(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に外歯形成部を有するダイスと、外周面に内歯形成部を有するマンドレルと、前記外歯形成部と前記内歯形成部との間に形成される環状の成形空間にセットされた円筒状の素材の下端面を下方から支持する支持部材と、前記素材の上端面を下方に加圧して前記素材を軸方向に圧縮し前記素材の外周部を前記ダイスの前記外歯形成部に押し付けるとともに前記素材の内周部を前記マンドレルの前記内歯形成部に押し付ける上パンチと、を備えた歯車の成形装置において、
前記上パンチは、前記素材の上端面における環状の加圧面のうちの外周側の外側加圧面と内周側の内側加圧面とを面積比が６：４ないし４：６になるように加圧する分割された外パンチと内パンチとを有し、
前記外パンチと前記内パンチとを下降させて前記外側加圧面と前記内側加圧面とを加圧しつつ、前記内パンチを所定圧に背圧制御して、前記外パンチに対する前記内パンチの相対的な上昇を許容してなり、
前記支持部材は、外周面に前記ダイスの前記外歯形成部に係合し得る外歯を有し、
前記ダイスは、前記外パンチに当接して、該外パンチの下降に伴って前記外歯形成部を前記外歯に係合しつつ前記支持部材に対して移動するように構成された、
歯車の成形装置。
【請求項２】
前記ダイスの前記外歯形成部が、前記素材の外周部にヘリカルギヤを形成する歯部であり、前記マンドレルの前記内歯形成部が、前記素材の内周部に内スプラインを形成する歯部である、
請求項１に記載の歯車の成形装置。
【請求項３】
前記マンドレルの前記内歯形成部の歯部と、前記内パンチの内周側及び前記支持部材の内周側との間に逃がし部を設ける、
請求項１又は２に記載の歯車の成形装置。
【請求項４】
前記ダイスをその軸を中心に回転可能に支持する支持ベースを備え、前記ダイスと前記支持ベースとの間に、前記ダイスに接触する接触面に油溝を有するプレートを介装してなる、
請求項１ないし３のいずれかに記載の歯車の成形装置。
【請求項５】
円筒状の素材に外歯と内歯とを形成する歯車の成形方法において、
前記素材の外周部をダイス内周面の外歯形成部に対面させ、かつ前記素材の内周部をマンドレル外周面の内歯形成部に対面させた姿勢で前記素材を支持部材上に載置する素材セット工程と、
前記素材セット工程でセットされた素材の上端面を上パンチで下方に加圧して前記素材を軸方向に圧縮し前記素材の外周部を前記ダイスの前記外歯形成部に押し付けるとともに前記素材の内周部を前記マンドレルの前記内歯形成部に押し付ける据え込み工程と、を備え、
前記据え込み工程は、前記素材の上端面における環状の加圧面のうちの外周側の外側加圧面と内周側の内側加圧面とを面積比が６：４ないし４：６になるように分割された外パンチと内パンチとによって加圧しつつ、前記内パンチを所定圧に背圧制御して、前記外パンチに対する前記内パンチの相対的な上昇を許容する工程であり、かつ前記ダイスが、前記外歯形成部を前記支持部材の外周に形成した外歯に係合しつつ、前記外パンチに当接して該外パンチの下降に伴って前記支持部材に対して移動して、前記外歯形成部と前記内歯形成部との双方に充分に素材を充填させる工程である、
歯車の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外歯と内歯とを有する歯車を冷間鍛造によって形成するための、歯車の成形装置、及び歯車の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外歯と内歯とを有する円筒状の歯車として、例えば、サンギヤが知られている。このサンギヤは、自動車等の自動変速機に組み込まれるプラネタリギヤユニットの構成要素の一つとして使用されるものであり、外周面には外歯として例えばヘリカルギヤが形成され、また、内周面には内歯として例えば内スプラインが形成されている。そして、内歯を、入力軸（又は出力軸）の外周面に形成された外スプラインに噛合させる一方、外歯にはキャリヤによって支持された複数のピニオンが噛合させている。
【０００３】
サンギヤは、上述のように、入力軸（又は出力軸）とピニオンとに噛み合って、両者間に動力の伝達を行うものであり、外歯及び内歯の加工精度が低い場合には、歯車の噛み合い音が大きくなって騒音が発生したり、動力の伝達ロスが大きくなったりするといった不具合が発生するため、高い加工精度が要求される。
【０００４】
このようなサンギヤの外歯と内歯は、一般に、切削加工や塑性加工（例えば、冷間鍛造）によって形成される。
【０００５】
切削加工においては、例えば、外歯のヘリカルギヤはホブ盤によって、また、内歯の内スプラインはブローチ盤によって加工される。
【０００６】
塑性加工においては、据え込み加工が行われる。円筒状の素材を、その外周部がダイスの外歯形成部を対面するように、また、内周部がマンドレルの内歯形成部に対面するようにして支持部材上に載置し、この状態で、素材の上端面を上パンチで加圧して素材を軸方向に圧縮し、素材の外周部を外歯形成部に押し付けて外歯を形成し、素材の内周部を内歯形成部に押し付けて内歯を形成するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の切削加工においては、高い加工精度を得ることができるものの、加工工数が多くなるという問題がある。ホブ盤やブローチ盤による切削加工は、それ自体が多くの工数を費やす加工であり、さらに、両加工を並行して行うことができないため、加工工数の低減が難しい。
【０００８】
