JP2020037119A - 歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時間と製造コストを低減することが可能な、複合材料からなる歯車の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る歯車の製造方法は、歯車の歯部において径方向に少なくとも異なる材料が配されるように、異なる材料が層状になった成形素材を、転造ダイスを有する成形装置にセットする。そして、この製造方法は、上記成形素材に対し上記転造ダイスを用いて歯車の歯部を加工成形する（ステップＳ４）。【選択図】図１

Description

本発明は、歯車の製造方法に関する。

特許文献１には、歯車のハブ部に比べて強度の高い材料からなる歯部を持つ歯部部品を製作しておき、ハブ部と歯部部品とをピンで結合して一体化する、複合材料からなる歯車の製造方法が開示されている。

特開２０１６−０１４４７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された、２つの歯車部品を別工程で製作して結合する歯車の製造方法は、結合工程が複雑で時間もかかりコスト増の要因となり得る。

そこで、本発明の目的は、製造時間と製造コストを低減することが可能な、複合材料からなる歯車の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様に係る歯車の製造方法は、歯車の歯部において径方向に少なくとも異なる材料が配されるように、異なる材料が層状になった成形素材を、転造ダイスを有する成形装置にセットし、前記成形素材に対し前記転造ダイスを用いて歯車の歯部を加工成形するものである。

この一態様に係る歯車の製造方法によれば、転造ダイスを用いて異なる材料が層状になった歯部を加工成形することができ、複数の歯車部品を別工程で製作してからピン等の別部材で結合する必要がないため、製造時間と製造コストを低減することができる。

本発明によれば、製造時間と製造コストを低減することが可能な、複合材料からなる歯車の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る歯車の製造方法の一例を説明するためのフロー図である。 図１の製造方法における歯車転造工程の一例を模式的に説明する断面図である。 図１の製造方法における歯車転造工程の一例を説明する斜視図である。 図１の製造方法における歯車転造工程の一例を説明する斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係る歯車の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る歯車の製造方法の一例を説明するためのフロー図で、図２は、図１の製造方法における歯車転造工程の一例を模式的に説明する断面図である。なお、図２においては、便宜上、歯車の周方向の一部分だけ図示し、また断面を示すハッチングを省略している。

図１に示すように、本実施形態に係る歯車の製造方法（以下、本製造方法）は、複合材料からなる歯車を製造する方法であり、まず、歯車の材料を用意（供給）してその材料の鍛造を行うことで、粗形状の歯車を製造する（ステップＳ１）。

ここで用意される材料は、異なる材料を径方向に層状に含む複合材料であり、円盤、円柱、円筒などの形状を有することができる。つまり、本製造方法では、素材の段階で複合材料を一体化する。一体化された素材は複相素材と称することもできる。この際、複相素材の製造方法としては、パイプ材に芯材を圧入するなどの異種材を圧入する方法や、押出し加工によって所謂クラッド材を製造する方法などが挙げられる。

本製造方法では、ステップＳ１の後、必要に応じて、歯部以外を外周切削する切削工程（ステップＳ２）と、内歯切工程（ステップＳ３）と、を実施することができる。なお、ステップＳ３は、用意される複合材料が円筒形の場合などにおいて、その内側に歯部を削り出しにより形成するために実施することができる。

これらの工程のうち必要な工程を経た成形素材に対し、本製造方法では、歯車転造工程を実施する（ステップＳ４）。上述のように、この成形素材は、クラッド材を利用したもの、或いは、異種のパイプ材を重ねたものとすることができる。具体的には、例えば、図２に示す成形素材１ａのように、内周側から鉄（Ｆｅ）の最内層１１ａ、アルミニウム（Ａｌ）の中間層１２ａ、及び鉄の最外層１３ａを重ねた素材を用意することができる。以下、本製造方法について、この成形素材１ａに対する処理を例に挙げて説明する。

ステップＳ４の歯車転造工程では、成形素材１ａを、転造ダイスを有する成形装置に（より具体的にはその加工位置に）セットし、転造ダイスを用いて加工成形される。中間工程における中間品１ｂでは、層１１ａ，１２ａ，１３ａがそれぞれ層１１ｂ，１２ｂ，１３ｂに変形し、加工品１ｃでは、さらに変形が進み、それぞれ層１１ｃ，１２ｃ，１３ｃに変形している様子を図示している。なお、ステップＳ４において使用される、転造ダイスを有する成形装置（転造装置）の例については、図３及び図４を参照しながら後述する。

歯車転造工程では、歯部の創成に素材表面の材料流動によって歯形を成形していく転造加工（転造成形）を施すことになり、その時の押込み量や回転速度比によって、素材内部の流動領域をコントロールすることが可能である。そのため素材の異材形状適正化と合わせ、最終的な歯車製品の異種材料域を自由に設計することが可能となる。歯車にかかる入カトルク、歯車の諸元、振動規格などを考慮し、目的とする複相歯車形状を決定し、その形状を条件として歯車を製造すれば、求める形状の歯車を得ることができる。

