(57)【要約】粉末金属製被加工物から、高性能動力伝達用歯車の歯をネットシェイプ成形する方法は、歯面を有するニアネットシェイプ成形された歯車ブランクの形態の粉末金属製被加工物をその臨界温度以上に加熱して、前記歯面にオーステナイト組織を与えるようにし、歯層の臨界冷却速度より速い速度で、マルテンサイト変態温度以上にある一様な準安定オーステナイト温度に前記被加工物を等温的に焼入れして、前記被加工物の温度を前記一様な準安定オーステナイト温度の範囲内に保持しつつ、被加工物の歯面を対向ダイス間で所望の外周歯形形状に転造し、前記歯面は転造作業の結果として緻密化、塑性変形および強靭化を受けることとなり、前記被加工物を冷却することによって前記歯面が硬化されることを含むことを特徴としている。
2006523775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属製被加工物から、高性能動力伝達用歯車の歯をネットシェイプ成形する装置であって、
ニアネットシェイプ成形された浸炭した歯面を有する歯車ブランクの形態の粉末金属製被加工物をその臨界温度以上に加熱して、前記浸炭した歯面にオーステナイト組織を与える熱源と、
当該浸炭した外層の臨界冷却速度より速い速度で、マルテンサイト変態温度以上にある一様な準安定オーステナイト温度に前記被加工物を冷却する第１の焼入れ手段と、
各々が外周歯形面を有しており、前記被加工物の温度を前記一様な準安定オーステナイト温度の範囲内に保持しつつ前記歯面を所望の外周歯形形状に転造する対向ダイスと、
前記マルテンサイト変態温度範囲において、前記被加工物を冷却して前記浸炭した歯面を硬化させる第２の焼入れ手段と、
を含み、
前記対向ダイスは、前記歯面をなす層を圧縮転造して前記歯面領域近傍に初期に存在していた孔隙を略圧潰することで前記歯面を緻密にした後、前記準安定オーステナイト温度範囲において転造し滑らせることで塑性変形させて前記歯を強靭にするように動作することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の焼入れ手段は、略４５０°Ｆ〜５００°Ｆの範囲の温度に維持される油浴を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記被加工物に対して行なわれる全ての作業中に、筐体が不活性雰囲気を与えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記熱源は、第１の加熱領域を定める第１のトロイダル形状の誘導電気加熱炉と、第２の加熱領域を定める第２のトロイダル形状の誘導電気加熱炉と、を含み、
前記粉末金属製被加工物を、前記第１の加熱領域から前記第２の加熱領域へと素早く移送した後、当該液体作業媒体中に移送する歯車移動機構と、
前記被加工物を、前記第１の誘導電気加熱炉と同軸になるように前記第１の加熱領域内部に回転自在に支持し、且つ前記被加工物を、前記第２の誘導電気加熱炉と同軸になるように前記第２の加熱領域内部に回転自在に支持する支持部材と、
前記被加工物を、前記第１の加熱領域内部の回転軸に対して第１の選択時間にわたって回転し、且つ前記被加工物を、前記第２の加熱領域内部の回転軸に対して第２の選択時間にわたって回転する駆動機構と、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記アクチュエータ機構は、
前記粉末金属製被加工物を回転自在に支持するサポートスピンドルと、
前記被加工物が中心開口部に自由挿入し得る待避状態と、前記被加工物を前記スピンドル上に堅く保持する膨張状態と、の間を選択的に調整させ得る、前記スピンドル上の伸縮性チャックと、
含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記移動アクチュエータ機構は、前記スピンドルを縦方向に選択的に移動するように作動し得る直線状のアクチュエータ１６６を含み、当該縦方向の移動は、最初の完全待避位置と、前記被加工物が前記スピンドル上に放出自在に実装される装着位置と、前記被加工物が前記第１の加熱領域内部に配される第１の加熱位置と、前記被加工物が前記第２の加熱領域内部に配される第２の加熱位置と、前記被加工物が前記第１の容器内部の前記液体作業媒体中に浸される焼入れ位置と、の間で行われることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記装置は固定フレームを有し、
前記アクチュエータ機構は、
前記スピンドルを回転自在に実装するハウジングと、
前記固定フレーム上に回転自在に実装され、上端および下端を有する主ネジと、
前記上端と下端との間での直線状動作のために、前記主ネジとねじ込み式に係合するフォロワナットと、
を含み、
前記ナットは前記スピンドルハウジングと一体であり、前記フォロワナットの動作は、前記スピンドル上の前記粉末金属製被加工物とともに、前記スピンドルに与えられることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
非能動位置と能動位置との間に、前記サポートスピンドルを移動するスルーフィードアクチュエータを有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記対向ダイスは、
第１の軸上で回転自在である第１の転造歯車のダイスと、
前記第１の軸から平行に距離をあけて配置される、第２の軸上で回転自在である第２の転造歯車のダイスと、
を含み、
前記被加工物のための前記支持部材は、
前記制御された準安定オーステナイト環境内において、前記第１および第２の軸に平行である第３の軸上で回転自在に支持される、下部被加工物サポートスピンドルと、
スルーフィード方向において、前記第３の軸に沿って前記被加工物を前進させるスルーフィードアクチュエータと、
を含み、
前記被加工物の外周面は、前記第１および第２の転造歯車のダイスとスライド自在に係合し、前記被加工物が前記スルーフィード方向において、前記第１および第２の転造歯車のダイスと同一の広がりをもって配されるまで前進し続けるようにすることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の転造歯車のダイスを、同時に回転させる回転型アクチュエータを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の焼入れ手段は、略５０°Ｆ〜２５０°Ｆの範囲の温度に維持される油浴を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記粉末金属は、鉄粉と少なくとも１つの合金添加物との混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記合金添加物は、炭素、マンガン、シリコン、ニッケル、クロムまたはモリブデンのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記粉末金属は、ＡＩＳＩ−ＳＡＥ  ４０ＸＸ，ＡＩＳＩ−ＳＡＥ  ４６ＸＸ，ＡＩＳＩ−ＳＡＥ  ５１ＸＸ  ａｎｄ  ＡＩＳＩ−ＳＡＥ  ８６ＸＸからなる群からの鋼からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記粉末金属は、略０．２重量パーセント未満の炭素含有量を有する鋼組成物と、鋼組成物と、を含み、前記浸炭段階は前記硬化段階に先立って行なわれることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記粉末金属は、略０．５重量パーセントより大きい炭素含有量を有する鋼組成物を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記粉末金属製歯車ブランクは、プレス加工され且つ焼結されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
略７０μｍ〜１３００μｍまでの深さに対して、完全な理論密度の９０〜１００％の範囲での緻密化が行われ、当該緻密化は、プレス加工され且つ焼結された前記粉末金属製歯車ブランクにおいて、少なくとも歯元および歯側面の部分の面に緻密化圧力を供給することによってなされることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
粉末金属製被加工物から、高性能動力伝達用歯車の歯をネットシェイプ成形する方法であって、
（ａ）歯面を有し、ニアネットシェイプ成形された歯車ブランクの形で、前記粉末金属製被加工物を加熱し、前記歯面にわたってオーステナイト組織が得られるようにするステップと、
（ｂ）前記歯面の前記臨界冷却速度より速い速度で、前記被加工物を等温的に焼入れし、前記マルテンサイト変態温度以上である一様な準安定オーステナイト温度にするステップと、
（ｃ）前記被加工物を一様な準安定オーステナイト温度に維持しつつ、対向ダイス間で、前記被加工物の歯面を所望の外周歯形形状に転造するステップであって、前記対向ダイスは外周歯形面を有し、前記転造作業の結果として、歯面は緻密化、塑性変形および強靭化を受けることとなるステップと、
（ｄ）前記被加工物を前記マルテンサイトの温度範囲に冷却することにより、前記歯面を硬化するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記ステップ（ｃ）は、
（ｅ）前記歯面層における材料を半径方向に圧縮し、前記歯面部に初期に存在していた孔隙を圧潰することで前記歯面部を緻密化するステップと、
（ｆ）前記準安定オーステナイトの温度範囲における転造作業の結果として、前記歯面層の横方向への材料流動がもたらされることにより、前記歯面層を塑性変形するステップと、
を連続的に含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ステップ（ａ）の前に、
（ｅ）前記被加工物をプレス加工するステップと、
（ｆ）前記被加工物を焼結するステップと、
を連続的に備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記ステップ（ａ）の前に、
（ｅ）前記被加工物をプレス加工するステップと、
（ｆ）前記被加工物を焼結するステップと、
（ｇ）前記被加工物を緻密化するステップと
を連続的に備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記ステップ（ｅ）は、
（ｈ）前記被加工物を１回プレス加工するステップと、
（ｉ）前記被加工物を複数回プレス加工するステップと、
