JP3674399B2 - 段付きシャフトの製造方法及び段付きシャフトの製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトの製造方法及び前記段付きシャフトの製造装置に関する。より詳しくは、中実円柱を素材（被加工材）としてバリや欠肉部を発生させることなく前記段付きシャフトを製造する方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸付き歯車、軸付きピストンや軸付きスプールなど各種の用途に用いられる段付きシャフトは、例えば、メカニカルプレスを用いた鍛造加工や、油圧プレスを用いた閉塞鍛造加工で製造されてきた。
【０００３】
上記のうち、メカニカルプレスを用いた鍛造加工は、例えば、図４に模式的に示すようなパンチ（上金型）８、下固定ダイ（下金型）９及びノックアウトピン４を備えたメカニカルプレスを用いるものである。この場合、通常は図４に示すように、鍛造後の被加工材１にはバリや欠肉（材料の未充満）が発生する。したがって、所望の段付きシャフト形状とするためには切削加工を施す必要が生じ、更に、材料の歩留りも低くなってしまう。
【０００４】
又、油圧プレスを用いた閉塞鍛造加工は、例えば、図５に示すように上センターパンチ１０、下センターパンチ１１、上金型１２及び下金型１３を備えた油圧プレスを用いるもので、油圧によって上金型１２と下金型１３を密着させ、上センターパンチ１０及び下センターパンチ１１で被加工材１を加圧して、上金型１２、下金型１３、上センターパンチ１０及び下センターパンチ１１で形成される密閉金型内で目的形状に成形するものである。この閉塞鍛造加工においては、前記密閉金型の容積は一定の値となる。したがって、被加工材１の体積が密閉金型の容積より小さい場合には鍛造後の製品（被加工材１）の角部に欠肉が発生する。逆に、被加工材１の体積が密閉金型の容積より大きいと上金型１２と下金型１３との合わせ面にバリ（差込バリ）が発生するし、場合によっては金型の破損が生ずることもある。このため、閉塞鍛造加工の場合には被加工材１の体積バラツキを極めて小さくする必要があり、加工素材を製作するために多くの時間とコストを要する。
【０００５】
一方、塑性と加工（第２７巻第３００号（１９８６年）、１２１〜１３１ページ）において、「分流方式による精密冷間鍛造法の開発」として提案された「捨て軸の原理」は、低い鍛造荷重で金型に被加工材料を充満させることができる技術とされているものの、「捨て軸部」の寸法や端面形状を制御することができないので、所望の段付きシャフトを得るためには、「捨て軸部」が所定の値よりも長くなるように調整して鍛造した後、その部分を所望の長さに切断加工する必要があり、このため材料の歩留りが低くなってしまう。又、肉充満のために供給される材料は鍛造の自然流動となるため制御が難しく、したがって、鍛造製品の寸法、形状の管理が困難である。更に、金型破損など特異トラブルが生ずることもある。
【０００６】
又、住友金属（ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．３（１９９８年）、１６〜２４ページには、「５シリンダ油圧複動プレスによる自動車用ヘリカルギアの成形」技術が提案されている。しかし、この技術の場合にも、その２４ページに記載されているように、▲１▼捨て軸の方案に比較して、工具面圧が上昇する、▲２▼ボス部と歯車本体部の量のバランスによっては、歯部にかぶり疵が発生する、などの問題が内在している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、例えば±３％程度の体積変動を有する通常の技術で製造された中実円柱を素材とする据え込み加工で、据え込み部にバリや欠肉を生じることがないので材料歩留りが大きく、しかも金型の破損を生じることがない、軸付き歯車や軸付きピストンなどの素材として好適な段付きシャフトの製造方法、及び段付きシャフトの製造装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）、（２）に示す段付きシャフトの製造方法及び（３）に示す段付きシャフトの製造装置にある。
【０００９】
（１）製品に対応する段付きシャフトの形状を、固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチによって構成される密閉金型で形成して中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する方法であって、被加工材である中実円柱を固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチで拘束した後、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧することを特徴とする段付きシャフトの製造方法。
【００１０】
（２）製品に対応する段付きシャフトの形状を、固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチによって構成される密閉金型で形成して中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する方法であって、被加工材である中実円柱の前記据え込み部に相当する部位を予備成形し、次いで、予備成形した被加工材を少なくとも固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチで拘束した後、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧することを特徴とする段付きシャフトの製造方法。
【００１１】
（３）中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する装置であって、固定ダイ、ノックアウトピン、各々独立して圧下力と位置の制御が可能なアウターパンチ及びセンターパンチ、前記アウターパンチの作動に連動する浮動ダイを備え、前記の固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ、センターパンチ及び浮動ダイによって製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型の形成が可能な段付きシャフトの製造装置。
