JP2014066336A - フランジ付き歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】歯端面にフランジを設けることによって、鍛造における熱間肉流の隘路を改善して歯形内部に鍛流線を濃密に形成させ、歯車の面圧疲労強度及び曲げ疲労強度を向上させた歯車を提供することを目的とする。
【解決手段】鍛造成形によって歯形の内部に鍛流線が形成され、かつ、メイン歯の歯端面にフランジを設けることを特徴とする歯車である。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車のトランスミッションに使用される変速機用歯車の他、各種の産業用途に使用される歯車において、歯車の歯端面にフランジを設けた歯車に関する。詳しくは、歯車の歯端面にフランジを設けることによって、鍛造成形によって歯面の表層部にフローライン（以下鍛流線）と称する繊維組織を形成して歯端面近傍及び歯元近傍の強度を向上させた歯車に関する。

代表的な歯車としてスパー歯車の例を図１７に示し、歯車Ｗは中心を貫通する軸孔３、この外周にリング状のボス５が段差をもって突設され、その外周に一段下がってドーナツ状に沈み溝４を備え、この外周に一段高く歯元環状部６、更にこの外周にメイン歯１が巡る。このように、歯車Ｗは全ての構成が軸孔３を基準として同心円状に配設される。メイン歯１はスパー歯からなり、歯先１１、歯面１２、歯底１３、歯端面１４及び歯厚１５、歯元１６及び歯幅１７から構成される。

一般的に歯車は機械加工によって製造される。この工程は、鍛造鋼材のビレットを切断して近似形状へ旋削、歯切り、熱処理を経てハード仕上げをする。この場合、歯切りの際に生じる歯端面のバリ取りが必要となる。また、歯切りの際に鍛造鋼材の軸方向の鍛流線が切断されるので歯面及び歯元の強度が低下する。一方、歯車は鍛造によって成形され、鍛造によって粗歯形を成形した後、機械加工する場合と、鍛造によって粗歯形を成形した後、更に鍛造によって仕上げ成形を施す場合がある。鍛造と機械加工との組み合わせ工法による前者の場合は、歯切りの際に円周方向の鍛流線が切断されるので歯面及び歯元の強度が低下する。鍛造のみの工法による後者の場合について以下に述べる。歯車のモジュールが大きくなるに伴って歯形が大きくなるとともに、歯元環状部の寸法に比較して歯丈の寸法が大きくなり、特に歯元近傍における断面の肉厚偏差が顕著になる。その結果、歯形部を熱間鍛造によって型成形する過程において、鍛造肉流の隘路が形成されるのでその部位における鍛造肉流の流れが悪くなり、歯形部に十分肉流が充満されない儘歯形部が固化する。詳しくは、加圧された鍛造肉流が歯元側を充満し、次いで加圧が継続され或いは加圧保持されながら時間を置いて歯先まで鍛造肉流が充満され、遂には歯形全体が形成されるために時間を要し充填欠陥の部位が生じる。また、鍛造肉流が充満されるまでに歯元側と歯先側とでは時間差を生じ、一定の時間例えば１１５０℃の高熱に曝されるので金型が傷む。そして、金型は次のワークを熱間鍛造するまで一時的に常温に戻ることを繰り返すので、金型は所謂ヒートサイクルによる金属熱疲労を起こす。即ち、繰り返し高熱に曝露されることにより金型は焼なましされて軟化、表面が摩耗し、或いは金属熱疲労によって金型には微小クラックが発生する。熱間鍛造金型材としては高温における強度と耐摩耗性を満足させるために耐熱性に優れた合金工具鋼を使用するが、それでも過酷な高温高圧状態の熱間鍛造によって、金型は劣化して寿命が短くなる。一方、熱間或いは冷間鍛造の際に加圧によって歯面の表層部から内部にかけて鍛造肉流が生じて鍛流線が形成され、この状態を鍛流線のマクロ組織として模式的に図１８に示す。中心線Ｃに沿って上下方向では、歯先１１側では複数本の鍛流線Ｆは歯形に倣って平坦な山形状に盛り上がるが間隔は粗く、一方、歯元側の沈み溝４に近づくにつれて複数本の鍛流線Ｆは平坦状に形成される。また、歯形の中心線Ｃの左右近傍では複数本鍛流線Ｆの間隔は粗く、外側へ離れるにつれ特に歯元１６側近傍では複数本の鍛流線Ｆの間隔が密になる。以上、鍛流線の形成についてまとめると、中心線の上下方向では鍛流線は歯先に向けて山形状になり、間隔は粗であり、一方、沈み溝４に近づくにつれて鍛流線は平坦状に形成される。鍛流線は中心線の近傍では間隔が粗で、中心線から左右に離れるにつれて歯元１６側では間隔が密になる。このように、歯先部では鍛流線Ｆの山形が歯先１１まで届かず、かつ、間隔が粗いので内部組織における不完全部が生じることによって、歯車の面圧疲労強度及び曲げ疲労強度が減少する。本来、熱間或いは冷間鍛造では歯先にかけて歯面の表層部に鍛流線を密で均等に形成させることによって、面圧疲労強度及び曲げ疲労強度が向上して歯車の寿命が延びる。しかしながら、図１８に示す従来の歯車では複数の鍛流線は平坦な山形になって歯先まで届かず、かつ、間隔が粗く、粗密に偏りを生じるので均等な内部組織が得られない。この他に、鍛造によって仕上げ成形を施す場合でも、後工程の熱処理により歯形が変形する。例えば、ヘリカル歯の歯筋方向の左右で歪変形が生じるとともに、軸方向の上下で内部応力によって歪変形が生じる。

