッションを用いても良い。また、それらを組み合わせても良い。

本発明で用いる鍛造機２０の一例では、図８で示すプレス動作監視装置２８に背圧力を除去する上型（加圧パンチ）のスライド角度を入力し、プレス作動時に所定のタイミングに油圧発生装置２７に油圧を除去する電気信号を発生させて背圧の制御を行う。本発明では、背圧を除去するパンチのスライド角度によってパンチストロークを算出し、図９に示すように成形開始からパンチの下死点までの長さをＬ、成形開始時点から背圧を除去するタイミングのスライド角度Ｘでのパンチストロークの長さをΔＬとして、充填率を［ΔＬ÷Ｌ×１００］％と定義する。

パンチストロークのスライド角度によって、背圧を制御するタイミングを決定する方法の他に、上型（加圧パンチ）の移動距離をモニターし、下記式にしたがって算出することで充填率に置き換える方法を用いても良い。成形開始からパンチの下死点までの長さをＭ、成形開始時点から移動したパンチストロークの長さをΔＭとすると、充填率は、［ΔＭ÷Ｍ×１００］％と定義される。

背圧力を除去する方法としては、所定の充填率において瞬間的（例えば、より好ましくは０．２秒以内、さらに好ましくは０．１秒以内。）に除去する方法が好ましい。図１０の例（２）のように徐々に背圧を除去する方法や、例（３）のように段階的に除去する方法よりも、例（１）のように所定の充填率において瞬間的に除去する方法であれば、背圧板をフリーにしてダイス羽根部１８にかかる高圧力を開放し、ダイス羽根部１８の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形を抑制することができるため好ましい。

背圧力は、２ｋｇ／ｃｍ²〜７ｋｇ／ｃｍ²の範囲（より好ましくは２．７ｋｇ／ｃｍ²〜６．３ｋｇ／ｃｍ²の範囲、さらに好ましくは３ｋｇ／ｃｍ²〜６ｋｇ／ｃｍ²の範囲）が好ましい。２ｋｇ／ｃｍ²〜７ｋｇ／ｃｍ²の範囲であれば、鍛造成形品の端面付近でベーン収納溝１２の溝幅の広がりを抑制する効果が十分に得られ、金型１４と鍛造用素材１９間にカジリが発生するのを抑制できるため好ましい。

＜ノックアウトピンによって鍛造成形品を排出する工程＞
背圧を除去して、そのまま上型１５ａをストロークの最下端まで降下させた状態を図４（Ｃ）に示す。その後、図４（Ｄ）に示すようにノックアウトピン１６ｇによって鍛造成形品を突き上げ、下型１６ａおよびブッシュ１６ｃより鍛造成形品を排出する。

＜鍛造成形品をベーン収納溝の軸方向長さ以下に切断してベーン収納溝を貫通させる工程＞
この時の鍛造成形品形状は、凹みを有した形状部を有する上型を使用した場合、図１１（ｂ）に示すように片側にベーン収納溝の入っていない余肉部分２５を有しているが、後に機械加工等によって余肉部分２５を取り除き、図１に示すローター素材とすることができる。

＜取り出した鍛造成形品を連続的に溶体化＞＜時効処理を実施する熱処理工程＞
その後、鍛造素形材１９の機械的強度を向上させるために溶体化および人工時効処理を施す。溶体化処理は、４６０℃〜５３０℃で１〜６時間保持し、水焼入れ（水温１０℃〜７０℃）後、人工時効処理を１５０〜２５０℃にて１〜１０時間保持することが好ましい。

以上説明したアルミニウム合金製ローター用素材は、ベーン収納溝１２の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善されたものとなる。その結果、後工程として、寸法精度の悪いところを削除するような鍛造成形品の下端面の切削処理を施すことなくローター素材とすることができる。
例えば、ベーン収納溝１２の溝幅の鍛造成形品端面付近における溝幅の広がりが５０μｍ以下で、ベーン収納溝円筒部の中心位置における上下差が０．０７５ｍｍ以下であり、かつ鍛造成形品の下端面に切削面の無いアルミニウム合金製ローター素材を得ることができる。
すなわち、好ましい位置より中心方向に向かっての溝幅の広がりを好ましい値以下に抑制することができる。例えば、好ましい位置は、外周Ｐより４ｍｍ（Ｃ）、外周Ｐより５．５ｍｍ（Ｄ）とすることができる。溝幅の広がりの好ましい値は、１５μｍ以下、更に好ましくはゼロである。

