(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
はすば歯車または平歯車に対応する形状のダイス孔が形成されたダイと、ダイのダイス孔を閉塞する主パンチと非分割のカウンターパンチとを具備する密閉金型を用い、ダイのダイス孔に配置された被加工材料を主に主パンチで加圧することによってダイス孔の隅々にまで被加工材料を完全充満させるはすば歯車または平歯車の製造方法であって、前記密閉金型は、ダイとカウンターパンチの双方に歯車の歯部を成形する凹凸部が形成されていて当該凹凸部の一部分が相互に歯合し、主パンチとして、ダイス孔のうち、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチと、それ以外のダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチとに分割された分割パンチを用いることを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のはすば歯車または平歯車の製造方法であって、加工初期は全ての分割パンチで被加工材料を加圧し、加圧力が所定値になった時点で、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分以外に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧を中止し圧力を開放する一方、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧を継続することを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のはすば歯車または平歯車の製造方法であって、加工初期は全ての分割パンチで被加工材料を加圧し、加圧力が所定値になった時点で、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分以外に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧を中止し、当該時点の加圧力を維持するかまたは所定の値に低減した状態で所定の時間保持した後に圧力を開放する一方、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧を継続することを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項４】
上記所定の加圧力を、密閉金型の許容強度内の値に設定することを特徴とする請求項２または３に記載のはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項５】
上記所定の加圧力を分割パンチのうちのいずれか一方のパンチ、カウンターパンチおよびダイのいずれかに取り付けられた荷重計によって検出することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のはすば歯車または平歯車の製造方法において、分割パンチとカウンターパンチとは中空で、当該中空部にマンドレルが配置されており、被加工材料として中空素材を用いることを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項７】
マンドレルとして、その外周面に、成形品の貫通孔の内周面にスプライン溝または／およびスプライン突起を形成させるための凸部または／および凹部が形成されたものを用いることを特徴とする請求項６に記載のはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載のはすば歯車または平歯車の製造方法において、分割パンチとカウンターパンチとは中実であり、被加工材料として中実素材を用いることを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項９】
上記の中実素材は、少なくともその一方端面の軸心部にめくら穴が形成されていることを特徴とする請求項８に記載されているはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項１０】
分割パンチのうち、ダイのダイス孔内に形成された歯車の歯部を成形する凹凸部以外に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチの加圧面を被加工材料の端面に当接させる一方、歯車の歯部を成形する凹凸部に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチの加圧面を被加工材料の端面よりも被加工材料側に位置させた状態で分割パンチの両方による加圧を開始することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のはすば歯車または平歯車の製造方法。
【請求項１１】
はすば歯車または平歯車に対応する形状のダイス孔が形成されたダイと、ダイのダイス孔を閉塞する主パンチと非分割のカウンターパンチとを具備する密閉金型を有するはすば歯車または平歯車の製造装置であって、前記密閉金型は、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形する部分のダイス孔形状が、はすば歯車または平歯車の歯部形状であり、ダイとカウンターパンチの双方に歯車の歯部を成形する凹凸部が形成されていて当該凹凸の一部分が相互に歯合されており、前記の主パンチが、ダイのダイス孔のうち、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチと、それ以外のダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチとに分割されていることを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造装置。
