JP6393599B2 - ヘリカルギヤ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリカルギヤ及びその製造方法に関し、特に、鍛造加工による、高精度なヘリカルギヤの製造方法に関するものである。

従来、ヘリカルギヤの製造方法としては、円柱素材をギヤ形状を有する金型に挿入し、加圧、塑性流動させギヤを成形する方法がある。

具体的な例としては、特開２００２−７９３４９号公報のように、円柱素材の軸部と、軸部外径を絞るためのテーパ部が設けられその先端にギヤが成形されている。

特開２００２−７９３４９号公報

ヘリカルギヤにおいては、コスト低減を目的に鍛造により製造されている。円周状のダイスに素材を挿入に、軸線方向に加圧することにより、ヘリカルギヤを鍛造加工することが周知である。

この製造方法のヘリカルギヤ１００は、図７に示すように、円周状を成すとともに外周面にねじれ角を有するヘリカル歯１０１を備え、そのヘリカル歯１０１の一端面側にテーパ面１０２を介して円周状の軸部１０３が形成された構造である。

これらのヘリカルギヤを精度よく製造するための手段として、ヘリカル歯を成形するダイスの入口形状、テーパ形状について、さまざまな提案がされている。しかしながらヘリカル歯成形のために材料を絞り込むために、軸部１０３とヘリカル歯１０１の間にテーパ部１０２を備えることが必要であり、これによりヘリカルギヤ全体が長くなるという問題がある。

このように、従来技術では、円柱軸部と軸部外径を絞る方向に傾斜したテーパ部１０２を有しており、ヘリカルギヤ全体の寸法が大きくなり、更に、軸部１０３の外径はヘリカル歯１０１に対し、大きな寸法とする必要があったため、小型化が困難であった。

また、このような製造方法では、ヘリカル歯の初期段階の成形過程では、図８に示すように、先端部の材料１０４は自由伸び状態で、加圧方向Ｐ１と材料の流動方向Ｐ２が直線的ではないため、未充填部１０５が発生し、所定のギヤ精度が得られない問題がある。このため実使用の際には、先端の未充填部を切削などで除去する必要があり、コスト高の要因となる。

さらに、ヘリカルギヤの鍛造による製造方法においては、ねじれ角の大きなヘリカルギヤの製造の場合、ギヤ精度の確保が困難であり、また、金型寿命が著しく低下するなどの問題がある。鍛造による製造方法では、ねじれ角が２０°程度が限界とされている。

ヘリカル歯の成形では、素材の加圧方向と、ヘリカル歯の変形方向は、ねじれ角を有するために直線的にならない。このため、材料の塑性流動が複雑となり、捩り変形や、残留応力などのために、ギヤ精度の確保は困難となる。更に、ヘリカル歯型の導入部には大きな曲げ応力Ｍが発生するため、金型寿命が短いなどの問題がある。

本発明の目的は、上記問題点を解決するために、高精度にギヤを成形し、金型寿命の低下を起こさず、更に、ヘリカルギヤの小型化を可能にする製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るヘリカルギアは、円柱状の軸部の先端に複数条形成されたヘリカル歯を備えるヘリカルギヤにおいて、軸部にヘリカル歯に相対する複数条の予備成形部と、前記ヘリカル歯と前記予備形成部とを繋ぎ、絞り方向に向かって径方向の厚みが小さくなる接続面とを備え、前記予備成形部は、前記軸部の径方向断面において、外周側に凸となる複数の角部と、隣合う前記角部同士を繋ぐ平坦部とで形成された多角形形状であることにより、テーパ部を設置する必要がなく、ヘリカルギヤの全体を短くできる。

また本発明に係るヘリカルギアは、予備成形部をヘリカル歯のねじれ角とほぼ同じ角度で形成することにより、ヘリカル歯成形の際の塑性流動をスムーズかつ均一にできるため、捩れ変形、不均一な残留応力の発生を抑制することができ、高精度なヘリカルギヤを得ることができる。

また本発明に係るヘリカルギアは、予備成形部とヘリカル歯を連続的に成形することで、塑性流動は連続的に起こり、捩れ変形、不均一な残留応力の発生を抑制することができ、高精度なヘリカルギヤを得ることができる。

また本発明に係るヘリカルギアは、予備成形部とヘリカル歯はほぼ同一外径とすることで、ヘリカルギヤの小型、軽量化を図ることができる。

また本発明に係るヘリカルギアは、円柱状の軸部と予備成形部とヘリカル歯はほぼ同一外径とすることで、請求項４に対し一層の小型、軽量化図ることができる。

また本発明に係るヘリカルギアの製造方法は、円柱状の軸部の先端に複数条形成されたヘリカル歯を備えるヘリカルギヤの製造方法において、鍛造加工により、軸部途中まで、前記ヘリカル歯に相対し前記軸部の径方向断面において外周側に凸となる複数の角部と隣合う前記角部同士を繋ぐ平坦部とで形成された多角形形状の予備成形部を成形した後に、前記ヘリカル歯と前記予備形成部とを繋ぎ絞り方向に向かって径方向の厚みが小さくなる接続面を成形し、前記接続面に連続して前記ヘリカル歯を成形する製造方法とすることで、低コストでヘリカルギヤを製造することができる。