ピニオン歯車に関し、特許文献１に示す提案がなされており図１９に示す。歯車同士の噛合い状態を示し、夫々外周にメイン歯１が巡る。この提案は、歯車同士の接触疲労の寿命、耐磨耗性を向上させ、かつ摩擦を減少させてギア性能を向上させるために、仕上げ表面が概略３〜１２μin（マイクロ−インチ）[0.0762〜0.3048μｍ]の算術平均粗さ（Ra）となるように表面を仕上げた歯車を提供することを目的としている。本提案は、接触疲労の寿命、耐磨耗性を向上させ、かつ摩擦を減少させてギア性能を向上させるために、この表面粗さに表面を仕上げた歯車を提供することを目的としている。この目的を達成するために、本提案は、第１仕上げ表面を有する第１表面領域を有して第１組の歯を備える第１ギアと、第２仕上げ表面を有する第２表面領域を有して前記第１組の歯と噛み合う第２組の歯を備え、前記第１ギアとの間の動きと動力を伝える第２ギアとを含み、前記第１仕上げ表面が、概略３〜１２μin（マイクロ−インチ）[0.0762〜0.3048μｍ]の算術平均粗さ（Ra）好ましくは５〜１０μin(マイクロ−インチ）[0.127〜0.254μｍ]の算術平均粗さ（Ra）を有することを特徴としている。本提案では、メイン歯１は前述したような軸方向に捩じれたヘリカル歯とは異なりスパー歯であり、このメイン歯１には前述した鍛流線の間隔を均等に形成する工夫がなされていない。

特開２００２−０７０９８８号公報

以上の通りであって、特許文献に代表されるように、従来の歯車には次のような問題点がある。

金型は熱間鍛造中に高熱に曝され、次のワークを熱間鍛造するまで一時的に常温に戻ることを繰り返すので、金型は所謂ヒートサイクルによる金属熱疲労を起こす。或いは金型が繰り返し高熱に曝露されることにより焼なましされて軟化する。これら金属熱疲労、或いは軟化によって金型表面が摩耗し、或いは微小クラックが発生して劣化する。一方、熱間或いは冷間鍛造された歯車において、鍛造肉流の隘路が形成されるのでその部位における鍛造肉流の流れが悪くなり、歯形部に十分肉流が充満されないうちに固化され充填欠陥の歯形が形成される。一方、歯形内部では複数の鍛流線の間隔が粗く、かつ粗密の偏りが有るので、内部組織における不完全部が生じて面圧疲労強度及び曲げ疲労強度が減少する。

そこで、本出願発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、鍛造における肉流の隘路を改善して歯形内部に鍛流線を濃密に形成させ、歯車の面圧疲労強度及び曲げ疲労強度を向上させた歯車を提供することを目的としている。

