JP2017030023A

JP2017030023A - ディファレンシャル用リングギヤの製造方法

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Publication number: JP2017030023A
Application number: JP2015153714A
Authority: JP
Inventors: 博成足立; Hironari Adachi; 拓也助田; Takuya Sukeda; 杉山　徹; Toru Sugiyama; 徹杉山; 寛史井下; Hiroshi Ishita; 直樹平位; Naoki Hirai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2017-02-09

Abstract

【課題】中間材の径寸法を拡大するように鍛造成形してギヤ粗材を製造する際の加工設備や加工工程数を少なくして製造コストを低減する。
【解決手段】ギヤ粗材加工工程では、冷間ロール鍛造によって中間材３２を拡径するため、従来の熱間リングローリングのように熱ひずみによって形状精度が損なわれる恐れが無く、そのままギヤ粗材４０として用いることが可能となる。これにより、熱間据込み鍛造による仕上げ成形が不要となり、そのための加工設備や加工工程が不要になって製造コストが低減される。また、冷間ロール鍛造は、成形ローラが中間材３２の周方向へ相対的に転動させられることにより、その中間材３２を局部的に塑性変形させて逐次拡径するものであり、瞬間的な成形面積が小さいため成形荷重が低減され、ロール鍛造装置を小型で安価に構成することが可能で、この点でも製造コストが低減される。
【選択図】図１

Description

本発明はディファレンシャル用リングギヤの製造方法に係り、特に、鍛造成形によってギヤ粗材を製造する技術の改良に関するものである。

(a) プレスによる熱間据込み鍛造を含んでリング状の中間材を製造する中間材加工工程と、(b) 前記中間材の径寸法を拡大するように鍛造成形して、平坦な円環状のフランジの外周部にギヤ加工部を有するギヤ粗材を製造するギヤ粗材加工工程と、を有し、(c) 前記ギヤ加工部に噛合歯を加工することによってディファレンシャル用リングギヤを製造する製造方法が知られている。特許文献１に記載の製造方法はその一例で、ギヤ粗材加工工程では、熱間リングローリングによって中間材を拡径している。

特開２０１０−６４１３４号公報

しかしながら、熱間リングローリングで拡径した場合、熱ひずみによって形状精度が損なわれることから、そのままギヤ粗材として用いることができず、熱間据込み鍛造によって仕上げ成形する必要があった。このため、加工設備や加工工程数が多くなり、製造コストが高くなるという問題があった。また、ディファレンシャル用リングギヤは大径であるため、熱間据込み鍛造であってもその成形荷重は１０００ｔｏｎ程度以上になり、大型の加工設備が必要で、この点も製造コストが高くなる要因となっていた。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、中間材の径寸法を拡大するように鍛造成形してギヤ粗材を製造する際の加工設備や加工工程数を少なくして製造コストを低減することにある。

本発明は、(a) プレスによる熱間据込み鍛造を含んでリング状の中間材を製造する中間材加工工程と、(b) 前記中間材の径寸法を拡大するように鍛造成形して、平坦な円環状のフランジの外周部にギヤ加工部を有するギヤ粗材を製造するギヤ粗材加工工程と、を有し、(c) 前記ギヤ加工部に噛合歯を加工することによってディファレンシャル用リングギヤを製造する製造方法において、(d) 前記ギヤ粗材加工工程では、自身の軸心Ｓ２が前記中間材の軸心Ｓ１と交差する姿勢で配設された成形ローラを、その中間材の周方向の一部に軸心Ｓ１と平行な方向から相対的に押圧しつつ、その中間材と成形ローラとを軸心Ｓ１まわりに相対回転させることにより、その成形ローラをその中間材の周方向へ相対的に転動させ、冷間状態でその中間材を局部的に塑性変形させて逐次拡径する冷間ロール鍛造を行なうことを特徴とする。

このようなディファレンシャル用リングギヤの製造方法によれば、冷間ロール鍛造によって中間材を拡径するため、熱ひずみによって形状精度が損なわれる恐れが無く、そのままギヤ粗材として用いることが可能となる。これにより、熱間据込み鍛造による仕上げ成形が不要となり、そのための加工設備や加工工程が不要になって製造コストが低減される。また、冷間ロール鍛造は、成形ローラが中間材の周方向へ相対的に転動させられることにより、その中間材を局部的に塑性変形させて逐次拡径するものであり、瞬間的な成形面積が小さいため成形荷重が低減され、加工設備を小型で安価に構成することが可能で、この点でも製造コストが低減される。