他方、塑性加工においては、特に内歯の加工精度が低いという問題がある。据え込み時に素材の上端面のほぼ全面を上パンチで加圧して素材を軸方向に圧縮した際、円筒状の素材は、外周部側に流れやすく、内周部側には流れにくいため、内歯を形成するためのマンドレルの内歯形成部に素材が十分に充填されず、内歯の加工精度が低下しがちであるという問題である。
【０００９】
塑性加工におけるこのような問題を防止するための方法として、第１に、素材を密閉状態で据え込むことが考えられる。しかし、この場合、成形荷重が過大となって、特に軸方向の端面近傍の歯部においては、欠肉が発生しやすく、製品としての機能を十分に満足し得ない。また、無理に荷重をかけると、金型（ダイスやパンチ）破損の原因になる。
【００１０】
第２に、外歯と内歯とを別の工程で成形することが考えられる。しかし、この場合には、工程間の素材の搬送が煩雑となり、また、外歯と内歯との同軸度の確保が難しくなる。そして、加工工数も多くなる。
【００１１】
なお、外歯を精度よく成形する方法として、「捨て軸の原理」を応用した事例が、「鍛造分科会・第６４回研究集会  精密技術を支える技術」という文献中に「分流法による自動車用ヘリカルギヤの試作」というタイトルで紹介されている。しかし、この「捨て軸の原理」を応用した方法は、外歯を成形するには有効であるが、内歯の成形については課題が残る。これは、主に、据え込み時に素材が外周部側に逃げる傾向にあることに起因する。
【００１２】
そこで、本発明は、素材の上端面を所定の面積比で外パンチと内パンチとによって分割して加圧することにより、加工工数が多い、加工精度が低い等の上述の課題を解消した歯車の成形装置、及び歯車の成形方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明は、例えば、図４に示すように、内周面（１０ａ）に外歯形成部（１１）を有するダイス（１０）と、外周面に内歯形成部（２１）を有するマンドレル（２０）と、前記外歯形成部（１１）と前記内歯形成部（２１）との間に形成される環状の成形空間（Ｓ）にセットされた円筒状の素材（Ｗ）の下端面（Ｗ３）を下方から支持する支持部材（３０）と、前記素材（Ｗ）の上端面（Ｗ４）を下方に加圧して前記素材（Ｗ）を軸（Ｃ２）方向に圧縮し前記素材（Ｗ）の外周部（Ｗ１）を前記ダイス（１０）の前記外歯形成部（１１）に押し付けるとともに前記素材（Ｗ）の内周部（Ｗ２）を前記マンドレル（２０）の前記内歯形成部（２１）に押し付ける上パンチ（４０）と、を備えた歯車の成形装置（Ｍ）において、
前記上パンチ（４０）は、前記素材（Ｗ）の上端面（Ｗ４）における環状の加圧面のうちの外周側の外側加圧面（Ｓ１）と内周側の内側加圧面（Ｓ２）とを面積比が６：４ないし４：６になるように加圧する分割された外パンチ（５０）と内パンチ（６０）とを有し、
前記外パンチ（５０）と前記内パンチ（６０）とを下降させて前記外側加圧面（Ｓ１）と前記内側加圧面（Ｓ２）とを加圧しつつ、前記内パンチ（６０）を所定圧に背圧制御して、前記外パンチ（５０）に対する前記内パンチ（６０）の相対的な上昇を許容してなり、
前記支持部材（３０）は、外周面に前記ダイス（１０）の前記外歯形成部（１１）に係合し得る外歯（３１）を有し、
前記ダイス（１０）は、前記外パンチ（５０）に当接して、該外パンチの下降に伴って前記外歯形成部（１１）を前記外歯（３１）に係合しつつ前記支持部材（３０）に対して移動するように構成された、
歯車の成形装置（Ｍ）にある。
【００１４】
請求項２に係る本発明は、前記ダイス（１０）の前記外歯形成部（１１）が、前記素材（Ｗ）の外周部（Ｗ1 ）にヘリカルギヤを形成する歯部（１１ａ）であり、前記マンドレル（２０）の前記内歯形成部（２１）が、前記素材（Ｗ）の内周部（Ｗ2 ）に内スプラインを形成する歯部（２１ａ）である、
請求項１に記載の歯車の成形装置（Ｍ）にある。
【００１５】
請求項３に係る本発明は、前記マンドレル（２０）の前記内歯形成部（２１）の歯部（２１ａ）と、前記内パンチ（６０）の内周側及び前記支持部材（３０）の内周側との間に逃がし部（Ａ1  、Ａ2 ）を設ける、
請求項１又は２に記載の歯車の成形装置（Ｍ）にある。
【００１６】
請求項４に係る本発明は、前記ダイス（１０）をその軸を中心に回転可能に支持する支持ベース（７１）を備え、前記ダイス（１０）と前記支持ベース（７１）との間に、例えば、図３に示すように、前記ダイス（１０）に接触する接触面（７２ａ）に油溝（７２ｂ）を有するプレート（７２）を介装してなる、
請求項１ないし３のいずれかに記載の歯車の成形装置（Ｍ）にある。
【００１７】
請求項５に係る本発明は、円筒状の素材（Ｗ）に外歯と内歯とを形成する歯車の成形方法において、
前記素材（Ｗ）の外周部（Ｗ１）をダイス内周面（１０ａ）の外歯形成部（１１）に対面させ、かつ前記素材（Ｗ）の内周部（Ｗ２）をマンドレル外周面の内歯形成部（２１）に対面させた姿勢で前記素材（Ｗ）を支持部材（３０）上に載置する素材セット工程と、
前記素材セット工程でセットされた素材（Ｗ）の上端面（Ｗ４）を上パンチ（４０）で下方に加圧して前記素材（Ｗ）を軸（Ｃ２）方向に圧縮し前記素材（Ｗ）の外周部（Ｗ１）を前記ダイス（１０）の前記外歯形成部（１１）に押し付けるとともに前記素材（Ｗ）の内周部（Ｗ２）を前記マンドレル（２０）の前記内歯形成部（２１）に押し付ける据え込み工程と、を備え、
前記据え込み工程は、前記素材（Ｗ）の上端面（Ｗ４）における環状の加圧面のうちの外周側の外側加圧面（Ｓ１）と内周側の内側加圧面（Ｓ２）とを面積比が６：４ないし４：６になるように分割された外パンチ（５０）と内パンチ（６０）とによって加圧しつつ、前記内パンチ（６０）を所定圧に背圧制御して、前記外パンチ（５０）に対する前記内パンチ（６０）の相対的な上昇を許容する工程であり、かつ前記ダイス（１０）が、前記外歯形成部（１１）を前記支持部材（３０）の外周に形成した外歯（３１）に係合しつつ、前記外パンチ（５０）に当接して該外パンチの下降に伴って前記支持部材（３０）に対して移動して、前記外歯形成部（１１）と前記内歯形成部（２１）との双方に充分に素材（Ｗ）を充填させる工程である、歯車の成形方法にある。