以上説明したアルミニウム合金製ローター素材に、寸法出しのための機械加工を施し、必要に応じて、表面にショットブラスト処理を施すことにより、アルミニウム合金製ローターを得ることが出来る。ベーン収納溝１２の溝幅寸法、溝位置寸法の精度を改善し、後工程の切削処理の省略、処理工数が削減した、アルミニウム合金製ローターである。

次に、本発明による製造方法に使用する鍛造素材１９について説明する。鍛造素材１９としては、金属材料を用いることができる。金属材料の中で、強度と耐食性に優れて、かつ軽量化の図れるアルミニウム合金が好ましい。その組成は、Ｓｉが１４．０〜１６．０質量％、Ｃｕが４．０〜５．０質量％、Ｍｇが０．４５〜０．６５質量％であるのが好ましい。さらに、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以下、Ｚｎが０．１ 質量％以下、Ｔｉが０．２ 質量％以下を含有し、残りがＡｌと不可避不純物であるアルミニウム合金が好ましい。
アルミニウム合金連続鋳造棒、アルミニウム合金の押出材、粉末アルミニウム合金の押出材、もしくはこれらの圧延材のいずれかを鍛造用素材として用いることができる。特に、連続鋳造された丸棒材が安価で好ましい。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

図４で示される鍛造装置、図２に示す鍛造用金型を用いて、図１に示すローター素材を製造した。下型１６ａは、成形孔１７を有する内壁面の直径が６８．２６ｍｍ、ベーン収納溝形成部の厚さが２．９７ｍｍ、先端円筒部の直径が６．０３ｍｍ、軸方向の長さが４７ｍｍであるベーン収納溝形成部（ダイス羽根部）１８を７２°間隔で５本有するものを使用した。

上型１５ａは、図５に示すような上型の動作方向軸の上方から見てベーン収納溝形成部に対応する位置に上型の動作方向と逆向きの凹みである凹み形状部２４を有するものを使用した。なお、上型１５ａの凹み形状部２４に対応して成形された鍛造成形品の突部の幅Ｙは１０ｍｍ、高さＷが１０ｍｍであった。（図１１参照）

センター穴１３を成形するための、円筒形状の突出部を有するセンターピン１６ｆの直径は１２ｍｍであった。

鍛造用素材１９は、連続鋳造によって製造されたアルミニウム合金で、その組成は、Ｓｉが１４．０〜１６．０質量％、Ｃｕが４．０〜５．０質量％、Ｍｇが０．４５〜０．６５質量％、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以下、Ｚｎが０．１ 質量％以下、Ｔｉが０．２ 質量％以下を含有し、残りがＡｌと不可避不純物であるアルミニウム合金を用いた。直径６７．５ｍｍの連続鋳造棒を長さ４８．７５ｍｍに切断して鍛造用素材１９とした。鍛造用素材１９は、水性黒鉛潤滑剤の塗布処理を行い４２０℃に加熱した。金型１４は、上型および下型ともに約２５０℃に加熱保持し、下型に水性黒鉛潤滑剤を１０ｇ、油性黒鉛潤滑剤を２．５ｇ塗布した。

背圧は５．１ｋｇ／ｍｍ²の条件で、下型への鍛造用素材１９の充填率が０〜１００％の間で背圧を除去した。この時の鍛造成形荷重は７５トンとした。鍛造成形品は、ベーン収納溝１２の長手方向の長さが４６ｍｍになるまで成形したものをベーン収納溝１２の入っていない余肉部分２５を機械加工で取り除き、全長を４４ｍｍとした。