本出願発明は熱間或いは冷間鍛造における鍛流線の形成の改善に着目し、歯車の歯端面近傍における鍛流線の形成を改善する設計へと発展させたものである。そして、歯車の面圧疲労強度及び曲げ疲労強度を向上させ、或いは、金型の損傷を無くして寿命を改善するという目的を達成する本出願発明に到達した。本出願発明の歯端面近傍にフランジを有する歯車はかかる知見を基に具現化したもので、請求項１の発明は、鍛造成形によって歯形の内部に鍛流線が形成され、かつ、メイン歯の歯端面にフランジを設けることを特徴とする歯車である。請求項２の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記フランジの裏面側に凹みを設けることを特徴とする請求項１記載の歯車である。請求項３の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記メイン歯がスパー歯又はヘリカル歯であることを特徴とする請求項１記載の歯車である。請求項４の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記メイン歯がドッグクラッチ歯であることを特徴とする歯車である。請求項５の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記メイン歯がスプライン歯であることを特徴とする請求項１記載の歯車である。請求項６の発明は、前記請求項１の特徴に加えて、前記メイン歯がインターナル歯であることを特徴とする歯車である。

本出願発明によれば、歯車の歯端面にフランジを設けたので歯形の鍛造性が改善され、以下のような作用効果を奏するものである。第一に、歯端面にフランジを設けたことによって、熱間鍛造成形における肉流の隘路が緩和されるので歯端面部位における鍛造肉流が改善され、歯形部に肉流が充満されて充填欠陥の無い歯形が得られる。また、同様に鍛造肉流の隘路が緩和されることによって、鍛造肉流が改善されて熱間鍛造の加圧力を低くすることが可能なので金型に対する負荷が緩和され、金型寿命が延びる。第二に、歯端面にフランジを設けたことによって、歯形内において鍛造による形成される複数の鍛流線の形成が改善され、間隔が密で、略均等に形成されるので歯形の内部組織における不完全部が生じることがない。このために、歯元から歯先にかけての歯面表層部においては、鍛流線は歯形に倣って歯元から歯先へ連続し、かつ、密で均等に形成されるので歯車の面圧疲労強度が向上するとともに、特に歯元における曲げ疲労強度が向上する。また、歯切りの際に生じる歯端面のバリ取りが不要になるとともに、鍛造鋼材の軸方向の鍛流線が切断されないので歯面及び歯元の強度が保持される。そして、歯端面にフランジを設けることによって、後工程の熱処理により歯形が変形しない。例えば、ヘリカル歯の歯筋方向の左右で歪変形が減少する、軸方向の上下で内部応力によって歪変形が減少する

本出願発明の実施例１におけるフランジ付きスパー歯車の製造過程を示す工程図である。 同上、スパー歯車の斜視図である。 同上、熱間或いは冷間鍛造における鍛流線のマクロ組織を示す説明図である。 同上、短軸のヘリカル歯車の斜視図である。 同上、長軸のヘリカル歯車の斜視図である。 同上、ドッグクラッチ歯車の斜視図である。 同上、他のドッグクラッチ歯車の断面図である。 同上、他のドッグクラッチ歯車の断面図である。 同上、噛合いクラッチ歯車の斜視図である。 同上、爪付きの歯車の斜視図である。 同上、インターナル歯車の断面図である。 同上、遊星歯車の二段ピニオン歯車の断面図である。 同上、クラッチ部品の断面図である。 同上、実施例２おける両側フランジ付きピニオン歯車の断面図である。 同上、鍛造成形によって歯形を鍛造するための金型図である。 同上、金型における横パンチの詳細平面説明図である。 従来例によるスパー歯車の斜視図である。 同上、鍛造における鍛流線のマクロ組織を示す説明図である。 同上、ピニオン歯車同士の噛合い状態を示す斜視図である。