【請求項１２】
密閉金型は、これを構成する分割パンチとカウンターパンチとが中空であり、当該中空部にマンドレルが配置されていることを特徴とする請求項１１に記載のはすば歯車または平歯車の製造装置。
【請求項１３】
マンドレルは、その外周面に成形品の貫通孔の内周面にスプライン溝または／およびスプライン突起を成形するための凸部または／および凹部が形成されいることを特徴とする請求項１２に記載のはすば歯車または平歯車の製造装置。
【請求項１４】
密閉金型は、これを構成する分割パンチとカウンターパンチとが中実であることを特徴とする請求項１１に記載のはすば歯車または平歯車の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複雑な形状をした精密部材である、平歯車または、はすば歯車の製造方法と製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の平歯車または、はすば歯車には、高い寸法精度が要求される。これらの歯車（以下、単に「製品」または「精密部材」ともいう。）は、通常、室温または３００℃程度までの温間による閉塞鍛造法で成形される。
【０００３】
上記の閉塞鍛造法においては、所望の製品に対応する形状のダイス孔が形成されたダイと、このダイのダイス孔を閉塞するとともに、ダイス孔内に配置された被加工材料を加圧する主パンチとカウンターパンチとを具備する密閉金型が用いられる。その際、所望の製品を得るためには、ダイのダイス孔内に配置された被加工材料をダイス孔の隅々、なかでも所望の製品の凹または／および凸部を成形するダイス孔部分の隅々にまで被加工材料を充満させる必要がある。
【０００４】
しかし、成形に要する加圧力は、ダイス孔に対する被加工材料の充満が進み、未充満部分の自由表面積が次第に減少するのに伴って加速度的に高まる。そして、その加工力は、被加工材料が完全に充満して自由表面積がゼロになると、理論的には無限大となり、金型が破壊し、成形が不可能になる。
【０００５】
したがって、一般に、閉塞鍛造においては、加工力を金型強度の許容範囲に納めるために、常に金型内の隅部に被加工材料の未充満部を残すようにして成形が行われる。そのため、得られた製品は、所望の形状とは異なり、欠肉部分を有するものになるという問題があった。例えば、自動車用のはすば歯車のように、本体の外周面に非常に複雑な形状をした歯部を有するような精密部材を成形するような場合にこの問題が大きく、欠肉部分なしに成形することは事実上不可能であった。
【０００６】
上記の問題を解決するための主たる方法としては、以下に述べる３つの方法が提案されている。
【０００７】
第１の方法は、特公昭６２−３３０１５号公報に示される方法である。すなわち、図５に示すように、ダイ１内に配置された中実の被加工材料２に対するパンチ３による加圧の途中、具体的には被加工材料２の外方への材料流れが緩慢になって加圧力が急増する段階でパンチ３による加圧を中断し、成形途中の被加工材料２の軸心部または他の不要部分に貫通孔４をあけた後にパンチ３による加圧を再開する方法である。
【０００８】
第２の方法は、特公昭５９−３０４９９号公報に示される方法である。すなわち、図６に示すように、ダイ１内に配置された中実の被加工材料２に対するパンチ３による加圧に先立って被加工材料２の軸心部に上下一対の穴あけポンチ５でめくら穴６をあけ、この状態を保持したままパンチ３による加圧を開始する。そして、その加圧途中、具体的には被加工材料２の外方への材料流れが緩慢になって加圧力が急増する段階で上方の穴あけポンチ５のみを引き上げてめくら穴６から抜け出る直前で止め、この状態でパンチ３による加圧を再開し、その後上下一対の穴あけポンチ５を再下降させて軸心部の余分な材料を除去する方法である。
【０００９】
第３の方法は、例えば特公平８−４８６８号公報に示される方法である。すなわち、例えば、図７に示すように、カウンターパンチ８が歯合されたダイ１内に配置された薄肉長尺の中空の被加工材料２の軸心部にその大径部が位置するように段付きマンドレル７を配置した状態でパンチ３による加圧を開始する。そして、その加圧途中、具体的には被加工材料２の外方と内方への材料流れが緩慢になって加圧力が急増する段階で段付きマンドレル７を下降させてその小径部を位置させ、段付きマンドレル７と被加工材料２との間に隙間を形成させた後にパンチ３による加圧を再開する方法である。
【００１０】
なお、第１および第２の方法におけるダイ１とパンチ３、第３の方法におけるダイ１とカウンターパンチ８、カウンターパンチ８と段付きマンドレル７の大径部、およびパンチ３とカウンターパンチ８と段付きマンドレル７の小径部は、密に嵌合または歯合されていて摺動または回転摺動するようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記いずれの方法も、パンチ３による加圧の途中において被加工材料２の軸心部に被加工材料２の非存在部分または金型を構成する工具との間に隙間を形成させる、いわゆる「逃がし穴法」である。このため、本体の外周面に非常に複雑な形状をした歯部を有する例えば自動車用のはすば歯車のような精密部材の成形においても、パンチ３による加圧再開時に上記被加工材料２の非存在部分または隙間の方向（内方）に向かって被加工材料２が主に流動し、これに伴ってダイ１の方向（外方）への材料流れが促進される。したがって、これらの方法による場合には、低い加圧力で欠肉がない歯部、すなわち、所望の製品の複雑な形状部分に欠肉を生じさせることなく成形することがその原理上一応可能である。
【００１２】
