(発明が解決しようとする課題)
歯車の歯部の歯先面と歯側面、および、歯底面と歯側面は、それぞれ曲面で滑らかに連結される。この曲面部分はトルクの伝達に寄与しない。そのため、歯先面と歯側面とを連結する曲面の半径(歯先半径)や、歯底面と歯側面とを連結する曲面の半径(歯底半径)は小さい方が望ましい。歯先半径および/または歯底半径が小さければ、歯側面を大きく成形することができ、伝達効率が向上する。伝達効率が向上することで、歯車の小型化を図ることができる。あるいは、歯車を駆動させるための駆動手段(例えば電動モータ)の小型化を図ることができる。
特許文献1記載の転造方法によれば、転造により成形されたウォームの歯形や歯すじの精度が向上するものの、歯先半径や歯底半径を小さくすることについて記載されていない。また、荒仕上用歯部の歯先半径と最終仕上用歯部の歯先半径、および、荒仕上用歯部の歯底半径と最終仕上用歯部の歯底半径が同程度であることから、成形されるウォームの歯先半径および歯底半径は、中間体の歯先半径および歯底半径と同程度であると思われる。よって、特許文献1に記載された転造方法によって、歯先半径および歯底半径を小さくすることはできない。特に、最終歯車の歯先半径および歯底半径を中間体の歯先半径および歯底半径よりも小さくすることはできない。
特許文献2記載の転造方法によれば、仕上成形用転造ダイスの歯部の歯底半径が荒仕上用転造ダイスの歯部の歯底半径よりも小さく形成されているので、この仕上成形用転造ダイスで歯先半径の小さい歯車を成形することができる。しかし、歯底半径を小さく成形することができない。また、荒仕上用転造ダイスで転造された中間体の歯部の歯丈が成形すべき歯車の歯部の歯丈以上であるので、中間体の歯部の容積は成形すべき最終歯車の歯部の容積よりも大きい。このような中間体が仕上成形用転造ダイスで転造された場合、材料充填率(転造ダイスの歯溝間の空間容積に対するその空間に入り込む成形歯車側の歯部の容積の比率)が高まりすぎる。また、中間体の歯部の歯先が仕上げ成形用転造ダイスの歯部の歯底に接触する。その結果、転造時における材料の流動性が悪化する。転造時に材料の流動性が悪化した場合、歯車精度、特に歯側面の平滑性が悪化する。
特許文献3記載の転造方法によれば、一つの転造装置で荒仕上げ工程および最終仕上げ工程を実行することができる。しかしながら、歯底半径および歯先半径の小さい歯車を成形することに関して記載されていない。
本発明は、歯先半径および歯底半径が小さく、且つ歯側面の平滑性が良好な歯車を転造により成形することができる転造方法および転造装置を提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段)
本発明は、歯先面と歯側面とを連結する曲面の半径である歯先半径が、歯底面と歯側面とを連結する曲面の半径である歯底半径であって成形すべき最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい転造用第1歯部が形成された転造用ダイスを用いて転造用素材を転造することにより、前記最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい歯底半径を有し、且つ前記最終歯車の歯部の容積よりも大きい容積を有する第1歯部が形成された第1歯車を成形する第1工程と、前記最終歯車の歯部の歯丈に等しい歯丈および前記最終歯車の歯部の歯底半径に等しい歯先半径ならびに前記最終歯車の歯部の歯先半径に等しい歯底半径を有する転造用第2歯部が形成された転造用ダイスを用いて前記第1歯車を転造することにより、前記最終歯車の歯部の歯丈、歯底半径および歯先半径に等しい歯丈、歯底半径および歯先半径を有する第2歯部が形成された第2歯車を成形する第2工程と、前記最終歯車の歯部の歯丈よりも大きい歯丈および前記最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい歯先半径を有する転造用第3歯部が形成された転造用ダイスを用いて前記第2歯車を転造することにより、前記第2歯車の歯部の歯側面を平滑化して、前記第2歯車から前記最終歯車を成形する第3工程と、を含む、歯車の転造方法を提供する。
本発明によれば、第1工程にて転造用素材が転造されることにより、成形すべき最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい歯底半径を有し、且つ前記最終歯車の歯部の容積よりも大きい容積を有する第1歯部が形成された第1歯車が成形される。次いで、第2工程にて第1歯車が転造される。第2工程で用いられる転造用ダイスには、最終歯車の歯部の歯丈に等しい歯丈および最終歯車の歯部の歯底半径に等しい歯先半径ならびに最終歯車の歯部の歯先半径に等しい歯底半径を有する転造用第2歯部が形成されている。したがって、第2工程で、最終歯車の歯丈、歯先半径および歯底半径に等しい歯丈、歯先半径および歯底半径を有する第2歯部が形成された第2歯車、つまり最終歯車の基本的形状を有する歯車が成形される。
ここで、第2工程で転造される第1歯車の第1歯部の容積は、最終歯車の歯部の容積よりも大きい。したがって、第2工程時に転造用第2歯部の歯溝間への第1歯部の材料充填率が高まる。材料充填率が高い場合、歯車の歯先半径および歯底半径は精度良く成形されるが、上述のように転造時における材料の流れが悪化するために、成形される歯車の歯側面の精度(平滑性)が悪化する可能性がある。よって、第2工程を経て成形される第2歯車の第2歯部の歯丈、歯先半径、歯底半径は、最終歯車の歯部の歯丈、歯先半径、歯底半径に等しいものの、歯側面の精度の悪化が懸念される。そこで、第3工程にて、最終歯車の歯部の歯丈よりも大きい歯丈および最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい歯先半径を有する転造用第3歯部が形成された転造用ダイスで第2歯車を転造する。この第3工程では、第2歯車の第2歯部の歯側面を転造用第3歯部を用いて均すことにより、歯側面が平滑化される。また、転造用第3歯部の歯丈は最終歯車の歯部の歯丈、すなわち第2歯車の第2歯部の歯丈よりも大きいため、第3工程の実行時に第2歯部の歯先部分が転造用第3歯部の歯底部分に干渉しない。そのため第2歯部の歯先部分は加工されない。さらに、転造用第3歯部の歯先半径は最終歯車の歯部の歯底半径、すなわち第2歯車の第2歯部の歯底半径よりも大きいため、第3工程の実行時に第2歯部の歯底部分は転造用第3歯部の歯先部分に干渉しない。そのため第2歯部の歯底部分も加工されない。故に、第3工程の実行時に第2歯部の歯先半径および歯底半径は変化しない。よって、第3工程を経て成形された最終歯車の歯部は、所望の歯先半径および歯底半径を持ち、且つ、その歯側面の平滑性が良好である。