【００１８】
［作用］
前述したように、分割されていない上パンチによって素材（Ｗ）の上端面（Ｗ4 ）のほぼ全体を加圧した場合には、素材（Ｗ）は外周部（Ｗ1 ）側に流れやすく、内周部（Ｗ2 ）側には流れにくい。
【００１９】
これに対し、請求項１の構成によると、素材（Ｗ）の上端面（Ｗ4 ）の加圧面を加圧する上パンチ（４０）が外パンチ（５０）と内パンチ（６０）とに分割されていて、外パンチ（６０）が外側加圧面（Ｓ1 ）を加圧するので、この加圧により、素材（Ｗ）は内周部（Ｗ2 ）側に逃げようとして、内周部（Ｗ2 ）側への流れが増加する。この外パンチ（５０）による加圧と並行して、所定圧に背圧制御された内パンチ（６０）が素材（Ｗ）の内側加圧面（Ｓ2 ）を加圧するので、外パンチ（５０）の加圧によって内周部（Ｗ2 ）側へ流れた素材（Ｗ）は、内パンチ（６０）によって適宜に加圧される。これにより、マンドレル（２０）の内歯形成部（２１）に素材が充填される。この際、内パンチ（６０）は、外パンチ（５０）に対して相対的な上昇が許容されるので、密閉状態で据え込みを行う場合と異なり、成形荷重が過大となることを防止することができる。すなわち、内パンチ（６０）は、素材（Ｗ）の内周部（Ｗ2 ）側への流れを円滑にすべくいわゆる「逃がし部」として作用するとともに、さらに、開放された一般的な逃がし部とは異なり、内周部（Ｗ2 ）側に流れてきた素材（Ｗ）に適宜な加圧力を付加して外パンチ（５０）とともに据え込みにも寄与することになる。
【００２０】
なお、上記の［課題を解決するための手段］及び〔作用〕におけるカッコ内の符号は、図面と対照するためのものであって、理解の容易化・迅速化を図る便宜的なものである。したがって、その性質上、これらの符号は、特許請求の範囲の構成に何等の影響を与えるものではない。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に係る本発明によると、外パンチによって内周部側に流れた素材に対し、背圧制御された内パンチによってその素材の流れを適宜に制御することができ、かつダイスは、外パンチに当接して、外パンチの下降に伴って支持部材の外歯に係合しつつ該支持部材に対して移動するので、ダイスの外歯形成部とマンドレルの内歯形成部との双方に、素材を必要かつ十分に充填させることができる。したがって、素材に対して外歯と内歯とを同時に、しかも精度よく形成することができる。すなわち、外歯と内歯との加工精度の低下を伴うことなく、加工工数を少なくすることが可能である。さらに、外側加圧面と内側加圧面との面積比を６：４ないし４：６に設定しているので、素材を内周部側に流れやすくする外パンチの作用と、内周側に流れてきた素材をマンドレルの内歯形成部に充填する内パンチの作用とを良好にバランスさせて、全体として小さい加圧力で、外歯と内歯とを同時に精度よく形成することができる。
【００２２】
請求項２に係る本発明によると、素材の外周部に形成すべき外歯がヘリカルギヤである場合に、そのヘリカルギヤを精度よく形成することができ、さらに、素材の内周部に形成すべき内歯が内スプラインある場合に、その内スプラインを精度よく形成することができる。
【００２３】
請求項３に係る本発明によると、マンドレルの内歯形成部の歯部と、内パンチの内周側及び支持部材の内周側との間に逃がし部を設けることにより、素材の内周部側への流れをさらに円滑にすることができるので、マンドレルの内歯形成部への素材の充填を一層確実に行うことができ、その分、内歯の精度を向上させることができる。
【００２４】
請求項４に係る本発明によると、素材の外周部に形成すべき外歯がヘリカルギヤである場合、主に、外パンチの加圧によってダイスの外歯形成部に素材が充填されるときに、素材からダイスに対して軸を中心とした回転力が作用するが、ダイスとこれを支持する支持ベースとの間に、ダイスとの接触面に油溝を有するプレートが介装されているので、回転力が作用したダイスの摺動抵抗が低減され、ダイスの回転が円滑なものとなる。
【００２５】
請求項５に係る本発明によると、据え込み工程を次のような工程、すなわち、、素材の上端面における加圧面のうちの外側加圧面を外パンチで加圧するとともに、所定圧で背圧制御された内パンチによって外パンチと独立に素材の内側加圧面を加圧する工程とすることにより、請求項１と同様、内パンチによって、内周部側への素材の流れを適宜に調整することができるので、素材に対して外歯と内歯とを同時に、しかも精度よく形成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
〈実施の形態１〉
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の係る歯車の成形装置の一例を示す。図１（ａ）は、歯車の成形装置（以下単に「成形装置」という。）Ｍの主要部の概略構成を示す縦断面図である。詳しくは、水平なベッドＢに対して垂直な軸Ｃ1 を通る縦断面図のうちの、軸Ｃ1 を基準とした右半部を主に示すものである。同図は、素材をセットする前の状態を示しており、また、図１（ｂ）は、素材をセットする前の図１（ａ）における成形空間Ｓ近傍の拡大図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）、（ｂ）の成形装置Ｍに円筒状の素材Ｗをセットした状態を示すものである。
【００２８】
