JP6242533B1 - 中空部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーカット形状を有する中空部品を短サイクルタイムで一体成形できるようにして低コスト化を図る。【解決手段】中空部を形成するための管状部材をインサート成形する。管状部材の周壁部の周方向の一部を除去することによって中空部を外部に開放する。【選択図】図１

Description

本発明は、管状部材がインサート成形されたインサート成形品からなる中空部品及びその製造方法に関し、特に、管状部材の一部と、管状部材の周囲の材料とが除去された中空部品及びその製造方法の技術分野に属する。

近年、例えば自動車のエンジンとして、低燃費化を図るためにダウンサイジングターボの搭載が増えてきている。この種のエンジンに取り付けられるターボチャージャーは、インペラと、インペラを収容するコンプレッサハウジングとを備えており、コンプレッサハウジングは、アンダーカットを有するスクロール形状とされているのが一般的である（例えば、特許文献１〜４参照）。

特許文献１〜４に開示されているターボチャージャーのコンプレッサハウジングの中央部にはインペラを収容するインペラ収容部が形成されている。コンプレッサハウジングの外周側には、インペラ収容部を囲むように延びる空気通路が形成されている。空気通路を構成する周壁部の周方向の一部は、インペラ収容部に連通するように開放されている。インペラ収容部から流出した空気は、空気通路の開放部分から当該空気通路の内部に流入した後、空気通路の下流端から流出してエンジンに供給されるようになっている。

コンプレッサハウジングの空気通路の断面形状は、円形や楕円形等に近い形状となっており、金型が抜けない形状、いわゆるアンダーカット形状となっているのが一般的である。アンダーカット形状を有する中空部品は、コンプレッサハウジング以外にもある。

特開２０１６−１６０９４１号公報 特開２０１６−８４７１０号公報 特開２０１２−５７５９２号公報 特表２０１６−５３６５０１号公報

アンダーカット形状を有する中空部品を例えばアルミニウム合金製とする場合には、鋳造後の工程によって除去できる中子を使用した砂型鋳造を行う方法や、ダイカスト製法であれば分割された複数の部品を製造し、その後、組み立て工程を経る方法がある。

しかしながら、中子を使用した砂型鋳造を行う方法ではサイクルタイムに５分程度要するので生産性が悪いという問題がある。また、ダイカスト製法では各部品を成形した後、組み立て工程が必要であり、製造コストが高くなるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中空部品を短サイクルタイムで一体成形できるようにして低コスト化を図ることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、インサート成形された管状部材の一部を除去することによって管状部材の周方向の一部を外部に開放させるようにした。

第１の発明は、開放部の幅が奥側の幅よりも狭いアンダーカット形状に形成された中空部を有する中空部品において、上記中空部を形成するための管状部材がインサート成形されており、上記管状部材の周方向の一部のみが除去されて上記中空部が外部に開放されていることを特徴とする。

この構成によれば、管状部材をインサート成形しておくことで、中子を使用した砂型鋳造を行うことなく、管状部材の内部を利用して中空部を形成することが可能になる。そして、この管状部材の周方向の一部のみを除去することで中空部を開放することが可能になるので、中空部を複数の部品で構成することなく、一体成形品として得ることができる。従って、中空部品を短サイクルタイムで一体成形できるとともに、低コスト化を図ることができる。

第２の発明は、第１の発明において、上記管状部材の周壁部の周方向の一部が該管状部材の周囲の材料と共に除去されて上記中空部が外部に開放されていることを特徴とする。

この構成によれば、インサート成形によって管状部材を埋め込んだ場合に、管状部材における埋め込まれている部分を開放させることができる。

第３の発明は、第１または２に記載の発明において、上記中空部は、流体が流通する通路であることを特徴とする。

この構成によれば、断面形状がアンダーカット形状の通路を持った中空部品を低コストで得ることができる。また、予め成形されている管状部材をインサート成形してその管状部材の内部を通路とすることができるので、例えばダイカスト成形による鋳肌が通路の内面になる場合に比べて通路の内面を滑らかにすることができ、よって、流体の流通抵抗を低減することができる。

