JP2014091125A5 - - Google Patents

Description

シャフト部品

本発明は、機械の動力伝達系に使用されるシャフト部品に関する。

従来のシャフト部品１００およびその製造方法について、図５および図６を用いて以下に説明する。まず、従来のシャフト部品１００は、図示しないビットに係合する駆動穴１０１を先端に備えた軸部品１０５と、この軸部品１０５に固定されるギア部品１１０と、が一体となって構成されている。また、特許文献１の記載によると、このシャフト部品１００は、車両用ランプの光軸調整用部品として用いられており、特に自動車部品で採用されている。前記軸部品１０５は、前記ギア部品１１０の前記貫通穴１０７に挿通可能な軸部１０３と、この一端に形成された頭部１０２と、からなる。一方、前記ギア部品１１０は、その外周に形成されたギア１０６と、中心に形成された貫通穴１０７とを備えている。また、前記軸部１０３には、前記ギア部品１１０の端面に接触するツバ部１０４が形成され、前記頭部１０２には、前記駆動穴１０１が形成される。

次に、従来のシャフト部品１００の製造方法は、図６に示すように前記ギア部品１１０および前記軸部品１０５を別々に圧造した後、それぞれを組み付け、スポット溶接あるいはプロジェクション溶接（図６の溶接作業に相当する）を施し固定する。その後、前記ギア１０６の強度向上を目的とした焼き入れ作業を行うものである。前記ツバ部１０４は、このスポット溶接あるいはプロジェクション溶接を行う溶接機（図示せず）の電極が接触する部位であり、前記軸部品１０５に必須の構成となっている。なお、前記プロジェクション溶接であれば、前記ツバ部１０４に複数の突起部１０４ａが成形される。

特開2004-303523号公報

しかしながら、上記車両用ランプの光軸調整用部品においては、軸部品１０５とギア部品１１０とを溶接で接合するため、溶接機等の設備投資に多額の費用が掛かるばかりか、軸部品１０５に溶接のためのツバ部１０４を設けなければならず、製造コスト上の問題を有していた。

本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、回転軸である第１部材と、当該第１部材を圧入する取付穴を有し、第１部材と一体となって回転することによりその回転を伝達する部材である第２部材とから成るシャフト部品において、これら部材が拡散接合によって接合されていることを特徴とする。

また、前記前記第１部材及び第２部材の素材は、炭素鋼であってそれぞれ炭素含有量が異なることが好ましい。

また、前記第１部材及び第２部材の素材の炭素含有量は、第１部材のほうが第２部材より高いことが好ましい。

また、前記第１部材の素材の炭素含有量は０．４５％程度、前記第２部材の素材の炭素含有量は０．１２％程度にすることが好ましい。

また、前記第１部材は、第２部材の取付穴に圧入代０．０３ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下で圧入されていることが好ましい。

また、前記拡散接合の焼き入れ条件は、炉内温度８６０℃、焼き入れ時間１５０分に設定されていることが好ましい。

本発明のシャフト部品によれば、回転軸と、その回転を伝達する部材とが、溶接でなく拡散接合によって接合されているので、十分な接合力を持ち合わせながら、かつ製造コストに優れたものとなる。

なお、前記第１部材及び第２部材の素材は、炭素鋼であってそれぞれ炭素含有量の異なるものにすることにより、拡散接合による接合力に優れたものとなる。特に、第１部材の素材の炭素含有量を第２部材より高くすることで、接合力をより高めることができる。その最適値としては、前記第１部材の素材の炭素含有量を０．４５％程度、前記第２部材の素材の炭素含有量を０．１２％程度に設定することである。

なお、前記第１部材と第２部材との圧入代を０．０３ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下に設定することで、圧入時に接合界面に傷が付くことを防止しながら、拡散接合が可能な接合界面の密着率を確保できている。

なお、前記拡散接合の焼き入れ条件は、炉内温度８６０℃、焼き入れ時間１５０分に設定することで、拡散接合による接合力がより優れたものとなる。

本発明の一実施例を示す説明図である。また、（ａ）は本発明のシャフト部品の完成状態を示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）の組立前の状態を示す説明図である。 本発明の製造工程の流れを示す説明図である。 本発明の第１部材のバニッシュ加工を説明する説明図である。 本発明の第２部材のシェービング加工を説明する説明図である。また、（ａ）は第２部材の加工前を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の加工後を示す説明図である。 従来の一実施例を示す説明図である。また、（ａ）は従来のシャフト部品の完成状態を示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）の組立前の状態を示す説明図である。 従来の製造工程およびシャフト部品を示す説明図である。

以下、図１ないし図４に基づき本発明のシャフト部品の一実施例を説明する。まず、本発明のシャフト部品２０は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、軸状に形成された第１部材の一例である軸部品５と、この軸部品５に配された第２部材の一例であるギア部品１０とから構成されており、これら部品５，１０は、それぞれ炭素含有量の異なる素材を用いている。前記軸部品５は、一端にビット（図示せず）に係合する駆動穴１を備えた頭部２と、この頭部２の最大径よりも小さな直径からなる軸部３と、からなり、この頭部２および軸部３が一体に成形されている。一方、前記ギア部品１０は、その全周に複数のギア６が成形されており、本実施例においては平歯車である。また、このギア部品１０は、その中心に前記取付穴の一例である貫通穴７が設けられるとともに、この貫通穴７の少なくとも一方の入口に斜面が形成されてなる。なお、本実施例において、前記斜面は、図１（ａ）および図２に示すＲ部７ａあるいは図４（ｂ）に示す面取り部７ｂであり、どちらが形成されてもよい。

