JP5609455B2 - 鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ギアと内スプラインを有する製品を鍛造する技術に関する。

ベルト式の無段変速機（ＣＶＴ）は、二つのプーリからなる対のプーリと動力伝達用の無端ベルト又はＶベルトとを備え、ベルトの有効径を変更することによって変速比を無段階に変更可能である。無段変速機には車両停止用のパーキング機構が設けられており、通常は無段変速機からの出力側のプーリにパーキングギアが設けられている。

ＣＶＴのプーリでは、一組のプーリ部品（プーリ本体及びプーリシャフト）を、互いのプーリ面を対向させた状態でスプライン嵌合させることによって、一つのプーリとして使用される。プーリ本体は円筒状に形成され、プーリシャフトが貫通可能な孔を有する。その孔の内周には内スプラインが形成され、プーリシャフトの外スプラインと嵌合可能である。
そして、プーリ本体をプーリシャフトに対してスライドすること、すなわち、プーリ本体とプーリシャフトとの嵌合位置を変更することによって、プーリとベルトとの接触位置を変更し、動力伝達用ベルトの有効径を変更可能である。

パーキングギアは、歯数が少なく、かつ歯丈が高いため、従来の成形方法では、熱間鍛造で荒加工を施し、冷間鍛造で仕上げ加工することによって成形されている。
また、内スプラインは、スプラインを切るための下穴を機械加工により設けてから成形することによって得られる。

特許文献１には、パーキングギアと内スプラインとを有するプーリシャフトの製造方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１の製造方法では、内スプラインは機械加工によって設けられる下穴の内周面に成形されている。このため、粗材表面の潤滑が悪くなり成形型との間で焼きつきが生じやすい、下穴の底部をスプラインとして利用できない等の不利な点が含まれることとなる。

特開２００７−３０１６０５号公報

本発明は、ギアと内スプラインを有する製品を鍛造する際に、下穴を設けることなく内スプラインを成形することが可能な鍛造技術を提供することを課題とする。

本発明の鍛造方法は、円筒状部材の外周面にギアが形成され、内周面に内スプラインが形成される製品を鍛造する方法であって、円柱状部材の外周面に前記ギアの荒歯を形成することにより構成されたワークを、上型と下型を具備する鍛造装置を用いた冷間鍛造によって前記製品形状に成形する工程を具備し、前記成形工程は、前記荒歯を前記ギアに仕上げるとともに、押し出し成形により前記ワークに有底の凹部および前記凹部の内周面に形成される内スプラインを成形する第一工程と、前記第一工程の押し出し成形によって、前記凹部の底部に生じる捨て軸を打ち抜き、前記製品形状を得る第二工程と、を含み、前記第一工程における前記内スプラインの成形時に、前記上型の中央に設けられた開口部に前記ワークの一部を流動させることで前記捨て軸を成形する。

前記第一工程において、前記ギアと内スプラインとの間に、部品軽量化のための軽量化溝を同時に成形することが好ましい。

本発明によれば、ギアと内スプラインを有する製品を鍛造する際に、下穴を設けることなく内スプラインを成形することが可能な鍛造技術を提供できる。従って、下穴を設けてから内スプラインを成形する場合の不具合を回避でき、鍛造にかかる生産効率を向上できる。

製品（鍛造品）であるプーリ部品を示す図である。 熱間鍛造によって成形されるワークを示す図である。 冷間鍛造にてワークを成形する鍛造装置を示す図である。 鍛造装置によって成形される中間品及び中間品からプーリ部品への成形を示す図である。 鍛造方法のフローチャートである。 パーキングギア及び内スプラインを成形する工程を示す図である。 中間品を鍛造装置から取り外して排出する工程を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の鍛造方法の一実施形態について説明する。
本鍛造方法では、熱間鍛造によって所定形状に成形されたワークを、冷間鍛造によって製品に成形する。この冷間鍛造は、鍛造装置１・３０を用いて行われる。鍛造装置１・３０は、無段変速機（ＣＶＴ）を構成するプーリの一部であるプーリ部品２を成形する。