第４の発明は、第１から３のいずれか１つの発明において、上記管状部材の周壁部の一部は、該管状部材の周囲の材料から露出するようにインサート成形されていることを特徴とする。

第５の発明は、開放部の幅が奥側の幅よりも狭いアンダーカット形状に形成された中空部を有する中空部品の製造方法において、上記中空部を形成するための管状部材をインサート成形する成形工程と、上記成形工程の後、上記管状部材の周方向の一部のみを管軸方向の所定範囲に亘って除去することによって上記中空部を外部に開放する除去工程とを備えていることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、上記除去工程では、上記管状部材の周壁部の周方向の一部を該管状部材の周囲の材料と共に一度に除去する加工を行うことを特徴とする。

例えば、除去工程では、切削加工、レーザー加工、シェアリング、ワイヤーカット等の各種加工方法によって材料の除去が可能である。

本発明によれば、インサート成形された管状部材の周方向の一部のみを管軸方向の所定範囲に亘って周囲の材料と共に除去して中空部を外部に開放させているので、例えばアンダーカット形状に形成された中空部を有する中空部品を短サイクルタイムで一体成形でき、低コスト化を図ることができる。

実施形態に係るターボチャージャーの構造を示す断面図である。 管材の斜視図である。 湾曲成形した後の管状部材の斜視図である。 管状部材をインサート成形した中間成形品の斜視図である。 中間成形品の切削加工後を示しており、図４のV−V線に相当する断面図である。 変形例１に係る図３相当図である。 変形例２に係る図３相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係るターボチャージャー１の概略構造を示す断面図である。ターボチャージャー１は、図示しない自動車に搭載されているエンジン（内燃機関）の吸気系に設けられ、エンジンの排気ガスの圧力を利用して吸気を圧縮することができるように構成されている。図１では、ターボチャージャー１の詳細部分については省略しているが、ターボチャージャー１には、例えば冷却用油路や各種センサ等（図示せず）が設けられている。

（ターボチャージャー１の全体構成）
ターボチャージャー１は、コンプレッサ１０とタービン２０とを備えている。タービン２０は、エンジンの排気系の中途部に設けられる一方、コンプレッサ１０はエンジンの吸気系の中途部に設けられる。タービン２０は、複数のタービン羽根２１ａを有するタービンホイール２１と、タービンホイール２１を収容するタービンハウジング２２とで構成されている。タービンハウジング２２の端面にはタービン側開口部２２ａが形成されている。また、タービンハウジング２２の内部には、排気ガスが流通するタービン側通路２２ｂが形成されている。

コンプレッサ１０は、複数のコンプレッサ羽根１１ａを有するコンプレッサホイール１１と、コンプレッサホイール１１を収容するコンプレッサハウジング１２と、端板部材１３とで構成されている。コンプレッサハウジング１２の端面にはコンプレッサ側開口部１２ａが形成されている。このコンプレッサ側開口部１２ａは、吸気を吸入する吸入口である。また、コンプレッサハウジング１２の内部には、吸気が流通するコンプレッサ側通路１２ｂが形成されている。

端板部材１３は、コンプレッサハウジング１２におけるコンプレッサ側開口部１２ａとは反対側に配置されている。端板部材１３よりもコンプレッサ側開口部１２ａ側に、コンプレッサホイール１１が収容されるホイール収容空間Ｒが形成される。端板部材１３と、タービンハウジング２２との間には中間部材３０が設けられている。中間部材３０に対して、コンプレッサハウジング１２、端板部材１３及びタービンハウジング２２が固定されている。

タービンホイール２１と、コンプレッサホイール１１とは、中間部材３０を挟むように、かつ、同軸上に配置されている。中間部材３０には、シャフト３１が回転可能に支持されている。シャフト３１の一端部にはタービンホイール２１が固定され、シャフト３１の他端部にはコンプレッサホイール１１が固定されている。タービンホイール２１がエンジンの排気ガスの圧力によって回転するとコンプレッサホイール１１も同方向に回転してコンプレッサ側開口部１２ａから空気が吸入されるように構成されている。