【００１２】
後述の図１は、段付きシャフトを製造する状況を示す模式的断面図（但し、片側縦断面のみを示した）であるが、上記の固定ダイ２、浮動ダイ３、ノックアウトピン４、アウターパンチ５及びセンターパンチ６は図１に示す位置関係にあり、その各々の位置が、例えば、図１（ｄ）に示す関係にある場合に、「製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型」が形成される。なお、固定ダイ２、浮動ダイ３、ノックアウトピン４、アウターパンチ５及びセンターパンチ６が「製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型」を形成するまでの段階、つまり、被加工材１の据え込み部が完全に形成されるまでの段階にあっては、少なくとも浮動ダイ３は被加工材１と完全に接することはなく、空間Ｓが形成されている。
【００１３】
アウターパンチ５は被加工材１に鍛造力を加圧するための外側の金型を、センターパンチ６は被加工材１に鍛造力を加圧するための内側の金型をいう。浮動ダイ３は前記アウターパンチ５の作動に連動して同じ方向に作動する金型をいい、複動プレスの基台Ｂに対し、伸縮自在な部材７（例えば、スプリング、空気シリンダー、ゴムやウレタンなど）によってその後方が支持されている。固定ダイ２は鍛造力を受ける側の固定式金型をいい、ノックアウトピン４は鍛造力を受ける側の金型で、これはプレスの排出機構（図示せず）によって鍛造終了時に製品（被加工材１）を排出する作用をも有している。
【００１４】
「直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフト」とは図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようなシャフトをいう。なお図２の（ａ）、（ｂ）のような段付きシャフトの場合は、据え込み部の端面が図１のセンターパンチ６側になって鍛造される。
【００１５】
以下、上記の（１）〜（３）に記載のものをそれぞれ（１）〜（３）の発明という。
【００１６】
本発明者らは、前記した課題を解決するための鍛造技術について種々検討を行った。その結果、下記の知見を得た。
【００１７】
（ａ）固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチの各金型で製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型を形成し、しかも、被加工材の据え込み部が前記密閉金型に充満した後の余剰体積分をセンターパンチの後退で吸収すれば、製品にバリや欠肉を生じることがなく、金型に割れが生じることもない。
【００１８】
（ｂ）上記（ａ）を達成するには、被加工材に鍛造力を加圧するための金型であるアウターパンチとセンターパンチの圧下力と位置を各々独立に制御できる複動プレスを用い、主としてアウターパンチによって被加工材が所望の形状の据え込み部を有するように鍛造（据え込み）し、更に、センターパンチによって被加工材が所望の形状の据え込み部を有するように補助的な鍛造を行うとともに被加工材の材料流動を制御すればよい。
【００１９】
（ｃ）センターパンチによる被加工材の材料流動制御のためには、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧するとともに、スプリングなどの伸縮自在な部材によって浮動ダイをアウターパンチの作動に連動させれば良い。
【００２０】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の方法と装置について図を参照しながら詳しく説明する。
【００２２】
図１は、（１）の発明の方法で図２（ｃ）に示す形状の段付きシャフトを製造する片側状況の一例を示す模式的縦断面である。
【００２３】
先ず、通常の方法で潤滑処理された被加工材（中実円柱）１を固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置する。次いで、図１（ａ）に示すように、アウターパンチ５及びセンターパンチ６を降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束する。この後、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように両パンチで加圧して行く。この際、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧する。なお、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧するのは、図１（ａ）に示したような被加工材１の拘束が開始された直後でなく、アウターパンチ５とセンターパンチ６の加圧側の端面の軸方向距離が図１（ｄ）に示す最終製品寸法Ｈ1 の状況になってから行うことにしてもよい。
【００２４】
上記のようにして加圧すれば、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積をセンターパンチ６の後退又は前進で吸収することができるので、最終製品にはバリや欠肉を生じることがなく、しかも金型に割れが生じることもない。
【００２５】
なお、上記（１）の発明におけるアウターパンチ５とセンターパンチ６の圧下速度は通常の鍛造圧下速度でよい。
【００２６】
又、この際の加圧は、複動プレスによって、被加工材１の変形抵抗の「２±０．２」倍をアウターパンチ５の面圧とする力で、又、被加工材１の変形抵抗の「１．７±０．２」倍をセンターパンチ６の面圧とする力で行うことが好ましく、更に、両パンチによる圧下を同期させて行えば一層よい。
【００２７】
被加工材１の変形抵抗は、例えば図３に示すように、歪みや応力状態あるいは工具（金型）と被加工材１との間の摩擦状態などによって変化するが、予め種々の条件で実験して変形抵抗を求めておきさえすれば、容易に前記両パンチの加圧に反映させることができる。
【００２８】
