JP2010125520A - 筒形素材への凹部形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筒形素材は自由回転させることを前提として、浅い台形溝状の凹部であっても、綺麗に形成することができる転造法を提供することを課題とする。
【解決手段】図（ａ）に示すように、静止している筒形素材４６に対して、出力軸１４と共に転造ダイス４０を矢印（２）のように、移動させる。結果、（ｂ）に示すように、筒形素材４７の内周面４７に、転造ダイス４０の凸部４４が噛み込む。次に、転造ダイス４０を回転させる。この回転は筒形素材１７が一回転したら止める。
【効果】筒形素材を１回転させると加工が完了する。１回転で加工が終了するため、凹部の形状が崩れる心配はない。したがって、筒形素材は自由回転させることを前提として、凹部を寸法精度良く形成することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、筒形素材の内周面に、等ピッチで凹部を形成する凹部形成方法に関する。

筒形素材の内周面に、等ピッチで凹部を形成する凹部形成方法を、転造法で実施する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３９４７２０４号公報（図６、図７）

特許文献１の段落番号［００１６］第２行〜第６行に「・・・転造開始直後に形成された歯溝が素材一回転の自転後再びより深く成形しようとする転造工具５の外歯（凸部）５ａに正確に一致しなければ円周均等な分割精度を確保できないことになる。」の説明がある。この説明から、特許文献１では、素材一回転毎に、素材に歯形を徐々に形成する。すなわち、特許文献１では、素材を複数回、回転させることで歯形の造形を完了する。

特許文献１の発明を、更に次図に基づいて説明する。
図１１は従来の凹部形成技術を説明する図であり、（ａ）において、回転自在に支持されている筒形素材１０１の内周面に、歯形１０２を有する転造ダイス１０３を押し付ける。そして、転造ダイス１０３を回転させる。すると、筒形１０１が連れ回る。そして、歯形１０２により、筒形素材１０１の内周面に浅い凹部１０４が形成される。

筒形素材１０１が１回転する毎に、転造ダイス１０３を矢印（１）のように、一定距離だけ前進させる。転造ダイス１０３の回転と前進とを繰り返して、筒形素材１０１を複数回、回転させると、（ｂ）に示すような内歯形状の凹部１０５ができあがる。凹部１０５の形状が、転造ダイス１０３の歯形１０２の形状と同一であって、歯形１０２が凹部１０５に転写又は転移されたように見える造形法であるため、この加工方法は転造法と呼ばれる。

転造法は、仕上がり精度の点で、切削による歯切り法より劣るが、加工コストなどが少なくて済むという利点がある。
しかし、本発明者らの研究で、特許文献１の転造法には次のような欠点があることが分かった。
先ず、転造ダイス１０３の公転が２回転目に入ると、１回転目に形成された浅い凹部１０４に隣接する歯面１０６ａに転造ダイス１０３の歯形１０２が食い込み、凹部１０４及び凹部１０４に隣接する成形歯形１０６の形状が悪くなることがあった。３回転以降も同様であって、凹部１０４及び成形歯形１０６の形状が劣化し、結果、所望の寸法精度の凹部１０５及び凹部１０５に隣接する成形歯形１０７ができないことがあった。
この寸法精度の低下は、インボリュート歯形では転造ダイス１０３の歯形１０２が形成された凹部１０４に入りやすいので形成されにくいが、凹部１０５が浅く、成形歯形１０７の歯厚が大きいような、例えば、台形溝で顕著になることが分かった。

上記の欠点は、筒形素材１０１を、転造ダイス１０３の回転速度に同期して強制回転（自由回転ではなく。）させることで、解消できる。
しかし、筒形素材１０１を駆動させると、転造装置が大型になり高価になる。
そこで、筒形素材は自由回転させることを前提として、浅い台形溝状の凹部であっても、寸法精度を高めることができる転造法が求められる。