また本発明に係るヘリカルギアの製造方法は、第一の金型で予備成形部を成形した中間成形品を製作した後、第二の金型でヘリカル歯を成形する製造方法としたことで、金型構造は簡略化でき、低コストでヘリカルギヤを製造することができる。

また本発明に係るヘリカルギアの製造方法は、第二の金型には予備成形部の形状の相対した、ガイド部が備えられ、ガイド部に沿って中間成形品を挿入し、ガイド部に案内されながらヘリカル歯を成形する製造方法としたことで、簡便に中間成形品をガイドしながら製造することができ、低コストで高精度なヘリカルギヤを製造することができる。

また本発明に係るヘリカルギアの製造方法は、予備成形とヘリカル歯成形の金型は同一金型に備えられ、同一金型により連続的に成形される製造方法としたことで、生産性が良く、低コストで高精度なヘリカルギヤを製造することができる。

本発明により、ねじれ角が大きいヘリカルギヤにおいても、材料の塑性流動がスムーズとなるため、ギヤ精度が向上し、金型寿命の低下を防ぐことができ、さらに、ヘリカルギヤの小型化が可能となる。

本実施形態のヘリカルギヤの側面図を示す。 本実施形態のヘリカルギヤの部分断面図を示す。 本実施形態の製造方法の金型断面図を示す。 本実施形態の製造方法の概略工程を示す。 本実施形態のヘリカルギヤの歯型諸元を示す。 本実施形態のヘリカルギヤの予備成形部の一例である断面図を示す。 本実施形態のヘリカルギヤの予備成形部の他の例である断面図を示す。 従来のヘリカルギヤの側面図を示す。 従来のヘリカル歯成形部の模式図を示す。

以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１に本発明の一実施例のヘリカルギヤの外観を示す。本実施例は、自動車用ステアリングに用いられるヘリカルギヤ１である。ヘリカルギヤ１は、円柱状の軸部２と予備成形部３、ヘリカル歯４とを備え、ねじれ角はαである。

図２はヘリカルギヤ１の断面を示した図であり、ＡＡは軸部２のＡ−Ａ断面である。ＢＢは予備成形部３のＢ−Ｂ断面、ＣＣはヘリカル歯４のＣ−Ｃ断面である。予備成形部３は、角部３ａと平坦部３ｂで形成された多角形形状であり、ねじれ角は、ヘリカル歯４のねじれ角とほぼ同じ角度である。また、本実施例では、軸部２の外径φＤ０と予備成形部３の外径φＤ１とヘリカル歯４の外径φＤ２は、ほぼ同一外径としている。

図３に本実施例のヘリカルギヤ１を成形する金型構造を示す。本金型構造は、予備成形部３とヘリカル歯４を一つの金型で連続的成形できるものである。金型５は、予備成形ダイス６とヘリカル歯成形ダイス７、パンチ８で構成される。予備成形ダイス６には、予備成形部３の形状に相対する形状の予備歯型６ａが内径に形成されている。ヘリカル歯成形ダイス７には、ヘリカル歯４の形状に相対する形状のヘリカル歯型７ａが内径に形成されている。

以下、詳細工程を説明する。本実施例の一工程例を図４に示す。

円柱状素材９は、所定の長さに加工された後、ボンデ処理など適切な潤滑処理が施される。潤滑処理後、円柱素材９は、図３に示された金型５に挿入される。図示しない加圧装置によりパンチ８は下降し円柱素材９を加圧する。パンチ８の加圧により、円柱素材９は、予備成形ダイス６に備えられた予備歯型６ａにより予備成形部３が形成され始める。その際、予備成形された円柱素材９は、予備成形ダイス６をねじれ角αに沿って、回転しながら成形される。予備成形部３が所定の長さ形成されると、予備成形された円柱素材９の先端部３ｃがヘリカル歯成形ダイス７に連続的に挿入され、ヘリカル歯４が形成され始める。この時、円柱素材９は予備成形により回転させられているため、ねじれ角αを持つヘリカル歯型７ａに直線的に挿入される。パンチ８の下降により所定の長さのヘリカル歯４が形成され、ヘリカルギヤ１が製造される。その後、図示しないエジェクト装置により、ヘリカルギヤ１は金型５から取り出される。

上述したように、円柱素材９は、ヘリカル歯４が形成される時には、ねじれ角αに沿って回転させられ、ヘリカル歯型７ａに直線的に挿入される。このため、材料はスムーズにヘリカル歯型７ａに塑性流動することができ、均一な塑性流動状態となり、従来問題であった先端部の未充填部の発生を抑制し、残留応力による捩り変形が解消され、高精度なギヤを得ることができる。さらに、金型に発生する応力も、ねじり角にそって直線的に材料が流動するため、曲げモーメントの発生を抑制し、金型寿命の向上を図ることができる。
特に、ねじれ角が大きいヘリカルギヤにおいては、この効果が大きく、これまで、ねじれ角２０°程度が限界と言われているが、本実施形態の製造方法により、ねじれ角２０°以上のヘリカルギヤの成形を可能にできた。

