JP6047831B2 - 樹脂歯車用芯金の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂外周材をリング部の外周面に接合する共に、シャフトをボス部に嵌合して使用される樹脂歯車用芯金の製造方法に関する。

従来より、樹脂外周材を芯金の外周面に接合した樹脂歯車が多用されている。
例えば下記特許文献１、２等には、パワーステアリング装置のウオームホイールとして、金属製の芯金の外周面に樹脂外周材が接合され、この樹脂外周材にギヤ歯が設けられたものが記載されている。
このようなウオームホイールでは、樹脂を用いることで軽量化が図られると共に、ギヤの噛み合い音が防止されている。

芯金は、シャフトが嵌合されるボス部と、樹脂外周材が接合されるリング部と、ボス部とリング部とを連結する連結部とで構成される。ボス部に嵌合されるシャフトには、ステアリングホイールの操蛇力が伝達され、また路面の反力が伝達されるため、ボス部とシャフトとの間の十分な接合強度が要求される。

このような芯金は、特許文献１では円盤状の金属素材を鍛造加工により深皿状に成形し、ボス部に軸孔を形成すると共にリング部に外周凹凸部を形成することで製造されている。また特許文献２では、切削、鍛造、板金プレス等の手法のうち、板金プレスを用いて板材を成形することでコストを抑えて芯金が製造されている。

特開２００１−１４１０３３号公報 特開２０１１−１０６５７５号公報

しかしながら特許文献１では、鍛造により芯金を深皿形状に製造するため、厚肉にして強度を確保しつつ軽量化できるものの、芯金の軸方向の形状が大きかった。軸方向の形状を小型化するために、ボス部とリング部とを内外に重ねて配置するとすれば、十分な強度を確保できるように厚肉の材料を用いるため、プレス圧を十分に高くすることが必要となり、設備を大型化する必要が生じ、製造が容易でない。

特許文献２では、板金プレスにより芯金を製造するため、薄肉の板材を用いれば、ボス部とリング部とを内外に重ねて容易に配置でき、小型化して軽量化できるものの、強度が低下してシャフトを十分な強度で嵌合できない。一方、厚肉の板材を用いれば、強度を確保できるものの、芯金の重量が大きくなり、またプレス圧を大きくすることで設備を大型化する必要が生じて、製造が容易でない。

そこで、本発明では、強度を確保しつつ十分な軽量化を図れる樹脂歯車用芯金を容易に製造できる製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の樹脂歯車用芯金の製造方法は、ボス部と外周面に凹凸形状が設けられたリング部とが連結部を介して同軸に設けられ、外周面に樹脂外周材を接合すると共にボス部にシャフトを嵌合して使用する樹脂歯車用芯金の製造方法であって、軸方向に中心孔を有する板材を軸方向に加圧することで絞り形状体を成形する絞り工程と、絞り工程より高い圧力で絞り形状体を軸方向に加圧することで、絞り形状体の厚みを変化させる鍛造工程と、を備え、板材の中心孔周囲を絞り工程で軸方向の一方側に変形させて内周絞り部とし、板材の外周囲を絞り工程で軸方向の一方側に変形させて外周絞り部とし、内周絞り部を鍛造工程でボス部とし、外周絞り部を鍛造工程でリング部とする。
この製造方法の鍛造工程では、リング部及び連結部の一方又は双方をボス部より薄くするのが好ましい。

絞り工程は、型面の曲面形状の曲率半径が互いに異なる複数の絞り型を、曲率半径が小さくなる順で用いて板材を複数回に分けて加圧する、請求項１乃至３の何れかに記載の樹脂歯車用芯金の製造方法。

この製造方法では、絞り工程で内周絞り部及び外周絞り部が形成された絞り形状体を形成した後、鍛造工程で内周絞り部と、外周絞り部と、内周絞り部及び外周絞り部間の領域と、をそれぞれ加圧することで、ボス部、リング部及び連結部の厚みを調整するのが好適である。

本発明によれば、板材を軸方向に加圧することで絞り形状体を成形する絞り工程と、絞り形状体を軸方向に加圧することで絞り形状体の厚みを変化させる鍛造工程とにより樹脂歯車用芯金を製造するので、切削等の機械加工のように塊状材料を多量に除去する必要がなく、また樹脂歯車用芯金の軸方向の厚みに比べて格段に薄い板材を加圧するため、高い圧力で加圧する必要がない。

