JP2006206975A

JP2006206975A - 焼結ギヤ部材の製造方法

Info

Publication number: JP2006206975A
Application number: JP2005022031A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Morita; 正森田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】焼結後の矯正や熱処理後の後加工を不要とできる焼結ギヤ部材の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】圧粉体２１の成形工程及び焼結圧粉体に熱処理を施す熱処理工程を経て、上面２３ｂに複数の歯部２５が整列状態に形成された焼結ギヤ部材を製造する方法であって、成形工程において、圧粉体２１の全体は、歯部２５のピッチ線が曲率半径Ｒ１の凹円弧状Ｃ１を為すように湾曲して成形される。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の歯部が整列状態に形成されたギヤ部材を焼結により製造するのに好適な方法に関する。

例えばラックのような、一の面に複数の歯部が整列状態に形成されたギヤ部材は、このギヤ部材と組み合わせられる被動部材を歯部の整列方向に進退自在に駆動するための各種装置に広く用いられている。
図７は、焼結により製造されたラックの一例であって、このラック１０１はその本体１０３が、略平坦状に形成された底面１０３ａと、この底面１０３ａに対向する上面１０３ｂとを備えた略直方体状に形成されており、上面１０３ｂ側に複数の歯部１０５が長手方向に亘って整列して形成されている。

このようなラック１０１が従来の方法により製造される様子を図８に基づいて説明すると、まず、図８（ａ）に示されるように、図示しない成形金型を用いて原料粉末を加圧成形する成形工程を経て圧粉体１２１が製作される。
この圧粉体１２１は、その本体１２３の略平坦状に形成された底面１２３ａに対向する上面１２３ｂ側に、複数の歯部１２５が長手方向に亘って整列して形成されるものである。
次に、圧粉体１２１は、図示しない焼結炉に投入されて焼結される焼結工程に供給され、焼結圧粉体１４１が製作される（図８（ｂ）参照）。
このとき、図８（ｂ）に示されるように、焼結圧粉体１４１の本体１４３の底面１４３ａ側と、歯部１４５が形成された上面１４３ｂ側との表面積が相違すると共に体積膨張量も異なるため、焼結圧粉体１４１は、上面１４３ｂ側を凸とする湾曲変形を生じる。

このため、焼結圧粉体１４１に焼き入れ・焼き戻し等の熱処理を行って熱処理圧粉体１８１を製作する熱処理工程に先立ち、図８（ｃ）に示されるように、焼結圧粉体１４１を、上面１４３ｂから底面１４３ａに向かうＡ方向に押圧する矯正工程を設けて矯正圧粉体１６１を製作することが一般に行われる。
そして、この矯正工程により、焼結工程で生じた湾曲変形がある程度矯正された後に、矯正圧粉体１６１が熱処理工程に投入される。

ところが上記のような製造方法においては、焼結工程で生じた湾曲変形は、一旦は矯正工程によりある程度矯正されるものの、Ａ方向にかなり大きな力で加圧されるため、矯正圧粉体１６１の内部に高い残留応力を生じてしまう。
従って、矯正圧粉体１６１を図示しない熱処理炉に投入して熱処理工程に供した場合、図８（ｄ）に示されるように、前記残留応力の影響により、熱処理圧粉体１８１が、本体１８３の上面１８３ｂ側を凸として再び大きく湾曲変形されてしまう。

このように湾曲変形された熱処理圧粉体１８１を、後加工を施さないまま被動部材と組み合わせてしまうと、熱処理圧粉体１８１の歯部１８５と、被動部材の歯部との噛み合いが不十分となり、異音を発生したり、歯部１８５が早期に摩耗・破損してしまうといった不都合を生じる。
このため、従来は、熱処理圧粉体１８１に切削等の後加工を施して図７に示されるようなラック１０１を製造していたのが実状であった。