このように、本発明の転造方法によれば、第3工程でそれまでに成形された歯車の歯部の歯先半径および歯底半径を変化させずに歯側面を均すため、歯側面の平滑性を維持しつつ、所望の歯先半径および歯底半径を有する歯部が形成された歯車を転造により成形することができる。よって、歯先半径および歯底半径の小さな歯部を有する歯車を、材料充填率の高い第2工程にて精度良く成形し、その後の第3工程で歯側面を均すことにより、歯先半径および歯底半径が小さく、且つ歯側面の平滑性が良好な歯部が形成された歯車を転造により成形することができる。
本発明においては、第2歯部の歯厚および最終歯車の歯部の歯厚がそれぞれ等しくなるように、転造用第2歯部および転造用第3歯部が形成されているとよい。また、転造用第3歯部の歯底半径は、第3工程の実行時に第2歯部の歯先部分が転造用第3歯部に干渉しない程度の大きさに形成されていればよい。
また、第1歯部は、最終歯車の歯部の容積よりも大きい容積を有するように形成されていれば、その歯丈は問わない。つまり、第2工程における材料充填率が、成形歯車の歯先半径および歯底半径が精度良く形成される程度に高くなるように、第1歯部が形成されていればよい。なお、材料充填率には、転造による歯車精度(特に歯側面の精度)の悪化を最小限とする最適値が存在すると考えられる。第2工程における材料充填率は、上記の最適値かあるいはその近傍の材料充填率となるように、第1工程で第1歯部が形成されていれるとなおよい。
この場合において、転造用第1歯部の歯丈は最終歯車の歯部の歯丈よりも大きく形成され、第1工程にて、第1歯車の第1歯部が、最終歯車の歯部の歯丈よりも大きい歯丈および最終歯車の歯部の歯厚に等しい歯厚を有するように形成されるとよい。これによれば、第1歯車の第1歯部の歯丈が最終歯車の歯部の歯丈よりも大きく、且つ第1歯部の歯厚が最終歯車の歯部の歯厚に等しいので、第1歯部の容積は最終歯車の歯部の容積よりも大きい。この第1歯部を有する第1歯車を転造用第2歯部を有する転造用ダイスで転造した場合、転造時における材料充填率を高めることができる。
また、転造用第3歯部の形状が転造用第1歯部の形状と同一であるのがよい。これによれば、第1工程で用いられる転造用第1歯部と第3工程で用いられる転造用第3歯部が同一の形状に形成されるため、転造用ダイスの製造費用が低減される。
また、一つの転造用ダイスに、転造用第1歯部および転造用第2歯部ならびに転造用第3歯部が形成されているのがよい。そして、第1工程、第2工程及び第3工程にて、一つの転造用ダイスが共用されるのがよい。これによれば、一つの転造用ダイスで第1工程〜第3工程が実行されるので、設備投資費用がより低減される。また、各工程を実行するごとに型を交換する作業(段取り)が発生しないので、製造コストも低減される。
この場合、一つのローラダイスあるいはラック状のダイスに、転造用第1歯部、転造用第2歯部、および転造用第3歯部を連続して形成しておくとよい。
また、本発明は、歯先面と歯側面とを連結する曲面の半径である歯先半径が、歯底面と歯側面とを連結する曲面の半径である歯底半径であって成形すべき最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい転造用第1歯部と、前記最終歯車の歯部の歯丈に等しい歯丈および前記最終歯車の歯部の歯底半径に等しい歯先半径ならびに前記最終歯車の歯部の歯先半径に等しい歯底半径を有する転造用第2歯部と、前記最終歯車の歯部の歯丈よりも大きい歯丈および前記最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい歯先半径を有する転造用第3歯部と、が形成された転造用ダイスと、転造用素材を前記転造用第1歯部で転造することにより前記最終歯車の歯部の歯底半径よりも大きい歯底半径を有し且つ前記最終歯車の歯部の容積よりも大きい容積を有する第1歯部が形成された第1歯車が成形され、次いで、前記第1歯車を前記転造用第2歯部で転造することにより前記最終歯車の歯部の歯丈、歯底半径および歯先半径に等しい歯丈、歯底半径および歯先半径を有する第2歯部が形成された第2歯車が成形され、次いで、前記第2歯車を前記転造用第3歯部で転造することにより前記第2歯車の前記第2歯部の歯側面を平滑化して前記第2歯車から最終歯車が成形されるように、前記転造用ダイスの動作を制御する制御装置と、を備える歯車の転造装置を提供する。
この場合、転造用第1歯部の歯丈は最終歯車の歯部の歯丈よりも大きく形成され、第1歯部は、最終歯車の歯部の歯丈よりも大きい歯丈および最終歯車の歯部の歯厚に等しい歯厚を有するように形成されるとよい。また、転造用ダイスは、転造用第1歯部、転造用第2歯部および転造用第3歯部が連続して外周に形成されたロールダイスであり、制御装置は、ロールダイスの回転を制御するものであるのがよい。
本発明の転造装置を用いて歯車を転造することにより、本発明の転造方法により歯車を転造することによって得られる作用効果と同様の作用効果が得られる。
