(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に円筒状の軸部と、
上記軸部から延長してその断面径が次第に縮小するテーパ部と、
上記テーパ部から延長し螺旋状の歯筋を持つ歯が形成されている第１の歯部と、
上記第１の歯部から更に延長している第２の歯部であって、上記第１の歯部の歯筋の螺旋に沿って延長した歯筋を持ち、歯車伝動機構のための歯が形成された第２の歯部と
を有したヘリカルギアにおいて、
上記第１の歯部は、このヘリカルギアがダイスで成形されるときに、上記第２の歯部に流入する素材の流れを整えるため、上記第２の歯部の断面形状よりも歯形断面の全域において絞り量だけ大きい断面形状を有する素材導入型部の断面形状が残されたものであること
を特徴とするヘリカルギア。
【請求項２】
内周面に複数の螺旋状の凸条が形成された円筒状ダイスの内部に、その軸線方向に向けて素材を圧入することにより、その素材を塑性変形させて外周面に複数の螺旋状の歯を形成するヘリカルギアの製造方法において、
歯車伝動機構のための歯を形成する成形型部と、この成形型部に流入する素材の流れを整えるため、これよりも歯形断面の全域において絞り量だけ大きい内周面が形成されている素材導入型部とを有する円筒状ダイスを使用すること
を特徴とするヘリカルギアの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヘリカルギア及びそのヘリカルギアを製造する方法ならびに金型に関し、特に軸線方向への素材の圧入によって冷間鍛造されるヘリカルギア及びその鍛造による製造方法ならびに金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリカルギアの一種であるステアリング用のヘリカルピニオンギア、及び、そのヘリカルピニオンギアを製造する装置、ならびに、その製造方法の一例が特開平７−３０８７２９号公報、及び、特開平１１−１０２７４号公報に記載されている。これらの発明が対象とするヘリカルピニオンギアは、全体として円筒状をなすとともに外周面に螺旋方向に傾斜した歯が形成され、その歯の一端側にテーパ部を介して円筒部が形成された構造である。
【０００３】
この種のヘリカルピニオンギアを切削加工によって製造するとすれば、工程数が多くなるうえに、加工機が高価なものとなるから、結局、コスト高になる不都合があり、また転造によれば、奇数歯の場合に加工荷重の変動が生じ、これが原因となって歯型の精度が低下する不都合がある。
【０００４】
そこで特開平７−３０８７２９号公報、及び、特開平１１−１０２７４号公報では、円筒状のダイスに素材を軸線方向に圧入することにより、ヘリカルピニオンギアを冷間鍛造することとしている。
【０００５】
ヘリカルピニオンギアを鍛造する場合、形成するべき歯が軸線方向に対して傾斜しているから、歯の端部における面と歯の両側の面（歯面）とのなす角度が、各歯の一方の歯面と他方の歯面では相違している。そのために、素材の流動の様子が歯の両側で相違し、これが原因となって歯型の精度が悪くなる。
【０００６】
そこで、上記の従来の発明では、図７や図８（なお、以下の図７から図１０は上記特開平１１−１０２７４号公報を引用したものである。）に示すように、鍛造時の素材の流入方向Ｐを向く面、つまり、上歯面１Ｂの素材流入側端部に、この上歯面１Ｂの傾斜方向に対して反対方向に傾斜した面を有する三角形状の肉盛り部２を形成したり（図７）、この上歯面８Ｂの傾斜方向と同じ方向に傾斜した面を有する三角形状の肉盛り部７を形成したりしている（図８）。
【０００７】
このような形状の歯型を形成する鍛造型（ダイス）は、図９や図１０に示すように、歯溝を形成するための凸条３の端面４のうち前記上歯面１Ｂに対応する面つまり、型下歯面３Ｃ側の部分を三角形状に切除し、ここに切り下げ部５を形成した構成とする（図９）、あるいあは、型下歯面６Ｃとは反対側の部分を三角形状に切除し、ここに切り下げ部９を形成した構成とする（図１０）などしている。
【０００８】