を二者択一的に備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ステップ（ｆ）は、
（ｈ）前記被加工物を１回焼結するステップと、
（ｉ）前記被加工物を複数回焼結するステップと、
を二者択一的に備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ステップ（ｆ）は、
（ｇ）統合された作業において、前記被加工物を焼結、硬化するステップ、
を備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ステップ（ｆ）は、
（ｇ）統合された作業において、前記被加工物を焼結、硬化および浸炭するステップ、
を備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ステップ（ａ）の前に、
（ｅ）前記被加工物をプレス加工するステップと、
（ｆ）前記被加工物を焼結するステップと、
を備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
（ｇ）プレス加工され且つ焼結された前記粉末金属製歯車ブランクの、少なくとも前記歯元および歯側面部分の表面に緻密化圧力を供給し、略７０μｍ〜１３００μｍまでの深さに対して、完全な理論密度の９０〜１００％の範囲における緻密化がなされることとなるステップ、
を備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
平行軸歯車を加工することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
前記平行軸歯車は、平歯車、はすば歯車およびやまば歯車のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
交差軸歯車を加工することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項３２】
前記交差軸歯車は、すくばかさ歯車、まがりばかさ歯車、ハイポイドギヤおよびウオーム歯車のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
請求項１９に記載の方法によって加工された製品。
【請求項３４】
高い準安定オーステナイトの温度範囲で、動力伝達用歯車の粉末金属製の歯に緻密化および塑性変形を与える装置であって、
第１の軸上に、転造ダイスを回転自在に支持する第１の支持部材であって、前記転造ダイスは、前記第１の軸に直角であり、平行に間隔があけられた外側面間に伸長する外周輪郭面を有し、前記転造ダイスは複数の歯を有し、各々の歯は、対向するインボリュート面と歯先端面とを有する歯側面を有している前記第１の支持部材と、
前記第１の軸から平行に離れている第２の軸上に、回転自在に支持する第２の支持部材であって、ニアネットシェイプの粉末金属製被加工物は、最初の外周輪郭面を有し且つ複数の歯を含み、各々の歯は名目上のインボリュート面と、トロコイド面を含む歯元/すみ肉部分と、を有している前記第２の支持部材と、
前記被加工物の温度を前記一様な準安定オーステナイト温度の範囲内に維持しつつ、前記歯面を所望の外周歯形形状に転造する作動機構であって、前記対向ダイスは、前記歯面をなす層を圧縮転造して前記歯面領域近傍に初期に存在していた孔隙を略圧潰することで前記歯面を緻密にした後、前記準安定オーステナイト温度範囲において転造し滑らせることで塑性変形させて前記歯を強靭にするように動作することとなる前記作動機構と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項３５】
最初の外周輪郭面を有する、ニアネットシェイプの粉末金属製被加工物から、ネットシェイプ成形された歯を製造する方法であって、各々の歯は名目上のインボリュート面と、トロコイド面を含む歯元/すみ肉部分と、を含む歯側面を有し、
（ａ）前記第１の軸に直角であり、平行に間隔があけられた外側面間に伸長する外周輪郭面を有する転造ダイスを、第１の軸上に回転自在に支持するステップであって、前記転造ダイスは複数の歯を含み、各々の歯は、対向するインボリュート面と歯先端面とを含む歯側面を有しているステップと、
（ｂ）最初の外周輪郭面および複数の歯を有するニアネットシェイプの粉末金属製被加工物を、前記第１の軸から平行に離れている第２の軸上に回転自在に支持するステップであって、各々の歯は、名目上のインボリュート面と、トロコイド面を含む歯元/すみ肉部分と、を有しているステップと、
（ｃ）前記第１および第２の軸に垂直であるインフィード方向に、前記転造ダイスを前進させ、前記転造ダイスが前記被加工物とかみ合って係合することとなるステップと、
（ｄ）前記転造ダイスを前記第１の軸周囲に回転するとともに、前記被加工物と係合させるステップと、
（ｅ）前記被加工物の前記歯面を、外周歯形面を有する前記転造ダイスと係合させ、前記被加工物を前記一様な準安定オーステナイト温度に保持しつつ、所望の外周歯形形状に転造するステップであって、前記歯面は、前記転造し滑らせる動作の結果として、緻密化、塑性変形および強靭化を受けることとなるステップと、
（ｆ）前記ステップ（ｄ）を行う間、前記転造ダイスと、前記転造ダイスの各々の歯のインボリュート面を含む前記被加工物と、の間に連続的な結合を維持し、前記転造ダイスは、前記被加工物の対応する歯の前記インボリュート面と係合し、前記転造ダイスの歯先端は、前記被加工物の対応する歯とその隣接歯との間のトロコイドの歯元/すみ肉の面と係合し、前記外周輪郭面にわたって材料流動がもたらされることとなるステップと、
（ｇ）前記転造ダイスを、前記インフィード方向に前進させ続け、各々の歯および歯元/すみ肉部分の最終的なネットシェイプが得られるまで、各々の歯側面および対応する歯元/すみ肉部分の面を変形させるステップと、
（ｈ）かみ合って係合する前記転造ダイスと被加工物とに、前述のステップ全てを行い続けることによって、前記被加工物の全ての歯の前記インボリュートおよびトロコイドの歯元/すみ肉の面が変形し、最終的なネットシェイプ成形された歯車が得られることとなるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法によって製造された製品。
【請求項３７】
前記ステップ（ｅ）は、
（ｉ）前記歯面層における材料を半径方向に圧縮し、前記歯面部に初期に存在していた孔隙が圧潰されて前記歯面部を緻密化するステップと、
（ｊ）前記歯面層を塑性変形するステップであって、当該変形は、前記準安定オーステナイトの温度範囲における転造し滑らせる動作の作業の結果として、前記歯面層の横方向への材料流動がもたらされることによって行われるステップと、
を備えることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記ステップ（ｃ）の前に、
（ｉ）前記第１および第２の軸に平行であるスルーフィード方向に、前記被加工物を前進させることによって、前記被加工物の外周歯形面が前記転造ダイスの外周歯形面と係合し、前記被加工物が前記スルーフィード方向において前記転造ダイスと同一の広がりを持って配されるまで、前進させ続けるステップ、
を備えることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記ステップ（ｃ）は、
（ｉ）前記被加工物と転造ダイスがからまった後である前記ステップ（ｇ）と同時に、
前記第１および第２の軸と垂直であるインフィード方向にある、前記第１および第２の軸を含む平面内に前記転造ダイスを前進させるステップであって、当該前進は、前記転造ダイスの外周面が前記被加工物の外周面と係合するまで行われ、当該係合は、前記被加工物と前記転造ダイスとが最初に係合する際に、前記第１および第２の軸間に最初の中心距離を定める、ニアネットシェイプ成形された中心距離で行われることとなるステップと、
（ｊ）中心距離の増大をもって、前記インフィード方向に前記被加工物を前進させ続けることによって、各々の歯の歯形面が変形され、歯の最終的なネットシェイプ得られることとなるステップと、
を備えることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
最初の外周輪郭面を有する、ニアネットシェイプの粉末金属製被加工物から、完全型ネットシェイプに転造仕上げされた、接触するマシンエレメントを製造する転造ダイスを製造する方法であって、
（ａ）転造ダイスの２つの隣接歯の間の空間に対応するように成形された、最初の外周面を有し且つ軸周囲に回転自在である、円筒型の研削砥石を与えるステップと、
（ｂ）前記研削砥石の最初の外周面とのかみ合いに、ディスク型のドレッシングツールの周辺端部を前進させることによって前記研削砥石をドレスし、材料が除去されることによって所望の輪郭面を有する、研削砥石の最終外形を製造するステップと、
（ｃ）前記研削砥石の軸平面に平行であるが、前記研削砥石の軸に垂直である平面に位置する軸上に、円柱型の転造ダイスブランクを支持するステップであって、前記転造ダイスブランクは、周囲と間隔をあけてニアネットシェイプ成形された複数の歯を有し、隣接歯の各ペアは、当該隣接歯の間に、対向する歯面と共通の歯元/すみ肉部分を有することとなるステップと、
（ｄ）前記転造ダイスブランクとのかみ合いの方へ半径方向に前記研削砥石を前進させ、前記研削砥石の外周輪郭面が、前記転造ダイスブランクの前記対向する歯側面と２つの隣接歯の間の共通の歯元/すみ肉部分とに係合することとなるステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）と同時に、前記研削砥石をその軸周囲に回転し、前記対向する歯面および前記共通の歯元/すみ肉部分に対する最終的な歯形を製造することとなるステップと、
（ｆ）前記研削砥石を、前記転造ダイスブランクとの係合から引き出すステップと、
（ｇ）アーク長に等しい増大をもって、前記転造ダイスブランクの隣接歯の間のピッチに、
前記転造ダイスブランクをその軸上に回転し、前記研削砥石が、前記転造ダイスブランクの次の隣接歯ペアの前記対向する歯面と、共通の歯元/すみ肉部分と、に位置調整されることとなるステップと、
（ｈ）前記転造ダイスブランクの全ての歯が、前記転造ダイスの所望の形状に研磨されるまで、前記ステップ（ｄ）、ステップ（ｅ）、ステップ（ｆ）およびステップ（ｇ）を反復するステップと、
を備える方法。
【請求項４１】
