JP3671113B2 - 歯車用鍛造型の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車形状に対応する放電加工用電極を使用し、鍛造型に荒加工、中間仕上げ加工および仕上げ加工を施す歯車用鍛造型の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、歯車を鍛造成形するための鍛造型(金型)は、ブローチ刃状の総型工具を使用した切削加工や放電加工により、前記歯車に対応した歯形形状に製造されている。ところが、上記の切削加工では、加工後に仕上げ研磨加工処理が必要であり、工数が多くなって製造作業全体の効率化が達成されないという不具合がある。
【0003】
一方、通常の放電加工では、図9に示すように、金型1の素材部2に熱変質層3が設けられるとともに、この熱変質層3上に溶融再凝固層4が形成されている。このため、放電加工後の表層面には、極めて微細なクラック5が多数存在してしまう。このクラック5が歯面以外の部位、特に歯形角部に存在していると、金型1により歯車を鍛造成形する際に前記クラック5に繰り返し過大な衝撃力や押圧力が蓄積される。従って、クラック5を起点としてチッピングが発生し易く、このチッピング部分を中心にして金型1が早期に破損してしまうという問題がある。
【0004】
また、歯形形状部は、一般的に歯形精度への影響が懸念されるために磨き加工が施されておらず、例えば、12μm〜15μmの荒い面粗度となっている。これにより、摩擦抵抗が相当に大きなものとなり、鍛造成形を行う際に成形肉流動時の応力が増幅され、この増幅された応力が歯先の隅角部に集中してしまう。この結果、局部的な過負荷状態が惹起され、表層面に存在する微細なクラック5を起点としてチッピングが発生してしまう。
【0005】
そこで、例えば、特開平3−277421号公報に開示されているように、加工液中に金属または半導体等の粉体、例えば、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム等の粉体を混入した放電加工媒体を電極と被加工物間に介在させ、炭素系材料の電極を用いて前記被加工物の加工を行う技術が知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、放電加工後の表層面に形成されるシリコン皮膜の硬さが十分ではなく、また、電極の消耗が著しいという問題が指摘されている。しかも、シリコン皮膜の厚さが薄いために、耐久性にも問題がある。
【0007】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、放電加工後の表層面の硬度を高くするとともに、耐久性を有効に向上させることが可能な歯車用鍛造型の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る歯車用鍛造型の製造方法では、歯車形状に対応する放電加工用電極を使用し、処理槽内に供給された放電加工溶液中において、ポンプの作用下に鍛造型の孔部が吸引された状態で鍛造型に荒加工および中間仕上げ加工が施されてこの鍛造型に歯車形状に対応する型彫りが施された後、前記放電加工溶液から切り換えて前記処理槽内に供給されたクロム金属の粉末を添加した放電加工粉末溶液中において、前記ポンプの切り換え作用下に鍛造型の孔部から前記放電加工用電極側に向かって噴流が発生した状態で、前記鋳造型に仕上げ加工が施される。その際、クロム金属の粉末を介して放電加工が施されるため、鍛造型の型彫り表層面には、微細なクラックを有した溶融再凝固層が極小化されるとともに、この型彫り表層面にクロム皮膜が形成される。
【0009】
これにより、微細なクラックを起点としてチッピングが発生することを有効に防止するとともに、型彫り表層面の面粗度を向上させ、特に傘歯車の傘歯面部分では塑性成形に伴う材料流動時の摩擦抵抗を低減させ、応力の集中を緩和することが可能になる。従って、長期間にわたって安定した歯車(傘歯車)の鍛造成形作業が遂行される。
【0010】
