WO2023105739A1 - 歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法 - Google Patents

歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法 Download PDF

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賢児 田崎
直貴 坂井
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/06—Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties
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    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/17—Toothed wheels

Definitions

  • the present invention relates to a gear material, its manufacturing method and finishing method, and in particular, a gear material such as a differential ring gear (final gear) having a spur tooth profile or a helical tooth profile on its outer periphery, a manufacturing method thereof, and a hobbing machine (hobbing machine). It relates to a finishing method.
  • a gear material such as a differential ring gear (final gear) having a spur tooth profile or a helical tooth profile on its outer periphery, a manufacturing method thereof, and a hobbing machine (hobbing machine). It relates to a finishing method.
  • the differential ring gear has an outer diameter of about 200 mm and a tooth width of about 40 mm, and has a relatively large shape.
  • Reference 1). A method of forging a ring-shaped material with a 4000TON press (2) A method of forging by the German Wagner method ⁇ rolling ⁇ oscillating rolling (3) Rolling with two edge rolls and one backing roll In both of these methods, the outer periphery of the material is subjected to gear cutting by a hobbing machine to form a tooth profile on the outer peripheral surface, and then subjected to shaving, carburizing heat treatment, and shot blasting. The tooth profile is finished by polishing, etc.
  • the method (1) of forging a ring-shaped material with a 4000 TON press is, as shown in FIG. Then, in the second step, the blank (a1) is rolled from above and below to form a disk-shaped blank (a2), which is die-forged with a 4000 TON press in the third step to form a semi-finished product shape ( a3), and finally in the fourth step, the central web is punched out to form the final product shape (a4).
  • this method has a drawback that the mold cost is high due to the large number of steps.
  • a blank (b2) is formed, which is die-forged with a 1,600 TON press in the second step to form a crude product shape (b3), which is punched out into a central web (b4) in the third step, followed by A semi-finished product shape (b5) is formed by rolling in the fourth step, and a final product shape (b6) is formed by oscillating rolling in the fifth step.
  • this method requires a large number of types of equipment and a large number of units, and the dies for oscillating rolling are very expensive. Furthermore, not only does this require a large number of steps, but the rolling and rolling are performed in two heats, so that the heating cost is doubled.
  • edge rolls 11 and 12 for applying an axial pressing force to the forged blank (c4) and a radially inward pressing force. is applied, and roll forming is performed with one receiving roll 13 that imparts the outer peripheral surface shape of the final product to form the final product shape (d).
  • the final product shape (d) is a ring shape, and when gear cutting is performed by a hobbing machine, there is a large amount of machining allowance, which deteriorates the machining yield and shortens the tool life. rice field.
  • the cutting speed is usually a maximum of 200 m/min, which is time-consuming and has the disadvantage of high cost in the machining process.
  • the present invention in view of the problems of the above-described conventional differential ring gear manufacturing method, improves the yield of finished products, reduces the running cost of gear cutting by a hobbing machine, and dramatically increases the cutting speed.
  • a relatively large-shaped gear material such as a differential ring gear having a spur tooth profile or a helical tooth profile on the outer periphery, which can reduce processing time and total manufacturing cost. intended to provide
  • the gear blank of the present invention has a ring shape with an outer diameter of 170 mm or more (approximately 170 to 230 mm) and an outer peripheral thickness of 30 mm or more (approximately 30 to 50 mm). It is characterized by having a spur tooth profile or helical tooth profile with a machining allowance of ⁇ 2.0 mm.
  • the gear module can be a gear material with a gear module of 1.5 to 3.5.
  • the method for manufacturing a gear blank according to the present invention is characterized in that the gear blank is formed from a billet only by hot forging.
  • the method for finishing a gear blank according to the present invention is characterized in that the gear blank is finished by a hobbing machine at a cutting speed of 250 to 500 m/min.
  • the cutting speed is a numerical value when using a cutter made of high-speed tool steel (HSS).
  • the yield of finished gear blanks having a relatively large shape such as a differential ring gear having a spur tooth profile or a helical tooth profile on the outer periphery is improved.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing an embodiment of a method for manufacturing a gear blank according to the present invention
  • (a) is an explanatory diagram of the hobbing allowance of the present invention and the conventional example
