JP6360697B2 - 軸肥大加工用軸保持部材 - Google Patents

Description

本発明は、軸肥大加工用軸保持部材に関する。

軸材の軸方向の中間部に相対的に大径部を形成する加工方法の一つとして軸肥大加工が知られており、軸肥大加工方法の一例として、軸材に軸圧縮応力を負荷した状態で曲げ角度を付加して軸材を回転させることにより軸材の一部を肥大させ、それにより大径部を形成する方法が知られている。

上記軸肥大加工方法を行う加工機は、典型的には軸材の両端部を保持する一対の軸保持部材と、軸材が配置される基準線に沿って配置され、軸保持部材が固定される一対のスピンドルとを備え、一方のスピンドルを基準線に沿って移動させて軸材を軸方向に圧縮しつつ、他方のスピンドルを基準線に対して傾斜させて回転させ、軸材の一部を肥大させている（例えば、特許文献１参照）。

軸保持部材は軸材との接触によって損耗し、そのため軸保持部材は適宜交換される。特許文献１に記載された軸保持部材は、スピンドルに固定されるケースと、このケースに圧入されるスリーブとを備え、スリーブのみを交換可能に構成されている。スリーブは軸材との接触により損耗するが、スリーブのみの交換とすることでコスト削減が図られている。

特開２０１３−１６６１６８号公報

特許文献１に記載された軸保持部材において、スリーブは軸材の肥大部と接触し、軸材の圧縮に伴い、スリーブには軸材の圧縮方向とは反対方向に荷重が作用する。スリーブに作用する荷重が過大となると、スリーブが軸材の圧縮方向とは反対方向に移動してケースに対して位置ズレを生じる場合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、ケースとケースに挿入されるスリーブとを備える軸保持部材において、スリーブの位置ズレを防止することを目的とする。

軸材の一部を肥大させる軸肥大加工において、軸材の端部を保持する軸保持部材であって、軸材に軸圧縮応力を負荷する加圧装置に固定される筒状のケースと、前記ケース内に挿入され、前記軸材の端部を収容し且つ該軸材の肥大部と接するスリーブと、を備え、前記ケースの内周面及び前記スリーブの外周面には、互いに嵌合する環状の凹凸部によって構成され、前記軸材の圧縮方向とは反対方向への前記スリーブの相対移動を阻止する係合部が設けられている軸保持部材。

本発明によれば、ケースとケースに挿入されるスリーブとを備える軸保持部材において、スリーブの位置ズレを防止することができる。

本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の一例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の他の例を模式的に示す図である。 図１の軸肥大加工方法を実施する軸肥大加工機の一例の側面図である。 図６の軸肥大加工機の軸保持部材及びスピンドルの断面図である。 図７の軸保持部材の構成を模式的に示す図である。 図７の軸保持部材の変形例の構成を模式的に示す図である。

図１から図５は、本発明の実施形態を説明するための、軸肥大加工方法の種々の例を模式的に示す。

図１に示す軸肥大加工方法は、軸材Ｗに軸圧縮応力を負荷した状態で曲げ角度を付加して軸材Ｗを回転させることにより軸材Ｗの一部を肥大させるものである。

図１（Ａ）に示すように、軸材Ｗの両端部が、基準線Ａ上にて対向して配置された一対の軸保持部材１ａ，１ｂにそれぞれ挿入される。そして、軸材Ｗの両端部が軸保持部材１ａ，１ｂの底部にそれぞれ当接し、軸材Ｗは一対の軸保持部材１ａ，１ｂによって挟持される。一対の軸保持部材１ａ，１ｂの間には所定の間隔Ｄがあけられ、間隔Ｄは、軸材Ｗに形成される肥大部の軸方向長さ及び外径に応じて決定される。

