JP2009285688A - 中空歯形部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の高い中空歯形部品を、容易且つ高精度に製造することができる中空歯形部品の製造方法を提供すること。
【解決手段】円筒状素材３９から、大径部及び小径部を備える中空歯形部品を冷間鍛造により製造する製造方法であって、前記冷間鍛造は、前記円筒状素材３９の内周全体にパンチ３３を挿入した状態で成形を行う第１工程と、前記第１工程の後、前記円筒状素材３９の内周面の内、少なくとも一部４１は、前記パンチ３３に対向しない状態にて、前記第１工程における成形圧力よりも高い成形圧力で成形を行う第２工程と、を備えることを特徴とする中空歯形部品の製造方法。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば、多段歯車、多段歯形スプロケット等の中空歯形部品を冷間鍛造により製造する製造方法に関する。

従来、図１に示すような多段歯車を製造する方法として、以下の方法があった。
（１）直径が異なる２つの歯車をそれぞれ製造しておき、それらを圧入や特殊な溶接により結合する方法
（２）冷間鍛造により製造する方法（特許文献１参照）
（３）粉体を多段歯車の形に成形し、焼結により製造する方法
特開平７−１１２２３４号公報

しかしながら、上記（１）の方法では、２つの歯車を個々に製造する工程と、それらを結合する工程とが必要となり、工程数が増え、多段歯車の製造コストが上昇してしまう。また、上記（２）の方法では、いわゆる欠肉が生じ易く、精度が十分でない。また、上記（３）の方法では、多段歯車の強度が不十分となる。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、強度の高い中空歯形部品を、容易且つ高精度に製造することができる中空歯形部品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、
円筒状素材から、大径部及び小径部を備える中空歯形部品を冷間鍛造により製造する製造方法であって、前記冷間鍛造は、前記円筒状素材の内周全体にパンチを挿入した状態で成形を行う第１工程と、前記第１工程の後、前記円筒状素材の内周面の内、少なくとも一部は、前記パンチに対向しない状態にて、前記第１工程における成形圧力よりも高い成形圧力で成形を行う第２工程と、を備えることを特徴とする中空歯形部品の製造方法を要旨とする。

本発明では、冷間鍛造の第２工程において、円筒状素材の内周面の内、少なくとも一部は、パンチに対向しない状態にあるから、強い圧力で成形を行っても、余った素材はそのパンチに対向しない部分に逃げ、金型に過度の圧力がかかることがない。そのため、第２工程において十分な圧力で成形を行うことで、欠肉を生じさせず、高精度の中空歯形部品を製造することができる。

また、上述したように、金型に過度の圧力がかかることがないため、金型を損傷させてしまうことがなく、金型の寿命を長くすることができる。
また、本発明によれば、複数の歯車を別々に作り、それらを接着するような煩雑な工程が不要であるから、中空歯形部品の製造が容易であり、製造コストを低減できる。

また、本発明の製造方法は冷間鍛造を用いているので、粉体を焼結させて製造する方法に比べて、中空歯形部品の強度を向上させることができる。
前記第１工程及び前記第２工程のそれぞれにおいて、前記成形は、前方押し出し成形及び据え込み成形のうちの一方とすることができる。

前記円筒状素材は、例えば、冷間鍛造機で荒打ちすることにより、図３に示すような段付き円筒状素材とすることができる。こうすることにより、中空歯形部品の製造が一層容易になる。円筒状素材の材質は、炭素を含有した鋼が好ましい。円筒状素材は、例えば、組織を均一化するための周知の処理を施された中実のコイル材又は円筒状の素材から製造することができる。

前記「前記円筒状素材の内周面の内、少なくとも一部は、前記パンチに対向しない状態」としては、例えば、図６に示すように、円筒状素材３９の内周にパンチ１９、３３が挿入されているが、パンチ１９、３３間に隙間４１が存在する状態が挙げられる。この場合、円筒状素材３９の内周面のうち、一部はパンチ１９、３３と対向しているが、隙間４１においては、パンチ１９、３３と対向していない。

また、別の形態として、円筒状素材の内周に挿入されたパンチの外周面の一部に、軸方向（図６における上下方向）に沿った切り欠きが形成されている状態であってもよい。この場合、円筒状素材の内周面は、切り欠き以外の部分では、パンチと対向し、切り欠きの部分では、パンチに対向しない。

