JP2021130135A - 鍛造金型およびスプライン成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】欠肉が発生しにくい鍛造金型およびスプライン成形方法を提供することを課題とする。【解決手段】鍛造金型１は、後側からワーク９を押し出すポンチ２２と、ワーク９にスプライン９２を成形するスプライン歯型３３０を有するダイス３３と、前側からワーク９に背圧を加える背圧ピン３９と、スプライン９２の成形中に背圧が低下しないように背圧ピン３９を付勢する付勢部材３６と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ワークにスプラインを成形するのに用いられる鍛造金型およびスプライン成形方法に関する。

特許文献１には、上側からポンチをワークの被成形孔に挿入し、被成形孔つまりワークを下側に伸長させながら、ワークの外周面にスプラインを成形する鍛造金型が開示されている。ポンチの外周面には、上側から下側に向かって縮径する段差が配置されている。特許文献１の鍛造金型によると、当該段差を利用して被成形孔を拡径させることにより、ワークの外周面をスプライン歯型に圧接させ、ワークの外周面にスプラインを成形することができる。

ところが、特許文献１の鍛造金型の場合、スプライン成形中に、ワークが下側から支持されていない。このため、ワークに上側から加わるポンチの押圧力が、ワークの伸長に消費されやすい。その反面、ポンチの押圧力がワークの拡径つまりスプラインの成形に消費されにくい。

この点、特許文献２には、ワークに背圧を加えながらスプラインを成形するスプライン成形方法が開示されている。特許文献２のスプライン成形方法によると、ポンチの押圧力がスプラインの成形に消費されやすい。

特開２０１７−１７７１８２号公報 特開平６−１２６３６９号公報

しかしながら、特許文献２のスプライン成形方法の場合、背圧は、スプライン成形開始時に最も高くなるように、設定されている。このため、背圧は、スプラインの成形が進行するのに従って、徐々に小さくなる。スプラインの成形が進行するのに従って背圧が小さくなると、スプライン歯型に対するワークの肉の充填性が低下してしまう。このため、成形後のスプラインに欠肉が発生しやすくなる。そこで、本発明は、欠肉が発生しにくい鍛造金型およびスプライン成形方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の鍛造金型は、後側からワークを押し出すポンチと、前記ワークにスプラインを成形するスプライン歯型を有するダイスと、前側から前記ワークに背圧を加える背圧ピンと、前記スプラインの成形中に前記背圧が低下しないように前記背圧ピンを付勢する付勢部材と、を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するため、本発明のスプライン成形方法は、前側からワークに背圧を加えながら、後側から前記ワークを押し出し、前記ワークをスプライン歯型に圧接させることにより、前記ワークにスプラインを成形するスプライン成形方法であって、前記スプラインの成形中に前記背圧が低下しないことを特徴とする。

ここで、「前側」とは、スプライン成形時におけるポンチの進行方向の前側をいう。同様に、「後側」とは、スプライン成形時におけるポンチの進行方向の後側をいう。また、「スプラインの成形中に前記背圧が低下しない」形態には、スプラインの成形中に背圧が上昇する形態、スプラインの成形中に背圧が一定に保たれる形態、これらの形態が組み合わさった形態が含まれる。

本発明の鍛造金型およびスプライン成形方法によると、スプラインの成形が完了するまで、背圧をワークに加えることができる。このため、スプライン歯型に対するワークの肉の充填性が低下しにくい。したがって、欠肉等の成形不良が発生しにくい。

図１は、本発明の一実施形態の鍛造金型の型開き状態における上下方向断面図である。 図２は、同鍛造金型の型閉め状態における上下方向断面図である。 図３は、図１の枠ＩＩＩＡ内および図２の枠ＩＩＩＢ内の合成拡大図である。 図４（Ａ）は、本実施形態の鍛造金型のスプライン成形方法（第一段階）における上下方向拡大断面図である。図４（Ｂ）は、同鍛造金型のスプライン成形方法（第二段階）における上下方向拡大断面図である。 図５（Ａ）は、スプライン成形方法実行前のワークの前面図である。図５（Ｂ）は、スプライン成形方法実行後のワークの前面図である。 図６は、背圧ピンの下降量とばね部材の付勢力との関係を示す模式図である。 図７は、スプライン成形方法実行後のワークの軸方向断面図である。 図８は、ＣＡＥ解析の各モデルの肉厚と背圧の最小値との関係を示すグラフである。

