WO2020189763A1

WO2020189763A1 - 中空シャフト

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Publication number: WO2020189763A1
Application number: PCT/JP2020/012347
Authority: WO
Inventors: 村田　真一
Original assignee: 武蔵精密工業株式会社
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN113518673B; US20220143664A1; JP2020151755A; JP7023886B2; CN113518673A; DE112020001383T5

Abstract

円筒状の本体部（６）と、本体部（６）の一端に同一軸線上に一体に連なり且つ絞り加工により本体部（６）よりも縮径した先端絞り部（７）とを備えた中空シャフトにおいて、本体部（６）の内周面（６ｉ）と、先端絞り部（７）の、本体部（６）の一端側に連なる基部（７ｂ）の内周面（７ｂｉ）とが、絞り加工の前に切削加工された切削面で形成されており、先端絞り部（７）の、基部（７ｂ）の先端側に連なる先部（７ａ）の内周面（７ａｉ）は非切削面である。これにより、先端絞り部の絞り比を小さくしつつ所定の小さい内径が得られるようにして、中空シャフトを高い形状精度で成形可能とし、しかも先端絞り部と円筒状本体部との境界部に絞り加工に伴う応力集中が生じるのを抑制可能として中空シャフトの剛性強度アップを図る。

Description

中空シャフト

　本発明は、円筒状の本体部と、その本体部の一端に同一軸線上に一体に連なり且つ絞り加工により本体部よりも縮径した先端絞り部とを備えた中空シャフトに関する。

　パイプ素材の先端部を絞り加工することで、先細りに縮径した先端絞り部を有した中空シャフトを得ることは、例えば特許文献１に示されるように従来より知られている。

日本特公昭５２－３５６２９号公報

　ところで円筒状のパイプ素材の先端部を絞り加工して中空シャフトを製造するに当たり、先端絞り部を所定の小さい内径とすべく外径の絞り比（即ち絞り加工前外径／絞り加工後外径）を大きく設定した場合には、先端絞り部のみならず、先端絞り部に続く円筒状の本体部にも変形が波及する虞れがある。そのため、先端絞り部付きの中空シャフトを全体として高い形状精度に成形することが難しくなる等の不都合がある。

　本発明は、上記に鑑み提案されたものであり、先端絞り部の絞り比を小さくしつつ所定の小さい内径が得られるようにして、中空シャフトを高い形状精度で成形可能とし、しかも先端絞り部と本体部との境界部に絞り加工に伴う応力集中が生じるのを抑制可能として中空シャフトの剛性強度アップを図ることができる中空シャフトを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明は、円筒状の本体部と、前記本体部の一端に同一軸線上に一体に連なり且つ絞り加工により該本体部よりも縮径した先端絞り部とを備えた中空シャフトにおいて、前記本体部の内周面と、前記先端絞り部の、前記本体部の一端に連続する基部の内周面とが、前記絞り加工の前に切削加工された切削面で形成されており、前記先端絞り部の、前記基部の先端側に連続する先部の内周面は非切削面であることを第１の特徴とする。

　また本発明は、パイプ素材に絞り加工を施して形成される、第１の特徴を有した中空シャフトであって、前記パイプ素材は、内周面が切削面である前記円筒状の本体部と、前記本体部の一端に同一軸線上に一体に連なる先端部とを備え、前記先端部のうち、前記本体部の一端側に連なる先端部基部分の内周面は、該先端部の先端に向かうにつれて徐々に縮径するテーパ状の切削面であると共に、前記先端部基部分の先端側に連なる先端部先部分の内周面は非切削面であり、前記先端部基部分の内周面のシャフト軸線に対する傾斜角は、該先端部が前記絞り加工されて形成される前記先端絞り部の内周面の先細りテーパ面の絞り角よりも小さいことを第２の特徴とする。

　また本発明は、第２の特徴に加えて、前記先端部基部分の内周面は、該先端部基部分の内周面を前記本体部の内周面に滑らかに繋げる第１曲面と、該先端部基部分の内周面を前記先端部先部分の内周面に滑らかに繋げる第２曲面とを含むことを第３の特徴とする。

