JP6110394B2 - マルチ材料ギアを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチ材料ギアを製造する方法に関する。

ギアは、自動車産業に限らず、航空宇宙産業、船舶、農業、コンベアシステム、発電所、採鉱産業、太陽エネルギーシステム、及び風力タービンを含む広い範囲の用途で使用されている。ギア産業は、開発国からの需要のために近年迅速に成長している産業となっている。ギアに対する需要は、今後数年増加し続けると推定される。需要の最も大きな増加は、開発国での自動車への適用や、風力及び太陽エネルギーユニットにおける需要の増加にあると期待される。

ギアは、鋼とニッケルの超合金（１６ＭｎＣｒ５，ＡＩＳＩ４３２０及びＡＩＳＩ９３１０のような）を含む展伸用金属合金から粉末金属やナイロンのようなプラスチックスまでの範囲の種々の材料から作られる。

材料が他の部位よりも厳しい使用状態に置かれるギアの部位がある。より高いストレスが、二つの歯合するギア同士間の接触線、歯根、及び恐らくシャフトへギアを取り付けられるキー溝やスプラインにおける領域に与えられる。これらの部位は、ギアのコアに位置する残りの材料よりも大きなストレスを受けることになる。歯接触ストレスのような高いストレスは、歯接触ポイントに対して垂直な深さによって非常に迅速に減少する、即ち、ギアの歯の深さが僅か０．５ｍｍになるだけで、ストレスの５０％が減少されうる。

従って、高いストレスがギアのあるエリアにあり、深さが増すにつれて迅速に減少するので、高性能材料がギアのストレスが大きなエリアに使用され、且つ低性能材料（幾分高価な材料）が余り大きくない部位に使用されるマルチ材料ギアを製造することが提案されている。マルチ材料の使用によって、軽量、低コスト、耐食性、高性能等のような種々の目的のためにギアを最適化することができる。例えば、軽量のギアは、そのコアや中間領域において低密度材料を使用し、従来の材料を重要領域、周辺及びコアに使用することで製造可能である。低コストのギアは、コアに低コストの材料を使用し、且つ必要な負荷を伝達可能にするため重要な部位のみには高性能材料を使用することによって製造可能である。

マルチ材料ギアは過去において提案されている。例えば、Ａｌｂｅｒｔ Ｗａｄｌｅｉｇｈ氏による米国特許（米国特許第５，２７１，２８７）号は、内側のアルミニウムのコアを“鋼外側環状ギア歯付プロファイル（ｓｔｅｅｌ ｏｕｔｅｒ ａｎｎｕｌａｒ ｇｅａｒ ｔｏｏｔｈｅｄ ｐｒｏｆｉｌｅ）”に摩擦溶接することによるマルチ金属ギアを提案している。更に、ギアブランクを製造するためのバイメタル鋳造技術がＭｉｌｌｅｒ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ社によって既に用いられている。更に、バイメタルギアは、内部軽量コアと鋼外部を形成するために機械加工し且つ二つの貫通孔のねじ山を組み合わせることによって製造されてきた。軽量ギアは、ソリッドギアの内部部位に孔を機械加工することによっても製造されてきたが、これは高価である。

提案されたマルチ材料ギアを製造するための方法は、鍛造を備える形成プロセスを経由する。このプロセス中、機械的接合並びに拡散接合のような種々の接合技術が用いられて異なる材料同士間の境界で構造的一体性を得て従来のギアの全体的な機械的性能を有するギアを作り出す。

本発明の一態様に従って、マルチ材料ギアの製造の方法が提供され、この方法は、
（ａ）第１の材料の第１のプレフォーム要素をその第１の材料が形成される温度に加熱し、
（ｂ）第２の材料の第２のプレフォーム要素をその第２の材料が形成される温度に加熱し、
（ｃ）ダイで前記第１及び第２のプレフォーム要素を少なくとも前記ギアの形状に形成し、それによって前記要素同士間の接合を行うことを特徴とする。

ギアを製造するための種々のプロセスが存在し、これらのプロセスは、切断プロセスと形成プロセスのいずれかにグループ分けされる。形成プロセスの場合、プラスチックギアが典型的には射出成形で製造されるが、金属ギアは、鋳造や鍛造から製造されうる。鍛造は、より高い生産速度、向上された表面仕上げ、より低い原料消費でギアを製造し、且つコストの節約を可能とするので、鋳造よりも好ましい。また、鍛造されたギアは、細孔のない微細粒マイクロ構造を有するので、鋳造されたギアよりも優れた機械的特性を発揮する。また、鍛造ギアは、材料繊維がそれらの先端が切り取られる代わりに強度を増加するために好ましい配向に位置合わせされているので、機械加工されたギアよりも強度、特に動的強度がより高い。