以下、本発明の鍛造金型およびスプライン成形方法の実施の形態について説明する。

＜鍛造金型の構成＞
まず、本実施形態の鍛造金型の構成について説明する。以降の図において、上側は本発明の「後側」に、下側は本発明の「前側」に、各々対応している。図１に、本実施形態の鍛造金型の型開き状態における上下方向断面図を示す。図２に、同鍛造金型の型閉め状態における上下方向断面図を示す。図３に、図１の枠ＩＩＩＡ内および図２の枠ＩＩＩＢ内の合成拡大図を示す。図１〜図３に示すように、鍛造金型１は、上型２と下型３とを備えている。鍛造金型１は、温間鍛造用である。

（上型２）
図１〜図３に示すように、上型２は、上下方向（一軸方向）に移動可能な可動型である。上型２は、上型ホルダ２０と、上型スリーブ２１と、ポンチ２２と、を備えている。上型スリーブ２１は、上型ホルダ２０の下面に配置されている。上型スリーブ２１は、上下方向に延在する円筒状を呈している。上型スリーブ２１の径方向内側には、後述するポンチ２２の軸部２４の大径部２４０（上側部分）が配置されている。上型スリーブ２１の下端部の形状は、後述するワーク９の上端部に転写される。すなわち、上型スリーブ２１は、ワーク９の上端部を成形する、上端部成形ポンチとしての機能を有している。

ポンチ２２は、頭部２３と軸部２４とを備えている。頭部２３は、上型ホルダ２０の下面に埋設されている。軸部２４は、後述するワーク９の被成形孔９０に圧入される。軸部２４は、上側から下側に向かって、大径部２４０と、テーパ部２４１と、小径部２４２と、を備えている。大径部２４０は、頭部２３から、下側に突出している。大径部２４０は、上下方向に延在する同軸円柱状を呈している。テーパ部２４１は、上側から下側に向かって縮径している。小径部２４２は、上下方向に延在する同軸円柱状を呈している。小径部２４２は、大径部２４０よりも小径である。小径部２４２の下端面は、下側に向かって膨らむ曲面状を呈している。

（下型３）
下型３は、上型２の下側に配置されている。下型３は固定型である。下型３は、下型ホルダ３０と、下型スリーブ３１と、スリーブサポート３２と、ダイス３３と、ダイスサポート３４と、ばね座３５と、ばね部材３６と、昇降部材３７と、ピン座３８と、背圧ピン３９と、を備えている。

下型ホルダ３０には、収容孔３００が開設されている。収容孔３００は、下型ホルダ３０を上下方向に貫通している。収容孔３００は、下側から上側に向かって、大径部３０３と、テーパ部３０２と、小径部３０１と、を備えている。大径部３０３は、下型ホルダ３０の下面に開口している。テーパ部３０２は、下側から上側に向かって縮径している。小径部３０１は、下型ホルダ３０の上面に開口している。

ばね座３５は、下型ホルダ３０の下面に配置されている。ばね座３５は、収容孔３００の大径部３０３を下側から覆っている。ばね座３５には、ピン挿通孔３５０が開設されている。

昇降部材３７は、下側から上側に向かって、カップ部３７０と、フランジ部３７１と、テーパ部３７２と、を備えている。カップ部３７０は、収容孔３００の大径部３０３に収容されている。カップ部３７０は、下向きに開口する有底円筒状を呈している。フランジ部３７１は、収容孔３００の大径部３０３に収容されている。フランジ部３７１は、カップ部３７０の上縁から径方向外側に張り出している。テーパ部３７２は、収容孔３００のテーパ部３０２に収容されている。テーパ部３７２は、下側から上側に向かって縮径している。テーパ部３７２には、ピン挿通孔３７３が開設されている。ピン挿通孔３７３は、テーパ部３７２の上面からカップ部３７０の上底面まで、上下方向に延在している。

