JP2007532774A - 粉末金属歯車の高密度化法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は粉末金属歯車のプレフォーム材の歯を高密度化する装置及び方法を提供する。ダイスは歯車の本体を受けるアパチャーと、歯車の歯を受ける複数の溝とを有する。溝は長さと、長さ方向において変化する幅とを有する。溝はアパチャーに関して正接方向に狭くなる。粉末金属歯車のプレフォーム材をダイスに押し込み、歯を溝の比較的狭い部分で塑性及び弾性変形させる。溝の狭い部分を通過して圧縮された後、歯は少なくとも部分的に復元する。ダイスにより画定される溝はハスバ歯車を形成する螺旋状でよい。

Description

本発明は歯車などのような粉末金属プレフォーム材の焼結後の高密度化に係る。

粉末金属製歯車及び他の粉末金属コンポーネントは、長い間鍛造コンポーネントの低コスト代用品を提供してきた。粉末金属成形法は機械加工に関連する高いコストを不要にする。しかしながら、従来法で製造される粉末金属コンポーネントは、伝動歯車のような高強度を要する用途の低コスト代用品として機能するために必要とされる十分な強度及び寸法公差を備えていない。

突き固め焼結した粉末金属コンポーネントの密度を増加させると強度を上げることができる。焼結済み粉末金属コンポーネントの密度を増加する公知技術の１つはそのコンポーネントのロール成形である。例えば、米国特許第５，７１１，１８７号に示されるように、成形ダイス間で粉末金属歯車を圧延するとコンポーネントの密度を増加することができる。このロール成形の欠点のひとつに、粉末金属コンポーネントの密度がロール成形後では均一でないことがある。この問題は逆方向のロール成形により幾分緩和できるが、逆方向のロールに付随する追加処理ステップによりコストと複雑さが増すため、完全な解決法とはいえない。

粉末金属コンポーネントの密度を衝撃鍛造加工により増加させることも可能である。米国特許第２，５４２，９１２号及び５，００９，８４２号は衝撃鍛造法を詳述している。衝撃鍛造時、粉末金属コンポーネントはそのコンポーネントを成形する成形ダイスの開口を強制的に通過させられる。成形ダイスには閉じた端部があり、コンポーネントは閉じた端部に対して押圧されるため高密度化が促進または完了する。高密度化されたコンポーネントは成形ダイスの開いた端部から取り出される。衝撃鍛造法は一般的に大量生産には向かない。

発明の概要

本発明は、ハスバ歯車のような粉末金属コンポーネントの高密度化法及び装置を提供する。この方法は、本体及び本体から延びる複数の歯を有する突き固めた粉末金属プレフォーム材を焼結するステップを含む。粉末金属プレフォーム材は平歯車またはハスバ歯車のような歯車に成形可能である。この方法は、プレフォーム材の各歯を本体に関して正接方向に押し込むステップを含む。歯を横方向に押し込むことにより、歯を高密度化し、粉末金属コンポーネントの強度を増加することができる。

本発明はまた、プレフォーム材の歯を押し込む装置を提供する。詳述すると、本発明はアパチャー及び複数の溝を内部に有するダイスを提供する。ダイスのアパチャーはプレフォーム材の本体を受けることが可能であり、溝は歯をそれぞれ受けることが可能である。溝はアパチャーから外方に延び、長さと幅を有する。

各溝の幅は長さ方向において変化する。詳述すると、溝は長さ方向に狭いまたはくびれた部分を有する。粉末金属プレフォーム材をダイスを通して移動させることにより、各歯を粉末金属プレフォーム材の本体に関して正接方向に押し込むことができる。特に、各歯は溝の狭い部分に押し込むことが可能である。プレフォーム材をハスバ歯車として成形する場合は、プレフォーム材をダイスを介して移動させる時に軸方向に移動させて回転させることができる。

本発明は粉末金属物品の製法を提供する。この方法は、直径１４の円柱状本体１２を有する突き固めた粉末金属プレフォーム材１０を焼結するステップを含む。このプレフォーム材１０はまた、円柱状本体１２から先端部１８へ突き出た複数の歯１６を有する。これら複数の先端部１８ａは先端部直径２０を決定する。

本発明はまた、それぞれの歯１６を円柱状本体１２に関して正接方向に押し込むステップを有する。この押し込みステップの間、本体直径１４及び先端部直径２０を実質的に維持することができる。押し込み時、各歯１６はそれぞれの歯１６の縦軸に対して横方向に塑性及び弾性変形される。歯１６の押し込みにより歯１６の高密度化が促進される。

本発明の方法は、全体を本願の一部として引用する米国特許第６，１６８，７５４号に記載された複数の歯１６及び円柱状本体１２の半径方向押し込みのような別のステップも含む。

本発明はまた、押し込みステップを実行する押し込み装置３２を提供する。押し込み装置３２は粉末金属プレフォーム材１０を受けて成形するダイス２２を有する。このダイス２２は工具鋼またはダイスの形成に使用される他の任意適当な材料で製造可能である。ダイス２２は頂面３４と底面３６とを有する。アパチャー２４が頂面３４と底面３６の間を延びる。ダイス２２は、頂面及び底面３４、３６の一方または両方とアパチャー２４の間の、丸くしたまたは面取り部分４４のような遷移部を備えるようにしてもよい。