本出願発明の実施の形態を、添付図面に例示した本出願発明の実施例に基づいて以下に具体的に説明する。

本実施例について、図１〜図１３を参照しながら説明する。図１は、本実施例におけるフランジ付きスパー歯車の製造過程を示す工程図である。図２はスパー歯車の一例を示す全体斜視図である。図３は、熱間或いは冷間鍛造における鍛流線のマクロ組織を示す説明図である。図４は、短軸のヘリカル歯車の斜視図である。図５は、長軸のヘリカル歯車の斜視図である。図６は、ドッグクラッチ歯車の斜視図である。図７は、他のドッグクラッチ歯車の断面図である。図８は、他のドッグクラッチ歯車の断面図である。図９は、噛合いクラッチ歯車の斜視図である。図１０は、爪付きの歯車の斜視図である。図１１は、インターナル歯車の断面図である。図１２は、遊星歯車の二段ピニオン歯車の断面図である。図１３は、クラッチ部品の断面図である。

本実施例の歯車の歯端面の片側にフランジを有する単純形状化したスパー歯車を例にして製造するプロセスを、図１の工程図に基づいて説明する。先ず、工程（１）に示すように、変速機用歯車に適した円柱素材を所定の軸長に例えばビレットシャーによって切断した素材Ｗ１を得る。この場合、素材の材質として変速機用歯車に適した鋼材、例えば、ＳＣ鋼、ＳＣＲ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼等を使用することができる。次に、工程（２）に示すように、素材Ｗ１を例えば１１５０℃に加熱して熱間鍛造を施すことによって下側に出っ張った凸部Ｗ２１を有する円盤状の素材Ｗ２を得る。次に、工程（３）に示すように、素材Ｗ２上段の大径部Ｄ１の部位に熱間鍛造を施して歯筋が軸方向に対して平行なスパー歯の荒メイン歯１０が荒形成され、内側に同心円状に凹んだ沈み溝４が形成される。その他、上面中心部に断面円形に凹んだ内径部Ｗ３１が形成され、また、荒メイン歯１０の形成によって上面外周に円板状にはみ出した鍔状のフランジ８を有する素材Ｗ３が得られる。次に、工程（４）に示すように、素材Ｗ３における内径部Ｗ３１の中バリを打ち抜いて荒軸孔３０を貫通させた素材Ｗ４を得る。次に工程（５）において、素材Ｗ４に焼ならしの熱処理、ショットブラスト処理及び潤滑剤を塗布するボンデライト処理を施して素材Ｗ５を得る。次いで工程（６）において、外周の荒メイン歯１０は冷間しごき及び冷間コイニング成形によって仕上げ形成され、歯筋が軸方向に対して平行なスパー歯のメイン歯１が得られ素材Ｗ６を得る。最後に工程（７）において、荒軸孔３０に仕上げ加工が施されて軸孔３を有する歯車Ｗが完成する。以上の工程をまとめると、工程（２）、（３）及び（４）は熱間鍛造であり、工程（６）は冷間しごき及び冷間コイニング成形による冷間鍛造である。

最終仕上げ加工を施したスパー歯車の詳細形状を図２に示し、前述した図１の工程（７）に示した完成歯車における下面を上側に向けた状態である。歯車Ｗは中心を貫通する軸孔３、この外周にリング状のボス５が段差をもって突設され、その外周に一段下がってドーナツ状に沈み溝４を備え、この外周に一段高くメイン歯１が巡り、下方の歯端面にフランジ８を設ける。このように、歯車Ｗは全ての構成が軸孔３を基準として同心円状に配設される。メイン歯１はスパー歯からなり、歯先１１、歯面１２、歯底１３、歯端面１４及び歯厚１５、歯元１６及び歯幅１７から構成される。ここで、スパー歯のメイン歯１は歯筋方向で中膨らみのクラウニング状のでもよい。下方の歯端面にフランジ８を設けたので、メイン歯１の歯形の歯幅１７方向の断面でみると、下方の歯端面近傍の歯形内部において鍛流線が形成されるのでよりマクロ組織が偏りなく均等化される。そして、メイン歯の歯形はインボリュート曲線に限らず、サイクロイド曲線、トロコイド曲線、又は夫々の曲線を有するヘリコイド曲面或いはこれらを複合した曲面を有するものでもよい。これらのことは他の実施例についても同様である。

