JP2011121100A - ヘリカルギア及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじれ角の大きいヘリカルギアを冷間の塑性変形によって製造することを可能にするヘリカルギアの製造方法と、これによって製造されたヘリカルギアとを得る。
【解決手段】原材料１０の外面に潤滑被膜１１を形成する潤滑工程と、原材料１０を切断してギア素材２０を形成する切断工程と、ギア素材２０を、平歯車形状が転写された鍛造ダイスにおける冷間鍛造によって、中心に貫通孔３１を有するスパーギア３０を成形する鍛造工程と、スパーギア３０から、所定のねじれ角のはすば歯車形状が転写された押出ダイスにおける捩り剪断変形によって、中心に貫通孔を有するヘリカルギア４０を成形する押出工程とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明はヘリカルギア（はすば歯車）及びその製造方法、特に、冷間鍛造によって製造されたヘリカルギア、冷間鍛造によるヘリカルギア及びその製造方法に関するものである。

従来、ヘリカルギアはホブ盤によって歯切加工を行い、さらに、シービングホブ盤によって仕上げ加工を行っていたため、非常に長い加工時間（工期）を要するという問題、材料歩留まりの悪化による加工コストが高くなるという問題、さらに、金属組織の繊維線（メタルフロー）の切断による疲労強度の低下等の問題があった。
そこで、かかる問題を解決するために、雌ダイスを螺旋運動させることにより、プレス加工によってヘリカルギアを製造する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、鍛造によって予備成形された初期ヘリカルギアの寸法精度を高めるため、複数の工程（サイジング工程等）による発明が開示されている（例えば、特許文献２〜４参照）。

特開平６−３０４６９４号公報（第３−４頁、第２図） 特開平７−３２８７４０号公報（第３−４頁、第２図） 特開２００５−１６１３４０号公報（第８−９頁、第３図） 特開２００６−１２２９６５号公報（第４−５頁、第１図）

しかしながら、特許文献１〜４に開示された発明（以下、それぞれを引用発明１〜４と称す）には、以下のような問題があった。
（あ）最初に、歯先部が拡径または縮径する変形によって歯形を創成し、初期ヘリカルギアを成形するものであるところ、このときの変形が過酷であるため、ねじれ角（ピッチ円筒ねじれ角、または基礎円筒ねじれ角）を大きくすることができない。
（い）このため、ねじれ角の大きい（例えば、２５°以上）ヘリカルギアについては、依然、ホブ加工に頼らざるを得なかった。

（う）また、初期ヘリカルギアは金型の一方の面によって形成されることから、歯形が非対称になり、これを整えるために、複数の工程（引用発明１、２は２工程、引用発明３は３工程、引用発明４は４工程）を必要とし、複数の工程のそれぞれに対応した複数の金型を必要としていた。
（え）特に、かかる金型は、パンチまたはダイスが螺旋運動をするため、それ自体の構造が複雑になり、また、被成形材（中間ヘリカルギア）の歯部を金型の歯部に一致させるための位置合わせ手段を必要とし、トータルの金型コストが上昇していた。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、ねじれ角の大きいヘリカルギアを冷間の塑性変形によって製造することを可能にする、ヘリカルギアの製造方法と、該製造方法によって製造されたヘリカルギアと、を得ることにある。

（１）本発明に係るヘリカルギアの製造方法は、円筒状または円盤状の素材を、平歯車形状が転写された鍛造ダイスにおける冷間鍛造によって、中心に貫通孔を有するスパーギアに成形する鍛造工程と、
前記鍛造工程において成形されたスパーギアを、所定のねじれ角のはすば歯車形状が転写された押出ダイスにおける捩り剪断変形によって、ヘリカルギアに成形する押出工程と、
を有することを特徴とする。

（２）前記鍛造工程において、先端部に平歯車形状が転写された鍛造パンチを前記鍛造ダイスに挿入し、
前記押出工程において、先端部が円筒状または円柱状の押出パンチを前記押出ダイスに挿入することを特徴とする。
（３）前記押出工程において、前記貫通孔にマンドレルを挿入することを特徴とする。
（４）前記押出工程において、前記スパーギアを前記押出ダイスの一方側から前記押出ダイスに挿入し、前記ヘリカルギアを前記押出ダイスの他方側から排出することを特徴とする。

