JP4409943B2 - 粉末金属の歯車を形成する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には粉末金属の歯車の製造に関し、特に、歯車の歯の切断及び圧縮強化に関する。

米国特許第４，７０８，９１２号が開示している粉末金属の歯車の製造方法は、焼結金属の歯車ブランクを転造機に取り付けて、一組の隣接する歯の付いた転造ツールの間にある第１の軸線を中心として回転させるもので、転造ツールのそれぞれは、歯車ブランクの第１の軸線に対して平行である第２の軸線と第３の軸線とを中心として回転するように取り付けられている。転造ツールの歯によって歯車ブランクの材料を押退けることで、圧縮強化が行なわれる。予め歯を形成された歯車ブランクが提供され、これを転造ツールによって圧縮強化している。
米国特許第４，７０８，９１２号

米国特許第５，７１１，１８７号が開示している粉末金属の歯車の圧縮強化方法では、粉末金属の歯車ブランクを第１の軸線を中心として回転させるように取り付けていて、第１の軸線は、第１の軸線に対して平行である第２の軸線を中心として回転する歯の付いた転造ツールに隣接している。ブランクとツールとを互いに近づけて、歯車の歯の材料を押退けて圧縮強化させている。次工程の圧縮強化のために、歯車ブランクに事前に歯を形成する方法については開示されていない。
米国特許第５，７１１，１８７号

本発明の目的は、圧縮強化されたギア歯面を有するような粉末金属の歯車を製造する方法を簡素化することである。

本発明の好ましい実施形態による粉末金属の歯車の製造方法では、粉末金属を焼結成形して、歯車ブランクを形成し、この歯車ブランクを第１の軸線を中心として回転させるように支持する。歯車ブランクの第１の軸線に対して横断する第２の軸線を中心として回転させるようにツールを支持する。ツールは、一連の歯車切断部分と、これに軸線方向に隣接するギア歯面圧縮強化部分とを有している。第２の軸線を中心としてツールを駆動し、歯車ブランクにギア歯切断部分を係合させて、歯車ブランクの材料を除去することで、歯車ブランクに歯車の歯を切り込んで、歯の付いた歯車ブランクを準備する。ツールと歯の付いた歯車ブランクとのいずれをも取り外さずに、ツールと歯の付いた歯車ブランクとを互いに相対的にシフトさせて、ツールにおけるギア歯面圧縮強化部分を歯の付いた歯車ブランクの歯に噛合させ、第２の軸線を中心としてツールを駆動して、歯車の歯面を押退けて圧縮強化する。
本発明は、粉末金属のギア歯を製造するための簡易な方法を提供するという利点を有している。

本発明はさらに、高精度でかつ再現性をもった粉末金属のギア歯の形成方法を提供するという利点を有するが、というのは、切断と圧縮強化とを行なう双方の特徴がツールに提供されていて、これら双方の配置と本発明に従って制御される動きとにあっては、これらが歯車ブランクに対して、歯車ブランクとの固定的な相対関係を乱されることがないからである。言換えれば、切断のための特徴と圧縮強化のための特徴との双方を備えたツールを使用して、切断の段階と圧縮強化の段階とを単一の動作に組合わせることによって、結果として得られる圧縮強化された粉末金属の歯車についての寸法及び物理的な特性を良好に制御することができる。
本発明の前述の及びその他の特徴ならびに利点については、以下の詳細な説明と添付図面とを関連させることで容易に明らかになるだろう。

まず図１及び図２を参照すると、歯車を切断してロール成形するための装置１０は、回転軸線Ａを有するワークピース・スピンドル１２を備えていて、歯車のワークピースないし予備成形品１４が取り付けられて軸線Ａを中心として回転する。装置１０はさらに、スピンドル１２に隣接させて、回転軸線Ｂを有するツール・スピンドル１６を含んでいて、軸線Ｂは軸線Ａに対して横断している。スピンドル１６には、歯車形成型ないしツール１８が取り付けられ、ワークピース１４との作業関係において、軸線Ｂを中心として回転する。軸線Ｂは軸線Ａに対して斜めにされていて、両者は平行でもなく、直交してもいない。
形成ツール１８は、略円筒形の本体２０から構成されていて、一連のギア歯切断部分２２と、一連のギア歯面圧縮強化部分２４とを有している。ギア歯切断部分２２は、一連の切断歯２６を備え、これらの歯は、ツール１８の軸方向端２８に隣接した本体２０のまわりに配置されている。歯２６は、前縁に切断エッジ３０を有している。
ギア歯面圧縮強化部分２４は、ツール１８の軸線方向において、ギア歯切断部分２２に隣接し、ツール１８の反対側端部３２に隣接して提供されている。ギア歯面圧縮強化部分２４は、その周囲のロールが螺旋状ウォームネジ３４の形態の歯を形成していて、ワークピース１４を切断、剪断したり、材料を除去したりするように作用するような切断面はまったく備えていない。ウォームネジ３４は、ツール１８の回転方向に対して、前面と後面との形成面３６及び２８を有していて、これらは円筒形の本体２０のまわりに螺旋状に延在している。形成溝３４は、一条ネジでも、多条ネジでも良い。軸線上の空間４０は、ギア歯切断部分２２とギア歯面圧縮強化部分２４とを隔てていて、ツール１８の端部２８と３２との中間に介在している。部分２２と部分２４とは、単一体の構造のツール１８でも良いし、あるいは、変形例としては、別々に製作されたものをスピンドル１６に固定して、軸線Ｂを中心として共同して回転させても良い。