（コンプレッサハウジング１２の構成）
コンプレッサハウジング１２は、吸気（流体）が流通するコンプレッサ側通路１２ｂを有しており、このコンプレッサ側通路１２ｂは内部が空洞であることから中空部である。よって、コンプレッサハウジング１２は、中空部を有する中空部品である。図１に示すコンプレッサハウジング１２の形状は一例であり、コンプレッサハウジング１２の形状は図１に示す形状に限定されるものではなく、例えば図５に示すような形状等、各種の形状にすることができる。

コンプレッサハウジング１２のコンプレッサ側通路１２ｂは、ホイール収容空間Ｒを囲むように、かつ、コンプレッサホイール１１の回転方向に延びるように全体として湾曲した空気通路であり、コンプレッサハウジング１２における外周側の部分に一体成形されている。コンプレッサ側通路１２ｂの中心線に直交する方向の断面積は、コンプレッサ側通路１２ｂの一端部から他端部に向かって徐々に小さくなるように設定されている。断面積の大きい側が空気流れ方向下流側である。

コンプレッサハウジング１２は、コンプレッサ側通路１２ｂを形成するためのアルミニウム合金製の管状部材１４と、アルミニウム合金製の本体部１５とを備えている。尚、これらの材料はアルミニウム合金に限定されるものではなく、各種金属材料を使用することができる。管状部材１４は本体部１５の成形時にインサート成形されたものである。管状部材１４を本体部１５にインサート成形する際に、本体部１５の材料である溶融した金属が管状部材１４の外周面に接触して固化することで管状部材１４と本体部１５とが強固に一体化する。

コンプレッサ側通路１２ｂは、その周方向の一部が開放されており、その開放された部分は開放部１２ｃとされている。すなわち、管状部材１４の周壁部の周方向の一部が、該管状部材１４の管軸方向の所定範囲に亘って該管状部材１４の周囲の材料と共に除去されることによってコンプレッサ側通路１２ｂが外部に開放されている。この実施形態では、上記所定範囲は、管状部材１４の管軸方向の一端部から他端部までの連続した範囲であり、従って、管状部材１４の開放部１２ｃは、コンプレッサ側通路１２ｂの長手方向両端部に亘って形成される。

コンプレッサ側通路１２ｂの断面形状は、開放部１２ｃの幅が狭くなっており、開放部１２ｃから離れるに従って広くなり、その後、再び狭くなる形状となっている。つまり、コンプレッサ側通路１２ｂの断面形状における管軸近傍の幅が最も広くなっているので、仮に、コンプレッサ側通路１２ｂを金型で成形しようとすると、金型の型開き方向と干渉する部分が生じてしまう。この金型の型開き方向と干渉する部分がアンダーカット部と呼ばれており、従って、この実施形態のコンプレッサ側通路１２ｂはアンダーカット形状を有している。

コンプレッサ側通路１２ｂの開放部１２ｃは、コンプレッサハウジング１２のホイール収容空間Ｒと連通している。従って、コンプレッサ側開口部１２ａから吸入された吸気は圧縮されてコンプレッサ側通路１２ｂを流通した後、エンジンに供給されるようになっている。

また、管状部材１４の周壁部の一部は、該管状部材１４の周囲の材料（本体部１５を構成する材料）から露出するようにインサート成形されている。具体的には、管状部材１４の周壁部における開放部１２ｃが形成された部分から周方向に離れた部分は、本体部１５から露出した露出部１４ｅとされている。露出部１４ｅは、管状部材１４の長手方向両端部に亘って設けることができる。

端板部材１３は、コンプレッサハウジング１２の本体部１５に対して例えばボルトやナット等の締結部材によって締結固定されている。

（コンプレッサハウジング１２の製造方法）
次に、コンプレッサハウジング１２の製造方法について説明する。コンプレッサハウジング１２の製造方法は、管状部材１４をインサート成形する成形工程と、成形工程の後、管状部材１４の周壁部の周方向の一部を管軸方向の所定範囲に亘って除去することによってコンプレッサ側通路１２ｂを外部に開放する除去工程とを備えている。

