JP2016023656A - 歯車とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
減速機としては通常、互いに噛み合うウォームとウォームホイールとを備えたものが用いられる。またウォームホイールは、例えば鉄製のスリーブの外周に円環状の樹脂部材を射出成形(インサート成形)等によって形成後、樹脂部材の外周に切削加工等によって歯を形成して製造するのが一般的である。
しかし近年の環境負荷軽減の要求に基づいて自動車用部品のさらなる軽量化が求められるようになってきており、電動パワーステアリング装置においてはウォームホイールの鉄製のスリーブの占める重量比が大きいため、かかる心金を含むウォームホイールの全体を、必要強度および剛性を保持した上で軽量化することが必要とされる。
繊維強化複合材としては、例えば強化繊維として炭素繊維を用い、熱硬化性樹脂を使用したCFRP材(Carbon Fiber Reinforced Plastics)や、あるいは熱可塑性樹脂を使用したCFRTP材(Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics)等が挙げられる。
(1) 強化繊維のシートに熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを円環状に巻き付けたのち熱硬化性樹脂を硬化反応させるシートワインディング成形によって、繊維強化複合材からなり歯車の全体形状に対応した円板状の成形体を作製したのち、その外周を切削加工等して歯を形成する。
(2) 上記シートワインディング成形によって繊維強化複合材からなるスリーブを作製したのち、従来同様にこのスリーブの外周に円環状の樹脂部材をインサート成形等によって形成し、さらに樹脂部材の外周を切削加工等して歯を形成する(特許文献1等)。
また切削加工によって歯を形成する際に連続した強化繊維が切断されたり、樹脂と強化繊維が剥離したりして破壊源となって歯車の耐衝撃性や機械的強度が低下するといった問題もある。
ところが、かかるタック性の良い柔軟なエポキシ樹脂等を用いた繊維強化複合材は、流動化時間まで含めると硬化反応が完了するまでにおよそ5時間以上といった長時間を有するため歯車の、ひいては当該歯車を備えた電動パワーステアリング装置等の生産性が大きく低下するという問題もある。
セットした前記円環状プリフォーム中に樹脂を含浸させるとともに、前記樹脂を前記金型の前記歯部および前記スリーブに対応する領域の全体に充てんする工程、
を含む歯車(1)の製造方法である(請求項1)。
また樹脂は、加熱して溶融させた状態で前記金型内に注入する射出成形によって前記円環状プリフォーム中に含浸させるとともに、前記歯部および前記スリーブに対応する領域の全体に充てんすることができる(請求項6)。
歯部の外周(7)は円筒状に形成し、前記外周を、前記金型から取り出した後にさらに切削加工して歯(17)を形成するのが好ましい(請求項8)。
また熱硬化性樹脂を使用する場合でも、シートワインディング成形用の樹脂に求められるタック性や柔軟性は不要であり、射出成形によって金型内に充てんが可能で、なおかつ硬化時間の短い熱硬化性樹脂を選択して使用して歯車の生産性を大幅に向上できる。
かかる樹脂注入成形に用いる樹脂の液状の前駆体としては、例えばモノマーキャストナイロン等の、熱可塑性樹脂のもとになるモノマーやオリゴマーに重合触媒、重合助触媒、反応開始剤等を配合したものが挙げられる。かかる前駆体は短時間で重合反応により樹脂を生成して固化するため歯車の生産性を大幅に向上できる。
その上、請求項1記載の発明によれば、繊維強化複合材からなるスリーブをあとから切削等することなしに、当該スリーブと歯部とが強固に一体化された歯車を形成できるため、当該繊維強化複合材を形成する連続した強化繊維が切断されたり、樹脂と強化繊維が剥離したりして破壊源となるおそれもない。
請求項8に記載したように歯部の外周を円筒状に形成し、当該外周を、金型から取り出した後にさらに切削加工して歯を形成するようにすると金型の構造を簡略化できる。