しかも絞り工程では、中心孔を有する板材を加圧することで絞り形状体を成形するので、容易に内周絞り部及びボス部を形成できる。また鍛造工程では、樹脂歯車用芯金に近似する形状の絞り形状体を加圧することで各部の厚みを調整するので、容易に所望の厚みに加工できる。そのため製造が容易である。

このようにして製造すると、得られる樹脂歯車用芯金ではボス部と連結部とリング部とをそれぞれ適切な厚みに調整できるため、各部の強度を確保できる。しかもボス部と連結部とリング部との材料が連続しているので、ボス部と連結部との間や連結部とリング部との間の強度も確保できる。そのため十分な薄肉化が可能である。
従って、強度を確保しつつ軽量化を図ることが可能な樹脂歯車用芯金を容易に製造できる製造方法を提供することが可能である。

本発明の第１及び第２実施形態で製造する樹脂歯車用芯金を示す断面図である。 本発明の第１及び第２実施形態で製造する樹脂歯車用芯金を示す正面図である。 （Ａ）乃至（Ｆ）は、本発明の第１実施形態の製造方法における各工程を説明するための概略断面図である。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、本発明の第２実施形態の製造方法における各工程を説明するための概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。各実施形態では、パワーステアリング装置のウオームホイールに用いる樹脂歯車用の金属製芯金を製造する例を用いて説明する。

［第１実施形態］
この実施形態で製造する樹脂歯車用芯金１０は、図１及び図２に示すように、全体が金属材料からなり、ボス部１２と、外周面に凹凸形状１３が周方向に間隔を空けて設けられたリング部１４と、が連結部１６を介して同軸に設けられている。
リング部１４の外周面には、軸方向に沿う複数の筋状の凸部又は凹部により凹凸形状１３が形成され、軸方向の両端側には凹凸のない平滑部１７が全周に設けられている。

この樹脂歯車用芯金１０では、ボス部１２及びリング部１４が軸方向の同じ側に一体的に連続して形成されることで連結部１６を形成しており、ボス部１２とリング部１４との間には軸方向の一方側に開口した中空部１８が形成されている。リング部１４と連結部１６との連結部分、及び連結部１６とボス部との連結部分はそれぞれ曲率半径の小さい曲面形状となっている。

この樹脂歯車用芯金１０では、各部の厚みが樹脂歯車として使用される際に必要な強度を確保しつつ出来るだけ薄く形成されている。特にリング部１４及び連結部１６の少なくとも一方、ここでは双方がボス部１２より薄く形成されている。
特に限定されるものではないが、例えばリング部１４の最大径がボス部１２の外径の２倍〜５倍であって、リング部１４の最大径がボス部１２の厚みの１０倍〜２０倍としてもよい。

この樹脂歯車用芯金１０を使用するには、リング部１４の外周面に円環形状の樹脂外周材２１を溶着して複合部材２０とし、樹脂外周材２１の外周面にギヤ歯２２を設けてウオームホイールにする。
そしてステアリングホイールからの操舵力やタイヤに受ける路面からの反力が伝達されるシャフトＳを、ボス部１２に嵌合すると共に、ギヤ歯２２にモータ等の駆動装置により回転するウオームＷを螺合させて使用される。

本実施形態では、トランスファプレスを利用してこのような樹脂歯車用芯金１０を製造する。
図３（Ａ）に示すように、軸方向に中心孔３１を有する円板状の板材３０を準備する。使用する板材３０の材質は金属であれば特に限定されないが、例えば熱間圧延軟鋼板（ＳＰＨＣ）等の金属を用いてもよい。この板材３０として、表裏両面にリン酸皮膜処理等が施された金属板を用いることができる。
板材３０の中心孔３１の直径はボス部１２の内周の貫通孔１１の直径より小さいものを使用する。直径が同等以上であると一軸方向のみの加圧によりボス部１２を成形することが容易でない。

