(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉塞鍛造または密閉鍛造である冷間鍛造による機械部品の製造方法であって、
鉄粉を主成分とする混合粉を焼結させて軸方向に貫通孔を有した円筒形状の成形用素材とし、前記成形用素材の上方から第１型が規定位置まで回転しながら下降して第１予備成形を行い、続いて前記第１予備成形を施した前記成形用素材の下方から第２型が規定位置まで回転しながら上昇して第２予備成形を行い、続いて前記第２予備成形を施した前記成形用素材の上方から第３型が規定位置まで下降して本成形を行うことを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項２】
閉塞鍛造または密閉鍛造である冷間鍛造に用いる金型構造であって、上方にそれぞれ独立して規定量下方に摺動する第１型と第３型を備え、前期第１型は回転しながら下方へ摺動可能に設定され、下方に前記第１型および第３型と対向して配置される、規定量上方に回転しながら摺動する第２型とを備え、前期第１型ないし第３型がそれぞれ上方ないし下方に規定量摺動することで、第１型の内径部を含めたキャビティを形成することを特徴とする冷間鍛造に用いる金型構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械部品の冷間鍛造による製造方法に関するもので、特に冷間閉塞鍛造の材料に焼結材を材料として使用し、焼結素材の各部位の肉厚差等に応じて完成品の各部位の密度に差が生じる場合であっても、それらの密度差を矯正して密度の均一化を図りつつよりいっそうの高密度化を可能とした機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の製造方法として代表的なものに冷間鍛造による製造方法がある。冷間鍛造は高い能率で製造可能で寸法精度が良好であることから、機械部品の製造に多く利用されている。しかし、溶製材を材料とする冷間鍛造は、最終形状に近い状態の加工品が得られるが、冷間鍛造後に切削等の機械加工を施して形状を整える必要があった。したがって、材料歩留まりが悪く、製造コストの増加や環境への悪化といった問題があった。また、金型を閉塞して冷間鍛造を行う閉塞鍛造であれば、限りなく最終品に近い形状を得ることができるが、溶製材は密度が高いため、製造可能な形状が限定されてしまうことと、材料寸法の誤差により金型を破損するおそれがある問題があった。
【０００３】
一方で、材料歩留まりがよく生産性に優れた製造方法として、焼結がある。焼結で製造すると、歩留まりが非常によく、限りなく最終品に近い形状を得ることができるが、密度が溶製材に比較して低く、十分な強度が得られないために製造できる部品の形状が限定される問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決するために、焼結材を素材とした冷間閉塞鍛造による製造方法が公知である。しかしながら、公知の方法によっても密度は溶製材に比較して低く、その使用方法は限られたものであった。
【特許文献１】特開２００４−１８９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したとおり、従来の冷間鍛造による製造方法では、材料歩留まりが悪く製造コストの増加や環境への悪影響といった問題があった。一方で焼結による製造方法では、完成品が溶製材に比較して密度が低く、強度も十分でないため使用方法が限られるという問題点があった。本発明の製造方法は、焼結素材を材料とした冷間鍛造により、十分な密度と強度を有した機械部品を製造し、切削加工等の工程削減によるコスト削減および環境への悪影響の削減を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は前記課題を解決するために、請求項１記載の発明では、冷間鍛造による機械部品の製造方法において、素材の上方から第１型を規定位置まで下降させて第１予備成形を行い、続いて素材の下方から第２型が規定位置まで上昇して第２予備成形を行い、続いて素材の上方から第３型が規定位置まで下降して本成形を行うことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、冷間鍛造を閉塞鍛造または密閉鍛造としたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、素材を焼結により予備成形された焼結素材であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、冷間鍛造に用いる金型構造であって、上方にそれぞれ独立して規定量下方に摺動する第１型と第３型を備え、下方に前記第１型および第３型と対向して配置される、規定量上方に摺動する第２型とを備え、前期第１型ないし第３型がそれぞれ上方ないし下方に規定量摺動することで、キャビティを形成することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発明において、キャビティを閉塞または密閉されたものとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の製造方法によれば、焼結材を素材として冷間鍛造により機械部品を製造しても、溶製材に近い密度と強度を有した機械部品の製造が可能になる。