ばね部材３６は、いわゆる皿ばねである。ばね部材３６は、大径部３０３に収容されている。ばね部材３６は、カップ部３７０に環装されている。ばね部材３６は、ばね座３５とフランジ部３７１との間に配置されている。ばね部材３６は、上下方向に、合計６枚積層されている。上側３枚のばね部材３６と下側３枚のばね部材３６とは、配置方向が互いに上下反対である。図１に示す型開き状態において、ばね部材３６には初期荷重が設定されている。すなわち、ばね部材３６は、自然状態（ばね部材３６に荷重が加わっていない状態）に対して、所定量だけ上下方向に収縮した状態（付勢力（弾性復元力）が蓄積された状態）で、セットされている。

ピン座３８は、小径部３０１に収容されている。ピン座３８は、リング状を呈している。ピン座３８は、テーパ部３７２の上面に配置されている。ピン座３８の内周面には、下側から上側に向かって拡径するテーパ面３８０が配置されている。

ダイスサポート３４は、下型ホルダ３０の上面に配置されている。ダイスサポート３４は、円筒状を呈している。ダイスサポート３４は、収容孔３００の小径部３０１の上側、つまりピン座３８の上側に配置されている。

ダイス３３は、ダイスサポート３４の上面に配置されている。ダイス３３は、円筒状を呈している。ダイス３３の内周面には、複数のスプライン歯型３３０が、全周的に配置されている。スプライン歯型３３０は、上下方向に延在している。

スリーブサポート３２は、下型ホルダ３０の上面に配置されている。スリーブサポート３２は、円筒状を呈している。スリーブサポート３２は、ダイスサポート３４の径方向外側に配置されている。

下型スリーブ３１は、スリーブサポート３２の上面に配置されている。下型スリーブ３１は、円筒状を呈している。下型スリーブ３１の内部には、下側から上側に向かって、ダイス収容部３１０と、成形部３１１と、が配置されている。ダイス収容部３１０には、ダイス３３が収容されている。成形部３１１は、下側から上側に向かって拡径する、段付きの内周面を備えている。成形部３１１の内周面は、後述するワーク９の外周面を成形する。

背圧ピン３９は、いわゆるノックアウトピンである。背圧ピン３９は、下側から上側に向かって、小径部３９２と、テーパ部３９１と、大径部３９０と、を備えている。小径部３９２は、ピン挿通孔３５０、ピン挿通孔３７３、カップ部３７０の径方向内側に配置されている。小径部３９２は、上下方向に延在する同軸円柱状を呈している。テーパ部３９１は、ピン座３８の径方向内側に配置されている。テーパ部３９１は、ピン座３８のテーパ面３８０に当接している。テーパ部３９１は、下側から上側に向かって拡径している。大径部３９０は、ダイスサポート３４の径方向内側に配置されている。大径部３９０は、上下方向に延在する同軸円柱状を呈している。大径部３９０は、小径部３９２よりも大径である。

下型ホルダ３０に対して、昇降部材３７、ピン座３８、背圧ピン３９は、上下方向に移動可能である。昇降部材３７、ピン座３８、背圧ピン３９は、ばね部材３６の付勢力により、上向きに付勢されている。

＜スプライン成形方法＞
次に、本実施形態のスプライン成形方法について説明する。図４（Ａ）に、本実施形態の鍛造金型のスプライン成形方法（第一段階）における上下方向拡大断面図を示す。図４（Ｂ）に、同鍛造金型のスプライン成形方法（第二段階）における上下方向拡大断面図を示す。図５（Ａ）に、スプライン成形方法実行前のワークの前面図を示す。図５（Ｂ）に、スプライン成形方法実行後のワークの前面図を示す。図６に、背圧ピンの下降量とばね部材の付勢力との関係を模式図で示す。なお、図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、図３の枠ＩＩＩＢ（右側部分）に対応している。また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）においては、ワーク９の右半分を外観図で、左半分を断面図で示す。