さらに、グラインダや砥石による手作業に依存した磨き加工が軽減され、工数の削減が有効に図られてコストの低減が遂行される。さらにまた、型彫り表層面にクロム皮膜が形成されるため、この型彫り表層面の硬度が一挙に高くなり、耐久性の向上が容易に図られる。これによって、長期間にわたって高精度にかつ安定して所望の歯車の鍛造成形作業が遂行されることになる。本発明によれば、処理槽内に供給された放電加工溶液中において荒加工および中間仕上げ加工が施され、さらに仕上げ加工を施すときにのみ処理槽内がクロム金属の粉末を添加した放電加工粉末溶液に切り換えられるため、全工程においてクロム金属の粉末を添加した放電加工粉末溶液が使用されることがなく、製造コストを低減することができる。また、本発明によれば、荒加工および中間仕上げ加工時にポンプの作用下に鍛造型の後部が吸引されることにより加工層が吸引除去されるとともに、仕上げ加工時に前記ポンプの切り換え作用下に鍛造型の孔部から前記放電加工用電極側に向かって噴流が発生するため、クロム金属が放電加工粉末溶液中に確実に分散される。
【0011】
さらに、本発明では、鍛造型に荒加工を施す際に放電加工用電極を揺動させ、荒加工時における加工速度を向上させることができる。一方、中間仕上げ加工および仕上げ加工を施す際には、前記放電加工用電極を揺動させることがない。例えば、傘歯車のようにインボリュート曲線等の複雑形状を有する歯車では、歯形形状の転写性を高めるために中間仕上げ加工および仕上げ加工時に放電加工用電極を全く揺動させない。
【0012】
これにより、歯形形状の転写性の向上の他、表層面の面粗度を向上させて溶解したクロムが表層面に密着し易くなり、相当に厚膜のクロム皮膜を確実に形成して該表層面の硬度を有効に向上させることが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る歯車用鍛造型の製造装置10の概略構成説明図であり、図2は、この製造装置10により製造される鍛造型である金型12の斜視説明図である。金型12は、例えば、ハイス(高速度工具鋼)材料で構成されており、その中央部に鍛造品である傘歯車に対応した傘歯成形部14が設けられ、この傘歯成形部14に孔部16が連通している。
【0014】
図1に示すように、製造装置10は、処理槽18を備え、この処理槽18内には、台座20を介して金型12が配置される。台座20に配置された金型12の上方には、放電加工用電極22がホルダ24を介して配置されており、このホルダ24が駆動部26を介して上下方向に進退自在であるとともに、その軸線周りに揺動可能である。
【0015】
電極22の揺動幅は、例えば1/100mm程度に設定されている。電極22は、金型12に荒加工、中間仕上げ加工および仕上げ加工を施すものであり、それぞれの加工条件によって形状が設定されている。例えば、荒加工に使用される電極22は、略円錐台形状に設定される一方、仕上げ加工に使用される前記電極22は、鍛造品である傘歯車の形状に一致した形状に設定されている。
【0016】
処理槽18には、放電加工溶液28を貯留し、荒加工および中間仕上げ加工時にこの処理槽18内に前記放電加工溶液28を供給して金型12の型彫りを行うための第1溶液貯留槽30と、前記放電加工溶液28にクロム金属32の粉末を添加した放電加工粉末溶液34を貯留し、仕上げ加工時に前記処理槽18に前記放電加工粉末溶液34を供給して前記金型12の型彫り表層面48(後述する)にクロム皮膜54(後述する)を形成するための第2溶液貯留槽36とが設けられる。
【0017】
処理槽18には、この処理槽18内に放電加工溶液28と放電加工粉末溶液34とを選択的に供給するための第1切り換えスイッチ38が設けられる。台座20には、金型12の孔部16に対応してポンプ40が装着され、このポンプ40は、第2切り換えスイッチ42により荒加工時および中間仕上げ加工時に吸引を行う一方、仕上げ加工時に噴流を発生する機能を有している。
【0018】
このように構成される製造装置10の動作について、以下に説明する。
【0019】
先ず、銅またはタングステンを使用し、切削加工あるいは焼結成形法により所定の形状を有する電極22が得られ、この電極22が複数個用意される。電極22はホルダ24に取り付けられる一方、処理槽18内には台座20上に金型12が配置されるとともに、この処理槽18内に第1溶液貯留槽30内に貯留されている放電加工溶液28が供給される。
