JP2006192657A - 歯車成形金型および歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーカット部分があっても歯形の精度を高くすることのできる歯車成形金型を提供すること。
【解決手段】複数の歯３が環状に配列された樹脂製の環状歯体４を含むウォームホイールからなる歯車１を成形するための歯車成形金型５である。第１部分６および第２部分７を有する固定金型５０と可動金型８とを組み合わせて環状歯体成形用キャビティを形成する。固定金型５０の第１部分６の孔９の内周面９ａに、歯車の実質的な歯形である凹歯形面３ａを形成するための凸型の歯形成形用面１０が形成されている。少なくとも歯形成形用面１０を電鋳層の表面により形成する。電鋳層の表面硬度をロックウェル硬さでＨＲＣ４０〜７０の範囲に設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ウォームホイール等の樹脂製の歯車を成形するための成形金型および歯車の製造方法に関する。

例えば自動車の電動パワーステアリング装置において、電動モータの出力回転を減速するために用いられているウォームホイールがある。
この種のウォームホイールは、歯打ち音の低減を考慮して、少なくとも歯部が樹脂により成形されている。
通例、その歯部はホブによる切削加工により形成されている。しかし、切削時に生じたバリを除去する作業が必要であり、製造コストが高くなるという問題がある。

一方、ウォームホイールを芯金をインサートした状態で、成形金型内で射出成形することにより成形する場合がある（例えば特許文献１参照）。
しかし、ウォームホイールの歯部は歯すじ方向の中間部において、歯厚が相対的に薄くなっており、ウォームホイールの軸方向に型抜きする場合には、その型抜き方向に関してアンダーカットとなる部分がある。
特開平８−７４９６９号公報

そこで、離型に際して、歯車の放射方向にスライドできるスライドコアを用いることが考えられるが、歯の精度として高い精度が要求される用途には不向きである。
というのは、スライドコアをスライドさせるためには、所要のクリアランスが必要であり、結果として、歯の精度が悪くなるからである。特に歯の累積ピッチ誤差が悪くなる傾向にある。

一方、スライド型を用いずに、無理抜きにより強制的に離型させることも考えられる。しかし、その場合、通常の放電加工により形成された金型表面では、離型抵抗が大きく、その結果、離型後の歯形精度が悪くなるという問題がある。
そこで、放電目を消すために、研磨を実施することも考えられるが、その場合にも、歯の累積ピッチ誤差が大きくなるという問題があり、実施が困難である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、アンダーカット部分があっても歯形の精度を高くすることのできる歯車成形金型および歯車の製造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、本発明の成形金型は、複数の歯が環状に配列された樹脂製の環状歯体を含む歯車を成形するための歯車成形金型において、上記環状歯体を成形するための環状歯体成形用キャビティを備え、その環状歯体成形用キャビティの少なくとも歯形成形用面が電鋳層により形成され、その電鋳層の表面硬度がロックウェル硬さでＨＲＣ４０〜７０の範囲であることを特徴とするものである。

電鋳層であれば離型時の滑りが良く離型性が良い。したがって、離型方向に関してアンダーカット部分のある成形品としての歯車を、いわゆる無理抜きで歯車成形金型から離型させても、歯車の歯形の寸法精度を良好に維持することができる。
電鋳層の硬度がＨＲＣ４０未満では、射出成形時の樹脂材料の充填圧力や保持圧力により電鋳が変形し、成形を繰り返すごとにその変形が累積されるので、成形品としての歯車の歯形の精度が悪くなる。また、電鋳層の硬度がＨＲＣ７０を超えると、脆くなるという不具合がある。そこで、上記の範囲に設定することで、成形品としての歯車の歯形の精度を高くするとともに、型寿命を確保するようにした。

上記電鋳層の表面粗さがＲａ１．０以下であれば、歯車成形金型からの離型をより良くするうえで好ましい。
上記電鋳層はニッケル合金電鋳層を含んでいれば、好ましい。すなわち、ニッケル合金電鋳層であれば、高温硬度が高く、摩耗や変形を少なくすることができるので、歯車成形金型の実質的な耐久性を向上することができる。