スプライン成形方法により、図５（Ａ）に示すワーク９は、図５（Ｂ）に示すワーク９（スプライン付きの中空シャフト部品の粗形材）に成形される。スプライン成形方法においては、まず、図１に示す下型３に、図５（Ａ）に示すワーク９をセットする。ワーク９は、下型スリーブ３１、ダイス３３、ダイスサポート３４の径方向内側に配置される。図５（Ａ）に示すように、ワーク９の上端面には、被成形孔９０が凹設されている。被成形孔９０は、上下方向に延在している。ワーク９の外周面には、スプライン予定部９１が設定されている。図３の枠ＩＩＩＡ（左側部分）に示すように、スプライン歯型３３０の径方向内側には、ワーク９のスプライン予定部９１が配置されている。スプライン予定部９１の上端は、被成形孔９０の底面よりも、下側に配置されている。

次に、上型２を下降させる。すなわち、鍛造金型１を、図１に示す型開き状態から、図２に示す型閉め状態に切り替える。図４（Ａ）に示すように、まず、ポンチ２２の軸部２４は、ワーク９の被成形孔９０に挿入され、被成形孔９０内を下降する。軸部２４は、被成形孔９０の底面に到達する。図４（Ｂ）に示すように、続いて、軸部２４は、被成形孔９０つまりワーク９を、下側に伸長させながら径方向外側に押し広げる。具体的には、小径部２４２の曲面状の下端面が、被成形孔９０の底面を下側に伸長させながら、拡径させる。また、テーパ部２４１が、被成形孔９０の内周面を拡径させる。下側に伸長したワーク９は、背圧ピン３９の大径部３９０に当接する。

ワーク９が背圧ピン３９に当接した時点において、ポンチ２２の軸部２４は、スプライン予定部９１の上側に配置されている。他方、背圧ピン３９は、スプライン予定部９１の下側に配置されている。また、スプライン成形方法を実行する前から、背圧ピン３９には、昇降部材３７、ピン座３８を介して、ばね部材３６から、上向きの付勢力が加わっている。このため、スプライン予定部９１には、上側からポンチ２２の軸部２４の押圧力が、下側から背圧ピン３９の背圧（ばね部材３６の付勢力）が、各々加わる。

軸部２４がさらに下降すると、軸部２４と背圧ピン３９との間で、スプライン予定部９１が上下方向から圧縮される。また、軸部２４の下降に伴い、軸部２４がスプライン予定部９１に加える押圧力は大きくなる。このため、当該押圧力と釣り合う位置まで、背圧ピン３９が下降する。この際、ばね部材３６は圧縮される。したがって、図６に線Ｌ１で示すように、ばね部材３６の付勢力、つまり背圧ピン３９がスプライン予定部９１に加える背圧は、背圧ピン３９が下降するのに従って、徐々に大きくなる。

押圧力、背圧が大きくなるのに従って、スプライン予定部９１の肉は、径方向外側に流動する。よって、図３の枠ＩＩＩＢに示すように、スプライン予定部９１には、スプライン歯型３３０の形状が転写される。すなわち、図５（Ａ）に示すスプライン予定部９１に、図５（Ｂ）に示すスプライン９２が成形される。また、ワーク９の上端部には、上型スリーブ２１の下端部の形状が転写される。ワーク９の外周面には、下型スリーブ３１の成形部３１１の内周面の形状が転写される。このようにして、図５（Ａ）のワーク９が、図５（Ｂ）のワーク９に成形される。

なお、図３の枠ＩＩＩＢに示すように、スプライン成形方法の実行中に、背圧ピン３９は、上死点Ａ０から下死点Ａ１まで、下降量ΔＡだけ下降する。背圧ピン３９の下降中に、図６に線Ｌ１で示すように、ばね部材３６の付勢力は、初期荷重Ｆ０から最大荷重Ｆ１まで増加する。