図２に、成形装置Ｍが加工対象とする素材Ｗの縦断面図、成形装置Ｍによる加工後の半製品Ｈ、さらに半製品Ｈに切削加工等を施した最終的な製品Ｐを示す。いずれも軸Ｃ2 を通る縦断面図である。成形装置Ｍによる加工前の素材Ｗは、円筒状に形成されており、同図の姿勢は、成形装置Ｍにセットされた状態（図４参照）と同じである。この姿勢において、Ｗ1 を外周部、Ｗ2 を内周部、Ｗ3 を下端面、Ｗ4 を上端面とする。最終的な製品Ｐは、半製品Ｈの上端面及び下端面（斜線で図示）を切削加工等したものであり、外周部には外歯Ｐ1 として例えばヘリカルギヤが、また、内周部には内歯Ｐ2 として内スプラインが形成されている。なお、これら外歯Ｐ1 、内歯Ｐ2 は、成形装置Ｍによる加工後、切削加工等は行われない。つまり、外歯Ｐ1 、内歯Ｐ2 については、成形装置Ｍによる加工精度が、ほぼそのまま製品Ｐにおける精度となる。
【００２９】
図１（ａ）、（ｂ）に戻って、成形装置Ｍについて詳述する。なお、以下の説明においては、「素材Ｗ」という言葉を、「円筒状の物体」という意味と「それを構成している物質」という意味とに使用するものとする。
【００３０】
同図に示す成形装置Ｍは、主要構成部材として、ダイス１０と、マンドレル２０と、支持部材３０と、上パンチ４０とを備えており、さらに、上パンチ４０は、外パンチ５０と、内パンチ６０とに分割されている。
【００３１】
以上の、ダイス１０から内パンチ６０までは、本発明における最も基本的な構成（請求項１に対応）に必要な部材である。
【００３２】
以下、ダイス１０から順に説明する。
【００３３】
ダイス１０は、径方向（同図の左右方向）の寸法の異なる３つのブロックａ1 、ａ2 、ａ3 を内側から順に組合せて全体としてほぼ環状に構成されている。ダイス１０の内周面１０ａには、外歯形成部１１が形成されている。この外歯形成部１１は、本実施の形態においては、素材Ｗの外周部Ｗ1 にヘリカルギヤを形成するための歯部１１ａである。外歯形成部１１の上下方向の寸法は、素材Ｗの軸方向長さＬ（図２参照）よりも長く設定されている。外歯形成部１１の上端近傍には、水平面１２と、この水平面１２の外周側に連続し、上方に向かって拡径された傾斜面１３が設けられている。これら水平面１２、傾斜面１３の形状は、後述の外パンチ５０の下端面の形状に対応している。
【００３４】
上述構成のダイス１０は、回転可能に、かつ昇降可能に支持されている。ダイス１０は、円板状の支持ベース７１によって下方から支持されている。支持ベース７１は、内周側が外周側よりも薄く形成されていて、内周側の上面７１ａには、環状のプレート７２が固定されている。この環状のプレート７２には、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、上面７２ａに、複数の螺旋状の油溝７２ｂが設けられている。各油溝７２ｂは、その断面形状が、図３（ｃ）（図３（ａ）のＸーＸ線斜視拡大図）に示すように円弧状に形成されており、図３（ａ）に示すように、内周側と外周側とを連通するように形成されている。上述のダイス１０は、その下面１０ｂにおける内周側が、油溝７２ｂのあるプレート７２の上面７２ａが接触し、また、その下面１０ｂにおける外周側が、支持ベース７１の外周側の上面７１ｂに接触している。さらに、支持ベース７１は、受圧台７３に取り付けられた複数のガスシリンダ７４（ただし、図１（ａ）では１個のみを図示）によって昇降自在に支持されている。受圧台７３は、上下方向に配置した３個のブロックｂ1 、ｂ2 、ｂ3  と、ブロックｂ3 の内側に配置された環状のブロックｂ4 とによって全体として環状に構成されている。受圧台７３には、周方向に等分する位置のそれぞれに上下方向に向けて複数の取付け孔７３ａが穿設されており、上述のガスシリンダ７４は、各取付け孔７３ａに、上下方向に向けて配設されている。そして、ガスシリンダ７４の本体７４ａに対して伸縮自在なプランジャ７４ｂの先端に上述の支持ベース７１が固定されている。
【００３５】
ダイス１０は、このように、支持ベース７１及びプレート７２に対して回転可能であり、かつ、この支持ベース７１がガスシリンダ７４によって昇降可能に支持されているので、全体として、回転動作及び昇降動作が可能である。
【００３６】
ダイス１０の回転動作及び昇降動作は、ダイス１０の外側に配置されたガイド部材７５によってガイドされる。ガイド部材７５は、上述の受圧台７３の上面７３ｂに固定されており、内周面には、ダイス１０の回転動作及び昇降動作を、また、支持ベース７１の昇降動作をガイドするガイド面７５ａが形成されている。ガイド部材７５の上部には、ダイス１０の上昇限度を規制する取付け部材７６が固定されている。
【００３７】
マンドレル２０は、棒状に形成されていて、内歯形成部２１を有するとともに、昇降可能に支持されている。マンドレル２０は、その軸Ｃ3 を成形装置Ｍの軸Ｃ1 に一致させるようにして上下方向に向けて配設されており、上部から順に、小径部２０ａ、中径部２０ｂ、大径部２０ｃを有している。上述の内歯形成部２１は、素材Ｗの内周部Ｗ2 に内スプラインを形成すべく小径部２０ａの外周面に形成されている。内歯形成部２１の上下方向の長さは、素材Ｗの軸方向長さＬ（図２参照）よりも長く形成されている。図１（ｂ）に示すように、内歯形成部２１の歯部２１ａの歯先面２１ｂの直径は、中径部２０ｂの外形とほぼ同じに設定されている。内歯形成部２１は、前述のダイス１０の外歯形成部１１に対面しており、両者の間には環状の成形空間Ｓが形成されている。マンドレル２０は、ベッドシリンダ７７の上端に乗っている。ベッドシリンダ７７は、ロッドｄ1 とプレートｄ2 とシリンダｄ3  と、カバーｄ4 とを一体に構成したものである。
【００３８】