本実施例による歯端面の一方にフランジを有する歯車は以上のように構成され、次に作用について説明する。

歯車のモジュールが大きくなるに伴い、例えば３以上になると歯形が大きくなり、特に歯元近傍における断面の肉厚偏差が顕著になる。その結果、歯形部を熱間鍛造によって型成形する過程において、鍛造肉流の隘路が形成されるのでその部位における鍛造肉流の流れが悪くなり、歯形部に十分肉流が充満されない儘歯形部が固化する。そこで、歯形の歯端面にフランジを設けることによって、歯元近傍断面の肉厚偏差が解消される。その結果、熱鍛造における肉流の隘路が緩和されて肉流が改善されて良好に充満される。また、同様にフランジを設けることによって、熱間鍛造肉流が改善されて鍛造の加圧力を低くすることが可能なので金型に対する負荷が緩和され、金型寿命が延びる。詳細には、歯形を熱間鍛造によって形成する過程で、先ず加圧力によって金型キャビティに押し込むように肉流が歯元側を充満し、次いで加圧が継続され或いは加圧保持されながら時間を置いて歯先側まで肉流が充満されながら歯形が完成し、肉流の充填欠陥が解消される。この間、歯元近傍の等肉化形状によって肉流が良くなって熱間鍛造の加圧時間が短縮される。ところで、歯形を形成するまでに金型は鍛造の瞬間に所定の時間約１１５０℃の高熱に曝される。或いは、金型は熱間鍛造の瞬間に高熱に曝され、次の歯車を熱間鍛造するまで一時的に常温に降下することを繰り返す。このように金型が高温度に昇温し、常温に降下することを繰り返すことによって、金型は所謂ヒートサイクルによる金属熱疲労を起こし、微小クラックが発生し遂には破損する。或いは金型が繰り返し高熱に曝露されることにより焼なましされて軟化し、金型表面の硬度が下がり、その結果表面が摩耗し易くなる。本実施例の歯車の形成についてまとめると、メイン歯１の歯端面にフランジ８を設けることによって、歯元近傍及び歯端面近傍における歯形断面の肉厚偏差が解消され、このことによって熱間鍛造による肉流が良くなって、金型が高温度に曝される時間が短縮され、延いては金型の劣化が遅延化されて金型寿命が伸びる。また、本実施例の歯車では、メイン歯１の歯端面にフランジ８を形成することによって、鍛造肉流が改善されて従来対比熱間鍛造の加圧力が減少されて金型への負荷が小さくなる。このことによっても更に金型寿命が延びる。

一方、熱間鍛造の際に歯面の表層部から内部にかけて、金属マクロ組織が繊維組織状に形成され、この状態を熱間或いは冷間鍛造における鍛流線の分布として模式的に図３に示す。中心線Ｃに沿った上下方向でみると、歯先１１側では歯形の山形に倣って複数本の鍛流線Ｆは山形に盛り上がるように形成され。本実施例では、熱鍛造における肉流の隘路が緩和されて肉流が改善されて良好に充満される。そのことによって、鍛流線Ｆは歯形倣って山形に形成され、複数の鍛流線Ｆ間の間隔が密に均等化される。しかも間隔が密で均等になるので内部組織における不完全部が生じることがない。その結果、歯先１１近傍における内部組織が鍛えられて、延いては面圧疲労強度及び曲げ疲労強度が向上して歯車の寿命が延びる。その他、冷間しごき及び冷間コイニングの冷間鍛造によって歯形が形成されるので、機械加工による鍛流線が切断されることもなく歯面近傍における面圧疲労強度に優れた歯車を得ることができる。また、歯切りの際に生じる歯端面のバリ取りが不要になるとともに、鍛造鋼材の軸方向の鍛流線が切断されないので歯面及び歯元の強度が保持される。そして、歯端面にフランジを設けることによって、後工程の熱処理により歯形が変形しない。例えば、ヘリカル歯の歯筋方向の左右で歪変形が減少する、軸方向の上下で内部応力によって歪変形が減少する。

