JP4310295B2 - 転造ダイスおよびこれを用いたボール状部付き軸部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばボールジョイントのようなボール状部を有する軸部品を成形する転造ダイスおよびこれを用いたボール状部付き軸部品の製造方法に関する。

ボールジョイントのような一端にボール状部を有する軸部品は、一般に切削加工によって成形加工されている。即ち、図１２に示すように、細径部５１、断面六角形のフランジ５２、および先端の円柱形部分５３を有する軸素材５０を用意し、図示しない数値制御（ＮＣ）旋盤のチャックに上記細径部５１を拘束する。
係る状態で、図１３に示すように、円柱形部分５３におけるフランジ５２寄りの周面に図示しないバイトの刃先を径方向から挿入し、且つ係るバイトの径方向における位置を順次変化させつつ、当該バイトを軸素材５０の軸方向に沿って移動することにより、傾斜面５４およびアール面５５を切削により成形する。

引き続いて、上記バイトを軸素材５０の軸方向および径方向に沿って、円柱形部分５３の先端面寄りに移動させることにより、図１４に示すように、円柱形部分５３の先端側に半球面５６を切削により成形する。この結果、図示のように、一端にボール状部５７を有するボールジョイント５８を得ることができる。
尚、上記ＮＣ旋盤による切削加工では、図１３の半球面５６を先に成形した後、図１２に示したアール面５５および傾斜面５４を成形しても、上記同様のボールジョイント５８を得ることもできる。

しかし、ボールジョイント５８を前述した切削加工により成形する方法では、それなりの形状と寸法のボール状部５７を形成できる反面、係るボール状部５７の半球面５６とアール面５５との表面を、表面に超硬合金層が被覆された断面が円弧形のバニッシュ加工面を有する球面バニッシュ転造丸ダイスにより研磨し（例えば、特許文献１参照）、表面粗度を高めるなど、１個当たりのボールジョイント５８の成形に長い加工時間とこれに伴う加工コストを要する。更に、排出される多数の切削屑の処理も煩雑になる、という問題があった。しかも、ＮＣ旋盤の制御部に多数の数値を含む複雑なプログラムを予めセットする必要もあった。

特開２００４−６６２４６号公報（第１〜９、図１，２）

本発明は、前記背景技術における問題点を解決し、ボールジョイントのようなボール状部を有する軸部品を短時間に低コストで精度良く成形できる転造ダイスとこれを用いたボール状部付き軸部品の製造方法を提供すること、を課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、上記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および調査の結果、一対のダイスを用いて軸素材をニアネットシェイプにして転造する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明による転造ダイス（請求項１）は、相対向し且つ互いに対称な断面形状の長尺な成形面を有する一対のダイスからなり、係る一対のダイスにおける成形面は、成形開始部分では、軸素材の円柱形部分の中間に食い込む断面ほぼ山形の凸条およびこれに隣接する円弧面を長手方向に沿って対称に有し、上記凸条は軸素材の表面に余肉を形成するものであり、且つ成形途中部分では、上記凸条、これに続く凸条、およびこれに隣接して上記円柱形部分をアール状に押圧する曲面を対称に有し、成形終了部分では、上記凸条および軸素材の円柱形部分の先端寄りと中間部分とをそれぞれアール状に対向して押圧する断面ほぼ半円形の円弧溝を対称に有すると共に、上記凸条は、成形開始部分から成形途中部分に向かって徐々に高く且つ幅広となり、且つ成形面の幅方向における上記円弧面寄りに徐々に偏寄している、ことを特徴とする。

これによれば、軸素材における円柱形部分を一対のダイス間に挟持して径方向に回転することにより、対向する一対の前記凸条が軸素材に徐々に食い込み、係る凸条およびこれに続く凸条とこれに隣接する円弧面、曲面、および円弧溝とにより、軸素材の表面付近に生じた余肉が軸方向と径方向とに沿って移動させる。このため、ほぼ球形のボール状部を約１秒〜数秒程度の短い時間で精度良く転造成形することができ、且つ低コストで連続加工を行うことができる。