【0020】
そこで、図3に示すように、電極22と金型12とが電源44に接続された状態で、この電極22が駆動部26の作用下に下降される。その際、電極22は、駆動部26を介して1/100mmの揺動幅で微小揺動されている。これにより、電極22と金型12の上部との間で放電加工が行われ、この金型12に荒加工が施される。この荒加工では、電極22の厚み分だけ放電加工を行うため、この電極22を途中で取り替えて放電加工が約30分間行われる。従って、金型12には型彫り部46が形成される。
【0021】
次に、電極22を傘歯成形部14の形状に対応した電極22に取り換えて、図4に示すように、放電加工溶液28中で前記電極22を用いて金型12に中間仕上げ加工を施す。その際、電極22は、揺動されることなく駆動部26を介して下降動作のみが行われる。この中間仕上げ加工は約1時間30分間行われ、金型12には、傘歯成形部14に対応する型彫り表層面48が形成される。なお、荒加工および中間仕上げ加工時には、ポンプ40の作用下に金型12の孔部16内が吸引され、加工層が吸引除去される。
【0022】
中間仕上げ加工終了後に、第1切り換えスイッチ38が操作される。このため、処理槽18内の放電加工溶液28が第1溶液貯留槽30に戻される一方、第2溶液貯留槽36内に貯留されているクロム金属32を含む放電加工粉末溶液34が前記処理槽18内に供給される。放電加工粉末溶液34は、放電加工溶液28が200リットルに対してクロム金属32の粉末を約5%だけ添加して生成されている。
【0023】
そこで、中間仕上げ加工に使用された電極22、あるいは、新たな電極22がホルダ24を介して金型12側に移動し、この電極22と前記金型12に電圧が印加されて放電加工による仕上げ加工が開始される(図5参照)。電極22からの放電は、先ず、放電加工粉末溶液34中のクロム金属32に印加されてスパークが発生し、このスパークによって、金型12の型彫り表層面48には、図6に示すように微小なクラック50が大幅に減少された溶融再凝固層52が極小化された状態で形成される。この溶融再凝固層52の表面には、放電加工によって溶解したクロムが溶着してクロム皮膜54が形成される。上記の仕上げ加工時間は、4時間である。
【0024】
なお、上記の仕上げ加工時には、第2切り換えスイッチ42が操作されてポンプ40の作用下に金型12の孔部16から電極22側に放電加工粉末溶液34の噴流が発生している。従って、クロム金属32が、放電加工粉末溶液34中に確実に分散されている。
【0025】
この場合、本実施形態では、放電加工溶液28中で金型12に電極22を介して荒加工およひ中間仕上げ加工が施された後、処理槽18内には、この放電加工溶液28に代えてクロム金属32の粉末が添加された放電加工粉末溶液34が供給される。次いで、電極22と金型12とに電圧を印加することにより、この金型12には、クロム金属32を介して放電加工が行われる。
【0026】
このため、図6に示すように、金型12には、素材部12aに熱変質層12bが設けられるとともに、この熱変質層12bの表面である型彫り表層面48には、微小なクラック50が大幅に削減された溶融再凝固層52が極小状態で形成され、さらにこの溶融再凝固層52上にクロム皮膜54が形成される。このクロム皮膜54は、約8μm〜10μmの厚さを有しており、金型12の傘歯成形部14の硬度が有効に向上するという効果が得られる。
【0027】
具体的には、金属粉末を用いない放電加工による従来の金型1(従来型)と、本実施形態に係る製造方法により製造される金型12とを比較すると、図7に示すように、前記金型12の耐久性が大幅に向上していることがわかる。すなわち、金型12では、微小なクラック50を起点として発生するチッピングを有効に防止するとともに、特に歯面部分における材料流動時の摩擦抵抗を大幅に低減させて応力の集中を緩和することが可能になるからである。
【0028】
さらに、本実施形態では、従来のように、グラインダや砥石による熟練度を有する手作業の磨き加工を不要とし、工数を削減して低コストで効率的に金型12を製造することができるという利点がある。