始めに、図２に示すような管材Ａを用意する。この管材Ａは管状部材１４になる部材であり、この実施形態では、金属製の直管で構成されている。管材Ａを縮管または拡管することにより、一端部から他端部に向かって断面積を徐々に小さくする。この管材Ａの断面積の変化は、コンプレッサ側通路１２ｂの断面積の変化と対応している。管材Ａを縮管または拡管する装置は、図示しないが従来から周知の装置を用いることができる。縮管または拡管工程では管材Ａを絞り成形することもできる。

そして、管材Ａを従来から周知のパイプベンダー等を用いて湾曲させることによって図３に示す管状部材１４を得る。管材Ａを湾曲させる際の直径は、ターボチャージャー１の大きさによっても異なるが、例えば１００ｍｍ程度にすることができる。この管状部材１４の内部がコンプレッサ側通路１２ｂになる。管材Ａを湾曲させる際の曲率は、コンプレッサ側通路１２ｂの曲率と対応している。このとき、管状部材１４の断面積の小さい側が巻き始めとなり、断面積の大きい側が巻き終わりとなっている。管状部材１４の断面積の大きい側は、真っ直ぐに延びるように形成する。また、管状部材１４の周壁部の周方向の一部には、径方向外方へ突出して該管状部材１４の長手方向両端部に亘って延びる突条部１４ａを形成する。突条部１４ａは、管状部材１４の径方向に沿う方向に突出する第１板部１４ｂと、管状部材１４の接線方向に突出する第２板部１４ｃとで構成されている。突条部１４ａを形成した後の管材Ａを湾曲させてもよいし、管材Ａを湾曲させた後、突条部１４ａを形成してもよい。

また、本体部１５を成形する金型（図示せず）を用意する。金型はアルミダイキャスト用金型であり、固定型と可動型とで構成することができる。例えば、固定型の内部に管状部材１４を配置した後、可動型を移動させて固定型と可動型とを型締めすることができる。管状部材１４を固定型と可動型とを型締めすることで、管状部材１４を固定型と可動型とによって動かないように保持する。このとき、管状部材１４の断面積の大きい側を固定型と可動型とによって挟むようにして保持することができる。また、管状部材１４の断面積の大きい側の端部は、固定型及び可動型から外部へ突出させておくこともできる。

固定型と可動型とを型締めした後、金型の内部に本体部１５となる溶融金属を充填する。溶融金属は、固定型及び可動型の型面と、管状部材１４の外周面との間に供給されて流動し、型面によって成形されて固化する。このとき、溶融金属の熱によって管状部材１４の外周面が僅かに溶融して溶融金属と混ざるので、その後、固化した際には、管状部材１４が本体部１５に溶着した状態になり、管状部材１４と本体部１５とを強固に一体化することができる。本体部１５の成形後、脱型すると図４に示すような中間成形品Ａが得られる。以上が成形工程である。

成形工程の後に行われる除去工程においては、従来から周知のマシニングセンタ等の切削機械を使用する。切削工具としては、例えば総形刃物等を使用することができる。この除去工程では、切削加工の他、例えばレーザー加工、シェアリング、ワイヤーカット等の各種加工方法によって材料の除去が可能である。切削加工の場合、管状部材１４の突条部１４ａにおける第１板部１４ｂを切除するとともに、本体部１５における第１板部１４ｂを覆っている部分も同時に切除する。また、端板部材１３を嵌めるための段部形状等、コンプレッサハウジング１２の細部の形状も、本体部１５を切削することによって得る。この切削加工では、管状部材１４の周壁部の周方向の一部を該管状部材１４の周囲の材料と共に一度に除去することができる。第１板部１４ｂ及び本体部１５における第１板部１４ｂを覆っている部分が無くなることで、開放部１２ｃが形成されてコンプレッサ側通路１２ｂの周方向の一部が開放される。以上のようにして図５に示すようなコンプレッサハウジング１２を得ることができる。この図５に示すコンプレッサハウジング１２に、更に切削加工等を施すことができる。

