JP2016540898A - 径方向に延びる間隔を空けた開口を有する焼結金属部品とその製造方法 - Google Patents

径方向に延びる間隔を空けた開口を有する焼結金属部品とその製造方法 Download PDF

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Abstract

焼結粉末金属部品と関連する該部品の形成方法が開示されている。圧縮され焼結された粉末金属から形成される焼結粉末金属部品は、径方向外向き面と径方向内向き面とを有するハブを備えている。鋸歯状輪郭がハブの径方向外向き面と径方向内向き面のうちの一方に形成され、少なくとも1つの溝がハブの径方向外向き面と径方向内向き面のうちの他方に機械加工で形成されて、鋸歯状輪郭と少なくとも1つの溝が、ハブの径方向両側で対向する。溝又は複数の溝が、鋸歯状輪郭の複数の歯根の少なくとも幾つかと交差して、ハブを通る複数の径方向に延びた間隔を空けた開口を形成する。

Description

(関連出願との相互参照)
本出願は、2013年10月17日に出願された米国暫定特許出願第61/891,998号の利益を請求し、その開示内容全体は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
本発明は、粉末金属部品とその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、例えばオイルや他の潤滑剤をハブの径方向の一方側から他方側へ移動させるために、粉末金属部品のハブを通る径方向に延びる間隔を空けた開口を形成する方法に関する。
特定のコンポーネントでは、アセンブリのある場所から別の場所へオイル又は潤滑剤が流れることを許容するために、コンポーネントを通るオイル又は潤滑剤用の孔を有することが必要である。例えば、クラッチハブでは、オイルはクラッチハブの一方からクラッチパックへ供給される。これを行うために、クラッチハブのハブは、従来ドリル等で孔を開けられて、オイル又は潤滑剤が通る経路が形成される。加えて、潤滑剤タンクを提供するために、円筒状又は筒状体が一般的にハブから機械加工で形成される。ハブの軸端上には、径方向内向きの環状リップ(lip)又はダム(weir)が残されて、タンクの端壁を構成している。
しかし、(1)ハブにドリルで潤滑剤孔を形成した後、(2)筒状潤滑剤タンクを機械加工で形成するプロセスは、費用がかかるし、時間を消費する。従って、ハブを有するコンポーネントに開口と潤滑剤タンクを形成する改善された方法に対する需要が存在する。
粉末冶金と最小限の機械加工のみを用いた、径方向の貫通孔と潤滑剤タンクを形成するための改善された方法を、ここに開示する。要するに、ハブの一方の面上に特に深く幾つかの又はすべての歯根が形成された鋸歯状輪郭を有する型(form)内に粉末金属が圧縮される。ハブの他方の面上には、これらの歯根の少なくとも幾つかと交差する1つ以上の溝が機械加工で形成されている。これらの交差点では、歯根と溝又は複数の溝は複数の径方法に延びる間隔を空けた開口を形成し、これら開口は潤滑剤がハブの一方から他方へ移動することを可能にするために用いることができる。また、溝又は複数の溝は、潤滑剤タンクとして機能し、タンクを形成するためにハブの大面積を除去することを要しない。
本発明の一態様によれば、焼結粉末金属部品は、径方向外向き面と径方向内向き面とを有するハブを備えている。鋸歯状輪郭が、ハブの径方向外向き面と径方向内向き面のうちの一方に形成されている。この鋸歯状輪郭は、歯と歯根を備えている。1つ以上の溝が、ハブの径方向外向き面と径方向内向き面のうちの他方に機械加工で形成されている(鋸歯状輪郭と1つ以上の溝が、ハブの径方向両側で対向している)。溝が歯根の少なくとも幾つかと交差して、ハブを通る複数の径方向に延びる間隔を空けた開口を形成している。
1つの形態では、この焼結粉末金属部品がクラッチハブである。しかし、この部品はクラッチハブ以外の部品であってもよい。
幾つかの形態では、鋸歯状輪郭が径方向外向き面に形成され、溝が径方向内向き面に機械加工で形成されている。他の形態では、鋸歯状輪郭が径方向内向き面に形成され、溝が径方向外向き面に機械加工で形成されている。
本発明の幾つかの形態では、複数の径方向に延びる間隔を空けた開口は、周方向及び軸方向に互いに間隔が空けられている。