  • (b) is an explanatory diagram of the yield of finished products of the present invention and the conventional example.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a method of forging a ring-shaped material with a 4000 TON press; It is explanatory drawing of the method of forging -> rolling -> oscillating rolling of the German Wagner method. It is explanatory drawing of the method of roll-rolling with two edge rolls and one backing roll.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the method for manufacturing a gear blank according to the present invention.
  • This method of manufacturing gear blanks uses a line for forging conventional ring gears without gears, and forms the tooth profile in a series of processes.
  • a billet (cylindrical material) 1 is heated to a predetermined temperature in an induction heating furnace, swaged into a disk-shaped blank 2 in an upsetting process consisting of a plurality of steps, and volume-distributed in a roughing process to make the outer periphery It is formed into a thick blank 3, and in the finishing process, a forging die (a forging die formed in a shape corresponding to a spur tooth profile or a helical tooth profile that forms the inner peripheral surface) is used to obtain an outer diameter of 170 mm or more (about 170 to 230 mm).
  • the tooth profile portion has a small volume and tends to drop in temperature, it is necessary to maintain the temperature. It is completed with a series of molding processes, and it can be molded at a sufficiently high temperature, so there is no need for reheating. More specifically, the cycle time of each step of forming the gear material 5 from the billet 1 is set to 10 seconds or less, for example, about 4 to 6 seconds. This facilitates temperature control and reduces the amount of oxide scale generated.
  • the gear material 5 is subjected to material heat treatment (forging high temperature annealing or normalizing or as forged), shot blasting, lathe and hole processing, hobbing (tooth profile of the outer peripheral surface by a hobbing machine). machining), heat treatment (carburizing treatment, induction hardening and tempering, etc.), and, if necessary, tooth surface polishing treatment, etc. are performed to finish the finished product.
  • material heat treatment forging high temperature annealing or normalizing or as forged
  • shot blasting shot blasting
  • lathe and hole processing hobbing (tooth profile of the outer peripheral surface by a hobbing machine).
  • hobbing tooth profile of the outer peripheral surface by a hobbing machine.
  • heat treatment carburizing treatment, induction hardening and tempering, etc.
  • tooth surface polishing treatment etc.
  • the spur tooth profile or helical tooth profile formed using the forging die of the gear material 5 is hobbed (hobbing machine It is possible to finish the tooth profile of the outer peripheral surface by As shown in FIG. 2(a), the gear blank 5 has a tooth profile with a machining allowance of 0.2 to 2.0 mm on one side. Finishing can be performed by high-speed cutting at 500 m/min (250 to 500 m/min), and the machining time can be shortened.
  • the cutting speed is a numerical value when using a cutter made of high-speed tool steel (high-speed steel) (cutter diameter: ⁇ 85 mm, number of threads: 4, number of grooves: 14).
  • the cutting speed of a cutter made of high-speed tool steel (HSS) is around 200 m/min.
  • the yield of finished gear materials with relatively large shapes such as differential ring gears with spur or helical tooth profiles on the outer periphery is improved, and the running cost of gear cutting with a hobbing machine (tool reduction due to improved tool life) is improved. ) can be reduced, the cutting speed can be dramatically increased, the processing time can be reduced, and the total manufacturing cost can be reduced.
  • the machining allowance is 0.2 to 2.0 mm (preferably 0.2 to 1.5 mm, more preferably 0.2 to 1.0 mm) on one side.
  • the yield of the finished product is improved by about 10% from 56% of the conventional example (ring gear without gears) to 65% of the embodiment, and hobbing (tooth profile of the outer peripheral surface by a hobbing machine) It is possible to reduce the amount of cutting due to finishing machining) (the amount of cutting can be reduced to about 1/2 to 1/3).
  • the amount of cutting can be reduced.
  • the time can be reduced to about 14 seconds of the embodiment, and the cycle time can be shortened (shortened by 40% or more).
  • the cutting load due to hobbing is small, the temperature rise of the workpiece (gear material 5) is suppressed, and temperature control during hobbing is unnecessary.
  • the spur tooth profile or helical tooth profile formed on the outer peripheral surface of the gear blank 5 using a forging die has a high strength because the metal flow is not cut.
  • the present invention is not limited to the configurations described in the above examples, and does not deviate from the gist thereof.
  • the configuration can be appropriately changed within the range.
  • the gear blank, its manufacturing method, and finishing method of the present invention improve the yield of finished products, reduce the running cost of gear cutting with a hobbing machine, and drastically increase the cutting speed to reduce machining time.
  • the total manufacturing cost can be reduced, it can be widely used for relatively large-shaped gear materials such as differential ring gears having a spur tooth profile or helical tooth profile on the outer periphery, and methods for manufacturing and finishing thereof.