尚、本明細書において、「ボール状部」とは、単一の球形はもちろん、軸方向に連設された複数の球形、あるいは断面楕円形の紡錘形となども含まれる。また、「軸部品」には、ボールジョイントの他、手工具などの握りハンドル、あるいは太径部分を一端または中間に有する棒なども含まれる。更に、前記一対の転造ダイスは、一方を固定側とし他方を移動側とする形態の他、双方を逆方向に移動するダイスからなる形態としても良く、これらを含めて「相対的に移動する」と称する。
また、上記ダイスの凸条は、その成形面における前記成形開始部分から成形途中部分において当該ダイスの幅方向の中央寄りに徐々に偏寄する形態とすることが望ましい。更に、前記成形途中部分から成形終了部分にかけては、上記凸条に連続する異なる凸条を配置しても良い。加えて、前記成形途中部分の曲面は、成形終了部分における円弧溝の一端部が当該成形途中部分に連続したものである。
尚、前記一対の転造ダイスを移動させる手段には、クランク機構、ピニオン・ラック機構などのような公知の往復スライド駆動手段が含まれる。

また、本発明には、前記一対のダイスにおける成形面において、前記成形開始部分から成形途中部分にかけての前記凸条、円弧面、および曲面の表面には、梨地状の微細な凹凸が形成されている、転造ダイス（請求項２）も含まれる。
これによれば、軸素材における円柱形部分を、成形当初は高い摩擦によって荒く形状を粗成形すると共に、後半の成形ではボール形状に成形しつつ表面仕上加工を行うことで、緻密に仕上げ成形することができる。尚、上記微細な凹凸は、例えばショットブラストにより形成される。

一方、本発明によるボール状部付き軸部品の製造方法（請求項３）は、前記転造ダイスを用いるボール状部付き軸部品の製造方法であって、軸素材におけるほぼ円柱形部分を前記一対のダイスにおける成形面間に挟持しつつ回転し、成形面ごとの前記凸条を軸素材の中間に対称に食い込ませ、断面ほぼＶ字形の凹みとリング状の余肉とを上記円柱形部分に隣接して形成し、更に上記凸条の前記偏寄量に応じて上記凹みと余肉とを幅広とし、その後、上記成形面の前記成形終了部分における互いに対称な断面ほぼ半円形の円弧溝内に上記円柱形部分が位置すると共に、軸方向で相対向して係る円柱形部分における表面の余肉を、上記円弧溝で押して軸方向および径方向に沿って移動させることにより、一対のほぼ半球状のアール面からなるボール状部を上記軸素材の少なくとも一端に成形する、ことを特徴とする。
これによれば、対向する一対の前記凸条により、軸素材のほぼ円柱形部分に対し、その中間に断面ほぼＶ字形の溝を成形し、且つ上記円柱形部分の先端寄りにほぼ半球状のアール面を成形した後、上記凸条およびこれに続く凸条と、これに対向する一対ずつの前記円弧面、曲面、および、円弧溝とにより、先端側と上記溝付近から表面の余肉を軸方向および径方向に沿って移動させることができる。この結果、軸素材の少なくとも一端にほぼ球形のボール状部を約１秒〜数秒以内の短時間で精度良く転造することができる。
尚、上記余肉の一部は、軸素材の径方向に沿っても移動する。

付言すれば、本発明には、前記軸素材におけるほぼ円柱形部分の端面のコーナーを予めアール状またはテーパ形に面取り加工している、ボール状部付き軸部品の製造方法、を含み得る。これによる場合、軸素材の円柱形部分における先端寄りのコーナーにアール面またはテーパ面を一層容易に成形することが可能となる。尚、上記面取り加工は、必須ではなく、これを省略しても良い。