製品であるプーリ部品２は、図１（ａ）に示すように、プーリ面３、パーキングギア４、内スプライン５を具備し、中空の円筒形状に形成される。
プーリ面３は、ベルトとの接触面として形成される斜面（テーパー面）であり、プーリ部品２の軸方向一側（外側）に形成される。パーキングギア４は、パーキング機構を構成する部位であり、適宜のラチェットと歯合する歯面を有する。パーキングギア４は、プーリ面３と反対側である軸方向他側（内側）の外周面に形成されるギアである。内スプライン５は、平行な凹溝であり、パーキングギア４と同じ側（内側）に形成されている。内スプライン５は、薄肉の底部を有する凹部の内周面に形成されている。

また、プーリ部品２のパーキングギア４の内周側（半径方向背面側）には、プーリ部品２の軽量化を目的とした軽量化溝６が形成される。
軽量化溝６は、パーキングギア４と内スプライン５との間（略中間位置）に設けられる軸方向を深さ方向とする凹部であり、プーリ部品２の内側面に形成される。このように軽量化溝６によって係る部位の厚みを薄くすることによって、その重量分だけプーリ部品２を軽量化している。

図１（ｂ）に示すように、プーリ部品２は、シャフト部品７とスプライン嵌合することによって、プーリシャフトとして機能する。プーリ部品２の内スプライン５は、シャフト部品７との嵌合部であり、シャフト部品７の外周には、内スプライン５と嵌合可能な外スプラインが形成される。シャフト部品７は、プーリ部品２の中心部に設けられる孔を貫通した状態で、内スプライン５と嵌合して固定される。
こうして、プーリ部品２とシャフト部品７とが一体的に回転運動可能に固定される。言い換えれば、本実施形態におけるプーリシャフトは、プーリ部品２とシャフト部品７との分割構造を有する。

図１（ｃ）に示すように、プーリ部品２とシャフト部品７とからなるプーリシャフトとともにプーリを構成するプーリ本体８は、シャフト部品７のシャフト部とスプライン嵌合するとともに、その嵌合位置を変更可能である。この位置変更は、油圧式のアクチュエータ等、適宜のリニア移動手段によって行われる。
プーリ本体８には、プーリ面３と対向するプーリ面９が形成される。プーリ面９は、プーリ面３と同形状に形成され、かつ、対称位置に配置される。このように形成されるプーリ面３・９によってベルトを挟持するとともに、プーリ面３・９を介してベルトの回転がプーリに伝達される。

以下、図２及び図３を参照して、鍛造装置１の構成について説明する。
鍛造装置１は、上型１０と下型２０とを具備し、上型１０と下型２０との間にワークＷを配置し、ワークＷを上型１０と下型２０とで挟み込んで押圧することによって、上型１０及び下型２０の表面形状（成形形状）に沿った鍛造品（中間品Ｍ）に鍛造する。

ワークＷは、鍛造装置１による冷間鍛造の前に、熱間鍛造によって所定の形状に成形される成形素材である。
図２に示すように、ワークＷは、円柱状の素材から熱間鍛造によって成形されるものであり、略円柱形状に成形される。ワークＷは、プーリ部品２のパーキングギア４に対応する部位、すなわち略円柱形状の軸方向他側の外周面に、パーキングギア４の荒歯Ｒを含む形状に成形される。荒歯Ｒは、パーキングギア４の製品としての面粗度、形状精度を満たしていないものの、パーキングギア４の概略形状を有する歯面として成形されている。この荒歯Ｒは、鍛造装置１による冷間鍛造によって、パーキングギア４、つまり所定の製品精度を有する歯面に仕上げられる。
また、ワークＷには、荒歯Ｒと同時に軽量化溝６の一部（詳細には、軽量化溝６における外周側の壁面）が成形されており、ワークＷにおいて、プーリ部品２の内側（軸方向他側）、つまり内スプライン５が成形される側の面には、軸方向を深さ方向とし、軽量化溝６の外周壁面を含む凹部が成形される。