前記中空歯形部品としては、例えば、多段歯車、多段歯形スプロケット等が挙げられる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
１．多段歯車１の構成
本実施形態で製造する多段歯車（中空歯形部品）１の構成を図１に基づいて説明する。多段歯車１は、大径部３と、大径部３よりも直径が小さい小径部５とを、同軸上に備えている。大径部３の外周面には歯形３ａが形成され、小径部５の外周面には歯形５ａが形成されている。また、多段歯車１は、その中心を貫通する軸孔７を備えている。
２．鍛造装置９の構成
多段歯車１の製造に用いる鍛造装置９の構成を図２に基づき説明する。鍛造装置９は、固定された下型１１と、図示しない上下動駆動装置により、上下方向に移動可能な上型１３とから構成される。

上記下型１１は、上側ダイ１５、下側ダイ１７、カウンターパンチ１９、ダイスリーブ２１、ダイスリーブスペーサ２３、ノックアウトピン２５、カウンターパンチホルダー２７、及び下型クッションスプリング２９を備える。

上記上側ダイ１５は、多段歯車１の大径部３を形成するためのキャビティ１５ａを備えている。キャビティ１５ａの内周面には、大径部３の歯形３ａを形成するための歯形１５ｂが形成されている。

上記下側ダイ１７は、多段歯車１の小径部５を形成するためのキャビティ１７ａを備えている。キャビティ１７ａの内周面には、小径部５の歯形５ａを形成するための歯形１７ｂが形成されている。

上側ダイ１５及び下側ダイ１７には、キャビティ１５ａ及びキャビティ１７ａの中心と同軸上に、一連のカウンターパンチ孔３０が形成されており、そこに上記カウンターパンチ１９が、上下方向に摺動可能に挿入されている。カウンターパンチ１９は円筒状の金型であり、その中心軸がキャビティ１５ａ及びキャビティ１７ａの中心を通るように配置される。カウンターパンチ１９の上端部における外周はテーパー状に加工されている。

上記ダイスリーブ２１、ダイスリーブスペーサ２３、及びカウンターパンチホルダー２７は、カウンターパンチ１９を保持するとともに、後述する成形のときにストッパーとして機能する。また、成形後は、ノックアウトピン２５と連動して稼働する。

上記下型クッションスプリング２９は、その下端において下型１１の本体に当接し、上端においてカウンターパンチ１９に当接している。下型クッションスプリング２９は、通常時は伸長しており、カウンターパンチ１９の下型１１における位置を一定に維持するが、カウンターパンチ１９に圧力が加わったときは収縮して、カウンターパンチ１９を下方向に逃がす機能を奏する。

一方、上記上型１３は、パンチ３１、インサートパンチ３３、インサートパンチスペーサ３５、及び上型クッションスプリング３７を備えている。
上記パンチ３１は、キャビティ１５ａの内径に対応する外径を有し、キャビティ１５ａ内に上方から挿入可能な円筒状の金型である。パンチ３１の外周面には、歯形１５ｂに対応する歯形３１ａが形成されており、パンチ３１をキャビティ１５ａ内に挿入したとき、歯形３１ａの雄部は歯形１５ｂの雌部に入り込み、歯形１５ｂの雄部は歯形３１ａの雌部に入り込む。

パンチ３１の中心には、インサートパンチ孔３１ｂが形成されており、そこにインサートパンチ３３が、上下方向に摺動可能に挿入されている。インサートパンチ３３は、カウンターパンチ１９と同じ直径を有し、カウンターパンチ１９と同軸上に配置される円筒状の金型である。インサートパンチ３３の下端部における外周はテーパー状に加工されている。