マンドレル２０及びベッドシリンダ７７は一体となって上昇動作するものであり、その昇降動作は、後述の支持部材３０の内周面３０ａ、前述の受圧台７３の内側に上下方向に設けられているガイド孔７３ｃ、７３ｄによってガイドされる。下降は、インナシリンダ８３の動作により押圧ピン８２によって上から押されることで行われる。
【００３９】
支持部材３０は、ほぼ円筒状に形成されており、素材Ｗを下方から支持して前述の成形空間Ｓに配置している。支持部材３０の内周面３０ａは、全体にわたって円柱状に形成され、また外周面のほぼ上半部には、ヘリカルギヤ３１が形成されている。支持部材３０は、その内周面３０ａの下部側を上述のマンドレル２０の中径部２０ｂの外周面に接触させるととともに、その上部を、ダイス１０の外歯形成部１１とマンドレル２０の内歯形成部２１との間の成形空間Ｓに侵入させている。侵入させた上部の内周面は、図１（ｂ）に示すように、マンドレル２０の内歯形成部２１の歯部２１ａの歯先面２１ｂに接触し、また、外周面のヘリカルギヤ３１は、ダイス１０の外歯形成部１１の歯部１１ａの下部に噛合されている。このため、図４（ｂ）に示すように、支持部材３０の上端部と、外歯形成部１１の歯部１１ａとの間には、素材Ｗの逃がし部は形成されないが、支持部材３０の上端部と、内歯形成部２１の歯部２１ａとの間、すなわち、素材Ｗの下端面Ｗ3 と内周部Ｗ2 との交線を下端縁Ｗ5 とすると、この下端縁Ｗ5 と、内歯形成部２１の歯部２１ａとの間には、逃がし部Ａ1 が構成される。同様に、素材Ｗの上端面Ｗ4 と内周部Ｗ2 との交線を上端縁Ｗ6 とすると、内歯形成部２１の歯部２１ａとの間には、逃がし部Ａ2 が構成される。なお、図４（ｂ）を見る限りは、素材Ｗの上端縁Ｗ6 とダイス１０の外歯形成部１１の歯部１１ａとの間にも逃がし部が構成されているように見えるが、実際には、この部分は、後述の外パンチ５０によって閉塞されるので、逃がし部は構成されないことになる。
【００４０】
図１（ａ）に戻る。上述の支持部材３０の環状の下面３０ｂには、これを周方向に等分する位置に複数のピン７８（ただし、図１（ａ）では１本のみを図示）が下方に垂下するように固定されている。各ピン７８は、上端部が前述の受圧台７３の上下方向の透孔７３ｅを貫通し、中間部が上述のベッドシリンダ７７のプレートｄ4 の上下方向の透孔７７ａを貫通し、下端面７８ａを突き上げ部材７９の突き上げ板ｅ1 の上面７９ａに当接させている。突き上げ部材７９は、上述の突き上げ板ｅ1 と突き上げ板ｅ1 の下面中央部に固定された突き上げ棒ｅ2 とによって構成されている。突き上げ棒ｅ2 は、上述のベッドシリンダ７７のプレートｄ2 の上下方向の透孔７７ｂを貫通している。
【００４１】
支持部材３０は、図１（ａ）に示す素材Ｗのセット前の状態において、その上部を成形空間Ｓに侵入させて素材Ｗを下方から支持するように構成されている。また、ピン７８は、その下面７８ａを突き上げ部材７９の上面７９ａに当接させている。支持部材３０とピン７８とは、一体となって上昇可能であり、その昇降動作は、マンドレル２０の中径部２０ｂ、受圧台７３の透孔７３ｅ、ベッドシリンダ７７の透孔７７ａ等によってガイドされる。また、突き上げ部材７９も昇降可能であり、その昇降動作は、ベッドシリンダ７７のシリンダｄ3 の内周面７７ｃ、プレートｄ2 の透孔７７ｂによってガイドされる。
【００４２】
上パンチ４０は、前述のように、外側に配置された外パンチ５０と、内側に配置された内パンチ６０とに分割されている。
【００４３】
外パンチ５０は、ほぼ円筒状に形成されている。外パンチ５０は、下面における内側に環状の水平な押圧面５１を有し、押圧面５１の外側に、上部ほど直径が大きくなる傾斜面５２を有している。これら加圧面５１、傾斜面５２は、それぞれ前述のダイス１０の水平面１２、傾斜面１３に対応している。外パンチ５０は、ブロックｆ1 、ｆ2 、ｆ3 により構成されたホルダ８０によって、ラムＲに固定されている。したがって、外パンチ５０は、ラムＲの昇降動作に伴って、一体的に昇降する。
【００４４】
内パンチ６０は、上述の外パンチ５０よりも軸方向の長さが長く形成された円筒状の部材である。内パンチ６０は、下端に環状の水平な押圧面６１を有している。加工前においては、この押圧面６１は、外パンチ５０の押圧面５１と同じ高さに設定されている。内パンチ６０は、外周面のうちの下半部が上述の外パンチ５０の内周面５０ａによって、また、外周面のうちの上半部がブロックｆ2 によって昇降自在に支持されている。内パンチ６０は、上端に当接されたアウタシリンダ８１によって素材Ｗに対する加圧力が所定圧となるように背圧制御される。すなわち、内パンチ６０は、ラムＲの昇降動作に伴って、外パンチ５０とともに昇降し、かつ外パンチ５０に対して相対移動できるように構成されている。内パンチ６０の内側には、押圧ピン８２が配設されており、この押圧ピン８２は、上端に当接されたインナシリンダ８３によって押し下げられる。押圧ピン８２の昇降動作は、内パンチ６０の内周面によってガイドされる。
【００４５】
図４〜図１２を参照して、上述構成の成形装置Ｍの動作を説明する。これらの図は、いずれも素材Ｗの各加工工程における成形装置Ｍの軸Ｃ1 を通る縦断面のうちの右半部を示している。
【００４６】
図４〜図１２を大別すると、図４がいわゆる素材セット工程、図５〜図８が素材据え込み工程、図９〜図１２が素材分離工程となる。詳しくは、図４は成形装置Ｍに素材Ｗがセットされた状態、図５はラムＲの下降途中、図６は外パンチ５０及び内パンチ６０が素材Ｗに接触した状態、図７は据え込み動作中、図８は分流動作中、図９はマンドレル２０の内歯形成部２１から素材Ｗを分離した状態、図１０はラムＲの上昇途中、図１１はラムＲの上昇完了、図１２はノックアウト完了をそれぞれ示す図である。