以下、本発明の実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る転造方法を工程ごとに示す図である。本実施形態に係る転造方法は、第1工程(予備成形工程)と、第2工程(形状成形工程)と、第3工程(均し工程)とを含み、この順で実施される。第1工程にて転造用素材Wが転造されることにより、はすば状の第1歯部11aが形成された第1歯車11が成形される。第2工程にて第1歯車11が転造されることにより、はすば状の第2歯部12aが形成された第2歯車12が成形される。第3工程にて第2歯車12が転造されることにより、はすば状の第3歯部13aが形成された最終歯車13が成形される。各工程は、同一の転造装置および同一の転造用ローラダイスを用いて実施される。
図2は、各工程に用いられる転造装置の側面図、図3は平面図である。これらの図に示すように、本実施形態の転造装置1は、基台A上に載置されたベースプレート2と、第1支持部31および第2支持部32と、一対の転造用ローラダイス41a,41b(図3参照)と、第1駆動軸42aと、第2駆動軸42b(図3参照)と、駆動手段5(図3参照)と、制御装置6(図3参照)とを備える。
図2に示すように、第1支持部31および第2支持部32はベースプレート2上に立設される。第1支持部31は、ベースプレート2上に固定された第1支持プレート311と、第1支持プレート311に取り付けられた第1支持ピン312とを有する。第2支持部32は、ベースプレート2上に固定された第2支持プレート321と、第2支持プレート321に取り付けられた第2支持ピン322とを有する。第1支持ピン312と第2支持ピン322は、各々の先端が対面するように、第1支持プレート311および第2支持プレート321に取り付けられている。第1支持ピン312の先端と第2支持ピン322の先端との間に転造用素材Wが挟まれる。転造用素材Wは、図2に示すように丸棒状の軸部W1と、軸部W1の長手方向中央付近に同軸的に形成され軸部W1の径よりも大きい径を有する円柱状の大径部W2とを有する。大径部W2が歯車に転造加工される部分である。
図3に示すように、一対の転造用ローラダイス41a,41bが、第1支持ピン312と第2支持ピン322とによりその両端が支持された転造用素材Wの軸芯を挟んで転造用素材Wの両側(図3において転造用素材Wの上下側)に対向配置される。一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周部分には、転造用素材Wの大径部W2の外周面にはすば状の歯部を創成するための歯部がそれぞれ形成されている。一対の転造用ローラダイス41a,41bは、それぞれに形成された歯部が転造用素材Wの大径部W2の外周面に面接触し得るように、その軸方向が転造用素材Wの軸方向に一致した状態で配設されている。
一方の転造用ローラダイス41aに第1駆動軸42aが同軸連結され、他方の転造用ローラダイス41bに第2駆動軸42bが同軸連結される。これらの駆動軸42a、42bは電動モータ等から構成される駆動手段5に連結される。駆動手段5の駆動力が第1駆動軸42aおよび第2駆動軸42bを介して一対の転造用ローラダイス41a,41bにそれぞれ伝達されることにより、一対の転造用ローラダイス41a,41bが回転駆動する。駆動手段5は、それぞれの転造用ローラダイス41a,41bに独立して駆動力を伝達するように構成されても良いし、一つの駆動源により発生された駆動力をそれぞれの転造用ローラダイス41a,41bに伝達するように構成されても良い。
また、第1駆動軸42aおよび第2駆動軸42bは、図3の上下方向に移動可能に構成されている。第1駆動軸42aおよび第2駆動軸42bの移動により、一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面に形成されている歯部が第1支持部31と第2支持部32とで支持されている転造用素材Wの大径部W2の外周面に接近し、あるいは遠ざかる。
駆動手段5は制御装置6に電気的に接続されており、制御装置6から出力される制御信号に基づいて駆動力を発生する。制御装置6は、一対の転造用ローラダイス41a,41bが同一方向に同一速度で回転するように、駆動手段5を介して一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転を制御する。また、制御装置6は、第1駆動軸42aおよび第2駆動軸42bの移動量や、転造時における転造用ローラダイスから転造用素材Wに作用する加圧力等を制御する。
一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周には、上述したように転造用の歯部が形成されている。図4は、転造用ローラダイス41a,41bをその軸方向に直交する平面で切断した断面図である。なお、一対の転造用ローラダイス41a,41bを総称して転造用ローラダイス41と呼ぶ。
図4に示すように、転造用ローラダイス41の外周が、領域Aと、領域Bと、領域Cとに区分される。領域Aに転造用第1歯部411が形成され、領域Bに転造用第2歯部412が形成され、領域Cに転造用第3歯部413が形成される。
図5は、図4の領域Aで示す部分に形成された転造用第1歯部411の拡大図である。図5に示すように、転造用第1歯部411の歯先面T1と歯側面S1とが曲面で接続される。この曲面の半径である歯先半径R11は、成形すべき最終歯車13の第3歯部13a歯底半径よりも十分大きい。歯先半径R11は例えば0.35mmである。また、転造用第1歯部411の歯丈H1は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも十分大きい。例えば、歯丈H1は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈の1.1倍程度に形成することができる。また、転造用第1歯部411の歯底面B1と歯側面S1とが曲面で接続される。この曲面の半径である歯底半径R12は特に限定されないが、転造用ローラダイス41の強度を向上させるという観点からすれば大きい方が良い。