このシャフト部品２０は、前記ビットの回転により前記ギア部品１０が前記軸部品５と一体になって回転するように構成されており、前記軸部品５および前記ギア部品１０は、拡散接合によって一体に接合されている。前記拡散接合は、熱膨張率の異なる部品を圧入し加熱して前記熱膨張率の差を利用して一体に接合する技術である。内側に配される軸部品５を熱膨張率の高い材料に選定するとともに、外側に配される前記ギア部品１０を熱膨張率の低い材料に選定し、これら部品を同時に加熱することで、軸部品５がギア部品１０よりも大きく膨張する。これにより、前記軸部５は、前記ギア部品１０の前記貫通穴７により強く拘束される形となり、前記接合界面に存在する隙間が加熱前に比べてより少なくなる。

この熱膨張率の違いは、一般的に知られる鉄−炭素系平衡状態図から解明できる。この鉄−炭素系平衡状態図は、炭素鋼をある温度に保持したときの組織の状態を示すものであり、炭素鋼では炭素含有量が高くなれば融点が低くなる。また、低い融点の炭素鋼は、高い融点の炭素鋼に比べ、低い温度にて熱膨張が進行する。つまり、炭素鋼の熱膨張率は、融点が低くなるに連れて高く、炭素含有量が高くなるに連れて高くなる。したがって、前記拡散接合により接合し前記材料を炭素鋼とする場合であれば、前記軸部品５を炭素含有量の高い材料に選定する一方、前記ギア部品１０を炭素含有量の低い材料に選定する必要がある。

上述したように熱膨張率の差を利用しているため、本実施例において、前記軸部品５は、０．４５％程度の炭素含有量からなる材質に設定される一方、前記ギア部品１０は、０．１２％程度の炭素含有量からなる材質に設定される。

次に、本発明のシャフト部品２０の製造方法について以下に説明する。前記シャフト部品２０の製造方法は、図２に示したように、圧造工程、組立工程、熱処理工程の順で行われている。

前記圧造工程は、冷間圧造装置によって前記軸部品５あるいは前記ギア部品１０をそれぞれ成形する工程である。また、前記軸部品５は、ヘッダ加工および後述するバニッシュ加工を順に経由して成形される一方、前記ギア部品１０は、後述するシェービング加工を経由して成形されるため、前記冷間圧造装置は、前記頭部２、前記駆動穴１、前記軸部３をそれぞれ成形するヘッダ装置（図示せず）と、前記軸部３を研磨加工並みの表面粗さに仕上げる前記バニッシュ加工を行う転造装置３０と、前記ギア部品１０の前記貫通穴７および斜面をそれぞれ研磨加工並みの表面粗さに仕上げるシェービング加工および前記ギア６の成形を同時に行うプレス装置４０と、に分かれる。つまり、前記軸部品５は、前記ヘッダ装置、前記転造装置３０を順に経由して圧造される。

前記転造装置３０は、図３に示すように一対の平ダイス３１，３２を対向に配してなり、何れか一方の前記平ダイスが摺動することで、挟み込んだ軸部３を転がしながら転造して仕上げる装置である。このため、前記平ダイス３１，３２は、それぞれ前記軸部３と接する面が滑らかな平面で仕上げられている。このように、前記転造装置３０により前記軸部４を仕上げる加工が前記バニッシュ加工であり、このバニッシュ加工は、前記軸部３の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を約０．８ｓ程度に仕上げることができる。したがって、バニッシュ加工は転造により行うため、一般的な軸の研磨加工に比べて大幅に加工時間を短縮できる特徴がある。

前記プレス装置４０は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように下降および上昇可能な打ち抜き工具３７と、素材１１を受ける受け治具３５とからなり、前記打ち抜き工具３７が下降することで、前記素材１１を打ち抜き、前記ギア部品１０を成形する装置である。前記打ち抜き工具３７は、前記素材１１を打ち抜き可能に形成されており、前記ギア６を成形する内歯ギア３８と、前記貫通穴７および前記斜面をそれぞれ成形する軸状の刃３９と、を備えてなる。前記シェービング加工は、前記貫通穴７および前記斜面を前記刃３９によって研磨加工並みの表面粗さ仕上げることができ、一般的な穴の研磨加工に比べて大幅に加工時間を短縮できる特徴がある。

以上のように、軸部品５の軸部３及びギア部品１０の貫通穴７をバニッシュ加工あるいはシェービング加工で成形することにより、接合界面が滑らかに仕上げられるため、拡散接合における接合力を強固にすることができる。さらに、軸部品５の貫入穴７の入口に斜面を形成することで、圧入時に軸部３の先端が貫通穴７へ徐々に案内される。これにより、軸部３の先端がむしれることなく軸部３の外周および貫通穴７の内周の傷付きを低減できる。

