(57)【要約】      （修正有）【課題】寸法精度が優れた転造体または螺子体を転造加工するための酔歩の発生を低減した転造加工方法、加工装置および成形体を提供する。【解決手段】任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期してワークとダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することにより、ワークとダイスの相対位置を目標状態に保持するとともに、ダイスによりワークを転造加工することを特徴とする転造体の転造加工方法。【選択図】図１４
2011115799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期して該ワークと該ダイス、該ダイスの取り付け台、該ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することにより、該ワークと該ダイスの相対位置を目標状態に保持するとともに、該ダイスにより該ワークを転造加工することを特徴とする転造体の転造加工方法。
【請求項２】
ダイスが丸ダイスまたは平ダイスであり、任意の該ダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期して該ワークと該ダイス、該ダイスの取り付け台、該ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することにより、該ワークと該ダイスの相対位置を目標状態に保持するとともに、該ダイスにより該ワークを転造加工することを特徴とする螺子体の転造加工方法。
【請求項３】
該ワークの中心軸まわりの回転と中心軸方向の移動を可能に支持しながら、該ワークと該ダイス、該ダイスの取り付け台、該ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することを特徴とする請求項２に記載の螺子体の転造加工方法。
【請求項４】
該ワークの不完全ねじ部の周方向位置を該ワークの回転パルス検出および／または荷重変動検出によりトラッキングを行なって該ワークの回転と同期することを特徴とする請求項２および請求項３に記載の螺子体の転造加工方法。
【請求項５】
該ワークに軸方向力および／または軸まわりのねじりトルクを負荷しながら転造加工するとともに、所望により該ワーク中心軸の曲げモーメントを負荷することを特徴とする請求項２乃至請求項４に記載の螺子体の転造加工方法。
【請求項６】
該ワークのクーラントによる強制潤滑および／または振動装置による加振を適用することを特徴とする請求項２乃至請求項５に記載の螺子体の転造加工方法。
【請求項７】
任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期して該ワークと該ダイス、該ダイスの取り付け台、該ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷する駆動機構を有することを特徴とする転造体の転造加工装置。
【請求項８】
該ダイスが丸ダイスまたは平ダイスであり、任意の該ダイスの押し込み位置において該ワークの回転に同期して該ワークと該ダイス、該ダイスの取り付け台、該ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷する駆動機構を有することを特徴とする螺子体の転造加工装置。
【請求項９】
該ワークの中心軸まわりの回転と中心軸方向の移動を可能に支持する該ワークの両端部の支持機構を有することを特徴とする請求項８に記載の螺子体の転造加工装置。
【請求項１０】
該ワークの不完全ねじ部を検出する該ワークの回転パルス検出機構および／または荷重変動検出機構を有することを特徴とする請求項８および請求項９に記載の螺子体の転造加工装置。
【請求項１１】
該ワークに軸方向力および／または軸まわりのねじりトルクを負荷するとともに、所望により該ワーク中心軸の曲げモーメントを負荷する駆動機構を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１０に記載の螺子体の転造加工装置。
【請求項１２】
該ワークのクーラントによる強制潤滑機構および／または該ワークを振動させる振動機構を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１１に記載の螺子体の転造加工装置。
【請求項１３】
計測データとして扁平荷重、該ダイスと該ワークの間隙, 該ワークの両端部の背圧, 該ワークの両端部のトルク, 該ワークの両端部の回転位置、該ワークの長さの何れか１つ以上を含み、駆動機構指令として該ワーク把持部の押し引き, 該ワークの端部の軸方向押し引き, 該ワークの端部の軸まわりねじりの１つ以上を含む制御システムを有することを特長とする請求項８乃至請求項１２に記載の螺子体の転造加工装置。
【請求項１４】
該制御システムが多変数制御システムであり、制御モデルおよび／または学習制御機能を有することを特長とする請求項８乃至請求項１３に記載の螺子体の転造加工装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の転造加工方法および／または請求項７に記載の転造加工装置により製造されることを特長とする転造体の成形体。
【請求項１６】
請求項２乃至請求項６に記載の転造加工方法および／または請求項８乃至請求項１４に記載の転造加工装置により製造されることを特長とする螺子体の成形体。
【請求項１７】
該ワークの歯間の歯底の形状が変曲点を持たない単調関数の区分的連続曲線で表現され、所望により歯厚は歯底の間隔より小さいものであることを特徴とする請求項１６に記載の螺子体の成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転造体または螺子体を転造加工するための転造加工方法、加工装置および成形体に関する。更に詳しくは、複雑な形状の転造体または歯車機構等に使用されるウォーム、ヘリカルギヤ、ヘリカルスプライン、固着用、又は回転運動を直線運動に変換するための多条ねじ等の螺子体を転造により加工するための螺子体の転造加工方法、加工装置および成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじ（螺子）は、非特許文献１）の解説に詳しく紹介されている。以下にその一部を引用する。
【０００３】
ねじは円筒や円錐面に沿って螺子状の溝を設けたものであり、別個の部材の締結や、回転運動と直線運動の変換などに用いられる。溝を円筒または円錐の内面に設けたものをめねじ、外面に設けたものをおねじと呼び、これらが互いに組み合わされて利用される。
【０００４】
今日では、ねじはあらゆる用途において大量に使用されており、その多くはボルトやナット、木ねじなどによる締結用途である。ねじは各種の機械の運動や位置決めなどでも欠かせないものとなっている。
【０００５】
ねじ部の加工方法は、転造による方法と切削・研削による方法に大別できる。
【０００６】
転造法は塑性加工に属する逐次成形（インクレメンタルフォーミング）の一種であり、材料を回転させながら硬質の金型に押し付けることで徐々に逐次的に成形するものである。転造法は加工時間が比較的短いため大量生産に適する特徴がある。
【０００７】
転造工程では、塑性変形によって谷が押し込まれる分だけ山が盛り上げられることでねじ山部分が成形される。このため、切削クズのような無駄となる材料は転造では生じない。
【０００８】
転造を行う工作機械は転造盤（一部は転造機）と呼ばれる。平ダイス式転造盤、丸ダイス式転造盤、プラネタリ式転造盤がある。 おねじの場合には、ねじ山の形状を刻んだダイスで中間製品であるブランクを強力に挟み込み、間で回転させてねじ山を生形する。一般には、ねじ転造はこのおねじの転造加工を指す。
【０００９】
ボルトの鍛造による量産加工では、ボルトフォーマーによって線材から太めの外形を備えたブランクと呼ばれる中間製品を作り、平ダイス、丸ダイス、扇ダイスなどでねじ山を転造によって成形する。
【００１０】
ウォームは非特許文献２）に詳細に解説されている。以下にその一部を引用する。ねじ歯車（ウォーム）とそれに合うはすば歯車（ウォームホイール）を組み合わせたもので、１段で大きな減速比が得られる。他の歯車機構に比べてバックラッ
シュも小さくできる。
【００１１】
一般的にはウォームの回転によりウォームホイールが回転する。オルゴールの調速機（ガバナー）、自動車のステアリング、天体望遠鏡の赤道儀、鉄道模型の駆動などに採用されている。
【００１２】
特許文献１）では、丸ダイスによる転造加工によって、自動車のハンドル駆動等に用いられるウォームギヤ（ウォームと同意）を転造加工方法により加工したウォームギヤが開示されている。以下にその一部を引用する。
【００１３】
車両の電動式パワーステアリング装置として、電動モータの回転出力をウォームギヤ機構を介して減速し、ステアリングホイールに連結された出力軸をアシスト駆動するタイプのものが知られている。
【００１４】
大きな負荷がかからない軽自動車用のパワーステアリング装置においては、金属製の円筒ウォームギヤと樹脂製のウォームホイールとを組み合わせてウォームギヤ機構として用いたタイプが知られている。
【００１５】
この金属製のウォームギヤは、高い精度が要求されるので焼入れ鋼を旋盤加工の後、熱処理し研削仕上げ加工により製造されている。旋盤で加工する場合、バイトで切削されるが、生産性を上げるときは円錐形のフライスを使用し、このフライスの軸線をウォーム軸に対してウォームギヤのピッチ線における進み角だけ傾けてねじ加工の要領で切削する。
【００１６】
しかしながら、このウォームギヤの製作工程は、少なくとも切削、熱処理、研削と大きくは３工程が必要である。また、このための設備も旋盤、熱処理設備、研削盤の少なくとも３台が必要となる。このために加工コストが増大し樹脂製のウォームホイールの利点が十分に発揮できていなかった。
【００１７】
また、おねじ、ウォームギヤ等を転造するとき、対向して配置された第１転造ダイス、及び第２転造ダイスが互いに接近して押し込み送りを行う。このとき、ウォームギヤの進み角が大きくて、かつ仕上がり直径と素材直径の差が大きいとき、転造加工の進行中に、進み角が変化する現象が歩みと呼ばれている。
【００１８】
この歩みが発生すると、歩みによるワークの移動方向のねじ山のフランク面と反対側のフランク面との間で丸ダイスの接触が異なり、転造面の仕上がり精度が悪くなる問題がある。この歩みを防ぐために、通常は目視等により第１転造ダイス、又は第２転造ダイスの軸線方向の位相位置を変えることにより補正をすることがある。
【００１９】
しかしながら、この補正方法は、おねじ、又はウォームギヤの両側にめねじ、又はウォームギヤの直径より大きな軸があるような部品の場合、この部分に転造ダイスが干渉するので歩みを防ぐための補正は困難である。
【００２０】
又このようなとき、ダイスを正転、又は逆転させて転造させることも行われているが、バックラッシュ等の発生により製品精度の高いものはできないし、生産性も悪い。特許文献２）では、この歩みを第１転造ダイス、及び第２転造ダイスの回転軸線と直交する軸線のまわりで回動する主軸傾斜機構が提案された。