本発明の一実施例であるディファレンシャル用リングギヤの製造方法を説明する工程図である。図１の製造方法に従って製造されるディファレンシャル用リングギヤの一例を説明する断面図である。図１の中間材加工工程で製造される中間材の一例を説明する断面図である。図１のギヤ粗材加工工程で製造されるギヤ粗材の一例を説明する断面図である。図１のギヤ粗材加工工程で冷間ロール鍛造を実施する加工設備の概略断面図で、鍛造成形前の状態である。図５の加工設備においてギヤ粗材が鍛造成形された後の状態を示した概略断面図である。図５、図６に示されるように冷間ロール鍛造が行なわれた場合の成形荷重Ｆ０の変化特性を調べた結果を示した図である。図５に比較して、裏面側突出部を備えていない中間材を用いて冷間ロール鍛造を行なう場合の加工設備の概略断面図で、鍛造成形前の状態である。図８の加工設備においてギヤ粗材が鍛造成形された後の状態を示した概略断面図である。図８、図９に示されるように冷間ロール鍛造が行なわれた場合の成形荷重Ｆ０の変化特性を調べた結果を示した図である。

中間材に対する冷間ロール鍛造は、例えばフランジとなる内周側部分を薄肉に成形することにより厚肉のギヤ加工部との間に段差を形成しつつ、そのギヤ加工部を外周側へ押し出して拡径するように行なわれる。フランジとギヤ加工部との間の段差には、成形ローラの干渉を避けるために傾斜部が設けられる場合があるが、その傾斜部の領域（径方向寸法）を小さくして歩留りを高めるためには、成形ローラの干渉を抑制するために成形ローラの径寸法を小さくする必要があり、そのためには成形荷重を低くして支持軸の径寸法等を小さくすることが考えられる。例えば、厚肉のギヤ加工部がフランジの裏面側、すなわち成形ローラによる成形側と反対側へも突き出している場合、その裏面側突出部を予め中間材加工工程で中間材に設けておけば、ギヤ粗材加工工程では、フランジ部分を薄肉に成形する際に裏面側突出部を外周側へ拡径しつつ変位させるだけで良く、変形量が少なくて済むため、肉厚が略一定の中間材を用いてフランジ部分を薄肉に成形しつつ表裏両面側へ突出するギヤ加工部を設ける場合に比較して成形荷重が低減される。本発明の実施に際しては、フランジの表面側へのみ断面Ｌ字状に突出するギヤ加工部を有するギヤ粗材や、フランジおよびギヤ加工部を含めて肉厚が略一定のギヤ粗材を採用することもできる。

冷間ロール鍛造を行なう成形ローラは１個でも良いが、中間材の軸心Ｓ１まわりに２個または３個以上設けることも可能である。２個の場合は軸心Ｓ１を挟んで対称位置に設けることが望ましく、３個以上の場合は軸心Ｓ１まわりに等角度間隔で配置することが望ましい。この成形ローラは、軸心Ｓ２が中間材の軸心Ｓ１に対して交差する姿勢で配設され、例えば軸心Ｓ１に対して直交するように配設されるが、軸心Ｓ１に対して所定の傾斜角度で傾斜する姿勢で配設することも可能である。また、例えば支持軸によって軸心Ｓ２まわりに回転可能に支持されるようにバックアップ部材等に配設されるが、支持軸を省略し、外周面の一部がバックアップ部材に設けられた位置決め溝等の位置決め係合部と係合させられることにより、所定の成形姿勢に位置決めされるようにすることも可能である。リテーナを併用して成形ローラの姿勢を位置決めすることもできる。

冷間ロール鍛造は、中間材と成形ローラとを軸心Ｓ１と平行な方向から相対的に押圧しつつ、軸心Ｓ１まわりに相対回転させて行なわれるが、成形ローラを中間材に対して押圧しても良いし、中間材を成形ローラに対して押圧しても良い。また、主軸等を介して中間材を軸心Ｓ１まわりに回転駆動しても良いし、バックアップ部材等に配設された成形ローラを軸心Ｓ１まわりに回転駆動しても良く、それ等の両方を軸心Ｓ１まわりに回転駆動することも可能である。