一方又は両方の加熱ステップは、一つの炉又は各炉で行われてもよい。一方又は両方の加熱ステップは、各プレフォーム要素をその炉又は各炉へ配置するステップによって開始されてもよい。その炉又は各炉は、プレフォーム要素や各プレフォーム要素をそれらのプレフォーム要素又は各プレフォーム要素が形成される温度まで加熱されてもよい。

第１の材料が形成される温度は、第２の材料が形成される温度と実質的に同じであってもよい。この場合、プレフォーム要素（複数）は、同じ炉で加熱されてもよい。第１の材料が形成される温度は、第２の材料が形成される温度と実質的に異なっていてもよい。この場合、プレフォーム要素（複数）は、別個の炉で加熱されてもよい。

プレフォーム要素（複数）は、並列に配置されてもよい。これらの要素は、一方が他方へ嵌合するように配置されてもよい。これらの要素は、実質的に円筒形であり、環状であってもよい。これらの要素は、軸方向に一方が他方へ嵌合するように配置されてもよい。これらの要素のうち、外側の要素は、部分的に、製造されるべきギアの外側部分が放射状になるように形成されてもよい。このことは、これらの要素のうちの外側の要素がギアの歯に対応する突起を有することを含んでもよい。外側及び／又は内側の要素は、実質的に円筒形の外側表面及び／又は内側表面を有してもよい。

本方法は、プレフォーム要素を並置することを含んでもよく、これには、これらの要素を一方が他方の内側にあるように配置するステップを含んでもよい。本方法は、例えば形成温度を異にして加熱した後に、これらの要素を並置することを含んでもよく、本方法は、例えば形成温度が実質的に同じときには、加熱する前にこれらの要素を並置することを含んでもよい。本方法は、これらの要素を形成する前にダイに並置することを含んでもよい。本方法は、炉（複数）又は各炉からダイへこれらの要素を移動することを含んでもよい。

形成する過程は、各要素の少なくとも一部を変形するために、これらの要素へ力を印加することを含む。変形は、これらの要素間における機械的な接合、例えば、機械的なキー溝形成を行うことであってもよい。変形は、これらの要素間に拡散接合を行うことであってもよい。変形は、これらの要素間の接着を行うことであってもよい。接合及び／又は接着は、これらの要素の相対角運動に抗することであってもよい。その力は、実質的に放射状の変形を引き起こす実質的に軸方向の力であってもよい。本方法は、これらの要素を異なる角度位置で異なる放射状の量だけ変形することを含んでいてもよい。本方法は、ギアにおけるギア歯の角度位置に対応する角度位置でより多くこれらの要素を変形することを含んでいてもよい。形成する過程は、ダイでこれらの要素を共にギアの形状に形成することを含んでもよい。

二つよりも多くのプレフォーム要素があってもよい。第３のプレフォーム要素が設けられてもよい。この第３のプレフォーム要素は、第３の材料で作られてもよいし、或いは第１又は第２の材料から作られてもよい。その材料、従って、その材料が形成されうる温度によって、この第３のプレフォーム要素は、第１及び／又は第２の要素と同じ炉で加熱されてもよく、又はそれは別個の炉で加熱されてもよく、又は加熱されなくてもよい。また、第３の要素は、例えば、これらの要素のうちの１つの内側に嵌合することによって、第１又は第２の要素と並置するように配置されてもよい。また、第３の要素は、実質的に円筒形であってもよく、実質的に環状であってもよい。第３の要素は、第１及び／又は第２の要素と同じ方法で変形されてもよい。更なるプレフォーム要素があってもよく、これらの各々は、同様の方法で他の要素と共に加熱され形成されてもよい。

材料のうちの一つは、より高い性能の材料であってよく、材料のうちの一つは、低性能材料であってもよい。最も外側の要素の材料は、より高い性能の材料であってもよい。最も内側の要素の材料は、より高い性能の材料であってもよく、またそれはより低い性能の材料でもよい。最も外側の材料と最も内側の材料との間の要素の材料は、より低い性能の材料であってもよい。性能は、強度及び／又は硬度及び／又は重量に関する性能である。

第１及び第２の材料は、金属であってもよく、またそれらはプラスチックでもよい。材料の一つ又は各々は、例えば、鋼合金、ニッケル超合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金であってもよい。

本発明の他の態様によっても、上記で定義されたギアは提供されうる。

三つの異なる材料から形成されたギアの斜視図である。

ギアの製造方法の概略図である。

本発明の実施形態にかかる方法によって形成されたギアであって、そのギアが二つの材料で形成されていることを示す二つの図である。

本発明の実施形態にかかる方法に従って製造されたマルチ材料ギアの実施例が図１に示されている。図１から理解されるように、より高い性能のギア材料は、高いストレス部位に適用され、他方、より軽量の材料は、低いストレスのコア部位に適用される。

