JP4065349B2 - ワンウェイクラッチレースにおけるカム表面用の鍛造品を形成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末金属から部品を製造する方法の改良に関する。より具体的には、本発明は、冷間加工した粉末金属を鍛造することにより、強度及び疲労寿命の点で改良されたローラクラッチ用のワンウェイクラッチレースを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粉末鍛造により精密部品を製造することは、当該技術分野で周知のことである。この製造方法は、粉末金属を圧密化してブリケット、又はその他の形態にすることと、その粉末金属のブリケットを焼結して、予備成形品（ｐｒｅｆｏｒｍ）、又はブランクを形成することと、次に、設計通りの形状及び寸法を有する部品が形成されるように、そのブランク、又は予備成形品を鍛造することとを含む。この焼結ステップ後、中間段階の冷却を行わずに、予備成形品は、典型的に、焼結炉から鍛造プレスまで直接、搬送される。これと代替的に、予備成形品を冷却させ、次に、鍛造工程前に、ＨＦ誘導電気加熱、又はその他の手段によって再加熱することも可能である。予備成形品が焼結炉から直接、搬送されて形成されるか、又は冷却させて、その後に、鍛造前に再加熱されるかを問わず、その加熱した予備成形品、又はブランクを鍛造プレス内に投入して、次に、ハンマー打ち、又はその他の方法で、適正な寸法及び形状を有する所望の部品に形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の粉末金属の鍛造により製造した後の鍛造した最終表面（ａｓ−ｆｏｒｇｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）は、予備成形品の形状、ダイの潤滑、予備成形品の温度、工具の温度、鍛造トン数のような多くのファクタに対応した表面仕上げ程度、多孔度及び酸化物の特徴を有する。典型的に、こうした従来技術の方法によって製造された後の予備成形品の鍛造したままの表面仕上げ、及びその多孔度には、こうした工程の特徴に対応した最適な限界値がある。
【０００４】
こうした従来の方法により製造されたかかる予備成形品、又はブランクの一つの適用例は、ワンウェイローラクラッチの内側又は外側レース用のカムを製造することである。こうした製品の表面仕上げ程度、多孔度及び表面の酸化物は、そのカム表面が割れたり、又はその他の破損を生じ易い傾向に影響を与える。カム表面が割れたり、又は破損したならば、クラッチは、作用不能となり、交換しなければならなくなる。ローラクラッチ用のワンウェイクラッチレースのカムは、より高荷重であれば、より割れ易くなるため、ワンウェイクラッチが必要とされる用途には、典型的に、スプラグ・クラッチが使用される。しかしながら、スプラグ・クラッチの製造は、ローラクラッチよりも遥かにコストがかかる。
【０００５】
本発明の一つの目的は、疲労寿命、表面仕上げ程度、及び金属学的特徴が改良され、しかも、経済的である、鍛造表面を形成する方法を提供することである。本発明の一つの関連する目的は、カム表面の割れの傾向を少なくし、強度及び表面仕上げ程度が改良され、しかもその他のワンウェイクラッチと比べてより経済的である、ワンウェイクラッチレース用のカム表面を形成する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的に従って予備成形品、又はブランクから部品を製造する改良に係る方法が開示される。この開示された方法によれば、一つの部品を製造するため所定の量の粉末金属が使用される。この粉末金属の量は、形成すべき部品の寸法及び形状により決まる。次に、この粉末金属を圧密化してブリケット、又はその他の圧密形態にする。次に、その圧密化後の粉末を焼結して、強度及び密度が増した予備成形品、又はブランクを形成する。次に、この焼結工程後、好ましくは、ローラ磨き技術により予備成形品、又はブランクを冷間加工する。このブランクを冷間加工した後、そのブランクは、鍛造ダイ又はプレス内で所望の形状に鍛造する。この焼結鍛造方法は、延性及び強度の改良、予備成形品の寸法の均一さ及び精密度の改良、及び鍛造したままの表面仕上げ程度、多孔度、酸化物深さ、及びその発生頻度の向上等を含む、従来の精密鍛造方法に優る顕著な改良点を実現するものである。
【０００７】
本発明の更なる特徴及びその有利な点は、本発明の以下の詳細な説明を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態について、以下、添付図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