以下において本発明の実施に最良の形態を図面と共に説明する。
図１，図２は、本発明の転造ダイス１を構成する一対のダイス１ａ，１ｂを異なる方向から観た斜視図、図３は、これらの成形面２ａ，２ｂの斜視図である。尚、図１，図２のダイス１ａ，１ｂでは、理解を容易にするためスタート側の平坦面３をそれぞれ省略してある。
上記ダイス１ａ，１ｂは、例えばＳＫＤ１１などの工具鋼からなるほぼ直方体を呈するものであり、研磨加工または精密加工により、互いに線対称の断面形状を有する長尺な成形面２ａ，２ｂを相対向して設けている。
また、ダイス１ａは、図示しない転造装置におけるフレームに水平に固定された固定側である。更に、ダイス１ｂは、図１，図２中の実線の矢印で示すように、上記フレームにスライド可能に支持される移動側であると共に、図示しない駆動源およびテコ・クランク機構（移動手段）によって、成形面２ａ，２ｂの長手方向に沿って移動する移動側とされている。
但し、図２中の一点鎖線の矢印で示すように、ダイス１ａもダイス１ｂと逆方向に移動する移動側として構成しても良い。即ち、ダイス１ａ，１ｂは、相対的に移動可能であれば良い。

ダイス１ａ，１ｂの成形面２ａ，２ｂを、更に図３と図４を加えて説明する。
尚、図４中の（Ａ）〜（Ｅ）は、同図中のＡ−Ａ線乃至Ｅ−Ｅ線の矢視に沿った部分断面図、同図中の（ａ）〜（ｅ）は、（Ａ）〜（Ｅ）の部位における軸部品の断面を示す。
図１〜図４に示すように、ダイス１ｂの成形面２ｂは、ダイス１ａ寄りの端部に後述する軸素材１４を受け入れるための平坦面３、これに隣接する成形開始部分Ｓ１、成形途中部分Ｓ２、および、成形終了部分Ｓ３を含む。
成形開始部分Ｓ１は、図３および図４中の（Ａ），（Ｂ）で示すように、断面ほぼ山形（逆Ｖ字形）の凸条５、これに隣接する浅い円弧断面の円弧面８、および、これに隣接し且つ成形面２ｂの全長に沿って延びる垂直面１２と傾斜面１３からなる。上記凸条５は、成形途中部分Ｓ２に向かって徐々に高く且つ幅広となるため、当該凸条５の両側には、平坦面３に連なる細長い三角形の平坦面４，４が位置している。また、凸条５の稜線は、図３に示すように、平坦面３側から成形途中部分Ｓ２に向って、成形面２ｂの幅方向（長手方向と直角の方向）における中央寄りに徐々に偏寄するように設定されている。

図３に示すように、円弧面８は、平坦面３寄りほど平坦面４に隣接する幅が狭くなる曲面であり、平坦面４は、成形途中部分Ｓ２に近付くにつれて狭くなる。
また、成形途中部分Ｓ２は、図１〜図３および図４中の（Ｃ）で示すように、上記凸条５の稜線の途中から斜め上側に延びる稜線６を挟んで傾斜が異なる凸条７の中央部、係る凸状７に隣接し且つ後述する円弧溝１１の一部分が延びた小溝１０、係る小溝１０に隣接し且つ前記円弧面８に連続する幅狭の曲面９、垂直面１２、および、傾斜面１３からなる。
更に、成形終了部分Ｓ３は、図１〜図３および図４中の(Ｄ)，(Ｅ)で示すように、上記凸条７、前記円弧面８から連続する断面ほぼ半円形の円弧溝１１、垂直面１２、および、傾斜面１３からなる。

尚、円弧面８、曲面９、および円弧溝１１は、成形面２ｂ（２ａ）の長手方向に沿って、それぞれ同じ曲線の断面が連続している。また、成形開始部分Ｓ１の全面、およびこれに隣接する成形途中部分Ｓ２の一部には、例えばショットブラストによる梨地状の微細な凹凸Ｇが形成されている。
更に、固定側である前記ダイス１ａの成形面２ａも、以上のような平坦面３、成形開始部分Ｓ１、成形途中部分Ｓ２、および成形終了部分Ｓ３を線対称の位置にそれぞれ設けられ、更に成形終了部分Ｓ３に隣接して、係る部分Ｓ３の端面の断面を所要長さで連続させた図示しない逃し部を付設している。

