(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも浅い部分と深い部分とでは形状が異なり且つ底を有する複数段の孔を先端面に有するシャフトの製造方法であって、素材の先端面に、その表面側が大径側となるように底を有する円錐台状の下孔を予め設けておき、前記複数段の孔の形状に対応した雄型のパンチを前記下孔に押し込んで前後方押し出し加工を行ない、前記複数段の孔を成形することを特徴とするシャフトの製造方法。
【請求項２】
前記複数段の孔として二段の孔を先端面に有するシャフトの製造方法であって、前記円錐台状の下孔の開口側の直径は、開口側の孔の完成時の内径寸法と同じ又は若干大きい程度の寸法とし、前記下孔の底側の直径は前記開口側の直径の半分程度の寸法とし、前記下孔の軸方向深さは、前記二段の孔の完成時の深さと略同じ寸法に設定する請求項１記載のシャフトの製造方法。
【請求項３】
前記複数段の孔は、前記浅い部分と前記深い部分とのそれぞれにおいて内周面が周方向に凹部と凸部とを繰り返す平面形状が十字の孔であって、前記浅い部分と前記深い部分とでは前記凹部同士並びに前記凸部同士の周方向位置がずれている請求項１又は請求項２記載のシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、少なくとも浅い部分と深い部分とでは形状が異なり且つ底を有する複数段の孔を先端面に有するシャフトの製造方法に関し、特に、そのような複数段の孔を有するシャフトを、低コストで高精度に製造できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような複数段の孔を有するシャフトが利用されるものとして、例えば本出願人が先に提案した特開平８−２０７７９８号公報に開示されたトルクセンサがある。
【０００３】
即ち、上記公報に開示されたトルクセンサにあっては、入力軸と出力軸とをトーションバーを介して連結するとともに、入力軸及び出力軸の一方の先端部には十字形状の突起（十字突起）が形成されるとともに、その十字突起に続いた軸部分の所定長さ範囲に、複数の螺旋溝が形成され、その複数の螺旋溝が形成された部分を包囲するように、センサリングが配設されている。そして、センサリングの内周面には、円周方向に連続した２列の円周溝が形成されていて、その円周溝と螺旋溝とで形成される隙間に、複数のボールが転動可能に収容されている。また、入力軸及び出力軸の他方の端部が、その一方とセンサリングとの間に差し込まれるとともに、その入力軸及び出力軸の他方の端部に形成された軸方向に延びるスリット内に、一部のボールが収容されるようになっている。従って、入力軸及び出力軸間にトルクに応じてトーションバーの捩れを伴った相対回転が生じると、センサリングが、ボール及び螺旋溝に案内されて軸方向に変位するから、そのセンサリングの変位の方向及び大きさを検出することにより、入力軸及び出力軸に発生しているトルクを検出できる、というものであった。
【０００４】
そして、入力軸及び出力軸の一方の端部に形成された十字突起は、その他方の先端面に形成された十字形状の孔に回転方向に所定の隙間が形成されるように挿入されていて、これにより、入力軸及び主力軸間の相対回転を所定角度範囲内に規制するようにしている。
【０００５】
このように、入力軸及び出力軸の他方の先端面には、十字突起が挿入される十字形状の孔が形成されるのであるが、その入力軸及び出力軸の他方には、トーションバーの端部をスプライン結合する必要があるため、十字孔のさらに深部にはスプライン結合用の孔を形成する。従って、その入力軸及び出力軸の他方の先端面には、浅い部分（二段目）は十字突起を挿入するための形状に、深い部分（一段目）はトーションバーをスプライン結合するための形状に形成された、二段の孔を加工する必要がある。
【０００６】