開口が形成される特定の位置は、歯根の深さを制御することによって確立される。例えば、歯根の少なくとも幾つかは、他の歯根より深い。次に、機械加工で形成された溝の深さに応じて、溝はより深い歯根と交差して開口を形成するが、より浅い歯根とは交差しない。
溝又は複数の溝は、多数の異なる形態を取ることができる。例えば、溝はハブの周囲に延びることができる(例えば、溝はハブの中心軸と垂直な面上の円形凹部とすることができる)。別の形態では、複数の溝がハブにハブの中心軸に対し斜めの角度で機械加工により形成されて、ねじ山パターンを形成する。また別の形態では、溝はハブの円周上で軸方向に波打つ(oscillates)連続的な溝である(例えば、円柱面周りに巻き付くサイン波のパターンである)。また別の形態では、溝はハブの周囲で部分的にのみ延びた溝の断片(segment)を備えている。
幾つかの形態では、歯根の最も深いものの深さが鋸歯状輪郭の歯の高さを超えていることが考えられる。つまり、複数の歯が標準的な高さを有し、複数の開口の構成を収容する歯根が、歯の別のセットと適切に係合するために歯の深さより深い歯根の高さになることに帰結する。例えば、複数の歯の対応するセットと係合するために歯根の適切な深さのところに中間の肩部があり、次に溝と交差することを主な目的とした歯根のより深い部分が続く。
幾つかの形態では、歯根が断面円形の輪郭を有している。
本発明の別の態様によれば、焼結金属部品のハブを通る複数の径方向に延びた間隔を空けた開口を形成する方法が開示されている。粉末金属を、焼結すれば焼結粉末金属部品になるグリーンプレフォーム(green preform)に圧縮する。このグリーンプレフォームはハブの径方向外向き面と径方向内向き面のうちの一方に形成された鋸歯状輪郭を有する。少なくとも1つの溝を前記ハブの前記径方向外向き面と前記径方向内向き面のうちの他方に機械加工で形成して、前記鋸歯状輪郭と前記少なくとも1つの溝を、前記ハブの両側で対向させる。溝が、歯根の少なくとも幾つかと交差して、ハブを通る複数の径方向に延びた間隔を空けた開口を形成する。
本方法の幾つかの形態によれば、本方法はグリーンプレフォームを焼結して焼結粉末金属部品を形成するステップをさらに備える。グリーンプレフォームを焼結して焼結粉末金属部品を形成するステップに先立って、又は、グリーンプレフォームを焼結して焼結粉末金属部品を形成するステップの後で、グリーンプレフォームに溝を機械加工で形成する。
本方法によれば、圧縮ステップの間に、鋸歯状輪郭が径方向外向き面又は径方向内向き面の一方に形成され、機械加工ステップの間に、溝が径方向外向き面又は径方向内向き面の他方に機械加工で形成される。
上述のように、溝は多数の異なる形態を取ることができる(例えば、円周溝、ハブの中心軸に対し斜めの角度で機械加工、連続的な波打ち溝、及び/又はハブの周囲で部分的にのみ延びた溝の断片)。
本発明の上記長所や他の長所は、以下の詳細な記述と図面によって明らかになるであろう。以下に記載するものは、本発明の幾つかの好ましい実施例に過ぎない。これらの好ましい実施例は請求項の範囲内の実施例であることを意図したものではないので、本発明の全範囲を評価するためには、請求項を見るべきである。
図1はハブの径方向外向き面上の鋸歯状輪郭(この例ではスプライン)を示す焼結粉末金属部品の断面斜視図であって、焼結粉末金属部品の半分のみが図示されている。 図2は図1の焼結粉末金属部品の斜視図であって、ハブの径方向内向き面とそこに機械加工で形成された溝を示すために、反対方向から断面を図示している。 図3は代替的な焼結粉末金属部品の側面図であって、ハブに形成された3つの径方向に延びる間隔を空けた開口が図示されたハブの径方向外向き面を示している。 図4は図3の焼結粉末金属部品の断面側面図であって、ハブの径方向内向き面とそこに機械加工で形成された溝とを見ることができる。 図5は図3の焼結粉末金属部品の詳細斜視断面図であって、断面はハブを通って径方向に延びる開口を形成する歯根の一つと溝の交差部を通る断面を示している。 図6は図4の焼結粉末金属部品の詳細斜視断面図であって、断面はハブを通って径方向に延びる開口を形成する歯根の一つと溝の交差部を通る断面を示している。 図1や図2に示した焼結粉末金属部品と類似のまた別の代替的な粉末金属部品の図であるが、歯根と溝の交差部は規則的に間隔を空けることで、複数の径方向に延びる開口も規則的に間隔を空けている。 図8は図7の部品の側面図であって、ハブの径方向外向き面が示されている。 図9は、図1、図2に示したものと類似した、また別の代替的な焼結粉末金属部品の図であるが、溝はハブの中心軸と略垂直な面上で円周方向に形成されている。 図10は、図1、図2に示したものと類似した、また別の代替的な焼結粉末金属部品の図であるが、溝の単一コード(chord)又は断片がハブの径方向内向き面に形成されている。 図11は、図10の部品の反対側斜視図であって、溝の断片によって形成された開口が、ハブの径方向外向き面上に図示されている。