ここで、転造ダイス１を用いた本発明におけるボール状部付き軸部品の製造方法について、図４〜図９により説明する。尚、図５〜図９は、相対移動するダイス１ａ，１ｂの平面図、それらの右側は各部位における軸部品の断面図である。
先ず、図４（ａ）と図５の右側に示す断面を有する軸素材１４を予め用意する。この軸素材１４は、例えばＳ４２Ｃからなり細径部１５、大径のフランジ１６、および円柱形部分１７を同軸心で一体に有すると共に、円柱形部分１７の先端面のコーナーをアール状に予め面取り１８している。この面取り１８は、別途図示しない一対の平ダイスによる転造または冷間鍛造にて予め形成したものである。尚、上記面取り１８の成形工程を省略しても良い。

図５の左側に示すように、長手方向に沿って平行に配置されたダイス１ａ，１ｂの成形面２ａ，２ｂの接近する平坦面３，３間に、上記軸素材１４をその軸心が垂直になるよう配置する。
次に、前述した移動手段により、図６の左側に示すように、ダイス１ｂをダイス１ａに接近させ、軸素材１４を成形面２ａ，２ｂにおいて互いに線対称の成形開始部分Ｓ１，Ｓ１間に挟み込みつつ、押圧し且つ回転させる。
その結果、図４（ｂ）と図６の右側に示すように、軸素材１４の円柱形部分１７の中間に凸条５，５が対称に食い込み、断面ほぼＶ字形の凹み２０とこれに伴うリング状の余肉２２とが隣接して形成される。尚、軸素材１４と成形面２ａ，２ｂとには、例えば切削油または水溶性切削油が適宜供給される。

引き続いて、図７の左側に示すように、軸素材１４を成形開始部分Ｓ１，Ｓ１間に挟みつつ回転させると、図４(ｃ)と７図の右側に示すように、上記凹み２０は幅広の凹み２１になり、且つ余肉２２も幅広（厚肉）化した余肉２３となる。
係る状態で、軸素材１４は、成形面２ａ，２ｂの成形途中部分Ｓ２，Ｓ２間を回転しつつ径方向に沿って送られる。
その結果、図４(ｃ)および図７の右側に示すように、上記大径化しつつある余肉２３は、小溝１０と曲面９とに当接すると共に、先端の面取り１８付近は、曲面９，９に押圧され、これと相似形のアール面１９となる。この間において、成形開始部分Ｓ１から成形途中部分Ｓ２に及ぶ前記図１，２で示した梨地状の微細な凹凸Ｇによって、軸素材１４は、十分な摩擦を受けて確実に所要の形状に粗成形される。

引き続いて図８の左側に示すように、軸素材１４を成形途中部分Ｓ２，Ｓ２間から成形終了部分Ｓ３，Ｓ３間に回転しつつ送る。
その結果、図４(Ｄ)に示すように、凸条７，７および円弧溝１１，１１によって、図４(ｄ)および図８の右側に示すように、ほぼ半球状のアール面２４，２６に挟まれたボール状部２５が形成される。
この際、前記余肉２３は、円弧溝１１に押されて、上記アール面２４の表層に移行（軸方向に移動）する同時に、係る余肉２３の一部は、軸素材の径方向にも移動している。そして、図８の左側に示すように、ボール状部２５を有する軸素材１４を、ダイス１ａ，１ｂの成形終了部分Ｓ３，Ｓ３間に回転させつつ送る。