　本発明の第１の特徴によれば、先端絞り部は、これが絞り加工される前に、本体部一端側に連なる基部の内周面が切削される一方、基部の先端側に連なる先部の内周面が切削されないことで、絞り加工後に十分な肉厚を残せるため、絞り比を小さくしながらも所定の内径が得られ、従って、絞り加工の際に本体部が変形しにくくなり、中空シャフトを全体として高い形状精度で成形可能となる。その上、絞り加工前の切削加工が、本体部のみならず先端絞り部の一部（即ち基部）にまで及ぶことで、本体部の内周面全体を確実に切削加工できるから、本体部の形状精度を高める上で、より有利になる。また絞り加工前の中空シャフトの内周面における切削面と非切削面との境界が、先端絞り部の中間部（即ち基部と先部の境界）に位置していて絞り加工の起点から離間しているため、たとえ切削面と非切削面との境界に僅かな段差が残った場合でも絞り加工の起点での応力集中要因とはなりにくく、それだけ先端絞り部と本体部との境界付近に絞り加工時に応力集中が生じるのを抑制可能となる。従って、前述のように形状精度を高くできる効果とも相俟って、中空シャフトの剛性強度アップに大いに寄与することができる。

　また第２の特徴によれば、中空シャフトが絞り加工される前のパイプ素材において、絞り加工の対象となる先端部のうち、本体部一端側に連なる先端部基部分の内周面は、先端部の先端に向かうにつれて徐々に縮径するテーパ状の切削面であると共に、先端部基部分の先端側に連なる先端部先部分の内周面は非切削面であり、先端部基部分のテーパ状内周面のシャフト軸線に対する傾斜角は、先端部が絞り加工されて形成される先端絞り部の絞り角よりも小さいので、先端部基部分のテーパ状の内周面が絞り加工に伴い径方向内方側に過度に張り出して該内周面（切削面）の端に段差が形成されてしまうのを効果的に抑制できる。従って、絞り加工後において本体部から先端絞り部の先端に至る部分の内周面を極力滑らかに形成可能となる。

　また第３の特徴によれば、パイプ素材の先端部基部分の内周面は、これを本体部の内周面に滑らかに繋げる第１曲面と、先端部先部分の内周面に滑らかに繋げる第２曲面とを含むので、絞り加工の際に先端部基部分の内周面と、本体部及び先端部先部分の各内周面との境界部に応力集中が生じにくくなり、加工不良が効果的に抑えられるばかりか、中空シャフトの更なる剛性強度アップに寄与することができる。

図１は本発明の第１実施形態に係る中空シャフトの要部縦断面図である。（第１の実施の形態）図２は前記中空シャフトに絞り加工を施す前のパイプ素材の要部縦断面図である。（第１の実施の形態）図３は絞り加工工程の一例を示すものであって、図３（ａ）は絞り加工直前の状態を、また図３（ｂ）は絞り加工直後の状態をそれぞれ示す図である。（第１の実施の形態）図４は第２実施形態に係るパイプ素材の要部縦断面図（図２対応図）である。（第２の実施の形態）図５は第２実施形態に係る中空シャフトの要部縦断面図（図１対応図）である。（第２の実施の形態）図６は第３実施形態に係るパイプ素材の要部縦断面図（図２対応図）である。（第３の実施の形態）

Ｂ・・・・・・パイプ素材
Ｌ・・・・・・シャフト軸線
Ｓ・・・・・・中空シャフト
α・・・・・・先端部基部分の内周面のシャフト軸線に対する傾斜角
β・・・・・・先端絞り部の絞り角
ｒ１，ｒ２・・第１，第２曲面
６・・・・・・本体部
６ｉ・・・・・内周面
７・・・・・・先端絞り部
７ａ・・・・・先端絞り部の先部
７ａｉ・・・・先部の内周面
７ｂ・・・・・先端絞り部の基部
７ｂｉ・・・・基部の内周面
１７・・・・・先端部
１７ａ・・・・先端部基部分
１７ａｉ・・・先端部先部分の内周面
１７ｂ・・・・先端部基部分
１７ｂｉ・・・先端部基部分の内周面