図３に示すように、上型１０は、略円筒形状を有し、パンチ１１、スリーブパンチ１２、開口部１３を具備する。上型１０のパンチ１１、スリーブパンチ１２は、下型２０に対して近接方向及び離間方向に移動可能である。

ワークＷは、軸方向一側を上方に向けた姿勢で上型１０と下型２０との間に配置され、パンチ１１は、ワークＷの軸方向一側面（図６における上端面）の外周側を上方から押圧する。パンチ１１のワークＷとの接触面（成形面）は中央から外周に向けて下方に傾斜する傾斜面として形成される。パンチ１１によってワークＷを上方から押圧することによって、ワークＷの軸方向一側部（図６における上部）がパンチ１１の傾斜に沿って流動し、軸方向一側部（図６における上面）にプーリ面３が形成される。

スリーブパンチ１２は、パンチ１１の内周側に隣接して配置される。スリーブパンチ１２の成形面は平坦面として形成される。
開口部１３は、スリーブパンチ１２の内周側（上型１０の中央部）に設けられる。言い換えれば、開口部１３によって上型１０の中央が上方に向けて開放されている。これにより、上型１０による押圧によって、ワークＷの一部がスリーブパンチ１２より内周側の開口部１３に流出することとなる。

このように、上型１０では、外周から中央に向けてパンチ１１、スリーブパンチ１２、開口部１３の順に位置し、パンチ１１及びスリーブパンチ１２によってワークＷに上方からの押圧力を付与する。この押圧によって、プーリ部品２のプーリ面３を形成するとともに、開口部１３にワークＷの一部を流動可能としている。

図３に示すように、下型２０は、略円柱形状を有し、パーキングギアダイス２１、ガイドダイス２２、ガスクッション２３、スペーサ２４、スプラインパンチ２５、ノックアウトピン２６を具備する。

パーキングギアダイス２１は、ワークＷの荒歯Ｒをパーキングギア４に仕上げ成形する。パーキングギアダイス２１は、上型１０のパンチ１１の下方であって、ワークＷの荒歯Ｒに対応する位置、つまり下型２０の外周部に配置される。パーキングギアダイス２１の内周側面には、パーキングギア４の形状に応じた成形面が形成される。また、パーキングギアダイス２１には、パーキングギア４を成形する部位の他にもプーリ面３の背面側の面（軸方向他側の面）を成形する成形面が形成されている。
上型１０のパンチ１１を下方に向けて移動させることによって、ワークＷの外周部をパンチ１１とパーキングギアダイス２１とで挟み込み、パンチ１１によってプーリ面３を成形するとともに、パーキングギアダイス２１によってワークＷの荒歯Ｒをパーキングギア４に成形する。

ガイドダイス２２は、ワークＷに軽量化溝６を成形する。ガイドダイス２２は、上型１０のパンチ１１の下方であって、ワークＷの軽量化溝６に対応する位置に配置される。ガイドダイス２２は上方に向けて突出する形状を有し、その上面には、軽量化溝６の形状に応じた成形面が形成される。
上型１０のパンチ１１を下方に向けて移動させることによって、ワークＷの荒歯Ｒ形成部分よりも半径方向内側の部分をパンチ１１とガイドダイス２２とで挟み込み、ワークＷの内側部分（軸方向他側部；図６における下部）に軽量化溝６を成形する。

ガスクッション２３は、パーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２の下方に配置されるとともに、これらを支持しつつ、上方に向けた押圧力を発生させるアクチュエータである。ガスクッション２３は、上下方向に伸縮可能なガスシリンダ、油圧シリンダ等によって構成されており、上方へ向けた所定の押圧力を常時発生させる。
ガスクッション２３は、その押圧力によって、所定の加工中にパーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２を上昇位置に保持する。また、ガスクッション２３の押圧力よりも大きい外力が上方から加わった場合は、ガスクッション２３が縮み、これに伴って、パーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２が上昇位置から下降する。

スペーサ２４は、ガスクッション２３と、パーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２との間に配置される板材であり、上下方向に所定の厚みを有する。すなわち、スペーサ２４は、ガスクッション２３からの押圧力を均等にパーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２に伝達するためのクッション部材として機能する。