特開平７−３０８７２９号公報の説明では、したがって、図９に示すように、上記従来のヘリカルピニオンギアでは矢印Ｐで示す方向に素材を流入させると、その一部は切り下げ部５によって矢印Ｐ１で示す方向に流れる。また素材の他の一部は凸条３の間に流入し歯を形成する他の面、つまり下歯面１Ｃに対応する凸条３の他の面、すなわち、型上歯面３Ｂに沿って流れる。その方向は図に矢印Ｐ２で示してある。このようにして、上記公報の鍛造方法では、素材の流動が両歯面側でほほ均等に生じ、その結果、歯型の精度が良好になる、とされている。
【０００９】
また、特開平１１−１０２７４２号公報に示されるヘリカルピニオンギアでは、図１０に示すように、矢印Ｑで示す方向に素材を流入させると、その一部は切り下げ部９によって矢印Ｑ１で示す方向に流れる。また素材の他の一部は凸条６の間に流入し、歯を形成する上歯面８Ｂに対応する凸条６の型下歯面６Ｃに沿って流れる。その方向は図に矢印Ｑ２で示してある。このようにして上記の公報の鍛造方法では、素材の流動が両端面側で材料の流動が促進され、また同様に、素材に対する捩りが抑制されるから、その結果、製造後の捩り変形による歯型誤差の生じない高精度のヘリカルギアを得ることができる、とされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−３０８７２９号公報においては、歯の端部に肉盛り部２を備えており、またこれを形成するための切り下げ部５がダイスに形成されていることにより、上歯面１Ｂ側への材料の流入および、この部分での材料の流動が促進される。しかしながら、歯の端部での材料の流動方向は、上記の矢印Ｐ1 、Ｐ2 で示したように、円周方向に対して反対向きになる。そのため素材を円周方向に対して拘束した状態でその外周側の肉を螺旋方向に捩ることになる。
【００１１】
したがって、上記従来の発明によるヘリカルピニオンギアでは、上歯面１Ｂ側への材料の流入が促進されているうえに、素材の捩りに起因する残留応力が生じているために、鍛造成形後に捩り変形が生じる。このような捩り変形は、全ての箇所について均一に生じるわけではなく、そのため歯型に狂いが生じ、結局、製品としてのヘリカルギアの精度が低いものとなる可能性があった。
【００１２】
一方、特開平１１−１０２７４号公報においては特開平７−３０８７２９号公報の肉盛り部２とは反対側に膨出部（肉盛り部７）を設けている。すなわち、歯の傾斜方向に連続して傾斜した膨出部（肉盛り部７）が、歯の端部に形成されているから、軸線方向に素材を押圧して鍛造を行う場合、その膨出部に対応する部分から歯に対応する部分への材料の動きが促進され、また同時に、素材に対する捩りが防止もしくは抑制され、その結果、製造後の捩り変形による歯型誤差が生じない。
【００１３】
しかしながら、材料の流動に関しては、捩りが防止もしくは抑制されるものの、歯型形状が金型（ダイス）通りに成形されることが難しい。特に歯先部は細くなって材料が流動し難い形状のため欠肉気味になり易い。すなわち材料は歯元の広い空間の方にながれ易く、この部分は金型に充満しやすいが、歯先部分は金型の空間が狭くなっているため、材料の流動が促進されず充満が不十分となり易い。材料は歯先に充満する方向に移動するよりも軸線方向（伸びる方向）に移動する方がエネルギーが少なくて済むので、軸線方向に逃げ易い。その結果、正確な歯型形状と精度を得ることが難しい。
【００１４】
また、上記の二つの先行例は、テーパ部１２と歯端部のつなぎ部についてのみ三角形状の肉盛り部２又は７を特定しており、この部分のみの形状を操作しても正確な歯形を得ることは無理である。すなわち歯成形部に及ぼす影響はこの部分のみの操作では限度があり、コントロールできない。
【００１５】
