(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リブ一体型歯車型形状部品の回転成形転造方法であって、素材をその内周部において回転軸と同軸に支持しつつ、素材を歯型金型と共に回転させ、片持支持の成形ローラによって素材の外周部を歯型金型に対して半径方向に押し込むことにより、内周部はリブとしつつリムとなる素材の外周部に歯形状を形成すると共に、成形後にリブとなる素材の内周部に予め曲げ溝部を形成しておき、成形時における歯型金型に対する素材の押込により惹起されるリブの変形に対する抵抗力を低下させるようにしたことを特徴とする回転成形転造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、歯型金型に対する素材の押しこみによる歯型形成中に回転方向を正転・逆転で繰り返すことを特徴とする回転成形転造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は成形面非転がり接触による歯車型形状部品の回転成形転造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な歯車転造方式として、日本塑性加工学会編の塑性加工シリーズ１１の回転加工（１９９０年コロナ社刊）第４４〜４５頁は、ローラダイス方式、ラックダイス方式、グローブ方式、内歯ダイス方式、ウォーム型ダイス方式、リングローリング方式、かさ歯車転造方式、ローラダイス方式を挙げている。塑性学的な転造方式としては創成転造法と成形転造法とに分類することができる。創成転造法とは、歯車の噛み合い運動を利用して円板状素材の外周に歯車を成形しようとするものであり、上に挙げた方式のうち、ローラダイス方式、ラックダイス方式、内歯ダイス方式、ウォーム型ダイス方式、かさ歯車転造方式、ローラダイス方式をがこれに含まれる。成形転造法とは、歯溝形状の成形ロールを素材に押込んで歯形状を形成する方法であり、グローブ方式及びリングローリング方式がこれに含まれる。
【０００３】
創成転造は回転する歯車の歯を素材に噛み合わせることにより素材に歯を形成するものである。この場合、前掲書の４７〜５１頁にあるように素材は成形の過程において非対称な摩擦力を受け、ドリブン側の歯本フィレット部や歯底部の表面近傍に材料流れの乱れや欠陥が生じやすいといった成形理論上の問題点があり、これは得られる歯車の精度不良につながるおそれがある。これに対し、成形転造法ではローラは素材に対して歯溝と平行な方向に移動しながら半径方向に押込まれるので、成形理論的に材料流れの乱れがや欠陥が起こり難く精度の高い歯車を得やすい利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにグローブ方式及びリングローリング方式といった成形転造法は成形理論的には優れた転造方式といえるが、前掲書６５〜７０頁に記載するように機械的構造などに由来する使用上の問題や適合加工対象の問題がある。即ち、グローブ方式は１又は２対の成形ローラを素材に対し半径方向に押込むことによる成形と１歯分の素材の回転送りを順次繰り返すことにより成形するものであり、生産性が低くまた、原理的に薄歯の歯車には不向きであるといった欠点がある。一方、リングローリング方式はマンドレルロールによってリング状の素材をリング状歯型金型の内歯に押込むことによって外歯のリング状歯車を得るものである。そのため、この生産性を高めることができ、薄肉リングギヤを成形することができるといった点でグローブ方式の欠点はない。しかしながら、この方式ではマンドレルロールはリング状素材を挿通する配置となっており、成形しうる素材はリング状のみであり、リブ付の歯車部品を直接的に得ることはできなかった。また、マンドレルロールを素材を挿通させる構造的制約から外径の小さい歯車の成形は困難であった。更には、従来のリングローリング方式の構造は外歯歯車の成形を意図したものであり、内歯歯車の成形は全く意図していなかった。
【０００５】
この発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、成形転造方式の理論的に優れた点は維持しつつグローブ方式及びリングローリング方式の欠点は解消し、内歯であると外歯であると問わず所望の径のリブ付歯車型形状部品を直接的に製造しうる回転成形転造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るリブ一体型歯車型形状部品の回転成形転造方法は、素材をその内周部において回転軸と同軸に支持しつつ、素材を歯型金型と共に回転させ、片持支持の成形ローラによって素材の外周部を歯型金型に対して半径方向に押し込むことにより、内周部はリブとしつつリムとなる素材の外周部に歯形状を形成することを特徴とする。そのため、素材より内歯であると外歯であると問わず精度の高いリブ一体型歯車形状部品を直接的に製造することができる効果がある。