すなわち金型の歯部に対応する領域の、当該歯部の外周に対応する面を単なる円筒状に形成できるだけでなく、樹脂の注入によって歯部の外周に直接に歯を形成する場合に必要となる複雑な型抜き機構を簡略化できる。また歯の精度も向上できる。
上記のうちスリーブ4は、内部に埋設された円環状プリフォーム6を形成する強化繊維中に樹脂が含浸された繊維強化複合材からなり、また歯部3は上記強化繊維を含まない樹脂からなり、さらに上記歯部3とスリーブ4は上記樹脂の連続相によって強固に一体に形成されている。
図2(a)を参照して、上記成形体2を製造するための金型8は、歯部3の立体形状に対応する第一領域9と、当該第一領域9の径方向内方に接してスリーブ4の立体形状に対応する第二領域10とを備えており、当該第二領域10の中心には、通孔5に対応する径が一定の円柱状のピン11が挿通されている。
また上記内周12とピン11は、成形体2の外周7と通孔5を同心状に配設するため同心状に配設されている。
通孔5の内径の精度は、ピン11の外径の精度によって決定される。そのためピン11の外径の精度を高めて、通孔5へのシャフトの圧入の精度を向上できる。ただし成形後に通孔5内を切削加工して所定の精度に仕上げてもよい。
円環状プリフォーム6としては、図に示すようにその内径がピン11の外径と略一致するものを用いることで、当該円環状プリフォーム6を、先に説明したように通孔5と同心状に配設できる。
例えば図3(a)の円環状プリフォーム6は、強化繊維からなる穴あき円板13を所定の厚みとなるように、図中に実線の矢印で示すように厚み方向に複数枚積層して形成される。また穴あき円板13としては、例えば強化繊維を穴あき円板状に織成した織物や、シート状の織物または一方向材を穴あき円板状に打ち抜いたもの等が挙げられる。
図3(c)の円環状プリフォーム6は、強化繊維を立体状に織成した三次元織物15として形成される。
上記円環状プリフォーム6を形成する強化繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の種々の繊維が挙げられる。
特に歯車1のスリーブ4をできるだけ高強度でかつ高剛性とするために炭素繊維が好ましい。また炭素繊維としては、かかる効果をより一層向上することを考慮すると、引張強度が3000MPa以上で、かっ引張弾性率が200GPa以上であるものが好ましい。
次にこの例の製造方法では、上記金型8の第一および第二領域9、10に樹脂を注入する。
そうすると注入された樹脂が、上記第二領域10にセットした円環状プリフォーム6中に含浸されるとともに第一および第二領域9、10の全体に充てんされて図1(a)に示す成形体2が形成される。
上記ゲートとしては、例えば金型8の、第一または第二領域9、10の任意の複数箇所に連通したピンゲートや、第一領域9および/または第二領域10の全周に連通したディスクゲート等、任意の形式のゲートが採用可能である。
熱可塑性樹脂としては、射出成形が可能な種々の熱可塑性樹脂が使用可能である。特に機械分野において多用されている、例えばポリアミド(PA6、PA66、PA46等)などのエンジニアリングプラスチックや、あるいは芳香族ポリアミド(PA6T、PA9T、PPA)、ポリアセタール、PEEK、PPSなどのスーパーエンジニアリングプラスチックが好ましい。
樹脂にはフィラーを配合してもよい。フィラーを配合すると、特に強化繊維を含まない歯部3の良好な柔軟性を維持しながら、当該歯部3の高い靭性や強度、耐摩耗性、耐衝撃性等をさらに向上できる。またフィラーを、円環状プリフォーム6を形成する強化繊維間にも浸透させてスリーブ4、ひいては歯車1の全体での強度や剛性をもさらに向上できる。
上記フィラーを含まない場合は樹脂自体の、またフィラーを含む場合は含んだ状態での、射出成形時(溶融時)の樹脂のメルトフローレートは30g/10min以上、特に50g/10min以上であるのが好ましい。
なおメルトフローレートを上記の範囲に調整するため、樹脂には減粘剤や分散剤、固化速度低減のための非晶質樹脂等を適宜添加してもよい。