（５）さらに、本発明に係るヘリカルギアは、前記（１）〜（４）の何れかのヘリカルギアの製造方法によって製造されたことを特徴とする。
（６）また、基礎円部から歯先部にかけて連続したメタルフローが形成されていることを特徴とする。

本発明に係るヘリカルギアの製造方法は、一旦、スパーギア（平歯車）を冷間鍛造し、かかるスパーギアを塑性変形する（ねじり剪断変形によるサイジングに相当する）ことによって、ヘリカルギアを成形する。したがって、以下の効果が得られる。
（イ）従来のように、軸心に直角な面において歯形を創成しながら、軸心方向には所定のねじれ角を付与しようとすると、過酷な冷間鍛造が必要となり、所望の形状の歯形を形成することが困難であったり、歯部に損傷（亀裂発生や局部変形）が生じたりして、大きなねじれ角のヘリカルギアの成形が不可能であったところ、本発明は、軸心に直角な面における歯形の創成（冷間鍛造）と、軸心を中心にねじれ角を付与するねじり剪断変形（サイジング）と、を別工程に分離し、それぞれに変形を分担しているから、ホブ加工に頼ることなく、大きなねじれ角のヘリカルギアの成形が可能になる。

（ロ）また、鍛造工程の冷間鍛造において成形されるスパーギアの歯形は、軸心からの放射方向の変形あるいは放射線に対して対称の変形によって歯形が創成されるから、歯形が対称（正規形状）であって、押出工程では、かかる歯形の変形を抑えて、軸心を中心にしたねじり剪断変形を付与するだけ、すなわち、押出工程では「しごき変形（サイジング）」を付与するだけであるから、所望の形状のヘリカルギアを得ることができる。したがって、金型の数が減少し、金型コストが安価になる。
また、押出工程における加工（サイジング）が軽度であるから、金型にかかる面圧が比較的低く抑えられ、金型寿命が長くなりことによって金型コストがさらに安価になる。

（ハ）また、鍛造パンチ（歯形形状が転写されている）は鍛造ダイス（歯形形状が転写されている）に対して軸心と並行に相対的に移動し、押出パンチ（歯形形状が転写されていない）は押出ダイス（歯形形状が転写されている）に対して軸心と並行に相対的に移動するから、パンチとダイスとを相対的に螺旋運動させる機構が不要になるため、金型自体やこれに付属する位置合わせ手段の構成が簡素になり、トータルの金型コストが安価になる。よって、ヘリカルギアの製造コストが安価になる。

（ニ）スパーギアの軸心に形成された貫通孔にマンドレルが挿入された状態で、捩り剪断変形（サイジング）が実行されるから、貫通孔の内径を大きくしても、貫通孔の変形が抑えられ、歯形を正確に保つことができる。
（ホ）押出工程が「しごき変形（サイジング）」であって、スパーギアを挟圧する一対の押出パンチを不要にするから、スパーギアを押出ダイスの一方側から挿入し、ヘリカルギアを押出ダイスの他方側から排出することが可能になる。したがって、ヘリカルギアをノックアウト（挿入側への排出）する必要がないから、複数のスパーギアを積層して、押出パンチを一方向に向かって動かすだけで、複数のヘリカルギアを連続的に形成することが可能になる。

（へ）さらに、本発明に係るヘリカルギアは、前記ヘリカルギアの製造方法によって製造されるから、ねじれ角を大きくすることが可能で、短い工期で安価に製造される。
（ト）また、基礎円部から歯先部にかけてメタルフローが連続しているから、優れた疲労強度を有する。

本発明の実施の形態１に係るヘリカルギアの製造方法を説明する製造工程を示すフローチャート。 図１に示す製造工程を模式的に示す斜視図および側面図。 図１に示す鍛造工程に用いられる金型を模式的に示す断面図と側面図。 図１に示す押出工程に用いられる金型を模式的に示す断面図と側面図。 図１に示す押出工程における、荷重−ストローク線図、塑性変形状態を示す側面図、およびスパーギアを示す平面図。 本発明の実施の形態２に係るヘリカルギアを説明する、スパーギアおよびヘリカルギアのメタルフローを模式的に示す断面斜視図。