そして、シャフトの先端面に上記のような二段の孔を形成する場合、一般的には、機械加工が適用されていた。具体的には、円柱形状の丸棒を所定の長さに切断してなる素材の外周面を旋削加工し、次いで、一段目及び二段目の孔のそれぞれを、フライス加工等により加工する。その後、硬度が必要な部位については熱処理を行う、というものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような機械加工では、加工時間が非常に長くかかり、加工機械にマシニングセンタ等の高価な機械を使用しなければならず、切削工具の寿命も短く、切削加工後の表面粗さが悪く、機械加工後に熱処理も必要である、という種々の要因から、加工コストが嵩むという問題点がある。
【０００８】
一方、鍛造加工により上記のような二段の孔を加工することも考えられるが、その場合には、各段の孔毎に工程を分け、一段ずつ孔を成形するというのが一般的である。このため、ワーク搬送時の姿勢のずれ、格段の孔を加工するためのパンチの取付精度、成形工程を分けることによる孔の形状の崩れ等の問題により、各段の孔の形状精度や、各段の孔同士の同軸度や回転方向のずれ量等の精度が低くなってしまう。
【０００９】
そこで、素材の先端面に二段の孔の形状に対応した雄型のパンチを押し込むことにより、二段の孔を一回の工程で同時に成形することが望まれるのであるが、上記トルクセンサ用のシャフトのように、十字形状の孔の最大径と、シャフト外径との差が小さい場合、鍛造前の素材の外径寸法が完成後のシャフトの外径寸法に近い値であると、成形時の断面減少率が大きくなってしまい、成形荷重が高くなり、ダイスやパンチ等の工具が破損し易くなりその寿命が短くなってしまう。また、仮に一回の工程で二段の孔が成形できたとしても、孔が深いため、孔底付近に割れが生じてしまう可能性が比較的高くなってしまう。
【００１０】
そして、成形荷重を下げるために、素材外径を太くし、成形時の断面減少率を下げた場合には、孔を加工した後に、素材の外周面等を切削加工することにより除去する量が多くなってしまい、極めて非経済的である。
【００１１】
本発明は、このような従来の技術における種々の未解決の課題に着目してなされたものであって、トルクセンサ等に用いられる特定形状のシャフトを、低コストで高精度に製造できる方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも浅い部分と深い部分とでは形状が異なり且つ底を有する複数段の孔を先端面に有するシャフトの製造方法であって、素材の先端面に、その表面側が大径側となるように底を有する円錐台状の下孔を予め設けておき、前記複数段の孔の形状に対応した雄型のパンチを前記下孔に押し込んで前後方押し出し加工を行ない、前記複数段の孔を成形するようにした。
【００１４】
また、複数段の孔が例えば上記トルクセンサ用シャフトのように二段の孔であって、下孔が円錐台状の孔の場合、下孔の開口側の直径（大径）Ｄ1 と、下孔の底側の直径（小径）Ｄ2 と、下孔の軸方向深さＨのそれぞれは、大径Ｄ1 は、二段目（開口側）の孔の完成時の内径寸法と同じ又は若干大きい程度の寸法とし、小径Ｄ2 は、大径Ｄ1 の半分程度の寸法とし、高さＨは、一段目（底側）の孔の完成時の深さ（つまり、二段の孔の完成時の深さ）と略同じ寸法に設定することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１乃至図６は、本発明の一実施の形態を示す図であって、これは、本発明に係るシャフトの製造方法を、上記公報に開示されたトルクセンサ用シャフトの製造方法に適用したものである。
【００１７】
即ち、図１は、本実施の形態における製造対象であるシャフト１の各製造段階毎における斜視図（軸に沿って半分を除去した状態での斜視図）であり、（ａ）は素材２の斜視図、（ｂ）は素材２の先端面２ａに二段孔３を鍛造した段階におけるシャフト１の斜視図、（ｃ）は仕上加工を終えた後のシャフト１の斜視図である。なお、図１（ａ）〜（ｃ）では、特に凹んだ部分の形状を把握し易くするために、外形線以外の部分に補助線を入れている。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、シャフト１の素材２は、比較的小径の軸部２Ａと、その軸部２Ａの一端部に連続的に形成された比較的大径の頭部２Ｂと、軸部２Ａと頭部２Ｂとの間を連続的に径が変化して接続するテーパ部２Ｃと、から構成された円柱形の部材である。