JP4214479B2

JP4214479B2 - 鍛造部材の製造方法

Info

Publication number: JP4214479B2
Application number: JP2004120797A
Authority: JP
Inventors: 敬鈴村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005297053A

Description

本発明は鍛造部材の製造方法に関し、より詳しくは、中空円筒の周壁に中空部に開口する貫通穴を有する鍛造部材の製造方法に関する。

一般に、自動車の自動変速機などの遊星歯車装置は、サンギヤと、サンギヤの周りに配置されたリングギヤと、サンギヤとリングギヤとの間に両ギヤと噛み合うように配置されたピニオンギヤと、ピニオンギヤを回転自在に支持するキャリアとを備えている。

この遊星歯車装置のプラネタリギアなどを支持するための従来のキャリアとしては、例えば、図９に示すトラクションドライブに対して隣接配置される遊星歯車装置が知られている（特許文献１）。この遊星歯車装置は、遊星歯車１０１を回転自在に支持する位置決めピン１０２の両端を、２枚一組の保持板（ギアキャリアプレート１０３とバックアッププレート１０４）によって支持し、ギアキャリアプレート１０３はトラクションドライブ１００の固定輪１０５に固定し、バックアッププレート１０４は、そのギヤキャリアプレート１０３に対して嵌合固定する構成となっている。しかしながら、この従来技術になるキャリアは、ギヤキャリアプレート１０３とバックアッププレート１０４とをそれぞれ別体で形成して嵌合させたものであり、製造工程が複雑であるとともに、強度が不安定で高い平行精度を得ることができないと云う問題があった。

また、プレス加工に代わって、鍛造や鋳造によってキャリアを一体的に形成することも行われているが、鋳造により成形されたキャリアは、溶融金属を単に凝固するものであり密度が低く材料フローがないことから、強度が低いという問題があった。

一方、鍛造はプレス成形や鋳造に比べて高い強度と耐摩耗性とを有する部材を得ることができるので、ねじり変形に対する高い剛性と耐摩耗性とを要求されるキャリアの製造方法としては好適である。しかし、一体成形される鍛造部材においては、ピニオンギアを収容するための空間（例えば、周壁を貫通する貫通穴）を切削加工で形成しなけれならなかった。鍛造部材は高い強度を有するために切削加工が極めて困難であり、製造コストの増大と生産性の低下を招くという問題があった。このため、周壁を貫通する貫通穴を有する鍛造部材を製造する方法で、切削加工によらない簡便な製造方法の開発が望まれていた。
特開２００１−３０４３５０号公報

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、軸穴に開口する放射状の貫通穴を切削加工することなく形成できる鍛造部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、鍛造部材において、まず壁厚の薄い中空部材にパンチで穴を形成し、しかる後に所定の壁厚となるように中空部材を圧縮すれば中空部（軸穴）に開口する貫通穴を切削加工することなく形成できることに想到し、鋭意研究を繰り返し本発明を完成した。

すなわち、本発明の鍛造部材の製造方法は、少なくとも中空円筒部を有しこの中空円筒部の周壁を貫通し中空部に開口する貫通穴を有する鍛造部材の製造方法であって、鍛造部材の周壁厚さよりも薄い周壁厚さを有する第１の中空粗材を形成する熱間鍛造工程と、第１の中空粗材の周壁に断面形状が貫通穴の断面形状と略同一である予備穴を打ち抜き第２の中空粗材を形成する打ち抜き工程と、この予備穴に断面が最終の貫通穴形状であるマンドレルを装着して第２の中空粗材を軸方向に圧縮して貫通穴を有する鍛造部材を形成する冷間鍛造工程とを有することを特徴とする。

ここで、第１の中空粗材の周壁厚さは、第１の中空粗材の高さの０．３〜０．６倍の範囲であることが望ましい。また、冷間鍛造工程における第２の中空粗材の圧縮率は２０〜５０％であることが好ましい。

本発明の鍛造部材の製造方法においては、さらに貫通穴にマンドレルを挿設して圧印する圧印工程を有すことができる。ここで、鍛造部材は遊星歯車装置のキャリアであることが望ましい。