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Abstract

完成品の歩留まりを向上させ、ホブ加工機による歯切り加工のランニングコストを削減し、切削速度を飛躍的に速くして加工時間を削減し、トータルの製造コストを低減することができる外周にスパー歯形又はヘリカル歯形を有するデフリングギア等の比較的大きい形状をした歯車素材であって、外径１７０ｍｍ以上、外周厚さ３０ｍｍ以上のリング形状からなり、外周面に、片側０．２～２．０ｍｍの取り代を付けたスパー歯形又はヘリカル歯形を有する。

Description

歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法
　本発明は、歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法に関し、特に、外周にスパー歯形又はヘリカル歯形を有するデフリングギア（ファイナルギア）等の歯車素材並びにその製造方法及びホブ加工機（ホブ盤）による仕上げ加工方法に関するものである。
　従来、デフリングギアは、外径が約２００ｍｍ、歯幅が約４０ｍｍあり、比較的大きい形状をしているため、例えば、（１）～（３）に示す方法で製造するようにしていた（特許文献１参照。）。
（１）リング状の素材を、４０００ＴＯＮプレスで鍛造成形する方法
（２）ドイツのワグナー方式の鍛造→ローリング→揺動転造する方法
（３）２個のエッジロールと１個の受けロールとで圧延転造する方法
　そして、これらの方法は、いずれも、素材の外周に、ホブ加工機による歯切り加工を施して外周面に歯形を形成し、その後、シェービング、浸炭熱処理、ショットブラストを施した後、研磨等により歯形を仕上げるようにしている。
　このうち、（１）のリング状の素材を、４０００ＴＯＮプレスで鍛造成形する方法は、図３に示すように、第１工程でビレットを上下方向から据え込み鍛造して樽形のブランク（ａ１）を成形し、続いて第２工程で前記ブランク（ａ１）を上下から圧延して円板状のブランク（ａ２）を成形し、これを第３工程で４０００ＴＯＮプレスで型鍛造して半製品形状（ａ３）とし、最後に第４工程で中心部のウェブを打ち抜きして最終製品形状（ａ４）を成形している。
　しかしながら、この方法は、工程数が多いため、金型費が高くなってしまう欠点があった。
　また、（２）のドイツのワグナー方式の鍛造→ローリング→揺動転造する方法は、図４に示すように、ビレット（ｂ１）を第１工程で上下方向から据え込み鍛造して円板状のブランク（ｂ２）を成形し、これを第２工程で１６００ＴＯＮプレスにより型鍛造して粗製品形状（ｂ３）を成形し、これを第３工程で中心部のウェブ（ｂ４）を打ち抜きし、続いて第４工程でローリング加工して半製品形状（ｂ５）とし、最後に第５工程で揺動転造して最終製品形状（ｂ６）を成形している。
　しかしながら、この方法は、設備種類、台数が多く、また揺動転造の金型が非常に高価である。さらに、多工程となるのみならず、２ヒートでローリング、転造を行うため、加熱費が２倍必要となるため、全体として、やはり素材コストが高くつく欠点があった。
　また、（３）の２個のエッジロールと１個の受けロールとで圧延転造する方法は、図５に示すように、ビレット（ｃ１）を円板状のブランク（ｃ２～ｃ３）に据え込みし、このブランク（ｃ３）の底部中央を打ち抜く鍛造プレス工程と、この鍛造ブランク（ｃ４）に軸方向の押圧力を作用させる２個のエッジロール１１、１２と径方向内方への押圧力を作用させ、最終製品の外周面形状を付与する１個の受けロール１３とで転造成形して最終製品形状（ｄ）を成形している。
　しかしながら、この方法は、最終製品形状（ｄ）のものがリング形状であり、ホブ加工機で歯切りする場合、加工取り代が多く、加工歩留まりを悪化させ、工具寿命を低下させるという欠点があった。また、切削速度も、通常最高２００ｍ／ｍｉｎで、時間がかかり、加工工程でもコストが高くつく欠点があった。
特開平７－２７５９８９号公報