最初の外周輪郭面を有し、複数の歯を含むニアネットシェイプ成形された被加工物から、完全型ネットシェイプに成形された歯車を製造する方法であって、各々の歯は名目上のインボリュート面と、トロコイド面を含む歯元/すみ肉部分と、を含む歯側面を有し、
（ａ）外周面を有し、軸周囲に回転自在である円筒型の研削砥石を与えるステップと、
（ｂ）前記外周面との係合部にドレッシングツールを前進させることによって、前記研削砥石をドレスし、前記研削砥石から材料が除去される結果、所望の輪郭面を有する研削砥石の外形を製造することとなるステップと、
（ｃ）前記研削砥石の軸平面に平行であるが、前記研削砥石の軸に垂直である平面に位置する軸上に、円柱型の転造ダイスブランクを支持するステップであって、前記転造ダイスブランクは、周囲と間隔をあけてニアネットシェイプ成形された複数の歯を有し、当該歯は、隣接歯の間にアーチ形のピッチ長を定め、隣接歯の各ペアは、当該隣接歯の間に、対向する歯面と共通の歯元/すみ肉部分を有することとなるステップと、
（ｄ）前記転造ダイスブランクとの係合部の方へ半径方向に前記研削砥石を前進させ、前記研削砥石の外周輪郭面が、前記転造ダイスブランクの前記対向する歯面と２つの隣接歯の間の共通の歯元/すみ肉部分とに係合することとなるステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）と同時に、前記研削砥石をその軸周囲に回転し、前記対向する歯面および前記共通の歯元/すみ肉部分に対する最終的な歯形を製造することとなるステップと、
（ｆ）前記研削砥石を、前記転造ダイスブランクとの係合から引き出すステップと、
（ｇ）アーク長に等しい増大をもって、前記転造ダイスブランクの隣接歯の間のピッチに、
前記転造ダイスブランクをその軸上に回転し、前記研削砥石が、前記転造ダイスブランクの次の隣接歯ペアの前記対向する歯面と、共通の歯元/すみ肉部分と、に位置調整されることとなるステップと、
（ｈ）前記転造ダイスブランクの全ての歯が前記所望の形状に研磨され、仕上がった転造ダイスが得られるまで、前記ステップ（ｄ）、ステップ（ｅ）、ステップ（ｆ）およびステップ（ｇ）を反復するステップと、
（ｉ）第１の軸上に前記仕上がった転造ダイスを回転自在に支持するステップであって、当該転造ダイスは、前記第１の軸に直角で、平行に間隔があけられた外側面間に伸長する外周輪郭面を有し、前記転造ダイスは複数の歯を含み、各々の歯は対向するインボリュート面と歯先端面とを有する歯側面を含むステップと、
（ｊ）前記第１の軸から平行に離れている第２の軸上に、前記被加工物を回転自在に支持するステップと、
（ｋ）前記第１および第２の軸に垂直であるインフィード方向に前記回転ダイスを前進させ、前記転造ダイスが前記被加工物とかみ合って係合することとなるステップと、
（ｌ）前記転造ダイスを、前記被加工物と係合させながら回転するステップと、
（ｍ）前記被加工物を前記一様な準安定オーステナイト温度に保持しながら、前記被加工物の歯面を、外周歯形形状を有する前記転造ダイスと係合させ、所望の外周歯形形状に転造するステップであって、前記歯面が前記転造し滑らせる作業の結果として、緻密化、塑性変形および強靭化を受けることとなるステップと、
（ｎ）前記ステップ（ｌ）を行う間、前記転造ダイスと、前記転造ダイスの歯の各インボリュート面を有する前記被加工物と、の間に連続的な結合を維持し、前記転造ダイスは、前記被加工物の対応する歯の前記インボリュート面と係合し、前記転造ダイスの歯先端は、前記被加工物の対応する歯についての、トロコイドの歯元/すみ肉の面と係合することとなるステップと、
（ｏ）前記転造ダイスを、前記インフィード方向に前進させ続け、各々の歯および歯元/すみ肉部分の最終的なネットシェイプが得られるまで、各々の歯側面および対応する歯元/すみ肉部分の前記面を変形させるステップと、
（ｐ）かみ合って係合する前記転造ダイスと被加工物とに、前記ステップ（ｉ）、ステップ（ｊ）、ステップ（ｋ）、ステップ（ｌ）、ステップ（ｍ）およびステップ（ｎ）を行い続けることによって、前記被加工物の各々の歯の前記インボリュートおよびトロコイドの歯元/すみ肉の面が変形し、前記被加工物の全ての歯の最終的なネットシェイプが得られることとなるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４２】
前記ステップ（ｅ）は、
（ｑ）前記歯面層における材料を半径方向に圧縮し、前記歯面部に初期に存在していた孔隙を圧潰することで前記歯面部を緻密化するステップと、
（ｒ）前記準安定オーステナイトの温度範囲における転造作業の結果として、前記歯面層の横方向への材料流動がもたらされることにより、前記歯面層を塑性変形するステップと、
を備えることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
最初の外周輪郭面を有し、複数の歯を含むニアネットシェイプ成形された被加工物から、完全型ネットシェイプに成形された歯車を製造する方法であって、各々の歯は名目上のインボリュート面と、トロコイド面を含む歯元/すみ肉部分と、を含む歯側面を有し、
（ａ）平行に間隔があけられた、第１および第２の軸上に、第１および第２の転造ダイスを回転自在に支持するステップであって、前記第１および第２の転造ダイスは、前記第１の軸に垂直であり、平行に間隔があけられた外側面の間に伸長する外周輪郭面と複数の歯とを有し、各々の歯は対向するインボリュート面と歯先端面とを含む歯側面を含み、
（ｂ）前記第１および第２の軸から平行に離れている第３の軸上に、前記被加工物を回転自在に支持するステップと、
（ｃ）前記第３の軸と垂直であり、それぞれが反対であるインフィード方向において、前記第１および第２の転造ダイスを、前記第１、第２および第３の軸を含む共通平面内に前進させるステップであって、当該前進は、前記転造ダイスが前記被加工物とかみ合って係合するまで行われることとなるステップと、
（ｄ）前記転造ダイスを、前記被加工物と係合させて、付随する第１および第２の軸周囲に回転させるステップと、
（ｅ）前記被加工物を前記一様な準安定オーステナイト温度に保持しながら、前記被加工物の歯面を、外周歯形形状を含む前記転造ダイスと係合させ、所望の外周歯形形状に転造するステップであって、前記歯面が前記転造し滑らせる作業の結果として、緻密化、塑性変形および強靭化を受けることとなるステップと、
（ｆ）前記ステップ（ｄ）を行う間、各々の前記転造ダイスと、前記転造ダイスの歯の各インボリュート面を有する前記被加工物と、の間に連続的な結合を維持し、前記転造ダイスは、前記被加工物の対応する歯の前記インボリュート面と係合し、各々の前記転造ダイスの歯先端は、前記被加工物の対応する隣接歯の間の、トロコイドの歯元/すみ肉の面と係合することとなるステップと、
（ｇ）前記転造ダイスの各々を、前記インフィード方向に前進させ続け、各々の歯および歯元/すみ肉部分の最終的なネットシェイプが得られるまで、各々の前記歯側面および対応する歯元/すみ肉部分の面を変形させるステップと、
（ｈ）かみ合って係合する前記転造ダイスと被加工物とに、前述のステップ全てを行い続けることによって、前記被加工物の全ての歯の前記インボリュートおよびトロコイドの歯元/すみ肉の面が変形し、最終的なネットシェイプに成形されたマシンエレメントが得られることとなるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４４】
前記ステップ（ｅ）は、
（ｉ）前記歯面層における材料を半径方向に圧縮し、前記歯面部に初期に存在していた孔隙を圧潰することで前記歯面部を緻密化するステップと、
（ｊ）前記準安定オーステナイトの温度範囲における転造し滑らせる作業の結果として、前記歯面層の横方向への材料流動がもたらされることにより、前記歯面層を塑性変形するステップと、
を備えることを特徴とした請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記ステップ（ｃ）の前に、
前記第１、第２および第３の軸に平行であるスルーフィード方向に、前記被加工物を前進させることによって、前記被加工物の外周歯形面は前記転造ダイスの各々の外周歯形面と係合し、前記被加工物がスルーフィード方向における前記転造ダイスと同一の広がりを持って配されるまで、前進し続けるステップ、
を備えることを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
前記ステップ（ｃ）は、
（ｉ）前記被加工物と転造ダイスがかみ合った後である前記ステップ（ｈ）と同時に、
前記第１および第２の軸と垂直であるインフィード方向にある、前記第１および第２の軸を含む平面内に前記転造ダイスを前進させるステップであって、当該前進は、前記転造ダイスの外周面が、前記被加工物の外周面とニアネットシェイプ成形される中心距離で係合するまで行われ、前記中心距離は、前記被加工物と前記転造ダイスとが最初に係合する際に、前記第１および第２の軸間に最初の中心距離を定めることとなるステップと、
（ｊ）中心距離の増大をもって、前記インフィード方向に前記被加工物を前進させ続けることによって、各々の歯の歯形面が変形され、歯の最終的なネットシェイプが得られることとなるステップと、
を備えることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は、焼結、熱処理された粉末金属製鋼歯車を準安定オーステナイトの状態において熱機械的に処理する装置および方法に関し、さらなる表面緻密化および耐力表面の塑性変形が生じることにより、ネットシェイプ最終工程を通して高強度且つ高精度な接触面がもたらされる。本発明は特に、粉末金属製歯車の曲げ強度および表面耐性を増大させる装置および方法に関し、これはスプール、はすば歯車およびかさ歯車を含む歯車の、歯の表面層およびサブ表面層をオースフォーミングすることによってなされる。オースフォーミングした粉末金属製歯車に対する用途は、歯車が高荷重および高スピードを受けて稼動する自動車の動力伝達を含む。
【従来技術の詳細】
【０００３】
大量生産のための粉末金属製鋼部品の実質的な低コストのために、粉末金属の焼結プロセスは、多くの自動車アプリケーションに浸透している。しかし、粉末金属製部品の現状の強度限界のために、自動車の動力伝達における用途は、低負荷部品にのみ制限されている。粉末金属製歯車は、動力手道具および歯車ポンプに次第に使用されるようになっているが、粉末金属製歯車は自動車変速機におけるアクセサリー部品として、動力伝達用歯車装置に対しては使用されていない。最先端の粉末金属製歯車は、錬鋼および/または鍛鋼から製造された歯車と比較して、十分な歯の曲げ強度および耐孔食性/耐摩耗性を有していない。
【０００４】