図６に示す直径ｄの中実円柱（被加工材１）の据え込み部に相当する長さＬと前記直径ｄとの比である（Ｌ／ｄ）の値が２．２５を超える場合には、座屈の発生を防止するために（２）の発明に係る方法で、つまり、前記据え込み部に相当する部位を予備成形した後で、アウターパンチ５及びセンターパンチ６で加圧することが好ましい。
【００２９】
すなわち、先ず、通常の方法で潤滑処理された被加工材（中実円柱）１の据え込み部に相当する部位を通常の方法で予備成形する。この予備成形は、例えば図７に示すように、予備成形部の長さｆと、予備成形部の最大直径ｅと最小直径ｄ（つまり、中実円柱１の直径ｄ）との平均径ｇとの比である（ｆ／ｇ）の値が２．２５以下となるように行えばよい。なお、前記の予備成形部の最大直径ｅは、段付きシャフトの据え込み部の直径以下の値である。
【００３０】
次いで、前記の予備成形した被加工材１を、固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置した後、図１（ｂ）に示すように、アウターパンチ５及びセンターパンチ６を降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束する。なお、予備成形した被加工材１の予備成形部の最大直径ｅが段付きシャフトの据え込み部の直径の値と等しい場合には、被加工材１の拘束は前記の２つのパンチ、すなわち、アウターパンチ５及びセンターパンチ６と、固定ダイ２、ノックアウトピン４及び浮動ダイ３とで行われることになる。この後、図１（ｃ）に示すように両パンチで加圧して行く。この際、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧する。
【００３１】
なお、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧するのは、図１（ｂ）に示したような、アウターパンチ５及びセンターパンチ６、固定ダイ２及びノックアウトピン４による被加工材１の拘束が開始された直後でなく、アウターパンチ５とセンターパンチ６の加圧側の端面の軸方向距離が図１（ｄ）に示す最終製品寸法Ｈ1 の状況になってから行うことにしてもよい。
【００３２】
上記のようにして加圧すれば、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積をセンターパンチ６の後退又は前進で吸収することができるので、最終製品にはバリや欠肉を生じることがなく、しかも金型に割れが生じることもない。
【００３３】
（２）の発明の方法の場合にも、アウターパンチ５とセンターパンチ６の圧下速度は通常の鍛造圧下速度でよい。
【００３４】
又、この際の加圧は、複動プレスによって、被加工材１の変形抵抗の「２±０．２」倍をアウターパンチ５の面圧とする力で、又、被加工材１の変形抵抗の「１．７±０．２」倍をセンターパンチ６の面圧とする力で行うことが好ましく、更に、両パンチによる圧下を同期させて行えば一層よい。
【００３５】
被加工材１の変形抵抗は、例えば図３に示すように、歪みや応力状態あるいは工具（金型）と被加工材１との間の摩擦状態などによって変化するが、予め種々の条件で実験して変形抵抗を求めておきさえすれば、容易に前記両パンチの加圧に反映させることができる。
【００３６】
上記（１）の発明の方法及び（２）の発明の方法は、鉄鋼材料、アルミニウムやその合金、銅やその合金、チタンやその合金といった所謂「金属材料」だけではなく、セラミックなども含めて塑性変形する材料一般に対して適用することができる。
【００３７】
又、上記の方法による段付きシャフトの製造は、所謂「冷間」に限らず、「温間」や「熱間」の温度が上がった状態で行ってもよい。
【００３８】
（３）の発明に係る段付きシャフトの製造装置の金型は、例えば、図１に示すように固定ダイ２、ノックアウトピン４、各々独立して圧下力と位置の制御が可能なアウターパンチ５及びセンターパンチ６、前記アウターパンチ５の作動に連動する浮動ダイ３で構成されている。
【００３９】
上記の浮動ダイ３は、アウターパンチ５の作動に連動して作動する構造で、複動プレスの基台Ｂに対し、伸縮自在な部材７（例えば、スプリング、空気シリンダー、ゴムやウレタンなど）によってその後方が支持されている。又、ノックアウトピン４の後方には図示していないが、成形後の製品（被加工材１）を排出するための排出機構が設けられている。
【００４０】
密閉金型を構成する上記の各金型のうち、アウターパンチ５及びセンターパンチ６は、複動プレスの各シリンダーのピストンロッド（図示せず）に対して個別に連結されている。更に、前記の両パンチには、鍛造力を検知するロードセル（図示せず）と位置を検出するリニアスケール（図示せず）とが取り付けられており、各々独立して圧下力と位置の制御が可能になっている。
【００４１】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す本発明の方法に係る各種の金型及び、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法に係る金型を準備する一方、JIS G 4051に規定されるＳ１０Ｃ鋼を通常の方法で溶製、熱間圧延及び伸線加工し、これを切断加工して公称直径１９．９５ｍｍで長さが６１．６ｍｍの中実円柱を準備した。
【００４３】
次いで、上記の中実円柱の表面に通常の方法で燐酸亜鉛被膜処理を施し、本発明の方法及び従来のメカニカルプレスを用いた方法で図８に示す段付きシャフトを室温で各１０個ずつ製造した。
【００４４】
具体的には、図１に示す装置を用いた本発明に係る方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１を固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置し、次いで、アウターパンチ５及びセンターパンチ６をそれぞれ３５ｍｍ／秒、３５ｍｍ／秒で降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束した。この後、予め求めておいた変形抵抗をベースに、アウターパンチ５の面圧を１４５ｋｇｆ／ｍｍ2 、センターパンチ６の面圧を１２２ｋｇｆ／ｍｍ2 として加圧した。なお、固定ダイ２とノックアウトピン４とで長さ２０ｍｍの部分を形成するようにした。