本発明は上記問題点を解決し、歯形形状精度が容易に得られる方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段により解決される。すなわち、第１番目の発明の解決手段は、実質的に円筒状の軸部と、上記軸部から延長してその断面径が次第に縮小するテーパ部と、上記テーパ部から延長し螺旋状の歯筋を持つ歯が形成されている第１の歯部と、上記第１の歯部から更に延長している第２の歯部であって、上記第１の歯部の歯筋の螺旋に沿って延長した歯筋を持ち、歯車伝動機構のための歯が形成された第２の歯部とを有したヘリカルギアにおいて、上記第１の歯部は、、このヘリカルギアがダイスで成形されるときに、上記第２の歯部に流入する素材の流れを整えるため、上記第２の歯部の断面形状よりも歯形断面の全域において絞り量だけ大きい断面形状を有する素材導入型部の断面形状が残されたものである。
【００１８】
第２番目の発明の解決手段は、内周面に複数の螺旋状の凸条が形成された円筒状ダイスの内部に、その軸線方向に向けて素材を圧入することにより、その素材を塑性変形させて外周面に複数の螺旋状の歯を形成するヘリカルギアの製造方法において、歯車伝動機構のための歯を形成する成形型部と、この成形型部に流入する素材の流れを整えるため、これよりも歯形断面の全域において絞り量だけ大きい内周面が形成されている素材導入型部とを有する円筒状ダイスを使用するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係わるヘリカルギア１０の１例を概略的に示しており、図２はその要部拡大図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ断面であり、歯１６及び歯部１３を左横から見た図である。
【００２４】
ヘリカルギア１０は、円柱状もしくは円筒状の軸部１１に続けてテーパ部１２が形成され、そのテーパ部１２の軸線方向での中間部から図１の下側に複数状の歯１６が形成されている。この部分の領域を素材導入部１４と称する。
【００２５】
この素材導入部１４における複数状の歯１６は、ピニオンとしてラックと噛み合うための後述する複数状の歯部１３（つまり、歯車伝動機構のための歯部１３）より大きい形状に設定してある。この部分は、図５及び図６（図６は拡大図）にその断面図を示すように、一点鎖線によって歯１６を示す形状に設定されており、実線で示した歯部１３より全域において大きくなっている。
【００２６】
図６において歯１６は歯部１３に対して図示のごとくＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４のような絞り量を設定している。このＴ１〜Ｔ４については図６では同程度の絞り量のように表示しているが、必ずしも同等である必要はない。むしろＴ１は小さ目であっても構わないし、Ｔ３とＴ４は同じでない方が良い。Ｔ１〜Ｔ４の量は０〜０．５ｍｍ程度に設定されるのが普通である。
【００２７】
素材導入部１４の軸方向の長さは、歯底部１６Ｄと歯先部１６Ａとでは異なってくるが、歯底部１６Ｄも確実に設定する方が好ましい。実用的には素材導入部１４の長さは歯底部１６Ｄの部分で１〜２ｍｍ程度である。素材導入部１４の長さ及び絞り量Ｔ１〜Ｔ４はワークの形状や大きさに応じて細部を調整して設定されるべきであり、そうすることにより、より高精度のヘリカルギアが得られる。
【００２８】
これらの歯１６は中心軸線を通る平面もしくは前記テーパ部１２の図１での下側に連続する円筒部分の母線に対して、所定の捩れ角α（図２）に設定されたはす歯であり、それぞの歯１６における歯先部１６Ａを挟んだ両側の歯面１６Ｂ、１６Ｃは略インボリュート曲線を摸した曲面に形成されている。なお、これらの歯面１６Ｂ、１６Ｃ、のうち前記軸部１１の方向を向く歯面１６Ｂを仮に上歯面１６Ｂとし、これとは反対側の歯面１６Ｃを仮に下歯面１６Ｃとする。
【００２９】
各歯１６のテーパ部１２側の端部には、ここから開始する歯１６が形成されており、従来例に示したような三角形状の膨出部は形成されていない。
【００３０】
素材導入部１４に続けて素材導入部１４の延長上に絞り部１５が設けられていて、この絞り部１５により素材導入部１４の複数条の歯１６から成形部１７の複数条の歯部１３の形状に至るつなぎ部を形成する。
【００３１】