複数の溝２６はアパチャー２４から半径方向外方に延びる。複数の溝２６はそれぞれ、歯形断面２５、２５ａのような一対の歯形断面により画定される。これらの歯形断面２５、２５ａはアパチャー２４の中心から半径方向内方に所定の高さを延びる。円柱状本体１２はアパチャー２４内に受容され、歯１６は溝２６に個々に受容される。図示の実施例では、溝２６は螺旋状である。ダイス２２はハスバ歯車として成形されるプレフォーム材１０を受ける。しかしながら、本発明は平歯車を受ける真直ぐな溝を有するダイスを用いて実施することも可能である。

図２−４を参照して、複数の溝２６はそれぞれ、頂面３４と底面３６の間で規定される長さ２８を有する。さらに、各溝２６はアパチャー２４と外側表面５４の間を延びる深さ４６を規定する。深さ４６は長さ２８の方向において実質的に一定でよい。深さ４６は歯１６の高さに一般的に対応する。複数の表面５４は先端部直径２０に対応する直径を規定する。

各溝２６は長さ２８の方向において変化する幅３０、４０も有する。例えば、溝２６は第１の幅３０の第１の部分３８と、第２の幅の第２の部分４０とを有する。幅３０は歯１６の幅に一般的に対応する。第２の幅４２はアパチャー２４に関し正接方向に第１の幅３０より狭い。

第２の部分４０は砂時計形の部分５０を画定する。砂時計形部分５０はテイパー付きでくびれた、または傾斜した、もしくは徐々に狭くなる部分７４を有し、幅３０ａは幅４２に向かって狭くなる。砂時計形部分５０はまた、テイパー付きで拡がる、または傾斜した、もしくは徐々に幅が広くなる部分７６を有し、幅４２は幅３０に向かって広くなる。幅３０及び３０ａは同じでもよいし、異なる値でもよい。砂時計形部分５０は頂面３４と底面３６の間で長さ２８方向において等間隔でよい。

頂面３４に隣接するアパチャー２４と溝２６とは、プレフォーム材１０を受ける軸６８を有するダイス開口５６を画定する。アパチャー２４と複数の表面５４とは同軸関係にあり、頂面３４に実質的に垂直に延びるため、またダイス２２は真直ぐな壁のダイスである。

図１を参照して、操作時、粉末金属プレフォーム材１０をパンチ５８に関連して操作することができる。パンチ５８によりプレフォーム材１０を軸６８に沿って軸方向に且つ回転方向に移動させることができる。パンチ５８によりプレフォーム材１０を頂面３４に隣接して配置されたスペーサ６０に軸方向且つ回転方向に押し込む。スペーサ６０はダイス２２のダイス開口５６にプレフォーム材１０を容易に挿入できるようにする。スペーサ６０はまた、歯１６を受けてその移動を案内するためにダイス２２の溝２６に整列する溝６２を有する。スペーサ６０は、プレフォーム材１０が不整列の場合に損傷を受ける可能性を減少するために粉末金属プレフォーム材１０よりも比較的軟らかな材料で形成すればよい。

パンチ５８によりプレフォーム材１０をダイス２２に回転方向且つ軸方向に押し込む。支持スペーサ６４を底面３６に隣接する位置に配置して、プレフォーム材１０がダイス２２を通過する時にダイス２２を支持させることができる。スペーサ６４は歯１６を受けてその移動を案内するために溝２６に整列する溝６６を有する。

プレフォーム材１０がダイス２２を通過する時、複数の歯１６はそれぞれ個々の溝２６の縮幅部分４２を通過する。溝２６の縮幅部分４２は、溝２６の反対側に位置する、歯形断面２５、２５ａにより画定される拡幅領域に対応する。歯１６は砂時計部分５０の縮幅部分７４に沿って移動する時徐々に圧縮変形する。歯１６が最も圧縮されるのは、歯１６の幅が第２の幅４２に対応する第２の部分４０の所である。第２の部分４０は歯１６の材料を横方向に変位させて、本体部分１２に関して正接方向に圧縮力を向け、歯１６の高密度化を促進する。

軸６８に沿う移動時に歯が第２の部分４０を通過した後、これらの歯は砂時計形部分５０の拡幅部分７６に沿って正接方向外方への拡大を許容されるため、第２の部分４０に遭遇する前の変形のうち少なくとも一部または好ましくは実質的に全ての弾性変形が復元される。溝２６の拡幅部分７６は、溝２６の反対側の歯形断面２５、２５ａにより画定される縮幅領域に対応する。

図５に示すように、ダイス２２を組立てて多段成形工具にすることが可能である。複数のダイス２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃをダイス開口５５、５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃが軸６８を中心として同軸関係となるように軸方向に離隔配置することができる。ダイス開口５６、５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃは一般的に同一形状であるがサイズが異なるようにしてもよい。例えば、最小のダイス開口５６を一方の軸方向端部７０に配置し、最小のダイス開口５６Ｃを第２の軸方向端部７２に配置することができる。

