JP2006193786A - バックテーパ付き歯を有する焼結部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結部品に形成される噛み合い用の歯に、素材にき裂を発生させずに生産性に優れる方法でバックテーパを付すことを可能にし、さらに強度も十分に確保される焼結部品の製造方法を提供する。
【解決手段】圧粉成形後に焼結して得られる歯付き焼結部品の素材１Ａに、その素材に形成された歯２の歯面２ａの一部を切欠く軸方向に延びた逃げ部４を設け、その逃げ部４は、両端が歯の噛み合い保証径Ｄ_２を保つ位置にあり、かつ、噛み合い保証径の位置を基点にしてそこから歯溝の中心線ＣＬと平行に歯底側に延び出す平行形状部４ａを含んでおり、この素材１Ａを、金型圧入方向に向かって前すぼみの方向に傾いた歯形矯正面を有するサイジング金型でサイジングして部品の歯２にバックテーパを付与するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、噛み合い用の歯にサイジング処理してバックテーパを付与することを可能にする焼結部品の製造方法とその方法で得られるバックテーパ付き歯を有する焼結部品に関する。

車両の駆動系などに利用される焼結部品の中に、バックテーパの付いた歯を有するものがある。図８にその部品の一例を示す。例示の焼結部品１は内歯歯車である。

この焼結部品１の歯２に付されたバックテーパθ（図８（ｃ）参照）は、外歯歯車を軸方向相対移動によってスムーズに噛み合わせ、かつ、スムーズに離脱させるためのものであって、歯溝３の溝幅Ｗを歯溝の入り口側（外歯歯車が入り込んでくる図８（ｃ）の右側）に向かって大きく（歯厚を小さく）するテーパである。

焼結歯車の製造では、通常、焼結後の素材にサイジング処理を施して歯形と歯の寸法を整えるが、前述のバックテーパを、サイジングによって付与しようとすると、下記の問題が発生する。

すなわち、バックテーパの付与量が小さければサイジング金型で素材の歯にバックテーパを付すことができる。ところが、バックテーパの付与量が大きくなると、サイジング時の素材圧縮量が大きくなるため素材１Ａに形成された歯２の付け根付近に過大な応力が発生し、その応力により歯２の根元（図８（ｄ）のａ部）付近において素材１Ａにき裂Ｃが発生する。

例えば、図８（ｃ）のバックテーパθが約２°の場合、バックテーパの付与範囲Ｌが８．０ｍｍを越えると素材１Ａにき裂Ｃが生じやすくなる。

このため、バックテーパの付与範囲が大きくて、き裂発生が避けられない焼結部品は、サイジング工程で歯をストレートな形に仕上げ、その後、この歯を切削加工してバックテーパをつける方法を採らざるを得なかった。

なお、歯を仕上げるサイジング金型については、例えば、下記の特許文献１等に開示されたものが提案されているが、これはストレートな歯を仕上げるものであって、素材にき裂を生じさせずにサイジングで広い範囲にバックテーパを付けることを開示した特許文献は見当たらない。
特開平６−２１２２０８号公報

本出願人は、焼結後の素材に設けられたストレートな歯を、サイジングで、き裂を発生させずに矯正してバックテーパ付きの歯に仕上げることができる方法を開発して提案した（特願２００３−３８５５２５号）。この発明は、上記の先の出願で提案した方法で得られるものよりも強度の高い焼結部品を製造できる方法と、その方法で得られるバックテーパ付き歯を有する焼結部品を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、圧粉成形後に焼結して得られる歯付き焼結部品の素材に、その素材に形成される歯の歯面の一部を切欠く軸方向に延びた逃げ部を設け、
その逃げ部は、両端が歯の噛み合い保証径を保つ位置にあり、かつ、噛み合い保証径の位置を基点にしてそこから歯溝の中心線と平行に歯底側に延び出す平行形状部を含んでおり、
この素材を、金型圧入方向に向かって前すぼみの方向に傾いた歯形矯正面を有するサイジング金型でサイジングして部品の歯にバックテーパを付与する。

この発明での噛み合い保証径とは、相手部品の歯と噛み合う面の面積を必要最小限の広さで確保する直径をいう。

この製造方法は、以下に列挙する内容にすると好ましい。
１）素材の歯底径を、要求される歯底径よりも大きくし、素材の歯底とサイジング金型との間に隙間を設けてサイジングを行う。
２）前記逃げ部の平行形状部と歯底との間に、歯の仕上げ寸法よりも最大で０．１ｍｍ小さくて形状が最終歯形の形状に近似している部分を形成し、この素材の歯にサイジング加工でバックテーパを付与する。
３）前記逃げ部は、圧粉工程において金型で成形して設ける。