以下の詳細な説明では、特に記載された差異を除き、様々な図示の実施例にわたって、類似の要素には類似の番号を用いている。いずれにせよ、図に番号が付された特定の特徴は、各実施例で明示的に記載されている。例えば、第1実施例の特徴102とその記述は、全体的に第2実施例の特徴202、及び第3実施例の特徴302などと対応している。
まず図1、図2を参照して、クラッチハブ状の焼結粉末金属部品100が本発明の第一の態様に従って示されている。焼結粉末金属部品100は、ベース102とベース102から軸方向上向きに延びたハブ104を備えている。ハブ104は全体的に筒状で、ベース102に接続された一方の軸端からハブ104の端部の他方の軸端まで延びている。ハブ104は、径方向内向き面106と径方向外向き面108を有している。
ハブ104の径方向外向き面108上には、鋸歯状輪郭110が形成されている。鋸歯状輪郭110は、ハブ104に沿って軸方向に延び、ハブ104の周方向に間隔を空けた、複数の歯112を備えている。これらの歯112の間には、複数の歯根114が設けられている。これらの歯根114のうち少なくとも幾つかは、他の歯根114より深くなっている。この明細書では、「より深い」とは1つの歯根が図示の向きで他の歯根よりハブの中心軸により近いことを意味するが、但しすべての歯根114が同じ深さである場合も考えられる。また、ここで用いられる「鋸歯状輪郭」という用語は、歯、スプライン、又は他の歯状のものを指しており、図示の鋸歯状輪郭のみに限定されない。
図2に最も良く示されているように、ハブ104の径方向内向き面106上には、溝116が機械加工で形成されている。この図示の実施例では、この溝116は連続的で、径方向内向き面106周りに円周方向に溝116が延びるに伴い、軸方向に波打っている。従って、溝116はサイン波に似たパターンを有している。しかし、他の実施例の幾つかに図示されるように、溝116は異なる形状を取ることができる(例えば、軸方向に波打たず、単に断片であるなど)。また、当然のことながら、単一の連続的な溝のみが図1、図2に示されているが、1つの溝の代わりに1つ以上の溝を形成することができる。
鋸歯状輪郭110はハブ104の径方向外向き面108に形成され、溝116はハブ104の径方向内向き面106に形成されているが、これらの特徴部分の配置は入れ替えることができることに留意すべきである。つまり、鋸歯状輪郭110はハブ104の径方向内向き面106に形成することができるし、溝116はハブ104の径方向外向き面108に形成することができる。図示の実施例に対し入れ替えた配置では、歯根の深さは明らかに上で定義した深さから反転している。鋸歯状輪郭110がハブ104の径方向内向き面106に形成されている場合、歯根114がより深くなるにつれて、歯根114はハブ104の中心軸からより遠ざかる。
歯根114の少なくとも幾つかと溝116の交差点では、径方向に延びる開口118が形成されている。径方向に延びる開口118の形成は、ハブ104の一方側の溝116の深さがハブ104の他方側の歯根114の深さと交差するところで生じ、そこには2者の間に材料の存在が無くて、径方向に延びる開口118が形成される。このように、また当然のことながら、ハブ104の構成にかかわらず、(歯根114を備えた)鋸歯状輪郭110は溝116に対してハブ104の反対側になる必要がある。歯根114がハブ104の周囲に互いに間隔を空けているので、これは径方向に延びる開口118もハブ104の周囲に間隔を空けて存在していることを意味する。また、図示の溝116はハブ104周囲を進むにつれて軸方向に波打っているので、歯根114と溝116の交差点に基づいて径方向に延びる開口118も、軸方向に互いに間隔を空けている。