素材２の頭部２Ｂ側の先端面２ａには、この素材２と同軸に、円錐台状の下孔４が形成されている。この下孔４は、より詳細には、頭部２Ｂの一部破断正面図である図２R>２にも示すように、先端面２ａの表面側が大径Ｄ1 、底側が小径Ｄ2 で、斜面と底の周縁部との間が滑らかに接続した略円錐台状の凹部である。大径Ｄ1 は、二段孔３の二段目の孔３Ｂの内径寸法と同じ程度の寸法とし、小径Ｄ2 は、大径Ｄ1 の半分の寸法としている。また、下孔４の高さＨは、二段孔３の深さと略同じ寸法としている。この下孔４の各部寸法は、厳密なものではなく、おおよそ上記程度の寸法に成形すればよい。なお、下孔４の成形方法は、特に限定されるものではなく、例えばフライス加工により成形することができる。
【００１９】
そして、素材２の先端面２ａに、下孔４を利用した一回の鍛造加工によって、図１（ｂ）、図３及び図４に示すような、二段孔３を成形する。なお、図３は、図１（ｂ）の段階におけるシャフト１を先端面２ａ側から見た平面図、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。
【００２０】
二段孔３は、一段目（底側）の十字孔３Ａと、二段目（開口側）の十字孔３Ｂとから構成された、その浅い部分と深い部分とでは形状の異なる二段の孔であって、十字孔３Ａ及び３Ｂのいずれも、内周面が９０度毎に凹部３ａと凸部３ｂとを繰り返す平面形状が十字の孔である。なお、この例では、十字孔３Ａと十字孔３Ｂとでは、凹部３ａ同士並びに凸部３ｂ同士の周方向位置が、丁度半周期ずれている。
【００２１】
図５は、素材２の先端面２ａに、二段孔３を、一回の鍛造工程により成形するための加工装置１０の正面断面図であり、鍛造工程が略完了した時点の状態を示している。
【００２２】
この加工装置１０は、水平に固定される下プレート１１を有し、この下プレート１１の上面中央部の円形に凹んだ凹部１１ａ内には、軸を上下方向に向けて立った状態で、上下面が開口した円筒体１２が固定されていて、この円筒体１２内には、スペーサ１３、下側受圧板１４及び上側受圧板１５が、下方からこの順序で積み重なった状態で収容されている。
【００２３】
スペーサ１３には、これを円筒体１２と同軸に上下に貫通する貫通孔１３ａが形成されていて、この貫通孔１３ａ内には、ノックアウトピン１６の頭部１６ａが収容されるようになっている。なお、ノックアウトピン１６の頭部１６ａと一体の軸部１６ｂは、下プレート１１等を下方から貫通していて、この軸部１６ｂは通常は図５の状態にあって、その頭部１６ａは貫通孔１３ａ内に完全に収容されているが、鍛造工程完了後にシャフト１をこの加工装置１０内から取り出す際には、軸部１６ｂを上方に押し出して頭部１６ａを下側受圧板１４内に挿入するようになっている。
【００２４】
下側受圧板１４には、これを円筒体１２と同軸に上下に貫通する比較的大径の貫通孔１４ａが形成されていて、この貫通孔１４ａ内には、カウンタパンチ１７が収容されている。また、上側受圧板１５にも、これを円筒体１２と同軸に上下に貫通する貫通孔１５ａが形成されていて、カウンタパンチ１７の下端部がスペーサ１３上に乗った状態で、カウンタパンチ１７の鋭利な先端は、貫通孔１５ａの下部に入り込むようになっている。
【００２５】
上側受圧板１５の貫通孔１５ａは、その上側部分１５ｂが下側部分１５ｃよりも大径となっている。より具体的には、下側部分１５ｃの直径は、この加工装置１０で加工される前の素材２の軸部２Ａの直径よりも若干大きい程度の寸法となっていて、上側部分１５ｂの直径は、その素材２の軸部２Ａの直径よりも大きく頭部２Ｂの直径よりも小さい寸法となっている。なお、貫通孔１５ａの直径を上下位置で上記のように異ならせたのは、鍛造加工する際に、素材を後方（図５の場合は、上方）のみに押し出すのではなく、後方及び前方（図５の場合は、上方及び下方）に押し出すことを可能にするためである。
【００２６】