好適な実施の形態に従い、その所定の機能を果たすのに十分な強度を有する製品を粉末金属から製造する方法が開示される。
【００１０】
その第一のステップは、所望の寸法及び形状を有する部品を製造するのに必要な所定の量の粉末金属を計り分けることから成ることが好ましい。次に、この粉末を圧密化してブリケット又はその形態にする。粉末金属が圧密化されたならば、その金属を焼結する。この焼結は、その強度を増す目的にて、成分粒子を共に結合することにより、主たる成分の融点よりも低い温度にて緩んだ粉末、又は圧密体を熱処理することである。焼結の条件は、使用される粉末金属の種類によって決まる。こうした条件は、当業者に周知のものである。焼結中、粉末状のブリケットをその粉末の融点以下の温度にて加熱し、その隣接する粒子の結合力を増大させ、最終製品をより堅固なものにする。この焼結工程による効果は、金属ブランク又は予備成形品が形成されることである。
【００１１】
好適な実施の形態によれば、この圧密化した粉末は、多少、多孔質である。この圧密化した粉末の焼結中、孔は略球状の形状となり、圧密体の寸法が縮小して、その全体的な強度を増大させる。適正な寸法の部品が形成されるように、製造パラメータを考慮してその収縮の程度を測定する方法は当業者に公知である。
【００１２】
また、冷間（ｃｏｌｄ ｗｏｒｋｉｎｇ）加工は、金属を可塑変形させる周知の方法でもある。これは、一般に、室温にて行われ、部品に歪み硬化を生じさせる。冷間加工は典型的に高温加工の一つの代替手段であり、鍛造工程後の部品に対して行われる。
【００１３】
好適な実施の形態において、その圧密体が焼結された後、形成された予備成形品を室温まで冷却させ、次に冷間加工する。これと代替的に、この予備成形品を室温以下の温度にて冷間加工してもよい。この冷間加工のステップは、予備成形品をローラ磨きして行われることが好ましい。ローラ磨きは、粉末金属及び加工鋼製造メーカにとって周知の方法であるが、鍛造した後の表面の材料状態を改良する目的にて、鍛造工程前に行われることはなかった。これと代替的に、ガラス及び砂を含む、当該技術分野で周知の各種種類の材料でブラスト処理することにより、更なる熱処理を行わずに、予備成形品を冷間加工のみで加工することも可能である。このブラスト処理は、表面を局所的に稠密にし、その結果、ローラ磨きによる冷間加工で製造された表面と比べて、表面仕上げ程度は粗くなるが、鍛造し且つその後に全く冷間加工しなかった表面よりは優れた表面が得られる。
【００１４】
冷間加工ステップにより予備成形品に歪み硬化を行った後、その予備成形品を鍛造する。予備成形品を再加熱し、次にその予備成形品を鍛造ダイ中に導入し、ハンマー打ちしてその所望の形状にする。予備成形品を冷間加工するだけ、または、予備成形品を鍛造するだけの従来の方法と異なり、この開示された方法は、冷間加工及び鍛造の両方を行うものであり、その鍛造前に、冷間加工ステップが行われる。ローラ磨きの好適な実施の形態において、非円筒状の幾何学的形態にとって有利な点は明らかである。鍛造後の表面が非円筒状であるならば、円形の工具と非円筒状の断面との干渉のため、ローラ磨きすることはできない。更に、鍛造品が急冷されるため、その鍛造品の硬度の結果、冷間加工ができないような適用例において、予備成形品を冷間加工し、鍛造したままの表面が改良されていることが分かる。好適な実施の形態において、ローラ磨きの有利な点、即ち、表面の仕上げ深さが浅いこと、強度が増大すること、金属学的特徴が改良されることは、鍛造の有利な点、即ち均一な密度の鋼となること、及び各種の幾何学的形態が可能であることと組み合わさって、従来の粉末鍛造による製造部品及び焼結／磨きによる製造部品の双方よりも優れた鋼部品が製造される。焼結ステップと鍛造ステップとの間にて予備成形品を冷間加工することは、従来は行われていなかった。それは、実際上、何等の利点も得られず、不要な余分のステップを追加するコストが大きいと考えられていたからである。
【００１５】
この開示された方法の一つの好適な適用例は、ワンウェイクラッチレースの製造である。図１は、ローラクラッチ１０用のワンウェイクラッチレースの概略図である。図１に図示するように、この開示されたクラッチ１０の外側レース１３は、その内面に形成された複数の空所１２を有している。これらの空所１２は、その上にローラ１５が乗り上げるカム表面２０と、ばねをローラ１５に対して保持する後方支持面１６とから成っている。外側レース１３に対し反時計方向に向けて力が加わったとき、ローラ１５は、外側レース１３のカム表面２０と内側レース１７の平滑な外径との間に楔状に押し込まれ、その力を内側レース１７に伝達する。このように、クラッチ１０が接続している間に、該カム表面２０が荷重の大部分を取り扱うため、このカム表面２０は、高荷重に耐え得る設計でなければならない。これと逆に、この力を時計方向に加えたとき、ばねがローラが外れるのを防止する間に、ローラ１５は解放されて、外側レース１３が回転し、又は自由輪運動することができる。この形態は、ギアチェンジのためクラッチを切り易くするために典型的に使用される。