図6は、図4の領域Bで示す部分に形成された転造用第2歯部412の拡大図である。図6に示すように、転造用第2歯部412の歯先面T2と歯側面S2とが曲面で接続される。この曲面の半径である歯先半径R21は、最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径に等しい。また、転造用第2歯部412の歯底面B2と歯側面S2とが曲面で接続される。この曲面の半径である歯底半径R22は最終歯車13の第3歯部13aの歯先半径に等しい。さらに、転造用第2歯部412の歯丈H2は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈に等しい。歯先半径R21(すなわち最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径)は、例えば0.15mm程度に形成することができる。歯底半径R22(すなわち最終歯車13の第3歯部13aの歯先半径)も、例えば0.15mm程度に形成することができる。0.15mm程度の歯先半径および歯底半径を有する歯車は、従来において転造により成形される歯車の歯先半径および歯底半径に比較して小さい。
図4の領域Cで示す部分に形成された転造用第3歯部413の形状は、図5に示す転造用第1歯部411の形状に等しい。すなわち、転造用第3歯部413の歯丈は図5に示される転造用第1歯部411の歯丈H1に等しく、転造用第3歯部413の歯先半径は図5に示される転造用第1歯部411の歯先半径R11に等しく、転造用第3歯部413の歯底半径は図5に示される転造用第1歯部411の歯底半径R12に等しい。
図4に示すように、転造用ローラダイス41の外周の半分に亘る領域Aに転造用第1歯部411が形成され、1/4に亘る領域Bに転造用第2歯部412が形成され、残りの1/4に亘る領域Cに転造用第3歯部413が形成される。上述のように転造用第1歯部411の形状と転造用第3歯部413の形状は同一であるので、結局のところ、転造用ローラダイス41の外周には、その3/4に亘る領域に、図5に示された歯丈H1、歯先半径R11、歯底半径R12の歯部が形成され、残りの1/4に亘る領域に、図6に示された歯丈H2、歯先半径R21、歯底半径R22の歯部が形成される。なお、転造用第1歯部411、転造用第2歯部412および転造用第3歯部413の歯厚は等しい。さらに、転造用第1歯部411、転造用第2歯部412および転造用第3歯部413の歯溝幅は等しい。
上記形状を有する歯部が、それぞれの転造用ローラダイス41a,41bの外周に形成される。ここで、図4に示す断面図が一方の転造用ローラダイス41aの断面図である場合、図4と同一方向からみた他方の転造用ローラダイス41bの断面図は、図4に示す断面図の点対称形状である。
上記構成の転造装置1を用いて転造用素材Wを転造加工する方法の概略について、以下に説明する。
まず、図2に示すように転造装置1の第1支持ピン312の先端を転造用素材Wの軸部W1の一端面に当接させるとともに、第2支持ピン322の先端を転造用素材Wの軸部W1の他端面に当接させる。そして、第1支持ピン312と第2支持ピン322とで転造用素材Wに押圧力を加えることにより、転造用素材Wを回転可能且つ径方向移動不能に支持する。この場合において、転造用素材Wを第1支持ピン312と第2支持ピン322との間に挟み込み易くするために、および、転造時における転造用素材Wの歩み(軸方向移動)を許容するために、第1支持ピン312および第2支持ピン322が伸縮するように構成されていてもよい。
次に、一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面が転造用素材Wの大径部W2の外周面に近づくように、両駆動軸42a,42bを互いに接近する方向に移動させる。両駆動軸42a,42bの移動により一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面が同時に転造用素材Wの大径部W2の外周面に接触する。この場合において、一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面に形成されている転造用第1歯部411がそれぞれ転造用素材Wの大径部W2の外周面に接するように、各々の転造用ローラダイス41a,41bの回転位置が制御装置6で制御されている。
以上の準備が完了した後に、以下の第1工程、第2工程、および第3工程がこの順で実行される。
(第1工程:予備成形工程)
第1工程では、転造用素材Wの大径部W2が一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面の領域Aに形成された転造用第1歯部411上を転動するように、制御装置6により一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転が制御される。図7は、第1工程時における転造用素材Wの大径部W2と一対の転造用ローラダイス41a,41bとの配置関係を示す図である。図7に示すように、第1工程の実施中、一対の転造用ローラダイス41a,41bにそれぞれ形成された転造用第1歯部411が転造用素材Wの大径部W2に接触しながら同一方向に同一速度で回転する。このため転造用素材Wは一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転方向とは反対方向に回転する。一対の転造用ローラダイス41a,41bの転造用第1歯部411が転造用素材Wの大径部W2の外周面を加圧しながら回転することにより、転造用素材Wの大径部W2の外周に歯部が創成される。