【0029】
次いで、クロム金属32に代替してシリコン粉末を用いて放電加工による仕上げ処理を施した結果が、図8に示されている。これにより、シリコン粉末を用いた場合は、クロム金属32を用いた場合に比べて面粗度が劣るとともに、シリコン皮膜がクロム皮膜54に比べて硬度が劣り、しかも電極22の消耗が激しいという不具合があった。
【0030】
従って、クロム金属32の粉末を用いる本実施形態では、シリコンの粉末を使用するものでは得られない表面硬度、膜厚および面粗度の向上が図られるという特有の効果が得られる。
【0031】
さらにまた、本実施形態では、荒加工時にのみ電極22を微小範囲で揺動させる一方、中間仕上げ加工および仕上げ加工時には、前記電極22に揺動動作を付与することがない。これにより、金型12の荒加工の処理時間を有効に短縮することができるとともに、特にインボリュート曲線等の複雑形状の歯形波面を有する傘歯成形部14に対して正確な転写加工を施すことができる。このため、加工精度に優れる傘歯成形部14を得るとともに、微細なクラック50を極小化または発生させず、面粗度を有効に向上させることが可能なる。
【0032】
【発明の効果】
本発明に係る歯車用鍛造型の製造方法では、放電加工溶液中で、鍛造型に荒加工および中間仕上げ加工を施した後、クロム金属の粉末を添加した放電加工粉末溶液中で、この鍛造型に仕上げ加工を施して該鍛造型の型彫り表層面にクロム皮膜を形成している。このため、微小なクラックを起点として発生しするチッピングを有効に防止するとともに、表面の硬度および面粗度を有効に向上させ、耐久性に優れる鍛造型を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る歯車用鍛造型の製造装置の概略構成説明図である。
【図2】前記製造装置により製造される金型の斜視説明図である。
【図3】前記製造装置による荒加工の説明図である。
【図4】前記製造装置による中間仕上げ加工の説明図である。
【図5】前記製造装置による仕上げ加工の説明図である。
【図6】前記仕上げ加工後の前記金型の要部断面説明図である。
【図7】前記製造装置により製造された金型と従来例の金型との耐久性の実験結果を説明する図である。
【図8】クロム金属粉末を添加した場合とシリコン粉末を添加した場合とにおける表面硬さ、表面処理膜厚さおよび面粗度の説明図である。
【図9】従来の製造方法により製造された金型の要部拡大説明図である。
【符号の説明】
10…製造装置 12…金型
14…傘歯成形部 18…処理槽
22…電極 24…ホルダ
26…駆動部 28…放電加工溶液
30、36…溶液貯留槽 32…クロム金属
34…放電加工粉末溶液 46…型彫り部
48…型彫り表層面 50…クラック
52…溶融再凝固層 54…クロム皮膜
Claims (3)
- 歯車形状に対応する放電加工用電極を使用し、処理槽内に供給された放電加工溶液中において、ポンプの作用下に鍛造型の孔部内が吸引された状態で前記鍛造型に荒加工および中間仕上げ加工を施して、前記鍛造型を前記歯車形状に型彫りする工程と、
前記放電加工溶液から切り換えて前記処理槽内に供給されたクロム金属の粉末を添加した放電加工粉末溶液中において、前記ポンプの切り換え作用下に鍛造型の孔部から前記放電加工用電極側に向かって噴流が発生した状態で前記放電加工用電極を用いて前記鍛造型に仕上げ加工を施し、該鍛造型の型彫り表層面にクロム皮膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする歯車用鍛造型の製造方法。 - 請求項1記載の製造方法において、前記鍛造型に荒加工を施す際、前記放電加工用電極を揺動させる一方、
前記鍛造型に中間仕上げ加工を施す際、および前記鍛造型に仕上げ加工を施す際、前記放電加工用電極を揺動させないことを特徴とする歯車用鍛造型の製造方法。 - 請求項1または2記載の製造方法において、前記鍛造型は、傘歯車の傘歯成形用金型であることを特徴とする歯車用鍛造型の製造方法。
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