【００４５】
本発明の方法で上記のようにして加圧すると、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積がセンターパンチ６の後退で吸収されるので、最終製品にはバリや欠肉が生じていなかった。更に、金型に割れが生じることもなかった。
【００４６】
一方、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１を下固定ダイ９及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置し、パンチ８を３５ｍｍ／秒で降下させて、パンチ８の面圧を１４９．７ｋｇｆ／ｍｍ2 として据え込み加工した。この従来法で据え込み加工した場合には、バリと欠肉が発生ししたがって、所望の段付きシャフトを得るのための生産性は極めて劣るものであった。
【００４７】
（実施例２）
図１に示す本発明の方法に係る各種の金型及び、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法に係る金型を準備する一方、JIS G 4052に規定されるＳＣｒ４２０Ｈ鋼を通常の方法で溶製、熱間圧延、球状化焼鈍処理及び伸線加工し、これを切断加工して公称直径１９．９５ｍｍで長さが９０ｍｍの中実円柱を準備した。
【００４８】
次いで、上記の中実円柱の表面に通常の方法で燐酸亜鉛被膜処理を施し、本発明の方法及び従来のメカニカルプレスを用いた方法で図９に示す段付きシャフトを室温で各１０個ずつ製造した。
【００４９】
具体的には、図１に示す装置を用いた本発明に係る方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１の据え込み部に相当する部位を通常の方法で図１０に示すように予備成形した。次いで、前記の予備成形した被加工材１を、固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置した。次いで、アウターパンチ５及びセンターパンチ６をそれぞれ３５ｍｍ／秒、３５ｍｍ／秒で降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束した。この後、予め求めておいた変形抵抗をベースに、アウターパンチ５の面圧を１８５ｋｇｆ／ｍｍ2 、センターパンチ６の面圧を１５８ｋｇｆ／ｍｍ2 として加圧した。なお、固定ダイ２とノックアウトピン４とで長さ２０ｍｍの部分を形成するようにした。
【００５０】
本発明の方法で上記のようにして加圧すると、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積がセンターパンチ６の後退で吸収されるので、最終製品にはバリや欠肉が生じていなかった。更に、金型に割れが生じることもなかった。
【００５１】
一方、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１を予備成形することなく直接に下固定ダイ９及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置し、パンチ８を３５ｍｍ／秒で降下させて、パンチ８の面圧を１７６．６ｋｇｆ／ｍｍ2 として据え込み加工した。この従来法で、しかも図１０に示した予備成形がなされていない被加工材を加工した場合、座屈が生じ所望形状の最終製品が得られなかった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、金型の破損を生じさせることなく、しかも、バリや欠肉を発生させないで直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する軸付き歯車や軸付きピストンなどの素材として好適な段付きシャフトを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法で段付きシャフトを製造する片側状況の一例を示す模式的縦断面である。
【図２】直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを説明する図である。
【図３】被加工材の歪みと変形抵抗の関係を模式的に示す図である。
【図４】メカニカルプレスを用いた段付きシャフトの製造を説明する図である。
【図５】油圧プレスを用いた閉塞鍛造加工による段付きシャフトの製造を説明する図である。
【図６】直径ｄの中実円柱（被加工材１）の据え込み部に相当する長さＬを説明する図である。
【図７】被加工材の据え込み部に相当する部位を予備成形した場合の予備成形部の形状を説明する図である。
【図８】実施例１で製造した直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを示す図である。
【図９】実施例２で製造した直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを示す図である。
【図１０】実施例２で被加工材の据え込み部に相当する部位を予備成形した場合の予備成形部の形状を示す図である。
【符号の説明】
１：被加工材、
２：固定ダイ、
３：浮動ダイ、
４：ノックアウトピン、
５：アウターパンチ、
６：センターパンチ、
７：伸縮自在な部材、
８：パンチ、
９：下固定ダイ、
１０：上センターパンチ、
１１：下センターパンチ、
１２：上金型、
１３：下金型、
Ｂ：複動プレスの基台、
Ｓ：空間、
ｄ：素材である中実円柱の直径、
Ｌ：直径ｄの中実円柱の据え込み部に相当する長さ、
ｅ：予備成形部の最大直径、
ｆ：予備成形部の長さ、
ｇ：（ｄ＋ｅ）／２、
Ｈ1 ：最終製品（段付きシャフト）の寸法
【発明の属する技術分野】
本発明は、中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトの製造方法及び前記段付きシャフトの製造装置に関する。より詳しくは、中実円柱を素材（被加工材）としてバリや欠肉部を発生させることなく前記段付きシャフトを製造する方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸付き歯車、軸付きピストンや軸付きスプールなど各種の用途に用いられる段付きシャフトは、例えば、メカニカルプレスを用いた鍛造加工や、油圧プレスを用いた閉塞鍛造加工で製造されてきた。