本発明は筒形素材は自由回転させることを前提として、浅い台形溝状の凹部であっても、寸法精度を高めることができる転造法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、筒形素材の内周面に、等ピッチで凹部を形成する凹部形成方法であって、
前記凹部に対応する凸部を前記ピッチと等しいピッチで外周に備えている転造ダイスを準備すると共に、この転造ダイスを回転させるダイス回転機構と、このときの回転軸に直交する方向へ前記転造ダイスを移動させるダイス移動機構と、前記筒形素材を回転自在に支持するコンテナとを備えている転造装置を準備する準備工程と、
前記転造ダイスを前記筒形素材の筒内へ配置するダイス配置工程と、
前記ダイス移動機構により前記転造ダイスを移動させ、前記筒形素材の内周面に噛み込ませる第１塑性加工工程と、
前記筒形素材の内周面の一周分だけ、前記ダイス回転機構により前記転造ダイスを回転させる第２塑性加工工程とからなり、
前記第１塑性加工工程で、前記凹部の深さが確保できるように転造ダイスを移動させることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第１塑性加工工程で、転造ダイスの移動中に、ダイス回転機構により前記転造ダイスを所定角度反復回転させることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、凹部は、底の長さを１．０としたときに、深さが０．２〜０．３である台形溝であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、筒形素材を１回転させると加工が完了する。１回転で加工が終了するため、凹部の形状が崩れる心配はない。したがって、筒形素材は自由回転させることを前提として、凹部を寸法精度良く形成することができる。

請求項２に係る発明は、第１塑性加工工程で、転造ダイスの移動中に、ダイス回転機構により転造ダイスを所定角度反復回転させる。反復回転により転造ダイスに振動を付与することができ、この振動により転造ダイスの凸部を効率よく筒形素材に食い込ませることができる。結果、ダイス移動機構で発生する移動力を低減することができる。

請求項３に係る発明は、凹部は、底の長さを１．０としたときに、深さが０．２〜０．３である台形溝である。浅い台形溝を従来に転造法で加工すると形状が崩れる。本発明によれば、浅い台形溝を綺麗な形状に仕上げることができる。
従って、本発明は浅い台形溝に特に有益である。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は転造装置の原理を説明する図であり、転造装置１０は、鋼製又は鋳物製のハウジング１１と、このハウジング１１の天井部１２に水平移動自在に載せたスライドベース１３と、このスライドベース１３に出力軸１４が縦置きで且つ下向きになるように載せたダイス回転機構１５と、このダイス回転機構１５を含みスライドベース１３を水平に移動させるダイス移動機構２０（詳細後述）と、ダイス回転機構１５の下方に配置された筒状のコンテナ３０と、ダイス回転機構１５及びダイス移動機構２０を本発明方法に基づいて制御する制御部６０とを備える。

ダイス回転機構１５は、回転角度や回転量を正確に制御することができるサーボモータが好適である。

ダイス移動機構２０は、ハウジング１１の高床部１６とこの高床部１６の下方に配置されている床部１７との間に軸受２１により鉛直軸廻りに回転自在に支持されたナット部材２２と、このナット部材２２にねじ込まれているねじ軸２３と、このねじ軸２３の上端に固定されたくさび部材２４と、ナット部材２２を駆動するくさび昇降モータ２５とからなる。

くさび昇降モータ２５でナット部材２２を回し、ねじ軸２３を上昇又は下降させる。ねじ軸２３を下げるとくさび部材２４も下がり、くさび部材２４はテーパ面２６でスライドベース１３を図面右側へ押し出す。テーパ角度をθとすれば、水平移動量＝下降量×ｔａｎθとなる。θが１５°であれば、ｔａｎθは０．２６８となる。下降量が１０ｍｍであれば、水平移動量は２．６８ｍｍとなる。微少の移動量を容易に発生させることができ、出力軸１４の位置を精密に設定することができる。

また、高床部１６と床部１７との間に、別のナット部材３１、３１が軸受３２、３２により鉛直軸廻りに回転自在に支持され、これらのナット部材３１、３１にねじ込まれているねじ軸３３、３３が縦に延びており、これらのねじ軸３３、３３の上端に昇降板３４が渡され、この昇降板３４に大径軸受３５を介してコンテナ３０が回転自在に支持されている。

コンテナ昇降モータ３６の作用でナット部材３１、３１が廻されると、ねじ軸３３、３３が上昇又は下降し、コンテナ３０が上昇又は下降する。なお、伝動部材は省略したが図右側のナット部材３１もコンテナ昇降モータ３６で駆動される。
コンテナ昇降モータ３６は、昇降量を正確に制御することができるサーボモータが好適である。

ねじ軸３３、３３の間で且つ高床部１６からノックアウト部材と呼ばれる円柱部材３７が上へ延ばされている。この円柱部材３７は静止部材である。コンテナ３０が図面よりも下がると、円柱部材３７の上端が相対的にコンテナ３０内へ進入し、コンテナ３０にワーク（後述する筒形素材）がセットされている場合には、このワークを押し上げて、コンテナ３０から払い出す役割を果たす。