しかし、上記第１の方法は、成形途中の被加工材料２の軸心部または他の不要部分に貫通孔４をあけるためには、成形途中でダイ１から被加工材料２を一旦取り出し、取り出した成形途中の被加工材料２をダイ１に再装入する必要があり、加工能率が悪いるという欠点を有している。また、成形途中の金型は、弾性変形しているので、所望の製品が前述したはすば歯車のような複雑な形状の場合には、再装入時に成形途中の被加工材料２が変形したり、金型が破損したりするという欠点をも有している。
【００１３】
これに対し、上記第２と第３の方法は、複動プレスを用いることにより、成形途中の被加工材料２をダイ１から取り出すことなく高能率に加工を行うことが可能である。しかし、これら第２と第３の方法は、被加工材料２の軸心部に形成させる隙間をいかに大きくしても、パンチ３による加圧の再開初期の段階で前記の隙間が消失して外方への材料流れがほとんど生じなくなる。その結果、所望の製品の複雑な形状部分、例えば前述の自動車用のはすば歯車の場合には、その歯部に欠肉が発生するだけでなく、場合によっては金型にその許容強度を超える過大な力が作用して金型が破損するという欠点を有している。
【００１４】
このため、金型内空間の隅々にまで被加工材料２の充満が進み、被加工材料２の未充満部の自由表面積の減少に伴って発生する急速な加圧力の増大をいかに金型の許容強度の範囲内に抑え、しかも所望の製品形状に成形し得るかは、依然として重要な課題として残っていた。
【００１５】
本発明の目的は、上記従来法の欠点を解消し、歯車、なかでもはすば歯車などのような複雑な形状をした精密部材でも、低い工具面圧で金型内の空間の隅々にまで被加工材料２を完全充満させることが可能であり、しかも余分なバリを発生させることなく、高精度に成形することができる製造方法とそのための製造装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を達成するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、次に述べる実験を行った。その結果、下記のことを知見し、本発明を完成させた。
【００１７】
すなわち、前述の図７に示す完全密閉型の金型を用いる逃がし穴法と、図７の場合と同様に段付きマンドレル７を用いる場合で、図８に示すように、パンチ３の内径を大きくした不完全密閉型の金型を用いる方法（以下、この方法を捨て軸法という）とで、外径６５．６ｍｍ、小径５５．５ｍｍ、モジュール１．７５、圧力角１７°３０′、ねじれ角３０°３０′の自動車の手動変速機用のはすば歯車を成形する実験を行い、その際の据込み率と工具面圧、具体的にはカウンターパンチの工具面圧（加圧荷重／カウンターパンチの加圧面積）およびダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料の充満率（成形品歯先部の金型との接触面積の比率）を調べた。
【００１８】
図９は、その結果を示す図で、図中の曲線イは逃がし穴法によった場合、曲線ロは捨て軸法によった場合、をそれぞれ示してある。なお、図中の（  ）内の値は、ダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料２の充満率である。
【００１９】
なお、被加工材料２には、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定されるＳ１０Ｃ製で、外径５５ｍｍ、内径３５ｍｍのものを用い、金型を保護するために、３００℃に加熱した。また、段付きマンドレル７には、大径部の外径３５ｍｍ、小径部の外径３０ｍｍのものを用いた。さらに、捨て軸法の不完全密閉型の金型を構成するパンチの内径は、４２ｍｍとした。
【００２０】
そして、逃がし穴法の場合の加工は、下記〔１〕〜〔４〕の手順にしたがって行った。
【００２１】
〔１〕段付きマンドレル７の大径部を、所望の製品の中空部に対応する位置に予め位置させた後、中空の被加工材料２をダイ１のダイス孔内に装入してカウンターパンチ８上に載置する（図７の（ａ））。
【００２２】
〔２〕パンチ３を下降させ被加工材料２の加圧を開始し、被加工材料２が径方向に塑性変形して内向きに流れた材料が段付きマンドレル７側の空間部に充満する一方、外向きに流れた材料がダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に流入し、凹部に対する被加工材料２の自由表面積が減少するのに伴ってパンチ３による加圧力（工具面圧）が急激に上昇する時点で、パンチ３による加圧を一旦停止する（図７の（ｂ））。
【００２３】
〔３〕段付きマンドレル７を下降させてその小径部を被加工材料２の部分に位置させ、被加工材料２の中央部分に空間を形成させる（図７の（ｃ））。
【００２４】
〔４〕パンチ３による加圧を再開し、歯部の成形を行う（図７の（ｄ））。
【００２５】
一方、捨て軸法の場合の加工は、上記〔１〕〜〔４〕のうち、〔３〕の工程を除く、〔１〕、〔２〕および〔４〕の手順にしたがって行った。なお、図８には、図７の（ａ）に対応する図（図８（ａ））と図７の（ｄ）に対応する図（図８（ｂ））のみ示してある。また、いずれの場合も、ダイ１とカウンターパンチ８は、パンチ３の下降に伴ってその軸心周りに相互に回転する。
【００２６】
図９に示す結果から明らかなように、捨て軸法（曲線ロ）では、据込み率が約４４％になった時点の工具面圧（カウンターパンチの工具面圧）が１１９０ＭＰａと十分に低い値であるにもかかわらず、ダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料２の充満率は１００％あり、欠肉がない歯部を有するはすば歯車が得られた。
【００２７】