図8は、第1工程で転造用素材Wが転造される様子を示す図である。転造用素材Wの大径部W2が転造用第1歯部411で加圧されながら転造用第1歯部411上を転動することにより、大径部W2が塑性変形させられる。図8の矢印は、塑性変形により大径部W2を構成する材料が流動する方向を示す。矢印で示されるように、大径部W2を構成する材料は、転造用第1歯部411の歯溝間を埋めるように、転造用第1歯部411の歯側面S1に沿ってせり上がっていく。このような材料の流れが繰り返されることにより、やがて大径部W2の外周面が図8に示すように歯状に形成される。この第1工程にて転造用素材Wが転造されることにより、転造用素材Wから、第1歯部11aが形成された第1歯車11が成形される。図9は、第1工程を経て成形された第1歯車11に形成された第1歯部11aを示す図である。
図8に示すように第1工程の実行時に大径部W2を構成する材料が形成すべき歯部の両側から転造用第1歯部411の歯側面S1に沿ってせり上がるように流動する結果、形成すべき歯部の頂部(歯先)にて両側から盛り上げられた部分が合流する。このため図9に示すように第1歯部11aの頂部に凹部が形成される。
また、第1工程で用いられる転造用第1歯部411の歯丈H1は、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも十分に大きい。したがって、第1工程にて成形される第1歯車11の第1歯部11aの歯丈H’は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きい。換言すれば、第1歯車11の第1歯部11aの歯丈H’が最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きくなるまで、第1工程にて転造用素材Wが転造される。また、第1歯部11aの歯厚D’は、最終歯車13の第3歯部13aの歯厚に等しい。
さらに、第1歯部11aの歯底付近の形状は、転造用第1歯部411の歯先付近の形状を精度良く転写するため、第1歯部11aの歯底面B’と歯側面S’とを接続する曲面の半径である歯底半径R1’は、転造用第1歯部411の歯先半径R11に等しい。ここで、転造用第1歯部411の歯先半径R11は、上述したように最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径よりも大きい。したがって、第1歯部11aの歯底半径は、最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径よりも大きい。
以上のことから、第1工程にて、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きい歯丈H’、最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径よりも大きい歯底半径R1’、および最終歯車13の第3歯部13aの歯厚に等しい歯厚D’を有する第1歯部11aが形成された第1歯車11が成形される。つまり、第1工程にて、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きい歯丈、最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径よりも大きい歯底半径、および最終歯車13の第3歯部13aの歯厚に等しい歯厚を有する第1歯部11aが形成された第1歯車11が成形されるように、制御装置6が、一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転および第1駆動軸42a,第2駆動軸42bの移動量ならびに一対の転造用ローラダイス41a,41bから転造用素材Wに作用する加圧力を制御する。
(第2工程:形状成形工程)
第2工程では、第1歯車11の第1歯部11aが一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面の領域Bに形成された転造用第2歯部412上を転動するように、制御装置6により一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転が制御される。図10は、第2工程時における第1歯車11の第1歯部11aと一対の転造用ローラダイス41a,41bとの配置関係を示す図である。図10に示すように、第2工程の実施中、一対の転造用ローラダイス41a,41bにそれぞれ形成された転造用第2歯部412が第1歯車11の第1歯部11aに噛み合う。転造用第2歯部412が第1歯部11aに噛み合った状態で転造用ローラダイス41a,41bが同一方向に同一速度で回転することにより、第1歯車11が転造用ローラダイス41a,41bの回転方向と反対の方向に回転させられるとともに、第1歯部11aが転造用第2歯部412によって塑性変形(転造)される。
図11は、第2工程で第1歯車11が転造される様子を示す図である。第1歯車11の第1歯部11aが転造用第2歯部412に噛み合いながら回転する。また、第1歯部11aの歯底部分や歯先部分が転造用第2歯部412に干渉する。干渉部分が転造用第2歯部412で塑性変形させられる。図11の矢印は、塑性変形により第1歯部11aを構成する材料が第2工程中に流動する方向を示す。矢印で示されるように、第1歯部11aを構成する材料は、転造用第2歯部412の歯溝間を埋めるように、転造用第2歯部412の歯側面S2に沿ってせり上がっていく。このような材料の流れが繰り返されることにより、第1歯部11aが転造用第2歯部412の形状を転写するように塑性変形される。そして、転造用第2歯部412の形状を転写した第2歯部12aが形成された第2歯車12が成形される。図12は、第2工程を経て成形された第2歯車12の第2歯部12aを示す図である。