図２は出力軸に取付けられた転造ダイスの形態を説明する図であり、出力軸１４の下部に雄スプライン３９が設けられており、この雄スプライン３９に、転造ダイス４０側の雌スプライン４１を嵌める。次に、出力軸１４の下端面にエンドプレート４２を当て、ボルト４３、４３で固定する。これで、転造ダイス４０は下方へ抜けなくなる。

図３は図２の３−３線断面図であり、転造ダイス４０は、凸部４４を等ピッチで外周に備えている回転工具である。
図４は凸部の拡大図であり、凸部４４の高さをｈ、トップ面の長さをＬとする。凸部４４は、例えば、Ｌ１を１．０としたときに、ｈが０．２〜０．３となる、極く低い台形凸部である。

次に、コンテナと筒形素材との関係を説明する。
図５はコンテナと筒形素材と素材抑え部材との分解図であり、前工程で造形された筒形素材４６は、加工対象部としての内周面４７を有する。このような筒形素材４６の外形状に合致するようにコンテナ３０に収納穴４８が設けられている。
収納穴４８へ上から筒形素材４６を落とし込む。ただし、このままでは筒形素材４６は上へ抜ける。そこで、素材抑え部材５０が必要になる。

素材抑え部材５０は、天井部（図１、符号１２）の下面に、回転自在に設けられる。この素材抑え部材５０から下へ延びる抑え爪５１が筒形素材４６の上面を下向きに抑える作用を発揮する。

以上の構成からなる転造装置の作用を次に述べる。
図６は本発明のダイス配置工程を説明する図であり、（ａ）に示すように、コンテナ３０及び筒形素材４６を上昇させ、筒形素材４６内に転造ダイス４０を収納すると共に、筒形素材４６の上面に抑え爪５１を当てる。
（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図（図７、図８においても同様）であり、筒形素材４６の内周面４７は、滑らかな面である。この滑らかな面から一定の隙間を置いて転造ダイス４０が配置される。
すなわち、ダイス配置工程では、転造ダイス４０を筒形素材４６の筒内へ配置する。

図７は本発明の第１塑性加工工程を説明する図であり、（ａ）に示すように、静止している筒形素材４６に対して、出力軸１４と共に転造ダイス４０を矢印（２）のように、転造ダイス４０の軸線に対して垂直方向に移動させる。
結果、（ｂ）に示すように、筒形素材４７の内周面４７に、転造ダイス４０の凸部４４が噛み込む。

図８は形成された凹部の拡大図であり、筒形素材４６に形成された凹部５３は、底５４と一対の斜面５５、５５とからなる台形溝を呈する。そして、深さＤと底５４の長さＬ３との関係は、底５４の長さＬ３を１．０としたときに、深さＤが０．２〜０．３である。
すなわち、第１ダイス塑性加工工程は、転造ダイス４０を、図７（ａ）に示す矢印（２）の様に移動させ、筒形素材４６の内周面４７に凸部４４を噛み込ませる工程である。

ところで、木片に錐（きり）で穴を開ける場合に、力を込めて錐を突くと木片に穴を開けることは可能である。しかし、錐を回転又は揺動させた方が小さな力で穴を開けることができる。この法則を本発明に適用することもできる。

図９は転造ダイスを所定角度反復回転させる例を説明する原理図であり、転造ダイス４０を片側β（全幅で２β）だけ回転（揺動）させながら筒形素材４６へ図右に前進させる。凸部４４の軌跡５６は、ジグザグになる。
一方、筒形素材４６は、回転自在に支持されていて、矢印（３）のように揺動するため、転造ダイス４０の反復回転動作は円滑に行われる。この間に、凸部４４による切り込みが行われる。
βは１０°〜４５°が採用でき、特に２５°〜３０°が適している。

図１０は本発明の第２塑性加工工程を説明する図であり、（ａ）において、出力軸１４を回転させる。この回転は、筒形素材４６が一回転したときに、終了する。この終了時点では、（ｂ）に示すように、筒形素材４６の内周面に等ピッチで凹部５３が形成される。
すなわち、第２塑性加工工程では、筒形素材４６の内周面４７を一周分だけ、ダイス回転機構により転造ダイス４０を回転させる。