この絞り部１５は素材導入部１４と成形部１７をつなぐ役割を果たすが、その形状は材料が塑性流動し易い様に、滑らかで緩いテーパで繋がっており、テーパと直線部のつなぎ部は円弧状のアール（不図示）となっている。つまり、素材導入部１４と成形部１７との間は、両者の形状を曲面で連続的に結ぶ絞り部が設けられている。この絞り部の角度は通常２〜１０度程度が適当である。
【００３２】
絞り部１５に続けて、図１あるいは図２の下側に、素材導入部１４の複数条の歯１６の延長になる形で、成形部１７が形成されている。この成形部１７には複数状の歯部１３が形成されている。これらの歯部１３は素材導入部１４の歯１６と同様に、中心軸線を通る平面もしくは前記テーパ部１２の図１での下側に連続する円筒部分の母線に対して所定の捩れ角αに設定されたはす歯であり、それぞれの歯部１３における歯先１３Ａを挟んだ両側の歯面１３Ｂ、１３Ｃはインボリュート曲線を摸した曲面に形成されている。なお、これらの歯面１３Ｂ、１３Ｃのうち前記軸部１１側を向く歯を上歯面１３Ｂとし、これとは反対側の歯面１３Ｃを下歯面とする。
【００３３】
上記のヘリカルピニオンギアは鍛造（塑性加工）によって作られる。その場合、上述した形状から知られるように、素材は軸部１１側から加圧され、テーパ形状に成形した後に材料の流動を生じさせて素材導入部１４を形成する。この素材導入部１４により歯１６を形成する。さらに絞り部１５により材料の流動を生じさせて成形部１７の歯部１３を形成する。
【００３４】
したがって、各歯部１３に至る素材導入部１４は、ここから歯部１３の部分に材料を供給する箇所になり、鍛造（塑性加工）終了に伴って余肉部として形成されるものである。つまり、素材導入部１４は後述のダイスの内面形状がそのまま残された部分である。
【００３５】
ここで、上記のヘリカルギア１０を鍛造するためのダイス２０について説明する。図４は、ダイス２０の概略的な構造を示す部分断面図である。また、図１１はダイス２０を切り欠いた斜視図である。このダイス２０は、要は素材２１を塑性変形させて上述した形状に成形するものであるから、その内面形状は、上記のヘリカルギア１０の外形形状に一致するものである。
【００３６】
すなわち、ダイス２０は全体としてはほぼ円筒状をなしており、その軸線方向での一端部（図４での上端部）が素材２１の導入側であり、ここに単純な中空円筒状の円筒型部２２が形成されている。この円筒型部２２に続けて内径が次第に減少するテーパ型部２３が形成されている。このテーパ型部２３は上述したヘリカルギア１０におけるテーパ部１２を形成するためのものである。
【００３７】
このテーパ型部２３の中間部から下側（図４での下側）に前記素材導入部１４の前記歯１６を形成するための複数の凸条２８が素材導入型部２６に形成されている。なお、この素材導入型部２６は後述する複数の凸条２４と類似の形状となっており、凸条２４よりわずかに大きい寸法形状に形成されている。
【００３８】
これらの凸条２８はダイス２０の中心部に向けて凸となっている部分であり、前記テーパ型部２３の内径が最も小さくなった部分を頂点部分としている。したがって各凸条２８の端面は前記テーパ型部２３の一部であり、あるいはテーパ型部２３に連続した面となっている。また各凸条２８は中心軸線を通る平面に対して所定の捩れ角αに設定されている。
【００３９】
上記の各凸条２８の頂部２８Ａは、ヘリカルギア１０における素材導入部１４の歯底部１６Ｄに対応する部分であって、凸条２８同士の間の溝部２９がヘリカルギア１０の素材導入部１４における歯１６に対応する。したがって各凸条２８の両側面２８Ｂ、２８Ｃはヘリカルギア１０における各歯面１６Ｂ、１６Ｃを成形するように、略インボリュート曲線を摸した曲面に形成されている。
【００４０】
なお、これらの側面２８Ｂ、２８Ｃのうち前記円筒型部２２側を向く側面２８Ｂが前記下歯面１６Ｃに対応し、この側面を仮に型上歯面２８Ｂとし、また反対側の側面２８Ｃが前記上歯面１６Ｂに対応し、この側面を仮に型下歯面２８Ｃとする。
【００４１】