これは、捨て軸法によれば、ダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料２の流入が進んでその自由表面積がほとんどなくなっても、段付きマンドレル７の小径部とパンチ３との間の隙間（以下、この隙間を捨て軸部という）に向かって材料流れが生じるため、換言すれば被加工材料２の中央部分の捨て軸部での自由表面が加工の最後まで消失することなく存在するために、工具面圧（加圧力）の急速な増大が回避できることを意味している。
【００２８】
これに対し、逃がし穴法（曲線イ）では、据込み率が約３８％になった時点で工具面圧（カウンターパンチの工具面圧）が１３７０ＭＰａに上昇し、この時のダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料２の充満率はわずか５％で、上記の捨て軸法と同じ１１９０ＭＰａという工具面圧（カウンターパンチの工具面圧）では、欠肉がない歯部を有するはすば歯車は得られなかった。
【００２９】
また、パンチ３による加圧を強制的に継続し、据込み率を３９％にすると、工具面圧（カウンターパンチの工具面圧）が２０６０ＭＰａにまで急上昇したにもかかわらず、ダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料２の充満率は８０％にしかならず、極めて高い加工荷重（加圧力）を付与しても、欠肉がない歯部を有するはすば歯車は得られなかった。この時、カウンターパンチ８は、荷重オーバーによって断面積を縮小した中央部の部分で座屈変形した。
【００３０】
これは、逃がし穴法では、ダイス孔に形成されたはすば歯車の歯部を成形する凹凸部の凹部に対する被加工材料２の充満度がわずか５％に達した時点で、被加工材料２の中央部分に形成された空間部に被加工材料２が完全充満して消失してしまい、パンチ３による加圧を無理に継続すると工具面圧（加圧力）の急激な上昇を招くだけで、工具面圧（加圧力）の低減には何ら寄与しないこと、すなわち、低い加圧力で欠肉がない歯部を有するはすば歯車を成形することができないだけでなく、金型の変形や破損を招くことを意味している。
【００３１】
以上の実験結果からわかるように、完全密閉型の金型を用いる従来の逃がし穴法に代えて不完全密閉型の金型を用いる捨て軸法を採用する場合には、低い加圧力（工具面圧）でも、金型内の空間の隅々にまで被加工材料２が完全に充満し、欠肉部分がない製品が得られ、金型が変形したり破損したりすることがない。
【００３２】
しかし、捨て軸法で得られた製品は、図８の（ｂ）に示すように、軸長方向の一方端面の中央部分にバリ９が発生している。このため、そのままでは実用に供し得ず、実用に供するためには、この種の精密部材の分野においては採用されることがないバリ９の切削除去工程が必要であるのに加え、バリ９の分だけ材料歩留まりが低下し、製品の製造コストが増大するという問題がある。
【００３３】
そこで、本発明では、上記の問題を解決するために、逃がし穴法で用いる完全密閉型の金型を構成するパンチ３を径方向に複数に分割することにした。具体的には、製品が上記と同じはすば歯車の場合には、歯部の谷底部直径よりも若干小さい直径位置で２分割する。すなわち、ダイス孔のうち、製品の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチ（アウターパンチ）と、それ以外のダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチ（インナーパンチ）とに分割することを試みた。
【００３４】
そして、分割パンチの全てで加圧を開始し、ダイス孔内の空間の隅々に対する被加工材料の充満が進み、その自由表面積の減少に伴う急激な加圧力（工具面圧）の増大時点で、分割パンチのうちのマンドレルに近い方のパンチによる加圧を中止し圧力を開放する場合には、加圧を中止した分割パンチが捨て軸法の「捨て軸部＝自由表面積部」として機能し、残りの分割パンチによる加圧を継続しても、加圧によって生じる内方への材料流れが加工終了まで拘束されることがなく、低い工具面圧で、欠肉とバリがない所望の製品を成形することが可能であり、しかも金型が変形したり破損したりしないことを知見した。
【００３５】
上記の知見に基づく本発明の要旨は、下記（１）のはすば歯車または平歯車の製造方法と下記（２）のはすば歯車または平歯車の製造装置にある。
【００３６】
（１）はすば歯車または平歯車に対応する形状のダイス孔が形成されたダイと、ダイのダイス孔を閉塞する主パンチと非分割のカウンターパンチとを具備する密閉金型を用い、ダイのダイス孔に配置された被加工材料を主に主パンチで加圧することによってダイス孔の隅々にまで被加工材料を完全充満させるはすば歯車または平歯車の製造方法であって、前記密閉金型は、ダイとカウンターパンチの双方に歯車の歯部を成形する凹凸部が形成されていて当該凹凸部の一部分が相互に歯合し、主パンチとして、ダイス孔のうち、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチと、それ以外のダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチとに分割された分割パンチを用いることを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造方法。
【００３７】
（２）はすば歯車または平歯車に対応する形状のダイス孔が形成されたダイと、ダイのダイス孔を閉塞する主パンチと非分割のカウンターパンチとを具備する密閉金型を有するはすば歯車または平歯車の製造装置であって、前記密閉金型は、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形する部分のダイス孔形状が、はすば歯車または平歯車の歯部形状であり、ダイとカウンターパンチの双方に歯車の歯部を成形する凹凸部が形成されていて当該凹凸の一部分が相互に歯合されており、前記の主パンチが、ダイのダイス孔のうち、はすば歯車または平歯車の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチと、それ以外のダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチとに分割されていることを特徴とするはすば歯車または平歯車の製造装置。