また、キャリアはフランジを有していてもよく、本発明の鍛造部材の製造方法は、さらにフランジに歯形を形成する歯形打ち抜き工程を有することができる。

本発明の鍛造部材の製造方法は、熱間鍛造で形成した壁厚の薄い第１の中空粗材に予備穴を形成することとしたので、予備穴は切削加工によらずパンチで容易に打ち抜くことができる。しかる後に、圧縮工程で所定の形状の鍛造部材とするので、所望の形状の貫通穴を得ることができる。

本発明の好適な形態では、鍛造部材は遊星歯車装置のキャリアであることが望ましい。鍛造部材がキャリアである場合には、上記のようにして形成された貫通穴にピニオンギヤを配設することにより、高強度、高剛性で、耐摩耗性が高く、その結果優れた耐久性を有する高品質のキャリアを得ることができる。

本発明の鍛造部材によりキャリアを製造する場合には、前記冷間鍛造工程により所定の形状とした鍛造部材の貫通穴にマンドレルを装着して圧印する圧印工程を有する。貫通穴にマンドレルを装着して圧印することで、上下面の平行精度の極めて高い貫通穴を有するキャリアを得ることができる。

さらに、歯形を形成したフランジ部を有するキャリアをも一体的に形成することができるので製造コストを大幅に低減することができる。

本発明の鍛造部材の製造方法は、少なくとも中空円筒部を有しこの中空円筒部の周壁を貫通し中空部に開口する貫通穴を有する鍛造部材の製造方法であって、鍛造部材の周壁厚さよりも薄い周壁厚さを有する第１の中空粗材を形成する熱間鍛造工程と、第１の中空粗材の周壁に断面形状が貫通穴の断面形状と略同一である予備穴を打ち抜き第２の中空粗材を形成する打ち抜き工程と、この予備穴に断面が最終の貫通穴形状であるマンドレルを装着して第２の中空粗材を軸方向に圧縮して貫通穴を有する鍛造部材を形成する冷間鍛造工程とを有することを特徴とする。

本発明の鍛造部材の製造方法に係わる一実施の形態を図によって説明する。

図１〜図３は実施の形態の製造方法を説明する工程図である。なお、各図の（ａ）は平面概要を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示す概要図である。

まず、円柱または円板状の鍛造用素材を熱間鍛造して、図１に示す軸穴１４を有する円筒形の第１の中空粗材１０を形成する。鍛造用の素材は鍛造部材に要求される特性に合わせて適宜選択すればよく、例えば、高強度を要求される場合には、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０などを、また、冷間での成形性が必要な場合には、Ｓ３５ＣやＳ４５Ｃなどを好適に用いることができる。熱間鍛造方法には特に限定はなく通常の方法を用いればよい。

なお、後工程の冷間鍛造工程での圧縮率と得られる鍛造部材の形状とを考慮して、熱間鍛造で成形される第１の中空粗材１０の形状は、中空粗材の厚さをｔ₁、高さをｈ₁としたときに、厚さｔ₁と高さｈ₁との比：ｔ₁／ｈ₁は０．３〜０．６の範囲であることが適当である。ｔ₁／ｈ₁が０．３よりも小さいと熱間鍛造が困難であり、他方、０．６よりも大きい場合には穴の打ち抜きが困難となるので好ましくない。また、第１の中空粗材１０の軸穴１４の直径ｄ₁は、冷間鍛造での成形性を考慮して鍛造部材の軸穴径ｄ₃と同程度とすることが好ましい。

次に、この第１の中空粗材１０の周壁１２に、周壁１２を貫通し軸穴１４に開口する予備穴２２を打ち抜き、図２に示す第２の中空粗材２０を形成する。打ち抜き工程は、熱間工程でも冷間工程であってもよいが、貫通穴の寸法精度が要求される場合には、冷間工程で打ち抜く方が好ましい。

この工程における予備穴２２の断面形状は最終的な貫通穴の断面形状と略同一であることが望ましいが、予備穴２２の断面寸法は、最終の貫通穴の断面寸法よりも僅かに大きくしておくことが望ましい。