この型上歯面２８Ｂの図４における上端部、より正確には、前記テーパ型部２３に入り込んでいる端部は、その上型歯面２８Ｂをそのまま延長した場合の捩れ角（傾斜角）αとほぼ同一となっている。したがって従来例のような三角形状の導入面は設けられていない。
【００４２】
この素材導入型部２６の延長上に連続して絞り型部２７が設けられており、これはヘリカルギア１０の絞り部１５に対応する。つまり、素材導入型部２６と後述の成形型部との間には、両者の内面形状を曲面で連続的に結ぶ絞り型部２７が設けられている。
【００４３】
この絞り型部２７に続いて絞り型部２７の延長上に連続して成形型部３０が形成されている。この成形型部３０には前記歯部１３を成形するための複数の凸条２４が形成されている。これら凸条２４は前記凸条２８と同様に、ダイス２０の中心部に向けて凸となっている部分であり、前記凸条２８の延長部であり、ダイス最内径部を頂点部分としている。各凸条２４は中心軸線を通る平面に対して、所定の捩れ角αに設定されている。
【００４４】
上記各凸条２４の頂部２４Ａはヘリカルギア１０における歯底部１３Ｄに対応する部分であって、凸条２４同士の溝部２５がヘリカルギア１０における歯部１３に対応する。したがって、各凸条２４の両側面２４Ｂ、２４Ｃはヘリカルギア１０における各歯面１３Ｂ、１３Ｃを成形するように、インボリュート曲線を摸した曲面に形成されている。
【００４５】
なお、これらの側面２４Ｂ、２４Ｃのうち前記円筒型部２２側を向く側面２４Ｂが前記下歯面１３Ｃに対応し、この側面を型上歯面２４Ｂとし、また反対側の側面２４Ｃが前記上歯面１３Ｂに対応し、この側面を型下歯面２４Ｃとする。成形型部３０の軸線方向の長さは１〜５ｍｍ程度が一般的であり、成形ランド部としての役割を持っている。
【００４６】
成形型部３０の下側（図４の下側）は成形型部３０よりごく僅か大きい逃げ部が連続して形成されている。この逃げ部の逃げ量は数ミクロン〜数十ミクロン程度に設定する。
【００４７】
図４におけるダイスを用いてヘリカルギア１０を成形するには、先ず、円筒状の素材２１をダイス２０の円筒部に嵌合させる。その状態でパンチ（図示せず）により素材２１をダイス２０に押し込んでゆく。その場合、先ず、素材２１の先端部がダイス２０のテーパ型部２３によって小径に変形させられ、ついで凸条２８が素材２１に食い込んで、歯１６および歯底部１６Ｄが成形される。すなわち凸条２８に沿った材料の流動が生じる。
【００４８】
より具体的には、素材２１のうち凸条２８に対応する部分は、材料が押し退けられ、これに対して凸条２８の間の部分すなわち歯１６に対応する部分は、容積の減少要因が無いため、凸条２８によって押し退けられた材料が、凸条２８の間に供給、充填される。この時、材料の流動が急激に生ずるから、この部分の成形においては凸条２８の形状が正確に実現しないで欠肉の状態になり易い。
【００４９】
このように欠肉状態になりながらも、素材導入型部２６を通過する間に材料の流れは整えられ、続けてさらに材料が押し出されることにより、歯１６が絞り型部２７に食い込んで全体的に絞られ、成形部１７が成形型部３０にて成形される。成形型部３０では材料は各凸条２４を通過することにより歯部１３および歯面１３Ｂ、１３Ｃ及び歯底部１３Ｄが形成される。すなわち絞り型部２７を経て成形型部３０により各凸条２４に沿った材料の流動が生じる。
【００５０】
この時不完全であった歯１６は再度材料流動により成形されるため、正確に凸条２４の形状が転写され、精度・形状共に完成された歯部１３が得られる。
【００５１】
このようにして素材２１の全量をダイス２０の内部に押し込むことにより、鍛造が終了し、図１に示す形状のヘリカルギア１０が形成される。その後、パンチを後退させ、ノックアウトピン（図示せず）で下方から突き上げることにより、ダイス２０からヘリカルギア１０を抜き取る。こうして得られたヘリカルギア１０は、軸部１１に続けてテーパ部１２が形成され、テーパ部１２から先端側に複数状の歯部１３が形成されたものとなる。そして各歯部１３とテーパ部１２の間にはダイス２０における素材導入型部２６に対応する素材導入部１４および絞り型部２７に対応する絞り部１５が形成される。