【００４７】
本発明の特徴は、図６（ｂ）に示すように、上パンチ４０を外パンチ５０と内パンチ６０とに分割して、素材Ｗの上端面Ｗ4 の加圧面を、外パンチ５０の押圧面５１によって加圧される面（以下「外側加圧面Ｓ1 」という。）と、内パンチ６０の押圧面６１によって加圧される面（以下「内側加圧面Ｓ2 」という。）とに分け、Ｓ1 とＳ2 との面積比を６：４ないし４：６、望ましくはほぼ１：１とした点にある。そして、外パンチ５０と内パンチ６０とによる素材Ｗの据え込み加工に、内パンチ６０を所定圧に背圧制御して、素材Ｗが内周部Ｗ2 側に流れやすくするものである。なお、本実施の形態においては、外側加圧面Ｓ1 と内側加圧面Ｓ2 との面積比がほぼ１対１となるように、外パンチ５０、内パンチ６０等を構成している。
【００４８】
以下、図４〜図１２を参照して、成形装置Ｍの動作を詳述する。
【００４９】
図４は、素材セット工程（素材Ｗが成形空間Ｓにセットされた状態）を示している。この状態において、ダイス１０は、ガスシリンダ７４のプランジャ７４ｂが伸長されて支持ベース７１が最上位に位置するのに伴って、同様に最上位に位置している。また、マンドレル２０と支持部材３０も、ベッドシリンダ７７により、最上位に配置される。一方、外パンチ５０、内パンチ６０、押圧ピン８２は、ラムＲが最上位に位置するのに伴って、最上位に位置している。このとき、上方に配置されている外パンチ５０及び内パンチ６０と、下方に配置されているダイス１０及びマンドレル２０との間には、上下方向の長さが素材Ｗの軸方向長さＬ（図２参照）よりも長い空間が形成されて、成形空間Ｓに対する素材Ｗのセットを容易にしている。成形空間Ｓにセットされた素材Ｗは、図４（ｂ）に示すように、その下端面Ｗ3 を支持部材３０の上面３０ｃに当接させ、その外周部Ｗ1 をダイス１０の外歯形成部１１に対面させ、かつその内周部Ｗ2 をマンドレル２０の内歯形成部２１に対面させている。この状態において、内歯形成部２１の歯部２１ａと、素材Ｗの下端縁Ｗ5 及び上端縁Ｗ6 との間には、それぞれ逃がし部Ａ1 及び逃がし部Ａ2 が形成されている。
【００５０】
図５は、ラムＲの下降途中を示している。ラムＲの下降に伴って、外パンチ５０、内パンチ６０、ホルダ８０、アウタシリンダ８１、押圧ピン８２、インナシリンダ８３が、ラムＲと一体的に下降する。なお、ダイス１０、マンドレル２０、支持部材３０等は、図４に示す状態と同じである。ラムＲの下降によって、外パンチ５０がダイス１０に接触する前に、また押圧ピン８２がマンドレル２０に接触する前に、ガスシリンダ７４及びベッドシリンダ７７に所定の荷重が付加される。
【００５１】
図６は、ラムＲの下降によって、外パンチ５０及び内パンチ６０が素材Ｗに接触した状態を示している。同図に示す状態となる前に、まず、ラムＲの下降に伴って、外パンチ５０の押圧面５１と傾斜面５２とが、それぞれダイス１０の水平面１２と傾斜面１３とに当接し、さらに、ガスシリンダ７４に抗してダイス１０を押し下げる。同じく、同図に示す状態となる前に、ラムＲの下降に伴って、マンドレル２０の上端面２０ｄに押圧ピン８２の下端面８２ａが当接し、押圧ピン８２は、この当接により、マンドレル２０がベッドシリンダ７７によって所定の荷重が付加されているのに基づき、外パンチ５０及び内パンチ６０に対して相対的に押し上げられる。そして、さらに、ラムＲが下降されるのに伴って、図６（ｂ）に示すように、外パンチ５０の押圧面５１が素材Ｗの外側加圧面Ｓ1 に当接し、また、内パンチ６０の押圧面６１が素材Ｗの内側加圧面Ｓ2 に当接する。同図に示す状態は、据え込み加工の開始直前の状態である。
【００５２】
図７は、据え込み途中の状態を示す。素材Ｗに外パンチ５０及び内パンチ６０が接触した後、さらにラムＲを下降させて外パンチ５０と内パンチ６０とによって、図７（ｂ）に示すように、素材Ｗを軸方向に圧縮し、素材Ｗの外周部Ｗ1 をダイス１０の外歯形成部１１に押し付け、また、素材Ｗの内周部Ｗ2 をマンドレル２０の内歯形成部２１に押し付ける。このとき、ダイス１０は外パンチ５０によって押し下げられつつ、素材Ｗの外周部Ｗ1 が外歯形成部１１に押し付けられるのに伴って、素材Ｗから軸Ｃ1 を中心とした回転力が作用する。このダイス１０の回転は、ダイス１０と支持ベース７１との間に介装されたプレート７２の上面７２ａの油溝７２ｂ（図３参照）に潤滑油を注油しておくことにより摺動抵抗が低減されるため、円滑なものとなる。言い換えると、外歯形成部１１に充填される素材Ｗの流れを円滑なものとすることができる。マンドレル２０は、据え込み加工中において不動であり、したがって、押圧ピン８２は、内パンチ６０等に対してさらに押し上げられることになる。この据え込み加工が開始される前に、内パンチ６０に対して所定圧の背圧制御が開始される。ただし、図７（ｂ）に示すように、また、外歯形成部１１及び内歯形成部２１に対して、素材Ｗの充填が進行中であるため、内パンチ６０は、背圧制御中であるにもかかわらず、その押圧面６１が、外パンチ５０の押圧面５１と同じ高さにあるが、特に同じ高さにする必要はない。
【００５３】
図８は、据え込み加工がさらに進行して、素材Ｗの外側加圧面Ｓ1 を加圧する外パンチ５０によって外歯形成部１１にほぼ素材が充填されると、素材Ｗの成形圧が上昇し、素材Ｗは、内周部Ｗ2 側に流れようとする。このとき、背圧制御されている内パンチ６０が、外パンチ５０に対して相対的に上昇して逃げることにより、内周部Ｗ2 側への素材の流れが円滑になる。ただし、内パンチ６０は、逃げるといっても、所定圧に背圧制御されているので、単なる逃がし部（開放されている逃がし部）とは異なり、内周部Ｗ2 に流れてきた素材Ｗを適宜に加圧するので、マンドレル２０の内歯形成部２１に素材Ｗを確実に充填させることができる。さらに、前述したように、内歯形成部２１には、開放されている逃がし部Ａ1 、Ａ2 が形成されているので、素材Ｗはさらに内周部Ｗ2 側に流れやすくなり、このことにより、内歯形成部２１に対する素材Ｗの充填が一層良好に行われる。