また、複数の歯が環状に配列された樹脂製の環状歯体を含む歯車を製造する方法であって、環状歯体成形用キャビティを備え、その環状歯体成形用キャビティの少なくとも歯形成形用面がロックウェル硬さでＨＲＣ４０〜７０の範囲の表面硬度を有する電鋳層により形成された歯車成形金型を用い、その環状歯体成形用キャビティ内で歯車の環状歯体を射出成形する工程と、射出成形された環状歯体を含む歯車を歯車成形金型から離型させる工程とを含む歯車の製造方法によれば、アンダーカット部分があっても歯形精度のよい歯車を成形することができて好ましい。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は射出成形された歯車１を示している。歯車１は、樹脂製の環状の本体２と、本体２の外周に延設され複数の歯３を環状に配列して構成される樹脂製の環状歯体４とを備えるウォームホイールからなる。本体２には歯車１に支軸を挿通させるための中心孔２ａが形成されている。本体２内に補強用の芯金がインサートされる場合もある。

図２は上記の歯車１を成形するための歯車成形金型５を型締め状態で示している。図３は型開き時の歯車成形金型５を示している。
図２および図３を参照して、歯車成形金型５は、一体に固定された第１部分６および第２部分７を有する固定金型５０と、その固定金型５０に組み合わされる可動金型８とを備える。

固定金型５０の第１部分６は中心軸線Ｃ１を持つ孔９を有している。固定金型５０の第２部分７は、第１部分６の側面６ａに当接する当接面７ａを有し、また、第１部分６の孔９内に挿入された大径突起７ｂおよび小径突起７ｃを有している。小径突起７ｃは大径突起７ｂの中央部から突出するように形成されている。これら大径突起７ｂおよび小径突起７ｃは上記中心軸線Ｃ１の同軸上に配置されている。

上記第１部分６の孔９の内周面９ａには、歯車１の歯３の実質的な歯形である凹歯形面３ａを成形するための凸型の歯形成形用面１０が形成されている。
孔９の内周面９ａにおいて少なくとも歯形成形用面１０は、図３のIV−IV線に沿う断面図である図４に示すように電鋳層１１により形成されている。
電鋳層１１の表面硬度はロックウェル硬さでＨＲＣ４０〜７０の範囲に設定されることが好ましい。

電鋳層１１の表面硬度がＨＲＣ４０未満では、射出成形時の樹脂材料の充填圧力や保持圧力により電鋳が変形し、成形を繰り返すごとにその変形が累積されるので、成形品としての歯車１の歯の精度が悪くなる。また、電鋳層８の表面硬度がＨＲＣ７０を超えると、脆くなるという不具合がある。そこで、上記の範囲に設定することで、成形品としての歯車１の歯の精度を高くするとともに、型寿命を確保するようにした。

また、上記電鋳層１１の表面粗さがＲａ１．０以下であれば、歯車成形金型５からの成形品の離型を良くするうえで好ましい。また、上記電鋳層１１としてはニッケル合金電鋳層を例示することができる。
図２および図３に示すように、固定金型５０の第１部分６および可動金型８は、型締め時に互いに合致される型合わせ面としての側面６ｂ，８ａを有している。また、可動金型８は型締め時に固定金型５０の第１部分６の孔９内に挿入される大径突起８ｂを有している。大径突起８ｂは上記の中心軸線Ｃ１の同軸上に配置されている。また、固定金型５０の第２部分７の上記小径突起７ｃは、型締め時に可動金型８の大径突起８ｂの端面に当接するようになっている。

図２に示す型締め状態で、固定金型５０と可動金型８とにより、環状歯体成形用キャビティ２０と、本体成形用キャビティ２１が形成される。また、上記の小径突起７ｃは成形後の歯車１の軸孔を形成するためのものである。環状歯体成形用キャビティ２０内では、少なくとも上記の歯形成形用面１０が電鋳層１１により形成されていることになる。
図示していないが、固定金型５０の第２部分７および可動金型８には、環状歯体成形用キャビティ２０および本体成形用キャビティ２１内に溶融樹脂を射出するための貫通孔が形成されている。

上記の歯車成形金型５を用いて歯車１を製造する場合には、歯車成形金型５を用い、図２に示す型締め状態で各キャビティ２０，２１内に溶融樹脂を射出し、歯車１を成形する。その後、図３に示すように、歯車成形金型５を型開きし、歯車成形金型５から成形された歯車１を中心軸線Ｃ１に沿って離型させる。
固定金型５０から歯車１の環状歯体４を離型させるときに、環状歯体４の凹歯形面３ａが孔９の電鋳層１１の表面を低摩擦抵抗で滑らかにスライドすることになり、歯車１を抵抗なくスムーズに離型させることができる。特に電鋳層１１であれば表面粗さＲａ１．０以下を容易に達成でき、離型性を良くすることができる。