【００２１】
しかしながら、この主軸傾斜機構を用いたものでも、加工開始から加工終了までの径の変化が大きいウォームギヤ等のようなワークでは、歩みの発生を完全には防ぐことができず、これが加工誤差となって現れる。
【００２２】
特許文献１）特許公開２００６−３４２９７１号公報：『ウォームギヤ』
特許文献２）特開平１１−２８５７６６号公報：『丸ダイス式転造装置』
特許文献３）特許公開ＷＯ２００３／０００４４２号公報：『ウォームギヤ転造加工方法とそのウォームギヤ』
特許文献４）特許公開２００３−３４０５４２号公報：『ウォームの転造用素材』
特許文献５）特許ＷＯ２００４／１１０６６９号公報：『転造圧調整用カムの課題』
特許文献６）特許公開２００７−２９０００１号公報：『ウォーム用平ダイス転造盤』
特許文献７）特許公開２００４−１７４５０４号公報：『転造加工装置』
特許文献８）特許公開２００６−２２４１５９号公報：『ウォーム軸用平ダイス』
非特許文献１）http://ja.wikipedia.org/wiki/ねじ
非特許文献２）http://ja.wikipedia.org/wiki/歯車
非特許文献３）日本機械学会論文集（第３部）４３巻３６８号、１４６２頁
非特許文献４）塑性と加工４７巻５４１号、１００頁：『多軸制御高精度加工転造機の開発と新しい加工製品の発掘』
非特許文献５）塑性と加工４７巻５４１号、１０５頁：『高精度転造機によるねじ加工の有限要素解析
』
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ウォームのようにモジュールの比較的大きい螺子体の転造加工では、比較的大きな酔歩（ランダムウォーク）が発生して製品の規格外れを生じ易い。自動車用のパワーステアリング装置のウォームを製造するためには、酔歩を１０μｍ程度に低減する必要がある。
【００２４】
非特許文献３）では高精度な旋盤のねじ研削におけるねじのピッチ誤差として酔歩の要因が開示された。これによると酔歩の要因は主に機械的要因、研削条件による要因、その他で合計１０個程度の因子に分解された。従って、一般的に螺子製品の製造工程において酔歩に最も大きく影響する因子を特定することは、多数の因子の影響を分離しなければならず困難であった。
【００２５】
酔歩の影響因子を分離した例として、非特許文献３）の精密な旋盤のテーブル送り誤差の測定では、最大誤差が２．９μｍと報告された。この結果から精密な機械加工旋盤を用いても誤差が３μｍ程度混入するので、誤差が３μｍ程度であれば十分精密加工と考えられる。
【００２６】
特許文献３）では、特許文献２）のＣＮＣ転造機の制御システムが開示された。図１は装置の外観図、図２はその制御システムの説明図で、主に、ダイスの回転数制御、ダイス主軸の傾斜角度、ダイスの押し込み位置、ワークの位置を変更する駆動機構を個々に制御する。
【００２７】
この制御システムは基本的に一入力一出力の古典制御理論を適用した制御であり、制御変数間の相互作用は無視している。従って、ウォームねじ転造時の変形のように制御変数間に強い相互依存性が存在する場合には、最適な制御が困難になる可能性がある。
【００２８】
図３は丸ダイス転造装置によるワークの転造の状況を示す説明図であり、右上は平面図、右下は正面図、左はワーク送り台の側面図を示す。平面図に示すようにワークは両端部端面の中心軸位置に設けられた窪みをワーク送り台に固定された支持突起で押し付けて回転自由に固定される。そして、ワークの両側から丸ダイスにより均等な押し込み力で挟み込まれて回転により揉まれながらダイス表面の溝の凹凸が徐々に転写される。
【００２９】
尚、ダイスからワークの軸方向に荷重が作用するとワーク送り台が軸方向にスライドする。ウォームのように押し込みにより進み角が若干変化して軸方向に歩みと呼ばれる移動が発生する。この場合、軸端部の塊状部とダイスの側面が接触して損傷するのを防止するために、接触直前で停止してダイスの回転方向を反転する。
【００３０】
図４はダイスの開閉とワーク送り台の１サイクル当たりの位置関係を示す。順番に、（１）取り付け、（２）ワーク送り、（３）転造：正転、（４）転造：逆転、（５）開放、（６）取り出しで１サイクルである。但し、（３）転造：正転および（４）転造：逆転を複数回交互に行うことによりダイスの押し込み量を調節して所望の成形を実施する。これをレシプロ転造と呼称する。
【００３１】
レシプロ転造では左右の山の角度を均一化すると同時に面粗度の向上や、小トルクでの繰り返し加工により、変形しやすい中空のワークの加工に適する。
【００３２】
非特許文献４）では特許文献２）に開示のＣＮＣ転造機の性能を調査しており、対向する丸ダイスの回転の同期誤差が振幅で０．０１°（deg.）程度と少なく、有効ねじ部１５００ｍｍのねじ山のずれが振幅で７μｍ程度と高精度であり、螺子体の酔歩低減に効果が高い。モジュールが比較的小さいながねじの場合は、精密な旋盤による研削加工に肉薄する酔歩の小さいねじが成形された。
【００３３】
そこで、自動車用パワーステアリングのウォームのようにモジュールが比較的大きく歯数が少ない場合のように、従来の転造加工技術では困難とされた高付加価値部品に対して、高精度なＣＮＣ転造機による転造工程の開発が実施された。
【００３４】
特許文献１）にはＣＮＣ転造機によるウォーム転造条件が開示された。各転造ダイスの回転速度は毎分１０回転から４０回転であり、正転と逆転の繰り返し回数は１５回から５０回とされた。また、ドウエル工程として各転造ダイスが互いに接近する押し込み動作を停止させた状態で、正転と逆転の回数で１セット当たり２回から５回の転造を実施する。ドウエル工程は押し込み（切込み動作）の段階に間欠的に２セットから３セット挿入された。
【００３５】
図５はワークの三次元（３ｄ）変形の機構
を示す説明図である。ダイスの直径がワークの直径の約４倍とすると、素材の回転速度は毎分４０回転から１６０回転、正転と逆転の繰り返し回数は１５回から５０回である。加工前後で歯部（ねじ山と同意）を転写する部位が軸方向に３７％程度延伸することが観察された。
【００３６】
軸方向に７個の歯部（ねじ山）を成形することから約２．６個分の歯部に相当する延伸であることが分かる。ダイス溝にワークの歯部が長手方向に拘束された状態での延伸では、最大２．６回の中心軸のねじれ回転が発生して、ワークの端部がダイス溝をスクリューねじのように回転しながら延伸すると予想される。
【００３７】
このようにウォームの転造ではダイスが接触して塑性変形を生じる部分の直径が減少し、体積一定則から軸方向への延伸とダイス溝に充満する２つの変形モードが生じるだけでなく、軸のねじり変形モードが発生する。従って、所望の形状を得るにはワークの複雑な三次元変形を総合的に制御する必要性が判明した。
【００３８】
図６は２条および３条ねじのピッチ円筒径または外径の真円からの扁平（偏平）変形による誤差を示す説明図である。ワークの扁平変形は自動車用パワーステアリングのウォームのようにモジュールが大きく歯数が少ない場合に発生し易い傾向である。
【００３９】
図７はワーク扁平変形の発生機構の説明図で、左図はその流れ図である。これは、（１）不完全ねじ部の接触不均一、（２）ダイス押付け力のバネモデル、（３）実効転造圧力の周方向周期変動、（４）ワークの扁平変形からなる。以下に順番に説明する。
【００４０】
（１）不完全ねじ部の接触不均一：ウォームは図７の１段目の左図に示すようにねじの両端部で不完全ねじ部が成形されるので、右図のようにワークの中心軸を通る断面のねじ山の数や形状はワークの周方向に変化する。ねじ山の数が少ない完全ねじ部だけの場合（右図の上）とねじ山の数が多い不完全ねじ部を含む場合（右図の下）が周方向に交互に成形される。そのために完全ねじ部だけの場合と不完全ねじ部を含む場合で接触不均一が発生する。同じ加工量を加える際に、後者の場合は不完全ねじ部の材料がねじ溝に逃げるので、逃げ場のない前者の場合に比べて低荷重になる傾向である。
【００４１】
（２）ダイス押付け力のバネモデル：図７の２段目の左図に示すように丸ダイス式転造機でウォームを転造する際には、一対のダイスで両側からワークを狭持しながら押し込むことにより成形荷重を負荷した状態でダイスとワークを回転させながら徐々に加工する。成形荷重が発生する機構は、ダイスを支持する転造機の構造部品が駆動機構による押し込みにより弾性変形を生じるためである。これは右図のように押し込みにより圧縮されたばねでダイスを支持するモデルと等価と考えられる。ばねは圧縮量と支持荷重が単調変化の関係にあり、一般には線形関係で良好に近似できる。ばねの圧縮量は一回転当たりのワークの変形量に比べて大きいので、ワークに作用するダイスの押付け力は１回転当たり大略一定と考えられる。
【００４２】
（３）実効転造圧力の周方向周期変動：図５や図７の１段目に示すウォームのように軸方向のねじ山の数が数個と少ない場合には、同じダイスの押付け力の作用下でワークの中心軸を通る断面の１回転当たりの変形量が不完全ねじ部の有無に大きく影響を受けて変化する。不完全ねじ部を有する断面では不完全ねじ部で支持できる荷重が低下するので、完全ねじ部に分配されるダイスの押付け力が増加する。そのため完全ねじ部に作用する実効転造圧力は不完全ねじ部が存在する断面では存在しない断面よりも大きくなる傾向にある。そのため、完全ねじ部に作用する実効成形圧力はワークの回転に対して図７の３段目に示すように周期的に変動する。
【００４３】
（４）ワークの扁平変形：完全ねじ部に作用する実効成形圧力の周期的な変動に伴って１回転当たりのワークの変形量も周期的に変動する。従って、ねじ山のピッチ円筒径やねじ山の外径は狙いの真円に対して扁平変形が発生する傾向である。２条ねじの場合は荷重変動がワークの二分の一回転毎に発生するので楕円形状に扁平変形するのに対して、３条ねじの場合はワークの三分の一回転毎に発生するから略三角形状に扁平変形する。
【００４４】
尚、一般に塑性加工では力学的に釣り合う条件で圧縮されたばねの縮み開放量とワークの変形量が決まるので、低荷重で変形する不完全ねじ部を含む断面は完全ねじ部だけの断面に比べてばねの縮み開放量が大きい。従って、ばねの縮み開放量の差分だけダイスの押付け力が周期的に変動するので、この変動を測定することで不完全ねじ部の周方向位置を把握することができる。
【００４５】
扁平変形に関して、特許文献１）に開示の転造条件でドウエル工程を挿入しない場合に２条ねじでは楕円形、３条ねじで略三角形が観察され、その程度はドウエル工程無しの場合に０．２〜０．３ｍｍ、ドウエル工程有りの場合に０．０２ｍｍ以内であることが開示された。即ち、ドウエル工程を挿入することで扁平変形が約十分の一に低減されることが判明した。
【００４６】
但し、ドウエル工程ではダイスの押し込みで一旦ワークが扁平変形した後に、押し込み力を低減して加工する。従って、ドウエル工程では実質的にワークの押し込み（切り込み）を行わない状態で加工するので、３０％程度の生産性低下が避けられない。
【００４７】