【０００３】
上記のうち、メカニカルプレスを用いた鍛造加工は、例えば、図４に模式的に示すようなパンチ（上金型）８、下固定ダイ（下金型）９及びノックアウトピン４を備えたメカニカルプレスを用いるものである。この場合、通常は図４に示すように、鍛造後の被加工材１にはバリや欠肉（材料の未充満）が発生する。したがって、所望の段付きシャフト形状とするためには切削加工を施す必要が生じ、更に、材料の歩留りも低くなってしまう。
【０００４】
又、油圧プレスを用いた閉塞鍛造加工は、例えば、図５に示すように上センターパンチ１０、下センターパンチ１１、上金型１２及び下金型１３を備えた油圧プレスを用いるもので、油圧によって上金型１２と下金型１３を密着させ、上センターパンチ１０及び下センターパンチ１１で被加工材１を加圧して、上金型１２、下金型１３、上センターパンチ１０及び下センターパンチ１１で形成される密閉金型内で目的形状に成形するものである。この閉塞鍛造加工においては、前記密閉金型の容積は一定の値となる。したがって、被加工材１の体積が密閉金型の容積より小さい場合には鍛造後の製品（被加工材１）の角部に欠肉が発生する。逆に、被加工材１の体積が密閉金型の容積より大きいと上金型１２と下金型１３との合わせ面にバリ（差込バリ）が発生するし、場合によっては金型の破損が生ずることもある。このため、閉塞鍛造加工の場合には被加工材１の体積バラツキを極めて小さくする必要があり、加工素材を製作するために多くの時間とコストを要する。
【０００５】
一方、塑性と加工（第２７巻第３００号（１９８６年）、１２１〜１３１ページ）において、「分流方式による精密冷間鍛造法の開発」として提案された「捨て軸の原理」は、低い鍛造荷重で金型に被加工材料を充満させることができる技術とされているものの、「捨て軸部」の寸法や端面形状を制御することができないので、所望の段付きシャフトを得るためには、「捨て軸部」が所定の値よりも長くなるように調整して鍛造した後、その部分を所望の長さに切断加工する必要があり、このため材料の歩留りが低くなってしまう。又、肉充満のために供給される材料は鍛造の自然流動となるため制御が難しく、したがって、鍛造製品の寸法、形状の管理が困難である。更に、金型破損など特異トラブルが生ずることもある。
【０００６】
又、住友金属（ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．３（１９９８年）、１６〜２４ページには、「５シリンダ油圧複動プレスによる自動車用ヘリカルギアの成形」技術が提案されている。しかし、この技術の場合にも、その２４ページに記載されているように、▲１▼捨て軸の方案に比較して、工具面圧が上昇する、▲２▼ボス部と歯車本体部の量のバランスによっては、歯部にかぶり疵が発生する、などの問題が内在している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、例えば±３％程度の体積変動を有する通常の技術で製造された中実円柱を素材とする据え込み加工で、据え込み部にバリや欠肉を生じることがないので材料歩留りが大きく、しかも金型の破損を生じることがない、軸付き歯車や軸付きピストンなどの素材として好適な段付きシャフトの製造方法、及び段付きシャフトの製造装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）、（２）に示す段付きシャフトの製造方法及び（３）に示す段付きシャフトの製造装置にある。
【０００９】
（１）製品に対応する段付きシャフトの形状を、固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチによって構成される密閉金型で形成して中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する方法であって、被加工材である中実円柱を固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチで拘束した後、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧することを特徴とする段付きシャフトの製造方法。
【００１０】
（２）製品に対応する段付きシャフトの形状を、固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチによって構成される密閉金型で形成して中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する方法であって、被加工材である中実円柱の前記据え込み部に相当する部位を予備成形し、次いで、予備成形した被加工材を少なくとも固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチで拘束した後、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧することを特徴とする段付きシャフトの製造方法。
【００１１】
（３）中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する装置であって、固定ダイ、ノックアウトピン、各々独立して圧下力と位置の制御が可能なアウターパンチ及びセンターパンチ、前記アウターパンチの作動に連動する浮動ダイを備え、前記の固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ、センターパンチ及び浮動ダイによって製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型の形成が可能な段付きシャフトの製造装置。
【００１２】