次に絞り工程を実施する。この工程では、型面の曲率半径が互いに異なる複数の絞り型を用い、曲率半径が小さくなる順で使用し、板材３０を複数回に分けて加圧する。
具体的には、図３（Ｂ）に示すように、径方向内周側の曲率半径が最も大きい内周絞り型４２ａを用い、板材３０を軸方向に加圧することで径方向内周側を一方に湾曲させる。
次いで、図３（Ｃ）に示すように、最初の内周絞り型４２ａよりも内周側の曲率半径が小さい次の内周絞り型４２ｂを用い、板材３０を軸方向に加圧することで径方向内周側が小さい曲率半径となるように変形させる。

図３（Ｄ）に示すように、柱状部４２ｄを有する内周絞り型４２ｃを用いて板材３０を軸方向に加圧することで、板材３０の中心孔３１周囲を軸方向に立ち上がらせて内周絞り部３２を形成する。

次いで図３（Ｅ）に示すように、筒状の雄型及び凹状の雌型を有する外周絞り型４４を用いて板材３０の外周側を軸方向に加圧して、外周側を内周絞り部３２と同じ側に立ち上がらせて変形させ、外周絞り部３４を形成する。このとき内周絞り部３２と同様に、外周側の曲率半径が異なる複数の外周絞り型を用いて複数回に分けて加圧してもよい。
これにより絞り形状体３５を成形する。

次いで、鍛造工程を実施する。ここでは、樹脂歯車用芯金１０に対応した成形空間を形成する雌型及び雄型からなる鍛造型４５を用い、絞り工程より高い圧力で絞り形状体３５を軸方向に加圧することで、絞り形状体３５の厚み及び形状を変化させて各部の厚み及び形状を調整する。
具体的には、図３（Ｆ）に示すように、内周絞り部３２をボス部１２となる所定の形状及び厚みにし、外周絞り部３４をリング部１４となる所定の輪郭形状及び厚みにし、内周絞り部３２と外周絞り部３４との間の中間部３６を連結部１６となる所定の形状及び厚みにする。
この実施形態では、ボス部１２をリング部１４及び連結部１６の厚みより厚くする。ボス部１２の厚みは、用いた板材３０の厚みよりも薄くてもよいが、同等とすることや厚くすることも可能である。これらは鍛造工程で用いる型を適宜選択すればよい。

この鍛造工程では、各部の形状及び厚みを調整した後、又は各部の調整と共に、リング部１４の外周面に凹凸形状１３を形成する。この実施形態では鍛造型４５に凹凸成形用型面４５ａが設けられており、リング部の厚みの調整と共に凹凸形状１３を形成する。
その後、必要に応じて仕上げ加工を行い、例えばリング部１４の外周面の軸方向両端側を切削して平滑部１７を形成したり、リング部１４の端部を除去したりすることで、各部を仕上げ、樹脂歯車用芯金１０を完成する。

このようにして得られた樹脂歯車用芯金１０は、外周部に接着剤を塗布し、その後、例えば円筒形の樹脂外周材２１を樹脂歯車用芯金１０のリング部１４に嵌合させ、凹凸形状１３の頂部を樹脂外周材２１の内周面に接触させた状態で樹脂歯車用芯金１０を誘導加熱する。これにより樹脂外周材２１の内周面を溶融させ、凹凸形状１３を樹脂外周材２１に完全に埋設してリング部１４の外周面に溶着し、樹脂歯車用複合部材２０を作製する。
この複合部材２０に対して、樹脂外周材２１の外周面に所望のギヤ歯２２を形成し、ボス部１２にシャフトを嵌合させ、ウオームホイールとしての使用に供することができる。

以上のようにして樹脂歯車用芯金１０を製造すれば、板材３０を軸方向に加圧することで絞り形状体３５を成形する絞り工程と、絞り形状体３５を軸方向に加圧することで絞り形状体３５の厚み及び形状を変化させる鍛造工程とにより樹脂歯車用芯金１０を製造することができる。従って、切削等の機械加工のように塊状材料を多量に除去する必要がなく、また樹脂歯車用芯金１０の軸方向の厚みよりも格段に薄い板材３０を加圧するため高い圧力で加圧する必要がない。