上述したフランジ付き歯車の他の実施態様を以下に述べる。歯形は歯筋方向が軸に平行な前述したスパー歯の他に、同じくスプライン歯、スプロケット歯、先端が尖ったチャンファを有するドッグクラッチ歯等が考えられる。或いは、歯筋方向が軸方向対して捩れたヘリカル歯も考えられる。以下にこれらすべてを例示する。メイン歯１は歯筋が軸に対して捩じれたヘリカル歯でもよく、図４及び図５に示す。夫々歯車Ｗは外周にヘリカル歯からなるメイン歯１が廻り、下方の歯端面にフランジ８を有する一体鍛造成形の歯車である。図４は平坦なピニオン歯車であり、図５は長軸のピニオン歯車である。

次に、クラッチ歯の例を図６、図７、図８に示す。夫々歯車Ｗは外周にドッグクラッチ歯からなるメイン歯１が廻り、下方の歯端面にフランジ８を有する。図６では、先端部が尖ったチャンファ１０１を有するドッグクラッチ歯を示す。図７、８では歯車Ｗの断面を示し、フランジ８の裏側面は窪んだ凹み８１を有する。このことによって、メイン歯１の裏側の肉厚断面の偏差が緩和されるので、鍛造成形における鍛造肉流の隘路が減少するのでその部位における鍛造肉流の流れが改善され、歯形部に十分肉流が充満されて充填欠陥の無い歯形が形成される。その他、歯車全体の重量が凹みの分だけ軽量化され、この軽量化は歯車の回転バランスを良好にし、特に大径の歯車の場合に効果的である。他に図９は、二輪車や耕転器用等の変速機に使われる噛合いクラッチ歯車を示し、歯車Ｗは外周にスパー歯からなるメイン歯１が廻り、下方の歯端面にフランジ８を有し一体鍛造成形される。メイン歯１の内周側の沈み溝４には、複数の噛合いクラッチ用の噛み合い孔４１を備える。図１０は、二輪車の変速機に使用される爪付きの歯車を示す。歯車Ｗは外周にスパー歯からなるメイン歯１が廻り、下方の歯端面にフランジ８を有し一体鍛造成形される。メイン歯１の内周側には、複数のドッグクラッチ爪７を備える。

次に、インターナル歯車を図１１に示す。歯車Ｗは内歯からなるメイン歯１が廻り、下方の歯端面にフランジ８を有し、一体鍛造成形される。

次に、複合歯車の例を図１２、図１３に示す。図１２は、自動車の変速機に使用される遊星歯車のピニオン歯車に関するもので、二段状のヘリカル歯車を示す。歯車Ｗの下段は外周にヘリカル歯からなるメイン歯１が廻り、その下方の歯端面にフランジ８を有し、一体鍛造成形される。メイン歯１の上段には、ヘリカル歯からなるサブ歯２が廻る。フランジ８の裏側面は窪んだ凹み８１を有する。このことによって、メイン歯１の裏側の肉厚断面の偏差が緩和され、鍛造肉流の流れが改善される効果を奏する。

図１３に示されるクラッチ部品Ｗは、外周にメイン歯１を有し、内周にインターナル歯であるサブ歯２を有する。そして、メイン歯１とサブ歯２の下方の歯端面にフランジ８を有している。そして、上記した各図と同様に、フランジ８の裏側面は窪んだ凹み８１を有し、フランジ８や凹み８１の作用効果についても上記と同様である。

本発明の実施例２について、図１４、図１５、図１６を参照しながら説明する。図１４は、両側フランジ付きピニオン歯車の断面図である。図１５、図１６は、鍛造成形における金型と横パンチの説明図である。本実施例の実施例１との差異は、上下両側の歯端面にフランジを設けたところにある。以下実施例１と相違する箇所について主に説明する。

両フランジ歯車を図１４に示す。歯車Ｗは外周をヘリカル歯からなるメイン歯１が廻り、上下両側の歯端面にフランジ８、８を有し、一体鍛造成形される。実施例１と同様な鍛造工程によって、歯形が形成される。特に、本実施例では両側フランジなので、芯金を挿入した状態で横方から成形しなければならず、その工程のみを取り上げて以下に説明する。なお、両側フランジの歯車は転造による製法も考えられるが、メイン歯１がヘリカル歯の場合スラスト方向の力が加わるので歯の精度に問題がある。