打ち抜き方法については特に限定はないが、例えば、図４に示すように第１の中空粗材１０の軸穴１４にダイＤを挿設して周壁１２を外側からパンチＰで打ち抜くことができる。打ち抜かれたスクラップＳは、ダイＤの内部に設けられたスクラップ排出路Ｒを通って外部へ排出される。なお、図４は、打ち抜き工程の断面の左半分を示したものである。予備穴２２は周壁１２の複数の所定箇所に同時に形成することが望ましい。しかし、軸穴１４の径が小さかったり、あるいは打ち抜かれるスクラップＳの形状によっては、多数個のスクラップを同時には排出しにくい場合などがある。この様な場合には、数回に分けて形成してもよい。また、軸穴径が大きい場合には、粗材１０の外周側にダイＤを配置し、軸穴の内部からパンチＰで外側に向かって打ち抜いてもよい。特に、冷間で予備穴を打ち抜く場合には、パンチＰの直径ｄ_pは周壁１２の厚さｔ₁よりも大きい、すなわち、ｔ₁／ｄ_p＜１であることが望ましい。ｔ₁／ｄ_pが１よりも大きいと、パンチが破損することがあるので好ましくない。なお、断面が矩形の予備穴を形成する場合には、パンチの長辺の長さをｌｐとしてｔ₁／ｌ_p＜１であることが望ましい。

次に、第２の中空粗材２０を冷間鍛造で粗材２０の軸Ｈ方向に圧縮して、図３に示す所定の鍛造部材３０を形成する。冷間鍛造工程では、図５（ａ）に示すように第２の中空粗材２０の予備穴２２に、断面が最終の貫通穴形状（寸法）であるマンドレルＭを装着して圧縮する。図５（ａ）は圧縮前の状態を示す片側断面図模式図である。マンドレルＭを各予備穴２２に挿設した粗材２０を下ダイＤ１に載置し、上ダイＤ２を軸Ｈ方向（矢印）に押し下げることにより、周壁１２を（ｂ）の１２’のように圧縮して、鍛造部材３０を形成する。この時、予備穴２２は所定の貫通穴３２となる。第２の中空粗材２０の高さｈ₁は、鍛造部材３０では圧縮されてｈ₃と小さくなるが、粗材２０の周壁の厚さｔ₁は、圧縮されることにより放射状に展伸して鍛造部材３０の所定の厚さｔ₃となる。つまり、深さｔ₁の予備穴２２が、深さｔ₃の貫通穴３２へと変形するわけである。

冷間鍛造工程における圧縮率は、２０〜５０％が適当である。ここで、圧縮率は、（ｈ₁−ｈ₃）／ｈ₁×１００（％）で表される数値である。圧縮率が２０％未満では打ち抜き面の矯正が不十分であり、他方、５０％を越えると冷間鍛造の荷重が高くなり設備上の制約を生じることがあり適当ではない。より好ましくは２０〜３０％である。

以上のようにして、周壁を貫通し軸穴に開口する貫通穴を有する鍛造部材を得ることができる。上記の方法によれば、鍛造部材の貫通穴を切削加工することなく通常の打ち抜き加工で容易に形成することができるので、生産性の向上と製造コストの低減とを図ることができる。

上記の方法で遊星歯車装置のキャリアを形成することができる。しかし、遊星歯車装置のキャリアを形成する場合には、さらに、貫通穴の上下面の平行精度を確保するために圧印（コイニング）を施すことが望ましい。圧印は冷間鍛造工程で形成された貫通穴３２にマンドレルを挿設して図５（ｂ）と同様に上ダイＤ２と下ダイＤ１とで挟持し、軸線Ｈ方向に荷重をかけてマンドレルＭの表面を貫通穴３２の上下面に転写することにより、貫通穴３２の上下面の平行精度を向上させる工程である。圧印工程では、挿設するマンドレルの先端を図６に示すように対向する貫通穴のマンドレルと嵌合して係止するようにすることも望ましい。すなわち、先端（点線の円で囲んだ部分）がお互いに嵌合するように形成された貫通穴３２ａに挿設するマンドレルＭａと貫通穴３２ｂに挿設するマンドレルＭｂとを軸穴で係止することにより、貫通穴３２の平行精度をさらに高めることができる。なお、冷間鍛造工程で同時に圧印してもよい。

本発明の鍛造部材の製造方法を用いて、フランジを有するキャリアを成形することができる。例えば、図７に示す歯形Ｔを有するフランジＦを一体的に備えた中空のキャリア４０の製造工程の概要を図８に示す。