なお、素材の歯は、インボリュート形状の歯が一般的であるが、この発明の方法は、インボリュート形状以外の歯にサイジング加工でバックテーパを付与する場合にも有効性を発揮する。

上記の方法でサイジングを行って得られる焼結部品は、相手部品の歯と噛み合う歯に、歯溝の溝幅を他端から一端に向かって大きくするバックテーパが付され、歯の長手途中から他端に至る領域に逃げ部が設けられ、その逃げ部によって歯の噛み合い保証径を保つ位置から外れた領域の歯面が部分的に切欠かれた状態になる。この発明においては、そのバックテーパ付き歯を有する焼結部品も併せて提供する。

素材に形成される歯の一部を切欠く逃げ部（切欠き部）を設けたので、サイジング代（サイジング金型による素材の圧縮代）が減少する。さらに、噛み合い保証径の位置から歯溝の中心線と平行に歯底側に延び出す平行形状部を逃げ部に含ませたので、歯元側のサイジング代が歯先側に比べて極端に少なくなり、これらによって、溝底部に発生する引張り応力（隣り合う歯を引き離す方向に作用する）が逃げ部無しの場合に比べて著しく小さくなり、逃げ部無しでサイジングを行う場合に発生するき裂が効果的に防止される。

また、逃げ部の働きによってサイジング後の部品に残留する応力も小さくなる。加えて、逃げ部の両端が歯の噛み合い保証径を保つ位置にあって噛み合いに最低限必要とされる面が長さ方向の全域において確保され、このために、特願２００３−３８５５２５号で提案した方法で得られるものよりも焼結部品の強度が向上し、切削加工でバックテーパを付与した部品と比べて大差の無い強度が確保される。

なお、素材の歯底とサイジング金型との間に隙間を設けてサイジングを行うと、応力の緩和効果が高まり、き裂防止の効果がより向上する。

逃げ部の平行形状部と歯底との間に、歯の仕上げ寸法よりも最大で０．１ｍｍ小さくて形状が最終歯形の形状に近似している部分を形成し、この素材の歯にサイジング加工でバックテーパを付与する場合にも応力の緩和効果が高まり、き裂防止の効果がより向上する。

また、逃げ部を、圧粉工程において金型で成形して設けると、逃げ部設置による加工工程の増加が回避される。

以下、この発明の製造方法の具体例を、添付図面の図1乃至図８に基づいて説明する。
図１はバックテーパを付与する前の素材形状を、図２はバックテーパを付与するサイジング金型の形状を、図３はバックテーパ付与後の焼結部品の形状をそれぞれ示している。これらはいずれも正面形状である。

図１に示すように、圧粉成形工程と焼結工程を経て得られる焼結部品の素材１Ａに、その素材１Ａに形成された歯２の歯面の一部を切欠く軸方向にストレートに延びた逃げ部４を、焼結前の圧粉工程において金型で成形して設ける。歯２はインボリュート曲線の歯が一般的であり、そのインボリュート曲線の歯形の歯を図示しているが、インボリュート曲線の歯形に限定されるものではない。

逃げ部４は、歯２の噛み合い保証径Ｄ_２が確保される位置に両端を配置し、ここから歯底に向かう領域に歯溝３の中心線ＣＬと平行な平行形状部４ａと、寸法が歯２の仕上げ寸法よりも小さくて形状が最終歯形に似ている近似形状部４ｂを設けたものにしている。また、ここでは歯底４ｃの径Ｄ_３を、必要とされる歯底円径Ｄ_１よりも大きくしており、図４に示すように、歯底４ｃとサイジング金型（コアロッド）５の面IIとの間に隙間ｇが生じる。なお、図４のＩは、バックテーパを付与する前の歯面位置を表している。また、図４のIIIは、サイジング後の歯底の位置を表している。

歯２の仕上げ寸法と近似形状部４ｂの寸法差（しごき代Ａ_２）は、寸法矯正効果を得るために０よりも大きくする。その寸法差は、サイジング時のき裂防止効果を十分に引き出すために最大で０．１ｍｍ程度にするのがよい。