（実施形態の作用効果）
以上説明したように、この実施形態によれば、管状部材１４を本体部１５にインサート成形しておくことで、中子を使用した砂型鋳造を行うことなく、管状部材１４の内部を利用してコンプレッサ側通路１２ｂを形成することが可能になる。そして、この管状部材１４の周壁部の周方向の一部を、本体部１５を構成する材料と共に除去することでコンプレッサ側通路１２ｂを開放することが可能になるので、アンダーカット形状に形成されたコンプレッサ側通路１２ｂを複数の部品で構成することなく、一体成形品として得ることができる。従って、アンダーカット形状を有するコンプレッサハウジング１２を短サイクルタイムで一体成形できるとともに、低コスト化を図ることができる。

また、予め成形されている管状部材１４をインサート成形してその管状部材１４の内部をコンプレッサ側通路１２ｂとすることができるので、例えばダイカスト成形による鋳肌がコンプレッサ側通路１２ｂの内面になる場合に比べてコンプレッサ側通路１２ｂの内面を滑らかにすることができ、よって、流体の流通抵抗を低減することができる。つまり、管状部材１４の内周面の粗さを通常の鋳肌の粗さよりも小さくすることで、流体の流通抵抗を容易に低減することができる。

また、この実施形態では、コンプレッサハウジング１２を一体成形することができるので、コンプレッサ側通路１２ｂの内面に段差等が無くなり、コンプレッサ側通路１２ｂの内面を滑らかにすることができる。このことによっても流体の流通抵抗を低減することができる。

また、図６に示すように、管状部材１４を螺旋状に成形してもよい。また、図７に示すように、管状部材１４の断面が楕円形であってもよい。

（その他の実施形態）
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

上記実施形態では、本発明をコンプレッサハウジング１２の製造に適用するようにしたが、これに限らず、例えば各種流体の通路を有する中空部品を製造する際に使用することができる。

また、上述した管状部材１４や本体部１５の材料は一例を挙げただけであり、例えば樹脂材であってもよいし、樹脂材と金属材との組み合わせであってもよい。

以上説明したように、本発明に係る中空部品及びその製造方法は、例えばコンプレッサハウジングに適用することができる。

１ ターボチャージャー
１０ コンプレッサ
１２ コンプレッサハウジング（中空部品）
１２ｂ コンプレッサ側通路（中空部）
１４ 管状部材
１５ 本体部

Claims (6)

1. 開放部の幅が奥側の幅よりも狭いアンダーカット形状に形成された中空部を有する中空部品において、
   上記中空部を形成するための管状部材がインサート成形されており、
   上記管状部材の周方向の一部のみが管軸方向の所定範囲に亘って除去されて上記中空部が外部に開放されていることを特徴とする中空部品。
2. 請求項１に記載の中空部品において、
   上記管状部材の周壁部の周方向の一部が該管状部材の周囲の材料と共に除去されて上記中空部が外部に開放されていることを特徴とする中空部品。
3. 請求項１または２に記載の中空部品において、
   上記中空部は、流体が流通する通路であることを特徴とする中空部品。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の中空部品において、
   上記管状部材の周壁部の一部は、該管状部材の周囲の材料から露出するようにインサート成形されていることを特徴とする中空部品。
5. 開放部の幅が奥側の幅よりも狭いアンダーカット形状に形成された中空部を有する中空部品の製造方法において、
   上記中空部を形成するための管状部材をインサート成形する成形工程と、
   上記成形工程の後、上記管状部材の周方向の一部のみを管軸方向の所定範囲に亘って除去することによって上記中空部を外部に開放する除去工程とを備えていることを特徴とする中空部品の製造方法。
6. 請求項５に記載の中空部品の製造方法において、
   上記除去工程では、上記管状部材の周壁部の周方向の一部を該管状部材の周囲の材料と共に一度に除去する切削加工を行うことを特徴とする中空部品の製造方法。

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