　本発明の実施形態を添付図面に基づいて以下に説明する。

第１の実施の形態

　図１～図３には第１実施形態が示される。図１に示される中空シャフトＳは、全体が金属製であって、円筒パイプ状の本体部６と、本体部６の一端に同一軸線上に一体に連なり且つ絞り加工により本体部６よりも先細り状に縮径した先端絞り部７とを備える。中空シャフトＳの用途機能は、種々選択可能であり、例えば高速回転する動力伝達軸としても実施可能である。

　中空シャフトＳにおいて、本体部６の内周面６ｉと、先端絞り部７の、本体部６の一端に一体に連続する基部７ｂの内周面７ｂｉとは、先端絞り部７の絞り加工の前に連続的に切削加工された切削面で形成されている。一方、先端絞り部７の、基部７ｂの先端側に一体に連続する先部７ａは、これの内周面７ａｉが非切削面であり、即ち切削加工されていない。尚、各々の図面には、絞り加工前に切削加工された切削面である領域を点描で示している。

　また図２には、上記した中空シャフトＳが絞り加工を施される前のパイプ素材Ｂの一例が示される。

　このパイプ素材Ｂは、内周面６ｉが切削面である円筒状の本体部６と、本体部６の一端に同一軸線上に一体に連なる円筒状の先端部１７とを備える。

　パイプ素材Ｂにおいて、先端部１７は、本体部６の一端側に一体に連なる先端部基部分１７ｂと、先端部基部分１７ｂの先端側に一体に連なる先端部先部分１７ａとを備える。先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉは、本体部６から先端部１７の先端に向かうにつれて徐々に縮径するテーパ状の切削面で形成される。尚、図２の二点鎖線は、切削加工される前のパイプ素材Ｂの内周面を示す。

　また先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉは、これを本体部６の内周面６ｉに滑らかに繋げる断面円弧状の第１曲面ｒ１と、先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉに滑らかに繋げる断面円弧状の第２曲面ｒ２とを、その先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉの両端に有する。従って、先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉは、その両端が本体部６の内周面６ｉと先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉとに各々、段差無く滑らかに接続される。

　本実施形態において、第１，第２曲面ｒ１，ｒ２は何れも切削加工で形成される。従って、本体部６の内周面６ｉと、先端部基部分１７ｂの、第１，第２曲面ｒ１，ｒ２を含む内周面１７ｂｉとは、連続して切削加工可能である。

　一方、先端部１７の、先端部基部分１７ｂの先端側に連なる先端部先部分１７ａは、これの内周面１７ａｉが非切削面であり、即ち切削加工されていない。

　先端部基部分１７ｂのテーパ状の内周面１７ｂｉの、シャフト軸線Ｌに対する傾斜角αは、先端部１７が絞り加工されて形成される前記先端絞り部７の絞り角βよりも小さく設定される。尚、絞り角βは、先端絞り部７の内周面に絞り加工で形成されたテーパ面７ｔの、シャフト軸線Ｌに対する傾斜角に相当する。

　次に第１実施形態の作用を、図３を併せて参照して説明する。

　本実施形態の中空シャフトＳの製造方法は、例えば、円筒パイプ状のパイプ素材Ｂの内周面に対する切削工程と、切削工程後のパイプ素材Ｂのうち先端部１７のみを、本体部６より縮径するよう絞り加工する絞り加工工程とを含む。

　上記切削工程では、円筒状をなす本体部６の内周面６ｉを所定の内径に切削加工すると共に、本体部６の一端に連なる先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉを、先細りのテーパ面状（但し両端は第１，第２曲面ｒ１，ｒ２）になるよう切削加工するが、先端部基部分１７ｂの先端側に連なる先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉは非切削面とする。