　本発明は、上記従来のデフリングギアの製造方法が有する問題点に鑑み、完成品の歩留まりを向上させ、ホブ加工機による歯切り加工のランニングコストを削減し、切削速度を飛躍的に速くして加工時間を削減し、トータルの製造コストを低減することができる外周にスパー歯形又はヘリカル歯形を有するデフリングギア等の比較的大きい形状をした歯車素材並びにその製造方法及びホブ加工機による仕上げ加工方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の歯車素材は、外径１７０ｍｍ以上（１７０～２３０ｍｍ程度）、外周厚さ３０ｍｍ以上（３０～５０ｍｍ程度）のリング形状からなり、外周面に、片側０．２～２．０ｍｍの取り代を付けたスパー歯形又はヘリカル歯形を有してなることを特徴とする。
　この場合、歯車のモジュールが、１．５～３．５である歯車素材とすることができる。
　また、本発明の歯車素材の製造方法は、上記歯車素材を、ビレットから熱間鍛造のみで成形することを特徴とする。
　また、本発明の歯車素材の仕上げ加工方法は、上記歯車素材を、ホブ加工機により、切削速度２５０～５００ｍ／ｍｉｎで仕上げ加工することを特徴とする。
　ここで、切削速度は、高速度工具鋼（ハイス）製のカッタを使用した場合の数値である。
　本発明の歯車素材並びにその製造方法及びホブ加工機による仕上げ加工方法によれば、外周にスパー歯形又はヘリカル歯形を有するデフリングギア等の比較的大きい形状をした歯車素材の完成品の歩留まりを向上させ、ホブ加工機による歯切り加工のランニングコストを削減し、切削速度を飛躍的に速くして加工時間を削減し、トータルの製造コストを低減することができる。
本発明の歯車素材の製造方法の一実施例を示す説明図である。 （ａ）は本発明と従来例のホブ加工代の説明図、（ｂ）は本発明と従来例の完成品の歩留まりの説明図である。 リング状の素材を、４０００ＴＯＮプレスで鍛造成形する方法の説明図である。 ドイツのワグナー方式の鍛造→ローリング→揺動転造する方法の説明図である。 ２個のエッジロールと１個の受けロールとで圧延転造する方法の説明図である。
　以下、本発明の歯車素材並びにその製造方法及びホブ加工機による仕上げ加工方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
　図１に、本発明の歯車素材の製造方法の一実施例を示す。
　この歯車素材の製造方法は、従来の歯車の無いリングギアを鍛造していたラインを使い、一連の工程の中で、歯形を成形するようにしたものである。
　まず、ビレット（円柱状素材）１を誘導加熱炉で所定温度に加熱し、複数工程からなる据え込み工程で、円板状のブランク２に据え込みし、荒工程でボリューム配分して外周部が肉厚のブランク３に成形し、仕上げ工程で鍛造型（内周面を成形するスパー歯形又はヘリカル歯形に対応した形状に形成した鍛造型）を用いて、外径１７０ｍｍ以上（１７０～２３０ｍｍ程度）、外周厚さ３０ｍｍ以上（３０～５０ｍｍ程度）のリング形状からなり、外周面に、片側０．２～２．０ｍｍ（好ましくは、０．２～１．５ｍｍ、より好ましくは、０．２～１．０ｍｍ）の取り代を付けた、モジュール１．５～３．５のスパー歯形又はヘリカル歯形（ねじれ角：最大３５°程度）を形成した歯車素材４に成形し、最終の穴抜き工程で穴あけした歯車素材５を得るようにしたものである。
　ここで、歯形部分は、ボリュームが少なく温度低下しやすいため、温度を維持する必要があるが、本工程の場合は、ビレット１から熱間鍛造のみで歯車素材５を成形するプレス機内の短時間の一連の成形工程で完結しており、十分温度が高い状態で成形できるため、リヒートの必要が無い。より具体的には、ビレット１から歯車素材５を成形する各工程のサイクルタイムは、１０秒以下、例えば、４～６秒程度に設定する。これにより、温度管理が容易になるとともに、酸化スケールの発生量を低減することができる。
　そして、歯車素材５は、熱間鍛造後に素材熱処理（鍛造高温焼きなまし若しくは焼準又は鍛造のまま）、ショットブラストを施した後、レース・穴加工、ホブ加工（ホブ加工機による外周面の歯形の加工）、熱処理（浸炭処理又は高周波焼入焼戻し等）、必要に応じて、歯面研磨処理等を行うことにより完成品に仕上げるようにしている。