【００１６】
典型的なワンウェイクラッチレースは、特定量の応力に耐え得るような設計とされている。異なる型式のワンウェイクラッチは、その寸法及び特徴のため、その他のワンウェイクラッチよりもより高荷重に耐えることができる。こうした相違点はこれら各種のクラッチ間のコストの相違点として当業者に周知である。現在、スプラグ・クラッチに使用されるワンウェイクラッチレースは、図１に図示したローラクラッチに使用されるものよりもより高荷重に耐えることができる。
【００１７】
更に、ある適用例のとき、ローラクラッチは、割れによって示されるカム表面２０の疲労のため、同一の荷重状態のときスプラグ・クラッチよりも運転寿命が著しく短い。しかしながら、ローラクラッチは、スプラグ・クラッチよりもより経済的に製造できるから、より長い疲労寿命なローラクラッチを製造し得るならば、極めて有利なことである。この開示したプロセスの場合、外側レース１３又は内側レース１７のカム表面２０は、割れにより判断されるカムの疲労寿命を延ばし得るように製造し、スプラグ・クラッチが必要とされるような状況にて、そのスプラグ・クラッチに代えて、ローラクラッチを使用することができる。この開示された方法に従って製造されたワンウェイクラッチレースを有するローラクラッチは、比較的低廉に製造できるため、ある適用例のとき、スプラグ・クラッチに代えて使用することができる。
【００１８】
この開示された方法により製造された部品と、従来技術の方法により製造された部品との表面特徴の相違を確認するための試験を行った。比較の対象とした表面の判断基準には、仕上げ表面の多孔度（その表面の多孔質の度合いを知るための基準）、酸化物が含まれ、その試験結果から、この開示された方法で製造された部品は、従来の方法よりも優れた表面特徴を呈することが確認された。以下に示すデータは、その両方法により製造された部品間の相違点を示すものである。
【００１９】
ａ．従来の方法で製造された、鍛造したままのカム表面の表面仕上げの測定値は７７乃至８３マイクロインチであった。本発明に従って製造した鍛造したままのローラ磨きによる表面仕上げの測定値は、３５乃至４１マイクロインチであった。
【００２０】
ｂ．従来の方法に従って製造された、鍛造したままのカム表面上の酸化物は、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）毎の深さが０．１５２４ｍｍ（０．００６インチ）乃至０．１７７８ｍｍ（０．００７インチ）であった。本発明に従って製造された、鍛造したままのカム表面上の酸化物の深さは、０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）毎に０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）乃至０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）であった。
【００２１】
ｃ．従来の方法に従って製造された、鍛造したままのカム表面の微小孔の測定深さは０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）であった。本発明に従って製造された、鍛造したままのカム表面のローラ研磨の微小孔の測定深さは０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）であった。
【００２２】
公知の製品及び本発明の製品に関するストローカー試験に基づく事前の結果から、割れによって破断する迄の運転寿命は、本発明に従って製造された部品の場合、約２倍であることが分かった。
【００２３】
上述したように、鍛造工程前に予備成形品を冷間加工する結果、表面仕上げ、多孔度、酸化物の深さ及びその発生頻度を含む、幾つかの特徴が改良されたカム表面が形成される。図２、図３及び図４は、３つの異なる製造方法に従って製造した部品の拡大表面３０の写真の図である。これらの図面は、図１に図示したレースの内面２０の図である。
【００２４】