ディファレンシャル用リングギヤとしては、はすば歯車等の円筒歯車や、ハイポイドギヤ、まがりばかさ歯車などが広く用いられており、何れのディファレンシャル用リングギヤにも本発明は適用され得る。ギヤ加工部に噛合歯を加工する方法としては、ホブ等による切削加工や砥石による研削加工、転造工具による転造加工など、種々の加工方法を採用できる。また、必要に応じて浸炭等の表面硬化処理が施される。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は説明のために適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例であるディファレンシャル用リングギヤ１０の製造方法を説明する工程図である。ディファレンシャル用リングギヤ１０は、図２に示されるように、中央部分に貫通穴１２が設けられた平坦な円環状のフランジ１４の外周部に、フランジ１４よりも厚肉のギヤ加工部１６が設けられており、そのギヤ加工部１６の外周面にはすば歯車１８が形成されたものである。ギヤ加工部１６は、フランジ１４の表裏両面側へ突き出して、フランジ１４との間に段差Ｄ１、Ｄ２が形成されており、図の上側である表面側の段差Ｄ１は裏面側の段差Ｄ２よりも小さい。また、表面側段差Ｄ１には、ギヤ加工部１６からフランジ１４へ向かってテーパ状（截頭円すい形状）に凹む傾斜部２０が設けられている。はすば歯車１８は噛合歯である。

図１において最初の素材は丸棒３０であり、中間材加工工程でリング状の中間材３２を製造した後、ギヤ粗材加工工程で前記フランジ１４およびギヤ加工部１６を有するギヤ粗材４０を製造する。その後、噛合歯加工工程、表面硬化処理工程を実施し、噛合歯加工工程でホブ切りによりギヤ粗材４０のギヤ加工部１６にはすば歯車１８を切削加工した後に、表面硬化処理工程で浸炭焼入れを施すことによって目的とするディファレンシャル用リングギヤ１０が製造される。なお、これ等のディファレンシャル用リングギヤ１０、中間材３２、ギヤ粗材４０は、何れも軸心まわりの回転対称体形状を成しており、それ等の軸心を区別することなく軸心Ｓ１とした。

上記中間材加工工程では、丸棒３０をＩＨ加熱（高周波誘導加熱）によって加熱した後、プレスにより１６００ｔｏｎ程度の成形荷重で熱間据込み鍛造を行なうとともに、中心部分に前記貫通穴１２と略同じ径寸法の円穴３４を穿孔する。図３は、中間材３２を具体的に説明する断面図で、外径がディファレンシャル用リングギヤ１０よりも所定寸法（例えば１０〜１５ｍｍ程度）だけ小さいリング形状を成しており、内周側部分は前記フランジ１４よりも厚肉の平坦な円板形状を成しているとともに、外周部の裏面側には、前記裏面側段差Ｄ２と略等しい寸法だけ突き出す裏面側突出部３６が一体に設けられており、断面がＬ字形状を成している。裏面側突出部３６は、ディファレンシャル用リングギヤ１０のギヤ加工部１６の裏面側の断面形状と略同じ断面形状で設けられている。また、次のギヤ粗材加工工程に先立って、鍛造調質およびショットブラストによる酸化スケール除去を行なう。鍛造調質とは、熱間鍛造後に変態点以下の適当な温度まで冷却速度を操作して所定の硬さを得る熱処理方法である。

次のギヤ粗材加工工程では、上記中間材３２に対して冷間ロール鍛造を施すことによってギヤ粗材４０を製造する。図４は、ギヤ粗材４０を具体的に説明する断面図で、はすば歯車１８を歯切りする前の状態のディファレンシャル用リングギヤ１０と同一形状を成しており、前記貫通穴１２が設けられた円環状の平坦なフランジ１４と、そのフランジ１４の外周部に設けられた厚肉のギヤ加工部１６とを一体に備えているとともに、表面側のフランジ１４とギヤ加工部１６との段差Ｄ１部分には傾斜部２０が設けられている。