また、第2工程においては、図11の矢印で示すように流動する第1歯部11aを構成する材料が十分に歯先まで回り込むので、図12に示す第2歯車12の第2歯部12aの歯丈H”が転造用第2歯部412の歯丈H2に等しくなるように、第2歯部12aが形成される。また、第2工程で成形される第2歯車12の第2歯部12aの歯底部分が転造用第2歯部412の歯先部分の形状を精度良く転写するので、第2歯部12aの歯底面B”と歯側面S”との間を接続する曲面の半径である歯底半径R1”は、転造用第2歯部412の歯先半径R21に等しい。さらに、第2工程では上述したように材料が十分に歯先まで回り込むので、第2工程で成形される第2歯車12の第2歯部12aの歯先部分が転造用第2歯部412の歯底部分の形状を精度良く転写する。そのため第2歯部12aの歯先面T”と歯側面S”との間を接続する曲面の半径である歯先半径R2”は、転造用第2歯部412の歯底半径R22に等しい。
また、転造用第2歯部412の歯丈H2は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈に等しく、転造用第2歯部412の歯先半径R21は最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径に等しく、転造用第2歯部412の歯底半径R22は最終歯車13の第3歯部13aの歯先半径に等しい。加えて、第2歯部12aの歯厚D”は最終歯車13の第3歯部13aの歯厚に等しい。以上のことから、第2工程にて、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈、歯底半径、歯先半径、および歯厚に等しい歯丈、歯底半径、歯先半径、および歯厚を有する第2歯部12a、すなわち最終歯車13の第3歯部13aと同一形状の歯部が形成された第2歯車12が、成形される。換言すれば、第2工程にて、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈、歯底半径、歯先半径、歯厚に等しい歯丈、歯底半径、歯先半径、歯厚を有する第2歯部12aが形成された第2歯車12が成形されるように、制御装置6が一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転および第1駆動軸42a,第2駆動軸42bの移動量ならびに一対の転造用ローラダイス41a,41bから第1歯車11に作用する加圧力を制御する。
転造用第2歯部412で転造される第1歯車11の第1歯部11aの歯丈H’は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きく、第1歯部11aの歯厚は第3歯部13aの歯厚に等しい。つまり、第1歯車11の第1歯部11aの容積は、最終歯車13の第3歯部13aの容積よりも大きい。一方、転造用第2歯部412は、最終歯車13の第3歯部13aと同一形状の歯部を形成するように構成されている。したがって、第2工程では、本来形成すべき歯部の容積よりも大きな容積を有する歯部が転造される。そのため、図11に示すように第2工程では転造用第2歯部412の歯底部分(ダイス側の歯底部分)に第1歯部11aの歯先部分(歯車側の歯先部分)が当接した状態で転造が進行する。ダイス側の歯底に歯車側の歯先が当接した状態で転造すると、ダイス側の歯側面に沿って流動する歯車側の材料の流れが悪くなる。つまり、材料充填率が高くなり過ぎるので、材料が流動し難くなる。材料が流れにくくなると、ダイス側の歯側面に沿って流れる材料が停滞する結果、成形される歯部の歯側面が歪な形状に形成される。したがって、第2工程で成形される第2歯車12の外形は最終歯車13に一致しているものの、歯側面の精度が悪化している。ただし、第2工程では、歯車の歯底部分および歯先部分のみの成形であるので、精度の悪化は最小限にとどめられる。
(第3工程:均し工程)
第3工程では、第2歯車12の第2歯部12aが一対の転造用ローラダイス41a,41bの外周面に形成された転造用第3歯部413上を転動するように、制御装置6により一対の転造用ローラダイス41a,41bの回転が制御される。図13は、第3工程時における第2歯車12の第2歯部12aと一対の転造用ローラダイス41a,41bとの配置関係を示す図である。図14は、第3工程で第2歯車12が転造される様子を示す図である。第3工程の実行中、一対の転造用ローラダイス41a,41bの転造用第3歯部413が第2歯車12の第2歯部12aに噛み合う。転造用第3歯部413が第2歯部12aに噛み合った状態で一対の転造用ローラダイス41a,41bが同一方向に同一速度で回転することにより、第2歯車12が転造用ローラダイス41a,41bの回転方向とは反対方向に回転させられるとともに、第2歯部12aが転造用第3歯部413によって塑性変形される。
第3工程で用いられる転造用第3歯部413の形状は、第1工程で用いられる転造用第1歯部411の形状と同一である。つまり、転造用第3歯部413の歯丈および歯先半径および歯底半径は、転造用第1歯部411の歯丈H1、歯先半径R11および歯底半径R12に等しい。また、第2歯車12の第2歯部12aの歯丈H”、歯底半径R1”および歯先半径R2”は、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈、歯底半径および歯先半径に等しい。さらに、転造用第1歯部411の歯丈H1は最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きく、転造用第1歯部411の歯先半径R11は最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径よりも大きい。
以上のことから、第3工程では、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きい歯丈および最終歯車13の第3歯部13aの歯底半径よりも大きい歯先半径を有する転造用第3歯部413により、最終歯車13の第3歯部13aと同形状の第2歯部12aが転造される。