しかし、熱処理圧粉体１８１の湾曲変形を切削等の後加工により修正することは、加工自体が困難であることはもとより、製造コストの大幅な増大も招来することとなる。
上述したような変形を低減するため、例えば特許文献１にあっては、端面部に歯部を有する焼結ギヤ部材を製作する場合に、フランジ部端面に歯部を有する焼結ギヤ部材の裏端面に、焼結ギヤ部材を使用する際に相手歯車と噛み合うことがない裏面歯部を設け、その裏面歯部を歯部の歯形とほぼ相似形とし、且つ歯部の歯先面と裏面歯部の歯底面を互いに対向させた焼結ギヤ部材の製造方法も提案されている。
特開２００２−５２６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている製造方法においては、焼結ギヤ部材の機能には全く寄与しない裏面歯部を裏端面に設けるため、成形金型が複雑とならざるを得ず、製造コストの増大を回避することが困難であった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、焼結後の矯正工程で圧粉体内部に生じる残留応力を低減できると共に、熱処理後の切削等の後加工を不要とできる焼結ギヤ部材の製造方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、請求項１記載の焼結ギヤ部材の製造方法は、圧粉体の成形工程及び焼結後の圧粉体に熱処理を施す熱処理工程を経て、一の面に複数の歯部が整列状態に形成された焼結ギヤ部材を製造する方法であって、前記成形工程は、前記歯部のピッチ線を曲率半径Ｒ１の凹円弧状となるように前記圧粉体の全体を湾曲させて成形することを特徴とするものである。
また、前記曲率半径Ｒ１は、前記圧粉体が前記熱処理工程を施されるまでの間での、前記圧粉体の前記歯部の整列方向の中央における曲率半径方向の変形量に基づいて決定されることが望ましい（請求項２）。

請求項１記載の発明によると、成形工程により製作される圧粉体は、歯部のピッチ線が、予め、曲率半径Ｒ１をもって、その後の焼結工程及び熱処理工程による変形方向と逆方向の凹円弧状に成形されるので、焼結工程及び熱処理工程による湾曲変形が相殺され得ると共に、焼結後の矯正が軽度なもので足りるので、圧粉体内部の残留応力が低減され得る。
また、請求項２記載の発明によると、成形工程により得られた圧粉体に焼結工程及び熱処理工程を施される間の変形量を実験により求め、この得られた変形量に基づいて曲率半径Ｒ１を決定すれば、焼結工程及び熱処理工程による湾曲変形が精度良く相殺され得ると共に、焼結後の矯正を一層軽度にすることができるので、圧粉体内部の残留応力が更に低減され得る。

本発明に係る焼結ギヤ部材の製造方法によれば、焼結工程及び熱処理工程における変形を相殺することが可能となるので、焼結後の矯正による残留応力を著しく低減できると共に、熱処理後の切削等の後加工が不要となり、製造コストを著しく低減することができる。

以下、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態により製造されたラック１（焼結ギヤ部材）を示すものであり、このラック１は、本体３が、略平坦状に形成された底面３ａと、この底面３ａに対向する上面３ｂとを備えた略直方体状に形成されると共に、上面３ｂ側に複数の歯部５が長手方向に亘って整列して形成されている。

このラック１は、本実施の形態においては、以下のように製作される。
まず、図２に示されるように、図示しない成形金型を用いて原料粉末を加圧成形する成形工程を経て圧粉体２１が製作される。
この圧粉体２１は、その本体２３の底面２３ａに対向する上面２３ｂ側に、複数の歯部２５が長手方向に亘って整列して形成されるが、複数の歯部２５のピッチ線が、上面２３ｂを凹側とする曲率半径Ｒ１の円弧Ｃ１を為すように成形される点が、従来の製造方法と大きく相違している。

ここで、曲率半径Ｒ１は、上面２３ｂの中央から歯部２５のピッチ線の両端点を結ぶ線までの距離がＤ１となるように決定される。
なお、Ｄ１は、後に詳述するように、図８（ａ）における圧粉体１２１が焼結工程及び熱処理工程を施される間に生じる変形量に基づいて決定される。