次に、凸部４４及び凹部５３のピッチについて説明する。
転造ダイス４０の外径をＤｄ、凸部４４の数をＮｄ、筒形素材４６での凹部５３の底を通る円の径をＤｗ、凹部５３の数をＮｗとする。
転造ダイス４０における凸部４４のピッチＰｄは、Ｄｄ／Ｎｄで求まる。筒形素材４６の凹部５３のピッチＰｗは、Ｄｗ／Ｎｗで求まる。
そして、ピッチＰｄとピッチＰｗとを合致させるように、転造ダイス４０の寸法を設定する。すなわち、Ｄｗ（筒形素材凹部の径）／Ｎｗ（凹部の数）＝Ｄｄ（転造ダイスの径）／Ｎｄ（凸部の数）を保つようにする。

以上に説明したダイス配置工程、第１塑性加工工程及び第２塑性加工工程は、制御部（図１、符号６０）で一括して制御する。
すなわち、図１の制御部６０は、第１塑性加工工程で、くさび昇降モータ２５を制御して、転造ダイス４０を前進させ、切り込み深さが所定量（図８に示すＤ）に達したら止める。次の第２塑性加工工程で、転造ダイス４０を回転させ、回転量が筒形素材の内周面一周分に到達したら止める。次に、転造ダイス４０を後退させ、コンテナ３０を下げる。以降、円柱部材３７で筒形素材で払い出す。

本発明の方法によれば、筒形素材４６を複数回転させない。複数回転に起因する凹部５３の形状劣化は、本発明では発生しない。すなわち、本発明によれば、寸法精度の良い凹部５３を筒形素材４６に形成することができる。

尚、図１で説明した転造装置１０は、本発明方法を実施するための好適装置の一例を示したものであり、くさびを油圧シリンダに変更することや、ねじ軸をピニオン・ラックに変更することができるため、装置構造を適宜変更することは差し支えない。

また、凹部は実施例で説明した浅い台形溝の他、半円溝、インボリュート歯形であってもよく、形態は任意である。

本発明は、筒形素材の内周面に浅い台形溝を形成する加工方法に好適である。

転造装置の原理を説明する図である。 出力軸に取付けられた転造ダイスの形態を説明する図である。 図２の３−３線断面図である。 凸部の拡大図である。 コンテナと筒形素材と素材抑え部材との分解図である。 本発明のダイス配置工程を説明する図である。 本発明の第１塑性加工工程を説明する図である。 形成された凹部の拡大図である。 転造ダイスを所定角度反復回転させる例を説明する原理図である。 本発明の第２塑性加工工程を説明する図である。 従来の凹部形成技術を説明する図である。

符号の説明

１０…転造装置、１５…ダイス回転機構、２０…ダイス移動機構、３０…コンテナ、４０…転造ダイス、４４…凸部、４６…筒形素材、４７…内周面、５３…凹部、５４…凹部の深さ、β…反復回転させる際の所定角度、Ｄ…凹部の深さ。

Claims (3)

1. 筒形素材の内周面に、等ピッチで凹部を形成する凹部形成方法であって、
   前記凹部に対応する凸部を前記ピッチと等しいピッチで外周に備えている転造ダイスを準備すると共に、この転造ダイスを回転させるダイス回転機構と、このときの回転軸に直交する方向へ前記転造ダイスを移動させるダイス移動機構と、前記筒形素材を回転自在に支持するコンテナとを備えている転造装置を準備する準備工程と、
   前記転造ダイスを前記筒形素材の筒内へ配置するダイス配置工程と、
   前記ダイス移動機構により前記転造ダイスを移動させ、前記筒形素材の内周面に噛み込ませる第１塑性加工工程と、
   前記筒形素材の内周面の一周分だけ、前記ダイス回転機構により前記転造ダイスを回転させる第２塑性加工工程とからなり、
   前記第１塑性加工工程で、前記凹部の深さが確保できるように転造ダイスを移動させることを特徴とする筒形素材への凹部形成方法。
2. 前記第１塑性加工工程では、前記転造ダイスの移動中に、前記ダイス回転機構により前記転造ダイスを所定角度反復回転させることを特徴とする請求項１記載の筒形素材への凹部形成方法。
3. 前記凹部は、底の長さを１．０としたときに、深さが０．２〜０．３である台形溝であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の筒形素材への凹部形成方法。

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