背圧ピン３９は、昇降部材３７、ピン座３８、ばね部材３６から独立して、ノックアウトピンとして、上下方向に移動可能である。成形後のワーク９は、背圧ピン３９により、下型３から排出される。その後、ワーク９に、サイジング加工（スプライン９２の歯面を整える加工）や穴明け加工（被成形孔９０を上下方向に貫通させる加工）などが適宜施されることにより、中空シャフト部品が完成する。

＜作用効果＞
次に、本実施形態の鍛造金型およびスプライン成形方法の作用効果について説明する。図３に示すように、本実施形態の鍛造金型１およびスプライン成形方法によると、スプライン成形中（スプライン９２の成形開始から成形完了まで）に、背圧ピン３９が、ワーク９に継続的に背圧を加えることができる。このため、スプライン歯型３３０に対するワーク９の肉の充填性が低下しにくい。したがって、図５（Ｂ）に示すように、成形後のスプライン９２に成形不良（欠肉、強度不足、外観不良など）が発生しにくい。同様に、成形後のフランジ部９３に成形不良が発生しにくい。また、本実施形態の鍛造金型１およびスプライン成形方法によると、スプライン９２およびフランジ部９３を、同一の工程でワーク９に成形することができる。

図６に線Ｌ１で示すように、ばね部材３６の付勢力つまりワーク９に加わる背圧は、スプライン９２の成形が進行するのに従って、大きくなる。このため、スプライン歯型３３０の下側部分（スプライン成形方法の後期に成形される部分）に対する、ワーク９の肉の充填性が低下しにくい。

図１に示す型開き状態において、ばね部材３６に図６に示す初期荷重Ｆ０が設定されていない場合を想定する（勿論、この場合も本発明の技術的範囲に含まれる）。この場合、図３に示す下死点Ａ１においてスプライン９２の成形精度を高めるのに必要な最大荷重Ｆ１を達成するためには、図６に線Ｌ２で示すように、ばね部材３６のばね定数を大きくする方法が考えられる。しかしながら、この場合、スプライン成形の前半において、背圧荷重が低くなるという影響が生じる。

この点、本実施形態の鍛造金型１およびスプライン成形方法によると、図１に示す型開き状態において、ばね部材３６に図６に示す初期荷重Ｆ０が設定されている。この初期荷重Ｆ０の適切な設定により、スプライン成形前半における背圧を適切に調整することが可能になるとともに、図６に線Ｌ１で示すように、ばね部材３６のばね定数を小さくしても、図３に示す下死点Ａ１において最大荷重Ｆ１を達成することができる。このように、本実施形態では、この初期荷重Ｆ０、最大荷重Ｆ１が適切な値（初期荷重Ｆ０が０となる場合も含む）となるように、ばね部材３６のばね定数、ばね高さ等を適切に選択することによって、ワーク９の成形精度を高くすることができる。

図１に示すように、６枚のばね部材３６のうち、上側３枚（一部）のばね部材３６と下側３枚（残部）のばね部材３６とは、配置方向が互いに上下反対である。このため、ばね部材３６の上下方向の弾性変形量（歪み量）を大きくすることができる。したがって、ばね部材３６のばね定数を小さくすることができる。

図１、図２に示すように、本実施形態の鍛造金型１には、本発明の付勢部材としてばね部材３６が配置されている。このため、付勢部材として油圧シリンダを用いる場合と比較して、油圧制御が不要な分だけ、迅速にスプライン９２を成形することができる。よって、スプライン成形方法に要する時間を短縮化することができる。また、ワーク９が高温の場合（温間鍛造や熱間鍛造の場合）であっても、ワーク９の熱の影響を鍛造金型１が受けにくい。また、図３に示すように、ポンチ２２はテーパ部２４１を備えている。このため、ワーク９を拡径変形させやすい。本実施形態の鍛造金型１によると、背圧ピン３９としてノックアウトピンを転用している。このため、背圧ピン３９とノックアウトピンとを別々に配置する場合と比較して、鍛造金型１の部品数を削減することができる。

＜その他＞
以上、本発明の鍛造金型およびスプライン成形方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

