JP3770960B2 - Manufacturing method of gear by cold forging and die used therefor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷間鍛造による歯車の製造に使用する型と、その型を使用する製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
金属材料を使用して冷間鍛造によって歯車を製造する方法は公知である。
【0003】
図1及び図2は、平歯車を製造する従来の冷間鍛造による製造方法を示している。円筒形状の金属材料10は、所望の歯車の外径に近い寸法を有する。その円筒形状の金属材料10の下端を型11の穴11Aに挿入して、矢印Xの方向から押し込んで、パンチ(図示せず)によってその金属材料10を押圧して、材料10の外周に雄の歯形を形成する。この材料10の外周に形成された雄の歯形は、型11の歯形12に対応するものである。歯形の歯元と歯先の関係は、材料10と型11では逆になる。この型11の歯形12は、正規の全歯たけHを有する。それゆえ、材料10の外周に形成された歯形も、これと同様に正規の全歯たけHを有することになる。
【0004】
図1において、符号13はピッチ円を示している。図1及び図2において、符号14は型11の歯形12の歯先円を示しており、符号15はその歯元円を示している。
【0005】
従来の冷間鍛造による歯車の製造方法において、型11の歯形12の歯形成形開始部の端面16は傾斜しているが、型11の軸心に直交する面に対する端面16の傾斜角度Bは30°以下となっている。この傾斜角度Bが小さいほど、不完全な歯形部が少なくなる。
【0006】
また、材料10は一つの工程で冷間鍛造する場合もあるが、あらかじめ熱間又は温間で予備成形した後、焼なまし、表面潤滑処理などを行ってから、冷間鍛造で仕上げ形成をすることもある。
【0007】
また、歯の大きさに比べて比較的薄い歯車の場合には、板状の金属材料をせん断打抜きして予備的に歯形を作り、その後の工程で仕上鍛造によって歯形を成形することがある。
【0008】
さらに、一般に閉塞鍛造と呼ばれている歯車の鍛造形成法も知られている。それは、型の孔の中に、歯元円の直径よりも小さい寸法の材料を挿入し、端面から押し付けて、型の歯形により鍛造成形し、金属材料を張りだしで成形する方法である。
【0009】
【発明が解決しようする課題】
図1と図2に示されている従来の冷間鍛造による歯車の製造方法においては、最終製品の歯車の品質の良悪は、鍛造用の型に関する要因が50ないし80%を占めると考えられる。
【0010】
図1及び図2に示す方法においては、雌の型の内部で成形を行っており、これをインダイ成形と呼んでいる。この製造方法に用いる金属材料は、中実の丸棒、リング状の素材、熱間又は温間鍛造による予備加工品等である。
【0011】
いずれの材料の場合にも、図1及び図2の従来法においては、一つの工程で歯車を冷間鍛造して仕上り寸法を得るものである。そのため、歯形12の歯形成形開始部の傾斜端面16にかかる荷重(圧力)は、200kgf/mm2ないし280kgf/mm2にもなる。この荷重(圧力)は、型材として最高レベルの材質であっても型の破壊強度の70ないし90%になっている。
【0012】
冷間鍛造時の最高荷重は型の内面の歯形成形開始部の傾斜端面16に発生することが多い。従来は、この最高荷重を下げる工夫が足りなかったために、型11の寿命が短かった。それに起因して製品精度が悪化する欠点もあった。
【0013】
とくに、はすば歯車を冷間鍛造により製造する場合には、型11の歯形12を一方側のみに倒そうとする荷重が加えられるため、傾斜面16付近の破損の確率が高くなりがちであった。それが、結果的に、型11の寿命を短くしていた。
【0014】
本発明者の知見によれば、はすば歯車の、冷間鍛造による加工の場合には、型の歯形の一方の面(表側の面)に集中的に荷重がかかり、その裏側の面にはあまり荷重がかからない。そのため、歯形の表側と裏側で荷重の差が顕著であり、それに基因する歯形欠損が多い。
【0015】
そこで、本発明は、型の寿命を長くすることができる、冷間鍛造による歯車の製造方法及びそれに使用する型を提供することを目的としている。
【0016】
本発明の別の目的は、良質な歯車を製造することができる、冷間鍛造による歯車の製造方法及びそれに使用する型を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項5又は6に記載の冷間鍛造による歯車の製造方法を要旨としている。
【0018】
また、本発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の冷間鍛造による歯車の製造方法に用いる型も要旨としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明は、冷間鍛造による歯車の製造の限界を拡大するものである。とくに、はすば歯車は、冷間鍛造による製造が極めて困難なものであると認識されてきたが、本発明は、はすば歯車またはそれに類する歯車を効率よくかつ高精度に製造できるようにするものである。
【0020】
各種の歯車を、本発明の方法や型によって製造することができる。大小二つの歯車を有する二段歯車や、フランジ付きの歯車や、喰い付き面取り歯車や、ラチェット歯付きの歯車や、セレーション付きの歯車等を冷間鍛造で成形できる。さらに、直歯傘歯車やこれに類した歯車の冷間鍛造加工も可能である。
【0021】
本発明の歯車製造方法及び型によれば、加工歯車の製品精度は、JIS5級ないし7級にすることができる。
【0022】
本発明における特徴の一つは、型の歯形成形開始部分に正規歯と低歯を形成して、そこを多段の形に形成することである。それにより、冷間鍛造の当初に型に発生する応力を分散して局部の応力を低減する。たとえば、まず正規の全歯たけよりも低い歯たけを有する低歯によって仮の低歯形を冷間鍛造で形成して、その後、正規の全歯たけを有する正規歯によって正規の歯形を冷間鍛造で形成する。
【0023】
この場合、型の低歯により仮の低歯形を冷間鍛造で成形した後、それに続けて型の正規の歯形を冷間鍛造で形成するのが、生産効率の点では最も望ましい。なぜなら、そのような冷間鍛造法によれば、一つの鍛造工程で所望の歯車を形成できるからである。
【0024】
しかし、本発明はそのような方法のみに限定されるものではない。たとえば、二つ又はそれ以上の型を使用し、最後の型のみが正規の全歯たけを有する正規歯を有し、その他の型はその正規歯よりも低い歯たけを有する低歯のみを有し、まず、最も低い歯たけを有する低歯によって仮の低歯形を冷間鍛造で形成し、順次、歯たけを高くしていき、最終的に正規の全歯たけを有する正規歯によって正規の歯形を冷間鍛造で形成することもできる。
【0025】
低歯の歯たけは、正規歯の全歯たけとは異なり、低歯の始端と終端の間でつねに一定であるとは限らず、段階状、直線状又は曲線状に変化することもある。
【0026】
いずれにしても、本発明の冷間鍛造法によれば、フランジ付き歯車や、二段歯車や、スプライン付きの歯車であっても、一つの金属材料を冷間鍛造のみで一体加工することができる。
【0027】
ただし、本発明は、熱間又は温間で予備成形した後に冷間鍛造で仕上成形する方法や、必要に応じて切削加工等を鍛造の途中や最後に付加する方法を含むものである。つまり、本発明は、冷間鍛造のみで初めから終りまで歯車の最終製品を製造する方法に限定されるものではない。