図８は指で針金の特定箇所を曲げ曲げ戻しする際の不均一な形状変化を示す説明図である。最初に曲げた箇所は折れを生じるとともにその部分が加工硬化する。次に加工硬化した場所を中心に曲げ戻す際に、折れ部に隣接する加工硬化していない部位が折れを生じる。これは、塑性加工の非線形性のためであり、一般的に塑性加工では加工の履歴により最終的なワークの形状が変化する。
【００４８】
ドウエルはワークの周方向に異なる加工履歴を許容するので、図８のように周方向に加工履歴、例えば塑性ひずみに応じた硬さ分布などが残存する。図６に示すようにドウエル前のワーク形状に対して、加工後のワーク形状はピッチ円筒や外径が真円に近づくとされるが、理想変形に対してドウエル工程の余剰ひずみが導入されるので、転造体の三次元的な全体形状に対してネガティブな影響（外乱）が発生し易い。
【００４９】
図５に示すようにワークはねじれ変形を伴う軸方向延伸により所定の製品形状に成形される。ねじれはねじり抵抗が小さい断面近傍で選択的に生じるから、ドウエル工程で導入される余剰ひずみが集中するとワークの軸方向延伸に不均一性を生じる。即ち、針金の曲げ曲げ戻しのように、ドウエル工程の余剰ひずみはワークの三次元的な不均一変形を誘発し易いので酔歩発生の因子である。
【００５０】
以上の考察から、生産性向上と酔歩防止の観点からドウエル工程を極力廃止すべきである。そのためには、ワークの扁平変形を防止するドウエル代替技術の開発が重要である。
【００５１】
特許文献４）には、図９に示すようにねじ山を成形する加工部位の両端テーパー部の周方向特定位置に予め切り欠きを加工することにより、周期的なダイス押し付け力の変動を低減するドウエル代替技術が開示された。切り欠きはダイス押し付け力の変動に影響する因子であり、切り欠きを最適化ができれば改善効果が期待できる可能性がある。
【００５２】
しかしながら、ワークの初期切込みと切り欠きの相対位置を制御しなければならず、完全ねじ部のトラッキングと切り込み位置の適合が一般的に困難である。また、荒加工、仕上げ加工を通じて切り欠き部自体が変形するためその効果が限定的である。更に、素材加工の際に４箇所の切り欠きを成形しなければならず増工程となる問題があった。
【００５３】
ドウエル代替技術として、特許文献５）には、転造圧調整用カムを適用する技術が開示された。これは図１０に示すように、転造終期の仕上げ加工時にワーク端部をカムで支持して転造圧力を調整することにより、周方向の周期的なダイス押し付け力の変動を低減する。ワーク端部のカムとダイス端部の円盤が接触を開始する仕上げ加工時には、実質的な転造圧力の変動を低減し扁平変形を矯正する効果が期待される。
【００５４】
しかしながら、図１０に示す転造圧調整用カムを用いた対策ではカムとダイス側端部の円盤が接触する仕上げ時だけしかワークとダイス間に押し力を負荷できない。仕上げ工程は全体の加工履歴に占める割合が小さい。そのため、
荒加工時に発展した扁平変形などの不均一変形を仕上げだけで矯正することは困難である。従って、荒加工時に不均一変形を防止するためにドウエルの適用が必要であり、完全なドウエル代替技術になり得ない問題があった。
【００５５】
この問題を解決するためにはワークの加工開始の荒加工段階からワーク加工終了の仕上げ加工段階で任意のダイスの押し込み位置において負荷を制御できる機構が必要である。また、ねじ転造では多品種少量生産が行われるが、その際に製品毎のカムの最適化が困難であるだけでなく、製品毎のカムの管理や取り外し作業を行う必要があり生産性を阻害する問題があった。
【００５６】
図１１はワーク扁平とワーク中心軸の傾斜に関する説明図である。図６に示すようにねじの転造加工においてワークは複雑な三次元変形を生じるので、ワークの両端部はダイス溝をスクリューねじのように回転しながら軸方向に延伸する。図１１ではワークが上下方向から一対のダイスで狭持されながらダイスとワークが回転しながら加工される。
【００５７】
図１１の一段目はワークが１条ねじの場合に、不完全ねじ部の周方向位置を○印と□印で模式的に示す。ワークが回転しながら両端部がねじりおよび延伸するので、加工の進行を示す１から５の順番とともに○印と□印が周方向に相対的に移動する。
【００５８】
ウォームのようなモジュールが大のねじの両端部は、図７で検討したようにダイスとワークの接触不均一により扁平変形を生じ易い。○印と□印の不完全ねじ部ではねじ溝に材料が逃げるために変形が大であり、１条ねじの場合にはワークの中心軸位置がねじ溝側へ移動する。従って、図１１の二段目に示すように、変形中のねじの両端部における中心軸位置を結んだ直線をワークとダイスの中心軸をほぼ含む平面に投影した場合に、１から５の順番で傾斜角が変化する。
【００５９】
このことから、１条ねじの場合はワークの扁平変形によりワークの中心軸が触れ回りを生じ易く、その触れ量は○印と□印が対向する１番と５番の場合に最大であり、ワークのねじれとともに周期的に変化する。また、中心軸の触れ回り量はワークの軸方向に直線的に変化するものとし、中心軸の触れ回りがワークの扁平変形に関係するから、扁平変形はねじの両端部が最も大きく中央部で低減する傾向が予測される。
【００６０】
従って、ウォームのように歯部の軸方向長さが短い場合には、１回転当たりのワークの扁平変形量は中心軸方向にほぼ直線的に分布し、回転毎に扁平域が周方向に僅かづつ移動する。そのため、軸方向の延伸や中心軸まわりのねじれ変形も軸方向に分布する。即ち、ワークに導入される加工履歴は局所的に変化するので、μｍ単位で高精度に加工されたダイスの溝の中で、ワークの数十μｍ単位の不均一な変形が容易に発生する。
【００６１】
パワーステアリング用のウォームのように高精度な螺子体を転造工程で製造するには、ワークとダイスの不均一接触の条件でもワークの姿勢を適性状態に保持する必要がある。しかしながら既にドウエル代替技術で検討したように、従来技術では任意のダイスの押し込み位置でワークの中心軸を目標位置に制御する転造技術は開示されていない。そのため、酔歩の発生を防止できない問題があった。
【００６２】
ながねじの高精度な加工が可能なＣＮＣ転造機をもってしても、ウォームのような複雑形状の場合はドウエル工程を完全に排除することが困難であった。そのためワーク内部への余剰ひずみの蓄積と材質の不均質化が避けられず、複雑な三次元変形を生じる転造加工では材料硬さ等の不均一の影響で酔歩などの基本的なねじ溝の加工精度の確保が十分には出来ない状況であった。
【００６３】
同じ転造機を用いて、ながねじでは寸法形状の精度を確保できるが、ウォームでは精度確保が困難である。ねじ山のピッチに関連して酔歩（ランダムウォーク）の発生が問題となるが、高精度なダイスを用いて転写してもそのピッチが変動する機構が不明であった。
【００６４】
また、ダイスのように決められたピッチを有する工具による転造では全てのねじ山を同時に加工するため、個々のねじ山毎の寸法形状の作り込みが困難である。ウォームのようにワークが複雑な三次元変形を生じる場合には、ワークをどのように変形させて全てのねじ山を所望の寸法形状に作り込むかという基本方針が不明であった。そのため、一旦寸法外れの問題が発生するとその解決のため堂々巡りに陥る危険性があった。
【００６５】
ウォームのねじ山を転写するダイスのねじ溝は研削工程で仕上げられる。ねじ溝の断面形状を円弧または直線を繋ぎ合わせた形状にすることで、ねじの加工性とねじ山の転造性を改善する試みがなされた。特許文献１）にはＣＮＣ転造機との相性のよいねじ形状のウォームが開示された。
【００６６】
特許文献１）に開示のねじ形状は円弧を用いることで設計や研削機の入力をパターン化して省力化に効果を発揮する一方で、転造加工中にダイスのねじ溝の形状に沿って塑性流動する材料の流れ様式を制限するため、ねじ山の成形を最適化する際の障害となっていた。
【００６７】
例えば、螺旋状のねじ溝に垂直な断面やねじの中心軸を通る断面で円弧または直線を繋ぎ合わせた形状に規定しても、転造加工中にダイスのねじ溝の形状に沿って塑性流動する材料の流れの方向は両者の断面の中間になるのが自然である。このような、塑性理論に適った材料の流れを実現するねじ形状の最適化が課題になっていた。
【課題を解決するための手段】
【００６８】
発明者は酔歩が生じ難い理想的なワークの三次元変形状態として、当業者が暗黙の了解で均一変形を仮定していることに気付いた。ワークが均一に変形すればダイスのねじ形状が均一な間隔でワークに転写されることを期待することは自然である。
【００６９】
但し、ねじ形状を転写するために必要な最低限の不均一ひずみが発生する。一般的な加工では最低限のひずみ以外に更に余剰ひずみが発生してワークの均一変形を損なう。そこで理想的なワークの変形とは余剰ひずみが最小の変形であると考えた。一般的に余剰ひずみを最小にする変形経路を実機試験による試行錯誤で発見することは困難性が高くコストの増加を招く問題があった。
【００７０】
そこで塑性加工理論を用いてワーク全体が理想的な均一変形状態に近づく条件を把握するとともに、その知見に基いて必要なハードを備えたフレキシブル転造機、および必要な知能（インテリジェンス）を備えたフレキシブル制御システムからなる次世代知能転造機を構想し、その開発を通じて以下に示すように問題解決を図った。
【００７１】
即ち、第１の発明は任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期してワークとダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することにより、ワークとダイスの相対位置を目標状態に保持するとともに、ダイスによりワークを転造加工することを特徴とする転造体の転造加工方法である。
【００７２】
第２の発明はダイスが丸ダイスまたは平ダイスであり、任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期してワークとダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することにより、ワークとダイスの相対位置を目標状態に保持するとともに、ダイスによりワークを転造加工することを特徴とする螺子体の転造加工方法である。
【００７３】
第３の発明はワークの中心軸まわりの回転と中心軸方向の移動を可能に支持しながら、ワークとダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷することを特徴とする螺子体の転造加工方法である。
【００７４】
第４の発明はワークの不完全ねじ部の周方向位置をワークの回転パルス検出および／または荷重変動検出によりトラッキングを行なってワークの回転と同期することを特徴とする螺子体の転造加工方法である。
【００７５】
第５の発明はワークに軸方向力および／または軸まわりのねじりトルクを負荷しながら転造加工するとともに、所望によりワーク中心軸の曲げモーメントを負荷することを特徴とする螺子体の転造加工方法である。
【００７６】
第６の発明はワークのクーラントによる強制潤滑および／または振動装置による加振を適用することを特徴とする螺子体の転造加工方法である。
【００７７】