図６に示すように、ばね部材３６の付勢力の印加パターンは特に限定しない。適切な背圧の大きさは、部品寸法やスプライン９２の寸法等部品毎に異なるため、線Ｌ１のように、０を超える初期荷重Ｆ０を設定してもよい。線Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５のように、初期荷重は０であってもよい。線Ｌ３のように、上死点Ａ０から下死点Ａ１まで、付勢力は一定であってもよい。すなわち、付勢力の増加速度（付勢力／背圧ピン３９の下降量）は０であってもよい。線Ｌ４のように、下側に膨らむ曲線状に付勢力を加えてもよい。線Ｌ５のように、上側に膨らむ曲線状に付勢力を加えてもよい。すなわち、付勢力の増加速度は途中で変化してもよい。なお、線Ｌ３のように付勢力を一定にする場合は、ばね部材３６の代わりに油圧シリンダを設け、付勢力が一定になるように油圧を制御すればよい。

ワーク９が背圧ピン３９の大径部３９０に当接するタイミングは特に限定しない（図４（Ｂ）参照）。スプライン９２の成形が始まる前であっても、スプライン９２の成形の途中であってもよい。また、スプライン９２の成形完了前に背圧が低下してもよい。この場合であっても、背圧の残圧を利用して、スプライン歯型３３０にワーク９の肉を充填することができる。

上記実施形態においては、ばね部材３６として皿ばねを用いたが、ばね部材３６の種類は特に限定しない。コイルばね、板ばね等を用いてもよい。上記実施形態においては、付勢部材としてばね部材３６を用いたが、付勢部材の種類は特に限定しない。油圧シリンダ、エアシリンダ、ゴムなどを用いてもよい。ばね定数の異なる複数のばね部材を、上下方向に積層してもよい。

図４に示すテーパ部２４１の代わりに、軸部２４に、上側から下側に向かって縮径する段差を配置してもよい。上型２、下型３の配置方向は特に限定しない。上型２が固定型、下型３が可動型であってもよい。鍛造金型１は、冷間鍛造、温間鍛造、熱間鍛造のいずれに用いてもよい。

特に鉄鋼の場合で、熱間鍛造あるいは温間鍛造後のワーク９には、スプライン９２の歯面精度を修正するために、冷間鍛造が施される場合がある。この場合、熱間鍛造あるいは温間鍛造後かつ冷間鍛造前のワーク９には、延性向上のために、通常焼鈍処理が施される。しかし、鍛造金型１を温間鍛造に用い、かつ鍛造温度を９００℃以上１０００℃以下に設定すると、延性が熱間鍛造する場合に比較して向上するため、当該焼鈍処理を省略することができる場合がある。

鍛造金型１およびスプライン成形方法を用いて製造される中空シャフト部品の種類は特に限定しない。例えば、自動車用トランスミッション部品（ドライブピニオンギア、リダクションドライブギア、ロータシャフトなど）などであってもよい。ワーク９の材質は特に限定しない。鉄鋼（機械構造用炭素鋼など）、機械構造用合金鋼（クロムモリブデン鋼など）、ステンレス鋼、アルミニウム合金などであってもよい。

以下、上述の実施形態の鍛造金型１（ただし、ばね部材３６の代わりに油圧シリンダを備える油圧装置が配置されている。）およびスプライン成形方法を用いて行った実験、およびＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析について説明する。

＜実験＞
まず、実験を行った。具体的には、実際に６つのワーク９に対してスプライン成形を行った。図７に、スプライン成形方法実行後のワークの軸方向断面図を示す。

図７に示すように、ワーク９のスプライン９２の軸方向長さＬは、３３ｍｍである。スプライン部９４（スプライン９２が形成されている部分）の内径（直径）Ｄ１は、２０．０ｍｍである。なお、内径Ｄ１は、図２に示すポンチ２２の小径部２４２の外径に対応する。小径Ｄ２（スプライン９２の径方向内端を通る円（歯底円）の直径）は、３６．６ｍｍである。大径Ｄ３（スプライン９２の径方向外端を通る円（歯先円）の直径）は、４０ｍｍである。スプライン部９４の肉厚Ｔは、８．３ｍｍである。なお、肉厚Ｔは、（小径Ｄ２−内径Ｄ１）／２、つまり図２に示すポンチ２２の小径部２４２とスプライン歯型３３０の径方向内端との隙間の径方向幅（ただし径方向片側の幅）に対応する。モジュールは１．２５である。圧力角は３８°である。歯丈は１．４ｍｍである。ワーク９の材質はＳＣＭ４２０である。