図１（Ｂ）に示すように、軸保持部材１ｂが基準線Ａに沿って並進移動され、一対の軸保持部材１ａ，１ｂによって挟持された軸材Ｗは軸方向に圧縮される。そして、軸保持部材１ａが基準線Ａに対して傾斜され、また、回転駆動され、一対の軸保持部材１ａ，１ｂに挟持された軸材Ｗは、基準線Ａ上の曲げ中心Ｏを中心に曲げられ、且つ軸材Ｗの軸線まわりに回転される。軸材Ｗの曲げ及び回転に伴い、軸材Ｗの湾曲部（中間部）には、曲げ方向における内側と外側とで軸材Ｗの軸方向と交差する方向に交番負荷が加えられる。

図１（Ｃ）に示すように、軸材Ｗは軸方向に圧縮されていることから、軸材Ｗの湾曲部の内側が塑性変形によって膨出し、塑性変形による膨出が全周に亘って成長して軸材Ｗの湾曲部が肥大する。

図１（Ｄ）に示すように、一対の軸保持部材１ａ，１ｂの間隔が目標間隔（軸材Ｗの肥大部の軸方向長さ）に到達した後、軸材Ｗの圧縮が停止され、そして、基準線Ａに対して傾斜された軸保持部材１ａが再び基準線Ａに沿って配置されて軸材Ｗが曲げ戻しされる。以上の手順により軸材Ｗに対する肥大加工が完了し、軸材Ｗの回転が停止される。

この後、図１（Ｅ）に示すように、軸材Ｗは一対の軸保持部材１ａ，１ｂから取り外される。

図２に示す軸肥大加工方法は、軸材Ｗの曲げ及び軸線まわりの回転によって軸材Ｗの湾曲部（中間部）に交番負荷を加える点で図１の軸肥大加工方法と共通するが、一方の軸保持部材１ａの基準線Ａに対する傾動に替えて、基準線Ａと交差する方向への軸保持部材１ａのスライドにより、軸材Ｗを曲げるようにしたものである。

図３に示す軸肥大加工方法は、一方の軸保持部材１ａにて軸材Ｗの端部を回転可能に非拘束状態にて保持し、他方の軸保持部材１ｂにて軸材Ｗの端部を回転不能に拘束状態にて保持し、軸保持部材１ａ及びこの軸保持部材１ａに保持された軸材Ｗの端部を基準線Ａまわりに旋回させることにより、軸材Ｗを曲げ、且つ軸材Ｗの湾曲部（中間部）に交番負荷を加えるようにしたものである。

図４に示す軸肥大加工方法は、軸保持部材１ａ，１ｂの各々にて軸材Ｗの端部を回転不能に拘束状態にて保持し、一方の軸保持部材１ａを基準線Ａまわりに往復回転させることにより、軸材Ｗの中間部に交番負荷を加えるようにしたものである。

図５に示す軸肥大加工方法は、軸保持部材１ａ，１ｂや軸材Ｗの変位や回転に替えて、振動発生器ＯＳＣから軸材Ｗに曲げ又は捻り振動を与えることにより、軸材Ｗの中間部に交番負荷を加えるようにしたものである。

図６は、図１に示した軸肥大加工方法を実施する軸肥大加工機の一例の構成を示す。

図６に示す軸肥大加工機１０は、軸材の端部を保持する一対の軸保持部材１１と、軸材が配置される基準線Ａに沿って互いに離間して配置された一対のホルダユニット１２ａ，１２ｂを備えている。一方のホルダユニット１２ａは、基準線Ａに対して傾動可能に基台１３に支持されており、また、他方のホルダユニット１２ｂは、基準線Ａに沿って移動可能に基台１３に支持されている。

ホルダユニット１２ａ，１２ｂは、軸保持部材１１が装着されるスピンドル１４と、スピンドル１４を回転可能に支持するハウジング１５と、軸保持部材１１に挿入された軸材の端部を軸保持部材１１から押し出すためのシリンダ１６とをそれぞれ含んで構成されており、ホルダユニット１２ａ，１２ｂの各々のスピンドル１４は基準線Ａ上に配置されている。