図１４に示す歯車Ｗを一体鍛造成形するための金型の断面模式図を図１５に示す。図１５では金型内の素材Ｗ１０と仕上げ成形された歯車Ｗ１１とは同一図で示す。図１５に示す金型は、上ラムＵの側と下ベッドＶの側とから成り、上ラムＵの側は外側の上ダイ型Ｑ１とこの内周を上下に摺動する上パンチＰ１が主要部を構成する。下ベッドＶの側は外側のダイ型Ｑ３、この内周の傾斜したテーパＱ３１を摺動し、ダイＱ２の内側を貫通し、ヘリカル歯からなるメイン歯１を成形するための横パンチＰ２が主要部を構成する。そして、素材Ｗ１０の内径を貫通成形するマンドレルＰ３、仕上げ成形された歯車Ｗ１１を上方へ突き上げるエジェクタピンＰ４からなる。横パンチＰ２は、図１６の詳細平面説明図に示すように、メイン歯１における周列の歯数に分割された構造で、これらは放射状に可動し、その先端部に歯形を形成する歯型Ｔ１を設ける。以上の金型の構成に基づいて、上ラムＵが下降して下ベッドＶに接近すると、上ダイ型Ｑ１と上パンチＰ１の上ラム側の金型および下ベッド側のダイＱ２、ダイＱ３によって素材Ｗ１０が密閉され、半密閉鍛造成形が施されて、ついで横パンチＰ２の後述する作用によりヘリカル歯からなるメイン歯１が成形され、両フランジ歯車が形成される。

以下に横方から鍛造成形する横パンチの平面的な動きの詳細を説明する。工程（６）において、ヘリカル歯からなるメイン歯１を完成させる成形型の詳細について、横パンチＰ２の平面構造を示す図１６を参照しながら説明する。同図（ａ）は歯型Ｔ１および素材Ｗ１０の荒ヘリカル歯１０を水平面で切った断面を示し、横パンチＰ２は素材Ｗ１０の一歯当たり中央のセグメントＰ２０、左右のセグメントＰ２１、２１に３分割される。そして、これらのセグメントＰ２０、左右のセグメントＰ２１、２１は、外側のテーパＱ３１の傾斜に倣って放射方向に移動し、これらの三つのセグメントによって形成される凹みは歯型Ｔ１を構成する。なお、三つのセグメントは、図１５に示すように外周からリング状のダイＱ３によって強固に締着され、このダイＱ３の内周面にはテーパＱ３１が傾斜して設けられる。この状態において、横パンチＰ２の上方には上パンチＰ１が配備されており、その上パンチＰ１が下降することによって素材Ｗ１０が歯型Ｔ１を構成するキャビティ内に押し込み加圧され、据え込み鍛造される。図１５に示すように、横パンチＰ２を外周側からバックアップするダイＱ３には下方に狭まるテーパＱ３１を設けてあるので、上パンチＰ１が下降すると、図１６（b）に示す三つのセグメントは夫々矢印ａ、ｂ、ｃの方向に移動し素材Ｗ１０を加圧する。上パンチＰ１により素材Ｗ１０をキャビティ内に押し込むと同時に、横パンチＰ２は素材Ｗ１０の押し込み圧によって、三つのセグメントが金属製のリング状のダイＱ３に許容されている伸び量の範囲内にて、放射状に拡がる方向へ移動し、キャビティが押し拡げられる。キャビティの押し拡がりに伴って三つのセグメントの境には間隙が生じ、歯形形成部の歯型Ｔ１の部分は若干大きくなる。この状態で素材Ｗ１０外周部の張り出し量は歯形形成部が若干大きくなることにより必要な歯形部分のボリュームが確保されるが、細部の張り出しは不完全である。加圧力が解除されると、三つのセグメントはそれまで伸ばされていたダイＱ３の作用で、いわゆるスプリングバックが働き、三つのセグメントが中心に向かって一斉に収束する方向へ移動する。それに伴い、それまで拡大されていたキャビティが一気に収縮し、歯形は三つのセグメントの戻り力によって矯正され、欠肉のないシャープな歯形のヘリカル歯からなるメイン歯１を有する仕上げ成形された歯車Ｗ１１が形成される。即ち、据え込み時に歯形を一旦ボリュームアップさせておき、再加圧で型締めすることによってシェイプアップして歯形の精度アップを図る。以上述べた加圧過程では、加圧力の作用でキャビティは一旦拡がり、加圧力が失われると前記加圧力に匹敵する力で収縮して型締め作用が働くので、再加圧するための加圧力は不要である。また、三つのセグメントが放射方向に移動することで、キャビティが拡がると同時に３つのセグメント同士の境に間隙が生じ、その隙間からキャビティ内に閉じこめられたエアが抜けるので、キャビティ内に塵や埃が入っていてもエアと一緒にキャビティ外へ吹き飛ばされ、歯形の表面精度に影響しない。更に、高い加圧力が加わっても、３つのセグメントの移動により応力集中が吸収されるのでダイの破壊が防止される。このように過剰な加圧力を一つのヘリカル歯１当たり、３つのセグメントの移動により吸収して型に加わる負担を軽減すると共に、吸収した過剰圧力を型締めに利用して素材Ｗ１０を二段階に加圧するので、ダイを破損から守ると共に、仕上げ成形された歯車Ｗ１１の歯形の精度アップと歯形の欠肉防止を解決できる。