しかも絞り工程では、中心孔３１を有する板材３０を加圧することで絞り形状体３５を成形するので、容易に内周絞り部３２及びボス部１２を形成できる。また鍛造工程では、樹脂歯車用芯金１０に近似する形状の絞り形状体３５を加圧することで、各部の厚み及び形状を変化させて調整するので、各部の加工も容易である。

そしてこのように樹脂歯車用芯金１０を製造すると、ボス部１２と連結部１６とリング部１４とをそれぞれ適切な厚みに調整できるため、各部の強度を確保できる。しかもボス部１２と連結部１６とリング部１４との材料が連続しているため、ボス部１２と連結部１６との間や連結部１６とリング部１４との間の強度も確保できる。そのため十分な薄肉化が可能である。

［第２実施形態］
第２実施形態では、多軸プレスを利用して樹脂歯車用芯金１０を製造する。
まず図４（Ａ）に示すように、第１実施形態と同様の板材３０を準備する。この板材３０は、中心孔３１を有し、例えば熱間圧延軟鋼板（ＳＰＨＣ）等の金属からなり表裏両面にリン酸皮膜処理等が施されたものを用いることができる。

次に、絞り工程を実施する。ここでは絞り型５１を用いて板材３０を加圧する。
具体的には図４（Ｂ）に示すように、板材３０の中心孔３１や外周縁を利用して板材３０を絞り型５１の所定位置に配置し、板材３０の外周縁側よりも内側を加圧する筒状の上部雄絞り型５１ａ，５１ｂと板材３０の外周側を加圧する下部雌絞り型５１ｃとを軸方向に相対移動させて加圧し、外周絞り部３４を形成する。
また図４（Ｃ）に示すように、筒状の上部雄絞り型５１ａで保持しながら、板材３０の内周側を加圧する下部雄絞り型５１ｄと、内周縁側よりも外側を加圧する筒状の上部雄絞り型５１ｂと、を軸方向に相対移動させて加圧し、内周絞り部３２を形成する。
これらは順次行ってもよく、同時に行ってもよい。同時に行う場合には、下部雌絞り型５１ｃ及び下部雄絞り型５１ｄで板材３０の内周側と外周側とを加圧し、筒状の上部雄絞り型５１ａで板材３０の径方向中間部分を加圧すると共に保持しながら、筒状の上部雄絞り型５１ａｂで加圧すればよい。これにより絞り形状体３５を作製する。

次に、鍛造工程を実施する。ここでは内周絞り部３２と外周絞り部３４との間の中間部３６と、内周絞り部３２と、外周絞り部３４と、をそれぞれ鍛造型５５により軸方向に加圧する。これにより、絞り形状体３５の厚み及び形状を変化させて、連結部１６、ボス部１２、及びリング部１４の所定の厚み及び形状を調整して成形する。
具体的には、図４（Ｄ）に示すように、環状の上部鍛造型５５ａ，５５ｃ，５５ｄと下部鍛造型５５ｂ，５５ｅ，５５ｆとを用いる。上部鍛造型は、内周絞り部３２の上面を加圧する上部内周鍛造部５５ｃと、外周絞り部３４の上面を加圧する上部外周鍛造部５５ｄと、内周絞り部３２と外周絞り部３４との間の中間部３６の上面を加圧する上部中間鍛造部５５ａとが同心円状に設けられている。下部鍛造型は、内周絞り部３２の内周面に挿入される下部雄鍛造部５５ｆと、外周絞り部３４の外周面に接する下部外周鍛造部５５ｂと、中間部３６の下面を加圧する下部中間鍛造部５５ｅと、が同心円状に設けられている。

下部鍛造型５５ｂ，５５ｅ，５５ｆに絞り形状体３５を配置し、上部鍛造型５５ａ，５５ｃ，５５ｄの各部と下部鍛造型５５ｂ，５５ｅ，５５ｆの各部とをそれぞれ軸方向に相対移動させて、絞り形状体３５を絞り工程より高い圧力で軸方向に加圧することで、各部の厚み及び形状を調整して所望の連結部１６、ボス部１２及びリング部１４を鍛造する。