動力伝達用歯車装置に使用される高負荷歯車は、慣習的には低炭素、低合金から中合金の錬鋼および/または鍛鋼のブランクにより製造されている。事前のブランク機械加工の後、歯はホブ切りまたはシェイピングのような金属切断作業によって製造されるか、またはニアネットシェイプに鍛造することよって製造される。その後、所望の表面強度、強度勾配およびコア硬度を与えるように、歯車は熱処理される。熱処理は低炭素鋼歯車表面を浸炭することを含み、表面および表面近傍の炭素含有量を増大させることとなる。次に、拡散の少ない変態プロセスが開始する温度、いわゆるＭs点以下に急速焼入れすることによる硬化が続けられ、硬化したマルテンサイト構造が創出される、。また、中炭素から高炭素の合金鋼組成物から製造された大歯車は、浸炭を必要としない代わりに高周波焼入れされ、歯面のみを加熱した後、硬化したマルテンサイト構造を形成させるために焼入れされる。その後、硬化した歯車は研削、スカイビング、バニシ仕上げおよび/またはホーニング仕上げの工程によってネットシェイプに仕上げられる。
【０００５】
粉末金属製歯車に関しては、米国特許第５,７１１,１８７号公報に方法が説明されており、そこでは加圧焼結した粉末金属のブランクから形成された粉末金属製大歯車は、硬化された表面であることが特許請求されており、この硬化は側面および歯元/隅肉部分の両方における歯面層の緻密化によってなされている。この米国特許第５,７１１,１８７号公報では、歯車転造の前仕上げ技術を説明しており、この前仕上げは、１つまたは２つのダイスの転造装置を使用して熱処理および硬化に先立って行なわれ、且つＳＡＥ４１００、ＳＡＥ４６００およびＳＡＥ８６００のグレードと同様な、焼結低合金鋼組成物に適用できる。しかし、米国特許第５,７１１,１８７号公報で説明されている方法は、熱処理および硬化に先立って行なわれる前仕上げ作業であるので、軟性の機械加工ができる状態、特に炭素含有量が０．２％以下である焼結低炭素低合金鋼組成物にのみ適用できる。米国特許第５,７１１,１８７号公報は、転造された表面での理論上完全な緻密化および少なくとも３８０μｍから約１０００μｍ深さにおいて、徐々に減少する緻密変化度（９０〜１００％）を特許請求している。
【０００６】
上述のように、米国特許第５,７１１,１８７号公報で説明されている方法は、通常はＢＨＮ１８０未満の硬度（または２４未満のＨＲＣ）を有する、焼結した低炭素低合金粉末金属製鋼組成物から作られる相対的に軟らかい大歯車のブランクにのみ適用できる。米国特許第５,７１１,１８７号公報で説明されているように、軟焼結した歯面の歯車転造は、歯面層の緻密化をもたらす。上述のように、焼結したままの状態においてまたは米国特許第５,７１１,１８７号公報で説明されているような歯車転造による表面緻密化後において、粉末金属製歯車は浸炭および硬化の作業により熱処理されなければならず、結果として高耐荷重動力伝達用歯車装置に必要な、特有の表面硬度、硬度勾配およびコア強度が実現される。米国特許第５,７１１,１８７号公報で説明されているような歯車転造および関連した表面緻密化による硬化を行なうことにより得られる表面硬化は、次の熱処理プロセス中に実質的に解消されてしまう。
【０００７】
さらに、米国特許第５,７１１,１８７号公報に説明されている方法で製造された、焼結且つ緻密化した粉末金属製歯車は、熱処理および硬化を受けるので、必要な精度水準を実現するために、その歯車が研削、スカイビング、バニシ仕上げまたはホーニング仕上げの工程によるハードな仕上げを必要とし、結果として歯の緻密化した表面部を約１５０μｍ取り除く結果となるかもしれない。粉末金属の緻密化した表面層の改善された見掛け硬度を有する表面部の部分除去は、過重負担能力を低下させる。
【０００８】
錬鋼および/または鍛鋼製大歯車に関しては、米国特許第５,２２１,５１３号公報、米国特許第５,３９１,８６２号公報、米国特許第５,４５１,２７５号公報、米国特許第５,６５６,１０６号公報、米国特許第５,７９９,３９８号公報、米国特許第６,００７,７６２号公報、および米国特許第６,１２６,８９２号公報に、転がり軸受特性に関しては米国特許第６,２６４,７６８号公報に、装置および方法が説明されており、この転がり軸受特性においては、浸炭および硬化された被加工物は、制御された塑性変形を引き起こす熱機械的方法で仕上げられ、これは歯車転造を経て準安定オーステナイトの状態でなされる。硬化した歯の表面オースフォーミング仕上げとも呼ばれるかかる熱機械的処理は、誘導加熱による再オーステナイト化を含み、次に約４５０〜５００°ＦでまたはいわゆるＭs点であるマルテンサイト変態開始温度以上でのマルクエンチが続けられる。このマルクエンチされた状態における歯は、転造仕上げされた後、拡散分解が準安定オーステナイトから形成し得る前に、最終的に焼入れされる。錬鋼および/または鍛鋼製大歯車に関しては、上述の特許に説明されているオースフォーミング仕上げの熱機械的方法は、歯面上への一体化した転造し滑らせる動作によって、相当量の材料が歯面および軸方向に上下に流動する結果となる。研削のような従来の歯車仕上げとは異なり、一番外側の表面硬化層はオースフォーミング仕上げ作業中に除去されない。
【０００９】
既述の特許に説明された方法は、中炭素から高炭素の合金歯車鋼にも適用でき、炭素含有量が十分に高いので浸炭作業は必要とされない。従って、この特許に説明されている熱機械的手段は、浸炭/硬化させた低炭素の歯車鋼のほかに高周波焼入れし得る中炭素から高炭素の歯車鋼にも適用でき、本発明において使用されている。
【００１０】
焼結且つ硬化した粉末金属鋼組成物において、強靭化と転造仕上げとを一体化するような熱機械的方法を開発するために、かなりの研究が行なわれている。焼結且つ硬化した状態において１５％までの孔隙を有する円柱状の粉末金属試料は、熱機械的方法によって表面緻密化され、表面では理論上ほぼフル密度に、７０〜２００μｍの深さでは孔隙は２％未満に、２５０〜１３００μｍの深さでは孔隙は約４％になる。各々が０．８％および１．０％の炭素含有率を有するＳＡＥ４６８０およびＳＡＥ４６１００の粉末金属合金配合物に対しては、緻密化と硬化とが同時に実現され、粒子状物質、見掛け硬度および性能において関連して強靭化される。
【００１１】
熱機械的作業中の経時的な歯折れ無くして、粉末金属製歯車がオースフォーミングされ得るかどうかを評価するための研究も行なわれている。ニアネットシェイプ成形された焼結した粉末金属製歯車ブランクから開始されるよりもむしろ、コストを最小限にするために、歯を有する大歯車は、ＳＡＥ４６８０配合物の焼結した円柱状粉末金属ブランクから機械加工が開始される。焼結且つ硬化した粉末金属製歯車ブランクを転造して緻密化する熱機械的方法に関して、可能性が研究によって明らかに示されているが、熱機械的方法によって焼結且つ硬化した粉末金属製歯車ブランクを要求精度に転造するために必要な転造ダイスの特殊形状において、さらなる開発が必要とされることも示している。
【００１２】
結果としてこれらの研究は本発明につながっており、本発明においては、焼結且つ硬化した大歯車が準安定オーステナイト状態において、熱機械的方法によって表面緻密化され、硬化され、強靭化されおよび高精度に仕上げられる。このことは、転造作業中の実質的な表面圧縮によって、歯側面および歯元/隅肉部分において同時に起こる。
【００１３】
本発明によると、焼結且つ硬化した粉末金属製大歯車の表面圧縮および転造仕上げによって緻密化を行う方法および装置が与えられており、これは歯側面および歯元/すみ肉部分上の両方で、準安定オーステナイト状態における熱機械的方法によってなされる。結果として、表面では完全に緻密に、表面近傍部分においては９５〜１００％に表面緻密化されることとなる。このことは、表面および近表面の見掛け硬度を増大させ、オースフォーミングによって機械的性質を改善し、ハードな切削に相当するまたはそれ以上の寸法精度および表面仕上げを作り出し、その結果、その後の仕上げ作業の必要性を排除することとなる。本明細書で説明されている方法は、熱機械的仕上げ処理に先立って浸炭および硬化される焼結した低炭素合金粉末金属製歯車鋼と、高周波焼入れし得る焼結した中炭素から高炭素の合金粉末金属製の歯車鋼と、の両方に適用できる。今からは、これら両方のタイプの粉末金属製歯車鋼が、硬化した粉末金属製歯車鋼として言及される。
【００１４】
焼結且つ硬化した粉末金属製歯車に対する本発明の方法は、表面で理論上１００％の密度の表面緻密化をもたらし、少なくとも外側４００μｍ、場合によっては１３００μｍまでにおいて９５〜１００％に徐々に緻密化が低減する。さらに、本発明の製法は、硬化した粉末金属製歯車に対する最終仕上げ作業であるので、実現された表面緻密化の十分な恩恵および関連して増大した見掛け表面硬度、完成品の歯車強度、精度および表面仕上げは十分に維持される。最終的に、熱機械的方法によって準安定オーステナイト状態において生じる塑性変形は、オースフォーミング効果によってさらなる強度をもたらし、故に大歯車のさらに増大した強度をもたらす結果となる。
【００１５】
焼結且つ熱処理された粉末金属製大歯車は、理論上十分に高密度合金である９０〜９５％の範囲に実効密度を伴う緻密化の前には、相当量の孔隙を含むので、熱機械的仕上げに使用される転造ダイスは、歯面層における材料の実質的圧縮を含む転造による緻密化のために、特異的に設計されることを必要とする。その一方、錬鋼または鍛鋼から作られる大歯車の熱機械的仕上げのための転造ダイスは、歯面層上での一体化した転造し滑らせる動作に合わせて設計される。歯が上下する接線方向と、材料の放射状圧縮が可能ではない軸方向と、においてともに、材料の流動は、横方向に方向付けられる。従って、焼結且つ熱処理された粉末金属製大歯車の熱機械的仕上げに関しては、転造ダイスは表面緻密化圧力を供給し、結果として歯面部近傍の孔隙圧潰がもたらされる。このことは緻密化をもたらす。転造ダイス、特にダイスの歯先端の形状は、関心領域で大歯車と接触するように且つ材料を圧縮するように、結合（conjugacy）に合わせて設計されている。
【００１６】
焼結且つ硬化した粉末金属製鋼歯車に対する仕上げ状態において、名目上、転造されたインボリュート大歯車の歯形を得るために、転造ダイスの歯形は名目上のインボリュート歯の幾何学から実質的に外れなければならない。本発明の方法は、歯面を誘導加熱することを含み、次に４５０〜５００°Ｆの範囲の温度にマルクエンチ後、歯車転造による塑性変形および表面層圧縮が続けられる。転造ダイスは４５０〜５００°Ｆの加工温度に保持され、故にかなりの熱膨張を受けることとなる。転造ダイスの熱膨張により、高い使用温度でのダイスの歯形は、室温での最初の転造ダイスの歯形および当初製造された通りのものとは実質的に異なっている。同様に、歯車は４５０〜５００°Ｆの高温で転造仕上げされるだけでなく、マルクエンチに続く誘導加熱によって表面層の局部加熱をも受けることとなる。