第７の発明は任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期してワークとダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷する駆動機構を有することを特徴とする転造体の転造加工装置である。
【００７８】
第８の発明はダイスが丸ダイスまたは平ダイスであり、任意のダイスの押し込み位置においてワークの回転に同期してワークとダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかの間で押し力および／または引き力を負荷する駆動機構を有することを特徴とする螺子体の転造加工装置である。
【００７９】
第９の発明はワークの中心軸まわりの回転と中心軸方向の移動を可能に支持するワークの両端部の支持機構を有することを特徴とする螺子体の転造加工装置である。
【００８０】
第１０の発明はワークの不完全ねじ部を検出するワークの回転パルス検出機構および／または荷重変動検出機構を有することを特徴とする螺子体の転造加工装置である。
【００８１】
第１１の発明はワークに軸方向力および／または軸まわりのねじりトルクを負荷するとともに、所望によりワーク中心軸の曲げモーメントを負荷する駆動機構を有することを特徴とする螺子体の転造加工装置である。
【００８２】
第１２の発明はワークのクーラントによる強制潤滑機構および／またはワークを振動させる振動機構を有することを特徴とする螺子体の転造加工装置である。
【００８３】
第１３の発明は計測データとして扁平荷重、ダイスとワークの間隙, ワークの両端部の背圧, ワークの両端部のトルク,
ワークの両端部の回転位置、ワークの長さの何れか１つ以上を含み、駆動機構指令としてワーク把持部の押し引き, ワークの端部の軸方向押し引き, ワークの端部の軸まわりねじりの１つ以上を含む制御システムを有することを特長とする螺子体の転造加工装置である。
【００８４】
第１４の発明は制御システムが多変数制御システムであり、制御モデルおよび／または学習制御機能を有することを特長とする螺子体の転造加工装置である。
【００８５】
第１５の発明は請求項１に記載の転造加工方法および／または請求項７に記載の転造加工装置により製造されることを特長とする転造体の成形体である。
【００８６】
第１６の発明は請求項２乃至請求項６に記載の転造加工方法および／または請求項８乃至請求項１４に記載の転造加工装置により製造されることを特長とする螺子体の成形体である。
【００８７】
第１７の発明はワークの歯間の歯底の形状が変曲点を持たない単調関数の区分的連続曲線で表現され、所望により歯厚は歯底の間隔より小さいものであることを特徴とする螺子体の成形体である。
【発明の効果】
【００８８】
以下では必要に応じて、発明の効果が顕著と見なされる実施例を用いて説明を行う。図５の下段は非特許文献４）に開示のウォーム部品であり、材質はＳ４５Ｃ、外径１８ｍｍ、長さ８６ｍｍ、首径９．８ｍｍ、歯部長さ３５ｍｍ、ねじの条数は２である。実施例では図５の上段の素材から転造によりウォーム部品を成形する。本部品は寸法形状の精度が厳しいため切削、熱処理と研削により製造されていた。これを転造工程で製造するために、歯の寸法精度全般、中でもねじの酔歩の発生を低減する。尚、原理などを理解し易く説明するためにねじの条数を１とした場合など条件が異なる場合には、そのことを該当箇所で明記した。
【００８９】
第１の発明である転造体の転造加工方法の効果について説明する。
【００９０】
図１２は丸ダイス式転造機のダイス取付台１０に設置したワーク１２の扁平変形防止装置の構造を示す説明図である。図１２の(a)、(d)は扁平変形防止装置を設置前の平面図と正面図、図１２の(b)、(e)は扁平変形防止装置を設置後の平面図と正面図、図１２の(c)、(f)は設置した扁平変形防止装置の平面図と正面図である。実施例では丸ダイス式転造機は特許文献２）に開示の図１乃至図４に示す転造機を使用するが、一般的な転造盤を用いてもよい。
【００９１】
図１２の(a)、(d)に示すように、図示しない架台に設置されたはり軸１７に、対向する一対のダイス移動台１６が図示しない駆動機構によりはり軸１７に沿う方向に相互の間隙を拡大または縮小するように移動可能に取り付けられる。ダイス移動台１６には丸ダイス１１を回転自由に支持するダイス取り付け台１０がダイス移動台１６の取り付け面内で傾斜自在に取り付けられる。
【００９２】
丸ダイス１１の外周にはねじ山を成形するための溝が加工されており、ワーク１２を一対の丸ダイス１１で狭持してダイス移動台１６で押し込みを行った後、各丸ダイスを同期させながら同一方向に回転して、ワーク１２を回動しながら塑性加工によりねじを転造する。押し込み量が増大するとダイス取り付け台１０を傾動させてワーク１２が軸方向に歩みを発生するのを抑制する。更に詳細な機構は特許文献２）を参照されたい。
【００９３】
図１２の(b)、(e)の薄い諧調の線は図１２の(a)、(d)の転造機の構造を示しており、濃い諧調の線は設置した扁平変形防止装置の主要部を示す。即ち、ワーク扁平変形防止装置の主要部は駆動機構１３、ワーク端部支持機構１４、把持工具１５から構成される。駆動機構１３はダイス取り付け台に埋設され、駆動機構１３の移動軸の先には押し力または引き力を伝達する把持工具１５がダイス１１の両側に設置される。通常、ダイス１個当たり２個の把持工具が必要なことから、図１２の転造機はダイスを２個有するので、実施例では合計４個の把持工具を備える。
【００９４】
図１２の(c)、(f)の薄い諧調の線は図１２の(a)、(d)のワークとダイスを示しており、濃い諧調の線は設置した扁平変形防止装置の主要部を示す。扁平変形防止装置の駆動機構の移動軸は矢印の方向に移動して把持工具に押し力を伝達するとともに、把持工具はワーク端部支持機構またはワークを把持してワークに押し力を伝達する。また、扁平変形防止装置の駆動機構の移動軸は矢印と反対の方向に移動して把持工具に引き力を伝達するとともに、把持工具はワーク端部支持機構またはワークを把持してワークに引き力を伝達する。
【００９５】
把持工具は駆動機構を１個備える。但し、図１２の場合にはダイス軸を回転自由に支持する軸受け箱と駆動機構が干渉するのを避けるために、把持工具は軸受け箱の両側に２個の駆動機構１３を備える。図１２は駆動機構１３として油圧シリンダーを用いた例であるが、サーボモーターなどの電動式の駆動機構を利用することもできる。
【００９６】
また、図１２の場合に把持工具を二分割または複数個に分割することも可能である。その際、駆動機構を小型化して分散することにより、取り付け位置を更にダイスに近付けることができる。
【００９７】
特許文献１）に開示の加工条件から、ワークの回転速度は毎分４０回転から１６０回転程度、即ち毎秒０．７回転から２．７回転程度であり、駆動機構の負荷も高々１．６トン程度であるから、従来技術の駆動機構が利用できる。
【００９８】
また、図示しないが工具に作用する負荷を測定する荷重計と工具の位置を測定する変位計が設置される。荷重計はロードセル、変位計はリニアーゲージなどのコンパクトな機器が好適である。
【００９９】
把持工具１５は駆動機構１３により各ダイス取り付け台１０からワーク１２の端部または両端部の支持機構１４を挟持する。把持工具１５はワーク１２の端部に押し力を負荷する場合が一般的であるが、所望によりワークの両端部の支持機構１４と把持工具１５を固定する掴み機構を設けることにより、支持機構１４を介してワーク１２の両端部に引き力を負荷することも可能である。
【０１００】
尚、ウォームなどのモジュールの大きいねじの転造では軸方向に歩みが発生するので、特許文献１）に開示の転造機ではダイス取り付け台を傾斜させて見かけのねじの進み角を調節する歩み制御が実施される。この場合、ダイス取り付け台とともにワーク扁平変形防止装置も傾斜するので、ワークと駆動機構および把持工具の位置関係が傾斜にともない変化する。この場合、把持工具を介して駆動機構の押し力または引き力をワークに伝達するために、ワーク、駆動機構および把持工具の相対位置変化を吸収する機構を設置すればよい。
【０１０１】
駆動機構の移動軸の先端が把持工具の表面と摺動することで、把持工具の相対位置が変化しても移動軸の先端が無理なく接触するので、押し力の伝達は可能である。また、摺動線上にレールや溝を加工し、駆動機構の移動軸の先端がレールを抱き込む機構や溝に勘合する機構を備えることで引き力を伝達することも可能である。
【０１０２】
図１４はワークの扁平変形防止装置の作動原理を１条ねじの場合に示す説明図である。ワークの扁平変形は図７に示す実効転造圧力の周方向周期変動に起因する。従って、この周期変動を相殺するために、ワークの端部とダイスまたはダイス取り付け台の間に周期変動荷重を負荷すれば良い。
【０１０３】
また、図７の第２段目に図示するようにダイスからワークに負荷される成形の押付け力はダイスの締め込みによりダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の弾性ひずみにより供給される。図１２の実施例ではワーク扁平変形防止装置の駆動機構をダイスの取り付け台に設置したが、ダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の少なくとも１つ以上に設置すれば所望の効果を発揮できる。
【０１０４】
その場合、ダイスに出来るだけ近い位置に設置するとワーク扁平変形防止装置の駆動機構のストロークを少なくできる。従って、ダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の順番に設置することが好ましい。また、図１２ではワーク扁平変形防止装置の駆動機構とダイスを支持する軸受けの干渉を防止するために駆動機構を分割したが、所望によりダイスを支持する構造部材に駆動機構を設置することで干渉を排除して単一の駆動機構にすることも可能である。
【０１０５】
図１４の上段はダイスとワークおよびワークの支持機構に１条ねじの場合の不完全ねじ部の位置を丸印で示す平面図、下段はワークおよびワークの支持機構にワークに作用するダイス押し力および扁平変形防止装置で付与する周期変動荷重を矢印で示す平面図である。不完全ねじ部の周方向位置は左図がθ＝０°、中央図がθ＝９０°、右図がθ＝１８０°の場合でそれぞれ四分の一回転（９０°）づつ角度が増加している。θ＝０°とθ＝１８０°は不完全ねじ部が一方のダイスと接触している。また、θ＝９０°では不完全ねじ部はいずれのダイスとも接触しない。
【０１０６】
ワークは両側からダイスによって狭持され転造荷重を受ける。θ＝０°でワークの不完全ねじ部がダイスと接触する際には、図示しない駆動機構と把持工具によりワーク端部とダイスの軸部との間に両者が分離する方向の実効転造圧力の周方向周期変動を相殺する荷重が負荷される。ダイスの軸部に付与された荷重はダイスの転造荷重と重畳してダイスからワークへ付与する転造荷重を減少させる。従って、ワークの実効転造圧力は完全ねじ部とほぼ同じ値に維持されるので、実効転造圧力の周方向周期変動とワークの扁平変形は顕在化しない。
【０１０７】
その際、他方のダイスと接触するワーク表面は完全ねじ部であり、ダイスから適正な成形荷重を負荷されるので把持工具による荷重の負荷は必要ない。また、接触するダイスが変化することを除き、θ＝０°とほぼ同様のことがθ＝１８０°の場合にも成立する。