そして、軸肥大加工機１０は、ホルダユニット１２ｂを基準線Ａに沿って移動させる並進駆動部１７と、ホルダユニット１２ａを基準線Ａに対して傾斜させる傾動部１８と、ホルダユニット１２ａのスピンドル１４を回転駆動する回転駆動部１９とを備えている。ホルダユニット１２ａ，１２ｂ及び並進駆動部１７によって軸材を軸方向に圧縮する加圧装置が構成され、ホルダユニット１２ａ，１２ｂ、傾動部１８、及び回転駆動部１９によって、軸材の中間部に、この軸材の軸方向（基準線Ａ）と交差する方向に交番負荷を加える負荷発生装置が構成される。

図７は、軸保持部材１１及びスピンドル１４の構成を示す。

スピンドル１４には、軸保持部材１１が挿入される嵌合孔２０と、嵌合孔２０に連なるピン挿通孔２１とが設けられている。嵌合孔２０には、軸保持部材１１を受ける受圧板２２が挿嵌されており、受圧板２２は、嵌合孔２０の内部に形成された段差２３に突き当てられて固定されている。ピン挿通孔２１はスピンドル１４の中心軸（基準線Ａ）に沿ってスピンドル１４を貫通して設けられており、このピン挿通孔２１には、シリンダ１６（図６参照）のノックピン２４が挿通されている。

軸保持部材１１は、円筒状のケース３０と、ケース３０内に挿入されたスリーブ３１と、スリーブ３１内に挿嵌された当金３２とを有している。ケース３０はスピンドル１４の嵌合孔２０に挿入され、ケース３０及びケース３０内に挿入されたスリーブ３１は、それらの後端面を受圧板２２によって支持される。そして、ケース３０の外周面に設けられた段差３３が、嵌合孔２０が開口しているスピンドル１４の開口端部に締結されるフランジパイプ３４によって押さえ込まれ、ケース３０はスピンドル１４に固定される。スリーブ３１は軸材Ｗの端部を収容する。当金３２は、軸保持部材１１の底部を構成しており、ノックピン２４によって支持されて軸材Ｗの端面を受け、ノックピン２４によって押圧されて軸保持部材１１に挿入された軸材Ｗの端部を軸保持部材１１から押し出す。

スリーブ３１は、軸材Ｗに加えられる交番負荷の反力を受けとめ、特にスリーブ３１の開口部の表面３０ａには比較的大きな負荷が作用する。そのため、スリーブ３１は、繰り返しの使用によって損耗する。ケース３０内に挿入されているスリーブ３１はケース３０から抜去可能であり、損耗に応じてスリーブ３１のみの交換が可能となっている。

そして、スリーブ３１は軸肥大加工において軸材の肥大部と接し、軸材Ｗの圧縮に伴い、スリーブ３１には軸材Ｗの圧縮方向とは反対方向に荷重が作用する。かかる荷重に対して、ケース３０及びスリーブ３１には軸材Ｗの圧縮方向とは反対方向に移動されることを阻止する係合部が設けられている。

図８はケース３０及びスリーブ３１に設けられた係合部の一例を示す。

ケース３０の内周面には、環状の凹凸部４０が設けられており、スリーブ３１の外周面には、ケース３０の凹凸部４０に係合する環状の凹凸部４１が設けられている。ケース３０及びスリーブ３１の凹凸部４０，４１が互いに係合することにより、スリーブ３１に作用する上記荷重によっても、スリーブ３１が軸材の圧縮方向とは反対方向に移動されることが阻止される。

凹凸部４０，４１の個々の凹部の深さＤや凸部の高さＨは、５０μｍ以上、且つスリーブ３１の外径の１％以下であることが好ましい。これによれば、ケース３０及びスリーブ３１の典型的な表面粗さにおける圧入での摩擦よりも大きな係合力を得ることができ、軸材の圧縮方向とは反対方向へのスリーブ３１の移動をより確実に阻止することが可能となる。

以上の構成において、スリーブ３１は、例えば焼き嵌めによってケース３０に挿入される。なお、図示の例では、ケース３０及びスリーブ３１共に、それらの凹凸部４０，４１には複数の凹部及び凸部が設けられているが、凹部及び凸部は少なくとも一対あればよい。