【００３８】
上記（１）に記載の本発明の方法においては、加工初期は全ての分割パンチで被加工材料を加圧し、加圧力が所定値になった時点で、製品の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分以外に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧を中止し、直ちに圧力を解放するか、またはその加圧力を維持するかまたは所定の値に低減した状態で所定の時間保持した後に圧力を開放する一方、製品の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧を継続するのが好ましい。その際、上記所定の加圧力は、密閉金型の許容強度内の値に設定するのが好ましく、その値は分割パンチのうちのいずれか一方のパンチ、カウンターパンチおよびマンドレルのうちのいずれかに取り付けられた荷重計によって検出するのが好ましい。
【００３９】
さらに、全ての分割パンチによる加圧開始後における製品の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分以外に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧の中止と圧力の解放または所定時間保持後の加圧の中止と圧力の解放および製品の凹または／および凸形状の部位を成形するダイス孔部分に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチによる加圧の継続の切り換えは、予め定めた切り換えパターンに基づいて行ってもよい。
【００４０】
また更に、分割パンチとカウンターパンチとは中空で、当該中空部にマンドレルが配置されており、被加工材料として中空素材を用いることができる。その際、マンドレルには、その外周面に、成形品の貫通孔の内周面にスプライン溝または／およびスプライン突起を形成させるための凸部または／および凹部が形成されたものを用いてもよい。
【００４１】
また、分割パンチとカウンターパンチとは中実であり、この際の被加工材料は、中実素材でもよいが、望ましくはいずれか一方の端面、より望ましくは両方の端面の軸心部に、めくら穴が成形された中空素材を用いるのが好ましい。
【００４２】
さらに、分割パンチのうち、ダイのダイス孔内に形成された歯車の歯部を成形する凹凸部以外に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチの加圧面を被加工材料の端面に当接させる一方、歯車の歯部を成形する凹凸部に位置する被加工材料部分を主に加圧するパンチの加圧面を被加工材料の端面よりも被加工材料側に位置させた状態で分割パンチの両方による加圧を開始する場合には、ボス付きの歯車を容易に成形することができる。
【００４３】
上記（２）に記載の本発明の装置においては、密閉金型は、下記〔１〕または〔２〕のいずれであってもよい。
【００４４】
〔１〕分割パンチとカウンターパンチとが中空であり、当該中空部にマンドレルが配置されている。この場合のマンドレルは、その外周面に、成形品の貫通孔の内周面にスプライン溝または／およびスプライン突起を成形するための凸部または／および凹部が形成されいるものであってもよい。
【００４５】
〔２〕分割パンチとカウンターパンチとが中実である。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の方法と装置について、所望の製品がはすば歯車の場合を例に採って、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００４７】
先ず始めに、本発明で用いる完全密閉型の金型について説明する。なお、従来と同様の部材には、従来と同じ符号を付して説明する。
【００４８】
図１は、本発明の方法で用いる完全密閉型の金型の一例を示す模式的縦断面である。図に示すように、金型は、軸長方向の全長にわたってはすば歯車の歯部を成形するための凹凸部１ａがその全周面に形成されたダイス孔を有するダイ１、前記の凹凸部１ａに歯合する凹凸部８ａが外周面に形成されていてその一部が前記の凹凸部１ａに歯合された中空のカウンターパンチ８、このカウンターパンチ８の中空部に配置された中実の軸長方向に同一外径のストレートマンドレル７０、前記のダイス孔内径（凹凸部１ａのうちの凸部内径）よりも若干小さい直径位置で２分割されたインナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂで構成されている。
【００４９】
上記のダイ１は、複動プレスの基台１０に対し、スラストベアリングなどの適宜な手段を介してスプリングなどの伸縮自在な部材１１により、その下面が支持されている。また、ストレートマンドレル７０の上方には、カウンターパンチ８による成形後の製品の蹴り出し時に、製品とストレートマンドレル７０とを分離させるためのポンチ１２が配置されている。
【００５０】
金型を構成する上記各工具のうち、カウンターパンチ８、ストレートマンドレル７０、インナーパンチ３ａ、アウターパンチ３ｂおよびポンチ１２は、複動プレス（図示は省略するが、下方が２シリンダー、上方が３シリンダーの複動プレスである）の各シリンダーのピストンロッドに対して個別に連結されている。
【００５１】