【００５４】
このように、上パンチ４０を外パンチ５０と内パンチ６０とに分割し、外パンチ５０が素材Ｗの外側加圧面Ｓ1 を加圧することで、従来、外周部Ｗ1 側に流れがちであった素材Ｗを、内周部Ｗ2 側にも円滑に流れるようにすることができる。すなわち、素材Ｗの流れを外周部Ｗ1 側と内周部Ｗ2 側とに良好に分流することができる。そして、さらに素材Ｗの内側加圧面Ｓ2 を加圧する内パンチ６０を、所定圧に背圧制御しているので、素材Ｗの内周部Ｗ2 側への流れを妨げることなく、しかも流れてきた素材Ｗを適宜に加圧することができるので、マンドレル２０の内歯形成部２１に対して、素材Ｗを必要かつ十分に充填することが可能となる。
【００５５】
図９は、マンドレル２０の内歯形成部２１から素材Ｗを分離した状態を示す。上述の据え込み加工が終了した後、ベッドシリンダ７７の加圧をゼロとする。その後、インナシリンダ８３を作用させて、押圧ピン８２を下降させて、その下端面８２ａにより、ベッドシリンダ７７と一体のマンドレル２０の上端面２０ｄを内歯形成部２１が、素材Ｗから完全に抜けるまで押し下げる。このとき、マンドレル２０とともにベッドシリンダ７７が押し下げられるのに伴って、突き上げ部材７９が下降し、その突き上げ板ｅ1 の上面７９ａが下がってピン７８の下端面７８ａから離れる。なお、同図に示す内歯の分離工程においては、上述の、押圧ピン８２、インナシリンダ８３、マンドレル２０及びベッドシリンダ７７、押圧部材７９以外の他の部材は、図８の状態と同じ状態である。
【００５６】
図１０は、ラムＲの上昇途中を示す。ラムＲの上昇により、ホルダ８０、外パンチ５０、内パンチ６０、押圧ピン８２等が上昇する。これにより、ダイス１０が上昇して、図４に示す加工前の状態に復帰する。なお、この際、素材Ｗの上下方向の位置は不変であり、素材Ｗに形成された外歯とダイス１０の外歯形成部１１とが噛み合った状態で、ダイス１０が上昇するため、素材Ｗに対して回転力が作用するが、このとき素材Ｗは、内歯が既にマンドレル２０の内歯形成部２１から外れているので、自由に回転することができる。
【００５７】
図１１は、ラムＲの上昇が完了した状態を示す。この状態は、図１０の状態からラムＲの上昇によって、ホルダ８０、外パンチ５０、内パンチ６０、押圧ピン８２等が一体となって上昇したものである。
【００５８】
図１２は、ノックアウトが完了した状態を示す。突き上げ部材７９を上昇させることで、その突き上げ板ｅ1 によってピン７８を突き上げ、ピン７８と一体の支持部材３０を上方に移動させる。これにより、素材Ｗが押し上げられ、素材Ｗの外歯がダイス１０の外歯形成部１１から外れる。このとき、突き上げ部材７９の上昇途中で、突き上げ部材７９がベッドシリンダ７７に係合して、ベッドシリンダ７７とともにマンドレル２０を押し上げて、図４に示す加工前の位置に復帰させる。これにより、内歯形成部２１及び外歯形成部１１から外された素材Ｗは、その下半部に、マンドレル２０の上端部が挿入された状態となり、適宜な位置に位置決めされた状態で、ノックアウトが完了する。その後、加工後の素材Ｗ、すなわち、半製品Ｈを成形装置Ｍから取り出す。
【００５９】
図２で前述したように、素材Ｗは、上述の据え込み加工（プレス加工）によって、半製品Ｈとなり、さらに、斜線部分の切削加工等がなされて、最終的な製品Ｐとなる。
【００６０】
図１３に、素材から製品になるまでの加工工程を、本発明を適用した場合と、従来とで比較した図を示す。
【００６１】
本発明においては、素材Ｗを、まず、上述のように、プレス（ＰＲ）によって据え込み加工する。その後、旋盤（ＬＡ）によって、図２に示す上端面Ｐ4 と下端面Ｐ3 とを切削加工し、さらに、面取り盤（ＣＨ）で面取りを行った後、必要に応じてシェービング（ＳＶ）によって歯形修整を行う。その後、熱処理（ＨＴ）を行い、研削（ＧＲ）、クリーニング（ＣＬ）を行って製品Ｐとして完成し、完成後、測定を行う。
【００６２】
これに対して、従来は、まず、素材Ｗの外周部Ｗ1 、内周部Ｗ2、下端面Ｗ3 、上端面Ｗ4 を旋盤（ＬＡ）で切削加工する。その後、内歯をブローチ盤（ＢＲ）によって切削加工し、さらに、外歯をホブ盤（ＨＢ）によって切削加工する。以下、面取り盤（ＣＨ）から後の工程は、本発明と同じである。
【００６３】
すなわち、同図から、本発明においては、従来のブローチ盤（ＢＲ）及びホブ盤（ＨＢ）による切削加工に代えて、プレス（ＰＲ）による据え込み加工を行っていることが分かる。このような工程の変更は、ブローチ盤（ＢＲ）及びホブ盤（ＨＢ）による歯切り加工が多数の工数が必要となるのに比較して、プレス（ＰＲ）による据え込み加工が極めて短時間で行い得ることを考慮すると、大幅な工数低減が可能であることを意味する。
【００６４】
図１４に、上述のようにして構成された製品Ｐの使用例を示す。同図は、自動車等の自動変速機の一部を示す、入力軸に沿った縦断面を示すものである。外歯としてヘリカルギヤを有し、また内歯として内スプラインを有する製品Ｐは、プラネタリギヤユニット９０の構成要素であるサンギヤ９１として使用されている。サンギヤ９１は、その内歯を、動力が伝達される入力軸９３の外周に形成された外スプラインに噛合させ、また、外歯には、キャリヤ９４によって支持された複数のピニオン９５の外周に形成されたヘリカルギヤが噛合されている。このように、サンギヤ９１は、入力軸９３とピニオン９５との間に介装されて両者の間に動力の伝達を行う。そして、本発明に係る歯車の成形装置Ｍによって形成されたサンギヤ９１は、前述のように、外歯、内歯ともに精度よく形成することができるので、ギヤの噛み合い音を低減し、また、動力伝達ロスを低減することができる。