図１２で示すように、鍛造成形品の端面でのベーン収納溝および余肉部分２５を取り除いた平面でのベーン収納溝１２で、Ｃで示す外周円筒部Ｐから中心方向４．０ｍｍの位置、およびＤで示す外周円筒部Ｐから中心方向５．５ｍｍの位置で、［Ｂ−Ａ］μｍを溝幅の広がりとして測定した。試料数は３０個で、平均値を算出した。（溝幅寸法の評価）

ダイス羽根部１８の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形を測定するために、図１３で示すベーン収納溝円筒部の中心位置Ｕの上下端面での差を測定し、試料数は３０個で平均値を算出した。

表１に、下型への鍛造用素材１９の充填率が０％〜１００％に間に背圧を除去した時のベーン収納溝１２の溝幅とベーン収納溝円筒部の中心位置Ｕの上下端面での差の平均値の測定結果を示す。（溝位置寸法の評価）

表１中の評価記号について説明する。以下の３段階で測定結果を評価した。
×：溝幅の広がりが５０μｍを超えている、または円筒部中心位置の差が０．０７５ｍｍを超えている。
○：溝幅の広がりが５０μｍ以下、かつ円筒部中心位置の差が０．０５０ｍｍ以上０．０７５ｍｍ以下。
◎：溝幅の広がりが５０μｍ以下、かつ円筒部中心位置の差が０．０５０未満。

比較例１は、背圧なしの状態で鍛造した結果で、溝幅の測定結果からベーン収納溝１２の溝幅が製品端面付近で広がっている。

充填率を大きくしていくと、比較例２の充填率が０％では溝幅の広がりは比較例１と同じで溝幅が製品端面付近で広がっている。

比較例３に示す充填率が５％の場合では、溝幅の広がりは改善されているものの溝幅の広がりが５０μｍを超えているが、実施例１〜５の充填率が１０％〜５５％の場合では、溝幅の広がりを５０μｍ以下に抑制することができた。

充填率が６０％〜１００％の比較例４〜６では、溝幅の広がりは抑制できているが、ベーン収納溝円筒部の中心位置Ｕの上下端面での差の平均値が０．０７５ｍｍを超えて、比較例１〜３および実施例１〜５に比べて悪化しており、表１から背圧荷重を除去する充填率のタイミングの意義がわかる。

よって、充填率が１０％〜５５％の間で背圧を除去することにより、ベーン収納溝の溝幅が鍛造成形品端面付近で広がりを抑制し、ダイス羽根部１８の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形によるベーン収納溝１２の寸法精度の悪化を防止できる。なお、ベーン収納溝１２の寸法精度の向上の点から、充填率が１０％〜３０％の間で背圧を除去することがさらに好ましい。

表１に示す溝幅の広がりのデータより、図１２に示した外周部において広がりが一番大きく、Ｃ部、Ｄ部と小さくなり、本発明の場合、Ｄ部における広がり幅を零にできた。溝幅が１５μｍ以上広がっている範囲を、外周Ｐから中心に向かって４ｍｍ以内に抑えることができている。また、溝が広がっている範囲を外周Ｐから中心に向かって５．５ｍｍ以内とすることができた。

図１は、本発明に係るアルミニウム合金製鍛造成形品の一例を示すローター素材の外観斜視図である。 図２は、同ロータ素材を成形するために使用する金型を示す分解斜視図である。 図３は、同ロータ素材を成形するための下金型を示す平面図である。 図４は、本発明に係る背圧鍛造方法を示す説明図である。 図５は、本発明に係る上型の外観斜視図である。 図６は、同金型によって鍛造したローター素材の斜視図である。 図７は、成形開始時の背圧板の位置を示す説明図である。 図８は、本発明に係る鍛造機および背圧制御装置を示す説明図である。 図９は、パンチのストロークとスライド角度の関係を示す図である。 図１０は、背圧と充填率の関係を示す図である。 図１１（ａ）は、本発明に係るローター素材の平面図、（ｂ）は、そのＡＡ−Ｏ−ＢＢ断面図である。 図１２（ａ）は、同素材のベーン収納溝および余肉部分を取り除いた側面図、（ｂ）は、ベーン収納溝の測定位置を示す平面図である。 図１３は、ベーン収納溝円筒部の中心位置を示す説明図である。 図１４は、従来の鍛造方法の一例を示す説明図である。