実験においては、０ｔ、１０ｔ、３０ｔ、５０ｔ、７０ｔ、９０ｔの６水準の背圧（背圧荷重）を設定し、各水準ごとにワーク９にスプライン成形を行った。また、成形後のスプライン９２の肉張り性（スプライン歯型３３０に対するワーク９の肉の充填性）、成形不良（バリ等）などを観察した。なお、成形中の背圧は、油圧装置により、一定に保持した。例えば、背圧３０ｔの水準で実験する場合、図６に示す線Ｌ３のように、成形中の背圧は３０ｔに保持した。実験の結果、成形不良が発生せず、良好な肉張り性を得られる背圧範囲は、３０ｔ以上７０ｔ以下であることが判った。

＜ＣＡＥ解析＞
次に、ＣＡＥ解析を行った。ＣＡＥ解析においては、寸法の異なる７つのワーク９のモデル♯１〜♯７を採用した。また、上述の実験に用いた鍛造金型１とほぼ同形状（ただし、モデル♯１〜♯７の寸法の相違に伴う形状の相違はある。）の鍛造金型を用いた。表１に、７つのモデル♯１〜♯７のスプライン９２の軸方向長さＬ、スプライン部９４の内径Ｄ１、小径Ｄ２、大径Ｄ３、スプライン部９４の肉厚Ｔ、モジュール、圧力角、歯丈、面圧しきい値、背圧の最小値を示す。面圧しきい値、背圧の最小値については後述する。

背圧が小さい方が、鍛造金型１やワーク９に及ぼす悪影響が小さい。また、スプライン９２に加わる面圧と、肉張り性と、は対応している（面圧が大きいほど肉張り性は良くなる）。そこで、各モデル♯１〜♯７において、上述の実験の背圧３０ｔ（良好な肉張り性を得られる背圧の最小値）の際にスプライン９２に加わる面圧（良好な肉張り性を得られる面圧の最小値）を、面圧しきい値Ｐｔｈとした。また、各モデル♯１〜♯７において、面圧しきい値Ｐｔｈに対応する背圧（良好な肉張り性を得られる背圧の最小値）Ｍを取得した。

図８に、各モデルの肉厚と背圧の最小値との関係を示す。図８の７点（モデル♯１〜♯７）のデータを最小二乗法により二次関数で近似すると、肉厚Ｔ（ｍｍ）、背圧の最小値Ｍ（ｔ）として、以下の式（１）が得られた。
Ｍ＝０．６６Ｔ^２−２．０６Ｔ＋１．２８ ・・・式（１）

表１に示す背圧の最小値Ｍは、式（１）の計算値である。図８、表１、式（１）に示すように、肉厚Ｔが小さいほど、最小値Ｍは小さくなる。また、任意の肉厚Ｔにおいて、背圧が最小値Ｍつまり式（１）の曲線以上の場合、スプライン９２の肉張り性が良好になる。反対に、任意の肉厚Ｔにおいて、背圧が最小値Ｍつまり式（１）の曲線未満の場合、スプライン９２の肉張り性が悪くなる。

一例として、図８、表１のモデル♯４のデータに着目すると、肉厚Ｔが７．８ｍｍであり、式（１）から最小値Ｍは２５ｔとなる。このため、図８に矢印で示すように、ワーク９に加える背圧が２５ｔ以上であれば、スプライン９２の肉張り性が良好になる。