成形後にリブとなる素材の内周部に予め曲げ溝部を形成しておき、成形時における歯型金型に対する素材の押込により惹起されるリブの変形に対する抵抗力を低下させる。回転成形時に素材が歯型金型に押込まれる際に歯丈高の１／２相当の押込量分リブは変形しようとするが、リブとなる素材内周部に予め設けた曲げ溝部はこのような変形の抵抗力を大きく下げる効果がある。
【０００７】
好ましくは、素材を歯型金型と共に回転させ、成形ローラによって素材を歯型金型に対して半径方向に押し込むことにより素材に歯形状を形成し、かつ回転成形中において回転の方向を正転・逆転で数回繰り返すことができる。この発明では歯車の転造は原理的には成形転造法によって行なわれため、創成転造で問題となるような欠陥は生じ難い。しかしながら、それでも一回転方向のみだけの成形では金属流動に不均衡が生じうるということがわかった。これは、塑性加工後のスプリングバックの不均衡につながり歯部の欠陥発生の原因となりうる。回転軸の正転・逆転を数回繰り返すことにより材料の理由同は均衡化され塑性加工後のスプリングバックは均等化されるため、欠陥の少ない成形を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は２個のリブ一体型カップ状歯車部品の同時成形を行うこの発明の第１の実施の形態における回転成形による歯車転造法をその順を追った各段階(1) 〜(4)について説明するものである。まず、図１によって、歯車転造のための装置の構成を説明すると、１０はスピンドルヘッドであり、図示しない正逆転可能回転駆動モータに連結されている。スピンドルヘッド１０から回転軸線Ｌに沿って間隔を置いて従動側であるクランプヘッド１２が配置される。クランプヘッド１２は図１ではスピンドルヘッド１０から離間して設けられているが、回転成形作動時には、後述する通り、クランプヘッド１２はスピンドルヘッド１０に向けて前進される。
【００１２】
第１の外歯歯型金型１４はピン１５によってクランプヘッド１２に対向したスピンドルヘッド１０の端面に取り付けられている。第１の歯型金型１４は外周に外歯14-1を形成しており、第１の歯型金型１４の外側端面に形成される円形凹部にノックアウト板１６が面一となるように嵌合されている。ノックアウトピン１８はスピンドルヘッド１０の中心に嵌合されており、その先端は第１の外歯歯型金型１４の中心の開口を挿通され、ノックアウト板１６に当接している。後述のように、回転成形の完了時にノックアウトピン１８を突出させることにより成形品を取り出すことができる。
【００１３】
第２の外歯歯型金型２０はピン２２によってスピンドルヘッド１０に対向したクランプヘッド１２の端面に取り付けられている。第１の歯型金型１４と同様に第２の歯型金型２０は外周に外歯20-1を形成しており、第２の歯型金型２０の外側端面に形成される円形凹部にノックアウト板２４が面一となるように嵌合されている。ノックアウトピン２６はクランプヘッド１２の中心に嵌合されており、その先端は第２の外歯歯型金型２０の中心の開口を挿通され、ノックアウト板２４に当接している。回転成形の完了時にノックアウトピン２６を突出させることにより成形品を取り出すことができる。
【００１４】
成形ローラとしての押込ローラ２８はスピンドルの回転軸線Ｌと平行な回転軸線Ｍの周りに回転可能に支持され、成形時には回転する素材と接触することにより従動回転せしめられる。図示しないが、押込ローラ２８を半径方向に往復移動させる機構が設けられる。後述のように、回転成形時に押込ローラ２８は半径方向に移動され、円板状素材の外周部の倒れによるカップ形状の成形と成形されたカップ形状部の外歯歯車形状金型への押し付けによる内歯の成形転造とを同時的に行うことができる。後述のように押込ローラ２８の幅Ａは、図２のように、第１の歯型金型１４と第２の歯型金型２０との間に素材30A, 30Bを挟着保持した状態におけるスピンドルヘッド１０とクランプヘッド１２との間の間隔Ｂより僅かに大きくなっている。
【００１５】