ところで、前記軸部品５は、前記ヘッダ装置により加工されるため、本実施例においては、その素材が、ＪＩＳ Ｇ３５０７−２に規定される冷間圧造用炭素鋼線のＳＷＣＨ４５Ｋに設定されている。また、このＳＷＣＨ４５Ｋは、炭素含有量が０．４５％程度に設定されている。一方、前記ギア部品１０は、前記プレス装置４０により加工されており、本実施例においては、その素材が、ＪＩＳ Ｇ３５０７−２に規定される冷間圧造用炭素鋼線のＳＷＣＨ１２Ａに設定されており、このＳＷＣＨ１２Ａは、炭素含有量が０．１２％程度に設定されている。なお、これら軸部品５およびギア部品１０の材質は、それぞれ上述の材質に限定されるものではなく、前記拡散接合が可能であればよい。

前記組立工程は、圧入装置（図示せず）により、前記軸部品５および前記ギア部品１０を圧入する圧入作業と、この圧入作業後に行う前記拡散接合と、に分かれている。前記圧入作業は、前記軸部品５の先端が前記斜面に案内され、前記ギア部品１０が軸部３の所定の位置まで押し込まれる作業である。また、前記斜面が形成されているため、前記圧入作業を容易にできるばかりでなく、滑らかな前記軸部３の外周および前記貫通穴７の周面が圧入作業により傷付かない。したがって、前記軸部３および前記貫通穴７の接合界面に存在する隙間を最小限にできる。また、前記軸部３および前記貫通穴７の直径寸法は、圧入代が０．０３ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下の範囲になるようそれぞれ設定されている。なぜならば、前記圧入代が０．０１ｍｍおよび０．０２ｍｍに設定すると後述する拡散接合後に、ギア部品１０にトルクを負荷すると低いトルクでギア部品１０が軸部品５から滑って空転するためである。また、前記圧入代が０．０６ｍｍを越えると前記斜面を形成しても圧入時に前記軸部３の外周および前記貫通穴７の周面に傷が付き、拡散接合後の接合力が弱く、前述同様に低いトルクで空転が生じるためである。

前記拡散接合は、前記圧入作業を終えた前記軸部品５および前記ギア部品１０を熱処理炉によって真空雰囲気中で加熱するものである。この加熱により前述の熱膨張率の差が作用して前記接合界面の密着面積が増加するとともに、密着面を通して原子の拡散が起こりそれぞれの接合が進行する。本実施例であると、拡散接合は、炉内温度が８６０℃に設定されるとともに、この温度の保持時間が１５０分に設定されている。なお、前記炉内温度および前記保持時間は、前記軸部品５およびギア部品１０の材質によって最適にそれぞれ設定すればよく、適宜変更されることはいうまでもない。

前記熱処理工程は、前記拡散接合と、この拡散接合の後に行う焼き入れ作業と、に分かれている。つまり、前記拡散接合は、図２に示すように前記組立工程および熱処理工程に重なるものである。前記焼き入れ作業は、ギア部品１０の強度を向上させるために行っており、本実施例において、ギア部品１０の材質を低炭素鋼であるＳＷＣＨ１２Ａに設定されているため、浸炭焼き入れとなっている。なお、この焼き入れ作業は、ギア部品１０の強度が向上できればよいため、ギア部品１０の材質が変われば例えば調質焼き入れであってもよく、焼き入れの種類が前記浸炭焼き入れに限定されるものではない。

１ 駆動穴
２ 頭部
３ 軸部
５ 軸部品
６ ギア
７ 貫通穴
７ａ Ｒ部
７ｂ 面取り部
１０ ギア部品
２０ シャフト部品（本発明）
３０ 転造装置
３１ 平ダイス
３２ 平ダイス
４０ プレス装置
１００ シャフト部品（従来）
１０１ 駆動穴
１０２ 頭部
１０３ 軸部
１０４ ツバ部
１０４ａ 突起部
１０５ 軸部品
１０６ ギア
１０７ 貫通穴
１１０ ギア部品

Claims (6)

1. 回転軸である第１部材と、当該第１部材を圧入する取付穴を有し、第１部材と一体となって回転することによりその回転を伝達する部材である第２部材とから成るシャフト部品において、これら部材が拡散接合によって接合されていることを特徴とするシャフト部品。
2. 前記第１部材及び第２部材の素材は、炭素鋼であってそれぞれ炭素含有量が異なることを特徴とする請求項１に記載のシャフト部品。
3. 前記第１部材及び第２部材の素材の炭素含有量は、第１部材のほうが第２部材より高いことを特徴とする請求項２に記載のシャフト部品。
4. 前記第１部材の素材の炭素含有量は０．４５％程度、前記第２部材の素材の炭素含有量は０．１２％程度としたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のシャフト部品。
5. 前記第１部材は、第２部材の取付穴に圧入代０．０３ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下で圧入されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のシャフト部品。
6. 前記拡散接合の焼き入れ条件は、炉内温度８６０℃、焼き入れ時間１５０分に設定されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のシャフト部品。