したがって、離型方向に関してアンダーカット部分のある成形品としての歯車１を、いわゆる無理抜きで歯車成形金型５から離型させても、歯車１の歯形の寸法精度を良好に維持することができる。
特に、電鋳層１１の表面硬度をＨＲＣ４０以上としたので、射出成形時の樹脂材料の充填圧力や保持圧力による電鋳層１１の変形量を抑制することができ、その結果、成形品としての歯車１の歯の精度を長期にわたって維持することができる。ひいては、実質的な金型寿命を長くすることができる。

また、電鋳層１１としてニッケル合金電鋳層を用いる場合には、電鋳層１１の高温硬度を高くでき、その摩耗や変形を少なくすることができるので、歯車成形金型５の実質的な耐久性をより向上することができる。

上記の電鋳層１１の表面硬度を下記の表１のように種々変更した実施例１，２および比較例１，２の歯車成形金型５を作成し、各歯車成形金型５を用いてウォームホイールからなる歯車１をそれぞれ成形した。
各実施例および各比較例を基準ウォームと噛み合わせて１回転させ、各例のウォームホイールと基準ウォームの中心間距離の変化に基づき、噛み合いによる振れをそれぞれ測定した。

図５に示すように、総噛み合い振れＰはウォームホイールが１回転したときの全振れ幅に相当する。平均噛み合い振れＱは各噛み合い振れＱｎ（ｎ＝１，２，…）の平均値である。うねりＲは、総噛み合い振れＰから平均噛み合い振れＱを減じた値とした（Ｒ＝Ｐ−Ｑ）。
その結果を表１および図６に示す。表１および図６では、比較例１（ＨＲＣ２５）の総噛み合い振れＰ、平均噛み合い振れＱおよびうねりＲをそれぞれ１．０とし、これに対する比率で実施例１，２および比較例２の試験結果が表されている。

表１および図６に示すように、電鋳層の表面硬度をＨＲＣ４０とした実施例１およびＨＲＣ６０とした実施例２は、総噛み合い振れＰ、平均噛み合い振れＱおよびうねりＲの何れもが比較例１の８０％以下であり、噛み合い精度が高く、歯形精度が高いことが立証された。

図１は歯車の斜視図である。 図２は歯車成形金型の概略断面図である。 図３は離型時の歯車成形金型の概略断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 中心間距離の変化と噛み合い振れの関係を表すグラフ図である。 実施例および比較例の試験結果である。

符号の説明

１…歯車、２…本体、２ａ…中心孔、３…歯、３ａ…凹歯形面、４…環状歯体、５…歯車成形金型、５０…固定金型、６…第１部分、６ａ，６ｂ…側面、７…第２部分、７ｂ…大径突起、７ｃ…小径突起、８…可動金型、８ａ…側面、８ｂ…大径突起、９…孔、９ａ…内周面、１０…歯形成形用面、１１…電鋳層、２０…環状歯体成形用キャビティ、２１…本体成形用キャビティ、Ｃ１…中心軸線、Ｐ…総噛み合い振れ、Ｑ…平均噛み合い振れ、Ｒ…うねり

Claims (4)

1. 複数の歯が環状に配列された樹脂製の環状歯体を含む歯車を成形するための歯車成形金型において、
   上記環状歯体を成形するための環状歯体成形用キャビティを備え、
   その環状歯体成形用キャビティの少なくとも歯形成形用面が電鋳層の表面により形成され、
   その電鋳層の表面硬度がロックウェル硬さでＨＲＣ４０〜７０の範囲であることを特徴とする歯車成形金型。
2. 請求項１において、上記電鋳層の表面粗さが、Ｒａ１．０以下である歯車成形金型。
3. 請求項１又は２において、上記電鋳層はニッケル合金電鋳層を含む歯車成形金型。
4. 複数の歯が環状に配列された樹脂製の環状歯体を含む歯車を製造する方法であって、
   環状歯体成形用キャビティを備え、その環状歯体成形用キャビティの少なくとも歯形成形用面がロックウェル硬さでＨＲＣ４０〜７０の範囲の表面硬度を有する電鋳層により形成された歯車成形金型を用い、その環状歯体成形用キャビティ内で歯車の環状歯体を射出成形する工程と、
   射出成形された環状歯体を含む歯車を歯車成形金型から離型させる工程とを含むことを特徴とする歯車の製造方法。

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