図９はケース３０及びスリーブ３１に設けられた係合部の他の例を示す。

図９に示す例では、ケース３０及びスリーブ３１の凹凸部４０，４１の個々の凹部及び凸部が、軸材の圧縮方向とは反対方向に向かうに従ってケース３０及びスリーブ３１の中心軸（基準線Ａ）から離間する鋸刃状に形成されている。そして、ケース３０の内周面及びスリーブ３１の外周面は、軸材の圧縮方向とは反対方向に向かうに従って基準線Ａから離間するテーパ状に形成されているものである。

本例によれば、スリーブ３１を圧入によってケース３０に挿入することができ、スリーブ３１のケース３０への挿入が容易となる。

ここで、スリーブ３１は軸材Ｗとの接触によって損耗するが、スリーブ３１の損耗を抑制するために、スリーブ３１の材料として硬質な材料を用いることが好ましい。スリーブ３１の損耗を抑制することにより、スリーブ３１の交換頻度を低くすることができる。

スリーブ３１を形成する母材としては、ロックウェル硬さ（ＪＩＳ Ｇ ０２０２）ＨＲＣ５８以上のものを好適に用いることができ、ＳＫＤ１１等のダイス鋼や、ＳＫＨ５１等のハイス鋼や、セミハイス鋼などを例示することができる。

さらに、スリーブ３１の損耗を抑制する観点から、スリーブ３１に表面硬化処理を施してもよく、表面硬化処理が施される場合に、表面性状はビッカース硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）ＨＶ１２００以上が好ましく、ＨＶ３０００以上がより好ましく、また平滑であることが好ましい。そのような表面硬化処理としては、バナジウム系皮膜やクロム系皮膜やチタン系皮膜やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）皮膜などの皮膜形成、窒化処理、等を例示することができる。

表面硬化処理は、少なくともスリーブ３１の開口部の表面３１ａに施され、開口部の表面３１ａを含むスリーブ３１の内周面の全体に施されてもよいし、スリーブ３１の表面全体に施されてもよい。

表面硬化処理として皮膜を形成する場合に、皮膜は、上記列挙した種々の皮膜の単層膜で構成してもよいし１種以上の多層膜で構成してもよい。また、皮膜の形成方法としては、塩浴浸漬法（熱反応析出拡散法）、ＣＶＤ（化学蒸着法）、ＰＶＤ（物理蒸着法）、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ法）、等の方法を例示することができる。

以上、図１に示した軸肥大加工方法を実施する軸肥大加工機１０を例に、本発明の軸保持部材について説明したが、図２から図５にそれぞれ示した軸肥大加工方法を実施する軸肥大加工機は、軸材の中間部に交番負荷を加えるためのホルダユニットやスピンドルの動作方式が異なるだけであり、これらの軸肥大加工機においても、上述した軸保持部材の構成を適用可能である。

次に、上述したスリーブ３１の種々の作製例、及びそれらの寿命評価について説明する。

作製例１のスリーブは、セミハイス鋼を母材とし、表面硬化処理は省略したものである。作製例２のスリーブは、セミハイス鋼を母材とし、表面硬化処理として窒化処理を施したものである。作製例３のスリーブは、ＳＫＨ５１（ハイス鋼）を母材とし、表面硬化処理として塩浴浸漬法の一種であるＴＤプロセス（登録商標）によりＶＣ（炭化バナジウム）皮膜を形成したものである。これら作製例１〜３のスリーブの母材硬さ及び表面性状を表１に示す。

上記作製例１〜３のスリーブの各々について、上述した軸肥大加工機１０にて同一条件で軸肥大加工を繰り返し行い、視認可能なかじり（凝着磨耗）が発生するまでの加工本数で寿命を評価した。評価結果を表１に合わせて示す。表１に示される評価結果から、表面硬化処理を施すことにより、軸材との接触によるスリーブの損耗を抑制できることがわかる。