本実施例の歯車では、両側にフランジを設けたので軸方向上下でメイン歯の歯形形成において、上下でマクロ組織の偏りが緩和され。歯端面の両側にフランジを設けたことによって、鍛造成形における鍛造肉流の隘路が上下軸方向において緩和されるのでその部位における鍛造肉流の流れが改善され、歯形部に十分肉流が充満されて充填欠陥の無い歯形が形成される。その結果、歯形の軸方向上下において歯車の面圧疲労強度が向上して歯車の寿命が延びる。そして、機械加工による鍛流線が切断されることもなく歯端面や歯元近傍における面圧疲労強度に優れた歯車を得ることができる。また、歯切りの際に生じる歯端面のバリ取りが不要になると共に、鍛造鋼材の軸方向の鍛流線が切断されないので歯面及び歯元の強度が保持される。さらに、両側にフランジを設けることによって、後工程の熱処理による歯形の変形、例えば、ヘリカル歯の歯筋方向の左右の歪変形や、軸方向の上下での内部応力による歪変形を減らすことができる。

本発明の歯車の歯端面にフランジを設けることによって、歯車を成形する熱間或いは冷間鍛造金型を寿命延長することができるとともに、歯車の面圧疲労強度及び曲げ疲労強度を向上させることができる。従って、本出願発明の歯車は自動車のトランスミッションの用途に限らず、工作機械、荷役建設機械、ロボット等各種の産業機械装置の用途にも適用できる。

Ｃ 中心線
Ｄ１ 大径部、Ｄ２ 小径部
Ｆ 鍛流線
Ｗ 歯車
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ１０ 素材
Ｗ１１ 仕上げ成形された歯車
Ｗ２１ 凸部、Ｗ３１ 内径部
Ｕ 上ラム、Ｖ 下ベッド、Ｑ１ 上ダイ型、Ｑ２ ダイ、Ｑ３ ダイ
Ｐ１ 上パンチ、Ｐ２ 横パンチ、Ｐ３ マンドレル、Ｐ４ エジェクタピン
Ｐ２０、Ｐ２１ セグメント
Ｔ１ 歯形
１ メイン歯、１０ 荒メイン歯
１１ 歯先、１２ 歯面、１３ 歯底、１４ 歯端面、１５ 歯厚
１６ 歯元、１７ 歯幅、１０１ チャンファ
２ サブ歯
３ 軸孔、３０ 荒軸孔
４ 沈み溝、４１ 噛み合い孔
５ ボス
７ ドッグクラッチ爪
８ フランジ、８１ 凹み
９ 溝

Claims (7)

1. 鍛造成形によって歯形の内部に鍛流線が形成され、
   かつ、メイン歯の歯端面にフランジを設けることを特徴とする歯車。
2. 前記フランジの裏面側に凹みを設けることを特徴とする請求項１記載の歯車。
3. 前記フランジがメイン歯の両側の歯端面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
4. 前記メイン歯がスパー歯又はヘリカル歯であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の歯車。
5. 前記メイン歯がドッグクラッチ歯であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
6. 前記メイン歯がスプライン歯であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
7. 前記メイン歯がインターナル歯であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の歯車。

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