以上説明の装置によるリブ一体型カップ状歯車部品の成形転造方法について順を追って説明すると、図１に示す第１の段階(1)では２枚の円板状素材30A, 30Bは重ねられた状態でスピンドルヘッド１０とクランプヘッド１２との間に配置される。素材30A, 30Bの外径は第１及び第２の歯型金型14, 20より大きくなっており、金型14, 20の外径を超えるそれぞれの素材30A, 30Bの外周部分が成形時に倒れこむことによってカップ形状におけるリムの部分が形成されるようになっている。
【００１６】
次ぎに、図１の状態においてクランプヘッド１２がスピンドルヘッド１０に向かって矢印ａのように前進され、図２に示す段階(2)に至り、２枚の重ねられた素材30A, 30Bはスピンドルヘッド１０に担持される第１の歯型金型１４とクランプヘッド１２に支持される第２の歯型金型２０との間に回転軸Ｌと同軸に挟着保持される。この状態では押込ローラ２８は素材30A, 30Bの直径上の外側に位置している。
【００１７】
次ぎに、図２に示される状態においてスピンドルヘッド１０は図示しない駆動源により回転駆動され、素材30A, 30Bに回転が加えられる。そして、押込ローラ２８は素材30A, 30Bに向かって矢印ｂに示すように半径内方に移動される。押込ローラ２８が素材３０Ａに接触することにより、第１の金型１４と接触する素材３０Ａの外周部分は金型１４の外歯14-1に向かって倒れこみを開始し、その倒れこみの進行に伴って、倒れこんだ素材３０Ａの片面は金型１４の外歯14-1と接触するに至り、押込ローラ２８の半径方向への移動につれて素材の倒れこみが進むにつれて金型１４の外歯14-1と接触する素材３０Ａの面への歯型の転造も進行する。同様に、第２の金型２０と接触する素材３０Ｂについても押込ローラ２８の半径内方への移動が進行するにつれて、その外周部分の倒れこみ及び金型２０の外歯20-1との接触面における歯型の転造が行なわれる。図３に示す段階(3)は素材30A, 30Bの外周部が金型14, 20に対して完全に倒れこんだ状態を示す。成形中にスピンドルは後述の理由で正転・逆転を数回繰り返される。
【００１８】
図２で示すように押込ローラ２８の幅Ａは素材30A, 30Bを挟着保持した状態におけるスピンドルヘッド１０とクランプヘッド１２との間の間隔Ｂより僅かに大きくなっている。従って、素材30A, 30Bの外周部が金型14, 20に対して完全に倒れこむように押込ローラ２８を押込んだ図３の状態においてスピンドルヘッド１０と押込ローラ２８の対向壁面間及びクランプヘッド１２と押込ローラ２８の対向壁面間に隙間SA, SBが形成される。そのため、塑性加工伝播力が高い押込ローラ２８との接触面側では素材30A, 30Bは隙間SA, SBに対して流動せしめられる。押込ローラ２８との接触面側における素材の流動は塑性伝播力が低い金型14, 20との接触面における素材の流動を助成する。即ち、図３の隙間SBの部分を拡大して示す図５において、隙間SBの存在によって、押込ローラ２８からの強い塑性伝播力により押込ローラ２８との接触面側では素材に矢印ｆ１に示すような流れが生ずる。このような流れにより、金型２０との接触面側において、矢印ｆ２に示すような対向壁面１２側への流れが惹起させる。このような流れｆ２によって、押込ローラ２８からの塑性伝播力が弱くなる金型２０との接触面における金属の流動を助成することができる。これにより、成形を低い押込ローラ圧力下で実施することが可能となる。
【００１９】
押込ローラ２８を素材30A, 30Bに対して半径内方に向けて移動させることにより倒れこんだ素材30A, 30Bの外周部を金型14, 20に接触させることによるこの発明の歯型成形は、歯型が素材に押し付けられることにより行なわれることから、成形転造原理下での転造であり、創成転造と比較して欠陥を少なくできるという利益を享受することができる。そして、回転成形であることから成形転造の代表的な例であるグローブ方式に対して生産速度の向上を得ることができる点は疑念がない。ところが、成形中の回転が一方向のみであると素材の塑性流動が完全には均等に行なわれないことが発明者による試験の結果分かった。その理由は今のところ明らかではないが、発明者による更なる検討によれば成形中におけるスピンドルの正転・逆転の繰り返しはこのような不均衡を解消し、金属の均一な流動が得られるため高精度の歯車転造が実現されることが分かった。図６の(a)はスピンドルの回転方向を一方向に固定した場合において歯型が成形されてゆく過程を模式的に示している。即ち、金型１４または２０に対して押込ローラ２８により素材を押込んでゆくことにより、素材30A, 30Bは、先ず、倒れこみを開始し、図示のように、素材30A, 30Bが未だ金型14, 20に接していない中間状態を経て、素材30A, 30Bは金型14, 2に接触するに至り、それから押込量の増大とともに、素材30A, 30Bを構成する材料が金型14, 20の歯の間に塑性流動してゆくことによって転造が行なわれる。