【0028】
本発明において使用する材料は、主として金属であり、丸棒、リング状の素材、熱間又は温間鍛造による予備成形品その他である。材質は、歯車の材料として通常使用されているものは原則としてすべて使用できる。
【0029】
本発明の製造方法によれば、図1及び図2の従来の製造方法に比べて、JISの等級で1ないし3等級向上させることが容易である。
【0030】
歯車精度が向上すると、冷鍛加工化が可能な歯車の種類が増加し、全体的に歯車の冷鍛加工化の範囲が拡大する。
【0031】
本発明によれば、歯車とフランジその他とを一体成形することも可能である。それゆえ、冷鍛加工化における製品の適応範囲が大幅に拡大する。従来の製造方法では、大きな寸法のフランジが付いた歯車については冷間鍛造による加工は不可能であるとされてきたが、本発明によれば、歯車の外径の2倍ないし3倍の外径を有するフランジであっても、それを歯車と一体成形することが可能である。
【0032】
さらに、大小2種類の歯車を2段に一体成形することも可能である。
【0033】
軸付きや軸なしといったように、歯車の形状変化があっても、柔軟に対応することができる。
【0034】
フランジ付きの歯車や、複数段付きの歯車を生産する場合、従来は型またはパンチの内部で一回仕上成形を行っていたので、歯車とフランジが一体になっていると、フランジの外径が歯車の外径の1.2倍程度が成形限界であった。素材の径が歯車の外径より大きくなり、単位面積当りの成形荷重が大となるため、著しく型命数が短かった。これに比べて、型の命数に関する本発明の効果は抜群である。
【0035】
また、本発明は、精度の向上と品質のバラツキを低減することができる。より高い精度が要求される場合は必要な高精度の型を重ねて連続的にサイジング加工を行ったり、別工程を設定してプレスサイジングを行うことにより目標の精度を得ることもできる。
【0036】
また、直歯歯車も、ねじれ角36°以下のはすば歯車も、従来の鍛造機を採用して、単に型を本発明のものに変更するだけで、冷間鍛造による各種歯車の製造が可能である。
【0037】
はすば歯車を冷鍛加工する場合、型又はパンチを回転可能に設定するか、あるいは強制回転させることにより容易に歯車を製造できる。
【0038】
本発明の最大の効果の一つは、型の寿命が図1〜2に示す従来のもの(型1つ当り歯車5000個以下)に比べて2ないし3倍に長くできることである。
【0039】
さらに、切削歯切りの歯車と比較すれば、本発明は、材料の歩留まりが向上するとともに、歯車の強度が改善される。
【0040】
本発明者がその理由を究明したところ、型の歯形成形開始部の形状が型の寿命と歯車製品の精度の両方に大きく影響することが判明した。とくに、歯車製品の正規歯の歯先部分がその歯元部分に比較して極めて重要である。本発明は、この点に着目して完成させたものである。
【0041】
本発明の場合、歯車製品の正規歯形の歯先部が主として型の低歯によって鍛造加工されるので、切れ味よく「スパッ」と成形される。とくに低歯の始端における歯たけが小さな値を有し、かつ逃げ用の段差が十分確保されたときは、摩擦抵抗が小さくなって、切れ味が非常に良好となる。その結果、歯車製品の歯先部分の「ダレ」現象が改善される。歯車製品の正規歯形の歯元部分は主として型の正規歯の歯先部分によって成形される。このときは、すでに歯車製品の正規歯形の歯元部分は成形ずみであるので、型の正規歯にかかる荷重はその分小さく、それゆえ、歯車製品の正規歯形の歯元部分も、図1〜2に示す従来法に比較すれば、切れ味よく成形される。
【0042】
【実施例】
以下、本発明のいろいろな参考例を、図を参照して説明する。
【0043】
図3〜4の参考例
図3及び図4は本発明の参考例の一つを示している。この参考例においては、中実円筒の金属材料20の外周に平歯車が形成される。
【0044】
型21は軸心31方向に孔21Aを有し、その孔21Aの周面に雌の歯形27が形成されている。この歯形27は、正規の歯形であり、正規の全歯たけHを有する。符号28で示す歯形は、その始端において正規の歯形27の全歯たけHよりも低い歯たけhを有する低歯である。
【0045】
図1〜2に示す従来の型11と比較したとき、図3〜4の型21は、正規歯27と低歯28によって歯形成形開始部が二段の形になっている点で相違する。符号29で示す一点鎖線の部分が削除された結果、そこが低歯28となっているのである。
【0046】
型21の軸心31の方向における低歯28の長さLは、正規の歯形27の全歯たけHと同等か、またはそれ以上になっていて、そこに、摩擦抵抗を少なくするために、逃げ用の段差又は隙間が設けられている。
【0047】
また、この低歯28は、型21の軸心31と平行になっている円筒面28Bと、そこから傾斜しているほぼ切頭円錐形の傾斜面28Aから成り立っている。
【0048】
低歯28の円筒面28Bの、軸心31の方向における長さは、低歯28の、始端における歯たけh以上の長さにするのが、逃げ用の段差又は隙間の確保のために好ましい。
【0049】
この低歯28の円筒面28Bの部分と切頭円錐形の傾斜面28Aの部分との境目は丸みを有するのが好ましい。さらに、この低歯28と正規の歯形27との境界部分も丸みを持つのが望ましい。さらに、型21の歯形成形開始部の最初の傾斜面すなわちほぼ切頭円錐形の傾斜面26と、この低歯28との境界面も丸みをもたせるのが望ましい。
【0050】
歯形成形開始部分の最初の傾斜面26の、軸心31に直交する平面に対する傾斜角度C1は、10°〜45°、好ましくは25°〜30°とする。低歯28の円筒面28Bに直交する平面に対する切頭円錐面28Aの傾斜角度C2は、20°〜60°、好ましくは30°〜45°にする。これらの傾斜角度C1およびC2は、低歯28の形状や歯たけhの大小によって適当に設定することができる。
【0051】
また、傾斜角度C1およびC2と低歯28の長さLを小さく設定すれば、それだけ歯車の不完全成形部分を少なくできる。
【0052】
図3〜4の型21を使用して冷間鍛造によって平歯車を製造する方法の一例を説明する。
【0053】
型21の形状を除けば、鍛造機の全体構造や使用法は本発明の参考例と図1〜2の従来例との間で実質的な差は認められないので、従来と同様に鍛造すればよい。
【0054】
しかし、鍛造のメカニズムは本発明の参考例に特有のものである。まず、正規の全歯たけHよりも低い歯たけhを有する低歯28によって仮の低歯形が冷間鍛造で形成される。そのあと、正規の全歯たけHを有する正規歯27によって正規の歯形が冷間鍛造で形成される。この場合は、1つの型21で仮の低歯形と正規の歯形を一回の工程で形成する。仮の低歯形を形成した直後に正規の歯形を形成する。
【0055】
正規の歯形の全歯たけHと、低歯の、始端における歯たけhとの関係は、0.3H<h<0.8Hとなる。
【0056】
図3〜4の例の鍛造法をさらに詳細に述べる。
【0057】
円筒形状の金属材料20は、所望の平歯車の外径に近い寸法を有する。その円筒形状の金属材料20の下端を型21の穴21Aに挿入して、矢印Xの方向から押し込んで、パンチ(図示せず)によってその金属材料20を押圧して、材料20の外周に雄の歯形を形成する。この材料20の外周に形成された雄の歯形は、型21の歯形すなわち正規の歯形27と低歯28に対応するものである。歯形の歯元と歯先の関係は、材料20と型21では逆になる。型21の正規の歯形27は、正規の全歯たけHを有する。それゆえ、材料20の外周に形成された正規の歯形も、これと同様に正規の全歯たけHを有することになる。ただし、歯形成形開始部の最初の傾斜面26と、それに続く低歯28に対応する部分は、それよりも低くなっていて、不完全な歯形部分となる。