また、歯形プロファイルに沿って内部材料が流動、充填されるため、ねじれに対する強度は強くなる。例えば予め成形された外周歯車に対し、軸部となる円筒を圧入する方法では界面に生じる摩擦力のみで強度を保証する必要があるが、本製造方法では機械的な締結による強度も生じるため、回転に対する界面強度を十分に得ることができる。

このように、本製造方法では、歯部において径方向に少なくとも異なる材料が配されるように、異なる材料が層状になった成形素材１ａをセットし、成形素材１ａに対し転造ダイスを用いて歯部を加工成形する。加工品１ｃで例示するように、加工形成された後の歯部は、径方向に少なくとも異なる材料が配されるように、つまり異なる材料の層を少なくとも１層含むようになる。

本製造方法では、ステップＳ４の後、熱処理を施す熱処理工程（ステップＳ５）を実施することができる。例えば、歯車製造工程において、現状では歯車に強度を付与するために浸炭処理を実施しているが、浸炭では９００℃以上の昇温が必要となるため、内部の異種材の融点を超える恐れがある。本製造方法では、そのような恐れがある場合には、窒化処理などの低温熱処理を施すこと、或いは高周波加熱による瞬間加熱及び冷却の処理（高周波焼き入れ処理）を施すことによって、歯車の強度を確保すればよい。なお、本製造方法においても、そのような恐れがない場合には浸炭処理を実施するようにしてもよい。

また、本製造方法では、ステップＳ５の後、歯面を研削する歯研工程（ステップＳ６）を実施することができ、また、このステップＳ６により処理を終了することができ、追加工程も不要である。

次に、図３及び図４を参照して、本製造方法におけるステップＳ４の一例及び転造ダイスの一例について説明する。図３及び図４は、図１の製造方法における歯車転造工程の一例を説明する斜視図である。

図３及び図４に示すように、ステップＳ４の歯車転造工程で用いる転造装置１００は、互いに対向する１対の転造ダイス１０１，１０２、及び支持具１０３，１０４を備えることができる。具体的には、転造ダイス１０１，１０２は、略円柱形状を有し、当該円柱の側面には、歯車の粗材であるワークＷの側面に歯車の歯形を形成するための転造面を有する。ここでは、成形素材１ａに対応するワークＷが円柱形状に形成されたものである例を挙げて説明する。

転造装置１００において、転造ダイス１０１，１０２は、当該円柱の軸を中心に回動可能に支持されている。また、転造装置１００において、転造ダイス１０１，１０２は、転造ダイス１０１の側面と転造ダイス１０２の側面とが対向するように、所定距離だけ離間して配置されている。そして、支持具１０３，１０４は、転造ダイス１０１と転造ダイス１０２との間に、ワークＷを回動可能に支持する。

ワークＷは、図３に示すように、当該円柱の軸方向の中央部分が他の部分より径が大きい円柱形状を有する大径部Ｗ１と、当該円柱の軸方向の両端部分が大径部Ｗ１よりも径が小さい円柱形状を有する小径部Ｗ２と、を備えることができる。ワークＷは、少なくとも大径部Ｗ１において、図２で例示した成形素材１ａのように異なる材料でなる複数層を有している。そして、当該ワークＷが転造ダイス１０１と転造ダイス１０２との間に支持具１０３，１０４によって回動可能に支持される。支持具１０３，１０４によって支持されたワークＷは、ワークＷの軸を中心に回動可能である。

次に、図４に示すように、転造ダイス１０１，１０２がワークＷに向かって移動し、ワークＷの大径部Ｗ１の側面を押圧するように当該側面に当接する。そして、転造ダイス１０１，１０２がワークＷの大径部Ｗ１の側面を押圧しながら、転造ダイス１０１，１０２とワークＷとが回動する。これにより、ワークＷの大径部Ｗ１の側面が塑性変形し、ワークＷの大径部Ｗ１の側面に凹みＣ１が転写され、図４で示すように（その断面は加工品１ｃで示したように）なる。

以上のように、本製造方法では、歯部の径方向で少なくとも異なる材料が配されるように異なる材料が層状になった成形素材を用意しておき、その成形素材をセットして転造ダイスを用いて歯部を加工成形するようにしている。つまり、本製造方法によれば、転造ダイスを用いて異なる材料が層状になった歯部を有する歯車を、加工成形により一体的に創成することができる。よって、本製造方法によれば、複数の歯車部品を別工程で製作してからピン等の別部材で結合する必要がないため、歩留まりが向上し、製造時間と製造コストを低減することができる。また、本製造方法によれば、ピン等を挿入するためのクリアランスに起因するガタツキの発生、並びにそのガタツキによる噛み合い時の振動及び騒音の発生をなくすることができる。