また、歯底４ｃとサイジング金型５との間の隙間ｇは、応力緩和の効果を高めるために、半径で０．１ｍｍ以上確保するのがよい。

上記の逃げ部４を設けた素材１Ａを、金型圧入方向に向かって前すぼみの方向に傾いた歯形矯正面を有するサイジング金型５でサイジングして歯２にバックテーパを付与する。

サイジングは以下のようにして実施する。即ち、まず、図７に示すように、ダイ６の内部にサイジング金型５と下パンチ７を入り込ませ、素材１Ａを下パンチ７で受け支えてセットする。ダイ６は、内径Ｄ_５が素材１Ａの外径Ｄ_６よりも小さく、Ｄ_６とＤ_５の差が素材外周のしごき代となるものを用いる。そのしごき代（Ｄ_６−Ｄ_５）は、素材外径に対して１／１００以下、より好ましくは５／１０００以下が適している。

次に、上パンチ８を降下させてセット済みの素材１Ａを下パンチ７との間に挟み、以後、下パンチ７と素材１Ａを上パンチ８で一緒に押し下げ、サイジング金型５も同時に下降させて素材１Ａをダイ６の中に押し込んで行く。この過程で素材１Ａはダイ６内に圧入され、外周がダイ６によって拘束される。そして、この状態で下降終点に停止したサイジング金型５が図８に示すように素材１Ａの内部に押し込まれ、サイジング金型５による歯２のサイジングとその歯２に対するバックテーパの付与がなされる。

この後、下パンチ７で処理済の素材１Ａを突き上げてダイ６から抜き出す。以上で、バックテーパ同時付与のサイジングが完了し、バックテーパ付き歯を有する内歯歯車などの焼結部品が完成する。

図５（ａ）は、バックテーパ付与後の歯２と歯溝３の正面形状を表している。また、図５（ｂ）は、バックテーパ付与後の歯面２ａの側面形状を、図５（ｃ）は、バックテーパ付与後の歯２と歯溝３の平面形状を各々表している。歯２は、逃げ部４が一部に残り、残存した逃げ部によって歯面２ａが歯の長手方向途中から部分的に切欠かれた状態になる。

このように、この発明では、歯面の一部を切欠く逃げ部を素材１Ａに設けてバックテーパ同時付与のサイジングを行うので、優れたき裂防止効果が得られ、き裂の無い健全な焼結部品を得ることができる。また、逃げ部の両端を歯の噛み合い保証径を保つ位置に配置し、そこから歯底に向かう領域に歯溝３の中心線ＣＬとの平行形状部４ａを逃げ部に備えさせたので、バックテーパを切削加工して設ける焼結部品と比較して遜色の無い強度を有する焼結部品が得られる。

図６に、特願２００３−３８５５２５号の方法で採用した逃げ部１４（実線）と、この発明で採用した逃げ部４（一点鎖線）の形状を合成して示す。この２種類の逃げ部を設けた素材を、金型でそれぞれサイジングしたところ、どちらの素材もき裂を発生させずに歯２に対して図９（ｃ）のθが３°のバックテーパを付すことができたが、このときに発生する応力をＣＡＥ（コンピュータ数値シミュレーション）解析で求めて比較したところ、その応力に明らかな差が生じた。即ち、逃げ部１４を設けた素材（比較品）は、発生応力が４３１８ＭＰａであったのに対し、逃げ部４を設けた素材（発明品）は発生応力が２５７５ＭＰａであり、前者に比べてその応力が約４０％減少することがわかった。図の点線は発明品のサイジング後の歯形、２点鎖線は比較品のサイジング後の歯形である。

次に、サイジング後の焼結部品（内歯歯車）の歯にトルクが加わったときに歯底のコーナＲ部に発生する応力を調べた。その結果、その応力は比較品が約２８．９ＭＰａ、発明品が約２３．８ＭＰａであった。バックテーパを切削加工して設けた焼結部品（内歯歯車）はその応力が約２２．９ＭＰａであるので、これと比べると比較品は約２６％応力が増加したことになる。これに対し、発明品の応力増加はわずか４％ほどである。この発明品は比較品に比べて応力が約１８％減少したことになる。