このギアを製造するための鍛造方法は、選択された材料に依存する。例えば、チタン（１７２５℃）と鋼（１５００℃）［１２］のような類似する融点を有する二つの金属が選択されると、加熱は、一つの炉内で実行されてもよい。しかしながら、マンガン（６８５℃）と鋼（１５００℃）のような非類似の金属が選択されると、個々の材料をそれらの必要な鍛造温度へ加熱するために異なる加熱設備が必要である。

形成プロセスの記述は、以下に概説される。
・使用されるべき材料の各々に対してプレフォームを準備する。例えば、３つの材料から製造されるギアでは、外側リング、内側コア及び内側リングのためのプレフォームが必要とされる。より多くの層が、必要に応じて追加されてもよい。
・炉内で個々のプレフォームを必要とされる温度まで加熱する。例えば、鋼のための炉は、約１１００℃まで加熱され、他方アルミニウムやマグネシウムのための炉は約５００℃まで加熱されうる。
・引き続いてプレフォームをダイセットへ配置する。
・プレスや他のタイプの形成マシンを使用してギアを形成する。潤滑剤が材料又は鍛造ツールセットへ適宜塗布されて摩擦を減少し、又は表面劣化を減少し、又は拡散接合を促進する。
・鍛造されたギアをダイから取り出す。
・図３は、鋼の外側リングとアルミニウムの内側コアで形成された軽量バイメタルギアの横断面図を示す。図３に示されるように、材料が流れてギア歯を形成するので、ギアは、全ての材料の広範囲に亘る変形に起因して使用される材料間で、強力な機械的ロックを示す。更なるロックは、二つの材料間の拡散接合に起因して得られる。
・マグネシウムやマグネシウムのコア材料が使用されると、その材料は、低形成性を有し、形成プロセス中に、軽量材料の亀裂を防止するために、外側の鋼リングが圧縮力を提供する。

実施形態では、以下のことが想定される。
・ギアは、鋼やニッケル超合金を含む金属合金からナイロンのようなプラスチックに及ぶ範囲の種々の材料から作られうる。
・全てのギアには、高強度、高剛性及び良好な耐摩耗性のような幾つかの機械的特性を発揮する材料が必要とされる。しかしながら、これらの特性は、通常、重いことや高コストであることを犠牲にして得られる。
・ギア全体にわたって同じ高性能ギア材料を使用する必要はない。二つの歯合するギアの間の接触線、歯根、及び恐らくギアをシャフトへ取り付けるキー溝やスプラインのような、ギアの幾つかの部位は、そのギアのコアに位置される材料よりも大きなストレスを受ける。
・高性能のギア材料がギアの重要なエリアに使用され、且つより低い性能の材料があまり重要でない部位に使用されるマルチ材料ギアが提案される。これらの材料は、低コストのギア又は軽量のギア等を製造するためであるか否かといった特定の用途によって選択されうる。
・これらのマルチ材料のギアは、形成／鍛造プロセスを介して本質的に製造される。鍛造プロセスは、鋳造に比較してより良好な全体的な機械的特性を生じさせる。本明細書においては、可能な変形モードの範囲を拡張するために、“鍛造”プロセスの代わりに、用語“形成”を使用する。
・異なる材料同士は、“機械的接合”、“拡散接合”及び接着などの一つ又はそれより多くの方法によって結合されうる。

Claims (8)

1. マルチ材料ギアを製造する方法であって、
   （ａ）第１の材料の第１のプレフォーム要素及び第２の材料の第２のプレフォーム要素を準備し、
   （ｂ）第１の炉で、前記第１の材料の前記第１のプレフォーム要素を前記第１の材料が形成される温度まで加熱し、
   （ｃ）第２の炉で、前記第２の材料の前記第２のプレフォーム要素を前記第２の材料が形成される温度まで加熱し、前記第１の材料が形成される温度は、前記第２の材料が形成される温度と実質的に異なり、
   （ｄ）前記第１及び第２のプレフォーム要素を少なくともダイで前記ギアの形状に形成して、それによって前記要素間の接合を行うことを特徴とする方法。
2. 加熱されたプレフォーム要素の一方を他方の内側に位置させることによって前記加熱されたプレフォーム要素を並置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 力を前記要素に印加して各要素の少なくとも一部を変形することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記変形は、前記要素間にキー溝を機械加工することによって機械的接合を行い、及び／又は前記変形は、前記要素間に拡散接合を行い、及び／又は前記変形は、前記要素間に接着を行うことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記接合及び／又は接着は、前記要素同士の相対角運動に抵抗することであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記力は、実質的に放射状方向への変形を引き起こす軸方向の力であることを特徴とする請求項３乃至請求項５に記載の方法。
7. 異なる角度位置における異なる放射方向の量によって前記要素を変形することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ギアのギア歯の角度位置に対応する角度位置で前記要素をより多く変形することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の方法。