その結果、図４(Ｅ)に示す円弧溝１１，１１により、図４(ｅ)と図９の右側に示すように、一端にテーパ部２７を介してほぼ球形のボール状部２８を有する軸部品２９を転造成形することができる。上記ボール状部２８は、その周面が軸方向に沿って連続した曲面からなり、先端側の中央付近に平坦または窪んだ端面を有するが、ボールジョイントのボールとして、十分活用することが可能である。
因みに、前記材質からなり、直径９ｍｍで長さ１１ｍｍの円柱形部分１７を一端に有する軸素材１４を、一端に直径１０ｍｍのボール状部２８を有する軸部品２９に転造成形するに際し、転造ダイス１の前記ダイス１ａ，１ｂを用いることで、１個当たり約２〜３秒程度で連続成形することができた。

従って、転造ダイス１の転造ダイス１ａ，１ｂを用いることにより、従来の切削加工による場合に比べて、ボール状部２８付きの軸部品２９を短時間で精度良く転造成形することができ、且つ低コストで連続加工を行うことが確認できた。
一方、転造ダイス１のダイス１ａ，１ｂを用いて、軸素材１４を軸部品２９に連続して転造成形した場合の耐用時間は、ボール状部２５におけるアール面２６の先端側に突出する頭部を成形した後に、係る頭部を剪断刃で切断・除去する比較例の転造ダイスに比べて、約２倍以上と長い寿命であった。

図１０は、異なる転造ダイス３０とこれを用いた転造成形終了直前の軸部品３５の断面を示す。一対のダイス３０は、図１０に示すように、その成形面の成形終了部分（Ｓ３）に、傾斜面３１、アール凹面３２、アール凸面３３、およびほぼ半球形の半球面３４を有する。細径部３６とフランジ３７を有する当初の軸素材における円柱形部分は、転造ダイス３０の成形面に押圧されることより順次変形した後、図９に示すように、断面ほぼ繭形のボール状部３９に転造成形される。

また、図１１は、更に異なる転造ダイス４０とこれを用いた転造成形終了直前の軸部品４４の断面を示す。一対のダイス４０は、図１１に示すように、その成形面の成形終了部分（Ｓ３）に、傾斜面４７とこれに隣接する断面半楕円形の曲面４２とを有する。細径部４５とフランジ４６を有する当初の軸素材における円柱形部分は、転造ダイス４０の成形面に押圧されることで順次変形された後、図１１に示すように断面ほぼ楕円形で紡錘形のボール状部４８に転造成形される。
尚、転造ダイス３０，４０は、前記転造ダイス１におけるダイス１ａ，１ｂをベースにし、これを応用した成形面とすることで形成することができる。

本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、前記ボール状部は、軸部品の一端に成形する他に、軸部品の両端または軸部品の中間の位置に成形することも可能である。
また、ボール状部は、前記図１０，図１１に示した形態の他に、楕円形の長軸を径方向沿って有する断面形状のものも含まれる。
更に、転造成形される軸部品におけるボール状部の隣接部は、軸部品の一部を構成するテーパ状部分に限らず、円柱形の直線部分であっても良い。
また、一対のダイスは、転造装置のフレームなどに水平に配置される前記形態に限らず、斜め方向または垂直方向に沿って配置することも可能である。
尚、本発明の対象となる軸部品は、棒鋼を前記軸素材としたものに限らず、ステンレス鋼やチタン合金などからなる軸素材を転造成形したものも含まれる。

本発明の転造ダイスに用いる一対のダイスを示す斜視図。 図１とは異なる角度による上記転造ダイスの斜視図。 上記転造ダイスの成形面を示す斜視図。 上記転造ダイスの正面図と、これを用いた軸部品の製造方法における各工程を示す概略図で、(Ａ)〜(Ｅ)はＡ−Ａ線乃至Ｅ−Ｅ線の矢視に沿った部分断面図、(ａ)〜(ｅ)は上記部位における軸素材または軸部品を示す断面図。 当初の転造ダイスを示す平面図と係る部位における軸素材の断面図。 転造中の転造ダイスを示す平面図と係る部位における軸素材の断面図。 図６に続く転造ダイスを示す平面図と係る部位での軸素材の断面図。 図７に続く転造ダイスを示す平面図と係る部位での軸部品の断面図。 図８に続く転造ダイスを示す平面図と係る部位での軸部品の断面図。 異なる形態の転造ダイスとこれにより得られる軸部品の断面図。 更に異なる形態の転造ダイスとこれにより得られる軸部品の断面図。 従来の切削加工による軸部品の成形方法を示す概略図。 図１１に続く従来の軸部品の成形方法を示す概略図。 図１２に続く従来の軸部品の成形方法を示す概略図。