前記と同様に、まず、熱間鍛造でフランジＦ付きの中空円筒４２（第１の中空粗材）を形成する（ａ）。次に、打ち抜き工程で予備穴２２を形成して第２の中空粗材４４を形成する（ｂ）。続いて、冷間鍛造工程で第２の中空粗材４４の予備穴２２にマンドレルＭを挿設して（ｃ）、圧縮することにより貫通穴３２を有するフランジ付きの鍛造部材４６を得る（ｄ）。さらに、打ち抜き加工でフランジ部に歯形Ｔを形成した後（図示せず）、貫通穴３２に圧印を施せば、所望の歯形Ｔを有するフランジＦ付きのキャリア４０を得ることができる。このような歯形Ｔを有するフランジ付きのキャリアは、高強度で軽量であり従来のプレス加工などによる同様のキャリアに比べて大幅に製造コストを低減することができる。

本発明は、遊星歯車装置のキャリアに適用して好適である。特に自動車においては自動変速機や無段変速機などの遊星歯車装置のキャリアに適用して耐久性の向上と製造コストの削減とを図ることができる。

熱間鍛造により形成する第１の中空粗材の概要を示す図である。上は、正面図、下はＡ−Ａ断面模式図を示す。打ち抜き工程により予備穴を有する第２の中空粗材の概要を示す図である。上は、正面図、下はＡ−Ａ断面模式図を示す。冷間鍛造工程で第２の中空粗材を圧縮して形成する鍛造部材のの概要を示す図である。上は、正面図、下はＡ−Ａ断面模式図を示す。打ち抜き方法を説明する打ち抜き工程の断面の左片側図である。圧縮方法を説明する冷間鍛造工程の断面の左片側図である。（ａ）は圧縮（冷間鍛造）前であり、（ｂ）は圧縮（冷間鍛造）後の状態を示す。圧印工程を説明する断面模式図であり、相互に嵌合するマンドレルを使用した場合である。歯形を有するフランジを備えたキャリア（鍛造部材）の概要を示す図である。上は、正面図、下はＡ−Ａ断面模式図を示す。フランジ付き鍛造部材の製造工程を示す概要図である。（ａ）は熱間工程による第１の中空粗材であり、（ｂ）は打ち抜き工程で予備穴を形成した第２の中空粗材であり、（ｃ）は冷間鍛造工程の圧縮前の状態を、（ｄ）は冷間鍛造工程の圧縮後の状態（あるいは、圧印工程）を示す。従来技術になるキャリアを説明する部分断面図である。

符号の説明

１０：第１の中空粗材１２：周壁１４：軸穴（中空部）２０：第２の中空粗材２２：予備穴３０：鍛造部材３２：貫通穴４０：フランジ付きキャリアＤ：ダイスＤ１：下ダイＤ２：上ダイＦ：フランジＨ：軸Ｍ：マンドレルＲ：スクラップ排出路Ｓ：スクラップＴ：歯形

Claims

少なくとも中空円筒部を有し該中空円筒部の周壁を貫通し中空部に開口する貫通穴を有する鍛造部材の製造方法であって、
前記鍛造部材の周壁厚さよりも薄い周壁厚さを有する第１の中空粗材を形成する熱間鍛造工程と、
前記第１の中空粗材の周壁に断面形状が前記貫通穴の断面形状と略同一である予備穴を打ち抜き第２の中空粗材を形成する打ち抜き工程と、
前記予備穴に断面が最終の貫通穴形状であるマンドレルを装着して前記第２の中空粗材を軸方向に圧縮して前記貫通穴を有する鍛造部材を形成する冷間鍛造工程とを有することを特徴とする鍛造部材の製造方法。
前記第１の中空粗材の周壁厚さは該第１の中空粗材の高さの０．３〜０．６倍の範囲である請求項１に記載の鍛造部材の製造方法。
前記冷間鍛造工程における前記第２の中空粗材の圧縮率は２０〜５０％である請求項１または２に記載の鍛造部材の製造方法。
さらに前記貫通穴にマンドレルを挿設して圧印する圧印工程を有す請求項１〜３のいずれかに記載の鍛造部材の製造方法。
前記鍛造部材は遊星歯車装置のキャリアである請求項４に記載の鍛造部材の製造方法。
前記キャリアはフランジを有する請求項５に記載の鍛造部材の製造方法。
さらに前記フランジに歯形を形成する歯形打ち抜き工程を有する請求項６に記載の鍛造部材の製造方法。