図1と図2に示すように、歯根114と溝116として選択された配置によって、径方向に延びる開口118は異なる長さの曲線状のスロットであることに留意すべきである。しかし、他の実施例に図示されているように、径方向に延びる開口118の形状は、鋸歯状輪郭110と溝116の配置の選択によって制御できる。開口118のすべてではなくともほとんどは、歯根114の全幅にわたって延びている。
次に図3、図4を参照して、焼結粉末金属部品200の第二実施例を示し、そこでは鋸歯状輪郭210の形状が変更されて、径方向に延びる開口218の数と形状が変化している。この実施例では、ハブ204の径方向外向き面208上の鋸歯状輪郭210の歯根214bの幾つかのみが、ハブ204の径方向内向き面206上の溝216と交差するのに十分に深い。図3と図4に示された焼結粉末金属部品200の半分からわかるように、3つの径方向に延びる開口218のみが、ハブ204の側壁に形成されている。
図5と図6をさらに参照すると、図3と図4に示された第二実施例の歯根214aと214bの深さの相違をより詳細に見ることができる。図5、図6に示すように、幾つかの歯根214aは浅く、一方で他の歯根214bは比較してより深い。径方向に延びる開口218を形成する溝216と歯根214bの間の交差点の空間と共に、より深い歯根214bの1つを通る断面を、図5と図6は備えている。図示の形態では、溝216がハブ204の径方向内向き面206に対して均一な深さを有するように形成されているので、溝216はより深い歯根216bとのみ交差して、径方向に延びる開口218を形成し、より浅い歯根214aとは開口を形成しない。
特に、図3ないし6に示す第二実施例では、対応する溝216と交差するのに十分な深さの歯根214bの数が少ないので、この第二実施例での径方向に延びる開口218の数はより少なく、図1、図2に示した実施例よりさらに互いに間隔を空けている。
次に図7と図8を参照して、第三実施例を示す。この焼結粉末金属部品300では、ハブ304の径方向外向き面308上の鋸歯状輪郭310は規則的であり、規則的なパターンを生じさせる歯312と歯根314を有している。従って、溝316が径方向内向き面306に機械加工などで形成されると、径方向に延びる開口318の円周方向の間隔はより規則的になり、軸方向にのみ波打つ(溝316がハブ304の周りに円周上に延びるにつれて、軸方向に波打つ)。
焼結粉末金属部品のまた別の変形例を図9に示す。この焼結粉末金属部品400では、溝416はハブ404の径方向内向き面406上に単純な環状リングとして形成され、ハブ404の中心軸と垂直な面上に円周を有している。鋸歯状輪郭410が規則的なので、溝416と鋸歯状輪郭410の歯根414の交差部は、それぞれ同じ軸方向高さ又は位置にある、ハブ404の周囲の円周線に沿って間隔を空けた、径方向に延びる開口418を形成する。
最後に、図10と図11に、溝516がハブ504の径方向内向き面506の一部に沿った単に単一の円弧状断片である別の実施例を示す。ここでも、この結果、歯根514と溝516の交差部に、径方向に延びる開口518が形成される。しかし今回は、開口は溝516の断片に沿って間隔を空けている。
「技術分野」と「背景技術」で述べたように、より大きなアセンブリに載置すると、これらの径方向に延びる開口は潤滑剤のハブの一方から他方への移動を容易にすることができる。また、(幾つかの既存のアセンブリで見られるより大きな機械加工された領域とは対照的に)ハブに溝を形成することによって、溝は潤滑剤タンクとして働くことができる。
さらに、図示していないものの、1つ以上のフルート状のものをプレス加工、機械加工、その他で加工して鋸歯状輪郭に形成して、歯と歯根の間の空間に形成された複数の流路(channel)を流動的に結合することが考えられる。このようなフルート状のものは、全体的に周方向に延びて、歯根の様々な流路を互いに流体連結するように載置して、潤滑剤をより良く分配できる。例えば、幾つかの形態では、径方向に延びる開口は歯根の幾つかのみに形成されて、ハブの壁を通る潤滑剤の移動を容易にするのに対し、フルート状のものは開口を有する流路と開口を有さない流路の間の鋸歯状輪郭において、様々な流路を横断する潤滑剤の移動を容易にすると考えられる。
上述の実施例ではクラッチハブが図示されていたが、クラッチハブ以外の他の粉末金属部品も本発明に組み入れることができる。
ここに記載した種類の粉末金属部品を形成するための方法を以下に記載する。