さらに、上側受圧板１５の上面には、絞りダイス２０が載置されている。この絞りダイス２０は、上側が小径部２０Ａ、下側が大径部２０Ｂとなっていて、大径部２０Ｂの下半分だけが、円筒体１２の上部に入り込んでいる。そして、その大径部２０Ａと小径部２０Ｂとの段差部分に当るように、絞りダイス２０の上方から円板２１が外嵌していて、その円板２１の縁部分が、周方向の複数位置において円筒体１２の上端面にネジ止めされていて、これにより、絞りダイス２０が上側受圧板１５上面に押し付けられるから、絞りダイス２０、上側受圧板１５、下側受圧板１４及びスペーサ１３が、下プレート１１上に強固に固定され、鍛造加工時や、鍛造加工終了後に製品を取り出す際等に、それらの位置がずれてしまうことが防止されるようになっている。
【００２７】
そして、絞りダイス２０には、これを円筒体１２と同軸に上下に貫通する貫通孔２０ａが形成されている。この貫通孔２０ａは、その上側部分２０ｂが下側部分２０ｃよりも大径となっている。より具体的には、下側部分２０ｃの直径は、貫通孔１５ａの上側部分１５ｂの直径と同じ寸法となっていて、上側部分２０ｂの直径は、素材２の頭部２Ｂの直径よりも若干大きい程度の寸法となっている。なお、貫通孔２０ａの上部開口部は、素材２を受け入れ易いように、上側が広いテーパ状になっている。
【００２８】
一方、この加工装置１０は、水平に配置され、鍛造加工時に成形荷重が入力される上プレート２５を有しており、その上プレート２５の下面中央部には、パンチ２６が下向きに固定されている。具体的には、上プレート２５の下面中央部に形成された円形の浅い凹みである凹部２５ａ内に、成形荷重をパンチ２６に伝えるための円柱体２７が差し込まれていて、その円柱体２７の下面周縁部に下方から当接する固定用ブロック２８が上プレート２５にネジ止めされ、これにより、円柱体２７が上プレート２５の下面に固定されている。円柱体２７の下面中央部には、これと同軸に雄ネジ２７ａが固定されるとともに、その雄ネジ２７ａが、パンチ２６の基端部２６ａの上面中央部に螺合している。さらに、固定用ブロック２８の下面中央部に同軸に嵌まり込む肉厚の円筒体２９が、パンチ２６の基端部２６ａの下面周縁部に下方から当接した状態で、固定用ブロック２８にネジ止めされ、これにより、パンチ２６が、その先端部２６ｂを鉛直線に沿って下方に向けた状態で、上プレート２５の下面に固定されている。
【００２９】
また、上プレート２５の下面には、固定用ブロック２８の周囲を包囲するように、複数本（図５には、その内の一本のみを示す。）のガイドポスト３０が、その先端を鉛直線に沿って下方に向けた状態で固定されている。各ガイドポスト３０の下端部には、雄ネジ３０ａが形成されていて、ここにナット３１が螺合している。そして、各ガイドポスト３０は、一つの円板３２を上下に貫通していて、その円板３２は、各ガイドポスト３０に沿って相対的に上下方向に移動可能になっている。なお、各ガイドポスト３０と同軸に、円板３２を下方に付勢するコイルバネ３３が配設されている。但し、円板３２がガイドポスト３０から脱落することは、ナット３１によって阻止されている。
【００３０】
円板３２の中央部には、鍛造加工時に円筒体２９との衝突を避けるために、比較的大径の貫通孔３２ａが形成されるとともに、その円板３２の下面側中央部には、パンチガイド３５が固定されている。
【００３１】
そして、パンチガイド３５の中央部には、パンチ２６を案内可能な貫通孔３５ａが貫通するとともに、パンチガイド３５の下面には、絞りダイス２０の小径部２０Ａが嵌まり込むことが可能な凹部３５ｂが、貫通孔３５ａと同軸に形成されている。従って、パンチガイド３５が図５の位置にあってその凹部３５ｂに絞りダイス２０の上面が嵌まり込むと、貫通孔３５ａと、絞りダイス２０の貫通孔２０ａとは、同軸となる。
【００３２】
鍛造加工を行う前は、上プレート２５及びこれに保持された部材全体が、上方に移動する。その際、パンチガイド３５と絞りダイス２０との間が離れるため、コイルバネ３３の付勢力によって円板３２がガイドポスト３０に沿って下方に移動し、パンチガイド３５もパンチ２６に沿って下方に移動し、相対的にパンチ２６の先端部２６ｂが上昇し、その先端部２６ｂの多くの部分がパンチガイド３５の貫通孔３５ａ内に収容され、パンチ２６の先端面は、パンチガイド３５の下端面よりも上方に位置するようになる。