【0058】
なお、図3〜図4において、符号23は、ピッチ円を示している。符号24は、型21の正規の歯形27の歯先円を示しており、符号25は、その歯元円を示している。
【0059】
図3及び図4に示されている型で製造する場合、鍛造開始時に歯形成形開始部分の最初の傾斜面26に比較的大きな応力が発生するものの、低歯28の始端における歯たけhは小さく、従って、その歯形成形開始部分の最初の傾斜面26にかかる圧力は分散されて小さくなる。分散された圧力の一部が正規の歯形27の直前に位置する低歯の傾斜面28Aにかかる。したがって、全体的に見たとき、型21の局部に生じる最大応力と偏荷重は大幅に低減されるのである。その結果、歯形成形開始部の最初の傾斜面26が部分的に折損したり、局部的に変形が生じたりして、型の寿命や歯車製品の精度を悪化させることがない。このことは、成形された歯形全体の精度を良好にすることに繋がる。
【0060】
これに加えて、材料の寸法や、金属組織、表面潤滑処理等の条件をうまく整えると、加工荷重をさらに低減させることができる。
【0061】
図5〜6の参考例
図5および図6は、はすば歯車の冷間鍛造法に適用した例を示している。
【0062】
図5及び図6の例においては、中実円筒の金属材料60の外周に傾きDのはすば歯車が形成される。傾きDは、通例、10°〜40°である。
【0063】
型61は軸心71の方向に孔61Aを有し、その孔61Aの周面に雌の歯形67が形成されている。この歯形67は、正規の歯形であり、正規の全歯たけHを有する。符号68で示す歯形は、その正規の歯形67の全歯たけHよりも低い歯たけhを有する低歯である。
【0064】
図3〜4に示す型21と、図5〜6の型61は、歯形成形開始部が互いに似た二段の形になっている。歯形成形開始部の最初の傾斜面66と正規の歯形67との間の一点鎖線の部分が削除されて、そこが低歯68となっている。
【0065】
型61の軸心71の方向における低歯68の長さLは、正規の歯形67の全歯たけHと同等か、またはそれ以上になっていて、そこに十分な逃げ用の段差又は隙間が設けられている。それにより鍛造時の摩擦抵抗を少なくする。
【0066】
また、この低歯68は、型61の軸心71と平行になっている円筒面68Bと、そこから傾斜しているほぼ切頭円錐形の傾斜面68Aから成り立っている。
【0067】
図5には角ばった形が示してあるが、この低歯68の円筒面68Bの部分と切頭円錐形の傾斜面68Aとの境目は丸みを有するのが好ましい。さらに、この低歯68と正規の歯形67との境界部分も丸みを持つのが望ましい。さらに、型61の歯形成形開始部の最初の傾斜面、すなわち、ほぼ切頭円錐形の傾斜面66と、この低歯68との境界面も丸みをもたせるのが望ましい。
【0068】
歯形成形開始部分の最初の傾斜面66の傾斜角度Eは、10°〜30°、好ましくは15°〜25°とする。低歯68の円筒面68Bに直交する平面に対する切頭円錐面68Aの傾斜角度Fは20°〜60°、好ましくは30°〜45°にする。これらの傾斜角度EおよびFは、低歯68の形状や歯たけhの大小によって適当に設定することができる。
【0069】
また、傾斜角度E、Fや低歯の長さLを小さく設定すれば、それだけ歯車の不完全成形部分を少なくできる。
【0070】
図5〜6の型61を使用して冷間鍛造によって、はすば歯車を製造する方法の一例を説明する。
【0071】
型61の形状を除けば、鍛造機の全体構造や使用法は本発明の参考例と従来例との間で実質的な差は認められない。
【0072】
本発明の参考例の場合も、従来と同様に、傾きDの値に合わせて型61及び/又はパンチ(図示せず)を回転させながら鍛造加工する。
【0073】
鍛造のメカニズムは本発明の参考例に特有のものであり、まず、正規の全歯たけHよりも低い歯たけhを有する低歯68によって仮の低歯形が冷間鍛造で形成される。そのあと、正規の全歯たけHを有する正規歯27によって正規の歯形が冷間鍛造で形成される。この場合は、1つの型61によって、仮の低歯形と正規の歯形が一回の工程で形成される。しかも、仮の低歯形を形成した直後に、正規の歯形が形成される。
【0074】
正規の歯形の全歯たけHと、低歯の始端における歯たけhとの関係は、0.3H<h<0.8Hとなる。
【0075】
かかる製造法をもう少し詳しく述べる
【0076】
円筒形状の金属材料60は、所望の平歯車の外径に近い寸法を有する。その円筒形状の金属材料60の下端を型61の穴61Aに挿入して、型61及び/又はパンチを回転させながら、矢印Xの方向から押し込んで、パンチ(図示せず)によってその金属材料60を押圧して、材料60の外周に雄のはすば歯形を形成する。この材料60の外周に形成された雄の歯形は、型61の歯形すなわち正規の歯形67と低歯68に対応するものである。歯形の歯元と歯先の関係は、材料60と型61では逆になる。この型61の正規の歯形67は、正規の全歯たけHを有する。それゆえ、材料60の外周に形成された正規の歯形も、これと同様に正規の全歯たけHを有することになる。ただし、歯形成形開始部の最初の傾斜端面66と、それに続く低歯68に対応する部分は、それよりも低く、不完全な歯形となる。
【0077】
なお、図5〜6において、符号63は、ピッチ円を示している。符号64は型61の正規の歯形67の歯先円を示しており、符号65はその歯元円を示している。
【0078】
図5及び図6に示した型61を使用して試験的に歯車を製造したところ、従来はX方向に35〜40トンの荷重が必要であったのに対し、本発明の参考例によれば、荷重を20トン程度にすれば、十分に冷間鍛造が可能であった。その場合、材料60の材質はS35Cであり、鍛造前の円筒材料60の直径は14mmであり、型61の正規歯67のピッチ円、歯元円及び歯先円の直径は、それぞれ12.55mm、14.1mm、10.6mmであった。また、低歯68の長さLは2.5mmであった。傾斜角度E及びFは、それぞれ20°および45°であった。はすば歯車の傾きDは17°と20°の2例であった。
【0079】
図5及び図6に示されている製造方法の場合も、歯形成形開始部分の傾斜面66に比較的大きな応力が発生するものの、低歯68の始端における歯たけhは小さく、従って、その歯形成形開始部分の最初の傾斜面66にかかる圧力は分散されて小さくなる。分散された圧力の一部が正規の歯形67の直前の傾斜面68Aにかかる。したがって、全体的に見たとき、型61の局部に生じる最大応力と偏荷重は大幅に低減される。その結果、歯形成形開始部の最初の傾斜面66が部分的に折損したり、局部的に変形が生じたりして、型の寿命や歯車製品の精度を悪化させることが少なくなる。このことは、成形された歯形全体の精度を良好にすることに繋がる。
【0080】
これに加えて、材料の寸法や、金属組織、表面潤滑処理等の条件をうまく整えると、加工荷重をさらに低減させることができる。
【0081】
本発明者の知見によれば、はすば歯車や、それに類する歯車の製造においては、Hとhとの関係を0.3H<h<0.8H、好ましくは0.5H<h<0.6Hとすることにより、歯形成形開始部に生じる曲げ応力は高さの二乗に反比例して小さくできる。とくに、低歯68の長さL(とくにその円筒面68Bの部分)を長くすれば、ねじれを案内した状態で正規の歯形67が成形されるため、型61に発生する曲げ応力は大幅に小さくなる。
