(57)【要約】【課題】鍛造成形時に発生する変形を考慮して所望の転写形状を有する金型を製造することにある。【解決手段】傘歯車の鍛造成形時に鍛造成形用金型の成形面に付与される変形量をシミュレーション及び／又は実験によって歯筋方向又は歯幅方向の少なくともいずれか一方に沿って複数箇所求め、前記求められた変形量を相殺する補正量を設定した後、前記補正量に基づいて前記鍛造成形用金型の歯面成形部における基準設定寸法を補正する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
傘歯車の歯面を成形するための鍛造成形用金型の製造方法において、
鍛造成形時に前記鍛造成形用金型の成形面に付与される変形量をシミュレーション及び／又は実験によって歯筋方向又は歯幅方向の少なくともいずれか一方に沿って複数箇所求める工程と、
前記工程によって求められた変形量を相殺する補正量を各々設定し、前記補正量に基づいて前記鍛造成形用金型の歯面成形部における基準設定寸法を補正する工程と、
を有することを特徴とする鍛造成形用金型の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、
前記鍛造成形用金型の歯面成形部には、少なくとも、内径側端成形部、外径側端成形部、左歯面成形部及び右歯面成形部が含まれることを特徴とする鍛造成形用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、傘歯車の歯を高精度に鍛造成形することが可能な鍛造成形用金型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、動力の伝達方向を変更し、且つ滑らかさと低騒音とを実現することが可能な歯車として、例えば、すぐば傘歯車、はすば傘歯車、ハイポイドギヤ等の傘歯車が用いられている。
【０００３】
この傘歯車は、例えば、１つの歯毎に切削工具を用いてインデックス加工を遂行して作製することができるが、この場合、製造コストが高騰する。このため、一般的には、熱間鍛造成形用金型を用いた熱間鍛造成形により傘歯車の歯面を形成した後、冷間鍛造成形用金型を用いた冷間鍛造成形により仕上げ加工を行うことによって傘歯車を製造している。
【０００４】
なお、前記熱間鍛造成形用金型及び冷間鍛造成形用金型の歯形は、例えば、傘歯車の所望の歯形形状と略同一形状からなる歯形形状を有する放電加工用電極を用いて放電加工によってそれぞれ形成される。
【０００５】
この種の傘歯車の製造方法に関し、例えば、特許文献１には、熱間鍛造成形後に傘歯車の歯筋（歯面）が熱収縮により湾曲変形することを解決するため、熱間鍛造用金型に形成された歯形の歯筋のねじれ角を、熱間鍛造後の傘歯車の歯面の熱収縮を考慮したねじれ角に設定する技術的思想が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、鍛造傘歯車の金型製造用電極の製造方法に関し、鍛造傘歯車の歯面を表す歯車設計値をコンピュータに算出させる歯車設計手順、前記歯車設計値を歯面の法線方向にオフセットした電極設計値をコンピュータに算出させる電極設計手順、前記電極設計値に基づいて加工装置を制御する加工設計値をコンピュータに算出させる加工設計手順、そして前記加工設計値に基づいて電極材料を加工装置に切削加工させて製造する加工製造手順を経るという技術的思想が開示されている。
【０００７】
ところで、傘歯車を鍛造成形によって製造する場合、前記鍛造成形時における負荷（成形荷重）が金型に付与されるため、前記金型の成形面に変形が発生し、金型の成形面に予め形成された転写形状に対して若干異なる形状を有する鍛造成形品が成形される場合がある。
【０００８】
例えば、はすば傘歯車の歯は、歯筋（歯面）が歯幅方向に沿って直線状ではなく曲がっており、しかも、歯筋（歯面）の内径側端部（小端部）から外径側端部（大端部）に向かう各部位において、それぞれねじれ角が異なるように転写形状が設定されている。
【０００９】
この場合、鍛造成形用金型の成形面に発生する変形に起因して、前記と同一の転写形状を鍛造成形品に対して鍛造成形することが困難であり、従って、所望の転写形状（傘歯車の歯形状）と若干異なる歯形状を有する傘歯車が成形される。
【００１０】
この点に関し、前記特許文献１及び特許文献２に開示された製造方法では、いずれも、金型の変形について何ら考慮されておらず、所望の転写形状を有する鍛造成形品を得ることが困難であり、鍛造成形品に対する後加工として仕上げ加工が必要となる。この結果、前記特許文献１及び特許文献２に開示された製造方法では、傘歯車の歯を高精度に鍛造成形することができないという問題がある。
【００１１】
そこで、特許文献３に提案されているように、補正を加えた上で鍛造成形用金型の成形面を設けることが想起される。
【００１２】
【特許文献１】特許第３３９７６７５号公報
【特許文献２】特開２００５−１０３５５５号公報
【特許文献３】特開２０００−３３４５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献３記載の補正は有効ではあるものの、傘歯車の歯の精度を一層向上させることが希求されている。