【００５２】
したがって、図４に示すダイス２０によって製造したヘリカルギア１０では、歯型の形状・精度がダイス２０の通り転写されるから、歯型の精度に狂いが生ぜず高精度のヘリカルギア１０とすることができる。このような作用は、歯の成形の前に素材導入部１４で歯１６が形成される過程において材料の流れが整えられた後、さらに続けて絞り部１５を形成することとし、また、そのためのダイス２０に前述した素材導入型部２６および絞り型部２７ならびに成形型部３０を設けたことにより生じるものである。
【００５３】
なお、この発明は、螺旋条の歯が形成された鍛造品に適用することができるので、ステアリング用のヘリカルピニオンギアに限定されるものではなく、スプラインなどにも適用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べた通りであるから、この発明のヘリカルギアによれば、歯の傾斜方向に連続して完成寸法より大きく設定された導入部が歯の端部に形成されているから、軸線方向に素材を押圧して鍛造を行う場合、その導入部に対応する部分から歯に対応する部分への材料の流動が滑らかに整えられ、また、同様に歯の成形状態に応じた適正な絞り量が与えられるから、その結果、製造後の歯型誤差の少ない高精度のヘリカルギアを得ることができる。
【００５５】
さらにこの発明のダイスによれば、素材導入型部と絞り型部の効果により、素材の塑性流動を無理なく滑らかに行うことができるから、歯形誤差の少ない高精度のヘリカルギアを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるヘリカルギア１０の１例を概略的に示す全体図である。
【図２】図１のヘリカルギア１０の要部拡大図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面で、歯１６及び歯部１３を左横から見た断面図である。
【図４】ダイス２０の概略的な構造を示す部分断面図である。
【図５】ラックと噛み合うための歯部１３を含むピニオンギアの部分断面図である。
【図６】一点鎖線によって歯１６を示している図５の拡大断面図である。
【図７】従来の技術におけるピニオンギアを説明するための説明図である。
【図８】他の従来の技術におけるピニオンギアを説明するための説明図である。
【図９】従来技術の鍛造型（ダイス）において、素材の流れを説明するための説明図である。
【図１０】他の従来技術の鍛造型（ダイス）において、素材の流れを説明するための説明図である。
【図１１】本発明におけるダイス２０を切り欠いて示した斜視図である。
【符号の説明】
１０  ヘリカルギア
１１  軸部
１２  テーパ部
１３  歯部
１３Ａ  歯先
１３Ｂ、１３Ｃ、１６Ｂ、１６Ｃ  歯面
１３Ｄ、１６Ｄ  歯底部
１４  素材導入部
１５  絞り部
１６  歯
１６Ａ  歯先部
１６Ｂ、１３Ｂ  上歯面
１６Ｃ、１３Ｃ  下歯面
１７  成形部
２０  ダイス
２１  素材
２２  円筒型部
２３  テーパ型部
２４、２８  凸条
２４Ａ、２８Ａ、  頂部
２４Ｂ、２８Ｂ、  型上歯面
２４Ｃ、２８Ｃ  型下歯面
２５、２９  溝部
２６  素材導入型部
２７  絞り型部
３０  成形型部
【図１】
0004300693.tif 000002
【図２】
0004300693.tif 000003
【図３】
0004300693.tif 000004
【図４】
0004300693.tif 000005
【図５】
0004300693.tif 000006
【図６】
0004300693.tif 000007
【図７】
0004300693.tif 000008
【図８】
0004300693.tif 000009
【図９】
0004300693.tif 000010
【図１０】
0004300693.tif 000011
【図１１】
0004300693.tif 000012