【0082】
型61の歯形における各歯の表側と裏側とでは荷重又は圧力が相違するが、低歯68を設けることにより、その差を小さくできる。つまり低歯68を設けることにより、各歯の表裏の荷重差が緩和できるのである。
【0083】
歯形成形開始部の最初の傾斜面66の傾斜角度Eは、前述のように10ないし30°(好ましくは15ないし25°)である。最善の傾斜角度Eは、精度面から見れば、20°である。ただし、このことは傾斜面66をつねに平坦面にすべきことを意味しない。傾斜面66は曲面であってもよい。
【0084】
また、低歯68の歯たけhは、小さくすればするだけ高さの二乗に反比例して曲げ応力が小さくなるので、それだけ破損の確率が少なくなる。とくに、低歯68の長さLをより長くするとともに、逃げ用の段差又は隙間を確保すると、それに応じて、ねじれを案内した状態で正規の歯形67が形成されるため、型61の全体に発生する曲げ応力は格段に小さくなる。その際、とくに、はすば歯車の製造について強調すべき点は、正規の歯形67の表側と裏側で荷重差が緩和されるということである。このような対策をとらないと、特に、はすば歯車の冷間鍛造の場合には、歯形の表側で圧力が大きく、裏側で圧力が小さくなるという現象が避けられない。
【0085】
よりよい精度を得る場合には、低歯68をさらに多数の段階に分けることができる。そして、最終的に正規の歯形67で鍛造加工するのである。このような多数の段階的な低歯と、一つの最終的な正規の歯形を連続的に鍛造加工することにより、従来法より精度の高いものを得ることが可能となる。
【0086】
図7の参考例
図7は、本発明のさらに別の参考例を示す。
【0087】
この図7の例では、正規歯12の型と、低歯68の型が別体になっている。正規歯12の型としては図1〜2のものをそのまま使用できる。低歯68の型は正規の全歯たけよりも小さい歯たけhを型全体にわたって有する。低歯68の形状は各種のものが採用できる。
【0088】
図8の参考例
図8は本発明のさらに別の参考例を示している。
【0089】
(A)は、円筒形状の金属素材60を図5〜6の型61を使用して鍛造加工して、一回の鍛造工程で低歯68と正規の歯形67を形成した状態を示している。
【0090】
(B)は、前述の(A)の状態にある材料60を別の工程で鍛造加工して、正規の歯形67の上側にフランジ81を形成した状態を示している。このフランジ81の形成により、前述の低歯68の部分が塑性変形によって実質的に消失している。
【0091】
(C)は、前述の(B)に示す半製品60のフランジ81の外周に図5〜6の型61を使用して、正規の歯形67と低歯68を形成しつつある加工途中の状態を示している。
【0092】
(D)は、前述の(C)の工程をさらに押し進めていって、フランジ81の外周全体に正規歯67を形成した状態を示している。その結果、大小2つの正規歯67、67が二段歯の形で形成されている。これらの正規歯は、両方とも、はすば歯車である。
【0093】
前述の(B)の工程は一般に据え込み鍛造工程と呼ばれているものである。
【0094】
また、前述の(C)、前述の(B)と(D)の中間工程を示しているものであり、大型の正規の歯形67は貫通成形の歯形と呼ばれるものである。そこでは最終的に低歯68の部分が消失する。
【0095】
厳密にいえば、小型の正規の歯形67の上端には、図8の(B)〜(D)の状態のとき、部分的に低歯68が残存するが、図面にはその点が詳細に示されていない。
【0096】
図8の(D)に示されている大小2つのはすば歯車を有する部品は、ファイバーフローが良好であり、寿命が長くなるという大きなメリットがある。別のメリットとして、大小2つの正規のはすば歯車67が正確に同心になるということもあげられる。さらに、このような大小2つのはすば歯車の場合、2つの歯車67、67の相対位置が固定しているため、非常に正確な同心にすることができる。
【0097】
図9の参考例
図9はフランジ付きのはすば歯車の鍛造加工例を示している。
【0098】
まず、(A)は、図5〜6の型を使用して円筒の素材70に正規のはすば歯形67と低歯68を連続して形成した状態を示している。
【0099】
次に、(B)は、前述の(A)の状態から、さらに据え込み鍛造により上部から荷重を加えて、フランジ90を形成した状態を示している。
【0100】
このフランジ90の形成に伴って、低歯68の部分が実質的に消失して、正規の歯形67のみが残る。厳密にいえば、低歯68は一部残ることもあるが、図9の(B)には示していない。このことは、切断面を見れば、ファイバーフローから明確に認識できる。
【0101】
図10の参考例
図10は軸付きのはすば歯車の鍛造加工例を示している。
【0102】
まず、(A)に示すように、円筒状の長い素材91の一端に正規のはすば歯形67とそれに続く低歯68を図6の型を使用して鍛造加工する。この時、それらの正規のはすば歯形67と低歯68が存在する部分(図の上部)は、少し径が大きくなっていて、その他の部分92(図の下方部)は軸の形となっている。
【0103】
(B)は、前述の(A)のものを冷間鍛造して、軸形状の部分92の上端にフランジ93を形成し、その際、前述の低歯68を実質的に消失させた状態を示している。
【0104】
図11の参考例
図11は前述の図10の製造方法の一つの展開例を示している。
【0105】
(A)〜(F)までの冷間鍛造加工は、「パーツホーマーBPF650」の商品名で市販されている冷間鍛造機による例である。
【0106】
(G)の加工工程は、「マイプレスL1C200」の商品名で市販されている冷間鍛造機による例である。
【0107】
まず、(A)は、細長い丸棒状の素材111を示している。この丸棒状の素材111の材質はS35Cである。
【0108】
(B)は、前述の丸棒状の素材111の両端116を塑性加工して形成した半加工品115を示している。
【0109】
(C)は、半加工品115の右端部を絞って細い部分117を形成した状態を示している。
【0110】
(D)の工程では、その細い部分117をさらに2つの段になるように鍛造加工して2つの細い部分118及び119を形成している。
【0111】
(E)においては、半加工品115の左端部を鍛造加工して少し径の太い部分100を形成している。
【0112】
さらに、(F)においては、その少し太い円筒部分200に前述の図10で説明した鍛造加工を行っている。すなわち、太めの円筒部分200に正規のはすば歯形67とそれに続く低歯68を一つの鍛造工程で形成している。
【0113】
(G)においては、フランジ状部分201を形成することにより、前述の低歯68を実質的に消失させ、正規のはすば歯形67に続いてフランジ状部分201が位置するようにしている。この正規の歯形67は、傾き20°を有するはすば歯車である。
【0114】
また、(G)において、右のほうに存在する比較的径の小さい部分118には、セレーション202(四角断面軸)が形成される。このセレーション202も冷間鍛造により加工される。
【0115】
図12の実施例
図12は、本発明の図3〜6の参考例を改良した実施例を示している。
【0116】
型の正規歯300と、歯形成形開始部の最初の傾斜面301との間に、低歯303の領域が形成されている。とくに、低歯303の傾斜面303Aと、最初の傾斜面301との間の部分が、図3〜4や図5〜6の参考例の円筒面28B、68Bよりも引っ込められていて、図12から明らかなようにファイバーフローの逃げ用の段差が歯形成形開始部から構成されている。