後述の図１は、段付きシャフトを製造する状況を示す模式的断面図（但し、片側縦断面のみを示した）であるが、上記の固定ダイ２、浮動ダイ３、ノックアウトピン４、アウターパンチ５及びセンターパンチ６は図１に示す位置関係にあり、その各々の位置が、例えば、図１（ｄ）に示す関係にある場合に、「製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型」が形成される。なお、固定ダイ２、浮動ダイ３、ノックアウトピン４、アウターパンチ５及びセンターパンチ６が「製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型」を形成するまでの段階、つまり、被加工材１の据え込み部が完全に形成されるまでの段階にあっては、少なくとも浮動ダイ３は被加工材１と完全に接することはなく、空間Ｓが形成されている。
【００１３】
アウターパンチ５は被加工材１に鍛造力を加圧するための外側の金型を、センターパンチ６は被加工材１に鍛造力を加圧するための内側の金型をいう。浮動ダイ３は前記アウターパンチ５の作動に連動して同じ方向に作動する金型をいい、複動プレスの基台Ｂに対し、伸縮自在な部材７（例えば、スプリング、空気シリンダー、ゴムやウレタンなど）によってその後方が支持されている。固定ダイ２は鍛造力を受ける側の固定式金型をいい、ノックアウトピン４は鍛造力を受ける側の金型で、これはプレスの排出機構（図示せず）によって鍛造終了時に製品（被加工材１）を排出する作用をも有している。
【００１４】
「直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフト」とは図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようなシャフトをいう。なお図２の（ａ）、（ｂ）のような段付きシャフトの場合は、据え込み部の端面が図１のセンターパンチ６側になって鍛造される。
【００１５】
以下、上記の（１）〜（３）に記載のものをそれぞれ（１）〜（３）の発明という。
【００１６】
本発明者らは、前記した課題を解決するための鍛造技術について種々検討を行った。その結果、下記の知見を得た。
【００１７】
（ａ）固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチの各金型で製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型を形成し、しかも、被加工材の据え込み部が前記密閉金型に充満した後の余剰体積分をセンターパンチの後退で吸収すれば、製品にバリや欠肉を生じることがなく、金型に割れが生じることもない。
【００１８】
（ｂ）上記（ａ）を達成するには、被加工材に鍛造力を加圧するための金型であるアウターパンチとセンターパンチの圧下力と位置を各々独立に制御できる複動プレスを用い、主としてアウターパンチによって被加工材が所望の形状の据え込み部を有するように鍛造（据え込み）し、更に、センターパンチによって被加工材が所望の形状の据え込み部を有するように補助的な鍛造を行うとともに被加工材の材料流動を制御すればよい。
【００１９】
（ｃ）センターパンチによる被加工材の材料流動制御のためには、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧するとともに、スプリングなどの伸縮自在な部材によって浮動ダイをアウターパンチの作動に連動させれば良い。
【００２０】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の方法と装置について図を参照しながら詳しく説明する。
【００２２】
図１は、（１）の発明の方法で図２（ｃ）に示す形状の段付きシャフトを製造する片側状況の一例を示す模式的縦断面である。
【００２３】
先ず、通常の方法で潤滑処理された被加工材（中実円柱）１を固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置する。次いで、図１（ａ）に示すように、アウターパンチ５及びセンターパンチ６を降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束する。この後、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように両パンチで加圧して行く。この際、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧する。なお、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧するのは、図１（ａ）に示したような被加工材１の拘束が開始された直後でなく、アウターパンチ５とセンターパンチ６の加圧側の端面の軸方向距離が図１（ｄ）に示す最終製品寸法Ｈ1 の状況になってから行うことにしてもよい。
【００２４】
上記のようにして加圧すれば、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積をセンターパンチ６の後退又は前進で吸収することができるので、最終製品にはバリや欠肉を生じることがなく、しかも金型に割れが生じることもない。
【００２５】
なお、上記（１）の発明におけるアウターパンチ５とセンターパンチ６の圧下速度は通常の鍛造圧下速度でよい。
【００２６】
又、この際の加圧は、複動プレスによって、被加工材１の変形抵抗の「２±０．２」倍をアウターパンチ５の面圧とする力で、又、被加工材１の変形抵抗の「１．７±０．２」倍をセンターパンチ６の面圧とする力で行うことが好ましく、更に、両パンチによる圧下を同期させて行えば一層よい。
【００２７】
被加工材１の変形抵抗は、例えば図３に示すように、歪みや応力状態あるいは工具（金型）と被加工材１との間の摩擦状態などによって変化するが、予め種々の条件で実験して変形抵抗を求めておきさえすれば、容易に前記両パンチの加圧に反映させることができる。
【００２８】
図６に示す直径ｄの中実円柱（被加工材１）の据え込み部に相当する長さＬと前記直径ｄとの比である（Ｌ／ｄ）の値が２．２５を超える場合には、座屈の発生を防止するために（２）の発明に係る方法で、つまり、前記据え込み部に相当する部位を予備成形した後で、アウターパンチ５及びセンターパンチ６で加圧することが好ましい。
【００２９】
すなわち、先ず、通常の方法で潤滑処理された被加工材（中実円柱）１の据え込み部に相当する部位を通常の方法で予備成形する。この予備成形は、例えば図７に示すように、予備成形部の長さｆと、予備成形部の最大直径ｅと最小直径ｄ（つまり、中実円柱１の直径ｄ）との平均径ｇとの比である（ｆ／ｇ）の値が２．２５以下となるように行えばよい。なお、前記の予備成形部の最大直径ｅは、段付きシャフトの据え込み部の直径以下の値である。