【０１０８】
また、θ＝９０°の場合、各ダイスと接触するワークの表面は不完全ねじ部から完全ねじ部に遷移する途中段階である。従って、図示するようにθ＝０°やθ＝１８０°の不完全ねじ部に負荷する場合に比べてやや小さい荷重を把持工具により負荷する。これにより、ワークの実効転造圧力は完全ねじ部とほぼ同じ値に維持されるので、実効転造圧力の周方向周期変動とワークの扁平変形は殆ど発生しない。
【０１０９】
尚、ワークの回転に同期して押し力および／または引き力を負荷することができるので、不完全ねじ部の角度θをトラッキングしながら適切な実効転造圧力の周方向周期変動（図７の３段目を参照）を相殺する荷重をワークに負荷することができる。
【０１１０】
図１４では説明の簡単化のため１条ねじの両端部の不完全ねじ部の角度が同一の場合を仮定したが、両者の角度が異なっても全く同様の効果を得ることができる。また、ねじの条数が複数に変化しても、回転する不完全ねじ部の位置に同期してワーク扁平変形防止装置の駆動機構を作動すれば良い。即ち、実効転造圧力を一定に制御することでワークとダイスの各中心軸の相対位置を目標状態に保持することができる。
【０１１１】
具体的には図１１の下段でワークの中心軸をワークの回転中にダイスの軸とほぼ平行な３番の位置に保持する。従って、中心軸の振れ回りが防止されるので周方向に均一な転造が可能になる。
【０１１２】
ワークの扁平変形防止装置の各駆動機構はダイスの押し込みにより、ダイスの中心軸とワークの中心軸の距離が次第に減少することを見込んで、これを吸収するために必要十分なストロークを有する。従って、転造初期の荒加工から転造終期の仕上げ加工までの任意の位置で、ワークとダイスの相対位置を目標状態に保持することにより、真円に近い転造体を成形することができる。
【０１１３】
従来、ドウエル工程を挿入することで修正していた転造体の加工に対して、本発明の転造体の転造加工方法を適用することにより、ドウエル工程を一切廃止しても扁平変形を防止することができる。
【０１１４】
本発明の転造体の転造加工方法の著しい特徴として、図６に示す真円から外れるような転造体の形状を計画的に造り込むことができる。これは、ワークの中心軸とダイスの中心軸の距離を制御して実効転造圧力の周期変動を積極的に利用する。例えば、ダイスの接触部の軌跡が所望の転造体の形状をトレースするように実効転造圧力を負荷することで実現できる。
【０１１５】
この転造方法を適用することにより、転造前のワークの断面形状を市販の棒材や線材の円形状として、転造後の転造体の断面形状を付加価値の高い楕円や略多角形に成形することが可能となる。
【０１１６】
また、ワークの軸方向に断面形状を徐々に変更することも可能である。例えば、断面形状を軸の位置により回転させることによりねじれ飴のような形状を造り込むことができる。このような場合には、ダイスの転造面の形状を汎用性のあるものに変更することでダイスとワークの相対位置を大きく変化することにより、更に造形範囲を拡大することが可能になる。
【０１１７】
更に、本発明の転造体の転造加工方法の著しい特徴として、従来技術との組み合わせが可能である。既に説明したように、ワーク扁平変形防止装置の駆動機構はダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の少なくとも１つ以上に設置すれば所望の効果を発揮できる。従って、図１０に示す特許文献５）に開示の転造圧調整用カムと円盤状のプレートを避けて、ワーク扁平変形防止装置の駆動機構を設置できる。また、特許文献４）に開示の切り欠きを有するウォームの転造用素材も、ワーク扁平変形防止装置を有する転造機で成形可能である。従って、従来技術で不足する工程能力を第１の本発明の転造体の転造加工方法により補完することで、従来技術だけでは達成困難な高精度の寸法形状の転造加工が可能になる。
【０１１８】
以上は主に寸法形状の精度が著しく厳しいウォームなどの螺子体の転造工程に関して説明したが、寸法形状の精度が緩い一般の成形体の転造工程にも適用可能であることは自明である。
【０１１９】
第２の発明である螺子体の転造加工方法の効果について説明する。
【０１２０】
特許文献６）にはウォーム用平ダイス転造盤が開示された。図１３(a)は開示されたウォーム用平ダイス転造盤のワークと平ダイスを中心とする主要部の構造を示す説明図である。架台を構成するコラムベース２３にコラム２０が合わせ面内で傾斜可能に軸支される。コラム２０は断面が凹状であり、一方の面がこの溝に勘合して摺動する摺動台２２が設置され、コラムの他方の面に平ダイス２１が固定される。
【０１２１】
平ダイス２１は、図１２の丸ダイスの直径が大きくなった場合と見なされるので、図１３(a)の構造は図１２の構造と基本的に同様である。即ち、平ダイス２１の表面にはねじ山を成形するための溝が加工されており、ワーク１２を一対の平ダイス２１で狭持しながら摺動台２２の駆動機構により送り方向にダイスがすれ違うように移動して、ワーク１２を回動しながら塑性加工によりねじを転造する。押し込み量が増大するとコラム２０を傾動させてワーク１２が軸方向に歩みを発生するのを抑制する。更に詳細な機構は特許文献６）を参照されたい。
【０１２２】
図１３(b)はコラム２０に、埋め込み式の扁平変形防止装置を取り付けた場合の装置の外観を示す説明図である。薄い諧調の線は図１３(a)の転造盤の構造を示しており、濃い諧調の線は設置した扁平変形防止装置の主要部を示す。即ち、ワーク扁平変形防止装置の主要部は駆動機構１３、ワーク端部支持機構１４、把持工具１５から構成される。駆動機構１３はコラム２０に埋設され、駆動機構１３の移動軸の先には押し力または引き力を伝達する把持工具１５がダイス１１の両側に設置される。通常、ダイス１個当たり２個の把持工具が必要なことから、図１３の転造盤はダイスを２個有するので、実施例では合計４個の把持工具を備える。
【０１２３】
図１３と図１２を比較することでダイスが丸ダイスから平ダイスに変更された以外は、ワーク、駆動機構および把持工具の配置や構造がほぼ同様である。従って、平ダイスの場合にも、図１４に示すワークの扁平変形防止機構が丸ダイスの場合と同様に機能することが容易に理解される。
【０１２４】
従って、第２の本発明の螺子体の転造加工方法は特許文献１）や特許文献６）に開示された螺子体を高精度の寸法形状に製造するために有効である。
【０１２５】
第３の発明である螺子体の転造加工方法の効果について説明する。
【０１２６】
特許文献１）および特許文献６）に開示の技術において、ワークは位置決めと芯押しのセンタで両端面の中心部の窪みを狭持され回転自由に支持される。空気圧式の駆動機構で移動するセンタを用いてワークを狭持する方法が開示された。ワークの中心軸の位置を固定するとともに、センタとワーク間の摩擦力を調節してワークを回転自由に支持する。
【０１２７】
また、加工中に発生するワークの歩みに応じてワーク送り台を移動してワークの軸方向にワークを移動可能に支持する。実施例の場合、ワークはダイスによる押し込みにより１０トン以上の加工力を両側から受けて位置決めされるので、センタの主な位置決めの方向はダイスの接触表面の接線方向である。
【０１２８】
第１および第２の本発明では、図１４に矢印で示すようにワーク扁平変形防止装置から加工中のワークに最大１．６トン程度の押し力または引き力が作用する。従って、把持工具が直接ワークと接触する際には、押し力または引き力を伝達する把持工具とワークの摩擦力が外乱として作用するので、ワークの回転運動と軸方向の運動が乱され易い。その場合、従来技術のセンタではワークとダイスの相対位置が所定位置から外れることにより、ワークに異常な変形を生じる可能性がある。
【０１２９】
図１５は第３の本発明に開示のワークの両端部を支持する機構の説明図である。図１５の左下図はワーク送り台の外観を示す説明図であり、丸枠で囲まれた部分を拡大して表示したのが図１５上図のワークとその支持部の構造を示す説明である。
【０１３０】
実施例では、既に説明した特許文献１）および特許文献６）に開示の技術と同様に、ワーク１２はその両端面の中央部の窪みを一対のセンタ３０により両側から回転自由に狭持される。ワーク１２とセンタ３０の外周部を略筒状のワーク端部支持機構３１が覆い包むように配置され、ワーク端部支持機構３１の一端側は軸受け３３を介してワークの端部の外周面と脱着可能に勘合する。ワーク端部支持機構３１の他端側はセンタ３０と同軸に設置された円筒部の外周面と図示しない柔軟サポートによりほぼ荷重が作用しない状態で支持される。また、ワーク端部支持機構３１の外周表面は直動軸受け３２を介して図示しない把持工具に脱着可能に勘合する。
【０１３１】
従って、図１４に矢印で示すようにワーク扁平変形防止装置からの押し力または引き力は図示しない把持工具で把持されるワーク両端部の支持機構を介してワークに伝達される。
【０１３２】
図示しないダイスによるワーク１２の回転はワーク１２とワーク端部支持機構の軸受け３３により吸収される。また、歩みにより生じる軸方向へのワーク１２の移動は、ワーク端部支持機構の直動軸受け３２により吸収される。そのため、図示しない把持工具による押し力または引き力がワーク１２の歩みを乱すことはない。
【０１３３】
第３の本発明の螺子体の転造加工方法によれば、ワーク扁平変形防止装置の駆動機構でワークに押し力または引き力を負荷しても、ワークに異常変形を生じることは無いので、高精度の寸法形状の製品を加工できる。
【０１３４】
第４の発明である螺子体の転造加工方法の効果について説明する。
【０１３５】
図１６は加工中のワークの不完全ねじ部をトラッキングする説明図である。図１６の上段に示すように、ワークの不完全ねじ部の周方向位置は加工の進行とともに変化する。図１２および図１３に開示のワークの扁平変形防止装置は図１４に示すようにワークの不完全ねじ部がダイスと接触する位置に回転した場合に完全ねじ部だけの部分と同様の変形を生じるように負荷を制御する。従って、不完全ねじ部の周方向位置を時々刻々追跡（トラッキング）しながら、ワークの回転に同期してワークの扁平変形防止装置を適正に作動させなければならない。
【０１３６】
一般にトラッキングの方法として、ワークの回転パルスを検出する方法と荷重変動を検出する方法に大別される。
【０１３７】
ワークをセンタに取り付けてダイスで狭持して加工を開始する際に、ダイスの切り込み位置が不完全ねじ部になるように位置調節をして、着磁、着色、シール等の添付、切り欠き、疵、圧痕等の凹凸などを加工前ワークの端部などに目印として付与する。加工中にこの目印をセンサーで検出してワークの回転速度の履歴から目印位置を追跡する。この目印に対して、不完全ねじ部の位置を予測することが出来る。
【０１３８】
但し、不完全ねじ部の位置を予測することができる理論を適用する場合は、初期の切り込み位置を完全ねじ部や他の位置に設定してもよい。また、後述のロータリーエンコーダーや専用のトラッキング機構を用いる場合は、これを利用して不完全ねじ部の位置を予測することができる。
【０１３９】