　図３には、上記した絞り加工工程の一例が示され、（ａ）は絞り加工直前の状態を、また（ｂ）は絞り加工直後の状態をそれぞれ示す。

　絞り加工に用いる金型装置Ｃは、例えば、固定の金型本体２０と、金型本体２０に対し昇降駆動可能な押し型２１とを備える。金型本体２０は、これの上面に開口してパイプ素材Ｂの本体部６の一部及び先端部１７を嵌合、支持し得る成形孔２２を有する。

　この成形孔２２には、パイプ素材Ｂの先端部１７を押し型２１と協働して絞り加工（即ち先細り状に縮径する）ためのテーパ状成形面２２ｔと、テーパ状成形面２２ｔの大径端（上端）に連続して上方に延びる本体部保持面２２ｕと、テーパ状成形面２２ｔの小径端（下端）に連続して下方に延びる先端成形面２２ｄとを備える。そして、テーパ状成形面２２ｔの大径端と本体部保持面２２ｕとの間、並びにテーパ状成形面２２ｔの小径端と先端成形面２２ｄとの間は各々、横断面円弧状の曲面を介して滑らかに接続される。

　また押し型２１には、これの下面より突出してパイプ素材Ｂの上端部を嵌合、保持可能な保持部２１ａが一体的に設けられる。

　而して、絞り加工工程では、例えば図３（ａ）に示すように、押し型２１の保持部２１ａに上端部を嵌合、保持されたパイプ素材Ｂの下端部即ち先端部１７を、金型本体２０の成形孔２２、特に本体部保持面２２ｕに嵌挿させる。次いで、図３（ｂ）に示すように、押し型２１でパイプ素材Ｂを下方に押し込み、パイプ素材Ｂの先端部１７をテーパ状成形面２２ｔ内に押し入れることでテーパ状成形面２２ｔに倣わせるように絞り加工する。この先端部１７に対する絞り加工により、先細りの先端絞り部７が成形される。

　尚、図示例では押し型２１がパイプ素材Ｂを、先端部１７の下端が成形孔２２のテーパ状成形面２２ｔを経て先端成形面２２ｄ内に所定量没入するまで押し下げるようにしている。これにより、絞り加工後の先端絞り部７の先部７ａには、先端成形面２２ｄに倣うように短円筒部７ａｅが形成される。

　上記した第１実施形態によれば、円筒状の本体部６と、本体部６の一端に一体に連なる縮径した先端絞り部７とを備えた中空シャフトＳにおいて、本体部６の内周面６ｉと、先端絞り部７の、本体部６の一端側に連なる基部７ｂの内周面７ｂｉとが、先端絞り部７を絞り加工する前に連続的に切削加工された切削面で形成されており、一方、先端絞り部７の、基部７ｂの先端側に連なる先部７ａの内周面７ａｉは非切削面とされる。

　これにより、先端絞り部７は、これが絞り加工される前に、先部７ａの内周面７ａｉが切削されないことで十分な肉厚を残せるから、絞り加工の絞り比を小さくしつつ所定の内径を得ることができ、その結果、絞り加工の際に本体部６が変形しにくくなり、中空シャフトＳを全体として高い形状精度で成形可能となる。従って、中空シャフトＳを例えば高回転する動力伝達軸として用いる場合には、これの形状精度を高くできることで、高回転による芯振れを抑制する上で有利になる。その上、絞り加工前の切削加工が、本体部６の内周面６ｉから先端絞り部７の一部（即ち基部７ｂ）の内周面７ｂｉ全域にまで及ぶため、本体部６の内周面６ｉ全体を確実に切削加工可能となって、本体部６の形状精度を高める上で、より有利になる。