【００３３】
この状態で、図６に示すように、素材２を絞りダイス２０の貫通孔２０ａ内にセットする。
【００３４】
そして、上プレート２５及びこれに保持された部材全体を徐々に下方に移動する。すると、パンチガイド３５の下面の凹部３５ｂに絞りダイス２０の上面が嵌まり込み、これにより、絞りダイス２０の貫通孔２０ａとパンチ２６との同軸度が確保される。
【００３５】
その後、さらに荷重を加えて上プレート２５を下方に押し込むと、パンチガイド３５の下降は絞りダイス２０によって阻止されているから、コイルバネ３３の付勢力に抗しつつ円板３２がガイドポスト３０に沿って相対的に上昇し、パンチ２６の先端部３６ｂが下方に押し出され、絞りダイス２０の貫通孔２０ａ内に挿入される。このとき、貫通孔２０ａ及び貫通孔３５ａは同軸になっているため、パンチ２６は垂直に絞りダイス２０の貫通孔２０ａ内に挿入され、パンチ２６には無理な横荷重が掛からない。
【００３６】
そして、さらに荷重を加えて上プレート２５を下方に押し込むと、パンチ２６がさらに下方に押し出され、その先端部３６ａが素材２の下孔４内に押し込まれる。すると、素材２の頭部２Ｂの各部分が前後に押し出され、二段孔３が成形される。
【００３７】
ここで、二段孔３の成形過程をより具体的に説明すると、成形荷重の低い成形初期には、頭部２Ｂが主として後方に押し出されることにより、二段目の孔３Ｂが成形される。さらに、二段孔３の深さが確保されるまでパンチ２６を押し込むのであるが、成形の初期から後期に移行すると、頭部２Ｂの材料が前方にも押し出されるようになる、つまり、貫通孔２０ａの下側部分２０ｂ内に材料が押し込まれるようになるから、成形荷重はそれほど大きくはならず、素材２に割れが生じる可能性も小さい。
【００３８】
これを、素材２の断面減少率との関係においてさらに詳述すると、本実施の形態では、下孔４が円錐台状であるため、パンチ２６の挿入深さ毎に、鍛造前の素材２の断面積が異なるという特徴がある。このため、成形初期には、比較的開口面積の広い下孔４の浅い部分が鍛造されるから、鍛造前後の断面積の変化は小さい、つまり、断面減少率は小さく、成形荷重も小さくて済む。これに対し、成形後期には、比較的開口面積の小さい下孔４の深い部分が鍛造されるから、鍛造後の素材２の断面積は大きくなるが、そもそも鍛造前の素材２の断面積も大きいから、断面減少率は増加せず、従って成形荷重はそれほど大きくならない。換言すれば、本実施の形態では、下孔４を円錐台状としたため、鍛造加工時の断面減少率を動的に変化させることができ、加工荷重をそれほど大きくせずに済むのである。また、下孔４の深さＨを上記の如く設定すれば、成形時の折れ込みも防止できる。
【００３９】
加工装置１０において鍛造加工が完了したら、上プレート２５を上昇させてパンチ２６をシャフト１から離脱させた後に、ノックアウトピン１６を上方に押し出してカウンタパンチ１７を上昇させ、シャフト１を上方に押し出して絞りダイス２０から取り出す。
【００４０】
その後、仕上げ加工を行って、シャフト１の外形及び端面を適宜切削し、所望形状で且つ所望寸法の図１（ｃ）のようなシャフト１を形成する。
【００４１】
そして、かかる仕上げ加工時には、シャフト１の不要な部分を切削するのであるが、本実施の形態のように、鍛造加工時の加工荷重をそれほど大きくしないで済む場合には、当初の素材２の外径を必要以上に太くする必要がないから、その当初の素材２の外径寸法を完成時のシャフト１の外径寸法に近い値にすることができ、その結果、仕上げ加工に要する時間が短くて済むし、切削量も少ない分材料コスト的にも有利である。
【００４２】
また、本実施の形態のように、二段孔３を一回の鍛造加工により成形する方法であれば、一段目の孔３Ａと二段目の孔３Ｂとの同軸度や回転方向ずれ量の精度も極めて高くすることができる。
【００４３】