【００１７】
従って、関連した冶金の変態と同様に、歯車は複雑な熱履歴を受ける。従って、結果として生じる歯車の歯形における体積の寸法変化は、室温での最初の歯車の歯形および当初に製造された通りのものとの実質的なずれをもたらすこととなる。その後、熱的に且つ冶金学的に変態した幾何学的形状および状態における歯は、高負荷および高スピードの下で、熱的に変化した転造ダイスに対して転造される。従って、熱的に変化した転造ダイスによって供給される転造圧力により、歯は高温で塑性変形および緻密化を受けることとなる。
【００１８】
その後、まだ高温状態である転造仕上げされ且つ緻密化された歯車は、最終的に室温および/またはさらにＭf点以下に焼入れされる。焼結、硬化および転造/緻密化された大歯車が、名目上、指定のインボリュート歯車の幾何学状態に一致するのは最終的に焼入れされた状態である。必要とされる最初の特殊化された転造ダイスの歯形を予測して使用することは、大歯車の歯面に沿った所望の接触と、歯の側面および歯元/すみ肉部分における所望の圧縮度合いおよび緻密化と、を実現するために重要である。
【００１９】
つい最近、改善された精度、表面仕上げおよびより一層の負荷容量を有する錬鋼または鍛鋼製の歯車を製造するために、はすば歯車の歯のトロコイダル歯元すみ肉部分と同様に、活性接触面に歯車転造仕上げプロセスが適用されなければならないことが認識されており、この目的を達成する装置および方法は、Nagesh Sontiなどの米国特許出願公開第１０/０５６,９２８号公報に開示されている。そこに説明されているように、転造仕上げ作業が歯の活性接触面に加えて、歯元/すみ肉部分を仕上げることにまで及ぶ場合には、その結果、歯の表面仕上げおよび曲げ疲労強度は実質的に改善されるであろう。歯の歯元/すみ肉部分は、最大の曲げ応力を受ける。歯元/すみ肉部分を転造仕上げすることにより表面仕上げが改善され、その結果、応力集中が低減し可塑作用による材料の疲労抵抗が高められる。
【００２０】
本発明は着想され、現在では実行されなくなっている技術の上述の状態の知識を伴っている。
【発明の概要】
【００２１】
本発明によると、粉末金属製被加工物から、高性能動力伝達用歯車の歯をネットシェイプ成形する方法は、歯面を有するニアネットシェイプ成形された歯車ブランクの形態で、粉末金属製被加工物をその臨界温度以上に加熱し、前記歯面にオーステナイト組織を与えるようにし、歯層の臨界冷却速度より速い速度で前記被加工物を等温的に焼入れしてマルテンサイト変態温度以上にある一様な準安定オーステナイト温度にし、前記被加工物の温度を前記一様な準安定オーステナイト温度の範囲内に保持しつつ、被加工物の歯面を対向ダイス間で所望の外周歯形形状に転造し、転造作業の結果として、前記歯面は緻密化、塑性変形および強靭化を受けることとなり、前記被加工物を冷却することによって前記歯面が硬化することとなることを含むことを特徴としている。
【００２２】
次に、本発明の主特徴は、準安定オーステナイト状態において、焼結し且つ熱処理した粉末金属製鋼歯車を熱機械的に処理する装置および方法を提供し、耐荷重面の増大した表面緻密化および塑性変形がもたらされる結果、ネットシェイプの仕上げプロセスを通して高強度および精密な接触面が得られることである。
【００２３】
本発明のさらなる特徴は、スプール、はすば歯車およびかさ歯車を含む、歯車の歯の表面およびサブ表面層をオースフォーミングすることによって、粉末金属製歯車の曲げ強度および表面耐性を増大させる装置および方法を提供することである。
【００２４】
本発明のさらなる特徴は、オースフォームされた粉末金属製歯車のアプリケーションを提供することであり、当該アプリケーションは、歯車が高負荷および高スピードを受ける動作における自動車の動力伝達を含む。
【００２５】
本発明のさらなる特徴は、被加工物の温度を前記一様な準安定オーステナイト温度の範囲内に保持しつつ、各々が外周歯形面を有する対向ダイスに基づいて、歯面を所望の外周歯形形状に転造して、粉末金属製のニアネットシェイプの被加工物から歯車を製造する方法を提供することであって、前記対向ダイスは、前記歯面をなす層を圧縮転造して前記歯面領域近傍に初期に存在していた孔隙を略圧潰することで前記歯面を緻密にした後、前記準安定オーステナイト温度範囲において転造し滑らせることで塑性変形させて前記歯を強靭にするように動作することを特徴とする。
【００２６】
本発明のさらなる特徴は、典型的には、アクティブ接触面およびトロコイドの歯元/すみ肉部分を含み歯車の歯である、粉末金属からなるマシンエレメントの全輪郭の精密型仕上げを行う方法を提供することであり、その結果、歯の臨界領域における材料流動を引き起こすことを特徴としている。
【００２７】
本発明のさらなる特徴は、塑性変形することによる粉末金属製鋼歯車の被加工物の完全型仕上げの方法を提供することであり、当該方法は歯の高強度および高精度をもたらすことを特徴としている。
【００２８】
本発明のさらなる他の特徴、長所および利点は、添付の図面と併せて以下の説明において明らかにされる。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は例示的な説明であるが、本発明の限定的なものではないことが理解されるべきである。本発明に援用され、本発明の一部を構成するところの添付図面は、本発明の１つの実施例を示しており、説明と共に、本発明の原理を一般論として説明するために用いられている。同様の参照数字は、開示を通して同様の部分を表すものである。
【好ましい実施態様の詳細な説明】
【００２９】
本出願は、Nagesh Sontiなどによる表題が「オースフォーミングによって粉末金属製歯車を強靭にする方法および装置」と付された、同時継続出願の米国仮出願第６０／４５５,９９７（出願日：２００３年３月１８日）号公報に関連しており、当該仮出願に基づき米国特許法第１１９条（ｅ）の規定による優先権の利益を主張するものであり、その開示内容は全体として本出願に援用される。さらに、Amateauなどによる米国特許第５，４５１，２７５号公報、５，２２１，５１３号公報、５，３９１，８６２号公報、５，４５１，２７５号公報、５，６５６，１０６号公報、５，７９９，３９８号公報、６，００７，７６２号公報、６，１２６，８９２号公報およびSontiなどによる米国特許第６，２６４，７６８号公報および米国特許出願第１０／０５６，９２８号公報は、すべて本出願に援用される。
【００３０】
最初に、好ましい実施例であるシステム４０を示している図1の図を見ると、このシステム４０は粉末金属製組成物、特には歯車の製造のために、本発明によって使用されることができる。このシステムは、制御された変形による精密な歯車仕上げをするために工夫されており、この変形は粉末金属製被加工物４２の固定軸スルーフィードと、移動軸上の２つの歯車の転造ダイス４４、４６のインフィードと、を使用する。このシステムは、錬鋼または鍛鋼製の歯車に関する、Ａｍａｔｅａｕなどの米国特許第５,４５１,２７５号公報に開示されている。図１を引き続き参照すると、システム４０の大まかな動作概要が与えられ、後にシステム４０の構成要素の詳細な説明が示される。このシステム４０は、各被加工物４２の複数の処理位置へのタイムリー且つ自動である移送を提供する。
【００３１】
本明細書における開示のために、被加工物４２を、ニアネットシェイプ成形された歯車ブランクとして最初に言及し、本発明のあらゆる工程が完了したときには、ネットシェイプ成形された歯車として言及する。ニアネットシェイプ成形された歯車ブランクは、ホブ切りまたは従来技術を使用した他の方法で形成される。または、本発明の目的のために、最終的すなわち所望の厚さ寸法と比べて大体０．００１〜０．００２インチ厚くなっている歯で被加工物４２は形成され、研削の必要性無くして、歯車は高性能歯車に必要とされるＡＧＭＡの寸法公差を満たすことが出来ることとなる。本発明に基づいて行なわれる変形作業中における金属の移動によって、過剰な歯厚が取り除かれると同時に、適切な外形が保証される。研削工程が取り除かれたことだけで、特定の接触応力レベルで表面耐久力において７０％ほども増加する。
【００３２】
慣習的に、高強度歯車は低炭素合金である浸炭グレード鋼から製作され、その表面およびサブ表面部は特定深さまで炭素が豊富になっている。炭素含有量を高くすることにより、硬度が増大し且つ歯面と接触する歯車にわたった材料と、表面下の材料と、を強靭化させることとなる。硬度の増大は、オーステナイトとして知られている面心立方晶系結晶構造から、マルテンサイトとして知られている微粒子サイズの体心正方結晶構造への鋼の変態に起因するものである。焼入れの際にベイナイトまたはベイナイトとマルテンサイトとの混合物に恒温変態することによって、硬度は劣るが強い特性を得ることができる。
【００３３】
従来の歯車加工方法においては、被加工物はＭｓ点以下で焼入れ媒体中に投入することによって、オーステナイト領域を経て急速に焼入れされる。その後、その被加工物は指定温度で焼戻しされ、構造が軟らかくなり且つ延性が与えられるようになる。焼戻し処理完了後、高性能歯車に対する周知の方法である研削によって、歯車仕上げが行なわれる。
【００３４】
上述のように、本発明は研削作業を除去して、これから説明されるように微細構造的に改善された、歯車の歯面を与えるものである。本発明の重要部は、浸炭したニッケル・クロム鋼のような浸炭グレード鋼を選択することであり、この浸炭したニッケル・クロム鋼は、十分に長い間、マルテンサイトの範囲より上に準安定オーステナイト組織を有する変態曲線を有し、歯面を成形させ得るようになる。約１％の表面炭素に浸炭したニッケル・クロム鋼に対する時間−温度−変態のチャートが、図２が示されている。浸炭したニッケル・クロム鋼は、一般的に航空宇宙産業における高性能歯車の製造用に使用されている。
【００３５】
時間−温度−変態の曲線は、オーステナイトが各温度で変態を開始し、完了するために必要な時間を示している。温度は縦軸に沿って示され、対数目盛での時間は横軸に沿って示されている。
【００３６】
浸炭した歯車は、オーステナイトにさせられるように臨界温度以上に加熱され、初期温度２０または約１３５０°Ｆになった後、標準マルクエンチ油のような液体媒質中で臨海冷却速度を超える速度で、急速且つ等温的にポイント２２からポイント２４へと焼入れ（マルクエンチ）される。かかる液体媒質は、マルテンサイトが形成し始める温度よりも高い温度に維持されて、準安定オーステナイトが得られる。臨海冷却速度は、線２２−２４のスロープで定義され、このスロープは、オーステナイトとセメンタイトとが形成し始める変態曲線の突出部２６には接触しない。