図中1点鎖線は、それぞれの押込量における金型の歯Ｔの間への材料の流動状態を３段階で模式的に表している。回転方向が一定の場合には、素材の流れは左右均等とならず、かつ流動状態に乱れがあり、これは塑性加工後のスプリングバック量の不均衡及びそれに伴う欠陥発生の原因となりうる。図６の(b)は成形中に回転方向を正転と逆転とで繰り返し的に行った場合を示す。この場合、素材の流れは左右均等となり、全押込量を通じて材料の分布は均等となり、塑性加工後におけるスプリングバック量の均衡を確保することができる。
【００２０】
このようにして回転成形が完了すると、図３の状態からクランプヘッド１２が右方向に移動され、クランプヘッド１２はスピンドルヘッド１０から離間される。同時に、押込ローラ２８は素材30A, 30Bから離間するように半径外方に移動される。そして、ノックアウトピン18, 26の突き出しが行なわれ、成形されたカップ状内歯歯車部品となった素材30A, 30Bは金型14, 20から分離され、図４の(4)で示す状態となる。
【００２１】
図７〜９は第２の実施形態における歯車転造を(1), (2)及び(3)の３段階に分けて説明するものである。この実施形態では素材１３０としてはハブ130-1及びリブ130-2を有した筒状のものが使用され、そのリム部130-3に外歯を形成するようにしている。この実施形態における転造方法を実施する装置の構成を説明すると、回転駆動されるスピンドルヘッド１１０にリング状の歯型金型１１４が固定される。歯型金型１１４は内歯114-1を形成している。１１６はノックアウト板であり、ノックアウト部材１１８に連結される。素材クランプ受け棒１４０は回転中心Ｌに沿って延設され、その一端に素材１３０のハブ130-1を挿入することにより回転加工中の素材を保持することができるようになっている。素材クランプピン１４２は素材クランプ受け棒１４０に対向して配置され、スピンドルヘッド１１０に対して軸線Ｌに平行な方向に前後に移動可能に設けられている。成形ローラとしての引寄せ成形ローラ１２８は軸線Ｍの周りに回転可能にホルダ１４４に遊嵌され、スピンドルヘッド１１０に対して軸線Ｌに平行な方向に前後に移動可能であると共に、半径方向に移動可能に設けられている。
【００２２】
次ぎに、この第２の実施形態における転造方法について説明すると、図７は素材投入段階(1)を示すものであり、素材クランプピン１４２及び押込ローラ１２８は金型１１４から離間しており、この間に素材１３０が投入される。この状態から素材１３０のハブ130-1は素材クランプ受け棒１４０に挿入され、次いで、素材クランプピン１４２及び引寄せ成形ローラ１２８がスピンドルヘッド１１０に向けて矢印ａのように前進される。その結果、図８に示すように引寄せ成形ローラ１２８がその端面で素材のリブ130-2に接触し、素材１３０のクランプが行われる段階(2)に至る。
【００２３】
次ぎに、引寄せ成形ローラ１２８は図９の段階(3)に示すように矢印ｂのように半径外方にリム部内周に向けて引寄せられ、ローラ１２８は素材１３０のリム部130-3の内周に接触させつつ、スピンドルの回転が加えられる。引寄せ成形ローラ１２８の引寄せ移動の結果、素材１３０は金型１１４の内歯114-1に押しつけられ、素材１３０のリム部130-3の外周への歯型の転造が行なわれる。この歯型転造は、素材１３０のリム部130-3が歯丈高の１／２相当量金型１１４の内歯114-1に押込まれることにより行なわれる。このような素材の押込はリブ130-2を変形させ、リム部130-3に形成される歯型の精度に悪影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、この実施形態では形成前の素材のリブ130-2は図７及び８に示すように湾曲しているため、成形時の押込によってリブ130-2は図９に示すように容易に伸張され、リブの変形が及ぼしうる歯型の精度への影響を抑えることができる。
【００２４】
この実施形態においても成形転造中のスピンドルの回転は正転・逆転が数回繰り返されるように行なわれる。
【００２５】
転造の終了後、ノックアウト部材１１８によってノックアウト板１１６が矢印ｃのように前進され、製品は型１１４から外される。
【００２６】