　また絞り加工前の中空シャフトＳの内周面における切削面と非切削面との境界が、先端絞り部７の中間部（即ち基部７ｂと先部７ａの境界）に位置していて絞り加工の起点から離間している。従って、仮に切削面と非切削面との境界に僅かな段差が残る場合（例えば、後述する第２実施形態を参照）でも絞り加工の起点での応力集中要因とはなりにくく、それだけ先端絞り部７と本体部６との境界付近に絞り加工時に応力集中が生じるのを抑制可能となるため、前述のように形状精度を高くできる効果とも相俟って、中空シャフトＳの剛性強度アップに大いに寄与することができる。

　また本実施形態では、中空シャフトＳが絞り加工される前のパイプ素材Ｂにおいて、絞り加工の対象となる先端部１７のうち、本体部６の一端に連なる先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉは、本体部６から先端部１７の先端に向かうにつれて徐々に縮径するテーパ状の切削面であると共に、先端部基部分１７ｂに連なる先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉは非切削面である。しかも先端部基部分１７ｂのテーパ状の内周面１７ｂｉの、シャフト軸線Ｌに対する傾斜角は、先端絞り部７の絞り角β（即ち先端絞り部７の内周面の先細りテーパ面７ｔの、シャフト軸線Ｌに対する傾斜角）よりも小さく設定される。これにより、先端部基部分１７ｂの切削面たる内周面１７ｂｉが絞り加工に伴い径方向内方側に過度に張り出して該内周面１７ｂｉ（切削面）の端に段差が形成されてしまうのを効果的に抑制できるため、絞り加工後において本体部６から先端絞り部７の先端に至る部分の内周面を滑らかに形成することが可能となる。

　更に先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉは、これを本体部６の内周面６ｉに滑らかに繋げる第１曲面ｒ１と、先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉに滑らかに繋げる第２曲面ｒ２とを有しているため、絞り加工の際に先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉと、本体部６及び先端部先部分１７ａの内周面６ｉ，１７ａｉとの各境界部に応力集中が生じにくくなり、加工不良が効果的に抑えられるばかりか、中空シャフトＳの更なる剛性強度アップが図られる。

第２の実施の形態

　また図４，図５には、第２実施形態が示される。第１実施形態では、パイプ素材Ｂの先端部１７において、先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉが先細りテーパ状の切削面で形成されるものを示したが、第２実施形態では先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉが、各部が一様等径の円筒面状の切削面で形成される。従って、絞り加工前において、先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉ（切削面）と、先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉ（非切削面）との間には、切削量に対応したごく僅かな段差１８が生じている。尚、図４の二点鎖線は、切削加工される前のパイプ素材Ｂの内周面を示す。

　この第２実施形態においても、パイプ素材Ｂの内周面は、円筒状の本体部６の内周面６ｉのみならず先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉ全域まで切削面で形成されるため、第１実施形態の前記した作用効果のうちの特に先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉをテーパ状の切削面とした点に基づく作用効果や、第１，第２曲面ｒ１，ｒ２に基づく作用効果を除いて、第１実施形態と同様の作用効果を達成可能である。

　ところで第２実施形態のように先端部基部分１７ｂの切削面たる内周面１７ｂｉがテーパ状でない構造では、先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉの、絞り加工に伴う径方向内方側への張り出し変形量が比較的大きくなり、絞り加工後においても、該内周面１７ｂｉの端（即ち該内周面１７ｂｉ（切削面）と先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉ（非切削面）との間）に僅かながら段差が残ってしまう可能性がある。これに対し、第１実施形態では、前述の如く先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉをテーパ状の切削面としたことで、その内周面１７ｂｉが絞り加工に伴い径方向内方側に過度に張り出して内周面１７ｂｉ（切削面）の端に段差が形成されてしまうのを効果的に抑制可能である。

第３の実施の形態

　また図６には、第３実施形態が示される。第１実施形態では、パイプ素材Ｂの先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉが、これを本体部６の内周面６ｉに滑らかに繋げる第１曲面ｒ１と、先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉに滑らかに繋げる第２曲面ｒ２とを含むものを示したが、第３実施形態では、第１，第２曲面ｒ１，ｒ２が廃止される。即ち、パイプ素材Ｂの先端部基部分１７ｂのテーパ状の内周面１７ｂｉの基端が、本体部６の内周面６ｉに第１曲面ｒ１を介さずに直接接続され、また同内周面１７ｂｉの先端が、先端部先部分１７ａの内周面１７ａｉに第２曲面ｒ２を介さずに直接接続される。