【００３７】
準安定オーステナイト状態における被加工物４２の表面上への自動的な作用に対する最大時間を与えるために、冷却段階はマルテンサイト状態より上の温度で一時的に終了させなければならない。図２において、終端がポイント２８である、新しい温度平坦域の始点であるポイント２４は、約４５０°Ｆに位置付けられて示されている。
【００３８】
本発明による歯の成形は、ポイント２４とポイント２８との間で行なわれる工程を使用し、その結果、マルテンサイトへの変換に先立って、準安定性オーステナイト浸炭層を変形することによって歯を成形するために、歯車のスエージ加工または転造などの作業が利用される。このことは、オーステナイトの再結晶温度以下の温度および浸炭層のＭs点より高い温度で、変態以前の時間中に起こる。従来の熱処理加工によって加工され、現在の浸炭肌焼きした歯車において、後述のこのプロセスは超高強度を生み出す方法を示すものである。
【００３９】
成形作業に続いて、図２における線２８−３０で示されるように、歯車は焼入れステーションへと移動する。液体が本発明の範囲内であるが、圧力ガス流を利用することが望ましい最終焼入れはポイント３０で開始し、マルテンサイトの範囲におけるポイント３２で終了する。
【００４０】
システム４０への入口で、被加工物シュート４８は加工されるべき被加工物を保持し、適切なソフトウエア駆動のプロセス制御器からのコマンドと同時に、被加工物を歯車ローダ５０に放出し、スイベルロボット５４によるスピン/スキャン誘導加熱ステーション５２へと引き続き移動が行われる。このスピン/スキャンのステーション５２は、スイベルロボットから被加工物を受け入れるサポートスピンドル５６と、直線運動および回転運動を被加工物に与える自動制御駆動部とを含む。適切なときに、サポートスピンドル５６は被加工物を配し、ＭＦ誘導コイル６０およびＲＦ誘導コイル６２の各々について、適当な任意の線形速度および回転速度で被加工物をドライブする。その結果、表面オーステナイト化が行なわれるようになり、その後処理タンク６６中の処理媒体すなわち焼入れ媒体中に被加工物を進ませる。各被加工物である歯車の歯面の輪郭オーステナイト化は、ＭＦおよびＲＦ誘導コイルの両方を、これら各々の電源（図示せず）を使用して適当な任意の時間、通電することによってなされる。
完全な表面オーステナイト化のサイクルは、専用の誘導加熱プロセス制御器（図示せず）によって制御され、その誘導加熱プロセス制御器はソフトウエア駆動のプロセス制御器で管理されている。被加工物である歯車の歯面の誘導オーステナイト化および準安定オーステナイト状態へのこの被加工物の急速焼入れの後、プロセス制御器１００（図４）によって管理された、転造仕上げプロセスのために、歯車移動機構６８はスルーフィード歯車保持スピンドル７０（図１および図３）に、被加工物を移動する。
【００４１】
スルーフィードアクチュエータ７２は、システム４０の堅い機械フレーム７４上に実装され、スルーフィードスピンドル７０に接続しており、被加工物は転造作用に必要な直進動作および回転動作をし得るようになる。処理タンク６６は、５００°Ｆまでの温度に維持された処理媒体または焼入れ媒体６４を有するように設計されている。このタンクは、熱い媒体を含有できるように設計された適切なシールを有する堅い機械フレーム７４に固定されている。歯車の転造ダイスのハウジングおよび面内、面外および軸方向に歯車の転造ダイスの軸を調整する調整機構（本明細書において言及しているＡｍａｔｅａｕなどによる米国特許第５,４５１,２７５号公報に詳細に説明されている動作）は、処理媒体すなわち焼入れ媒体６４に全て含まれ、熱的に安定した成形温度で転造機械設備を維持することとなる。
【００４２】
転造歯車ダイス４４、４６は、等速ジョイント７６を通して動力駆動され、被加工物４２の方へのおよび被加工物４２から離れる、転造歯車ダイス４４、４６のインフィード動作を可能にする。この構造は、特に図３でよく理解される。転造歯車ダイスの少なくとも１つへの駆動は相調整を可能にし、１つの転造歯車ダイスの回転相を他の転造歯車ダイスに対して正確に調整することによって、被加工物との正確な係合が保証されることとなる。転造歯車ダイスハウジング８２および調整機構８４を含む全てのインフィード組立品７８、８０は、両方共に精密な直線状のベアリングエレメント８５上にガイドされ、このベアリングエレメントは堅いメインフレーム７４のブリッジ８６から吊るされている。インフィードの力および動作は、堅いフレームの間隔の開いた支柱９０、９２上に実装された２つのインフィードアクチュエータによって与えられる。インフィードアクチュエータ８８とインフィード組立品７８、８０との間の連結部は、処理タンク６６の壁を貫通し、処理媒体すなわち焼入れ媒体６４の排液を阻止するために適切にシールされている一方、直線状のインフィード動作を可能にしている。
【００４３】
歯車転造仕上げのサイクルが終了した後、移動機構６８と同様である歯車移動システム９６は、処理された被加工物４２を受け取り、マルテンサイトへの最終変態のために割出し焼入れステーション９８（図１）にその被加工物を移動させる。処理された歯車は、次の作業のために割出し焼入れステーションから最終的に取り出される。表面オーステナイト化、準安定オーステナイト状態への急速焼入れ、転造仕上げおよびマルテンサイトへの最終焼入れを含む熱機械的処理サイクルの間中、筐体９９は例えば窒素またはアルゴンの不活性状態を含み且つ維持し、歯車の歯面を酸化から保護することとなる。不活性ガスを再循環させることによって酸素レベルを継続的にモニターし、必要に応じて調整される。
【００４４】
図４は、熱機械的ネットシェイプ仕上げシステム４０に対する制御構造の略図であり、システムを構成する種々のハードウエア間のインターフェイスおよび相互接続を示している。図４に示されているように、制御器１００は全体的な処理システムマネジャーとして機能し、ソフトウエア駆動で且つ調整され制御された態様で、システムの構成要素のあらゆる動作を制御している。この制御器は、マイクロプロセッサをベースにしているシステム１００と、リアルタイムシステムと、電気インターフェイスおよび信号処理ハードウエアを含む通信ハードウエア１０２と、を含む。デジタルインターフェイス１０４、アナログインターフェイス、信号処理１０６、インテリジェントサーボドライブに対するシリアルインターフェイスおよびプロセス制御器と熱機械的ネットシェイプ仕上げシステム４０との間のデジタル/アナログ/シリアル入力/出力の通信を経由するセンサーによって、制御動作はなされる。プロセス制御器の主要機能は、（ａ）歯車転造仕上げ装置１１０の制御、（ｂ）誘導加熱システム１１２の制御、（ｃ）補助装置１１４の制御であり、この補助装置は処理媒体の加熱と再循環の設備、焼入れ媒体の加熱と再循環の設備および不活性ガス環境制御システムのような幾つかの設備を含み、（ｄ）前述のような、関連する各処理段階に対する被加工物の適時移動のための材料移動機構１１６の制御、である。
【００４５】
プロセスシーケンスのプログラム化した実行に関しては、プロセス制御器は種々の材料移動機構１１６を作動し、この材料移動機構は、シュート４８、歯車ローダー５０、スイベルロボット５４、移動機構６８、９６および割出し焼入れステーション９８のようなモジュールを含む。これらモジュールの各々は、被加工物４２の把持、垂直（上下）移動、回転、把持アームの伸長および収縮、のうち１または２以上の機能を実行する。
【００４６】
いかなる動作に関してシステム４０の構成要素にコマンドを送信する前に、プロセス制御器１００は、所望の前動作が実際に生じているかどうかをデジタルセンサーによって確認し、所望の次動作を行うのに安全であることを保証する。歯車転造仕上げ装置１１０の制御は、被加工物のスルーフィードと２つの転造歯車ダイスのインフィードとに対するサーボ制御のアクチュエータと、原動力から転造ダイスへの駆動部と、スルーフィードスピンドル７０上の被加工物保持チャックの動作と、の調整動作を必要とする。輪郭歯車（contour gear）の歯面のオーステナイト化プロセスに対する誘導加熱システム１１２の制御は、スピン/スキャンのステーション５２のサーボ制御の駆動部の動作、プログラム化したシーケンスにおいて供給される誘導コイル６０、６２でのＭＦ/ＲＦ出力の活性化/非活性化を必要とする。その出力供給は、固有の専用出力レベル、正確なモニタリングおよび誘導加熱プロセスの制御のためのオンタイム制御器を有する。最終的に、上述のソフトウエア駆動のプロセス制御構造によって、制御器１００は適正動作のために補助装置１１４と通信する。
【００４７】
被加工物４２が進むにつれて、この被加工物はスイベルロボット５４の移動アーム１５６と同高度であると仮定する（図１）。図に示されているように、実線すなわちピックアップ位置から、送り出し位置すなわち点線位置へと、移動アーム１５６は少なくとも１８０°の弧を通って旋回することができ、概して加熱ステーション５２で誘導コイル６０、６２と位置合わせされる。移動アーム１５６は、歯車ローダー５０から加熱ステーション５２へと動くとき、この移動アームは筐体９９の壁における開口１６０を通過する。この開口１６０は、移動アーム１５６が通過し得るように適切な構造になっている一方、筐体によって与えられる不活性環境を保持する。
【００４８】
図１に示されるように、移動アーム１５６が点線位置に移動されるとき、上部アクチュエータ機構５８は、実線で示される最初の完全退避位置へとサポートスピンドル５６を引くように機能する。図５に見られるように、サポートスピンドル５６の終端１６２は、例えば空気圧で作動され得る伸縮性チャック１６４を有する。この構成をもって、チャック１６４は、被加工物４２が内部円柱状面１５２内に入ることを待避させることができ、そのすぐ後に、係合部で伸縮する。従って、移動アーム１５６が図１に示された点線位置に移動すると、伸縮性チャック１６４が被加工物４２の内部円柱状面１５２と概して同一の広がりをもつように位置づけられるまで、上部アクチュエータ機構５８はサポートスピンドル５６を前進させるように作動されることができる。その後、チャック１６４は内部円柱状面１５２と係合するように伸縮し、移動アーム１５６のフィンガー部材（finger member）１５８は、被加工物の外周面との係合を外させる。サポートスピンドル５６は、被加工物４２を上昇させる。被加工物と移動アーム１５６との係合がなくなると、移動アームはその実線位置に戻り（図１）、歯車ローダー５０で次の被加工物を受け取るように位置付けられる。