　ここで、歯車素材５の鍛造型を用いて形成されたスパー歯形又はヘリカル歯形は、従来のリング状素材を加工しているホブ加工機で、歯形の位相を合わせることによりホブ加工（ホブ加工機による外周面の歯形の仕上げ加工）可能である。
　そして、図２（ａ）に示すように、歯車素材５は、外周面に、片側０．２～２．０ｍｍの取り代を付けた歯形を有してなることから、取り代が少なく、最大５００ｍ／ｍｉｎ（２５０～５００ｍ／ｍｉｎ）の高速切削加工で仕上げ加工することが可能であり、加工時間の短縮化を図ることができる。ここで、切削速度は、高速度工具鋼（ハイス）製のカッタ（カッタ径：φ８５ｍｍ、条数：４条、溝数：１４溝）を使用した場合の数値である。なお、一般的に高速度工具鋼（ハイス）製のカッタの切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ前後である。
　このようにして製造した完成品（歯車素材５）の諸元値（一例）を示す。
［完成品（歯車素材５）の諸元値］
　・外径：２０６ｍｍ
　・基準円直径：１６３ｍｍ
　・外周厚さ（歯幅）：４０ｍｍ
　・歯数：５１枚
　・モジュール：３．２
　・歯丈：８．７ｍｍ
　・ねじれ角：３１°
　・取り代：片側０．２～１．０ｍｍ
　これにより、外周にスパー歯形又はヘリカル歯形を有するデフリングギア等の比較的大きい形状をした歯車素材の完成品の歩留まりを向上させ、ホブ加工機による歯切り加工のランニングコスト（工具寿命の向上による工具のコストを含む。）を削減し、切削速度を飛躍的に速くして加工時間を削減し、トータルの製造コストを低減することができる。
　具体的には、図２（ｂ）に示すように、取り代を片側０．２～２．０ｍｍ（好ましくは、０．２～１．５ｍｍ、より好ましくは、０．２～１．０ｍｍ）にすることにより、完成品の歩留まりが、従来例（歯車の無いリングギア）の５６％から、実施例の６５％に約１０％向上するとともに、ホブ加工（ホブ加工機による外周面の歯形の仕上げ加工）による切削量を削減できる（切削量を１／２～１／３程度にすることができる。）。
　また、切削速度を２５０～５００ｍ／ｍｉｎに上げることが可能となるため、切削量を削減できることと相俟って、実加工時間を、従来例（歯車の無いリングギア）の約４２秒から、実施例の約１４秒に削減でき、サイクルタイムの短縮化（４０％以上の短縮化）を図ることができる。
　また、ホブ加工による切削負荷が小さいため、ワーク（歯車素材５）の温度上昇が抑制され、ホブ加工時の温調が不要である。
　また、鍛造型を用いて、歯車素材５の外周面に形成されたスパー歯形又はヘリカル歯形は、メタルフローが切断されていないため、強度の大きな歯形とすることができる。
　以上、本発明の歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
　本発明の歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法は、完成品の歩留まりを向上させ、ホブ加工機による歯切り加工のランニングコストを削減し、切削速度を飛躍的に速くして加工時間を削減し、トータルの製造コストを低減することができることから、外周にスパー歯形又はヘリカル歯形を有するデフリングギア等の比較的大きい形状をした歯車素材並びにその製造方法及び仕上げ加工方法に広く用いることができる。
　１　ビレット（円柱状素材）
　２　ブランク
　３　ブランク
　４　歯車素材
　５　歯車素材

Claims (4)

  1. 　外径１７０ｍｍ以上、外周厚さ３０ｍｍ以上のリング形状からなり、外周面に、片側０．２～２．０ｍｍの取り代を付けたスパー歯形又はヘリカル歯形を有してなることを特徴とする歯車素材。
  2. 　歯車のモジュールが、１．５～３．５であることを特徴とする請求項１に記載の歯車素材。
  3. 　請求項１又は２に記載の歯車素材を、ビレットから熱間鍛造のみで成形することを特徴とする歯車素材の製造方法。
  4. 　請求項１又は２に記載の歯車素材を、ホブ加工機により、切削速度２５０～５００ｍ／ｍｉｎで仕上げ加工することを特徴とする歯車素材の仕上げ加工方法。
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