また、インナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂのうちのいずれか一方には、図示は省略するが、荷重計が取り付けられており、これに作用する工具面圧（加圧力）が検出できるようになっている。なお、荷重計は、カウンターパンチ８またはダイ１に取り付けてもよい。
【００５２】
次に、上記のように構成された金型によるはすば歯車の成形方法について説明する。
【００５３】
先ず最初に、図１の左半分に示すように、常温または金型を保護する目的で３００℃程度までに加熱された被加工材料２をダイ１のダイス孔内に装入してカウンターパンチ８上に載置する。この時、被加工材料２には、外径がダイス孔内径（凹凸部１ａのうちの凸部内径）と同じかまたはそれよりも若干小さく、内径がストレートマンドレル７０の外径と同じかまたはそれよりも若干大きいものが用いられる。
【００５４】
インナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂを同時に下降させ、ダイ１の上面と被加工材料２の上面を一致させた上で、被加工材料２に対するインナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂの両方による加圧を開始する。
【００５５】
インナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂの両方による加圧が進み、被加工材料２が塑性変形して図１の右側半分に示す状態、すなわち、ストレートマンドレル７０側の空間部に被加工材料２が完全充満した後においても、ダイス孔内に形成された凹凸部１ａのうちの凹部への材料流入が未充満状態であり、凹部に対するさらなる材料流入の進行に伴って凹部内における被加工材料２の自由表面積が減少するのに起因して生じる工具面圧（加圧力）の上昇値が各工具の許容強度以下の予め定めた所定の値に達するまで加圧を継続する。
【００５６】
そして、この時点で、両パンチのうちのインナーパンチ３ａによる加圧のみを中止すると同時にその加圧力のみを直ちに０（ゼロ）にするか、または当該時点におけるインナーパンチ３ａの加圧力をそのまま維持するか、あるいは予め定めた所定の値に低減した状態で所定の時間保持した後にその加圧力を０（ゼロ）にする一方、アウターパンチ３ｂのみによる加圧を継続して加工を終了する。
【００５７】
この時、インナーパンチ３ａによる加圧の中止と同時にアウターパンチ３ｂによる加圧を一旦中止し、インナーパンチ３ａの加圧力を０（ゼロ）にするか、または当該時点におけるインナーパンチ３ａの加圧力をそのまま維持するか、あるいは予め定めた所定の値に低減した状態で所定の時間保持した後に、アウターパンチ３ｂによる加圧を再開して加工を終了するようにしてもよい。しかし、この場合には、上記に比べて加工時間が長くなるので、有利な方法とはいえない。
【００５８】
上記のようにして加工を行う場合には、アウターパンチ３ｂのみによる加圧継続時において、その加圧力を０（ゼロ）にされたインナーパンチ３ａが進退自由な状態であるので、インナーパンチ３ａが前述した捨て軸法における自由表面部と同様の機能を果たす。すなわち、アウターパンチ３ｂのみによる加圧を継続しても、インナーパンチ３ａが内方への材料流れに相当した量だけ後退するので、工具面圧（加圧力）は急激に増大しない。また、この内方への材料流れと同時に、外方への材料流れが進むので、凹凸部１ａの凹部に被加工材料２が完全充満する。したがって、本発明の方法によれば、低い工具面圧（加圧力）で、歯部に欠肉がないのみならず、端面の中央部にバリのないはすば歯車が得られるのである。
【００５９】
なお、上記したように、インナーパンチ３ａの後退量は、アウターパンチ３ｂのみによる加圧時に生じる内方への材料流れ量に相当した量である。しかし、この量は、アウターパンチ３ｂのみによる加圧開始時点における凹凸部１ａの凹部の材料未充満空間は極めて小さいので、インナーパンチ３ａの後退量も極めて小さく、製品として何らの問題もない。
【００６０】
また、インナーパンチ３ａのみまたはインナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂの両方による加圧中止時に、当該時点におけるインナーパンチ３ａの加圧力をそのまま維持するか、あるいは予め定めた所定の値に低減した状態で所定の時間保持した後にその圧力を０（ゼロ）にしてから、アウターパンチ３ｂのみによる加圧を継続する場合には、凹凸部１ａの凹部への材料流入が均一化され、凹部の上下方向（ダイ１の軸長方向）での材料充満度に差がほとんど生じなくなり、より高精度な歯部を有するはすば歯車が得られる。
【００６１】
上記インナーパンチ３ａのみまたはインナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂの両方による加圧中止などの切り換えは、インナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂのうちのいずれか一方、さらにはカウンターパンチ８またはダイ１に取り付けられた荷重計による検出結果に基づいて行うのに代えて、予め定めた切り換えパターンに基づいて行うようにしてもよい。
【００６２】
図２は、図１に示した金型を用いてボス付きのはすば歯車を成形する場合を示す図である。この場合には、図２の左半分に示すように、ダイ１の上面から突出する中空の被加工材料２を用い、その上面にインナーパンチ３ａの加圧面を当接させる一方、アウターパンチ３ｂの加圧面をダイ１の上面に当接させ、この状態で両パンチによる加圧を開始する。
【００６３】