【００１４】
本発明は、前記の点を考慮してなされたものであり、鍛造成形時に発生する変形を考慮して所望の転写形状を有する金型を製造することが可能な鍛造成形用金型の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の目的を達成するために、本発明は、傘歯車の歯面を成形するための鍛造成形用金型の製造方法において、
鍛造成形時に前記鍛造成形用金型の成形面に付与される変形量をシミュレーション及び／又は実験によって歯筋方向又は歯幅方向の少なくともいずれか一方に沿って複数箇所求める工程と、
前記工程によって求められた変形量を相殺する補正量を各々設定し、前記補正量に基づいて前記鍛造成形用金型の歯面成形部における基準設定寸法を補正する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
前記特許文献３をはじめとする従来技術では、鍛造成形用金型の熱膨張量等に基づいて該鍛造成形用金型全体に生じる変形量を求め、この変形量を相殺するような補正を全体にわたって均等に行うようにしている。換言すれば、歯面成形部に変形量が大きい部位と小さい部位の双方が存在する場合であっても、補正量は同等である。このため、歯面成形部の変形量が大きい部位では設定寸法よりも若干小さく、変形量が小さい部位では設定寸法よりも若干大きい歯面が形成される一因となる。
【００１７】
これに対し、本発明においては、歯面成形部の部位毎に、その変形量に応じて適切な補正量が設定される。従って、歯面成形部の変形量の大小に関わらず、略設定寸法通りである歯面を有する傘歯車を得ることが可能となる。
【００１８】
なお、前記基準設定寸法が補正される金型の歯面成形部には、少なくとも、内径側端成形部、外径側端成形部、左歯面成形部及び右歯面成形部が含まれることが好ましい。これにより、歯面の寸法精度を一層向上させることができるからである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、傘歯車の鍛造成形時に鍛造成形用金型の成形面に付与される変形量をシミュレーション及び／又は実験によって求め、前記求められた変形量を相殺する補正量を歯面成形部の部位毎に設定するので、歯面の寸法精度が良好な傘歯車を設けることができる。すなわち、後加工としての仕上げ加工を施すことなく、傘歯車の歯を高精度に鍛造成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る鍛造成形用金型の製造方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２１】
図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る鍛造成形用金型の製造方法によって製造されたはすば傘歯車を示す。
【００２２】
このはすば傘歯車１０は、例えば、自動車のディファレンシャル装置に組み込まれるハイポイドリングギヤを構成するものであり、上面に複数の歯１２が形成された略円錐状の歯車部１４と、前記歯車部１４の下面部に同軸状に結合された軸部１６とを有する。なお、歯面が形成された歯車部１４の中心部には、貫通孔を有するボス部１７が設けられる。
【００２３】
前記はすば傘歯車１０の歯筋（歯面）は、歯幅方向に沿って直線状ではなく曲がっており、内径側端部（小端部）１８が外径側端部（大端部）２０に対して周方向に湾曲して捻れるように形成されており、しかも、歯筋（歯面）の内径側端部（小端部）１８から外径側端部（大端部）２０に向かう各部位において、それぞれねじれ角が異なるように形成されている。
【００２４】
このようなはすば傘歯車１０を鍛造成形用金型を用いた鍛造成形で製造するにあたり、鍛造成形による負荷（成形荷重）が鍛造成形用金型の成形面に対して付与されるため、前記鍛造成形用金型の成形面に変形が発生する。
【００２５】
そこで、本発明者は、熱間鍛造成形又は冷間鍛造成形によって高精度且つ精密な寸法精度を有する鍛造成形体を得るべく、鋭意検討乃至実験した結果、このような鍛造成形用金型の成形面に発生する変形量が下記の通りであることがわかった。
【００２６】
事例１
先ず、図示しないビレットを鍛造成形又は予備成形して、図２Ａに示されるような縦断面形状を有する前工程予備成形体２２が前工程において得られている。この前工程予備成形体２２には、製造品であるはすば傘歯車１０の歯車部１４に対応する部位が厚肉に形成された側部膨出部２４と、中央の環状部２６との間で環状凹部２８が形成されている。
【００２７】
そこで、本実施の形態に係る鍛造成形用金型の製造方法によって製造された図示しない金型が前記前工程予備成形体２２の歯面に対して順次当接し、塑性変形させることにより鍛造成形（荒加工）が遂行される。
【００２８】
この場合、図２Ａ中のポジションＩは、前工程予備成形体２２の側部膨出部２４の上部側湾曲面であって、前工程予備成形体２２の歯面に対して第１番目に当接する部位である。このポジションＩは、成形初期から鍛造成形が完了するまで金型と当接状態が継続している。
【００２９】