したがって、転造用第3歯部413(ダイス側の歯部)の形状と、転造用第3歯部413で転造される第2歯部12a(歯車側の歯部)の形状とを比較すると、転造用第3歯部413の歯丈(H1)は第2歯車12の第2歯部12aの歯丈H”よりも大きく、転造用第3歯部413の歯先半径(R11)は第2歯車12の第2歯部12aの歯底半径R1”よりも大きい。
ダイス側の歯丈が歯車側の歯丈よりも大きく、ダイス側の歯先半径が歯車側の歯底半径よりも大きい場合、ダイス側の歯部の歯側面で歯車側の歯部の歯側面が擦られるように歯車が塑性変形される。本実施形態においては、第3工程にて、転造用第3歯部413の歯側面で第2歯車12の第2歯部12aの歯側面が擦られる。これにより第2歯車12の歯側面が均されて、最終歯車13が成形される。また、ダイス側の歯先半径が歯車側の歯底半径よりも大きいため、第2工程で成形された第2歯車12の第2歯部12aの歯底部分は、第3工程時に加工(塑性変形)されない。さらに、ダイス側の歯丈が歯車側の歯丈よりも大きいので、第3工程の実行時に第2歯部12aの歯先部分が転造用第3歯部413に干渉しない。このため第2工程で成形された第2歯車12の第2歯部12aの歯先部分も、第3工程時に加工(塑性変形)されない。故に、第3工程では第2歯部12aの歯先半径および歯底半径は変化しない。図15は、第3工程を経て成形された最終歯車13の第3歯部13aを示す図である。図15に示す第3歯部13aの歯丈H、歯底面Bと歯側面Sとを接続する曲面の半径である歯底半径R1、および、歯先面Tと歯側面Sとを接続する曲面の半径である歯先半径R2は、第2歯車12の第2歯部12aの歯丈H”、歯底半径R1”および歯先半径R2”にそれぞれ等しい。
以上の各工程(第1工程、第2工程、第3工程)が、一つの転造装置1(一対の転造用ローラダイス41a,41b)により順に実行される。具体的には、第1工程の開始時に転造用素材Wを図4の符号Uで表わされる位置で転造用第1歯部411に当接させ、その後、転造用ローラダイス41を図4において反時計周り方向に回転させる。すると、転造用素材Wは時計周り方向に回転するとともに、転造用ローラダイス41の外周領域Aに形成された転造用第1歯部411上を転動する。
転造用素材Wは転造用第1歯部411上を転動することにより塑性変形させられる。そして、転造用素材Wが図4の符号Vで表わされる位置に到達したときに第1歯車11が成形されて第1工程が完了するとともに第2工程が開始される。第2工程が開始されると、第1歯車11が時計周り方向に回転するとともに転造用ローラダイス41の外周領域Bに形成された転造用第2歯部412上を転動する。第1歯車11は転造用第2歯部412上を転動することにより塑性変形させられる。そして、第1歯車11が図4の符号Wで表わされる位置に到達したときに第2歯車12が成形されて第2工程が完了するとともに第3工程が開始される。第3工程が開始されると、第2歯車12が時計周り方向に回転するとともに転造用ローラダイス41の外周領域Cに形成された転造用第3歯部413上を転動する。第2歯車12は転造用第3歯部413上を転動することによりその歯側面が均される。そして、第2歯車12が図4の符号Xで表わされる位置に到達したときに最終歯車13が成形されて第3工程が完了する。
こうした一連の動作により、第1工程、第2工程および第3工程が連続的に実行される。したがって、転造用ローラダイス41が一回転することにより転造用素材Wから最終歯車13が成形される。なお、転造用ローラダイスは、往復回転しながら徐々に反時計周り方向に回転するように構成してもよい。このようにすれば、転造用ローラダイスの一回転あたりにおける歯車の転動距離を延ばすことができる。よって、転造用ローラダイスの小型化を図ることができる。
以上のように、本実施形態に係る歯車の転造方法は、上述のように説明した第1工程、第2工程および第3工程を含む。第1工程では、成形すべき最終歯車13の歯部(第3歯部13a)の歯丈(H)よりも大きい歯丈(H1)および最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)よりも大きい歯先半径(R11)を有する転造用第1歯部411が形成された転造用ローラダイス41を用いて転造用素材Wを転造することにより、最終歯車13の歯部の歯丈(H)よりも大きい歯丈(H’)、最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)よりも大きい歯底半径(R1’)、および最終歯車13の歯部の歯厚に等しい歯厚(D’)を有する第1歯部11a、すなわち最終歯車13の歯部の容積よりも大きい容積を有する第1歯部11aが形成された第1歯車11を成形する。第2工程では、最終歯車13の歯部の歯丈(H)に等しい歯丈(H”)、最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)に等しい歯先半径(R21)および最終歯車13の歯部の歯先半径(R2)に等しい歯底半径(R22)を有する転造用第2歯部412が形成された転造用ローラダイス41を用いて第1歯車11を転造することにより、最終歯車13の歯部の歯丈(H)、歯底半径(R1)、歯先半径(R2)および歯厚に等しい歯丈(H”)、歯底半径(R1”)、歯先半径(R2”)および歯厚(D”)を有する第2歯部12aが形成された第2歯車12を成形する。そして、第3工程では、最終歯車13の歯部の歯丈(H)よりも大きい歯丈(H1)および最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)よりも大きい歯先半径(R11)を有する転造用第3歯部413が形成された転造用ローラダイス41を用いて第2歯車12を転造することにより、第2歯車12の第2歯部12aの歯側面を平滑化して、第2歯車12から最終歯車13を成形する。