図５は、中間材３２に対して冷間ロール鍛造を行なうロール鍛造装置５０の概略構成を説明する断面図で、鍛造成形前の状態であり、図６は鍛造成形後の状態、すなわちギヤ粗材４０が製造された状態の断面図である。このロール鍛造装置５０は、中間材３２を略同心に保持して軸心Ｓ１まわりに回転駆動する主軸５２と、その主軸５２の上方位置において軸心Ｓ１に対して直交する軸心Ｓ２まわりに回転可能に配置された一対の成形ローラ５４とを備えている。主軸５２は、電動モータ等の回転駆動装置によって回転駆動されるようになっており、その上端部には、中間材３２を保持するダイス５６が一体的に固設されている。ダイス５６には円環形状の収容溝５８が設けられており、中間材３２の裏面側突出部３６が収容溝５８内に挿入されて保持されるとともに、その収容溝５８の幅寸法は裏面側突出部３６よりも外周側に拡大して設けられており、図６に示すように目的とするギヤ粗材４０の外径に達するまで裏面側突出部３６が外周側へ拡径しながらスライド移動できるようになっている。

一対の成形ローラ５４は、軸心Ｓ１を挟んで対称位置に対称姿勢で配置されているとともに、共通の支持軸６０によってベアリング等を介して軸心Ｓ２まわりに回転可能に支持されている。支持軸６０は、図示しないバックアップ部材に配設されているとともに、油圧シリンダや送りねじ機構、リンク機構等の押圧装置によって所定の成形荷重Ｆ０で下方すなわち中間材３２に向かって押圧されるようになっている。成形ローラ５４は、中間材３２の内周側部分を薄肉に鍛造成形することにより厚肉のギヤ加工部１６との間に表面側段差Ｄ１を形成しつつ、そのギヤ加工部１６を外周側へ押し出して拡径するもので、ギヤ粗材４０の表面側形状に対応する外周面形状を備えている。具体的には、薄肉のフランジ１４を成形する大径円筒部６２、厚肉のギヤ加工部１６を成形する小径円筒部６４、およびそれ等の間の傾斜部２０を成形するテーパ部６６を備えている。そして、それ等の成形ローラ５４が成形荷重Ｆ０で中間材３２の周方向の一部に押圧された状態で、主軸５２が軸心Ｓ１まわりに回転駆動されると、成形ローラ５４は中間材３２との摩擦で軸心Ｓ２まわりに連れ回り回転させられ、中間材３２の周方向へ相対的に転動させられる。これにより、主軸５２と共に軸心Ｓ１まわりに回転させられる中間材３２に対する成形ローラ５４の押圧位置すなわち成形位置が変化し、その中間材３２が局部的に塑性変形させられて逐次拡径され、軸心Ｓ１を中心とする回転対称体形状のギヤ粗材４０が製造される。このロール鍛造は、瞬間的な成形面積が小さいため、成形荷重Ｆ０が小さくて済み、冷間状態でも鍛造成形を適切に行なうことが可能で、熱ひずみによる影響が無い高い寸法精度を確保できる。また、その成形荷重Ｆ０は、例えば２００ｔｏｎ程度以下で済み、ロール鍛造装置５０を小型で安価に構成できる。

ここで、上記傾斜部２０は、成形ローラ５４の干渉を避けるために必要なもので、その傾斜部２０の領域（径方向寸法）Ｌ（図４参照）を小さくして歩留りを高めるためには、成形ローラ５４の干渉を抑制するために成形ローラ５４の径寸法を小さくする必要がある。成形ローラ５４の径寸法を小さくするためには、成形荷重Ｆ０を低くして支持軸６０の径寸法等を小さくするとともにベアリングを小型化することが考えられる。本実施例では、前工程である中間材加工工程において、裏面側突出部３６を有する中間材３２が製造され、ギヤ粗材加工工程すなわち冷間ロール鍛造では、成形ローラ５４によってフランジ１４部分を薄肉に成形する際に裏面側突出部３６が外周側へ拡径しつつスライド移動してギヤ加工部１６になるため、変形量が少なくて済み、成形荷重Ｆ０を２００ｔｏｎ程度以下まで低減できた。これにより、比較的小径の成形ローラ５４を採用することが可能となり、傾斜部２０の領域Ｌを小さくして歩留りを向上させることができる。図７は、本実施例において図５のロール鍛造装置５０を用いて中間材３２に対して冷間ロール鍛造を行なった場合の成形荷重Ｆ０の変化特性を調べた結果で、図６に示すように成形ローラ５４が主軸５２またはダイス５６に当接するストローク端に達した時点で約１４０ｔｏｎであった。