このように、式（１）から、ワーク９の肉厚Ｔ、つまり図２に示すポンチ２２の小径部２４２とスプライン歯型３３０の径方向内端との隙間の径方向幅に応じて、スプライン９２の肉張り性が良好な、背圧を設定することができる。

なお、スプライン成形中の背圧は、図６に線Ｌ３で示すように、一定値（最小値Ｍを保持）であってもよい。また、図６に線Ｌ１〜Ｌ２、Ｌ４〜Ｌ５で示すように、最小値Ｍから所定の最大値まで、上昇させてもよい。

また、式（１）に加えて、ワーク９に要求される強度（例えばねじり強度）や鍛造金型１の構成などにより、肉厚Ｔや背圧の条件（最大値、最小値）が決まる場合がある。この場合は、式（１）にこれらの条件を加えて、肉張り性が良好な背圧範囲を設定することができる。

例えば、背圧が過度に大きい場合、スプライン成形時に、ワーク９の肉が、下型３のガス抜き用の隙間などに、進入しやすい。このため、成形後のワーク９にバリが発生するおそれがある。この場合は、背圧の最大値を、バリの発生を防止可能な値（鍛造金型１の構成などにより異なる。）とすればよい。上述の実験の場合、背圧が７０ｔを超えるとワーク９にバリが発生するため、背圧の最大値を７０ｔとすればよい。つまり、背圧の設定範囲を最小値Ｍ以上７０ｔ以下とすればよい。また、肉厚Ｔが過度に小さい場合、成形後のワーク９のねじり強度が小さくなる。この場合は、肉厚Ｔの最小値を、ねじり強度を確保可能な値（例えば４ｍｍ。ワーク９の用途などにより異なる。）とすればよい。

１：鍛造金型、２：上型、２０：上型ホルダ、２１：上型スリーブ、２２：ポンチ、２３：頭部、２４：軸部、２４０：大径部、２４１：テーパ部、２４２：小径部、３：下型、３０：下型ホルダ、３００：収容孔、３０１：小径部、３０２：テーパ部、３０３：大径部、３１：下型スリーブ、３１０：ダイス収容部、３１１：成形部、３２：スリーブサポート、３３：ダイス、３３０：スプライン歯型、３４：ダイスサポート、３５：ばね座、３５０：ピン挿通孔、３６：ばね部材、３７：昇降部材、３７０：カップ部、３７１：フランジ部、３７２：テーパ部、３７３：ピン挿通孔、３８：ピン座、３８０：テーパ面、３９：背圧ピン、３９０：大径部、３９１：テーパ部、３９２：小径部、９：ワーク、９０：被成形孔、９１：スプライン予定部、９２：スプライン、９３：フランジ部、９４：スプライン部

Claims (6)

1. 後側からワークを押し出すポンチと、
   前記ワークにスプラインを成形するスプライン歯型を有するダイスと、
   前側から前記ワークに背圧を加える背圧ピンと、
   前記スプラインの成形中に前記背圧が低下しないように前記背圧ピンを付勢する付勢部材と、
   を備える鍛造金型。
2. 前記付勢部材は、ばね部材である請求項１に記載の鍛造金型。
3. 前記ワークは、後側に開口する被成形孔を有し、
   前記ポンチは、前記被成形孔に挿入され、
   前記スプラインは、前記ワークの外周面に成形される請求項１または請求項２に記載の鍛造金型。
4. 前記ポンチと前記スプライン歯型の径方向内端との隙間が小さいほど、前記背圧の最小値は小さい請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鍛造金型。
5. 前記隙間の径方向幅をＴ（ｍｍ）、前記背圧の前記最小値をＭ（ｔ）として、以下の式（１）が成立する請求項４に記載の鍛造金型。
   Ｍ＝０．６６Ｔ^２−２．０６Ｔ＋１．２８ ・・・式（１）
6. 前側からワークに背圧を加えながら、後側から前記ワークを押し出し、前記ワークをスプライン歯型に圧接させることにより、前記ワークにスプラインを成形するスプライン成形方法であって、
   前記スプラインの成形中に前記背圧が低下しないことを特徴とするスプライン成形方法。

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