以上、説明したとおり、本明細書には下記の事項が開示されている。

（１） 軸材の一部を肥大させる軸肥大加工において、軸材の端部を保持する軸保持部材であって、軸材に軸圧縮応力を負荷する加圧装置に固定される筒状のケースと、前記ケース内に挿入され、前記軸材の端部を収容し且つ該軸材の肥大部と接するスリーブと、を備え、前記ケース及び前記スリーブには、前記軸材の圧縮方向とは反対方向への前記スリーブの相対移動を阻止する係合部が設けられている軸保持部材。
（２） 上記（１）の軸保持部材であって、前記係合部は、前記ケースの内周面及び前記スリーブの外周面に設けられている軸保持部材。
（３） 上記（２）の軸保持部材であって、前記係合部は、環状の凹凸部として構成されている軸保持部材。
（４） 上記（３）の軸保持部材であって、前記係合部の個々の凹部及び凸部は、前記軸材の圧縮方向とは反対方向に向かうに従って前記ケース及び前記スリーブの中心軸から離間する鋸刃状に形成されている軸保持部材。
（５） 上記（４）の軸保持部材であって、前記ケースの内周面及び前記スリーブの外周面は、前記軸材の圧縮方向とは反対方向に向かうに従って前記ケース及び前記スリーブの中心軸から離間するテーパ状に形成されている軸保持部材。
（６） 上記（３）から（５）のいずれか一つの軸保持部材であって、前記係合部の個々の凹部の深さ及び凸部の高さは、５０μｍ以上、且つ前記スリーブの外径の１％以下である軸保持部材。
（７） 上記（１）から（６）のいずれか一つの軸保持部材であって、前記スリーブにおいて、少なくとも軸材の端部が挿入される開口部の表面に表面硬化処理が施されている軸保持部材。
（８） 上記（７）の軸保持部材であって、表面硬化処理された前記スリーブの表面のビッカース硬さがＨＶ１２００以上である軸保持部材。

１ａ 軸保持部材
１０ 軸肥大加工機
１１ 軸保持部材
１２ａ ホルダユニット
１２ｂ ホルダユニット
１３ 基台
１４ スピンドル
１５ ハウジング
１６ シリンダ
１７ 並進駆動部
１８ 傾動部
１９ 回転駆動部
２０ 嵌合孔
３０ ケース
３１ スリーブ
３２ 当金
４０ 凹凸部（係合部）
４１ 凹凸部（係合部）
Ａ 基準線
Ｗ 軸材

Claims (6)

1. 軸材の一部を肥大させる軸肥大加工において、軸材の端部を保持する軸保持部材であって、
   軸材に軸圧縮応力を負荷する加圧装置に固定される筒状のケースと、
   前記ケース内に挿入され、前記軸材の端部を収容し且つ該軸材の肥大部と接するスリーブと、
   を備え、
   前記ケースの内周面及び前記スリーブの外周面には、互いに嵌合する環状の凹凸部によって構成され、前記軸材の圧縮方向とは反対方向への前記スリーブの相対移動を阻止する係合部が設けられている軸保持部材。
2. 請求項１記載の軸保持部材であって、
   前記係合部の個々の凹部及び凸部は、前記軸材の圧縮方向とは反対方向に向かうに従って前記ケース及び前記スリーブの中心軸から離間する鋸刃状に形成されている軸保持部材。
3. 請求項２記載の軸保持部材であって、
   前記ケースの内周面及び前記スリーブの外周面は、前記軸材の圧縮方向とは反対方向に向かうに従って前記ケース及び前記スリーブの中心軸から離間するテーパ状に形成されている軸保持部材。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の軸保持部材であって、
   前記係合部の個々の凹部の深さ及び凸部の高さは、５０μｍ以上、且つ前記スリーブの外径の１％以下である軸保持部材。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載の軸保持部材であって、
   前記スリーブにおいて、少なくとも軸材の端部が挿入される開口部の表面に表面硬化処理が施されている軸保持部材。
6. 請求項５記載の軸保持部材であって、
   表面硬化処理された前記スリーブの表面のビッカース硬さがＨＶ１２００以上である軸保持部材。

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