したがって、コスト増の原因となる切削等の機械加工工程が削減でき、コスト削減に大きく働くものである。また、環境面でも非常に有効であり、様々な機械部品の製造に利用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施例について説明する。図１〜５は、本発明にかかる機械部品の製造方法の好ましい実施の形態を表す図である。
【００１３】
機械部品として様々な用途で用いられるヘリカルギア、すなわち図３に示すような形状のギア２０を製造するにあたり、まず鉄粉を主成分とする原料粉末を用いて、公知の方法で予備成形し、予備成形体を作成する。そして、さらに予備成形体を公知の方法で焼結処理を施し、焼結素材１０を作成する。なお、ギア２０は略円筒形状で、中央には貫通する孔２１が設けられている。また、外周にはセレーション２２および歯形状部２３が二段階に分けて形成されている。
【００１４】
焼結素材１０の作成の際、焼結素材１０の形状が完成品形状すなわちギア２０に限りなく近づくよう、また、焼結素材１０の鍛造後における密度の向上が見込まれるよう、さらに側方押し出しでの寸法精度の向上が見込まれるように、予備成形体および焼結素材の設計を行い、金型を適正に作成しておかなければならない。
【００１５】
次に、このようにして作成した焼結素材１０を、冷間鍛造工程において再加工する。この冷間鍛造は、閉塞鍛造加工とする。
【００１６】
複雑形状の金属加工製品、すなわち本実施例のギア２０のような形状を閉塞鍛造で製造する場合、複雑形状部である歯形状部２３の成形は側方押し出しによって行われる。しかしながら、従来技術では欠肉や寸法不良、また金型の寿命低下などの問題があり、実用化には至っていない。
【００１７】
一般に焼結素材の冷間鍛造を行った場合、冷間鍛造加工により作成された鍛造品の真密度は、鋼材の真密度に対して９０％程度にしかならない。一方で、本実施例のギア２０のような形状部品の場合、歯形状部の必要強度は鋼材の真密度と同等の強度が必要であり、また、素材中間部意はやや低密度となるような特殊な成形を行うことが必要である。
【００１８】
図１は本実施例の冷間鍛造を行うための金型装置１を示すもので、その構成は次の通りからなる。センターピン１１が下方から突出して固定されており、さらにセンターピン１１の周囲を囲むように、上下方向摺動可能のヘリカル成形パンチ１２が下方から突出して配置されている。さらに、ヘリカル成形パンチ１２の周囲には、ヘリカルギア２０の歯形状部２３を成形するヘリカル成形ダイ１３が固定して配置されている。また、セレーション成形パンチ１５がセンターピン１１と対称に上方から突出して配置されているとともに、その周囲を囲むように同様に上方から突出してセレーション成形ダイ１４が配置されている。セレーション成形ダイ１４およびセレーション成形パンチ１５は、それぞれ独立して上下方向摺動可能に設定されている。なお、ヘリカル成形パンチ１２およびセレーション成形ダイ１４には、焼結素材１０が旋回しながら加工することができるよう、それぞれ基部にスラストベアリングを組み込むことが望ましい。
【００１９】
ヘリカル成形パンチ１２は、動作前には図１に記載のように中央付近にまで突き出しているが、成形が開始すると下方に配置され、成形時には本ダイセットを装着したサーボプレス機によって上昇される。そして成形が終了した後には、さらに上方へ突出して成形品を排出するものである。反対にセレーション成形パンチ１５は、動作前には図１の状態のように上方に配置されており、成形時には本ダイセットを装着したサーボプレス機によって下方に突き出される。また、セレーション成形ダイ１４は、同様に動作前には図１の状態のように上方に配置されており、成形時にはダイセット機構内の油圧装置により加圧され、下方に突き出される。そして成形が終了した後には、成形品を排出するためにセレーション成形パンチ１５およびセレーション成形ダイ１４は上方へ摺動して元の位置に戻るものである。
【００２０】
以上の構成よりなる本実施例の金型装置１を使用して、焼結素材１０の冷間鍛造加工を施す。金型装置１は、動作前には図１の状態で静止している。この状態で、まず焼結素材１０を定位置に配置する。この際、焼結素材１０の孔２１がセンターピン１１に挿入される。なお、従来の溶製材を使用したヘリカルギアの製造方法では、加工素材に歯形状部２３は成形されておらず、位相（方向性）が無かったために金型への素材の挿入に関しては、位置決めをする必要が無かったが、本実施例では焼結素材１０の段階ですでに歯形状部２３が成形されており、位相が合わなければ型へ挿入することができない問題がある。そのため、焼結素材の下端部にあらかじめわずかなスリットを設けるとともに、金型１には対応する凸部を設けて、位相決めを行うことが望ましい。