荷重変動を検出する方法は、不完全ねじ部と完全ねじ部で転造の押し込み反力が周期的に変動する性質を利用する。荷重変動を荷重計で記録してワークの回転速度の履歴から不完全ねじ部位置を抽出する。この方法は転造加工中に成形荷重を測定することで比較的容易に実現できる。また、ワークの回転パルスを検出する方法と組み合わせることで相乗効果を期待できる。
【０１４０】
転造工程は丸ダイスのレシプロ転造のような往復回転や、平ダイスの往復運動により多数回繰り返すので１つ前のサイクルの測定結果を記憶して、次のサイクルの予測を行うことができる。従って、不完全ねじ部の周方向位置のトラッキングを高精度で実施することが可能であり、これにより、ワークの扁平変形防止を確実に実施できる。
【０１４１】
第５の発明である転造体の転造加工方法の効果について説明する。
【０１４２】
図１７は特許文献４）に開示の説明図をもとに再構成したワークの軸長の増加現象を示す説明図である。図１７の左図は加工前、中央図は加工途中、右図は加工後のワークとダイスの相対位置を示す。加工の進行にともなってダイスの押し込み位置がワーク中心軸に接近するので体積一定則から材料が軸方向に延伸またはねじ溝に侵入してねじ山に変形する。
【０１４３】
図１８は非特許文献５）に開示の有限要素解析によるねじ転造工程のワークの変形シミュレーション結果を簡略表現したねじ端部のねじれ変形状態を示す説明図である。通常のモジュールのねじを転造する際に、加工とともにワークの中心軸がねじれ変形を生じてワークのねじれ角度が丸ダイスの回転角度とほぼ直線関係を維持しながら増加する。そして、ダイスが１８０°（半周）変化する際にワークが最大４５°（八分の一回転）程度ねじれると予測された。
【０１４４】
図５はウォームの転造工程におけるワークの三次元変形状態を推定した説明図である。ワークの変形部分はねじ成形部に集中するので軸方向平均伸びが３７％程度に達すると予測される。そして加工初期の転写されたねじ山が破壊されることもなくほぼダイス表面の溝に整合しながらワークが軸方向に延伸する。これが可能な変形状態としてねじの両端部が約２．６回相対的に回転することが予測された。
【０１４５】
実際の加工では歩みを防止するためにダイスの中心軸を傾斜させてダイスの見かけのねじ溝の進み角を変化させるので、ワークのねじれによる両端部の相対回転数は予測と異なる。また、ねじ加工部の軸方向の中央部と端部では、材料の軸方向の変形拘束が異なるため、拘束の弱い端部の変形が拘束の強い中央部の変形に比べて加工条件のばらつきの影響を受け易い。ばらつきは軸方向伸び、中心軸まわりのねじれ、ねじ山の盛り上がり等、ワークの三次元変形のバランス変動に直結するので、ねじ山の成形形状、即ち酔歩の発生因子となる。変形のばらつきを防止するには、ワーク軸方向の変形拘束のばらつきを低減する必要がある。
【０１４６】
図１９は第５の本発明に開示の押しねじり式のワーク送り台の構造を示す説明図である。下段は特許文献７）に開示のダイスの回転に同期してワークを強制的に回転する機構を組み込んだワーク送り台を改造して、ワークに中心軸方向の押し力と中心軸まわりのトルクを負荷する機構を組み込んだワーク送り台の外観図である。
【０１４７】
図１９の上段はワークの負荷機構を拡大した説明図であり、押付け機構は特許文献２）に開示の丸ダイスの押付け機構とほぼ同様の機構である。はり軸４４に設置された一対の押し込み台４３がワーク１２を両端から狭持する。一方の押し込み台４３に設置のワーク軸方向力の駆動機構４０によりワーク１２に軸方向力（背圧）を負荷し、他方の押し込み台４３は回転駆動機構４１により駆動するトルク伝達軸４２を介してワーク１２にワーク中心軸まわりのねじりトルクを負荷する。
【０１４８】
即ち、ワークの両端部からの均等な負荷は、ワークの延伸と反対方向に作用するので、塑性加工用語の背圧に相当する。この背圧は、ダイスによる軸方向の拘束が弱いねじ加工部の両端部の軸方向拘束力を増加するので、軸方向の変位拘束が均等化してワークの変形のばらつきの発生を抑制する。そのため、背圧の負荷はねじ山の厚さやねじ山の高さのばらつきを低減する効果が高いと考えられる。
【０１４９】
ねじれ変形のばらつきに対して軸方向の拘束力（背圧）はこれを抑制する効果が期待される。背圧を負荷してもねじれ変形のばらつきが許容限界を外れる場合には、ねじれ変形を抑制する方向にトルクを負荷することができる。これは特許文献７）に開示のダイス回転に同期させてワークを強制的に回転する回転機構により、ダイス回転に同期して回転するワークの回転速度よりも若干早い角速度を付与する方法、ワーク端部にブレーキを与えてダイス回転に同期して回転するワークの回転速度よりも若干遅い回転速度を与える方法を組み合わせることで実現できる。尚、図１９の押しねじり式のワーク送り台は図１２の丸ダイスおよび図１３の平ダイスの両方の加工に適用出来る。
【０１５０】
ところで、特許文献８）ではウォーム軸用平ダイスが開示された。通常の帯状の平ダイスを用いて歩みを生じるウォームを転造するとねじ加工部の端部に軸の曲がり不良が発生し易い。特許文献８）ではその原因としてねじ加工部の端部が必要以上に加工されるためと説明された。何れにしても塑性変形中の材料にワーク中心軸の曲げモーメントが作用すると容易に軸の曲がり不良が発生する。
【０１５１】
図１４の下段に示すように扁平変形防止装置の駆動機構によりワークの端部に荷重を負荷する。この場合、負荷された荷重はねじ加工部の端部にワーク中心軸の曲げモーメントを発生するので、モーメントが過大な場合にはワークの曲げ不良の発生が危惧される。
【０１５２】
この場合、図１５に示すワーク両端支持機構に前記のワーク中心軸の曲げモーメントを相殺する反対方向の曲げモーメントを付与することができる。これにより、加工後のワークの中心軸が真直になり、高精度の寸法形状の製品を製造することが可能になる。
【０１５３】
第６の発明である螺子体の転造加工方法の効果について説明する。
【０１５４】
図１７に示すように加工途中のワークはダイスのねじ山を転写する溝部に未充満のためダイスとワークの接触状態がワークの長手方向にばらつきを有する。一般にワーク中心軸方向の変形拘束が強いワークの中央部が先に充満して強い摩擦拘束を生じるに対して、変形拘束の弱い端部は充満が遅れ摩擦拘束も弱い。従って、ワーク全体の変形を均一化するには摩擦拘束を均一化する必要がある。
【０１５５】
一般に摩擦拘束を均一化する方法として、ワークのクーラントによる強制潤滑方法と振動装置による加振を適用する方法がある。
【０１５６】
ワークのクーラントによる強制潤滑方法は各種の塑性加工に適用されて実績が多い。これは潤滑油やエマルジョンをワークや工具の接触表面に塗布することで行う。エマルジョンの場合は冷却能力の高い水が主成分であるから、ワークや工具の加工熱を除去するのにも有効である。従って、熱ひずみを制御するためにも利用可能である。
【０１５７】
振動装置による加振を適用する方法は、強力な振動発信機が開発されて塑性加工への適用が報告されるようになった。ワークまたはダイスに振動を負荷してワークとダイスの接触面を高サイクルで振動させることにより、局部的に接触面の一部に隙間が発生して微小な相対ずれを発生する。振動数が高いと隙間の発生頻度が増加し、また相対ずれの発生箇所が接触面の全面に拡大するのでワークとダイスの相対ずれの影響が顕在化する。即ち、接触状態が均一化されることにより、接触境界条件が変化してワークの変形も均一化される。従って、ワークの変形の均一化により酔歩などの低減が期待される。
【０１５８】
第７の発明である転造体の転造加工装置の効果について説明する。
【０１５９】
図１２は第７の本発明に開示の転造体の転造加工装置の一実施例を示す説明図であり、図３に示す丸ダイス式転造機のダイス取付台を改造してワークの扁平変形防止装置を設置した。特許文献５）では、ワークの扁平変形対策として、図１０に示すようにワークの両端部に転造圧調整用カムが、ダイスの両側に転造圧調整用カムと円周面が当接する円盤が設置された。そして、転造終期の仕上げにおいてワークの扁平変形防止に効果があるとされたが、これは図１４に示す扁平変形防止の原理に従って加工が実施されたためと推察された。
【０１６０】
実施例では転造加工開始から終了まで図１４に示す扁平変形防止の原理が作用するように、転造圧調整用カムと円盤に置き換えて、駆動機構、把持工具、ワーク端部の支持機構を配設した。駆動機構はダイス、ダイスの取り付け台、ダイスを支持する構造部材の何れかに設置すればよい。
【０１６１】
実施例では１個の駆動機構の最大容量を２トン程度と余裕を持って設定したので、２０ｋｇ／ｃｍ２の油圧源を用いるとシリンダーの断面積が少なくとも１００ｃｍ２程度必要になる。図１２に示す実施例では設置スペースの関係でダイスに接近できるダイスの取り付け台に駆動機構を埋設した。
【０１６２】
実施例では特許文献５）のカムの位置であるワークの両端部を把持工具を介して駆動機構で負荷する方式とした。転造加工中のワークはダイスに狭持されて１０トン以上の成形荷重が負荷される。また、ワークは両端面の中心をセンタで両側から回転自由に拘束されており、ワークの扁平変形防止装置が無くても巨視的には安定した姿勢で加工が継続される。ワークの扁平変形防止装置の駆動機構はダイスからワークへ作用する成形荷重の方向で向きが変化する荷重を作用するので、ワークとの摩擦力を無視すれば巨視的なワークの姿勢を乱すことはない。
【０１６３】
一般的にダイスはワークの軸方向の曲げたわみは無視できるので、図１１に示すダイスの接触面とワークの中心軸との傾斜や距離などの相対位置を適正に維持することが加工精度の向上に重要である。ワークの姿勢制御は図１４に示す扁平変形防止装置の作動原理に従って実施される。
【０１６４】
即ち、ワークの姿勢制御はワークに作用する荷重の制御であるから、ワークに作用する荷重を計測する必要がある。ダイスの押し力、扁平変形防止装置の各駆動機構の押し力または引き力を測定するために図示しない荷重計を設置する。
【０１６５】
ワークの回転速度は毎秒０．７回転から２．７回転程度であるので、１回転当たり０．４秒から１．３秒である。これより、ワークが１°回転する時間は１．１ｍ秒（ｍ秒は千分の一秒）から３．６ｍ秒であるから、１０°間隔（１回転当たり３６回）で荷重制御するとすれば制御周期は１１ｍ秒から３６ｍ秒程度となる。圧延等の制御周期は通常５０ｍ秒程度であるから、これに比べて若干高速な制御周期となるが、制御用計算機や駆動機構の高性能化で十分実施可能である。
【０１６６】
以上のように扁平変形防止装置の駆動機構、把持工具、ワーク端部の支持機構を配設するので、ワークの扁平変形を防止して高精度の寸法形状の製品を製造することができる。
【０１６７】
第８の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０１６８】
図１２は丸ダイス取付台に設置した埋め込み式の扁平変形防止装置の実施例を示す説明図である。丸ダイスの場合は、第７の本発明で成形体を螺子体とすることでほぼ同様の装置の構造である。
【０１６９】
図１３は第８の本発明に開示の転造体の転造加工装置の一実施例を示す説明図であり、特許文献６）に開示のウォーム用平ダイス転造盤の平ダイス取付台（コラム）を改造してワークの扁平変形防止装置を設置した。