【００３０】
次いで、前記の予備成形した被加工材１を、固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置した後、図１（ｂ）に示すように、アウターパンチ５及びセンターパンチ６を降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束する。なお、予備成形した被加工材１の予備成形部の最大直径ｅが段付きシャフトの据え込み部の直径の値と等しい場合には、被加工材１の拘束は前記の２つのパンチ、すなわち、アウターパンチ５及びセンターパンチ６と、固定ダイ２、ノックアウトピン４及び浮動ダイ３とで行われることになる。この後、図１（ｃ）に示すように両パンチで加圧して行く。この際、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧する。
【００３１】
なお、アウターパンチ５の面圧をセンターパンチ６の面圧よりも大きくして加圧するのは、図１（ｂ）に示したような、アウターパンチ５及びセンターパンチ６、固定ダイ２及びノックアウトピン４による被加工材１の拘束が開始された直後でなく、アウターパンチ５とセンターパンチ６の加圧側の端面の軸方向距離が図１（ｄ）に示す最終製品寸法Ｈ1 の状況になってから行うことにしてもよい。
【００３２】
上記のようにして加圧すれば、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積をセンターパンチ６の後退又は前進で吸収することができるので、最終製品にはバリや欠肉を生じることがなく、しかも金型に割れが生じることもない。
【００３３】
（２）の発明の方法の場合にも、アウターパンチ５とセンターパンチ６の圧下速度は通常の鍛造圧下速度でよい。
【００３４】
又、この際の加圧は、複動プレスによって、被加工材１の変形抵抗の「２±０．２」倍をアウターパンチ５の面圧とする力で、又、被加工材１の変形抵抗の「１．７±０．２」倍をセンターパンチ６の面圧とする力で行うことが好ましく、更に、両パンチによる圧下を同期させて行えば一層よい。
【００３５】
被加工材１の変形抵抗は、例えば図３に示すように、歪みや応力状態あるいは工具（金型）と被加工材１との間の摩擦状態などによって変化するが、予め種々の条件で実験して変形抵抗を求めておきさえすれば、容易に前記両パンチの加圧に反映させることができる。
【００３６】
上記（１）の発明の方法及び（２）の発明の方法は、鉄鋼材料、アルミニウムやその合金、銅やその合金、チタンやその合金といった所謂「金属材料」だけではなく、セラミックなども含めて塑性変形する材料一般に対して適用することができる。
【００３７】
又、上記の方法による段付きシャフトの製造は、所謂「冷間」に限らず、「温間」や「熱間」の温度が上がった状態で行ってもよい。
【００３８】
（３）の発明に係る段付きシャフトの製造装置の金型は、例えば、図１に示すように固定ダイ２、ノックアウトピン４、各々独立して圧下力と位置の制御が可能なアウターパンチ５及びセンターパンチ６、前記アウターパンチ５の作動に連動する浮動ダイ３で構成されている。
【００３９】
上記の浮動ダイ３は、アウターパンチ５の作動に連動して作動する構造で、複動プレスの基台Ｂに対し、伸縮自在な部材７（例えば、スプリング、空気シリンダー、ゴムやウレタンなど）によってその後方が支持されている。又、ノックアウトピン４の後方には図示していないが、成形後の製品（被加工材１）を排出するための排出機構が設けられている。
【００４０】
密閉金型を構成する上記の各金型のうち、アウターパンチ５及びセンターパンチ６は、複動プレスの各シリンダーのピストンロッド（図示せず）に対して個別に連結されている。更に、前記の両パンチには、鍛造力を検知するロードセル（図示せず）と位置を検出するリニアスケール（図示せず）とが取り付けられており、各々独立して圧下力と位置の制御が可能になっている。
【００４１】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す本発明の方法に係る各種の金型及び、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法に係る金型を準備する一方、JIS G 4051に規定されるＳ１０Ｃ鋼を通常の方法で溶製、熱間圧延及び伸線加工し、これを切断加工して公称直径１９．９５ｍｍで長さが６１．６ｍｍの中実円柱を準備した。
【００４３】
次いで、上記の中実円柱の表面に通常の方法で燐酸亜鉛被膜処理を施し、本発明の方法及び従来のメカニカルプレスを用いた方法で図８に示す段付きシャフトを室温で各１０個ずつ製造した。
【００４４】
具体的には、図１に示す装置を用いた本発明に係る方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１を固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置し、次いで、アウターパンチ５及びセンターパンチ６をそれぞれ３５ｍｍ／秒、３５ｍｍ／秒で降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束した。この後、予め求めておいた変形抵抗をベースに、アウターパンチ５の面圧を１４５ｋｇｆ／ｍｍ2 、センターパンチ６の面圧を１２２ｋｇｆ／ｍｍ2 として加圧した。なお、固定ダイ２とノックアウトピン４とで長さ２０ｍｍの部分を形成するようにした。
【００４５】
本発明の方法で上記のようにして加圧すると、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積がセンターパンチ６の後退で吸収されるので、最終製品にはバリや欠肉が生じていなかった。更に、金型に割れが生じることもなかった。
【００４６】