【００２１】
焼結素材１０が配置された後、セレーション成形ダイ１４およびセレーション成形パンチ１５を下降させる。そうすると焼結素材１０はヘリカル成形ダイ１３のヘリカル形状に沿って回転しながら下降し、セレーション成形ダイ１４の下端がヘリカル成形ダイ１３の上端に接触するまで押し込まれる。なお、セレーション成形ダイ１４は、ヘリカル成形ダイ１３に接触後、閉塞鍛造に耐えるため油圧力によって加圧され、型閉めが完了する。
【００２２】
型閉めが完了すると、焼結素材１０のさらなる密度の向上、ギア形状の寸法出しのため、再圧縮を施す。ヘリカル成形パンチ１２がダイクッション圧力により上昇し、焼結素材１０をヘリカル形状に沿って再圧縮する。また、同時にダイクッション側の圧力を持続した状態で、セレーション成形パンチ１５およびセレーション成形ダイ１４が加圧保持され、より確実に再圧縮する。そうすることで、ギア形状の寸法精度が向上するとともに、製品上部の密度を向上させることができる。
【００２３】
従来の焼結鍛造では、製品上下の密度ばらつきや、ギア歯形状部２３のような薄肉部の密度が不完全だという問題があった。しかし、本発明の製造方法を用いると、製品部分密度で溶製材に近い密度を確保することができる。
【００２４】
なお、焼結素材１０の変形能を確保するため、粉体成分は純鉄粉を主成分として黒鉛、モリブデン、ステアリン酸亜鉛等の粉末を混合したものとするのが好ましい。また、焼結条件は８００℃〜１３００℃とする。この条件で作成した焼結素材１０は、圧延材とほぼ同等の延性を有する。その結果、この焼結素材１０を材料として、断面減少率６５％程度の後方押し出し冷間鍛造を施しても、鉄系焼結体でありながら亀裂を生じることなく成形することができる。また、鍛造された製品の密度は従来の粉末冶金工法によるものに比べても格段に高く、鋼材の真密度（７．９グラム／立方センチ）の９８％に到達する。
【００２５】
従来の工法、すなわち引き抜き材を素材として冷間鍛造により機械部品を製造する場合には、多数回の鍛造、焼きなまし、潤滑処理が必要であった。したがって、多数の工程が必要となり、製造コストが非常に大きくかかっていたが、本発明の製造方法を用いると、大幅な工程短縮を図ることができ、製造コストを大きく削減することができる。
【００２６】
また、従来の工法で行われていた潤滑処理として、代表的なものにボンデライト加工がある。ボンデライト加工には、大量の廃液が排出され環境負荷が大きいという問題があるが、本発明の製造方法を用いると潤滑処理が不要になるため、ボンデライト加工の必要が無く、環境面においても有利である。
【００２７】
また、図５に示すように、従来の焼結鍛造による工法では、冷間鍛造を行った後に再度本焼結工程を必要としていた。本発明の製造方法では、冷間鍛造後の本焼結工程が不要であり、これにより省エネルギーおよびコストダウンを実現している。
【００２８】
冷間鍛造により成形された部品は、最後に浸炭熱処理を行って、表面硬さを溶製材相当に引き上げる。なお、通常の浸炭深さは約０．３ｍｍだが、この場合それを大きく超える深浸炭熱処理を行い、粉末冶金素材での炭素不足を補うことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の製造方法によれば、本実施例のギア以外にも様々な機械部品の製造に供与でき、コストや環境面で非常に優位な製造方法を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の製造方法に用いる金型装置を表す断面図であり、動作前の状態を表すものである。
【図２】本発明の製造方法に用いる金型装置を表す断面図であり、冷間鍛造加工が終了した状態を表すものである。
【図３】本発明の実施例で成形するギア２０を表す斜視図である。
【図４】本発明の実施例において、上型および下型の動作ストロークおよび動作タイミングを示すグラフである。
【図５】本発明の製造方法と、従来の製造方法の工程を比較した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    金型装置
１０  焼結素材
１１  センターピン
１２  ヘリカル成形パンチ
１３  ヘリカル成形ダイ
１４  セレーション成形ダイ
１５  セレーション成形パンチ
２０  ギア
２１  孔
２２  セレーション
２３  歯形状部
【図１】
0004753290.tif 000002
【図２】
0004753290.tif 000003
【図３】
0004753290.tif 000004
【図４】
0004753290.tif 000005
【図５】
0004753290.tif 000006