続いて、図２Ｂ中のポジションＩＩは、前記ポジションＩの上下隣接環状部分であって、前工程予備成形体２２の歯面に対して第２番目に当接する部位である。このポジションＩＩは、前記ポジションＩが金型と当接した後、鍛造成形が完了するまで金型と当接状態が継続している。
【００３０】
次に、図２Ｃ中のポジションＩＩＩは、歯面と所定角度傾斜する側周面との境界部位に形成された稜線部であって、前工程予備成形体２２の歯面に対して第３番目に当接する部位である。このポジションＩＩＩは、前記ポジションＩ及びポジションＩＩの塑性変形して肉流れが金型の空間部に流動して充填された後、鍛造成形が完了するまで金型と当接状態が継続している。
【００３１】
最後に、図２Ｄ中のポジションＩＶは、歯面に対して所定角度傾斜する側周面３０の部位であって、前工程予備成形体２２の歯面に対して第４番目、すなわち、金型（上型）が下死点に到達して鍛造成形が完了する直前に当接する部位である。
【００３２】
前記ポジションＩ〜ＩＶにおいて、金型へ伝達される応力の大きさを解析すると、ポジションＩ＞ポジションＩＩ＞ポジションＩＩＩ＞ポジションＩＶとなり、前工程予備成形体２２に対して金型が初期から当接している部位（ポジションＩ）に最も大きな応力が付与され、金型への当接順序に対応して、続いて、ポジションＩＩ、ポジションＩＩＩ、ポジションＩＶの順序となっている。
【００３３】
この応力が付与される大きさの順序は、金型の変形量に対応する。作用する応力が大きいほど、変形量も大きくなるからである。すなわち、この場合、金型の変形量は、ポジションＩ＞ポジションＩＩ＞ポジションＩＩＩ＞ポジションＩＶの順序となり、ポジションＩが一番変形量が大きく、ポジションＩＶが一番変形量が小さくなる。このことから、歯面成形部の部位によって補正量を相違させる必要があることが分かる。
【００３４】
勿論、変形量は、金型の材質によっても異なる。すなわち、金型が硬質な材料からなる場合には変形し難く、一方、軟質な材料からなる場合には比較的容易に変形する。また、加工率が大きいほど作用する応力が大きくなるので変形量が大きくなり、加工率が小さい場合にはその逆となる。このように、金型の成形面に付与される変形量は、金型の材質や、前工程で成形体に与えられた形状に対して本工程で鍛造成形すべき形状等によって相違する。従って、補正量を設定するに際しては、これらも考慮した上でシミュレーションを行う必要がある。
【００３５】
なお、図３Ａ〜図３Ｄは、前工程予備成形体２２に対して鍛造成形を施した場合のシミュレーション結果を示したものであり、図中の白塗り（空白）は、前工程予備成形体２２に金型が当接した部位を示したものである。図３Ａ〜図３Ｄから諒解されるように、ポジションＩ→ポジションＩＩ→ポジションＩＩＩ→ポジションＩＶの順序で歯面が塑性変形して歯筋が形成されることが前記シミュレーション結果から確認することができた。
【００３６】
事例２
次に、はすば傘歯車１０の歯１２（歯面）において、隣接する歯先１２ａ、１２ｂ間に形成された矩形状凹部からなる歯元３２との関係について考察する。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った部分拡大縦断面図であり、歯元３２を間にして、急傾斜面を有する一方の左歯面３４と緩傾斜面を有する他方の右歯面３６とを示している。
【００３７】
前工程予備成形体２２に対して金型が矢印方向に成形荷重が付与された場合、一方の左歯面３４に形成された急傾斜面の受圧力に対し、他方の右歯面３６に形成された緩傾斜面の受圧力が大きくなっている。この結果、本発明者は、鉛直方向から付与される成形荷重に対して、急傾斜面よりも緩傾斜面の方が大きな応力を受け、前記応力に対応して金型に付与される変形量が急傾斜面よりも緩傾斜面が大きくなっていることがわかった。
【００３８】
前記事例１及び事例２に基づいて総合的に検討する。
【００３９】
図６は、歯１２の歯筋形状４０を簡略化して直線状に形成したものであり、図６中における実線は、理想的な歯面形状（所望の転写形状）を示したものであり、図６中における二点鎖線は、前記事例１及び事例２において付与される変形量によって歯筋形状が変形した状態を示したものである。
【００４０】
この場合、歯筋中央部４２ａ、４２ｂでは変形量が大きいため歯筋の変形量が大きいのに対し、前記歯筋の内径側端部（小端部）４４及び外径側端部（大端部）４６では変形量が小さいため歯筋の変形量が小さくなっており、しかも、急傾斜面である左歯面３４よりも緩傾斜面である右歯面３６の変形量が大きくなっている。
【００４１】
このような変形量に基づく金型特性を考慮し、変形量に基づく歯筋の変形量を相殺する方向で鍛造成形用金型に形成される歯筋を補正することにより、適正な金型を製造することができる。
【００４２】
すなわち、鍛造成形用金型の変形量を相殺する補正量を設定し、前記補正量に基づいて鍛造成形用金型の歯面成形部における基準設定寸法を補正する。図７は、前記設定された補正量に基づいて、金型の簡略化された歯筋成形部５０の形状を示したものである。
【００４３】
この場合、変形量が大きい歯筋成形部の中央部５２ａ、５２ｂの補正量は大きく設定され、変形量が小さい歯筋の内径側端成形部（小端部成形部）５４及び外径側端成形部（大端部成形部）５６の補正量は小さく設定されると共に、急傾斜面である左歯面成形部５８よりも緩傾斜面である右歯面成形部６０の補正量が大きく設定される。