符号の説明

１……………………………転造ダイス
１ａ，１ｂ，３０，４０…ダイス
２ａ，２ｂ…………………成形面
５，７………………………凸条
８……………………………円弧面
９……………………………曲面
１１…………………………円弧溝
１４…………………………軸素材
１７，３６，４５…………円柱形部分
２４，２６…………………アール面
２８，３９，４８…………ボール状部
２９，３５，４４…………ボール状部付き軸部品
Ｇ……………………………微細な凹凸

Claims (3)

1. 相対向し且つ互いに対称な断面形状の長尺な成形面(２ａ，２ｂ)を有する一対のダイス(１ａ，１ｂ)からなり、
   上記一対のダイス(１ａ，１ｂ)における成形面(２ａ，２ｂ)は、成形開始部分(Ｓ１)では、軸素材(１４)の円柱形部分(１７)の中間に食い込む断面ほぼ山形の凸条(５)およびこれに隣接する円弧面(８)を長手方向に沿って対称に有し、上記凸条(５)は軸素材(１４)の表面に余肉(２２)を形成するものであり、
   且つ成形途中部分(Ｓ２)では、上記凸条(５)、これに続く凸条(７)、およびこれらに隣接して上記円柱形部分(１７)をアール状に押圧する曲面(９)を対称に有し、
   成形終了部分(Ｓ３)では、上記凸条(７)および軸素材(１４)の円柱形部分(１７)の先端寄りと中間部分とをそれぞれアール状に対向して押圧する断面ほぼ半円形の円弧溝(１１)を対称に有すると共に、
   上記凸条(５)は、成形開始部分(Ｓ１)から成形途中部分(Ｓ２)に向かって徐々に高く且つ幅広となり、且つ成形面(２ａ，２ｂ)の幅方向における上記円弧面(８)寄りに徐々に偏寄している、
   ことを特徴とする転造ダイス(１)。
2. 前記一対のダイス(１ａ，１ｂ)における成形面(２ａ，２ｂ)において、前記成形開始部分(Ｓ１)から成形途中部分(Ｓ２)にかけての前記凸条(５，７)、円弧面(８)、および曲面(９)の表面には、梨地状の微細な凹凸(Ｇ)が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の転造ダイス(１)。
3. 請求項１または２の転造ダイス(１)を用いるボール状部付き軸部品(２９)の製造方法であって、
   軸素材(１４)におけるほぼ円柱形部分(１７)を前記一対のダイス(１ａ，１ｂ)における成形面(２ａ，２ｂ)間に挟持しつつ回転し、係る成形面(２ａ，２ｂ)の前記成形開始部分(Ｓ１)における前記凸条(５)を軸素材(１４)の中間に対称に食い込ませ、断面ほぼＶ字形の凹み(２０)とリング状の余肉(２２)とを上記円柱形部分(１７)に隣接して形成し、更に上記凸条(５)の前記偏寄量に応じて上記凹み(２１)と余肉(２３)とを幅広とし、
   その後、上記成形面(２ａ，２ｂ)の前記成形終了部分(Ｓ３)における互いに対称な断面ほぼ半円形の円弧溝(１１)内に上記円柱形部分(１７)が位置すると共に、軸方向で相対向して係る円柱形部分(１７)における表面の余肉(２３)を、上記円弧溝(１１)で押して軸方向および径方向に沿って移動させることにより、一対のほぼ半球状のアール面からなるボール状部(２８)を上記軸素材(１４)の少なくとも一端に成形する、
   ことを特徴とするボール状部付き軸部品(２９)の製造方法。

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