符号の説明

１０ ローター
１１ 外周
１２ ベーン収納溝
１３ センター穴
１４ 金型
１５ 上金型
１６ 下金型
１６ａ 下型
１６ｂ 穴
１６ｃ ブッシュ
１６ｄ ダイスＢ
１６ｅ 背圧板
１６ｆ センターピン
１６ｇ ノックアウトピン
１６ｈ 貫通孔
１６ｉ ダイスＣ
１７ 成形孔
１８ ダイス羽根部
１９ ブランク（鍛造用素材）
２０ 鍛造機
２１ 上ダイセットプレート
２２ 下ダイセットプレート
２３ ガイドポスト
２４ 凹み形状部
２５ 余肉部分
２６ 油圧シリンダー
２７ 油圧発生装置
２８ プレス動作監視装置
２９ 油圧配管

Claims (9)

1. 鍛造成形されたアルミニウム合金製ローター素材であって、組成が、Ｓｉが１４〜１６質量％、Ｃｕが４〜５質量％、Ｍｇが０．４５〜０．６５質量％、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以下、Ｚｎが０．１質量％以下、Ｔｉが０．２質量％以下を含有し、残りがＡｌと不可避不純物であり、鍛造成形品の寸法精度の悪いところを削除するような下端面の切削処理が施されることなく、ベーン収納溝の溝幅の端面付近での広がりが５０μｍ以下、上端面と下端面のベーン収納溝円筒部の中心位置の差が０．０７５ｍｍ以下の寸法精度を有することを特徴とする主成形方向に平行なベーン収納溝を有する鍛造成形されたアルミニウム合金製ローター素材を製造するためのアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法であって、
   上金型と成形孔内に突出した薄板状部位を有する下金型とを用いて、主成形方向に平行なベーン収納溝を有する鍛造成形品を鍛造成形する工程を含み、
   鍛造用素材の主成形方向の先端面に背圧力を付与した背圧板が下金型に設けられているベーン収納溝形成部よりも１ｍｍ以上高い位置で待機した状態で成形を開始することで、ベーン収納溝の溝幅の製品端面付近での広がりを抑制し、鍛造用素材の成形孔内への充填率が１０％〜５５％の間に該背圧力を瞬間的に除去することで、背圧板をフリーにしてダイス羽根部にかかる高圧力を開放するとともに、ダイス羽根部の軸方向に垂直な方向にたおれ変形やねじれ変形を抑制してベーン収納溝の位置寸法精度の悪化を抑える、ことを特徴とするアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
2. 前記上金型は、加圧パンチからなる上型を含み、
   前記充填率は、成形開始時点での前記上型の下死点までの長さをＬ、前記上型の所定のスライド角度でのパンチストロークの長さをΔＬとしたとき、［ΔＬ÷Ｌ×１００］％で表されることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
3. 前記上金型は、加圧パンチからなる上型を含み、
   前記充填率は、成形開始時点での前記上型の下死点までの長さをＭ、成形開始時点から移動したときのパンチストロークの長さをΔＭとしたとき、［ΔＭ÷Ｍ×１００］％で表されることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
4. 前記充填率が１０％〜３０％の間に背圧力を瞬間的に除去する請求項１〜３の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
5. 背圧力が２ｋｇ／ｃｍ ² 以上、７ｋｇ／ｃｍ ² 以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
6. 背圧力が油圧クッションおよび／またはガスクッションによるものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
7. アルミニウム合金連続鋳造棒、アルミニウム合金の押出材、粉末アルミニウム合金の押出材、もしくはこれらの圧延材のいずれか１種を鍛造用素材として用いる請求項１〜６の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
8. アルミニウム合金の組成が、Ｓｉが１４〜１６質量％、Ｃｕが４〜５質量％、Ｍｇが０．４５〜０．６５質量％、残りがＡｌと不可避不純物である鍛造用素材を用いることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。
9. 鍛造用素材のアルミニウム合金の組成に、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以下、Ｚｎが０．１質量％以下、Ｔｉが０．２質量％以下添加されていることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金製鍛造成形品の製造方法。

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