下型２０では、ガスクッション２３の伸縮に伴って、パーキングギアダイス２１、ガイドダイス２２、及びスペーサ２４が上下方向に移動する。
なお、ガスクッション２３の下死点は、下型２０の下死点であり、鍛造装置１の成形下死点である。

スプラインパンチ２５は、下型２０の中央部に配置される円柱形状の部材であり、上下方向に移動不能に固定される。スプラインパンチ２５の外周側面には内スプライン５の形状に応じた成形面が形成されている。鍛造装置１の初期状態において、スプラインパンチ２５は、パーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２よりも下方に位置し、ガスクッション２３によってこれらが上昇保持されている間は、ワークＷと接触せず、ガスクッション２３が縮むことによってワークＷと接触する。
パンチ１１及びスリーブパンチ１２によりワークＷを上方から押圧することによってガスクッション２３を縮ませて、ワークＷをスプラインパンチ２５に対して押圧する。こうして、スプラインパンチ２５によって押し出し成形が行われ、ワークＷの中央部にスプラインパンチ２５の形状に応じた有底の凹部および内スプライン５が成形される。

スプラインパンチ２５による押し出し成形の際、ワークＷの一部をスプラインパンチ２５の側方へ流動させつつ、前記有底の凹部の内周面に内スプライン５を成形する。これにより、ガイドダイス２２の内周側（ガイドダイス２２とスプラインパンチ２５との間）にワークＷの一部を流動させて、軽量化溝６の内周壁部を成形する。
また、スプラインパンチ２５によってワークＷが成形される領域の上方（成形方向）には、開口部１３が設けられている。このため、スプラインパンチ２５による押し出し成形時に、ワークＷの上部（軸方向一側端部）中央が開口部１３側へ向けて流動し、ワークＷの上端面（軸方向一側端面）から捨て軸Ｘが突出するように成形される。捨て軸Ｘは内スプライン５が形成される凹部の底部の背面側から上方に向けて突出して成形される軸状の部位であり、所定の径を有するように開口部１３の内径が設定されている。なお、捨て軸Ｘは、鍛造装置３０による次工程にて排除されるものであり、プーリ部品２の製品形状をなす部位ではない。
このように、スプラインパンチ２５による押し出し成形がワークＷの上部（軸方向一側端部）に近づくにつれて、素材の流動が上型１０の開口部１３に逃げるように構成しているので、スプラインパンチ２５による成形荷重を低減でき、型寿命を向上できる。

ノックアウトピン２６は、パーキングギアダイス２１とガイドダイス２２との間に設けられており、ワークＷ（中間品Ｍ）においてパーキングギア４が成形される部位の下端面（軸方向他側端面）に当接可能である。ノックアウトピン２６は、上下方向に向けて移動可能であり、成形途中は下型２０の移動に追随して、成形面よりも上方に突出しないようにされ、成形後に下型２０の成形面から上方に突出することによって、ワークＷを下型２０から外して排出する。
ノックアウトピン２６は、鍛造装置１による成形終了後、より厳密には、ガスクッション２３によって、下型２０のパーキングギアダイス２１、ガイドダイス２２及びスペーサ２４を上昇させて、先にワークＷ（中間品Ｍ）からスプラインパンチ２５を外した後に、パーキングギアダイス２１とワークＷ（中間品Ｍ）とが接触した状態で作動される。これにより、ワークＷ（中間品Ｍ）は下型２０から押し出されることによって取り外される。

以上のように、鍛造装置１によって、熱間鍛造によって所定形状に成形されたワークＷを捨て軸Ｘを含む中間品Ｍに成形する（図４（ａ）参照）。
図４（ｂ）に示すように、鍛造装置３０は、鍛造装置１によって成形された中間品Ｍの捨て軸Ｘ部分を打ち抜いて排除するとともに、プーリ部品２の中央部にシャフト部品７が貫通可能な孔を成形する。
このように、本鍛造方法では、鍛造装置１・３０による鍛造工程によって、ワークＷをプーリ部品２に成形する。ただし、鍛造装置１と鍛造装置３０を同一の鍛造装置によって実現しても良い。