さらに、下孔４の浅い部分と深い部分との径の比を変えることで、前方に素材２の材料を押し出すときの押し出し易さが変わり、パンチ２６の挿入停止位置を一定深さにした場合、後方（つまり、上方）への押し出し量が変わり、二段目の孔３Ｂの深さが変化するから、上記径の比を適宜選定することにより、二段目の孔３Ｂの深さを調整することも可能である。
【００４４】
なお、上記実施の形態では、本発明をトルクセンサ用シャフトの製造方法に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、その他のシャフトの製造方法であってもよい。
【００４５】
また、上記実施の形態では、二段孔３の製造方法に本発明を適用しているが、三段以上の孔を製造する方法であってもよいし、その断面形状も上記実施の形態のように十字孔に限定されるものではない。
【００４６】
【実施例】
本発明者等が、上記実施の形態と同じ加工装置１０を用いてシャフト１の製造を行ったところ、円錐台状の下孔４を素材２に設けた場合、成形荷重は１００トン、パンチ２６の寿命は、素材２の加工本数で１００００本以上であった。このときの加工方法は、前後方押し出し加工である。
【００４７】
これに対し、下孔４を設けなかった場合には、成形荷重は２００トンで、成形は所定寸法までは行えなかった。このときの成形方法は、後方押し出し加工であったが、パンチ２６の寿命は素材２の加工本数で数本であった。
【００４８】
また、下孔４を設けたが、加工方法を後方押し出し加工とした場合には、成形荷重は１５０トンで、成形は所定寸法まで行えた。パンチ２６の寿命は、素材２の加工本数で数百本であった。
【００４９】
以上の結果から、円錐台状の下孔４を素材２に設けることで、成形荷重を小さくでき、パンチ２６の寿命を大幅に延ばせることが判った。また、下孔４を設けた場合でも、加工方法として、前後方押し出し加工を行うことがより望ましいことが判った。
【００５０】
さらに、成形後の製品精度は、上記実施の形態のように一回の鍛造加工により二段孔３を成形した場合、一段目の孔３Ａと二段目の孔３Ｂとの同軸度は、０．０２ｍｍ以下、一段目の孔３Ａと二段目の孔３Ｂとの位相誤差は５′以下を達成できた。これに対し、それら一段目の孔３Ａと二段目の孔３Ｂとを別工程で成形した場合、同軸度は０．１ｍｍ、位相誤差は３０′が限界であった。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、素材の先端面に、その表面側が大径側となるように底を有する円錐台状の下孔を予め設けておき、複数段の孔の形状に対応した雄型のパンチを前記下孔に押し込んで前後方押し出し加工を行ない、複数段の孔を成形するようにしたため、成形荷重が小さくなってパンチの寿命が大幅に延びるとともに、製品精度を向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるシャフトの製造過程を示す斜視図である。
【図２】素材の頭部の正断面図である。
【図３】二段孔を成形した状態でのシャフトの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】鍛造加工を行う装置の断面図である。
【図６】素材を加工装置にセットした状態を示す図である。
【符号の説明】
１          シャフト
２          素材
２Ａ        軸部
２Ｂ        頭部
２ａ        先端面
３          二段孔（複数段の孔）
３Ａ        一段目の孔
３Ｂ        二段目の孔
４          下孔（円錐状の下孔）
１０        加工装置
２６        パンチ
【図１】
0003775072.tif 000002
【図２】
0003775072.tif 000003
【図３】
0003775072.tif 000004
【図４】
0003775072.tif 000005
【図５】
0003775072.tif 000006
【図６】
0003775072.tif 000007