また、本実施形態の転造装置1は、成形すべき最終歯車13の歯部(第3歯部13a)の歯丈(H)よりも大きい歯丈(H1)および最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)よりも大きい歯先半径(R11)を有する転造用第1歯部411と、最終歯車13の歯部の歯丈(H)に等しい歯丈(H2)および最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)に等しい歯先半径(R21)ならびに最終歯車13の歯部の歯先半径(R2)に等しい歯底半径(R22)を有する転造用第2歯部412と、最終歯車13の歯部の歯丈(H)よりも大きい歯丈(H1)および最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)よりも大きい歯先半径(R11)を有する転造用第3歯部413と、が形成された転造用ローラダイス41と、転造用素材Wを転造用第1歯部411で転造することにより最終歯車13の歯部の歯丈(H)よりも大きい歯丈(H’)、最終歯車13の歯部の歯底半径(R1)よりも大きい歯底半径(R1’)、および最終歯車13の歯部の歯厚に等しい歯厚(D1)を有する第1歯部11aが形成された第1歯車11が成形され、次いで、第1歯車11を転造用第2歯部412で転造することにより最終歯車13の歯部の歯丈(H)、歯底半径(R1)、歯先半径(R2)および歯厚に等しい歯丈(H”)、歯底半径(R1”)、歯先半径(R2”)および歯厚(D”)を有する第2歯部12aが形成された第2歯車12が成形され、次いで、第2歯車12を転造用第3歯部413で転造することにより第2歯車12の歯部12aの歯側面を平滑化して第2歯車12から最終歯車13が成形されるように、転造用ローラダイス41の動作を制御する制御装置6と、を備える。
本実施形態によれば、第1工程で最終歯車の歯部の容積よりも大きな容積の歯部が予備成形され、第2工程で最終歯車の歯部の歯丈、歯底半径、歯先半径および歯厚に等しい歯丈、歯底半径、歯先半径および歯厚を有する歯部が形成された歯車が成形される。そして、第3工程で歯側面が均される。したがって、歯側面の平滑性を維持しつつ、所望の歯先半径および歯底半径を有する歯部が形成された歯車を転造により成形することができる。つまり、第3工程(均し工程)を設けることによって、その前の工程(第2工程)で歯側面の寸法精度の悪化を考慮することなく、小さな歯底半径および歯先半径(例えば歯丈の10%以下の歯底半径および歯先半径)を有する歯車を転造により成形することができる。よって、歯先半径および歯底半径が小さく且つ歯側面の平滑性が良好な歯部が形成された歯車を転造により成形することができる。
歯先半径の小さな歯車を転造により成形する場合、応力集中によりダイスに作用する加工負荷が大きいので、ダイスの寿命が低下すると考えられる。しかしながら、本実施形態においては、第1工程で歯車を予備成形したのちに、第2工程で歯先半径および歯底半径の小さい歯車を転造するので、第2工程で転造用ローラダイスに作用する加工負荷が小さく、応力集中が緩和される。その結果、転造用ローラダイスの寿命を向上させることができる。
また、転造用第3歯部413は転造用第1歯部411と同一形状である。すなわち、第1工程で用いられる転造用第1歯部411と同一形状の歯部が第3工程でも用いられる。このため転造用の歯部の作製に要する費用が低減される。
また、一つの(一対の)転造用ローラダイス41に、転造用第1歯部411および転造用第2歯部412ならびに転造用第3歯部413が形成されている。そして、第1工程、第2工程及び第3工程にて、一つの転造用ローラダイス41が共用される。このため設備投資費用がより低減される。また、各工程を実施するごとに型を交換する作業(段取り)が発生しないので、製造コストも低減される。
本実施形態において、転造用第3歯部413の歯底半径(R12)は、第3工程の実行時に第2歯部12aの歯先部分が転造用第3歯部413に干渉しない程度の大きさに形成されている。ただし、転造用ダイスの強度を確保する観点から、歯底半径R12はできるだけ大きい方が良い。この場合において、転造用第3歯部413の歯底半径R12が、転造用第3歯部413の歯丈(H1)とこの転造用第3歯部413で転造される第2歯車12の第2歯部12aの歯丈H”との差ΔH(=H1−H”)がよりも大きいと、第3工程の実行時に第2歯部12aの歯先部分が転造用第3歯部413に干渉してしまうおそれがある。したがって、転造用第3歯部413の歯底半径R12は、差ΔHを越えない範囲で大きく形成されているとよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、本実施形態によれば、ローラダイスを用いて歯車を転造する例について説明したが、ラック状のダイスを用いて歯車を転造してもよい。また、本実施形態においては、転造用ローラダイス41の外周の半分の領域(領域A)に転造用第1歯部411が形成され、1/4の領域(領域B)に転造用第2歯部412が形成され、残りの1/4の領域(領域C)に転造用第3歯部413が形成されている例を示したが、各歯部の形成領域は、それぞれの工程に要する時間や加工負荷に応じて適宜変更することができる。また、上記実施形態では、第1工程にて、最終歯車13の第3歯部13aの歯丈よりも大きい歯丈を有する第1歯部11aが形成された第1歯車11を成形したが、第1歯部11aの容積が第3歯部13aの容積よりも大きくなるように形成されていれば、第1歯部11aの歯丈が第3歯部13aの歯丈よりも小さくても良い。この場合、第1歯部11aの歯厚が第3歯部13aの歯厚よりも大きくなるように、第1歯車11が成形されるとよい。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。