【0117】
図12の(A)においては、その段差の部分303Bが、円筒形をしていて、0.02〜0.5mmだけ型の軸心311に平行に歯形成形開始部から内側にずれて引っ込んでいる。
【0118】
図12の(B)においては、段差の部分303Bが、型の軸心311に対して0.5°〜10°だけ傾斜して型の歯形成形開始部分から内向きに引っ込んでいて、逆向きに傾斜した切頭円錐面になっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図2の1−1線に沿った断面図で、従来の冷間鍛造による平歯車の製造方法を示す。
【図2】 図1の矢印Aの方から見た、型の歯形成形開始部分を示す。
【図3】 図4の3−3線に沿った断面図で、本発明の参考例による冷間鍛造による平歯車の製造方法を示す。
【図4】 図3の矢印Aの方から見た、型の歯形成形開始部分を示す。
【図5】 本発明の他の参考例による、はすば歯車の冷間鍛造の製造方法を示す。
【図6】 図5の製造方法で使用された型の歯形形成開始部分を、図5の矢印Aの方向を見て示す。
【図7】 本発明のさらに別の参考例を示す。
【図8】 (A)ないし(D)は、円筒状の素材から大小2つの歯車を有する二段歯車の部品を製造する一連の工程を示す。
【図9】 (A)及び(B)は、円筒状の素材からフランジ付きの歯車を製造する2つの工程を示す。
【図10】 (A)及び(B)は、円筒状の素材からフランジと軸を有する部品を作る状況を示す。
【図11】 (A)ないし(G)は、細長い丸棒を鍛造加工して、歯車、フランジ、軸及びセレーションを有する部品を作る一連の工程を示す。
【図12】 (A)と(B)は、歯形成形開始部の低歯における逃げ用の段差の、本発明の代表的な2つの実施例を示している。
【符号の説明】
10 金属材料
11 型
12 歯形
13 ピッチ円
14 型の歯先円
15 型の歯元円
16 最初の傾斜面
20 金属材料
21 型
21A 孔
23 ピッチ円
24 型の歯先円
25 型の歯元円
26 最初の傾斜面
27 歯形
28 低歯
28A 傾斜面
28B 円筒面
31 軸心
60 金属材料
61 型
61A 孔
63 ピッチ円
64 型の歯先円
65 型の歯元円
66 最初の傾斜面
67 歯形
68 低歯
68A 傾斜面
68B 円筒面
71 軸心
81 フランジ
90 フランジ
91 素材
92 軸形状の部分
95 半加工品
100 正規の歯形
101 最初の傾斜面
102 低歯
103 仮想の直線
111 素材
115 半加工品
116 両端
117,118,119 細い部分
200 太い円筒部分
201 フランジ状部分
202 セレーション[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a die used for manufacturing a gear by cold forging.And manufacturing method using the moldIt is about.
[0002]
[Prior art]
A method of manufacturing a gear by cold forging using a metal material is known.
[0003]
FIG.1 and FIG.2 has shown the manufacturing method by the conventional cold forging which manufactures a spur gear. The
[0004]
In FIG. 1, the code |
[0005]
In the conventional method of manufacturing a gear by cold forging, the
[0006]
In addition, the
[0007]
In the case of a gear that is relatively thin compared to the size of the teeth, a tooth shape is preliminarily formed by shear punching a plate-shaped metal material, and the tooth shape is formed by finish forging in a subsequent process.
[0008]
Furthermore, a forging method for gears generally called closed forging is also known. That is, a material having a size smaller than the diameter of the root circle is inserted into the hole of the die, pressed from the end face, forged by the tooth shape of the die, and the metal material is formed by overhanging.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional cold forging gear manufacturing method shown in FIG. 1 and FIG. 2, the quality of the final gear is considered to be 50 to 80% of the factors related to the forging die. .
[0010]
In the method shown in FIGS. 1 and 2, molding is performed inside a female mold, which is called in-die molding. The metal material used in this manufacturing method is a solid round bar, a ring-shaped material, a pre-processed product by hot or warm forging, or the like.
[0011]
In any case, in the conventional method shown in FIGS. 1 and 2, a gear is cold forged in one process to obtain a finished dimension. Therefore, the load (pressure) applied to the
[0012]
In many cases, the maximum load during cold forging is generated on the
[0013]
In particular, when a helical gear is manufactured by cold forging, a load is applied to cause the
[0014]