第一に、粉末金属を、グリーンプレフォーム(green preform)に圧縮する。この圧縮ステップは、一般的に工具と金型セットに粉末金属とある程度の量の潤滑剤及び/又は結合剤を充填することで実行される。潤滑剤及び/又は結合剤は、圧縮時に粉末金属粒子を一体に保持し、工具及び金型セットからの圧縮されたプレフォームの取り出しを容易にする。粉末金属と潤滑剤及び/又は結合剤は、圧力(通常、2つ以上の対向するパンチ工具によって供給される一軸性の圧力)下で一体に圧縮され、グリーンプレフォームを形成する。圧縮ステップの間、例えば鋸歯状輪郭のような微細な又は詳細な特徴部分が形成される。圧縮の直後には、溝はプレフォームに存在していない。
その後、プレフォームは焼結時間の間、焼結温度(一般的に粉末金属の溶融温度近傍だが以下)で焼結されて、粉末金属粒子を拡散させ、互いを結び付ける(neck into each other)ことによって、硬い焼結粉末金属部品を形成し、部品の密度が増加するのに伴い、部品のわずかな寸法収縮が生じる。プロセス条件は粉末金属材料に基づいて変化し、粉末金属供給者又は科学文献から容易に入手可能であるので、特定の時間及び温度は、この用途では明示的に提供しない。
焼結前(部品がまだグリーンプレフォームとしてグリーン状態の時)又は焼結後(部品が焼結された時)に、少なくとも1つの溝がハブの径方向外向き面及びハブの径方向内向き面のうちの他方に機械加工で形成されて、鋸歯状輪郭と溝はハブの径方向両側で対向する。この機械加工ステップの間、溝又は複数の溝は、鋸歯状輪郭の歯根の少なくとも幾つかと交差して、ハブを貫通する複数の径方向に延びる間隔を空けた開口を形成する。この機械加工ステップは、多数の方法で実行することができるが、旋盤を用いて行うことが最も可能性が高いと考えられる。
繰り返すと、焼結粉末金属部品は図示の形態のどれでも取ることができるし、追加の形状的変形を採用して、径方向に延びる開口の配置の代替的位置にたどり着くことができる。
当然のことながら、好ましい実施例の様々な他の変形、変更が本発明の精神と範囲内で実施される。従って、本発明は記載した実施例に限定されるものではない。本発明の全範囲を確認するためには、以下の請求項を参照すべきである。

Claims (22)

  1. 径方向外向き面と径方向内向き面とを有するハブと、
    前記ハブの前記径方向外向き面と前記径方向内向き面のうちの一方に形成された歯根を有する鋸歯状輪郭と、
    前記ハブの前記径方向外向き面と前記径方向内向き面のうちの他方に機械加工で形成された少なくとも1つの溝と、
    を備えた焼結粉末金属部品であって、
    前記鋸歯状輪郭と前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの径方向両側で対向し、
    前記少なくとも1つの溝が、前記歯根の少なくとも幾つかと交差して、前記ハブを通る複数の径方向に延びる間隔を空けた開口を形成することを特徴とする焼結粉末金属部品。
  2. 前記焼結粉末金属部品がクラッチハブであることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  3. 前記鋸歯状輪郭が前記径方向外向き面に形成され、前記少なくとも1つの溝が前記径方向内向き面に機械加工で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  4. 前記鋸歯状輪郭が前記径方向内向き面に形成され、前記少なくとも1つの溝が前記径方向外向き面に機械加工で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  5. 前記複数の径方向に延びる間隔を空けた開口が、周方向及び軸方向に互いに間隔が空けられていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  6. 前記歯根の少なくとも幾つかが、他の前記歯根よりも深いことを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  7. 前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの周囲に周方向に延びた溝を備えていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  8. 