なお、発明品の寸法諸元とサイジング条件は、歯先円径Ｄ_１＝φ８３．１９ｍｍ、歯底径Ｄ_３＝φ８８．９５ｍｍ、噛み合い保証径Ｄ_２＝φ８６．１８ｍｍ、逃げ部４の平行形状部の幅ｗ_１＝２．５０ｍｍ、しごき代Ａ_１＝０．７５ｍｍ、しごき代Ａ_２＝０．０９ｍｍ、しごき代Ａ_３＝０．０１６ｍｍとした。一方、比較品は、歯先円径Ｄ_１＝φ８３．１９ｍｍ、逃げ部１４の基端が置かれる位置の径Ｄ_４＝φ８６．２０ｍｍ、歯底径Ｄ_３＝φ８７．４８ｍｍとし、さらにしごき代Ａ_１は発明品と同じにした。

この試験結果で強度に差が生じた理由は、サイジング時に発生する応力が特願２００３−３８５５２５号の方法よりもさらに低減したからであると考えられる。

（ａ）この発明の方法で採用する素材の歯と歯溝の正面図、（ｂ）同上の歯と歯溝の拡大正面図 （ａ）サイジング金型（コア）の正面図、（ｂ）同上の金型の要部の拡大正面図 （ａ）サイジング後の焼結部品の正面図、（ｂ）同上の部品の歯と歯溝の拡大正面図 サイジング金型とバックテーパ付与前、付与後の歯形を示す図 （ａ）バックテーパ付与後の歯と歯溝の正面形状の拡大図、（ｂ）バックテーパ付与後の歯面の側面図、（ｃ）バックテーパ付与後の歯と歯溝の平面図 先に出願した方法での逃げ部とこの発明の方法での逃げ部を比較するために合成した図 サイジングの開始状態を示す図 サイジングの終了状態を示す図 （ａ）バックテーパ付き歯を有する焼結部品の一例を示す正面図、（ｂ）（ａ）の一部の拡大図、（ｃ）歯の平面図、（ｄ）き裂の発生状況を示す図

符号の説明

１ 焼結部品
１Ａ 素材
２ 歯
２ａ 歯面
２ｂ 歯先
３ 歯溝
４ 逃げ部
４ａ 平行形状部
４ｂ 近似形状部
４ｃ 歯底
５ サイジング金型
６ ダイ
７ 下パンチ
８ 上パンチ
Ｗ 溝幅
ＣＬ 歯溝の中心線
θ バックテーパ
Ｌ バックテーパ付与範囲
ｇ 隙間
Ａ_１〜Ａ_３ しごき代

Claims (6)

1. 圧粉成形後に焼結して得られる歯付き焼結部品の素材に、その素材に形成された歯の歯面の一部を切欠く軸方向に延びた逃げ部を設け、
   その逃げ部は、両端が歯の噛み合い保証径を保つ位置にあり、かつ、噛み合い保証径の位置を基点にしてそこから歯溝の中心線と平行に歯底側に延び出す平行形状部を含んでおり、
   この素材を、金型圧入方向に向かって前すぼみの方向に傾いた歯形矯正面を有するサイジング金型でサイジングして部品の歯にバックテーパを付与する工程を経ることを特徴とするバックテーパ付き歯を有する焼結部品の製造方法。
2. 前記素材の歯底径を、要求される歯底径よりも大きくし、素材の歯底とサイジング金型との間に隙間を設けてサイジングを行う請求項１に記載のバックテーパ付き歯を有する焼結部品の製造方法。
3. 前記逃げ部の平行形状部と歯底との間に、歯の仕上げ寸法よりも最大で０．１ｍｍ小さくて形状が最終歯形形状に近似している部分を形成し、この素材の歯にサイジング加工でバックテーパを付与する請求項１又は２に記載のバックテーパ付き歯を有する焼結部品の製造方法。
4. 素材の歯がインボリュート形状の歯であり、この歯にサイジング加工でバックテーパを付与する請求項１乃至３のいずれかに記載のバックテーパ付き歯を有する焼結部品の製造方法。
5. 前記逃げ部を、圧粉工程において金型で成形して設ける請求項1乃至４のいずれかに記載のバックテーパ付き歯を有する焼結部品の製造方法。
6. 相手部品の歯と噛み合う歯に、歯溝の溝幅を他端から一端に向かって大きくするバックテーパが付され、歯の長手途中から他端に至る領域に逃げ部が設けられ、その逃げ部によって歯の噛み合い保証径を保つ位置から外れた領域の歯面が部分的に切欠かれた状態になっている請求項1乃至５のいずれかに記載の方法で製造されたバックテーパ付き歯を有する焼結部品。

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