According to the knowledge of the present inventor, in the case of processing of a helical gear by cold forging, a load is concentrated on one surface (front surface) of the mold tooth profile, Does not take much load. Therefore, the difference in load between the front side and the back side of the tooth profile is remarkable, and there are many tooth profile defects caused by the difference.
[0015]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a gear by cold forging that can extend the life of the die and a die used for the method.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a method for producing a gear by cold forging, which can produce a high-quality gear, and a die used therefor.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention claims5 or 6The manufacturing method of the gear by the cold forging described in 1 is used as the gist.
[0018]
The present invention also includes claims.1Or4A die used in the method for producing a gear by cold forging described in any one of the above is also summarized.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention extends the limits of manufacturing gears by cold forging. In particular, it has been recognized that helical gears are extremely difficult to manufacture by cold forging. However, the present invention enables efficient and high-precision production of helical gears or similar gears. To do.
[0020]
Various gears can be produced by the method and mold of the present invention. A two-stage gear having two large and small gears, a gear with a flange, a chamfered chamfered gear, a gear with ratchet teeth, a gear with serrations, and the like can be formed by cold forging. Furthermore, cold forging of straight tooth bevel gears and similar gears is also possible.
[0021]
According to the gear manufacturing method and mold of the present invention, the product accuracy of the processed gear can be JIS grade 5 to grade 7.
[0022]
One of the features of the present invention is that regular teeth and low teeth are formed at the start portion of the tooth forming shape of the mold and are formed in a multistage shape. Thereby, the stress generated in the die at the beginning of cold forging is dispersed to reduce the local stress. For example, a temporary low tooth profile is first formed by cold forging with a low tooth having a lower tooth depth than a normal full tooth depth, and then the normal tooth profile is cold forged with a regular tooth having a normal full tooth depth. Form with.
[0023]
In this case, it is most desirable in terms of production efficiency to form a temporary low tooth profile by cold forging with the low teeth of the mold and subsequently form a regular tooth profile of the mold by cold forging. This is because according to such a cold forging method, a desired gear can be formed in one forging process.
[0024]
However, the present invention is not limited to such a method. For example, using two or more molds, only the last mold has regular teeth with full normal teeth, and the other molds have only low teeth with lower normal teeth. First, a temporary low tooth profile is formed by cold forging with the low tooth having the lowest tooth depth, and the tooth height is increased successively, and finally the normal tooth with the regular full tooth height is regular. The tooth profile can also be formed by cold forging.