【００４９】
システム４０の特有の構成および動作についてのさらなる理解に関しては、前述のＡｍａｔｅａｕなどの米国特許第５,４５１,２７５を参照することができる。
【００５０】
本発明の方法および装置は、低炭素から中炭素および低炭素から中炭素の合金焼結した粉末金属鋼に関し、これらは表面および表面近傍の炭素含有量を増大させるために浸炭による熱処理後に硬化される。本発明は、浸炭作業は必要としないが硬化作業のみを必要とする、中炭素から高炭素および低炭素から中炭素の合金焼結した粉末金属鋼にも適用できる。すなわち、本発明の方法および装置は、1)１つまたは複数の加圧成形作業、2）１つおよび複数の焼結作業、3）統合された焼結および硬化、4）統合された焼結、浸炭および硬化、5）上述の加工技術によって加工された鍛造された粉末金属製大歯車ブランク、6）米国特許第５,７１１,１８７号公報に説明されているような表面緻密化された歯車ブランク、7）十分に緻密化された歯車ブランク（例えば、鍛造された粉末金属製大歯車ブランク）、のような
加圧成形、焼結、緻密化および/または硬化に関するいろいろな粉末金属加工技術によって製造される粉末金属製大歯車に適用し得るものである。
【００５１】
本発明の特有の方法を説明する前に、従来の粉末冶金プロセスの説明を図６に特に注意を払って順に行うこととし、この図６は一連の典型的な作業を示している。構成部品の製造用に使用される、高純度であり特別に混合され且つ合金された粉末は、ダイスに入れられ、所望の形状に圧縮され（例えば、ニアネットシェイプ成形された歯車ブランク）、そのダイスから取り出される。その後、その構成部品は、制御雰囲気下の加熱炉においてベース材料の融点以下の温度で焼結され（加熱され）、粉末粒子間に金属結合が形成されることとなる。固体状態で金属粉末を混合することによって、粉末冶金特有の材料特性を工学する可能性が与えられる。図６において、任意的な、次の焼結プロセスも示されている。
【００５２】
本発明の重要な要素である、粉末冶金オースフォーム仕上げにおける歯サイズの低減は、孔隙を少なくする圧潰による最初の表面圧縮を含み、転造し滑らせる動作によって材料が歯を上下に流動することによりなされる。従って、ダイスの歯形またはその形状は、詳細において相違していなければならない。図７に見られるように、錬鋼歯車のオースフォーミングに使用されるダイスの歯２０２の歯先の丸み２００は、ほぼ歯車の歯元/すみ肉部分において製造される最終的なフィレット半径程度であり、ダイスの先端の角によって生成されるトロコイドパスによって生じるように、図７（ａ）に示されている典型的寸法は０．０４５〜０．０５０インチの範囲にある歯先の丸み２００Ａを示している。その一方、粉末金属鋼歯車オースフォーミングに関しては、実質的な圧縮は歯元/すみ肉部分でも必要とされ、図７（ｂ）に示されるように、ダイスの歯の０．０１４〜０．０１８インチの範囲にある歯先の丸み２００Ｂは、よりはっきりとした形状をもたらす。
【００５３】
同様の態様において、図８に見られるように、実質的な転造荷重は、表面圧縮によって粉末金属、ダイスの歯形２０４および２０６各々で吸収され、錬鋼歯車および粉末冶金鋼製歯車に関しては、ダイスの歯形は真のインボリュート外形２０８からの偏差として表され、顕著な相違を示す結果となっている。
【００５４】
上述のように、本発明の方法は、上記に言及されているＡｍａｔｅａｕなどによる米国特許第５,４５１,２７５号公報に開示されているタイプの装置と統合されてもよいし、または当該装置によって部分的に行なわれてもよい。
【００５５】
図９を見てみると、図９は制御された変形による精密な歯車仕上げを行う周知の装置２２０であるが、本発明での使用にも適している。この装置２２０は固定軸スピンドル２２２を使用しており、この固定軸スピンドルは軸２２６周囲を被加工物２２４が回転するように取り外し可能に被加工物を支持し且つスルーフィードアクチュエータ２２７と連結している。このスルーフィードアクチュエータは、点線位置と実線位置との間の矢印２２８によって示されるスルーフィード方向に被加工物を動かすことができる。さらに、一対の転造ダイス２３０、２３２は、転造ダイスハウジング２３４、２３６それぞれの上に支持されており、概して平行間隔軸２６８、２４０について回転するようになる。被加工物２２４が実線位置にあるときには、この被加工物は位置調整される、すなわち転造ダイスと同一の広がりをもつ。
【００５６】
図１０を見てみると、各転造ダイスは複数の歯２４２と外周輪郭面２４４とを有しており、この表面は、軸２３８、２４０に対して直角である、平行間隔を有する外側面２４６、２４８の間に一様に伸長している。各々の歯２４２は、対向する名目上のインボリュート面２５０、２５２と歯の先端面２５４とを有する歯側面を有する。面２５０、２５２は、名目上または本質的にインボリュート面であるが、この面２５０、２５２は、その端部でわずかに修正されても良く、性能を改善することとなる。引き続き図１０を見ると、インボリュート面２５０、２５２は、半径２５８である周囲線２５６と半径２６２である周囲線２６０との間の外周輪郭面２４４に沿って伸長している。周囲線２５６は、歯２４２上の一番奥の位置にあるポイントを定め、まだ説明されていない仕上げ作業の間に、このポイントは被加工物２２４の歯と係合する。周囲線２６０は歯２４２上の一番外側の位置にあるポイントを定め、このポイントは仕上げ作業中に被加工物２２４の歯と係合する。
【００５７】
本明細書開示の目的に対しては、被加工物２２４は、最初はニアネットシェイプ成形された歯車ブランクとして言及されており、本発明のあらゆるプロセスが終了したときにネットシェイプ成形された歯車として言及される。ニアネットシェイプ成形された歯車ブランクとして、これはホブ切りされてもよいし、または従来の方法を使用して形成されてもよい。そのように、本発明の目的のために、被加工物２２４は最終的なまたは所望のサイズと比較して大体０．００２〜０．００４インチ大きい歯厚サイズである歯で形成され、ネットシェイプ成形された歯車は、研削の必要性無くして高性能歯車に必要とされるＡＧＭＡの寸法公差を満たすことができる。本発明により行なわれる変形作業中に金属を置換することによって、過剰な歯厚が除去される一方、適切な外形が保証される。研削工程が削除されるだけで、任意の接触応力レベルで表面耐久力において７０％ほどの増大がみられる。
【００５８】
転造ダイス２３０、２３２に対するハウジング２３４、２３６および転造ダイスの軸を面内、面外および軸方向（全ては後で説明される）に調整する調整機構２６０は、処理媒体または焼入れ媒体（図示せず）に全て含まれ、転造ハードウエアを熱的に安定な成形温度に維持することとなる。転造ダイス２３０、２３２は、一定速度ジョイント２６２を通して動力駆動され、このジョイントは被加工物２２４の方へ且つ被加工物２２４から離れる、転造ダイス２３０、２３２のインフィード動作を可能にする。転造ダイスの少なくとも１つに対する駆動は相調整を可能にし、１つの転造歯車のダイスの回転相が他の転造歯車のダイスに対して精密に位置調整できるようになる結果、被加工物との正確な係合が保証されることとなる。インフィードの力および動作は、２つのインフィードアクチュエータ２６４にって与えられる。
【００５９】
インフィード組立品フレーム２６６は、アクチュエータ２６４によって作動される最初の構成部品である。支持ブロック２６８は、インフィード組立品フレーム２６６上に実装された後、らせん状の調整板２７０がその支持ブロック２６８上に実装される。その後、平行調整板２７２がその調整板２７０上に実装される。最終的に、二股の転造歯車のダイスハウジング２３４、２３６は、調整板２７２上に実装される。構成部品の一連の各ペア間の実装構造は相違しており、被加工物２２４対して転造ダイス２３０、２３２の異なるタイプの動作を与えることとなる。すなわち、らせん状の調整板２７０は、弓状の矢印２７４によって示された態様において、組立品フレーム２６６（および支持ブロック２６８）に対して可動である。この動作性は、駆動シャフト２７６の軸によって名目上定められる共通平面とスルーフィードスピンドル２２２との範囲外に、転造歯車ダイス２４４を調整するのに効果的である。
【００６０】
同じ態様において、平行調整板２７２が、弓状の矢印２７８で示される相対運動のために、らせん状の調整板２７０上に実装されている。その結果、転造ダイス２３０、２３２の調整は、駆動シャフト２７６とスルーフィードスピンドル２２４との縦軸を含む共通平面内で行なわれる。
【００６１】
最後に、転造ダイスハウジング２３４、２３６は、矢印２８０で示される方向において、平行調整板２７２に対して可動である。この理由は、転造ダイス２３０、２３２は、被加工物２２４に対して、それ自身の回転軸に沿って可動であるからである。
【００６２】
図１１を見ると、インボリュート歯車の歯形は、ラック歯形から作られる。それらは、典型的な歯車２８４の歯２８２の２つの明確な部分、すなわちアクティブ接触する歯側面２８６を含み、この歯側面はインボリュート歯形と、トロコイド歯形を有する歯元/すみ肉部分２８８と、を有している。図１１は、これら２つの部分と、この部分の間の接触点と、を示している。歯車設計は、歯形仕上げ直径と呼ばれる接触点２９０を特定し、アクティブ接触面はこの点から出発し、歯の外形または先端２９２近傍へと続く。歯形仕上げ直径以下に、つまり歯車２８４の中心方向に放射状に、歯元/すみ肉部分の輪郭が最小のフィレット半径とルート直径とに関して規定される。カーブ２９４は、ラック歯形を有するホブ切りツールの先端によってもたらされ、このホブ切りツールは歯を機械加工するために使用される。また、このカーブ２９４は歯元/すみ肉部分２８８を定める。この部分に対するさらなる仕様は、図１２に示されるようなトロコイドの輪郭上の寸法公差をも含む。歯車ホブ切りツール２９６を設計するために使用されるラック歯形の例が、図１３に示されている。ホブ切りは、機械加工で歯を製造する１つの方法である。
【００６３】
所望の転造ダイスの歯と先端外形とを形成する設計法は、必要な歯車幾何学の定義と上述の基礎的なラック歯形の定義とから生まれる。それ故に、らせん状設計またはスプール設計であり得る、歯の横側面は、アクティブ接触域と歯元/すみ肉部分との両方で最初に完全に定義され、これは図１４における典型的な歯車２８４に関して示されている。次の完全型転造仕上げのために製造される、ホブ切りされたままの歯車の歯形は、一様でない転造ストックを歯の輪郭にわたって、平坦に変えることを含む。
【００６４】