［実施の形態１］
図１〜図４は本発明の実施の形態１に係るヘリカルギアの製造方法を説明するものであって、図１は製造工程を示すフローチャート、図２は製造工程を模式的に示す斜視図および側面図、図３および図４はそれぞれ製造工程に用いられる金型を模式的に示す断面図と側面図である。

（製造工程）
図１〜図４において、ヘリカルギアの製造方法１００は、丸棒または丸形パイプ（以下、「原材料１０」と称す）の外面に潤滑被膜（例えば、リン酸被膜等）１１を形成する潤滑工程（Ｓ１、図２の（ａ）参照）と、
原材料１０を所定の長さに切断して「ギア素材２０」を形成する切断工程（Ｓ２、図２の（ｂ）参照）と、
ギア素材２０を、平歯車形状が転写された鍛造ダイス（鍛造ダイスに相当する）３ｄにおける冷間鍛造によって、中心に貫通孔３１を有するスパーギア３０を成形する鍛造工程（Ｓ３、図２の（ｃ）参照）と、
スパーギア３０から、所定のねじれ角のはすば歯車形状が転写された押出ダイス（押出ダイスに相当する）４ｄにおける捩り剪断変形によって、中心に貫通孔４１を有するヘリカルギア４０を成形する押出工程（Ｓ４、図２の（ｄ）参照）と、を有している。図２の（ｄ）において、実線に挟まれた範囲が歯先部４３ａ、破線に挟まれた範囲が歯元部４２ａ、実線と破線に挟まれた範囲が歯側面４３ｂ、をそれぞれ模式的に示している。

なお、潤滑工程（Ｓ１）を切断工程（Ｓ２）の後にして、短尺のギア素材２０の外面に潤滑被膜を形成するようにしてもよい。
また、切断工程（Ｓ２）における切断要領は剪断加工に限定するものでなく、機械加工（鋸切断）であってもよい。さらに、切断工程の直後に、切断面を平坦にする平押し工程あるいは切断面の外周角面を成形する面取り工程を追加してもよい。
さらに、押出工程の後に、歯形の研磨工程を追加して、さらに歯形精度を高めてもよい。

図３において、鍛造工程（Ｓ３）は歯部３３を創成する公知の技術である。このとき、スパーギア３０の基礎円筒部３２および歯部３３が拡大する塑性変形（鍛造ダイス３ｄと一対の鍛造パンチ３ｐによる）あるいは縮小する塑性変形（鍛造ダイス３ｄと一方の鍛造パンチ３ｐによる、他方の鍛造パンチ３ｄはノックアウトに用いられる）によって歯部３３が創成される。すなわち、主に放射方向の塑性変形によって、歯先が突出したり、あるいは歯元が陥入したりして形成されるから、歯元部におけるき裂の発生が防止されている。

図４において、押出工程（Ｓ４）は、鍛造工程において創成された歯部３３を軸心に直角な平面における断面形状（以下、「平面形状」と称す）を変えることなく、基礎円筒部３２および歯部３３に、軸心を中心に捩り剪断変形を付与するものである（正確には、平面形状が僅かに変わることがある）。
したがって、鍛造ダイス３ｄに転写される歯車形状（モジュール、転位係数等）と、押出ダイス４ｄに転写される歯車形状（ねじれ角を除くモジュール、転位係数等）は、同じになっている。
また、押出工程（Ｓ４）において歯部４３の平面形状を変える必要がないから、歯部４３を押出パンチ４ｐで押す必要がなく、押出パンチ４ｐの先端形状を、基礎円筒部４２に相当する円形または円環にすることができる。したがって、押出ダイス４ｄと押出パンチ４ｐとを相対的に螺旋運動させる必要がなくなり、金型構成が簡素になり、金型コストが安価になっている。

なお、押出ダイス４ｄは、厚さ方向（軸心方向）の全域に渡って所定の捩り角の歯形が形成されたものに限定するものではなく、スパーギア３０が挿入される端面側（図において上側）の所定範囲において、ねじれ角が除々に増加する「呼び込み範囲」を形成してもよい。また、「呼び込み範囲」における歯形を拡大してもよい。これによって、複数の歯部４３の全てが等しく除々にサイジングされ（しごかれ）、特定の歯部４３に片当たりが生じることがない。
また、押出工程（Ｓ４）において、スパーギア３０の貫通孔３１にマンドレル（図示しない）を挿入して、ヘリカルギア４０の貫通孔４１をマンドレルによって拘束するようにしてもよい。このとき、貫通孔４１の内径を大きくしても、歯部４３の歯形形状が正規の形状に維持される。