[0025]
Unlike the full tooth length of regular teeth, the low tooth depth is not always constant between the start and end of the low teeth, and may change in a stepped, linear or curved shape.
[0026]
In any case, according to the cold forging method of the present invention, a single metal material can be integrally processed only by cold forging, even with a flanged gear, a two-stage gear, or a splined gear. it can.
[0027]
However, the present invention includes a method of performing preforming by cold forging after preforming hot or warm, and a method of adding cutting or the like to the middle or the end of forging as necessary. In other words, the present invention is not limited to the method of manufacturing the final gear product from the beginning to the end only by cold forging.
[0028]
The material used in the present invention is mainly a metal, such as a round bar, a ring-shaped material, a preform formed by hot or warm forging, or the like. In principle, any material that is normally used as a gear material can be used.
[0029]
According to the production method of the present invention, it is easy to improve the JIS grade by 1 to 3 grades as compared with the conventional production method of FIGS.
[0030]
When the gear accuracy is improved, the types of gears that can be cold forged are increased, and the scope of gear cold forging is expanded as a whole.
[0031]
According to the present invention, it is possible to integrally mold the gear and the flange. Therefore, the range of application of products in cold forging is greatly expanded. According to the conventional manufacturing method, it has been said that processing by cold forging is impossible for a gear with a flange having a large size. However, according to the present invention, the outer diameter is twice to three times the outer diameter of the gear. Even a flange having a diameter can be integrally formed with a gear.
[0032]
Furthermore, two types of large and small gears can be integrally formed in two stages.
[0033]
Even if there is a change in the shape of the gear, such as with or without a shaft, it is possible to respond flexibly.
[0034]
When producing gears with flanges or gears with multiple steps, conventionally, finish molding was performed once inside the mold or punch, so if the gear and flange are integrated, the outer diameter of the flange will be The molding limit was about 1.2 times the outer diameter of the gear. Since the diameter of the material is larger than the outer diameter of the gear and the molding load per unit area is large, the die life number is remarkably short. Compared to this, the effect of the present invention regarding the number of molds is outstanding.
[0035]
Further, the present invention can improve accuracy and reduce quality variations. When higher accuracy is required, the desired accuracy can be obtained by performing sizing continuously by stacking necessary high-precision dies, or by performing press sizing by setting another process.
[0036]
In addition, both straight-tooth gears and helical gears with a helix angle of 36 ° or less can be manufactured by using a conventional forging machine and simply changing the mold to that of the present invention to produce various gears by cold forging. Is possible.
[0037]
When cold forging a helical gear, the gear can be easily manufactured by setting the die or punch to be rotatable or by forcibly rotating the helical gear.
[0038]
One of the greatest effects of the present invention is that the life of the mold can be increased by 2 to 3 times compared with the conventional one shown in FIGS. 1 and 2 (5000 or less gears per mold).
[0039]
Furthermore, the present invention improves the yield of the material and the strength of the gear as compared with the gear for cutting gear.
[0040]
As a result of investigation by the inventor of the present invention, it has been found that the shape of the tooth forming start portion of the mold greatly affects both the life of the mold and the accuracy of the gear product. In particular, the tip portion of the regular tooth of the gear product is extremely important as compared to the root portion. The present invention has been completed by paying attention to this point.
[0041]
In the case of the present invention, the tooth tip portion of the regular tooth profile of the gear product is forged mainly by the low teeth of the mold, so that the spur is formed with good sharpness. In particular, when the tooth depth at the starting end of the low teeth has a small value and a sufficient level difference for escape is ensured, the frictional resistance becomes small and the sharpness becomes very good. As a result, the “sag” phenomenon of the tooth tip portion of the gear product is improved. The root portion of the regular tooth profile of the gear product is mainly formed by the tip portion of the regular tooth of the mold. At this time, since the root part of the regular tooth profile of the gear product has already been molded, the load applied to the regular tooth of the mold is accordingly small. Therefore, the root part of the regular tooth profile of the gear product is also shown in FIGS. Compared with the conventional method shown in FIG.
[0042]
【Example】
Hereinafter, various aspects of the present invention will be described.referenceAn example will be described with reference to the drawings.
[0043]
Reference example of Figs.
3 and 4 show the present invention.referenceAn example is shown. thisreferenceIn the example, a spur gear is formed on the outer periphery of the solid
[0044]
The
[0045]
When compared with the conventional mold 11 shown in FIGS. 1 and 2, the
[0046]
The length L of the
[0047]
The
[0048]
The length of the
[0049]
The boundary between the portion of the
[0050]
An inclination angle C1 of the first
[0051]
Further, if the inclination angles C1 and C2 and the length L of the
[0052]
An example of a method for producing a spur gear by cold forging using the
[0053]
Except for the shape of the die 21, the overall structure and usage of the forging machine is the present invention.Reference exampleSince no substantial difference is recognized between the conventional example of FIGS. 1 and 2, forging may be performed in the same manner as in the prior art.
[0054]
However, the forging mechanism isReference exampleIt is peculiar to. First, a temporary low tooth profile is formed by cold forging by the
[0055]
The relationship between the full tooth depth H of the normal tooth profile and the tooth depth h at the starting end of the low tooth is 0.3H <h <0.8H.
[0056]
The forging method of the example of FIGS. 3-4 is described in detail.
[0057]
The
[0058]
3 to 4,
[0059]
When manufacturing with the die shown in FIGS. 3 and 4, relatively large stress is generated on the first
[0060]
In addition to this, if the dimensions of the material, metal structure, surface lubrication treatment, etc. are properly adjusted, the processing load can be further reduced.
[0061]
Reference examples of Figs.
5 and 6 show examples applied to the cold forging method of a helical gear.
[0062]
5 and 6, a helical gear having an inclination D is formed on the outer periphery of a solid
[0063]
The
[0064]
The
[0065]
The length L of the
[0066]
The
[0067]
Although a square shape is shown in FIG. 5, the boundary between the
[0068]
The inclination angle E of the first
[0069]
Further, if the inclination angles E and F and the low tooth length L are set small, the incompletely formed portion of the gear can be reduced accordingly.