【０１７０】
実施例では転造加工開始から終了まで図１４に示す扁平変形防止の原理が作用するように、駆動機構、把持工具、ワーク端部の支持機構を配設した。駆動機構はダイス、ダイスの取り付け台（コラム）、ダイスを支持する構造部材（コラムベースなど）の何れかに設置すればよい。
【０１７１】
実施例では丸ダイスと同様に、１個の駆動機構の最大容量を２トン程度と設定したので、２０ｋｇ／ｃｍ２の油圧源を用いるとシリンダーの断面積が少なくとも１００ｃｍ２程度必要になる。図１２に示す実施例では設置スペースの関係でダイスに接近できるダイスの取り付け台（コラム）に駆動機構を埋設した。
【０１７２】
実施例ではワークの両端部を把持工具を介して駆動機構で負荷する方式とした。転造加工中のワークはダイスに狭持されて１０トン以上の成形荷重が負荷される。また、ワークは両端面の中心をセンタで両側から回転自由に拘束されており、ワークの扁平変形防止装置が無くても巨視的には安定した姿勢で加工が継続される。ワークの扁平変形防止装置の駆動機構はダイスからワークへ作用する成形荷重の方向で向きが変化する荷重を作用するので、ワークとの摩擦力を無視すれば巨視的なワークの姿勢を乱すことはない。
【０１７３】
一般的にダイスはワークの軸方向の曲げたわみを無視できるので、図１１に示すダイスの接触面とワークの中心軸との傾斜や距離などの相対位置を適正に維持することが加工精度の向上に重要である。ワークの姿勢制御は図１４に示す扁平変形防止装置の作動原理に従って実施される。
【０１７４】
即ち、ワークの姿勢制御はワークに作用する荷重の制御であるから、ワークに作用する荷重を計測する必要がある。ダイスの押し力、扁平変形防止装置の各駆動機構の押し力または引き力を測定するために図示しない荷重計を設置する。
【０１７５】
ワークの回転速度は丸ダイスの場合と同様と仮定して、毎秒０．７回転から２．７回転程度であるので、１回転当たり０．４秒から１．３秒である。これより、ワークが１°回転する時間は１．１ｍ秒から３．６ｍ秒であるから、丸ダイスと同様１０°毎に荷重制御するとすれば制御周期は１１ｍ秒から３６ｍ秒程度となる。圧延等の制御周期は通常５０ｍ秒程度であるから、これに比べて若干高速な制御周期となるが、制御用計算機や駆動機構の高性能化で十分実施可能である。
【０１７６】
以上のように扁平変形防止装置の駆動機構、把持工具、ワーク端部の支持機構を配設するので、ワークの扁平変形を防止して高精度の寸法形状の製品を製造することができる。
【０１７７】
第９の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０１７８】
図１５は第９の本発明に開示のワークの両端部を支持する機構の説明図である。図１４に示すようにワーク扁平変形防止装置からの押し力または引き力は図示しない把持工具で把持されるワーク両端部の支持機構を介してワークに伝達される。ワークの両端の支持機構は３層の筒状であり、把持工具に接する外筒と中間筒の間に軸方向に摺動する直動軸受けが設置され、ワークに接する図示しない内筒と中間筒の間に周方向に摺動する軸受けが設置される。
【０１７９】
従って、把持工具に外筒が固定された場合に、ダイスによるワークの回転は内筒と中間筒の間の軸受けで吸収されるため、把持工具による押し力または引き力がワークの回転を乱すことはない。また、歩みにより生じる軸方向へのワークの移動は、外筒と中間筒の間の軸受けで吸収されるため、把持工具による押し力または引き力がワークの歩みを乱すことはない。
【０１８０】
直動軸受けおよび軸受けは、転動体を有する軸受けや流体潤滑膜による軸受けを利用することができる。また、ワークの両端部を支持する機構として３層構造の場合について説明したが、外筒や内筒を省略したち、軸受けの設置方法や負荷などの使用条件により層数は変更してもよい。例えば、直動軸受けと軸受けの両方の機能を備える軸受けを利用する際は、３層構造である必要はなく１層や２層であってもよい。
【０１８１】
第９の本発明の螺子体の転造加工装置によれば、ワーク扁平変形防止装置の駆動機構でワークに押し力または引き力を負荷しても、ワークに異常変形を生じることは無いので、高精度の寸法形状の製品を加工できる。
【０１８２】
第１０の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０１８３】
図１４はワークの扁平変形防止装置の作動原理を示す説明図である。空間に固定したワークの中心軸のまわりの角度θで不完全ねじ部の位置を表示すると、例えばθ＝０°、θ＝９０°、θ＝１８０°でワーク扁平変形防止装置の駆動機構による荷重を最適に制御しなければならない。そのためには、不完全ねじ部の位置θを追跡して、扁平変形防止装置の駆動機構の制御系に不完全ねじ部の位置θを伝達しなければならない。
【０１８４】
代表的なワークの回転パルス検出機構としては、ロータリーエンコーダーが知られている。ワークの回転軸にロータリーエンコーダーを取り付けることにより、周方向の位置や回転速度を測定するとともに電気信号として出力することができる。
【０１８５】
特許文献１）、特許文献６）、図１５に開示のワーク送り台ではワークの両端面の中心をセンタで回転自由に支持するので、そのままの構造ではロータリーエンコーダーの取り付けは困難である。しかしながら、図１９に開示の押しねじり式ワーク送り台ではワークを回転駆動するためにワークを延長した軸にロータリーエンコーダーを取り付けることができる。この例のようにワークの回転を軸で取り出して、この軸にロータリーエンコーダーなどの回転位置測定装置を設置することが可能である。
【０１８６】
図１５に開示のセンタ式の支持のワーク送り台でも、第４の本発明の螺子体の転造加工方法で説明したように、ワークの一部に目印を付与してこれをセンサーで検出することで回転位置を測定できる。
【０１８７】
ワークの回転パルス検出機構としては、第４の本発明の螺子体の転造加工方法で説明したように、荷重計でダイスの押し力やワーク扁平変形防止装置の駆動機構の荷重を測定して、荷重の周期的な変動から検出する機構が知られている。
【０１８８】
これらの既存の検出機構を適用することにより、不完全ねじ部の周方向位置を検出できる。従って、不完全ねじ部の周方向位置をワークの扁平変形防止装置の制御系に伝達することで、高精度な寸法形状の加工が可能になる。
【０１８９】
第１１の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０１９０】
図１９は第１１の本発明に開示の押しねじり式のワーク送り台の構造を示す説明図である。第５の本発明に開示の螺子体の転造加工方法で主な構造を説明した。軸方向の押し力（背圧）、軸まわりのねじりトルク、軸方向の曲げモーメントの中からワークの均一変形に効果の大きい負荷様式を選択すると装置の構造が単純化されて合理的であることは自明である。また、軸まわりのねじりトルクをワークの両端に作用させる場合、回転駆動機構をワークの両側に設置すれば良い。
【０１９１】
図４は丸ダイスの転造機によるダイスの開閉とワーク送り台の１サイクル当たりの位置関係を示す説明図である。図１９のワークの負荷機構がワークの脱着時のワーク送り台移動の際に、ダイスに干渉する可能性がある。これを防止するにはダイスを大きく開閉する機構が必要であるが、ダイス押し込みの駆動機構は押し力を増加するために開閉速度が小さい傾向である。従って、荷重を要しない高速移動できるダイス開閉機構の併設が好ましい。
【０１９２】
同様に、図１９のワークの負荷機構もワークの開閉を高速化する機構の併設が好ましい。また、ワーク両端の取り付けおよび支持機構はワークのセンタ機構による中心軸合わせが必要である。テーパー式の勘合などが適用できるが、勘合面にごみなどの異物が付着しないようにエアー吹きなどの清浄化対策が必要である。
【０１９３】
図１９のワークの負荷機構はワークの押し込み量に応じて、ワークの回転に同期して作動する。また、ダイスの送り方向が変化すると、ねじりトルクはこれに合わせて適正な方向を選択する。
【０１９４】
ワークの負荷は押し力の荷重制御であるが、ワーク長さが仕上げ寸法に納まるように、長さのフィードバックをする。そのために、荷重計とワーク両端部の位置センサーを設置する。ワークの長さは両端部の位置センサーの移動量とワークの初期長さにより求めることができる。また、直接ワークの長さを測定する機構を利用してもよい。
【０１９５】
第１１の本発明の螺子体の転造加工装置により、軸方向の変位拘束が均等化してワークの軸方向変形のばらつきが抑制されるため、高精度な寸法形状の加工が可能になる。
【０１９６】
第１２の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０１９７】
第６の本発明の螺子体の転造加工方法で摩擦拘束を均一化する機構について説明した。転造工程では専用の転造油が潤滑のために使用されるようである。従って、転造機に指定の潤滑機構を適用すればよい。また、ウォームなどモジュールの大きいねじを転造する際には、特許文献２）および特許文献６）に開示のように見かけの進み角を制御する。この場合はワークの加工温度が上昇し難いとの報告があるので、熱ひずみも低減される。
【０１９８】
更に熱ひずみを低減する際には、転造油や潤滑剤を水で希釈したエマルジョンをワークやダイスの接触面に直接散布すればよい。その際は、エマルジョンを循環させる潤滑システムを設置すればよい。
【０１９９】
振動装置による加振を適用する場合は、一般的ではないようであるから、振動発信機の設置を行う。超音波振動などでは振動発信機にワークやダイスを共振させて接触界面の局所的な相対変位を生じるために、ホーンなどを設置する。振動を付加する場所や方向などで共振効果が大きく変化する。予め種々の位置に付加して共振の大きい付加方法を絞り込む。
【０２００】
また、本発明の螺子体の転造加工装置はダイスの押し込み、ワーク扁平変形防止、ワーク軸方向拘束など各種の駆動機構を有するので、これら負荷に比較的高い周波数の振動を重畳することができる。これにより、振動発信機をスペースが制限され環境的にも厳しいワーク周辺に設置することなく加振を行うことができる。
【０２０１】
第１２の本発明の螺子体の転造加工装置を適用することで、ワークの変形の均一化により酔歩などの低減が期待される。
【０２０２】
第１３の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０２０３】
図２０は第１３の本発明に開示の転造体または螺子体の転造制御システムの流れを示す説明図である。転造機で転造加工を行いながら計測データを採取する。この計測データは制御装置に伝送され制御ロジックに従って駆動機構の指令が生成され転造機に伝送される。転造機の各駆動機構は指令を受けて所定量だけ転造条件を変更する。即ち、基本的な制御フローは典型的なフィードバック制御ループを構成する。
【０２０４】