（塑性変形の解析）
図５は、本発明の実施の形態１に係るヘリカルギアの製造方法の押出工程における塑性変形を解析するためのモデルであって、（ａ）はヘリカルギアの加工荷重を示す荷重−ストローク線図、（ｂ）はヘリカルギアへの塑性変形状態を示す側面図、（ｃ）はスパーギアを示す平面図である。
図５において、貫通孔３１の内半径がＲ１、基礎円筒部３２の外半径がＲ２、歯部３３の歯先円の外半径がＲ３のスパーギア３０が、ねじれ角θのヘリカルギア４０に捩り剪断変形された状態を示している。このとき、ヘリカルギア４０の貫通孔４１の内半径がＲ１、基礎円筒部４２の外半径がＲ２、歯部４３の歯先円の外半径がＲ３に維持されている（図５の（ｃ）参照）。
そうすると、ヘリカルギア４０は、以下のように第一段階および第二段階によって塑性変形が進行したと判断される。

（第一段階）
最初はスパーギア３０の歯部３３に曲げ塑性変形が生じ、スパーギア素材が押し込まれるに従って塑性変形する範囲が広がっていき、加工荷重が上昇する。この荷重が高まると、スパーギア３０全体の捩り剪断荷重より高くなり、スパーギア３０の歯部３３のみの塑性変形から基礎円筒部３２の捩り剪断変形に転移する（図５の（ａ）参照）。これは、押出工程後のヘリカルギア４０を見れば、この痕跡を見ることができる（図５の（ｂ）参照）。

（第二段階）
次に、第二段階において、歯部３３と基礎円筒部３２とが一体となって捩り剪断変形をする。この捩り剪断変形はスパーギア３０と押出ダイス（ヘリカルギア金型に同じ）４ｄが最初にぶつかった部分で、一瞬に剪断変形する。そして、この部分を通過した後は剪断変形を生じない。したがって、この加工工程を通して加工荷重は増加することなく、一定となる（図５の（ｂ）参照）。
すなわち、ヘリカルギア４０は鍛造加工によるというよりは、むしろ「捩り剪断変形」によって形成されている。
図５の（ｂ）において、塑性加工する部分は、最初はＡ面でスタートするが、第二段階でＢ面となり、このＢ面は工程に伴い、順次上に移動していくことになる。

（捩り剪断変形荷重の解析）
次に、捩り剪断変形荷重を、以下の仮定の元に解析する。
（仮定１）ギア部の捩り剪断変形については、ギア歯部の加工荷重を無視する。
（仮定２）捩り剪断変形は、Ｂ面で、一瞬に起こり、Ｂ面以下では塑性をしない。
（仮定３）押出ダイス４ｄとヘリカルギア４０との摩擦は無視する。
そうすると、基礎円筒部４２の捩りモーメントＴ１は、式１による。

この変形をするための捩りモーメントは、図５の（ｂ）におけるヘリカルギア４０のＤ部における剪断力である。この剪断力Ｐは式２によって与えられるから、捩りモーメントＴは式３となる。
Ｐ ＝ ギア数×歯巾×ギアの剪断長さ(長さＳ)×τ ・・・・・式２
Ｔ ＝Ｐ×（Ｒ２−Ｒ３）／２ ・・・・・式３
そして、式１によって求められた基礎円筒部４２の捩りモーメントＴ１、式３によって求められた歯部４３の捩りモーメントＴとの大小関係を比較し、後者が前者より大きくなれば（Ｔ＞Ｔ１）、本発明の捩り剪断変形が可能になる。

例えば、Ｒ１＝５ｍｍ、Ｒ２＝１０ｍｍ、Ｒ３＝１３ｍｍ、
ギア数×歯巾＝０．５・π・Ｒ２
最初のギア変形量＝５ｍｍ、とした場合、
Ｔ１−Ｔ＝（２／３）・π・τ・（１０００−１２５）−２・π・１０・５・τ・１０
＝（５８２−１０００）・π・τ
となる。 このような条件であれば、基礎円筒部４２の捩りモーメントＴ１（式１参照）より歯部４３の捩りモーメントＴ（式３参照）の方が大きくなるから（Ｐ＞Ｔ）、このような加工が成立することがわかる。