ダイス２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを、これらのダイスを軸方向離隔関係に固定するスペーサプレート６４、６４Ａ、６４Ｂにより分離してもよい。軸６８に沿う移動時にプレフォーム材１０を回転させて複数のダイス２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのそれぞれを通過させることができる。さらに、ダイス２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの任意の１つを移動する時に、本体１２の本体直径１４と複数の先端部１８の先端部直径２０を維持することができる。

本発明の多数の変形例が上記の開示に鑑みて可能であることが明らかである。従って、本発明は頭書の特許請求の範囲内において図示説明した実施例以外のやり方で実施可能であることを理解されたい。本発明は特許請求の範囲によって規定される。

本発明の実施例による粉末金属プレフォーム材とダイスの部分断面斜視図である。 図１に示すダイスの側断面図である。 図１−２に示すダイスの第１の頂部断面図であり、溝の狭い部分を含む平面に沿う断面を示す。 図１−３に示すダイスの第２の頂部断面図であり、溝の広い部分を含む平面に沿う断面を示す。 図１−４に示すダイスと複数の同様な構成のダイスを含む多段成形工具の概略的軸方向断面図である。

Claims (19)

1. 粉末金属物品を製造方法であって、
   複数の歯を有する突き固めた粉末金属プレフォーム材を焼結し、
   歯形断面がプレフォーム材の歯と係合して高密度化する、プレフォーム材の軸方向移動方向において断面の少なくとも先行部分にわたる拡幅領域を有する第１のダイスを介して粉末金属プレフォーム材を軸方向に強制的に移動させるステップより成る方法。
2. プレフォーム材の歯の間を延びる案内歯を有する第１のスペーサにより粉末金属プレフォーム材を第１のダイスと係合するように案内するステップを含む請求項１の方法。
3. 第１のダイスの歯形断面を螺旋状に形成するステップを含む請求項２の方法。
4. 第１のスペーサの案内歯を螺旋状に形成するステップを含む請求項３の方法。
5. ダイスを介する軸方向移動の間プレフォーム材の歯の先端部直径を実質的に一定の値に維持するステップを含む請求項３の方法。
6. プレフォーム材を拡幅領域から歯形断面により画定される縮幅領域へ通過させるステップを含む請求項３の方法。
7. 複数の軸方向に並んだスペーサと、それぞれの歯形断面がプレフォーム材の歯を段階的にさらに高密度化するように構成されたダイスとを用意するステップを含む請求項３の方法。
8. 複数のダイスのそれぞれの歯形断面及びスペーサのそれぞれの案内歯をプレフォーム材の歯の螺旋構造に対応する共通の螺旋軸に沿って整列させ、
   複数のダイスのそれぞれの歯形断面をプレフォーム材の歯を段階的に高密度化するように順次狭くなるように形成するステップを含む請求項７の方法。
9. 粉末金属の焼結済みハスバ歯車のプレフォーム材の歯を高密度化する装置であって、
   軸方向に延びる螺旋状の歯を有する少なくとも１つの案内部材と、
   螺旋状の歯が少なくとも１つの案内部材の螺旋状の歯に対して軸方向に次々に整列した少なくとも１つの高密度化ダイスとより成り、高密度化ダイスの螺旋状の歯の幅は軸方向において変化し、案内部材の隣接する螺旋状の歯の間の空間よりも狭い隣接する歯の間にくびれた領域を画定する高密度化装置。
10. 少なくとも１つの案内部材はさらに複数の案内部材であり、少なくとも１つの高密度化ダイスはさらに複数の高密度化ダイスであり、複数の案内部材及び複数の高密度化ダイスは軸方向に交互に配置される請求項９の装置。
11. 複数の高密度化ダイスによりそれぞれ画定される狭い領域はプレフォーム材を段階的に高密度化するために段階的に小さくなる請求項１０の装置。
12. 少なくとも１つの高密度化ダイスは少なくとも１つの案内部材に隣接する頂面を有し、少なくとも１つの高密度化ダイスの螺旋状の歯はそれぞれ頂面と協働して丸くなるようにまたは面取り状に画定されている請求項９の装置。
13. 少なくとも１つの高密度化ダイスの螺旋状の歯はそれぞれ軸方向の長さと、軸方向の長さ方向において実質的に一定の高さとを画定する請求項９の装置。
14. くびれた部分は長さ方向の実質的に中心に位置する請求項１３の装置。
15. 粉末金属物品を製造するダイスであって、
    頂面と、
    頂面から離隔した底面と、
    直径を有し、頂面と底面の間を延びるアパチャーと、
    頂面と底面の間をアパチャーから半径方向外方に延びる複数の溝とより成り、複数の溝はそれぞれ長さと、長さ方向に変化する幅とを有するダイス。
16. 各溝は長さ方向において砂時計形の部分を画定する請求項１５のダイス。
17. 砂時計形部分は頂面と底面の間でそれらから等距離にある請求項１６のダイス。
18. 溝は螺旋状である請求項１５のダイス。
19. 直径は頂面と底面の間で実質的に一定である請求項１５のダイス。

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