【００４４】
このような金型に対する補正量の設定については、例えば、コンピュータ解析等によって推定し、この推定結果に基づく実験データによって決定されるとよい。
【００４５】
なお、鍛造成形用金型を製造する場合には、補正された基準設定寸法データに基づいてＮＣマシン等によって鍛造成形用金型材料に対して直接的に切削加工を行うようにしてもよいし、あるいは、放電加工用電極を用い放電加工によって鍛造成形用金型を製造してもよい。
【００４６】
以下に、実験及び／又はシミュレーションによって求められた金型の変形量を相殺する補正量の設定方法について、具体的に説明する。
【００４７】
図８は、すぐば傘歯車の歯面を設けるための金型の歯面成形部７０の一部を模式的に示した要部拡大模式図である。この歯面成形部７０の材質、寸法、予備成形体に当接する順序、加工率等を考慮して、図８中のＡ−Ａ線中に含まれる第１部位７２、第２部位７４、第３部位７６、第４部位７８における鍛造成形前と鍛造成形後の座標値を求める。なお、座標値は、図８中に矢印で示したようにｘ、ｙ、ｚ軸方向を設定し、ｘ、ｙ、ｚの空間座標として求めればよい。
【００４８】
そして、鍛造成形後の座標値から鍛造成形前の座標値を差し引く。すなわち、鍛造成形前のｘ、ｙ、ｚの各座標値をｘ１、ｙ１、ｚ１、鍛造成形後の座標値ｘ、ｙ、ｚの各座標値をｘ２、ｙ２、ｚ２、ｘ、ｙ、ｚの各座標の差をＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚとすれば、次式が成り立つ。
【００４９】
Ｄｘ＝ｘ２−ｘ１
Ｄｙ＝ｙ２−ｙ１
Ｄｚ＝ｚ２−ｚ１
次に、これらＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚに基づき、次式に従って歯面成形部の変形量Ｄｅｆを求める。
【００５０】
Ｄｅｆ＝｛（Ｄｘ）2＋（Ｄｙ）2＋（Ｄｚ）2｝1/2
第１部位７２〜第４部位７８におけるシミュレーションの結果の一例を、表１に示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
歯面形成部には、座標値（０，０，０）を基準設定寸法として補正を行えばよい。すなわち、変形量が大きい第２部位７４、第３部位７６では補正量を大きく設定し、一方、変形量が小さい第１部位７２、第４部位７８では補正量を小さく設定する。勿論、補正量は変形量に対応した量とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施の形態に係る鍛造成形用金型の製造方法によって製造された傘歯車の斜視図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは、それぞれ、前工程予備成形体に対して金型が当接することにより、応力が付与される順序と部位とを示す一部省略縦断面図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｄは、それぞれ、前工程予備成形体に対して鍛造成形を施した場合のシミュレーション結果を示す説明図である。
【図４】はすば傘歯車の歯面を示す一部省略斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った部分拡大縦断面図である。
【図６】はすば傘歯車の歯面の歯筋形状を簡略化して示した斜視図である。
【図７】変形量に対応して基準設定寸法が補正された金型の簡略化された歯筋成形部の斜視図である。
【図８】すぐば傘歯車の歯面を設けるための金型の歯面成形部の一部を模式的に示した要部拡大模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…はすば傘歯車                    １２…歯
１４…歯車部                          １６…軸部
１８、４４…内径側端部                ２０、４６…外径側端部
２２…前工程予備成形体                ２４…側部膨出部
２６…環状部                          ２８…環状凹部
３０…側周面                          ３２…歯元
３４…左歯面                          ３６…右歯面
４０…歯筋形状                        ４２ａ、４２ｂ…歯筋中央部
５０…歯筋成形部                      ５２ａ、５２ｂ…中央部
５４…内径側端成形部                  ５６…外径側端成形部
５８…左歯面成形部                    ６０…右歯面成形部
７０…歯面形成部                      ７２、７４、７６、７８…部位
【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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