［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２に係るヘリカルギアを説明するものであって、（ａ）はスパーギア３０のメタルフローを模式的に示す断面斜視図、（ｂ）はヘリカルギア４０のメタルフローを模式的に示す断面斜視図である。
図示しないギア素材２０は、軸心に直角の面において軸心を中心にした同心円状のメタルフローが形成され、軸心を含む面において軸心に平行なメタルフローが形成されていた。そして、図６の（ａ）において、スパーギア３０には、基礎円筒部３２から歯部３３に侵入する連続したメタルフローが形成されている。

このとき、軸心に直角な面において、基礎円筒部３２の外面（歯元円に相当する）に近いメタルフローは、歯先に向かって深く侵入し、基礎円筒部３２の外面（歯元円に相当する）から遠いメタルフローは、歯先に向かっての半径方向の侵入量および円周方向の侵入幅が小さくなっている。
また、スパーギア３０の軸心を含む面（以下、「放射面」と称す）３４は、ヘリカルギア４０では捩り剪断変形によって曲面４４になっているが、かかる曲面４４における基礎円筒部４２のメタルフローは、基礎円筒部４２の外面（歯元円に相当する）に平行した曲線を呈し、曲面４４に平行な曲面における歯部４３のメタルフローは、歯先円に平行した曲線を呈している。

以上のように、本発明に係るヘリカルギア４０は、基礎円筒部３２から歯部３３に侵入する連続したメタルフローが形成されているから、高い疲労強度を有することが期待される。
また、実施の形態１において説明したように、ヘリカルギアの製造方法は、大きなねじれ角を具備するヘリカルギアを、材料歩留まりが高く、金型コストおよび加工コストを安価に抑えて製造することができるものであるから、実施の形態２におけるヘリカルギアは安価に製造されるものである。

本発明は以上であるから、大きなねじれ角を具備するヘリカルギアを、パーツフォーマによって１個づつ順送しながら連続的に、あるいは、複数のスパーギアを積層して一気に１ストロークでもって、冷間で製造することができる。

３ｄ 鍛造ダイス
３ｐ 鍛造パンチ
４ｄ 押出ダイス
４ｐ 押出パンチ
１０ 原材料
１１ 潤滑被膜
２０ ギア素材
３０ スパーギア
３１ 貫通孔
３２ 基礎円筒部
３３ 歯部
３４ 放射面
４０ ヘリカルギア
４１ 貫通孔
４２ 基礎円筒部
４３ 歯部
４４ 曲面
１００ 製造方法
θ ねじれ角
Ｐ 剪断力
Ｒ１ 貫通孔の内半径
Ｒ２ 基礎円筒部の外半径
Ｒ３ 歯部の外半径
Ｔ 基礎円筒部に作用する捩りモーメント
Ｔ１ 歯部に作用する捩りモーメント

Claims (6)

1. 円筒状または円盤状の素材を、平歯車形状が転写された鍛造ダイスにおける冷間鍛造によって、中心に貫通孔を有するスパーギアに成形する鍛造工程と、
   前記鍛造工程において成形されたスパーギアを、所定のねじれ角のはすば歯車形状が転写された押出ダイスにおける捩り剪断変形によって、ヘリカルギアに成形する押出工程と、
   を有することを特徴とするヘリカルギアの製造方法。
2. 前記鍛造工程において、先端部に平歯車形状が転写された鍛造パンチを前記鍛造ダイスに挿入し、
   前記押出工程において、先端部が円筒状または円柱状の押出パンチを前記押出ダイスに挿入することを特徴とするヘリカルギアの製造方法。
3. 前記押出工程において、前記貫通孔にマンドレルを挿入することを特徴とする請求項２記載のヘリカルギアの製造方法。
4. 前記押出工程において、前記スパーギアを前記押出ダイスの一方側から前記押出ダイスに挿入し、前記ヘリカルギアを前記押出ダイスの他方側から排出することを特徴とするヘリカルギアの製造方法。
5. 請求項１〜４の何れかのヘリカルギアの製造方法によって製造されたことを特徴とするヘリカルギア。
6. 基礎円部から歯先部にかけて連続したメタルフローが形成されていることを特徴とする請求項５記載のヘリカルギア。

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