そして、この状態の加圧を、図２の右側半分に示す状態、すなわち、ストレートマンドレル７０側の空間部に被加工材料２が完全充満した後においても、ダイス孔内に形成された凹凸部１ａのうちの凹部への材料流入が未充満状態であり、凹部に対するさらなる材料流入の進行に伴って凹部内における被加工材料２の自由表面積が減少するのに起因して生じる工具面圧（加圧力）の上昇値が各工具の許容強度以下の予め定めた所定の値に達するまで加圧を継続する点を除けば、図１の場合と同様である。
【００６４】
図３は、本発明の方法で用いる完全密閉型の金型の他の例を示す模式的縦断面である。図に示すように、この金型は、中実の被加工材料を用いる金型で、軸長方向の全長にわたってはすば歯車の歯部を成形するための凹凸部１ａがその全周面に形成されたダイス孔を有するダイ１、前記の凹凸部１ａに歯合する凹凸部８ａが外周面に形成されていてその一部が前記の凹凸部１ａに歯合された中実のカウンターパンチ８０、前記のダイス孔内径（凹凸部１ａのうちの凸部内径）よりも若干小さい直径位置で２分割されたインナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂで構成されている点を除けば、上記の図１に示した金型とほぼ同様であり、加工時における切り換えタイミングなども、図１に示した金型を用いる場合とほぼ同様である。
【００６５】
なお、この場合の被加工素材は、完全な中実であってもよい。しかし、インナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂの両方による加圧が進み、被加工材料が塑性変形して、図３の右半分に示す状態に進む際に、ダイス孔内に形成された凹凸部１ａの凹部内の軸長方向（上下方向）により均一な材料充満を生じさせるためには、図に示すように、その両端面の中央部にめくら穴２０ａ、２０ａが形成された中実の被加工材料２０を用いるのが好ましい。なお、めくら穴２０ａは、一方の端面のみでもよい。
【００６６】
図４は、完全密閉型の金型の参考例を示す模式的縦断面である。図に示すように、この金型は、図３に示す金型と同様に、中実の被加工材料を用いる金型で、軸長方向の一方の端部の全周面にはすば歯車の歯部を成形するための凹凸部１ａが形成されたダイス孔を有するダイ１、このダイ１のダイス孔に嵌合された中実のカウンターパンチ８００、前記のダイス孔内径（凹凸部１ａのうちの凸部内径）と同じかまたは若干小さい直径位置で２分割されたインナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂで構成されている点を除けば、上記の図１および図３に示した金型とほぼ同様であり、加工時における切り換えタイミングなども、図１および図３に示した金型を用いる場合とほぼ同様である。また、この場合の被加工素材は、図３に示した金型を用いる場合の被加工材料２０と同様である。
【００６７】
なお、被加工材料に中実素材を用いる上記の図３および図４に示す金型においても、ボス付きのはすば歯車または平歯車を成形することができる。すなわち、図３に示す金型においては、インナーパンチ３ａとアウターパンチ３ｂの加圧開始時点の位置関係を、図２の左半分に示したのと同じようにセットすれば、両パンチの側にボスの付いたボス付きのはすば歯車または平歯車を成形することができる。また、図４に示す金型においては、長さが製品のボス部体積に相当する分だけ長い被加工材料を用いれば、カウンターパンチ８００の側にボスの付いたボス付きのはすば歯車または平歯車を成形することができる。
【００６８】
ただし、図３および図４に示した金型で得られたはすば歯車は、その軸心に駆動軸を取り付けるための孔加工を施す必要があることはいうまでもない。
【００６９】
以上の例は、いずれも、所望の製品がはすば歯車の場合であるが、所望の製品が平歯車であっても、その製品形状に応じた適宜な位置に対応する位置で分割した分割パンチを用いることにより、欠肉とバリがない製品が得られることはいうまでもない。
【００７０】
【実施例】
図１、図７および図８に示す金型をそれぞれ準備する一方、外径が５５ｍｍ、内径が３５ｍｍ、長さ３０．５ｍｍで、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定されるＳ１０Ｃ製と、同じくＪＩＳ  Ｇ  ４１０４に規定されるＳＣｒ４２０Ｈ製の２種類の中空素材を準備し、これらの中空素材を対象に据込み率を種々変化させて、外径６５．６ｍｍ、小径５５．５ｍｍ、モジュール１．７５、圧力角１７°３０′、ねじれ角３０°３０′の自動車の手動変速機用のはすば歯車を成形した。
【００７１】
なお、上記の各中空素材は、その表面に潤滑処理を施し後、金型を保護するために３００℃に加熱してから成形加工に供した。
【００７２】
この時、図１に示す金型を構成するストレートマンドレル７０には外径３５ｍｍのもの、図７と図８に示す金型を構成する段付きマンドレル７には大径部の外径が３５ｍｍ、小径部の外径が３０ｍｍのものを用いた。また、図８に示す金型を構成するパンチ３には、内径が４２ｍｍのものを用いた。
【００７３】
具体的には、図７に示す金型を用いた従来例の逃がし穴法では、Ｓ１０Ｃ製の中空素材を対象に、カウンターパンチの面圧が１１００ＭＰａに相当する据込み率３５％の位置でパンチ３による加圧を一旦停止し、段付きマンドレル７を下降させて被加工材料の中央部に空間を形成した後、パンチ３による加圧を再開し、据込み率が３８％になった時点で加工を終了した。
【００７４】
図８に示す金型を用いた比較例の捨て軸法では、Ｓ１０Ｃ製とＳＣｒ４２０Ｈ製の中空素材を対象に、パンチ３による加圧を加工の途中で停止することなく、据込み率がＳ１０Ｃ製の場合では４３％、ＳＣｒ４２０Ｈ製の場合では４４％になった時点で加工を終了した。
【００７５】