ここでは、下部外周鍛造部５５ｂの内側面と上部中間鍛造部５５ａの外側面との間が、目的のリング部の最大厚みに近似乃至一致する間隙となっており、下部雄鍛造部５５ｆの外側面と上部中間鍛造部５５ａの内側面との間が、目的のボス部１２の厚みに近似乃至一致する間隙となっている。
また、下部中間鍛造部５５ｅの上面と上部内周鍛造部５５ｃの下面との間を、目的のボス部１２の軸方向長さに近似乃至一致するまで加圧でき、下部中間鍛造部５５ｅの上面と上部外周鍛造部５５ｄの下面との間を、目的のリング部１４の軸方向長さに近似乃至一致するまで加圧でき、下部中間鍛造部５５ｅの上面と上部中間鍛造部５５ａの下面との間を、目的の連結部１６の厚みまで加圧できる。
これにより鍛造形状体３８を作製する。

次に、鍛造形状体３８のリング部１４の外周面に凹凸形状１３を形成するセレーション加工工程を施す。
ここでは、図４（Ｅ）に示すように、外周型５８ｂの内周側面下部に凹凸成形用型面５８ｇが設けられている。この外周型５８ｂ内で鍛造形状体３８のリング部１４を下部型５８ｅと上部型５８ａ，５８ｃ，５８ｄとで、軸方向の両側から加圧して支持する。この状態を継続しながら、リング部１４を外周型５８ｂの上部から下部の凹凸成形用型面５８ｇへ軸方向に移動させることで、リング部１４の外周面に凹凸形状１３を形成する。なお、外周型５８ｂの上部及び下部型５８ｇは下部鍛造型５５ｂ，５５ｅと略同じ形状であり、上部型５８ａ，５８ｃ，５８ｄは上部鍛造型５５ａ，５５ｃ，５５ｄと略同じ形状である。そのため共通の型で鍛造工程後にセレーション加工工程を続けて行ってもよい。

その後、必要に応じて仕上げ加工を行い、樹脂歯車用芯金１０を完成する。
このようにして得られた樹脂歯車用芯金１０は、第１実施形態と同様にして樹脂歯車用複合部材２０を作製することができ、さらに複合部材２０に所望のギヤ歯２２を形成すると共に、ボス部１２にシャフトを嵌合させて、ウオームホイールとしての使用に供することができる。

以上のような第２実施形態であっても、第１実施形態と同様に、強度を確保しつつ軽量化を図れる樹脂歯車用芯金１０を容易に製造できる。
即ち、この実施形態では、板材３０を絞り形状体３５に成形した後で鍛造して樹脂歯車用芯金１０を製造する。従って、切削加工等のように多量に切削加工したり、厚肉材料を高い圧力で鍛造したりする必要がない。また絞り工程では容易に内周絞り部３２やボス部１２を形成でき、鍛造工程では各部を容易に所望の厚み及び形状に成形できる。
しかもボス部１２と連結部１６とリング部１４とをそれぞれ適切な厚みに調整でき、各部が連続しているので、強度を確保しつつ樹脂歯車用芯金１０の十分な薄肉化を図れる。

上記各実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。例えば上記では樹脂歯車としてパワーステアリング装置のウオームホイールの場合について説明したが、他の歯車であっても本発明を適用可能である。
また、連結部１６に対してボス部１２及びリング部１４が同じ側に配置された樹脂歯車用芯金１０を製造する例を説明したが、連結部１６に対してボス部１２とリング部１６とが反対側に配置された樹脂歯車用芯金１０であっても本発明を適用可能である。

全ての絞り工程を行った後で、鍛造工程を行うことなく、絞り工程と鍛造工程とを繰り返して行うことも可能である。絞り工程と鍛造工程とを繰り返して行うと、急激な変形により板材が局部的に薄肉化することを防止できる。

上記した実施形態のように、上部鍛造型、下部鍛造型の各部は筒状に形成して径方向の内外に組み合わせて断面円形の下部雄鍛造部の周囲に配置し、それぞれ駆動制御することなく、一部を一体に形成してもよく、また下部雄鍛造部の周囲に略筒状の補助型を配置してもよい。