前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの中心軸から斜めの角度に機械加工で形成された複数の溝を備えて、ねじ状のパターンを形成していることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  9. 前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの周囲で軸方向に波打つ連続的な溝を備えていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  10. 前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの周囲で部分的にのみ延びた溝の断片(segment)を備えていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  11. 前記歯根の最も深いものの深さが歯の高さを超えていることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  12. 前記歯根が断面円形の輪郭を有していることを特徴とする請求項1に記載の焼結粉末金属部品。
  13. 焼結金属部品のハブを通る複数の径方向に延びた間隔を空けた開口を形成する方法であって、
    粉末金属を、焼結すれば焼結粉末金属部品になるグリーンプレフォーム(green preform)に圧縮する圧縮ステップと、ここで前記グリーンプレフォームは前記ハブの径方向外向き面と径方向内向き面のうちの一方に形成された鋸歯状輪郭を有し、
    少なくとも1つの溝を前記ハブの前記径方向外向き面と前記径方向内向き面のうちの他方に機械加工で形成して、前記鋸歯状輪郭と前記少なくとも1つの溝を、前記ハブの両側で対向させる機械加工ステップと、を備え、
    前記少なくとも1つの溝が、前記歯根の少なくとも幾つかと交差して、前記ハブを通る複数の径方向に延びた間隔を空けた開口を形成することを特徴とする方法。
  14. 前記グリーンプレフォームを焼結して焼結粉末金属部品を形成する焼結ステップをさらに備えた請求項13に記載の方法。
  15. 前記焼結ステップに先立って、前記グリーンプレフォームに前記溝を機械加工で形成することを特徴とする請求項14に記載の方法。
  16. 前記焼結ステップの後で、前記グリーンプレフォームに前記溝を機械加工で形成することを特徴とする請求項14に記載の方法。
  17. 前記圧縮ステップにおいて前記鋸歯状輪郭が前記径方向外向き面に形成され、前記機械加工ステップにおいて前記少なくとも1つの溝が前記径方向内向き面に機械加工で形成されることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  18. 前記圧縮ステップにおいて前記鋸歯状輪郭が前記径方向内向き面に形成され、前記機械加工ステップにおいて前記少なくとも1つの溝が前記径方向外向き面に機械加工で形成されることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  19. 前記ハブに機械加工で形成された前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの周囲に周方向に延びた溝を備えていることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  20. 前記ハブに機械加工で形成された前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの中心軸から斜めの角度に機械加工で形成された複数の溝を備えて、ねじ状のパターンを形成していることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  21. 前記ハブに機械加工で形成された前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの周囲で軸方向に波打つ連続的な溝を備えていることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  22. 前記ハブに機械加工で形成された前記少なくとも1つの溝が、前記ハブの周囲で部分的にのみ延びた溝の断片(segment)を備えていることを特徴とする請求項13に記載の方法。
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