次に、圧粉体２１は、図示しない焼結炉に投入されて焼結される焼結工程に供給され、焼結圧粉体４１が製作される。
このとき、図３に示されるように、焼結圧粉体４１の本体４３の底面４３ａ側と、歯部４５が形成された上面４３ｂ側との表面積が相違すると共に体積膨張量も異なるため、これら底面４３ａと上面４３ｂとは依然として円弧状を為すものの、焼結圧粉体４１は、図２におけるＤ１が小さくなる方向に変形される。
すなわち、焼結圧粉体４１の複数の歯部４５のピッチ線は、上面４３ｂを凹側とし、Ｒ１よりも大きな曲率半径Ｒ２を有する円弧Ｃ２を為し、この結果、上面４３ｂの中央から歯部４５のピッチ線の両端点を結ぶ線までの距離は、Ｄ１よりも小さいＤ２となる。

次に、焼結圧粉体４１には、サイジング・コイニング等の矯正工程が施され、図４に示されるような矯正圧粉体６１が製作される。
但し、本実施の形態における矯正工程で焼結圧粉体４１に加えられる加圧力は、前述した従来の製造方法における矯正工程で焼結圧粉体１４１の湾曲変形を矯正するために加えられる加圧力に比較すると極めて小さなものであり、焼結圧粉体４１の湾曲量までも矯正しようとするものではないため、矯正圧粉体６１の複数の歯部６５のピッチ線は、曲率半径Ｒ２とほぼ等しい曲率半径Ｒ３を有する円弧Ｃ３を為し、上面６３ｂの中央から歯部６５のピッチ線の両端点を結ぶ線までの距離Ｄ３も、図３におけるＤ２から殆ど変化しないで維持される。
従って、矯正圧粉体６１の内部の残留応力は、図８（ｃ）に示される矯正圧粉体１６１の残留応力に比べて非常に低くなっている。

そして、矯正圧粉体６１は、図示しない熱処理炉に投入され、焼き入れ・焼き戻し等を行う熱処理工程に供されて熱処理圧粉体８１が製作される。
このとき、熱処理圧粉体８１の本体８３の底面８３ａ側と、歯部８５が形成された上面８３ｂ側との表面積が相違すると共に体積膨張量も異なるため、熱処理圧粉体８１は、図４におけるＤ２が更に小さくなる方向に変形され、この結果、図５に示されるように、熱処理圧粉体８１の底面８３ａ及び上面８３ｂは共にほぼ平坦面となる。

ここで、本発明の効果を確認するために行った検証実験の結果について説明する。
この検証実験により製作されたラック１の主要諸元は、以下の通りである（図１参照）。
長手方向の幅Ｗ：１２４ｍｍ
歯部５の数：３８
歯部５のモジュール：１．０
歯部５の圧力角：２０°
底面３ａから歯部５の歯先までの高さｔ１：１４．８ｍｍ
底面３ａから歯部５の歯底までの高さｔ２：１２．５ｍｍ

まず比較例として図８（ａ）に示されるような圧粉体１２１を１００個製作し、この圧粉体１２１に、焼結工程及び熱処理工程を施して熱処理圧粉体１８１を得た（なお、矯正工程は行っていない。）。
得られた熱処理圧粉体１８１は、図６に示されるように、本体１８３の上面１８３ｂ側を凸として湾曲変形されており、この底面１８３ａの最下部から底面１８３ａの中央までの高さＤ１０１の３０個の平均値は０．２６ｍｍであった。

次に、実施例として図２に示されるような圧粉体２１を３００個製作した。
この際、図２におけるＤ１の値を、上述したＤ１０１の値（０．２６ｍｍ）に一致させるべく、成形金型は、Ｄ１の値が０．３０ｍｍとなるように設計した。
これは、圧粉体２１を成形金型から離型した際のスプリングバック量を０．０４ｍｍ見込んだからである。