　この第３実施形態においても、パイプ素材Ｂの内周面は、円筒状の本体部６の内周面６ｉのみならず先端部基部分１７ｂのテーパ状の内周面１７ｂｉ全域まで切削面で形成されるため、第１実施形態の前記した作用効果のうちの特に第１，第２曲面ｒ１，ｒ２に基づく作用効果を除いて、第１実施形態と同様の作用効果を達成可能である。

　尚、第３実施形態では、先端部基部分１７ｂの内周面１７ｂｉにおいて、第１，第２曲面ｒ１，ｒ２を両方とも廃止したが、第３実施形態の変形例（図示せず）として、例えば、第１，第２曲面ｒ１，ｒ２の何れか一方だけを廃止するようにしてもよい。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

　例えば、前記実施形態では、絞り工程を１段のみで行うものを示したが、絞り工程を多段階に実行してもよい。この場合、金型本体２０は、例えば成形孔２２のテーパ状成形面２２ｔの形状が異なる複数種類を用意し、それらを順次に使用して、ブランク（パイプ素材Ｂ）に対する絞り加工を、先端部１７が段階的に縮径されるように実行する。

　また前記実施形態では、第２曲面ｒ２を第１曲面ｒ１と同様、切削加工で形成するものを示したが、第２曲面ｒ２は、切削加工以外の機械加工（例えば研磨加工）で形成してもよい。

Claims

　円筒状の本体部（６）と、前記本体部（６）の一端に同一軸線上に一体に連なり且つ絞り加工により該本体部（６）よりも縮径した先端絞り部（７）とを備えた中空シャフトにおいて、
　前記本体部（６）の内周面（６ｉ）と、前記先端絞り部（７）の、前記本体部（６）の一端に連続する基部（７ｂ）の内周面（７ｂｉ）とが、前記絞り加工の前に切削加工された切削面で形成されており、
　前記先端絞り部（７）の、前記基部（７ｂ）の先端側に連続する先部（７ａ）の内周面（７ａｉ）は非切削面であることを特徴とする中空シャフト。
　パイプ素材（Ｂ）に絞り加工を施して形成される、請求項１に記載の中空シャフトであって、
　前記パイプ素材（Ｂ）は、内周面（６ｉ）が切削面である前記円筒状の本体部（６）と、前記本体部（６）の一端に同一軸線上に一体に連なる先端部（１７）とを備え、
　前記先端部（１７）のうち、前記本体部（６）の一端側に連なる先端部基部分（１７ｂ）の内周面（１７ｂｉ）は、該先端部（１７）の先端に向かうにつれて徐々に縮径するテーパ状の切削面であると共に、前記先端部基部分（１７ｂ）の先端側に連なる先端部先部分（１７ａ）の内周面（１７ａｉ）は非切削面であり、
　前記先端部基部分（１７ｂ）の内周面（１７ｂｉ）のシャフト軸線（Ｌ）に対する傾斜角（α）は、該先端部（１７）が前記絞り加工されて形成される前記先端絞り部（７）の絞り角（β）よりも小さいことを特徴とする中空シャフト。
　前記先端部基部分（１７ｂ）の内周面（１７ｂｉ）は、該先端部基部分（１７ｂ）の内周面（１７ｂｉ）を前記本体部（６）の内周面（６ｉ）に滑らかに繋げる第１曲面（ｒ１）と、該先端部基部分（１７ｂ）の内周面（１７ｂｉ）を前記先端部先部分（１７ａ）の内周面（１７ａｉ）に滑らかに繋げる第２曲面（ｒ２）とを含むことを特徴とする、請求項２に記載の中空シャフト。