上記上型クッションスプリング３７は、その上端において上型１３の本体に当接し、下端においてインサートパンチ３３に当接している。上型クッションスプリング３７は、通常時は伸長しており、インサートパンチ３３の上型１３における位置を一定に維持するが、インサートパンチ３３に圧力が加わったときは収縮して、インサートパンチ３３を上方向に逃がす機能を奏する。
３．多段歯車１の製造方法
鍛造装置９を用いて、冷間鍛造により多段歯車１を製造する方法を、図２〜図８に基づいて説明する。
（１）円筒状素材３９の製造
まず、多段歯車１の原料となる、図３に示す円筒状素材３９を製造する。円筒状素材３９は、外径が大きい大径部３９ａと、大径部３９ａよりも外径が小さい小径部３９ｂとを一体に備える段付きの円筒状形状を有する。また、円筒状素材３９は、内径が一定である軸孔３９ｃを備える。円筒状素材３９は、コイル材を切断後、パーツフォーマーにて上記の形状に成形し、熱処理と表面潤滑皮膜処理とを冷間鍛造における周知の条件にて施すことで製造する。
（２）冷間鍛造の第１工程
次に、鍛造装置９の上型１３を上方に移動させ、上側ダイ１５のキャビティ１５ａを開放した状態で、円筒状素材３９を、小径部３９ｂが下側となる向きで、キャビティ１５ａ内に置く。このとき、図２に示すように、大径部３９ａの外径は、キャビティ１５ａの内周に形成された歯形１５ｂにおける雄部の内径より小さいため、円筒状素材３９を、キャビティ１５ａ内に置くことができる。しかしながら、小径部３９ｂの外径は、キャビティ１７ａの内周に形成された歯形１７ｂにおける雄部の内径より大きいため、この時点では、円筒状素材３９は、キャビティ１７ａ内には入り込まない。

次に、図２に示すように、上型１３を下降させ、パンチ３１を円筒状素材３９の上端面に当接させるとともに、インサートパンチ３３を円筒状素材３９の軸孔３９ｃに挿入する。インサートパンチ３３は、軸孔３９ｃの内径と略同一であるが、軸孔３９ｃに容易に挿入できるような外径を有する。インサートパンチ３３は、軸孔３９ｃを貫通し、その下端において、カウンターパンチ１９の上端と当接する。

図４に示すように、さらに上型１３を下降させると、円筒状素材３９は下方に押し出され、小径部３９ｂは、キャビティ１７ａ内に圧入される。上述したように、キャビティ１７ａ内には歯形１７ｂが形成されており、小径部３９ｂの元来の外径は歯形１７ｂにおける雄部の内径より大きいため、小径部３９ｂの外周面には、前方押し出し成形により、歯形５ａ（図１参照）が形成される。

また、小径部３９ｂの全体がキャビティ１７ａ内に圧入された後、さらに上型１３を下降させると、大径部３９ａは、キャビティ１５ａの中で、外側（水平方向）に流れ、キャビティ１５ａの内周面に達する。上述したように、キャビティ１５ａの内周面には歯形１５ｂが形成されているので、大径部３９ａの外周面には、据え込み成形により、歯形３ａ（図１参照）が形成される。

次に、図５に示すように、上型１３を上方に移動させ、パンチ３１及びインサートパンチ３３を円筒状素材３９から離す。このとき、カウンターパンチ１９は、インサートパンチ３３からの圧力を受けなくなるため、上方に移動し、その上端が円筒状素材３９の軸孔３９ｃ内に位置するようになる。

この時点での円筒状素材３９を図６に示す。大径部３９ａには歯形３ａが形成され、小径部３９ｂには歯形５ａが形成されている。しかしながら、歯形３ａの下端において、欠肉４０が生じている。これは、成形のとき、大径部３９ａと小径部３９ｂとでは、素材の流れが均等にならず、下方に流れる素材が多くなり、上方にある大径部３９ａに十分素材がまわらないことにより生じたものである。

なお、上記の成形における圧力を高くすると、上方にある大径部３９ａに素材がまわり易くなるが、素材の量が規定量よりも多い場合は、金型に過大な圧力がかかり、金型が破壊されてしまうおそれがある。
（３）冷間鍛造の第２工程
次に、図７に示すように、上型１３を再び下降させ、パンチ３１を円筒状素材３９の上端面に当接させるとともに、インサートパンチ３３を円筒状素材３９の軸孔３９ｃに挿入する。

上記第１工程においてインサートパンチ３３を軸孔３９ｃから抜いたとき、円筒状素材３９の応力が開放されて、軸孔３９ｃの内径は縮小している。そのため、インサートパンチ３３は、軸孔３９ｃと干渉し、軸孔３９ｃ内において、一定の位置以下には下降できない。その結果、軸孔３９ｃ内において、インサートパンチ３３とカウンターパンチ１９との間に隙間４１が生じる。なお、インサートパンチ３３の下降が止まっても、パンチ３１はさらに下降することができる。