完全型転造仕上げの技術は、本発明のもう一つの重要な要素であり、図１５に図式的に示されている。図１５は、典型的な転造仕上げされた歯車の歯形２９８を示しており、被加工物歯車の全輪郭に沿った、転造ストックを有するホブ切りされたままの歯車の歯形３００の形跡と同様に示されている。従来の転造仕上げに関しては、転造ストックは線３０２で定められる位置の上方（つまり、歯車の中心から半径方向に離れている）のみに存在し、この線は際立った歯形仕上げ直径として言及される。ダイスの歯先端面２５４は開放され、トロコイドの部分において衝突しないようになる。しかし、本発明の意図は、歯側面２８６に加えて被加工物歯車のトロコイドまたは歯元/すみ肉部分２８８を可塑的に働かせることである。従って、転造ダイス２３０、２３２の改良デザインが、変更された歯先端面の歯形とともに開示されており、この歯形は歯元/すみ肉部分の機能を有効にする。図１５は、転造ダイスの歯先端２５４の形跡３０４をも点線を使用して示しており、歯の輪郭に沿って可塑的に変形される材料の量を明確に示している。実線３０６は、ホブ切り作業に起因する歯元/すみ肉の歯形を示している。転造ダイスの歯２４２の歯側面またはインボリュート面２５０、２５２は、被加工物歯車２２４の表面と接触するアクティブな歯側面を可塑的に変形して仕上げる。その一方、転造ダイスの歯の歯先端面２５４は、歯形仕上げ直径３０２以下の部分、つまりトロコイドの歯元/すみ肉部分２８８に機能する。
【００６５】
歯の全歯形にわたって移動されるストックと一致する材料の流動をもたらすために、一定の角速度が転造仕上げダイスと接触経路に沿った被加工物歯車２２４との間で維持されることが必要である。さらに、一定の角速度を維持するために、転造ダイス上に歯形を製造することが必要であり、この歯形は、図１５に示されているように、係合の全段階において、仕上げられる歯車の歯形に接合している。一対の接合歯車の歯形は本質的にカムであり、所望の相対運動を生じるように他方に対して歯の動作を駆動する。歯形の一方は無作為に選択され、対になる他方についての対応する正しいプロファイルは、均一な相対運動を生じるように開発されることができる。従って、２つの接合歯車の歯形の特性は独立しており、または結合であり、均一な回転運動の伝達を保証するようになる。図１６は、転造ダイス２３０、２３２および被加工物歯車２８４の１つの歯の結合かみ合いを示しており、且つ最終的な所望の歯形を製造するように、段階的な転造仕上げ動作を示している。現在、産業で使用されている設計方法は転造ダイスを利用しており、この転造ダイスは歯形仕上げ直径までにのみ結合する。その結果、アクティブ接触面にのみ仕上げができる。本発明は、アクティブ接触域に加えてダイスの歯形が歯の歯元/すみ肉部分において結合性を維持する、という点で珍しいものである。前述の図１０は、転造ダイス２３０、２３２の外形を示しており、トロコイドの歯元/すみ肉部分を変形するために使用される歯先端面と被加工物歯車２８４の歯２８２のアクティブ接触面を仕上げるための残りの外形を含んでいる。ダイスの結合歯形は、かみ合い状態および前述された歯の全横方向の外形に基づいて決定される。
【００６６】
転造ダイスの製造する製造法は、精密な形状研削技術によってなされる。上述の転造ダイスの歯形は研削砥石３０８中でドレスされ、これは外周面３１１を有するディスク型ダイヤモンドロール３１０を用いて行なわれる。この外周面は研削砥石と係合し、図１７に示されるように、矢印３１２で示される経路をたどる。その後、ドレスされた研削砥石３０８は、ダイスの歯形を研磨するためまたは形成するために使用される。この方法は、従来の転造ダイスを製造する技術と本質的には同様であり、アクティブな歯面のみを仕上げる。しかし本発明に関しては、ダイヤモンドロールはダイスの歯先端面２８４の外形を精密にドレスしなければならない。前述の設計手順から決定された、必要な転造ダイスの歯形の座標は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）歯車型研磨機への入力である。このデータは、ドレシング作業のために使用される。本明細書での重要な必要条件は、研削砥石において外形を製造するために必要とされる、ダイヤモンドロールのシャープな半径である。概して、ダイヤモンドロールをドレスすることによって、約０．０２５〜０．０５０の先端半径を呈し、これは従来の転造ダイスに対しては十分である。しかし、完全型転造に関しては、約０．００５〜０．０１２の範囲にあるかなり小さい半径が、図１５に説明されているような生成されたダイスの歯形の精密制御を保証するために必要とされる。
【００６７】
研削砥石をドレスすることは、その研削砥石を特有の外形に成形するために使用されるプロセスであり、必要な転造ダイスの歯側面および先端外形を生成するようになる。研削砥石は、研削形成作業において、２つの隣接歯間に適正空間を形成し、研削生成作業に対してはラックに相当する。ドレッシングに関しては、研削砥石はその研削砥石保持器上に実装され、バランスがとられた後、機械スピンドル上に実装される。ダイヤモンドツールを使用すると、ドレッシングはダイヤモンドツールの放射状動作および軸動作の組み合わせによって実行され、さらに研削砥石はほぼ研削速度でまたは研削速度で回転する。コンピュータ数値制御は、ドレッシングツールの調整された放射状動作および軸動作に対して使用され、研削砥石を精密にドレスしまたは成形するようになり、次に、研削砥石は転造ダイスの歯上に所望の形状をもたらすようになる。研削砥石のドレッシングは、切れが鈍くなった研磨剤粒子を除去しおよび研磨剤粒子の次の鋭い層を露出するためにも使用される。この重要な処置はドレッシングツールを制御し、計算された転造ダイスの歯形と先端部幾何学が実現されるようになることである。
【００６８】
図１８は、ホブ切りされたままの状態と転造仕上げされた状態とにおける、被加工物歯車の歯形を比較したものである。材料ストックの量をなだらかに変化させることによって、歯車全形から転造仕上げされる、ということをこの図は明らかに示しており、これは上記に説明され且つ開示されているように完全型転造仕上げによってなされる。
【００６９】
接触するマシンエレメントの歯の臨界領域、すなわち粉末金属製歯車を完全型転造仕上げの一続きの作業で行なう方法が開示されており、この粉末金属製歯車は、歯側面のアクティブ接触面とトロコイドの歯元/すみ肉部分とを有している。この方法は、結合平行軸転造仕上げダイスを利用し、このダイスは指定の仕上がった歯車の歯形をトレースするように特に設計されたダイスの歯先端外形を有している。仕上げられた完全型転造であるところのマシンエレメントは、歯の全形にわたった、所定のなだらかに変化する転造仕上げストックをもって製造される。工作機械器具設備の開発および加工方法が、結合かみ合い動作による歯の全形にわたった、なだらかに変化する転造ストックを可塑的に変形することに関して開示されている。
【００７０】
本発明は、図で示された実施例に関して開示されているが、本発明は多くの他形態の実施例において具体化されることができる、ということが理解されるべきである。さらに、適当な任意のサイズ、形状または、エレメントまたは材料のタイプが使用されることができる。従って、本発明の好ましい実施例が詳細に開示されているが、明細書において説明され且つ添付の特許請求項において定義される本発明の範囲から逸脱することなく、他のさまざまな変更が説明されている実施例に対してなされてもよい、ということが当業者に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】制御された変形による精密な歯車仕上げを行なうために、本発明とともに使用され得る周知の装置を示す側面図である。
【図２】歯車製造に使用される典型的且つ好ましい合金である３Ｎｉ−１Ｃｒについての、時間−温度−変態（Ｔ−Ｔ−Ｔ）の図である。
【図３】図１に示されたシステムの一部を示す正面図である。
【図４】制御された変態によって精密な歯車仕上げを行なう制御アーキテクチャの略図である。
【図５】図１に示した部品の部分断面の詳細側面図である。
【図６】従来の粉末冶金処理を示すフローチャートである。
【図７】錬鋼製歯車を形成するダイスと、粉末金属製鋼歯車を形成するダイスと、の間の差異を示した、歯のダイス側面の詳細正面図である。
【図７ａ】錬鋼製歯車を形成するダイスと、粉末金属製鋼歯車を形成するダイスと、の間の差異を示した、歯のダイス側面の詳細正面図である。
【図７ｂ】錬鋼製歯車を形成するダイスと、粉末金属製鋼歯車を形成するダイスと、の間の差異を示した、歯のダイス側面の詳細正面図である。
【図８】錬鋼製歯車および粉末金属製鋼歯車それぞれに対して、ダイスの歯形の偏差を示す概略図である。
【図９】制御された変形によって、粉末金属製被加工物から高性能歯車をネットシェイプするために使用され得る、周知の装置を示す正面図である。
【図１０】本発明のために使用され且つ所要の完成歯車の歯形に結合するように設計された、転造ダイスの一部の正面図である。
【図１１】本発明の方法により仕上げられた歯車の一部の正面図であり、インボリュートおよびトロコイドの両部分を示す図である。
【図１２】本発明により形成された歯車の歯元/すみ肉部分の、トロコイド曲線上の寸法公差を示す正面図である。
【図１３】ホブ切りされる歯車被加工物を製造するために使用される、ラック歯形の側面を示す正面図である。
【図１４】図３と同様に、本発明の方法により形成された歯車の一部の正面図であり、インボリュートおよびトロコイドの両部分を示す図である。
【図１５】被加工物である歯車の全輪郭にわたって、転造ストックを有するホブ切りされた歯車の歯形の形跡と組み合わされた、転造仕上げされた歯車の典型的な歯形の座標系における概略図である。
【図１６】本発明の方法による、転造ダイスの結合かみ合い（conjugate meshing）と被加工物である歯車とを示す詳細断面図であり、最終的な所望の歯形を製造するために、幾つかの段階的に転造仕上げ動作を示す図である。
【図１７】本発明による、設計された結合転造ダイスの歯形を製造する研削砥石のドレシングを示す詳細な側面図である。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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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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【国際調査報告】
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