図１に示す金型を用いた本発明の方法では、Ｓ１０Ｃ製の中空素材を対象に、インナーパンチ３ａの工具面圧（制御面圧）を８００ＭＰａと７２０ＭＰａの２通りに設定し、両パンチによる加圧開始後におけるインナーパンチ３ａの工具面圧が前記の８００ＭＰａと７２０ＭＰａになった時点で、これらの工具面圧を０．３秒間保持した後にその加圧力を０（ゼロ）する一方、アウターパンチ３ｂによる加圧を停止することなく継続し、アウターパンチ３ｂによる据込み率が３７％になった時点で加工を終了した。
【００７６】
なお、インナーパンチ３ａの工具面圧（制御面圧）を上記の値に設定したのは、その工具面圧が８００ＭＰａ超になると、ダイス孔内に形成された凹凸部１ａの凹部に対する被加工材料の自由表面積が消失する恐れがあることが事前の実験で確認されたためである。
【００７７】
そして、それぞれの方法において加工終了までに要した成形荷重の最大値（ｔｏｎ）とこの時のカウンターパンチの工具面圧を調べる一方、得られた各はすば歯車を観察し、歯部の成形の可否、欠肉の発生の有無、バリの発生の有無および歯部の成形が可能であったものの寸法を測定して基準値との寸法差（μｍ）を調べ、これらの結果を、表１に示した。
【００７８】
【表１】
0003951463.tif 000002
【００７９】
表１から明らかなように、図１に示す金型を用いる本発明の方法では、歯部の成形が可能で、欠肉もバリも発生していなかった。また、得られたはすば歯車の歯部の寸法精度は、歯形誤差が右歯３．５μｍと４．１μｍ、左歯４．８μｍと４．５μｍでＪＩＳ  Ｂ  １７０２に規定される０〜１級、歯筋誤差が右歯２．７μｍと３．４μｍ、左歯１．９μｍと２．６μｍでＩＪＳの０級、歯溝の振れが１０．２μｍと１６．５μｍでＪＩＳの０〜２級であり、良好であった。さらに、加工の終了までに要した成形荷重の最大値は、２３０ｔｏｎと２１０ｔｏｎであり、この時のカウンターパンチの工具面圧も１２１０ＭＰａと１１１０ＭＰａと低かった。
【００８０】
これに対し、図７に示す金型を用いる従来の方法では、歯先部に大きな欠肉の発生が認められ、歯部の成形が不可能であった。また、段付きマンドレル７とパンチ３またはカウンターパンチ８との隙間部に対応する部分にバリが発生していた。さらに、加工の終了までに要した成形荷重の最大値も、２５９ｔｏｎであり、この時のカウンターパンチの工具面圧も１３７０ＭＰａと高かった。
【００８１】
また、図８に示す金型を用いる比較法では、歯先部に欠肉の発生は認められず、歯部の成形は可能であったが、パンチ３の側の製品端面の中央部に大きなバリが発生していた。また、得られたはすば歯車の歯部の寸法精度は、歯形誤差が右歯３．９μｍと６．８μｍ、左歯５．５μｍと７．２μｍでＪＩＳの０〜３級、歯筋誤差が右歯３．５μｍと５．６μｍ、左歯３．６μｍと４．８μｍでＪＩＳの０級、歯溝の振れが１５．２μｍと２１．８μｍでＪＩＳの１〜２級であり、本発明の方法で得られたものにほぼ同等かまたはやや劣っていた。さらに、加工の終了までに要した成形荷重の最大値は、２２５ｔｏｎと２８６ｔｏｎで、本発明の場合とほぼ同じであった。なお、Ｓ１０Ｃ製のものに比べてＳＣｒ４２０Ｈ製のものの歯部の寸法精度が劣るほか、加工の終了までに要した成形荷重の最大値が高いのは、ＳＣｒ４２０Ｈの変形抵抗能の方がＳ１０Ｃよりも大きいためである。
【００８２】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、例えば自動車用のはすば歯車のような複雑な形状部分を有する精密部材を、低い加工力で高精度に成形することができる。また、マンドレルを具備する本発明の金型を用いて成形を行う場合には、素材の全てが製品になるので、材料歩留まりが向上し、製品の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法で用いる完全密閉型の金型の一例とその成形手順を説明するための模式的縦断面である。
【図２】  ボス付きのはすば歯車を成形する場合を示す模式的縦断面である。
【図３】  本発明の方法で用いる完全密閉型の金型の他の例とその成形手順を説明するための模式的縦断面である。
【図４】  完全密閉型の金型の参考例とその成形手順を説明するための模式的縦断面である。
【図５】  従来方法で用いられる完全密閉型の金型例とその成形手順を示す模式的縦断面である。
【図６】  他の従来方法で用いられる完全密閉型の金型例とその成形手順を示す模式的縦断面である。
【図７】  さらなる他の従来方法で用いられる完全密閉型の金型例とその成形手順を説明するための模式的縦断面である。
【図８】  比較例の方法で用いた不完全密閉型の金型例とその成形手順を説明するための模式的縦断面である。
【図９】  据込み率と工具面圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
１：ダイ、
１ａ：はすば歯車の歯部を成形するための凹凸部、
２、２０：被加工材料、
２０ａ：めくら穴、
３：パンチ、
３ａ：インナーパンチ、
３ｂ：アウターパンチ、
４：貫通孔、
５：穴あけポンチ、
６：めくら穴、
７：段付きマンドレル、
７０：ストレートマンドレル、
８、８０、８００：カウンターパンチ、
８ａ：ダイ１の凹凸部１ａに歯合する凹凸部、
９：バリ、
１０：複動プレスの基台、
１１：伸縮自在な部材（スプリング）、
１２：ポンチ。
【図１】
0003951463.tif 000003
【図２】
0003951463.tif 000004
【図３】
0003951463.tif 000005
【図４】
0003951463.tif 000006
【図５】
0003951463.tif 000007
【図６】
0003951463.tif 000008
【図７】
0003951463.tif 000009
【図８】
0003951463.tif 000010
【図９】
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