上記では、樹脂歯車用芯金１０のリング部１４の外周面に円環状の樹脂外周材２１を嵌合させて樹脂歯車用芯金１０を誘導加熱して樹脂外周材２１をリング部１４に溶着した。しかし、本発明はこれに特に限定されるものではなく、他の方法により樹脂外周材２１をリング部１４の外周面に接合することができる。例えば樹脂歯車用芯金１０の外周面に溶融樹脂を射出成形して樹脂外周材２１を形成してもよい。
さらに上記の鍛造工程では、絞り形状体３５の各部の形状及び厚みを調整する際、ボス部１２、リング部１４、連結部１６の全部の厚み及び形状を変化させたが、一部の形状や厚みが所望の形状であれば、変化させることなく調整することも可能である。

１０ 樹脂歯車用芯金
１１ 貫通孔
１２ ボス部
１３ 凹凸形状
１４ リング部
１６ 連結部
１７ 平滑部
１８ 中空部
２０ 複合部材
２１ 樹脂外周材
２２ ギヤ歯
３０ 板材
３１ 中心孔
３２ 内周絞り部
３４ 外周絞り部
３５ 絞り形状体
３６ 中間部
３８ 鍛造形状体
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 内周絞り型
４２ｄ 柱状部
４４ 外周絞り型
４５ 鍛造型
４５ａ 凹凸成形用型面
５１ 絞り型
５１ａ 上部雄絞り型
５１ｂ 上部雄絞り型
５１ｃ 下部雌絞り型
５１ｄ 下部雄絞り型
５５ 鍛造型
５５ａ 上部中間鍛造型
５５ｂ 下部鍛造型
５５ｃ 上部内周鍛造部
５５ｄ 上部外周鍛造部
５５ｅ 下部雌鍛造部
５５ｆ 下部雄鍛造部
５８ａ 上部中間鍛造型
５８ｂ 下部鍛造型
５８ｃ 上部内周鍛造部
５８ｄ 上部外周鍛造部
５８ｅ 下部雌鍛造部
５８ｆ 下部雄鍛造部
５８ｇ 凹凸成形用型面
Ｓ シャフト
Ｗ ウオーム

Claims (5)

1. ボス部と、外周面に凹凸形状が設けられたリング部と、が連結部を介して同軸に設けられ、上記外周面に樹脂外周材を接合すると共に上記ボス部にシャフトを嵌合して使用する樹脂歯車用芯金の製造方法であって、
   軸方向に中心孔を有する板材を該軸方向に加圧することで絞り形状体を成形する絞り工程と、
   上記絞り工程より高い圧力で上記絞り形状体を上記軸方向に加圧することで、該絞り形状体の厚みを変化させる鍛造工程と、を備え、
   上記板材の上記中心孔周囲を上記絞り工程で上記軸方向の一方側に変形させて内周絞り部とし、上記板材の外周囲を上記絞り工程で上記軸方向の一方側に変形させて外周絞り部とし、
   上記内周絞り部を上記鍛造工程で上記ボス部とし、上記外周絞り部を上記鍛造工程で上記リング部とする、樹脂歯車用芯金の製造方法。
2. 前記鍛造工程では、前記リング部及び前記連結部の一方又は双方を前記ボス部より薄くする、請求項１に記載の樹脂歯車用芯金の製造方法。
3. 前記絞り工程は、型面の曲面形状の曲率半径が互いに異なる複数の絞り型を、曲率半径が小さくなる順で用いて前記板材を複数回に分けて加圧する、請求項１又は２に記載の樹脂歯車用芯金の製造方法。
4. 前記絞り工程で、前記内周絞り部及び前記外周絞り部が形成された前記絞り形状体を形成した後、
   前記鍛造工程で、上記内周絞り部と、上記外周絞り部と、該内周絞り部及び外周絞り部の間の部位と、をそれぞれ加圧することで、前記ボス部、前記リング部及び前記連結部の厚みを調整する、請求項１乃至３の何れかに記載の樹脂歯車用芯金の製造方法。
5. 前記鍛造工程では、前記外周絞り部を加圧した後、該外周絞り部を前記軸方向に両側から加圧しつつ、該外周絞り部と凹凸成形用型面とを上記軸方向に相対移動させて前記凹凸形状を形成する、請求項１乃至４の何れかに記載の樹脂歯車用芯金の製造方法。

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