ワークピース１４は、初めには歯を有しない歯車ブランクとして形成されるもので、粉末金属を成形した後、在来の方法によって焼結されるが、これは、鉄元素や鉄合金などの合金及び／又は添加物混合粉末、及び、銅、マンガン、珪素、炭素、グラファイト、潤滑材、結合材など個別又は合金添加物の組合わせなど、多数の材料から作られる。焼結されたブランク・ワークピース１４は、装置１０のスピンドル１２に装着されて、矢印Ｃの方向及び／又はその反対の方向に、軸線Ａを中心として、制御された回転をする。据付けられた時には、まだ、ワークピース１４は予備成形されたギア歯を有していなくて、圧縮強化の準備は整っていない。図１に示す如く、ツール１８のギア歯切断部分２２をワークピース１４に隣接させて配置し、スピンドル１２及び１６を互いに近づけて、ギア歯切断部分２２をワークピース１４の外周面に係合させることで、ワークピース１４に対するギア歯の切断が開始される。かかる動作中には、ツール１８は、スピンドル１６の軸線Ｂを中心として矢印Ｄの方向に回転し、一方、ワークピース１４は、スピンドル１２の軸線Ａを中心として回転する。この初期のギア歯切断動作では、切断歯２６がワークピース１４の粉末金属の部分に係合して、これを除去し、ワークピース１４に圧縮強化されていないギア歯４２を形成する。ツール１８をワークピース１４に対して係合又は係脱させるためには、ツール１８を矢印Ｅの方向に動かす。

ワークピース１４にギア歯４２が切断形成されたならば、ツール１８を矢印Ｅの方向に動かして、歯４２から係脱させる。ワークピース１４とツール１８とを係脱させたならば、ツール１８とワークピース１４とのいずれをもそれぞれのスピンドル１６及び１２から取り外すことなく、ツール１８とワークピース１４とを相対的に移動ないしシフトさせて、ツール１８のギア歯面圧縮強化部分２４をギア歯４２に隣接させる。図２に良く示されているように、相対的なシフトを行なうためには、軸線Ｂに沿った矢印Ｆの方向に、ツール１８を変位させる。シフトされると、ツール１８のギア歯面圧縮強化部分２４は、まだ圧縮強化されていないギア歯４２に噛合する。
スピンドル１６は駆動モータ４４に結合されていて、このモータがスピンドル１６をポジティブに駆動することで、軸線Ｂを中心として矢印Ｄの方向へ、または必要に応じて反対の方向へ、ツール１８を回転させる。ツール１８が矢印Ｄの方向に回転すると、対応する回転力がワークピース１４に伝達されて、歯４２とネジ３４との係合により、ワークピースは矢印Ｃの方向に回転する。本発明の好ましい実施形態では、ワークピース１４もまた、ワークピース・スピンドル１４に結合された関連するモータ４６によってポジティブに駆動され、ワークピースの相対的な回転と角速度を独立して制御することができる。

図３は、圧縮強化の処理段階中に、ツール１８のウォームネジ３４とワークピース１４の歯４２との間に生じる相互作用を示している。ネジ２２の形成面２４及び２６は、ギア歯４２における対応する側面に係合して、ギア歯の表面の材料を押退けて、図３の斑点領域に示すような所定の深さについて、ギア歯４２を圧縮強化して硬化させる。
ツール１８とワークピース１４とを互いに独立させてポジティブに駆動することによって、ネジ３４から歯４２に加わる方向性荷重を調節することが可能になって、インボリュート歯車を含むような様々なギア歯の構成に適合することができると共に、歯の圧縮強化を制御することが可能であって、均一に圧縮強化された歯を作製したり、歯の特定領域の圧縮強化を他の領域とは異ならせたりすることができる。歯４２の圧縮強化は、本発明と同じ譲受人が所有している米国特許第６，１５１，９４１号に開示されているのと同一ないし類似のやり方で実行され、同出願の開示をここで参照して引用する。
本発明を、以上の教示に基づいて、様々に改変及び応用可能であることは明らかである。従って、ここに開示したのとは別のやり方で、特許請求の範囲内において、本発明を実施することができることを理解されたい。本発明は特許請求の範囲によって定義されている。

図１は、本発明の好ましい方法に従って粉末金属の歯車を形成するための装置を示した模式的な斜視図である。 図２は、図１と同様な部分図であるが、歯車の歯を圧縮強化する様子を示している。 図３は、図２の線３−３による模式的な拡大断面図である。

Claims (4)

1. 粉末金属の歯車の製造方法であって、この方法が、
   粉末金属を焼結成形して、歯を有しない歯車ブランクを形成する段階と、
   歯車ブランクの第１の軸線を中心として回転させるべく、歯車ブランクを支持する段階と、
   第１の軸線を横断する第２の軸線を中心として回転させるようにツールを支持し、ツールは、一連の歯車切断歯と、これに軸線方向に隣接するギア歯面圧縮強化部分とを有しているような上記段階と、
   第２の軸線を中心としてツールを変位させ、粉末金属の歯車ブランクに歯車切断歯を係合させて歯車ブランクの材料を除去して、歯の付いた歯車ブランクを準備する段階と、
   ツールと歯の付いた歯車ブランクとのいずれをも取り外さずに、ツールと歯の付いた歯車ブランクとを互いに相対的にシフトさせて、ツールにおけるギア歯面圧縮強化部分を形成された歯の付いた歯車ブランクの歯に噛合させ、第２の軸線を中心としてツールを変位させて、歯車の歯面を圧縮強化する段階と、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 歯車ブランクを焼結成形する段階は、歯車ブランクに歯車の歯が切断される前の、略円筒形状である歯車ブランクを提供することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 歯車の歯を圧縮強化する間、歯の付いた歯車ブランクを駆動する段階を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ツールをツールの軸線に沿って動かすことで、ツールと歯車ブランクとの相対的なシフトが実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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