このように本実施例のディファレンシャル用リングギヤ１０の製造方法によれば、ギヤ粗材加工工程で冷間ロール鍛造によって中間材３２を拡径するため、従来の熱間リングローリングのように熱ひずみによって形状精度が損なわれる恐れが無く、そのままギヤ粗材４０として用いることが可能となる。これにより、熱間据込み鍛造による仕上げ成形が不要となり、そのための加工設備や加工工程が不要になって製造コストが低減される。

また、冷間ロール鍛造は、成形ローラ５４が中間材３２の周方向へ相対的に転動させられることにより、その中間材３２を局部的に塑性変形させて逐次拡径するものであり、瞬間的な成形面積が小さいため成形荷重Ｆ０が低減され、ロール鍛造装置５０を小型で安価に構成することが可能で、この点でも製造コストが低減される。

また、中間材３２に裏面側突出部３６が設けられているため、ギヤ粗材加工工程で冷間ロール鍛造によりギヤ粗材４０を鍛造成形する際の成形荷重Ｆ０が更に低減され、ロール鍛造装置５０を一層小型で安価に構成できるとともに、支持軸６０等の必要強度が低減されて成形ローラ５４を小径化できるため、成形ローラ５４の干渉を抑制して傾斜部２０の領域Ｌを小さくし、歩留りを向上させることができる。

因に、図８のロール鍛造装置７０は、上記裏面側突出部３６が無い略一定の肉厚の中間材７２を用いて、冷間ロール鍛造によりギヤ粗材４０を鍛造成形する場合で、ダイス５６には、ディファレンシャル用リングギヤ１０のギヤ加工部１６の裏面側形状に対応する成形溝７４が設けられている。この場合は、鍛造成形後の状態を示す図９から明らかなように、中間材７２の内周側部分を薄肉に鍛造成形することにより、表面側段差Ｄ１が形成されるように外周側部分を外周側へ押し出して拡径するとともに、裏面側段差Ｄ２が形成されるように一部を成形溝７４内へ流動させて、厚肉のギヤ加工部１６を成形する必要があり、前記実施例に比較して成形抵抗が大きくなり、成形荷重Ｆ０が増大する。図１０は、このロール鍛造装置７０を用いて中間材７２に対して冷間ロール鍛造を行なった場合の成形荷重Ｆ０の変化特性を調べた結果で、図９に示すように成形ローラ５４が主軸５２またはダイス５６に当接するストローク端に達した時点で約５００ｔｏｎであった。このため、前記実施例に比較して支持軸６０等の必要強度が高くなり、成形ローラ５４の径寸法が大きくなるため、その成形ローラ５４の干渉により傾斜部２０すなわちテーパ部６６の領域Ｌを大きくする必要があり、歩留りが悪くなる。但し、この場合も本発明の一実施例であり、冷間ロール鍛造でギヤ粗材４０が鍛造成形されることから、熱間据込み鍛造による仕上げ成形が不要になり、そのための加工設備や加工工程が不要になって製造コストが低減されるなど、本発明の効果が適切に得られる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：ディファレンシャル用リングギヤ１４：フランジ１６：ギヤ加工部１８：はすば歯車（噛合歯）３２、７２：中間材４０：ギヤ粗材５４：成形ローラＳ１：中間材、ギヤ粗材、ディファレンシャル用リングギヤの軸心Ｓ２：成形ローラの軸心

Claims

プレスによる熱間据込み鍛造を含んでリング状の中間材を製造する中間材加工工程と、
前記中間材の径寸法を拡大するように鍛造成形して、平坦な円環状のフランジの外周部にギヤ加工部を有するギヤ粗材を製造するギヤ粗材加工工程と、
を有し、前記ギヤ加工部に噛合歯を加工することによってディファレンシャル用リングギヤを製造する製造方法において、
前記ギヤ粗材加工工程では、自身の軸心Ｓ２が前記中間材の軸心Ｓ１と交差する姿勢で配設された成形ローラを、該中間材の周方向の一部に軸心Ｓ１と平行な方向から相対的に押圧しつつ、該中間材と該成形ローラとを軸心Ｓ１まわりに相対回転させることにより、該成形ローラを該中間材の周方向へ相対的に転動させ、冷間状態で該中間材を局部的に塑性変形させて逐次拡径する冷間ロール鍛造を行なう
ことを特徴とするディファレンシャル用リングギヤの製造方法。