またこの例の製造方法では、例えばRTM、VaRTM等の樹脂注入成形によって樹脂の液状の前駆体、または液状の樹脂を上記両領域9、10内に充てんすることもできる。
また液状の樹脂としては、樹脂注入成形によって金型8内に注入が可能で、なおかつ硬化時間の短い液状の熱硬化性樹脂が使用可能である。かかる熱硬化性樹脂としては、前述したフェノール樹脂(レゾール型、ノボラック型)や不飽和ポリエステル樹脂、あるいはタック性や柔軟性等の代わりに即硬化性が付与されたエポキシ樹脂のうち硬化前に液状を呈するものや、反応性希釈剤等を配合して液状としたもの等が使用できる。
かかる液状の前駆体または樹脂を、例えばRTM法では型締め力+ポンプ圧で金型8内に注入し、VaRTM法では金型8内を真空引きして吸引注入する。
そして液状の前駆体の場合は必要に応じて加熱すると、モノマー等が重合反応により樹脂を生成して固化することによって成形体2が形成される。また液状の熱硬化性樹脂の場合は充てん後に加熱して硬化反応させることで成形体2が形成される。
上記の工程を経て製造される図1(a)の例の歯車1は、前述したように繊維強化複合材からなり高強度で高剛性のスリーブ4と、上記強化繊維を含まない樹脂からなるため柔軟で靭性に優れラトル音等を生じにくい上、耐衝撃性にも優れた歯部3とが樹脂の連続相によって強固に一体に形成され、軽量である。
本発明の構成は、以上で説明した図の例には限定されない。
例えば金型8のピン11の位置にシャフトをセットしてインサート成形してもよい。これにより、成形と同時にシャフトが挿通固定された成形体2を形成できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を施すことができる。
Claims (9)
- 最外周に歯部に対応する円環状の領域、当該領域の径方向内方に接してスリーブに対応する領域を備えた金型内の、前記スリーブに対応する領域に、強化繊維からなる円環状プリフォームをセットする工程、および
セットした前記円環状プリフォーム中に樹脂を含浸させるとともに、前記樹脂を前記金型の前記歯部および前記スリーブに対応する領域の全体に充てんする工程、
を含む歯車の製造方法。 - 前記円環状プリフォームは、強化繊維からなる穴あき円板を積層して形成される請求項1に記載の歯車の製造方法。
- 前記円環状プリフォームは、強化繊維からなる組み紐を円環状に繋いで形成される請求項1に記載の歯車の製造方法。
- 前記円環状プリフォームは、強化繊維からなる三次元織物として形成される請求項1に記載の歯車の製造方法。
- 前記円環状プリフォームは、強化繊維からなる筒を長さ方向に巻き取って形成される請求項1に記載の歯車の製造方法。
- 前記樹脂を、加熱して溶融させた状態で前記金型内に注入する射出成形によって前記円環状プリフォーム中に含浸させるとともに、前記歯部および前記スリーブに対応する領域の全体に充てんする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の歯車の製造方法。
- 前記樹脂の液状の前駆体、または液状の樹脂を前記金型内に注入する樹脂注入成形によって前記円環状プリフォーム中に含浸させるとともに、前記歯部および前記スリーブに対応する領域の全体に充てんする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の歯車の製造方法。
- 前記歯部の外周は円筒状に形成し、前記外周を、前記金型から取り出した後にさらに切削加工して歯を形成する請求項1ないし7のいずれか1項に記載の歯車の製造方法。
- 最外周に歯部に対応する円環状の領域、当該領域の径方向内方に接してスリーブに対応する領域を備えた金型内の、前記スリーブに対応する領域に、強化繊維からなる円環状プリフォームをセットした状態で、前記円環状プリフォーム中に樹脂を含浸させるとともに、前記樹脂を前記金型の前記歯部および前記スリーブに対応する領域の全体に充てんして製造された歯車。
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