図２の部品は、従来の鍛造方法で製造したものであり、図３の部品は、冷間加工、ブラスト処理を行い、その後に鍛造を行って製造されたものである一方、図４の部品は、冷間加工、ローラ磨きを行い、次に、鍛造して製造されたものである。図２及び図３に図示するように、ブラスト処理を行い、次に鍛造を行って冷間加工された表面２０の表面仕上げ程度は、如何なる時点でも冷間加工されなかった鍛造したままの予備成形品の表面２０の仕上げ程度と比較して、改良されている。図４には、ローラ磨きで冷間加工し、次に、鍛造を行った予備成形品の表面２０が図示されている。図４の予備成形品の表面２０は、図２及び図３に図示した表面２０よりも表面の仕上げ程度が改良されている。この改良の程度は、図４において表面の欠陥及び凹凸３２（空隙及び酸化物として観察される）が存在しないこと、及び孔が存在しないことから認識し得る。図２及び図３からは、より多くの空隙及び酸化物があり、更に、孔が深く及びその孔の発生数が増大しているいることが分かる。
【００２５】
図５乃至図７は、従来の方法を含む、こうした異なる方法により製造されたカム表面２０の通常寸法の写真の図である。図５には、冷間加工を行わなかった鍛造したままのカム表面２０が図示されている一方、図６には、ブラスト処理、次に鍛造して冷間加工された、鍛造したままのカム表面２０が図示されている。図７には、ローラ磨きにより冷間加工され、次に、鍛造されたカム表面が図示されている。その試験から、図６に示した、鍛造前にブラスト処理を行って製造されたカム表面２０は、図５に示すように、冷間加工を行わずに製造されたカム表面２０よりも優れた特徴を有することが確認された。また、この試験から、図７に示した、鍛造前にローラ磨きにより製造されたカム表面２０は、図５及び図６に図示した方法で製造されたカム表面２０よりも著しく優れた特徴を呈することが確認された。
【００２６】
本発明の一つの好適な実施の形態に関してのみ説明したが、当業者は、本発明の主たる精神及び範囲から逸脱せずに、この実施の形態を改変し且つ変更することが可能であることが理解されよう。このように、上述した実施の形態は、全ての点で単に一例であって、限定的なものであると見なすべきではなく、本発明の範囲は、上記の説明ではなくて、特許請求の範囲によって判断されるべきであり、特許請求の範囲の意義及び均等物の範囲に属する全ての変更を本発明に包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラクラッチのワンウェイクラッチレースのカムを示す図である。
【図２】従来技術の鍛造方法により形成された部品の表面を示す図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に従って鍛造された部品の表面の図である。
【図４】本発明の別の好適な実施の形態に従って鍛造された部品の表面の図である。
【図５】従来技術の方法により鍛造されたカム表面の図である。
【図６】本発明の一つの好適な実施の形態に従って鍛造されたカム表面の図である。
【図７】本発明の別の好適な実施の形態に従って鍛造されたカム表面の図である。
【符号の説明】
１０ ローラクラッチ １２ 空所
１３ 外側レース １５ ローラ
１６ 後方支持面 １７ 内側レース
２０ カム表面 ３２ 表面の凹凸

Claims (6)

1. ワンウェイクラッチレースにおけるカム表面用の鍛造品を形成する方法にして、
   粉末金属を提供するステップと、
   該粉末金属を圧密化するステップと、
   該圧密化した粉末金属を焼結して予備成形品を形成するステップと、
   該予備成形品を室温まで冷却するステップと、
   該予備成形品をローラ磨きするステップであって、該予備成形品の強度を向上させる、ローラ磨きするステップと、
   その後、前記予備成形品を鍛造して、所望の仕様を有する所望の形状のクラッチレースにするステップとを含む、方法。
2. 請求項１に記載の鍛造品の製造方法にして、前記ローラ磨きするステップが、前記予備成形品を冷間加工することから成る、方法。
3. ワンウェイクラッチレース（１３、１７）にカム表面（２０）を形成する方法にして、
   粉末金属の圧密体を提供することと、
   前記粉末金属の圧密体を焼結して予備成形品を形成するステップと、
   該予備成形品を室温まで冷却するステップと、
   ローラ磨きにより前記予備成形品を冷間加工するステップと、
   前記予備成形品を鍛造して前記クラッチレースにし、前記クラッチレース（１３、１７）が強度を増し且つ表面仕上げ程度を向上するようにするステップとを備える、方法。
4. 請求項３に記載の方法にして、前記クラッチレース（１３、１７）がローラクラッチ（２０）内で使用されるものである、方法。
5. 請求項３に記載の方法にして、前記表面仕上げ程度が５０マイクロインチ以下である、方法。
6. 請求項３に記載の方法にして、前記クラッチレースの前記表面が７．６２ｍｍ（０．３インチ）以下の微小孔深さを有する、方法。

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