本第２工程では、上記第１工程よりも高い圧力で、上型１３を下降させる。そのため、大径部３９ａにも、十分に素材が流入し、欠肉４０（図６参照）が解消され、歯形３ａの形状が完全なものとなる。また、円筒状素材３９の量が規定よりも多くても、余った素材は隙間４１に流入するため、金型に過大な負荷がかかってしまうようなことがない。

成形終了後、上型１３を上昇させておき、ノックアウトピン２５を上昇させることで、円筒状素材３９から生じた多段歯車１を鍛造装置９から取り出す。
鍛造装置９から取り出した直後の多段歯車１を図８に示す。歯形３ａに欠肉が生じておらず、金型で規定する通りの形状となっている。なお、隙間４１に余った素材が流入した結果、軸孔７の内周面に余肉４３が生じているが、これは容易に取り除くことができる。

４．本実施形態の多段歯車の製造方法が奏する効果
（１）本実施形態の多段歯車の製造方法によれば、欠肉がなく、高精度の多段歯車を容易に製造することができる。

（２）本実施形態の多段歯車の製造方法によれば、素材の量にばらつきがあっても、金型を損傷させてしまうことがなく、金型の寿命が長くなる。
（３）本実施形態の多段歯車の製造方法によれば、２つの歯車を別々に作り、それらを接着するような煩雑な工程が不要であるから、多段歯車の製造が容易であり、製造コストを低減できる。

（４）本実施形態の多段歯車の製造方法は冷間鍛造を用いているので、粉体を焼結させて製造する方法に比べて、多段歯車の強度を向上させることができる。
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

例えば、製造するものは、多段歯車以外の中空歯形部品、例えば、二段歯形スプロケットであってもよい。
また、第２工程において、インサートパンチ３３の下限位置を予め設定しておくことで、隙間４１を生じさせてもよい。

多段歯車１の構成を表す説明図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。 円筒状素材３９を投入し、上型１３を組み付けた状態における鍛造装置９の構成を表す側断面図である。 円筒状素材３９の構成を表す側断面図である。 第１工程において、上型１３を下降させた状態における鍛造装置９の構成を表す側断面図である。 第１工程における成形の終了後、上型１３を上昇させた状態における鍛造装置９の構成を表す側断面図である。 第１工程の成形の終了後における円筒状素材３９の構成を表す説明図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。 第２工程の成形を行っている状態にある鍛造装置９の構成を表す側断面図である。 第２工程の成形後における多段歯車１の構成を表す説明図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１・・・多段歯車、３・・・大径部、３ａ・・・歯形、５・・・小径部、
５ａ・・・歯形、７・・・軸孔、９・・・鍛造装置、１１・・・下型、１３・・・上型、
１５・・・上側ダイ、１５ａ・・・キャビティ、１５ｂ・・・歯形、
１７・・・下側ダイ、１７ａ・・・キャビティ、１７ｂ・・・歯形、
１９・・・カウンターパンチ、２１・・・ダイスリーブ、
２３・・・ダイスリーブスペーサ、２５・・・ノックアウトピン、
２７・・・カウンターパンチホルダー、２９・・・下型クッションスプリング、
３０・・・カウンターパンチ孔、３１・・・パンチ、３１ａ・・・歯形、
３１ｂ・・・インサートパンチ孔、３３・・・インサートパンチ、
３５・・・インサートパンチスペーサ、３７・・・上型クッションスプリング、
３９・・・円筒状素材、３９ａ・・・大径部、３９ｂ・・・小径部、３９ｃ・・・軸孔、
４０・・・欠肉、４１・・・隙間、４３・・・余肉

Claims (3)

1. 円筒状素材から、大径部及び小径部を備える中空歯形部品を冷間鍛造により製造する製造方法であって、
   前記冷間鍛造は、
   前記円筒状素材の内周全体にパンチを挿入した状態で成形を行う第１工程と、
   前記第１工程の後、前記円筒状素材の内周面の内、少なくとも一部は、前記パンチに対向しない状態にて、前記第１工程における成形圧力よりも高い成形圧力で成形を行う第２工程と、
   を備えることを特徴とする中空歯形部品の製造方法。
2. 前記第１工程及び前記第２工程のそれぞれにおいて、前記成形は、前方押し出し成形及び据え込み成形のうちの一方であることを特徴とする請求項１記載の中空歯形部品の製造方法。
3. 前記円筒状素材は段付き円筒状素材であることを特徴とする請求項１又は２記載の中空歯形部品の製造方法。

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