【００６５】
〈実施の形態２〉
上述の実施の形態１においては、素材Ｗの上端面の加圧面のうちの、外パンチ５０によって加圧される外側加圧面Ｓ1 と、内パンチ６０によって加圧される内側加圧面Ｓ2 との面積比をほぼ１対１に設定した場合について説明した。
【００６６】
この１対１という値は、外歯と内歯とを有する、一般的な歯車を形成するに際しては、好適な割合である。
【００６７】
図１５に実験例を示す。この図は、内歯及び外歯に対する素材の充填率を示す。これらの図中、「■」は内パンチ６０の背圧制御における制御圧が１４０kg／mm2  （≒１．３７×１０9 Ｐａ）の場合を、また、「◆」は、同じく１２０kg／mm2 （≒１．１８×１０9 Ｐａ）の場合を示している。横軸は分流比、つまり、外側加圧面の面積（Ｓ1 ）：内側加圧面の面積（Ｓ2 ）を示している。これらの図から、可及的小さい制御圧（背圧）で、充填率を高めようとした場合、分流比を５：５（＝１対１）に設定するのが好適であることが分かる。
【００６８】
ところで、低い制御圧で、充填率を高めることのできる分流比は、素材の固さや流れやすさ、また、歯車の大きさ、外歯や内歯の形状や大きさ等の条件によって微妙に影響を受けるものである。したがって、本発明を適用するに際しては、この分流比については、そのとき製造する歯車に応じて、例えば、実験によって適宜に設定すればよい。ただし、一般的な分流比としては、６：４〜４：６の範囲内が設定するのが好ましい。その理由は、外パンチ５０によって加圧される外側加圧面Ｓ1 の面積が大き過ぎる場合には、素材Ｗが内周部Ｗ2 側に良好に流れなくなり、逆に、小さ過ぎる場合には、素材Ｗに対する据え込みが不足して、この場合には、外歯形成部１１及び内歯形成部２１に対する素材Ｗの充填が十分に行われないからと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は成形装置の縦断図の右半部を示す図。
（ｂ）は（ａ）の成形空間近傍の拡大図。
【図２】加工対象となる素材、半製品、最終的な製品を示す縦断面図。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はこの順に、プレートの上面図、縦断面図、（ａ）のＸ−Ｘ線矢視拡大図。
【図４】（ａ）は素材をセットした状態における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
（ｂ）は（ａ）の成形空間近傍の拡大図。
【図５】ラムの加工途中における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
【図６】（ａ）は外パンチ及び内パンチが素材に接触した状態における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
（ｂ）は（ａ）の成形空間近傍の拡大図。
【図７】（ａ）は据え込み加工中における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
（ｂ）は（ａ）の成形空間近傍の拡大図。
【図８】（ａ）は素材が分流されている状態における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
（ｂ）は（ａ）の成形空間近傍の拡大図。
【図９】素材の内歯からマンドレルの内歯形成部を分離した状態における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
【図１０】ラムの上昇中における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
【図１１】ラムの上昇完了時における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
【図１２】ノックアウト完了時における成形装置の縦断図の右半部を示す図。
【図１３】素材の加工工程を、本発明と従来とで比較する図。
【図１４】本発明に係る成形装置によって成形された製品の使用例を説明する図。
【図１５】内歯と外歯における、分流比と充填率との関係を示す図。
【符号の説明】
１０        ダイス
１０ａ      ダイスの内周面
１１        外歯形成部
１１ａ      歯部
２０        マンドレル
２１        内歯形成部
２１ａ      歯部
３０        支持部材
４０        上パンチ
５０        外パンチ
６０        内パンチ
７１        支持ベース
７２        プレート
７２ａ      接触面
７２ｂ      油溝
Ａ1  、Ａ2   逃がし部
Ｃ1         成形装置の軸
Ｃ2         素材の軸
Ｍ          歯車の成形装置
Ｓ          成形空間
Ｓ1          外側加圧面
Ｓ2          内側加圧面
Ｗ          素材
Ｗ1          素材の外周部
Ｗ2          素材の内周部
Ｗ3          素材の下端面
Ｗ4          素材の上端面
【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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