また、振動及び騒音の低減は、歯車部品における製品課題の一つとして挙げられ、噛み合う歯車対の精度誤差などによっても、起振力が発生し共振による振動悪化が起きる。そのため、現状では、歯面の仕上げ精度向上や防振材及び防音材の追加によって対策されることが多い。また、現状では、他の対策として、歯車におけるフランジ部にレーザ加工によって穴を設けること又は厚みを変化させることによる剛性変動によって、歯車の共振を抑制することも行われている。特に、自動車用歯車部品では、負荷に対する強度のほかに振動及び騒音を低減するため、対となる歯車の剛性を変化させことが重要となり、これらの対策が施されている。

これに対し、本製造方法によれば、例えば、鋼のような高剛性及び高強度材料を表面に配し、中間層として内部にはアルミニウムのような低剛性材料を持つ複相歯車を製造することができる。このように、本製造方法で製造した歯車は、ヤング率が異なる材料を中間に配置しておくなど、一部を異種材とすることにより、剛性を傾斜させ（変動させ）共振を抑制させることができ、振動及び騒音を低減させたものとすることができる。例えば、円筒状のクラッド材料を用いて歯車転造で歯部の歯形を創成することにより、歯部の径方向の任意の位置に異種材を設けることが可能である。実際、このような径方向に素材の異なる層を持つ歯車は、歯車組付けユニットの駆動時に振動及び騒音を低減できる効果がある。また、本製造方法では、上述のような現状の対策を施す場合に比べて、歯車の設計自由度も高くなる。

そして、本製造方法によれば、製造プロセスとして歯車転造を用いることで歯形のプロファイルに沿った材料傾斜が可能になり、最終的な歯研工程も従来と変わらず、上述のような対策を施す必要もない。よって、本製造方法によれば、上述のような強度があり振動及び騒音を低減させた歯車、つまり剛性が変動する複合材料からなる歯車を、実質的に工程を追加することや部品を追加することなく、低コストで製造することができる。例えば、振動抑制のために穴あけ工程を行う場合に比べ、本製造方法では、転造工程が追加されるものの、レーザ加工による穴あけ工程の廃止、穴あけ工程の前後の洗浄工程の廃止、及び外歯切工程の廃止によるコストの低減が可能になる。

＜代替例＞
以上において、本実施形態に係る歯車の製造方法の様々な例について説明したが、歯車の形状や材質、歯車の製造方法は例示したものに限らない。例えば、本製造方法は、歯車転造工程を含むものであればよく、他の工程は例示したものに限らない。

また、成形素材の層数は３層に限らず、２層であってもよいし、４層以上であってもよい。層数だけでなく、各層の材料についても、歯車が求める強度が得られ、許容できる振動及び騒音になるように適宜選択しておけばよい。また、歯部に対応する部分以外（歯車転造工程において変形の影響を受けない部分）の層数は、図２で例示したように０であってもよいし、１又は複数であってもよい。

また、本製造方法は、車両用の歯車に限らず、他の歯車の製造にも適用することができる。車両の歯車の場合、本製造方法は、例えばトランスミッション用の歯車全般のうち、軸部及びフランジ部の少なくとも一方を有するギヤヘ適用することが可能である。なお、例えばＡＴ（Automatic Transmission）のプラネタリギヤやディファレンシャルユニット内のサイドギヤ、ピニオンギヤなど、軸部及びフランジ部を有しない歯車への適用は難しい。

以上に、本実施形態について説明したが、上記実施形態は、以下の特徴を有する。
即ち、上記実施形態に係る歯車の製造方法は、歯車の歯部において径方向に少なくとも異なる材料が配されるように、異なる材料が層状になった成形素材を、転造ダイスを有する成形装置にセットし、上記成形素材に対し上記転造ダイスを用いて歯車の歯部を加工成形するものである。

以上の歯車の製造方法によれば、転造ダイスを用いて異なる材料が層状になった歯部を加工成形することができ、複数の歯車部品を別工程で製作してからピン等の別部材で結合する必要がないため、製造時間と製造コストを低減することができる。

１ａ 成形素材
１ｂ 中間品
１ｃ 加工品
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 最内層
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 中間層
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 最外層
１００ 転造装置
１０１、１０２ 転造ダイス
１０３、１０４ 支持具
Ｗ ワーク
Ｗ１ 大径部
Ｗ２ 小径部
Ｃ１ 凹み

Claims (1)

1. 歯車の歯部において径方向に少なくとも異なる材料が配されるように、異なる材料が層状になった成形素材を、転造ダイスを有する成形装置にセットし、
   前記成形素材に対し前記転造ダイスを用いて歯車の歯部を加工成形する、
   歯車の製造方法。

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