そして、成形工程、焼結工程、矯正工程及び焼き入れ工程を順次経て、３００個の熱処理圧粉体８１を得る過程で、図２における圧粉体２１のＤ１及びＲ１の平均値、図３における焼結圧粉体４１のＤ２の平均値、図４における矯正圧粉体６１のＤ３の平均値をそれぞれ測定したところ、
Ｄ１の平均値：０．２６ｍｍ
Ｒ１の平均値：６３２４．８ｍｍ
Ｄ２の平均値：０．１５ｍｍ
Ｄ３の平均値：０．１５ｍｍ
が得られ、スプリングバック量として０．０４ｍｍが妥当であることと共に、Ｄ２とＤ３との間に変化は生じないことが確認できた。

また、得られた熱処理圧粉体８１の本体８３の底面８３ａ及び上面８３ｂは共にほぼ平坦面となり、特に切削等の後加工を施さなくても、この熱処理圧粉体８１をラック１として用いる上で、実用上、問題のないレベルであることが確認できた。

以上説明した通り、本実施の形態によれば、成形工程を経て製作される圧粉体２１は、歯部２５のピッチ線が、予め求められた変形量Ｄ１０１に基づいて決定された曲率半径Ｒ１をもって、その後の焼結工程及び熱処理工程による変形方向と逆方向の凹円弧Ｃ１を為すように成形されるので、焼結工程及び熱処理工程による湾曲変形を精度良く相殺することができる。
従って、焼結後の矯正が軽度なもので足りるので、矯正圧粉体６１の内部の残留応力を大幅に低減できると共に、熱処理後の切削等の後加工が不要となり、ラック１の製造コストを著しく低減することが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。
具体的には、本発明は、ラックに限らず、傘歯車やハイポイドギヤ等のように、端面部に歯部を備えた焼結歯車であれば適用することが可能である。

焼結後の矯正工程で圧粉体内部に生じる残留応力を低減できると共に、熱処理後の切削等の後加工を不要とできる焼結ギヤ部材の製造方法を提供できる。

本発明の製造方法により製作されたラック１の正面図である。本発明の実施形態における圧粉体２１の正面図である。本発明の実施形態における焼結圧粉体４１の正面図である。本発明の実施形態における矯正圧粉体６１の正面図である。本発明の実施形態における熱処理圧粉体８１の正面図である。比較例として製作された圧粉体１２１が、焼結工程及び熱処理工程を経て湾曲変形される様子を示す図である。従来の製造方法により製造されたラック１０１の正面図である。従来の製造方法によりラック１０１が製造される様子を示す図であって、（ａ）は圧粉体１２１の正面図、（ｂ）は焼結圧粉体１４１の正面図、（ｃ）は矯正圧粉体１６１の正面図、（ｄ）は熱処理圧粉体１８１の正面図である。

符号の説明

１ラック（焼結ギヤ部材）２１圧粉体２３ａ圧粉体２１の底面２３ｂ圧粉体２１の上面２５圧粉体２１の歯部４１焼結圧粉体６１矯正圧粉体８１熱処理圧粉体Ｃ１歯部２５のピッチ線が為す円弧Ｄ１上面２３ｂの中央から歯部２５のピッチ線の両端点を結ぶ線までの距離Ｄ２焼結圧粉体４１の上面４３ｂの中央から歯部４５のピッチ線の両端点を結ぶ線までの距離Ｄ３矯正圧粉体の上面６３ｂの中央から歯部６５のピッチ線の両端点を結ぶ線までの距離Ｒ１円弧Ｃ１の曲率半径

Claims

圧粉体の成形工程及び焼結後の圧粉体に熱処理を施す熱処理工程を経て、一の面に複数の歯部が整列状態に形成された焼結ギヤ部材を製造する方法であって、
前記成形工程は、前記歯部のピッチ線を曲率半径Ｒ１の凹円弧状となるように前記圧粉体の全体を湾曲させて成形することを特徴とする焼結ギヤ部材の製造方法。
前記曲率半径Ｒ１は、前記圧粉体が前記熱処理工程を施されるまでの間での、前記圧粉体の前記歯部の整列方向の中央における曲率半径方向の変形量に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の焼結ギヤ部材の製造方法。