計測データとして、扁平荷重、ダイスとワークの間隙, ワークの両端部の背圧, ワークの両端部のトルク, ワークの両端部の回転位置、ワークの長さの何れか１つ以上を含む。また、特許文献１）および特許文献３）に開示のダイス変位、ダイス荷重、ダイス軸トルク、ダイス傾斜角度、ワーク位置の計測データと組み合わせることにより、転造機の工程の状態が把握される。更に、特許文献６）に開示の制御機構と組み合わせることにより、平ダイス転造盤の工程の状態が把握される。
【０２０５】
駆動機構指令としてワーク把持部の押し引き, ワークの端部の軸方向押し引き, ワークの端部の軸まわりねじりの１つ以上を含む。また、特許文献１）および特許文献３）に開示のダイスの回転軸の傾斜角度、シャトル転造の正逆の切り替え位置、切込み（押込み速度とダイス回転速度比）と組み合わせることにより、転造機を制御することができる。更に、特許文献６）に開示の制御機構と組み合わせることにより、平ダイス転造盤を制御することができる。
【０２０６】
これらの制御変数は、図１２、図１３、図１５、図１９の新機構を制御するために導入された変数であるので、これらの新機構を適正に制御するために必要である。ワーク扁平変形防止装置、軸方向の背圧およびねじりトルクを制御することにより、余剰変形の少ないワークの変形経路を選択することが可能になる。
【０２０７】
第１３の本発明の螺子体の転造加工装置を適用することで、ワークの変形の均一化により酔歩などの低減が期待される。
【０２０８】
第１４の発明である螺子体の転造加工装置の効果について説明する。
【０２０９】
図２０は転造体または螺子体の転造制御システムのフローを示す説明図である。第１３の本発明に開示のフィードバック制御ループに加えて、制御モデルおよび／または学習制御機能を有する。制御モデルは転造工程を模擬しており多変数入力、多変数出力であり、制御システム本体と協調して多変数制御システムを構成する。
【０２１０】
特許文献１）および特許文献３）に開示の制御システムを組み込んだ転造機は、センサーで測定する状態量に対して目標値を設定して、この目標値に近づくように駆動機構に修正量を指示するフェードバック制御を行う。図２０の転造制御システムも個々のセンサーや駆動機構は特許文献１）および特許文献３）に開示の制御システムとほぼ同様である。従って、既存の転造機を流用して、不足する機構を追加すれば容易にハードウェアを構築できる。
【０２１１】
図２０の転造制御システムの著しい特徴は、制御の目標値が加工中の転造機の各種状態量を最適化するために、全ての駆動機構が協調動作するように生成されることである。そのため、個々の状態量の変化は全ての駆動機構指令に反映される必要があり、多変数制御系を採用する。制御周期が１１ｍ秒から３６ｍ秒程度を超過する場合は、相互作用の弱い駆動機構を特許文献１）および特許文献３）に開示の制御システムとして、多変数制御系の変数を減少すれば良い。
【０２１２】
図５で検討したようにダイスの押し込みによりワークの各部寸法形状が三次元的に複雑に変形する制御対象に対して、余剰変形を最小にするための変形経路を塑性理論で求めて、これに基き多変数制御系で各駆動機構の制御目標値を瞬時に生成する。目標値が決まれば、特許文献１）および特許文献３）に開示の制御システムと同様に各駆動機構を操作して目標の処理を実施する。
【０２１３】
制御モデルは多変数制御の中核技術であり、変形経路の計算と制御目標値の生成を処理する。また、学習制御機能は制御モデルのモデルパラメータを制御対象である転造機に適合するように同定する。従って、製造を繰り返すことにより制御モデルが制御対象を忠実に反映するようになるので、製品の寸法形状の精度の向上が期待される。
【０２１４】
製品の重要な仕様項目の一つである酔歩は、個々のねじ山の寸法形状誤差が総合的に測定された誤差である。酔歩は転造加工中の計測が困難であるから、加工後の成形体の抜き取り検査でロットの評価を行う。評価した結果を転造工程の条件設定に反映するためには、ワークの三次元変形状態として余剰ひずみの少ない新たな変形履歴を設定して、制御システムの目標値に反映する。
【０２１５】
この作業を制御システムの学習機能として組み込むことで、処理の自動化を促進する。制御モデルのモデルパラメータを学習機能によって最適化することができる。
【０２１６】
特許文献１）、特許文献３）および特許文献６）に開示の１入力１出力の古典的な制御ロジックを中心とした制御システムでは制御変数間の影響が考慮し難い。そのため、図１２、図１３、図１５、図１９に示す新機構を総合的に最適条件で制御することは困難であった。
【０２１７】
第１４の本発明に開示の図２０の転造体または螺子体の転造制御システムでは、既に説明したように各駆動機構を協調させて余剰変形の少ない理想的な変形状態を容易に実現するので、ワークの変形の均一化により酔歩などの低減が期待される。
【０２１８】
第１５の発明である転造体の成形体の効果について説明する。
【０２１９】
第１の本発明に開示の転造加工方法と第７の本発明に開示の転造加工装置を用いて転造された成形体は、図１４に開示したワークの扁平変形防止装置の作動原理が作用する。従って、図７に開示のモジュールの大きなねじの扁平変形の発生を防止するのに効果が大きい。
【０２２０】
第１５の本発明の転造体の成形体により、高精度な寸法形状の加工が可能になる。
【０２２１】
第１６の発明である螺子体の成形体の効果について説明する。
【０２２２】
第２から第６の本発明に開示の転造加工方法と第８から第１４の本発明に開示の転造加工装置を用いて転造された螺子体の成形体は、図１４に開示したワークの扁平変形防止装置の作動原理が作用する。従って、図７に開示のモジュールの大きなねじの扁平変形の発生を防止するのに効果が大きい。
【０２２３】
第１６の本発明の螺子体の成形体により、高精度な寸法形状の加工が可能になる。
【０２２４】
第１７の発明である螺子体の成形体の効果について説明する。
【０２２５】
ワークの歯間の歯底の形状が変曲点を持たない単調関数の区分的連続曲線で表現される。転造加工中にダイスのねじ溝の形状に沿って塑性流動する材料の流れの方向で見たときに、材料は変曲点を持たない滑らかな流線を描く傾向にある。歯底（ねじの溝底）の形状が変曲点を持つと、その部分で材料は滑らかに流れようとするのでダイスから剥がれる不自然な塑性流動を生じる傾向がある。
【０２２６】
また、ねじの溝底を頂点にして滑らかに変化する理想的なねじの形状を、区分的に連続する単調に変化する線を用いて良好に近似することができる。予備成形試験などを行って材料の流動方向を求めた後、この方向に滑らからなねじ形状を設計すると理想に近いねじ形状を転造することができる。
【０２２７】
特許文献１）に開示のウォームは自動車用のパワーステアリングの部品として樹脂性の歯車と組み合わせて使用される。この場合、柔らかい樹脂の歯の幾何学的形状を適正化して強度を向上するために、ウォームの曲線歯厚は歯底の間隔より小さいものとする。
【０２２８】
近年は、計算機を援用したＣＡＤにより機械部品の設計を行い、ＣＡＭにより数値制御で加工する。従って、人間にとって作図が容易な円弧や直線などの形状に拘泥せずに、塑性理論にもとづく合理的な形状を採用してもＣＡＤやＣＡＭで容易に吸収できるので作業性は悪化せず、むしろ理想的なねじ山形状を成形できる利点が大きい。
【０２２９】
第１７の本発明の螺子体の成形体により、高精度な寸法形状の加工が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０２３０】
本発明は転造体または螺子体を転造加工するための転造加工方法、加工装置および成形体に関する。
【０２３１】
転造加工により成形体に導入される余剰ひずみを低減するために、ワーク扁平変形防止装置と軸方向の負荷機構を配設したことを特徴とするハードウェアと、余剰ひずみ低減の変形路を実現する多変数制御を適用することを特徴とするソフトウェアを融合することで、次世代型の知能転造機を構想した。
【０２３２】
そして、モジュールが大きいため歯の酔歩が発生し易い自動車のパワーステアリング用のウォームの成形を対象に実施例を開示した。実施例は本発明を実施するための最良の形態の一つであり、開示した技術は制御システムを調整することによりウォームだけでなく、一般的な螺子体や各種転造体の高精度な寸法形状の成形にも格段の効果が期待される。
【０２３３】
そのため、本発明の転造体または螺子体を転造加工するための転造加工方法、加工装置および成形体では、余剰変形が少ない自然な材料変形を実現するので、高精度な寸法形状の加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０２３４】
【図１】従来技術の丸ダイス転造機の外観図を示す説明図である。
【図２】従来技術の丸ダイス転造機の制御システムの説明図である。
【図３】従来技術の丸ダイス転造機による転造加工を示す説明図である。
【図４】従来技術の丸ダイス転造における１サイクル当たりのワークとダイスの位置関係を示す説明図である。
【図５】従来技術のワークの加工前後の外観と三次元変形状態を示す説明図である。
【図６】従来技術で生じるねじのピッチ円筒径、外径の偏平変形による誤差を示す説明図である。
【図７】従来技術のモジュールの大きなねじの扁平変形の発生機構を示す説明図である。
【図８】針金の曲げ曲げ戻しにおける不均一変形の発生機構を示す説明図である。
【図９】従来技術の切り欠き付きウォーム素材のねじ山の転造工程を示す説明図である。
【図１０】従来技術の転造圧調整用カムの概観と機能を示す説明図である。
【図１１】従来技術のワーク扁平とワーク中心軸の傾斜を１条ねじの場合に示す説明図である。
【図１２】本発明の丸ダイス取付台に埋め込み式の扁平変形防止装置の特徴を示す説明図である。
【図１３】本発明の平ダイス取付台に埋め込み式の扁平変形防止装置の特徴を示す説明図である。
【図１４】本発明の扁平変形防止装置の作動原理を１条ねじの場合に示す説明図である。
【図１５】本発明の回転とスライド自由のワーク両端支持機構を示す説明図である。
【図１６】本発明の不完全ねじ部トラッキング方法を示す説明図である。
【図１７】従来技術のワークの軸長増加現象を示す説明図である。
【図１８】従来技術の有限要素解析によるねじ端部のねじれ変形シミュレーション結果を示す説明図である。
【図１９】本発明の押しねじり式ワーク送り台の機構を示す説明図である。
【図２０】本発明の転造体または螺子体の転造制御システムを示す説明図である。
【符号の説明】
【０２３５】
１，２，３，４，５  ワークの両端のねじれ回転の順番
１０  丸ダイス取り付け台
１１  丸ダイス
１２  ワーク
１３  ワーク扁平変形防止装置の駆動機構
１４  ワーク端部支持機構
１５  把持工具
１６  ダイス移動台
１７  はり軸
２０  コラム
２１  平ダイス
２２  摺動台
２３  コラムベース
３０  センタ
３１  ワーク端部支持機構
３２  ワーク端部支持機構の直動軸受け
３３  ワーク端部支持機構の軸受け
４０  ワーク軸方向力の駆動機構
４１  回転駆動機構
４２  トルク伝達軸
４３  押し込み台
４４  はり軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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