[0070]
An example of a method for manufacturing a helical gear by cold forging using the
[0071]
Except for the shape of the die 61, the overall structure and usage of the forging machine is the present invention.Reference exampleThere is no substantial difference between the conventional example and the conventional example.
[0072]
The present inventionReference exampleIn this case, as in the prior art, forging is performed while rotating the die 61 and / or punch (not shown) according to the value of the slope D.
[0073]
The forging mechanism is the present invention.Reference exampleFirst, a temporary low tooth profile is formed by cold forging by the
[0074]
The relationship between the full tooth depth H of the normal tooth profile and the tooth depth h at the start of the low teeth is 0.3H <h <0.8H.
[0075]
A more detailed description of such a manufacturing process.
[0076]
The
[0077]
5 to 6,
[0078]
When a gear was experimentally manufactured using the
[0079]
In the manufacturing method shown in FIGS. 5 and 6 as well, although a relatively large stress is generated on the
[0080]
In addition to this, if the dimensions of the material, metal structure, surface lubrication treatment, etc. are properly adjusted, the processing load can be further reduced.
[0081]
According to the inventor's knowledge, in the production of helical gears and similar gears, the relationship between H and h is 0.3H <h <0.8H, preferably 0.5H <h <0. By setting 6H, the bending stress generated at the tooth forming shape starting portion can be reduced in inverse proportion to the square of the height. In particular, if the length L of the low teeth 68 (particularly the portion of the
[0082]
Although the load or pressure is different between the front side and the back side of each tooth in the tooth profile of the
[0083]
The inclination angle E of the first
[0084]
Further, if the tooth h of the
[0085]
For better accuracy, the
[0086]
Reference example of Figure 7
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention.referenceAn example is shown.
[0087]
In the example of FIG. 7, the mold of the
[0088]
Reference example of FIG.
FIG. 8 shows still another embodiment of the present invention.referenceAn example is shown.
[0089]
(A) has shown the state which forged the cylindrical-shaped metal
[0090]
(B) shows a state in which a
[0091]
(C) is the state in the middle of the process which is using the type |
[0092]
(D) shows a state in which the
[0093]
The process (B) described above is generally called an upset forging process.
[0094]
Moreover, the intermediate process of the above-mentioned (C) and the above-mentioned (B) and (D) is shown, and the large
[0095]
Strictly speaking, at the upper end of the small
[0096]
The component having two large and small helical gears shown in FIG. 8D has a great merit that the fiber flow is good and the life is long. Another advantage is that the two large and small regular
[0097]
Reference example of Fig. 9
FIG. 9 shows an example of forging a helical gear with a flange.
[0098]
First, (A) shows a state in which regular
[0099]
Next, (B) shows a state in which a
[0100]
With the formation of the
[0101]
Reference example of FIG.
FIG. 10 shows a forging example of a helical gear with a shaft.
[0102]
First, as shown in FIG. 6A, a regular
[0103]
(B) shows a state in which the above-described
[0104]
Reference example of FIG.
FIG. 11 shows one development example of the manufacturing method of FIG.
[0105]
The cold forging process from (A) to (F) is an example of a cold forging machine marketed under the trade name “Parts Homer BPF650”.
[0106]
The processing step (G) is an example of a cold forging machine marketed under the trade name “My Press L1C200”.
[0107]
First, (A) shows an elongated round bar-shaped
[0108]
(B) shows a
[0109]
(C) has shown the state which narrowed down the right end part of the half-
[0110]
In the step (D), the
[0111]
In (E), the left end portion of the
[0112]
Further, in (F), the forging process described with reference to FIG. 10 is performed on the slightly thick
[0113]
In (G), the flange-
[0114]
Further, in (G), a serration 202 (square cross-sectional axis) is formed in a
[0115]
Example of FIG.
FIG.2Of the present invention in FIGS.Improved reference examplesAn example is shown.
[0116]
A region of
[0117]
Of FIG.In (A), the stepped
[0118]
Of FIG.In (B), the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line 1-1 of FIG. 2 and shows a conventional method for manufacturing a spur gear by cold forging.
FIG. 2 shows the tooth formation start part of the mold as seen from the direction of arrow A in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG.Reference exampleThe manufacturing method of the spur gear by the cold forging by is shown.
FIG. 4 shows the tooth formation starting part of the mold as seen from the direction of arrow A in FIG.
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention.referenceThe manufacturing method of the cold forging of the helical gear by an example is shown.
6 shows a tooth profile formation start portion of the mold used in the manufacturing method of FIG. 5 as seen in the direction of arrow A in FIG. 5;
FIG. 7 shows still another embodiment of the present invention.referenceAn example is shown.
FIGS. 8A to 8D show a series of steps for manufacturing a two-stage gear part having two large and small gears from a cylindrical material.
9A and 9B show two processes for manufacturing a flanged gear from a cylindrical material.
FIGS. 10A and 10B show a situation in which a part having a flange and a shaft is made from a cylindrical material.
FIGS. 11A to 11G show a series of steps of forging an elongated round bar to make a part having gears, flanges, shafts, and serrations.
FIGS. 12A and 12B are views of a step for escaping in a low tooth at a tooth forming shape start portion.Of the present inventionTwo typicalImplementationAn example is shown.
[Explanation of symbols]
10 Metal materials
11 type
12 Tooth profile
13 pitch circle
14 type tip circle
16 First inclined surface
20 Metal materials
21 type
21A hole
23 pitch circle
24 type tip circle
25 type tooth root circle
26 First slope
27 Tooth profile
28 Low teeth
28A inclined surface
28B Cylindrical surface
31 axis
60 Metal materials
61 type
61A hole
63 pitch circle
65 type tooth root circle
66 First slope
67 Tooth profile
68 low teeth
68A inclined surface
68B Cylindrical surface
71 axis
81 Flange
90 flange
91 materials
92 Shaft-shaped part
95 Semi-finished product
100 regular tooth profile
101 First slope
102 low teeth
103 virtual straight line
111 materials
115 Semi-finished product
116 both ends
117, 118, 119 Narrow part
200 Thick cylindrical part
201 Flange-shaped part
202 Serration
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