以下、図５〜図７を参照して、鍛造工程Ｓ１について説明する。鍛造工程Ｓ１では、熱間鍛造により円柱状の素材から荒成形されたワークＷを冷間鍛造により中間品Ｍを経て、製品であるプーリ部品２に仕上げ成形する。
図５に示すように、鍛造工程Ｓ１は、熱間鍛造工程Ｓ１０、熱処理工程Ｓ２０、潤滑処理工程Ｓ３０、冷間鍛造工程Ｓ４０を具備する。また、冷間鍛造工程Ｓ４０は、成形工程Ｓ４１、打ち抜き工程Ｓ４２を具備する。

熱間鍛造工程Ｓ１０は、適宜の熱間鍛造装置によって素材をワークＷに成形する工程である。熱間鍛造工程Ｓ１０では、円柱状の素材の外周面にパーキングギア４の荒歯Ｒを成形する。このとき、同時に軽量化溝６の外周壁面を含む穴部も成形する（図２参照）。
このように、熱間鍛造工程Ｓ１０によって、所定形状を有するワークＷを成形する。

熱処理工程Ｓ２０では、熱間鍛造工程Ｓ１０にて成形されたワークＷの内部硬度と組織を整える。
潤滑処理工程Ｓ３０では、次工程である冷間鍛造工程Ｓ４０に備えてワークＷの表面に潤滑処理を施す。

冷間鍛造工程Ｓ４０では、ワークＷを中間品Ｍに成形する成形工程Ｓ４１と、中間品Ｍに含まれる非製品部分である捨て軸Ｘを打ち抜いてプーリ部品２の製品形状を得る打ち抜き工程Ｓ４２との二工程が順に行われる。

図６及び図７に示すように、成形工程Ｓ４１では、鍛造装置１を用いて、冷間鍛造にてワークＷを中間品Ｍに成形する。
まず、図６を参照して、鍛造装置１によってワークＷを中間品Ｍに成形する際の装置の動きについて説明する。

図６（ａ）に示すように、ガスクッション２３にてパーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２を上昇保持した状態で、ワークＷをパーキングギアダイス２１に押し付けて、荒歯Ｒをパーキングギア４に仕上げる。このとき、ワークＷは、スプラインパンチ２５よりも上方に保持され、接触しない。

図６（ｂ）に示すように、さらに上型１０の押圧が進み、パンチ１１及びスリーブパンチ１２からの押圧力がガスクッション２３の押圧力を上回ると、ガスクッション２３が縮み、スプラインパンチ２５による押し出し成形が開始される。これと同時に、パンチ１１によってプーリ面３の成形が開始される。
このスプラインパンチ２５による押し出し成形とともに、ガイドダイス２２による成形も同時に行われ、ワークＷに軽量化溝６が成形される。すなわち、スプラインパンチ２５によって流動する素材の一部が下方、つまりガイドダイス２２側へ流動し、ガイドダイス２２の表面形状に沿って変形することによって、軽量化溝６の内周側壁面を成形する。
ガスクッション２３が下死点まで縮むと、鍛造装置１の成形下死点を迎え、スプラインパンチ２５によって内スプライン５が成形され、ガイドダイス２２によって軽量化溝６が成形される。

以上のように、成形工程Ｓ４１では、ガスクッション２３によりパーキングギアダイス２１を上昇保持した状態でパーキングギア４を仕上げ、その後ガスクッション２３を縮小させて、スプラインパンチ２５による内スプライン５の成形を行っている。
このように、スプラインパンチ２５による押し出し成形は、十分な潤滑処理が施されているワークＷの表面に対して行われるため、成形時の焼きつきが防止される。さらに、内スプライン５は、スプラインパンチ２５による押し出し成形によって成形されるため、下穴を設ける必要がなく、内スプライン５として最大限に利用できるという利点がある。