本実施形態を採用したヘリカルギヤの仕様を図５に示す。モジュール２．０、歯数７、ねじれ角３２．２１°、材質はＳ４５Ｃである。予備成形部３は、歯数７に対応し、ねじれ角３２．２１°の正７角形の形状とした。従来方式によれば、ヘリカル歯４の先端部の未充填発生によるダレ形状が約６ｍｍ程度発生したが、発明方式によれば、先端部のダレは４ｍｍ以下と少なくすることができ、高精度ギヤを得ることができた。

本実施例では、予備成形部３は正７角形としたが、図６に示すような、曲面形状、概略ギヤ形状としても良い。但し、金型製作コストなどを考慮すれば、多角形形状が優位である。

また、上記実施例では、予備成形とヘリカル歯成形を同一金型５で連続的に成形した例であるが、第一の金型で予備成形を行い金型から取出した後、第二の金型でヘリカル歯を成形する工程とすることも可能である。この場合、予備成形部３の形状をガイドできるような案内形状をヘリカル歯型ダイス７の内径部に、設置することが必要となる。この案内形状により、予備成形された円柱素材９は、前述実施例と同様に、回転しながらヘリカル歯型７ａでヘリカル歯４が成形され、同様の効果を得ることができる。第一の金型、第二の金型を使用するこの方式によれば、工程を分割できるので、成形に必要な荷重を低減できるため、大きな能力を持つ加圧装置を使用しないで成形することができる。

また、本実施形態のヘリカルギヤは、従来技術で必要であった、絞り方向に傾斜したテーパ部を除くことができ、さらに素材外径寸法の縮小化を図ることができ、ヘリカルギヤ自体の小型化、軽量化が可能となる。さらに、金型寿命の向上が図れるため、製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施例では、円柱素材９は中実形状としているが、中空形状の素材の採用も可能であり、この場合は、一層の軽量化を図ることができる。

１…ヘリカルギヤ、２…軸部、３…予備成形部、４…ヘリカル歯、５…金型、６…予備成形ダイス、７…ヘリカル歯成形ダイス、８…パンチ、９…円柱状素材、１００…ヘリカルギヤ、１０１…ヘリカル歯、１０２…テーパ面、１０３…軸部、１０４…材料、１０５…未充填部、Ｐ１…加圧方向、Ｐ２…流動方向

Claims (9)

1. 円柱状の軸部の先端に複数条形成されたヘリカル歯を備えるヘリカルギヤにおいて、
   前記軸部に前記ヘリカル歯に相対する複数条の予備成形部と、
   前記ヘリカル歯と前記予備形成部とを繋ぎ、絞り方向に向かって径方向の厚みが小さくなる接続面とを備え、
   前記予備成形部は、前記軸部の径方向断面において、外周側に凸となる複数の角部と、隣合う前記角部同士を繋ぐ平坦部とで形成された多角形形状であるヘリカルギヤ。
2. 請求項１に記載のヘリカルギヤであって、
   前記予備成形部は、前記ヘリカル歯のねじれ角とほぼ同じ角度で成形されるヘリカルギヤ。
3. 請求項１または２に記載のヘリカルギヤであって、
   前記予備成形部は、前記ヘリカル歯に対して連続的に成形されるヘリカルギヤ。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかのヘリカルギヤであって、
   前記予備成形部の外径と前記ヘリカル歯の外径は、ほぼ同一であるヘリカルギヤ。
5. 請求項４に記載のヘリカルギヤであって、
   前記軸部の外径は、前記予備成形部の外径と前記ヘリカル歯の外径とほぼ同一であるヘリカルギヤ。
6. 円柱状の軸部の先端に複数条形成されたヘリカル歯を備えるヘリカルギヤの製造方法において、
   鍛造加工により、軸部途中まで、前記ヘリカル歯に相対し前記軸部の径方向断面において外周側に凸となる複数の角部と隣合う前記角部同士を繋ぐ平坦部とで形成された多角形形状の予備成形部を成形した後に、前記ヘリカル歯と前記予備形成部とを繋ぎ絞り方向に向かって径方向の厚みが小さくなる接続面を成形し、前記接続面に連続して前記ヘリカル歯を成形するヘリカルギヤの製造方法。
7. 請求項６に記載のヘリカルギヤの製造方法であって、
   第一の金型で前記予備成形部を成形した中間成形品を製作した後、第二の金型で前記ヘリカル歯を成形するヘリカルギヤの製造方法。
8. 請求項７に記載のヘリカルギヤの製造方法であって、
   前記第二の金型には前記予備成形部の形状の相対したガイド部が設けられ、
   前記ガイド部に沿って中間成形品を挿入し、前記ガイド部に案内されながら前記ヘリカル歯を成形するヘリカルギヤの製造方法。
9. 請求項６に記載のヘリカルギヤの製造方法であって、
   予備成形とヘリカル歯成形の金型は同一金型に備えられ、同一金型により連続的に成形されるヘリカルギヤの製造方法。