図１０〜１２は第３の実施形態における工程順序(1), (2)及び(3)を示す。この実施形態では素材２３０はリブ230-1及びリム230-2より成るカップ状の素材であり、リムリム230-2の外周に外歯を形成する。第２の実施形態と同様に、歯型金型２１４はスピンドルヘッド２１０の端面に固定され、完成後の製品の取り出しのためのノックアウト板２１６及びノックアウト部材２１８が設けられ、また素材クランプ受け棒２４０が具備される。成形ローラとしてのリング状の引寄せ成形ローラ２２８がホルダ２４４に設けられる。素材クランプピン２４２は素材クランプ受け棒２４０との間で素材２３０の挟着保持を行うものである。
【００２７】
この第３の実施形態における転造方法について説明すると、図１０に示される素材投入段階(1)では素材クランプピン２４２及びホルダ２４４は金型２１４から離間して位置される。素材２３０は引寄せ成形ローラ２２８に嵌着される。ホルダ２４４は矢印ａのように前進され、素材２３０はそのリブ230-1が図１１に示すように素材クランプ受け棒２４０に当接する状態に至る。次ぎに、素材クランプピン２４２が図１０の矢印ｂのように引寄せ成形ローラ２２８の中心孔を通して前進され、図１１に示すように素材クランプピン２４２は素材クランプ受け棒２４０を挟んで素材のリブ230-1と当接するに至り、素材２３０は素材クランプピン２４２と素材クランプ受け棒２４０間に挟着保持される。
【００２８】
図１１に示す状態でスピンドルを回転させ、引寄せ成形ローラ２２８を回転させながら矢印ｃのように半径外方に引寄せることにより回転成形転造が行なわれる。即ち、引寄せ成形ローラ２２８の引寄せによってリム部230-2の素材は金型２１４の歯214-1に押込まれ、リム230-2の外周に歯型が形成される。第１２図に示す段階(3)は回転成形中の状態を示す。第１及び第２の実施形態と同様に成形中にスピンドルの回転は正転・逆転が数回繰り返され、周方向での素材の流動の均衡化が図られ、塑性加工後のスプリングパック量が不均衡及びこれに伴う精度悪化を防止することができる。第２の実施形態と同様に成形前のリブ部230-1の湾曲形状故に素材の歯型への押込の際のリブ230-1の変形の抵抗力は小さく抑えられ、成形精度を高めることができる。
【００２９】
転造完了後に引寄せ成形ローラ２２８は図１０の状態(1)の位置まで後退され、ノックアウト部材２１８によってノックアウト板２１６を伸張させ、製品は型２１４から外される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の第１の実施形態において転造装置への素材の投入のための段階(1)を示す図である。
【図２】図２は第１の実施形態において転造装置に素材をクランプした段階(2)を示す図である。
【図３】図３は第１の実施形態において素材の成形転造中の段階(3)を示す図である。
【図４】図４は第１の実施形態において成形転造後、製品を取り出し中の段階(4)を示す図である。
【図５】図５は図３において、クランプヘッドと押込ローラ間の隙間における成形転造中の素材の流れを説明する図である。
【図６】図６は第１の実施形態において金型の歯の間への素材の模式的な流動状態を一方向回転の場合(a)と正転・逆転とを繰り返した場合(b)について説明する図である。
【図７】図７はこの発明の第２の実施形態において転造装置への素材の投入のための段階(1)を示す図である。
【図８】図８は第２の実施形態において転造装置に素材をクランプした段階(2)を示す図である。
【図９】図９は第２の実施形態において素材の成形転造中の段階(3)を示す図である。
【図１０】図１０はこの発明の第３の実施形態において転造装置への素材の投入のための段階(1)を示す図である。
【図１１】図１１は第３の実施形態において転造装置に素材をクランプした段階(2)を示す図である。
【図１２】図１２は第３の実施形態において素材の成形転造中の段階(3)を示す図である。
【符号の説明】
１０…スピンドルヘッド
１２…クランプヘッド
１４…第１の外歯歯型金型
１６…ノックアウト板
１８…ノックアウトピン
２０…第2の外歯歯型金型
２４…ノックアウト板
２６…ノックアウトピン
２８…押込ローラ２８
30A, 30B…素材
110, 210…スピンドルヘッド
114, 214…歯型金型
116, 216…ノックアウト板
118, 218…ノックアウト部材
128, 228…引寄せローラ
130, 230…素材
140, 240…素材クランプ受け棒
142, 242…素材クランプピン
【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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