また、スプラインパンチ２５による成形がプーリ面３に近づくと、ワークＷのプーリ面３側の部分の肉厚が薄くなり、成形荷重が大きくなるが、本実施形態では上型１０の中央に開口部１３を設けていることにより、成形時に素材を開口部１３に逃がして捨て軸Ｘを成形している。これにより、スプラインパンチ２５の成形荷重を低減し、型寿命を向上している。
また、一つの鍛造装置１を用いた一連の成形によって、パーキングギア４及び内スプライン５を成形するので、これらの相対的な位置精度を高く保つことができる。

また、プーリ部品２の軽量化を目的とした軽量化溝６を鍛造装置１による一連の成形動作によって成形しているので、パーキングギア４及び内スプライン５を有する鍛造品に対して機械加工によって係る溝を設ける場合と比べて、工数が少ないという利点がある。
さらに、軽量化溝６を冷間鍛造にて成形しているため、ガイドダイス２２の早期摩耗を抑制でき、型寿命を向上できる。

次に、図７を参照して、鍛造装置１によって成形された中間品Ｍを取り出す際の装置の動きについて説明する。
図７（ａ）に示すように、上型１０を上方へ移動させて、中間品Ｍからパンチ１１及びスリーブパンチ１２を取り外す。また、これにより、ガスクッション２３による押圧力が再度付与されて、パーキングギアダイス２１、ガイドダイス２２、スペーサ２４が上昇する。このとき、中間品Ｍは、パーキングギアダイス２１及びガイドダイス２２と接触した状態（取り付いた状態）で、スプラインパンチ２５から取り外される。
図７（ｂ）に示すように、ノックアウトピン２６を作動させて、中間品Ｍを上方へ押し出す。これにより、中間品Ｍがパーキングギアダイス２１から外れ、下型２０から排出される。

以上のように、中間品Ｍを鍛造装置１から取り外す際に、スプラインパンチ２５から中間品Ｍを取り外す工程と、パーキングギアダイス２１から中間品Ｍを取り外す工程との二工程を経て取り外されている。このように二段階で取り外すことによって、型排出荷重を低減できるとともに、内スプライン５及びパーキングギア４の精度悪化を防止できる。

打ち抜き工程Ｓ４２では、鍛造装置３０を用いて、冷間鍛造にて中間品Ｍをプーリ部品２に成形する（図４参照）。
打ち抜き工程Ｓ４２では、中間品Ｍの捨て軸Ｘと内スプライン５が形成される凹部の底部の一部とを打ち抜いて排除し、中間品Ｍを製品であるプーリ部品２の形状に成形する。

なお、本実施形態では、鍛造対象であるプーリ部品２が軽量化溝６を具備するものとしたが、これに限定されず、プーリ部品２が軽量化溝６を具備しない場合にも同様の技術的思想によって実現可能である。

１ 鍛造装置
２ プーリ部品（製品）
４ パーキングギア（ギア）
５ 内スプライン
６ 軽量化溝
１０ 上型
２０ 下型
Ｒ 荒歯
Ｗ ワーク
Ｍ 中間品
Ｘ 捨て軸

Claims (2)

1. 円筒状部材の外周面にギアが形成され、内周面に内スプラインが形成される製品を鍛造する方法であって、
   円柱状部材の外周面に前記ギアの荒歯を形成することにより構成されたワークを、上型と下型を具備する鍛造装置を用いた冷間鍛造によって前記製品形状に成形する工程を具備し、
   前記成形工程は、
   前記荒歯を前記ギアに仕上げるとともに、押し出し成形により前記ワークに有底の凹部および前記凹部の内周面に形成される内スプラインを成形する第一工程と、
   前記第一工程の押し出し成形によって、前記凹部の底部に生じる捨て軸を打ち抜き、前記製品形状を得る第二工程と、を含み、
   前記第一工程における前記内スプラインの成形時に、前記上型の中央に設けられた開口部に前記ワークの一部を流動させることで前記捨て軸を成形する鍛造方法。
2. 前記第一工程において、前記ギアと内スプラインとの間に、部品軽量化のための軽量化溝を同時に成形する請求項１に記載の鍛造方法。

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