一方、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１を下固定ダイ９及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置し、パンチ８を３５ｍｍ／秒で降下させて、パンチ８の面圧を１４９．７ｋｇｆ／ｍｍ2 として据え込み加工した。この従来法で据え込み加工した場合には、バリと欠肉が発生ししたがって、所望の段付きシャフトを得るのための生産性は極めて劣るものであった。
【００４７】
（実施例２）
図１に示す本発明の方法に係る各種の金型及び、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法に係る金型を準備する一方、JIS G 4052に規定されるＳＣｒ４２０Ｈ鋼を通常の方法で溶製、熱間圧延、球状化焼鈍処理及び伸線加工し、これを切断加工して公称直径１９．９５ｍｍで長さが９０ｍｍの中実円柱を準備した。
【００４８】
次いで、上記の中実円柱の表面に通常の方法で燐酸亜鉛被膜処理を施し、本発明の方法及び従来のメカニカルプレスを用いた方法で図９に示す段付きシャフトを室温で各１０個ずつ製造した。
【００４９】
具体的には、図１に示す装置を用いた本発明に係る方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１の据え込み部に相当する部位を通常の方法で図１０に示すように予備成形した。次いで、前記の予備成形した被加工材１を、固定ダイ２及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置した。次いで、アウターパンチ５及びセンターパンチ６をそれぞれ３５ｍｍ／秒、３５ｍｍ／秒で降下させて、これらのパンチと前記固定ダイ２及びノックアウトピン４で被加工材１を拘束した。この後、予め求めておいた変形抵抗をベースに、アウターパンチ５の面圧を１８５ｋｇｆ／ｍｍ2 、センターパンチ６の面圧を１５８ｋｇｆ／ｍｍ2 として加圧した。なお、固定ダイ２とノックアウトピン４とで長さ２０ｍｍの部分を形成するようにした。
【００５０】
本発明の方法で上記のようにして加圧すると、図１（ｄ）に示すように、被加工材１の据え込み部が完全に形成された後の被加工材１の余剰体積がセンターパンチ６の後退で吸収されるので、最終製品にはバリや欠肉が生じていなかった。更に、金型に割れが生じることもなかった。
【００５１】
一方、図４に示す従来のメカニカルプレスを用いた方法では、燐酸亜鉛被膜処理を施した被加工材（中実円柱）１を予備成形することなく直接に下固定ダイ９及びノックアウトピン４で形成される孔型に挿入してノックアウトピン４上に載置し、パンチ８を３５ｍｍ／秒で降下させて、パンチ８の面圧を１７６．６ｋｇｆ／ｍｍ2 として据え込み加工した。この従来法で、しかも図１０に示した予備成形がなされていない被加工材を加工した場合、座屈が生じ所望形状の最終製品が得られなかった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、金型の破損を生じさせることなく、しかも、バリや欠肉を発生させないで直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する軸付き歯車や軸付きピストンなどの素材として好適な段付きシャフトを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法で段付きシャフトを製造する片側状況の一例を示す模式的縦断面である。
【図２】直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを説明する図である。
【図３】被加工材の歪みと変形抵抗の関係を模式的に示す図である。
【図４】メカニカルプレスを用いた段付きシャフトの製造を説明する図である。
【図５】油圧プレスを用いた閉塞鍛造加工による段付きシャフトの製造を説明する図である。
【図６】直径ｄの中実円柱（被加工材１）の据え込み部に相当する長さＬを説明する図である。
【図７】被加工材の据え込み部に相当する部位を予備成形した場合の予備成形部の形状を説明する図である。
【図８】実施例１で製造した直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを示す図である。
【図９】実施例２で製造した直径が（素材である）中実円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを示す図である。
【図１０】実施例２で被加工材の据え込み部に相当する部位を予備成形した場合の予備成形部の形状を示す図である。
【符号の説明】
１：被加工材、
２：固定ダイ、
３：浮動ダイ、
４：ノックアウトピン、
５：アウターパンチ、
６：センターパンチ、
７：伸縮自在な部材、
８：パンチ、
９：下固定ダイ、
１０：上センターパンチ、
１１：下センターパンチ、
１２：上金型、
１３：下金型、
Ｂ：複動プレスの基台、
Ｓ：空間、
ｄ：素材である中実円柱の直径、
Ｌ：直径ｄの中実円柱の据え込み部に相当する長さ、
ｅ：予備成形部の最大直径、
ｆ：予備成形部の長さ、
ｇ：（ｄ＋ｅ）／２、
Ｈ1 ：最終製品（段付きシャフト）の寸法
Claims (3)
- 製品に対応する段付きシャフトの形状を、固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチによって構成される密閉金型で形成して中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する方法であって、被加工材である中実円柱を固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチで拘束した後、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧することを特徴とする段付きシャフトの製造方法。
- 製品に対応する段付きシャフトの形状を、固定ダイ、浮動ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチによって構成される密閉金型で形成して中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する方法であって、被加工材である中実円柱の前記据え込み部に相当する部位を予備成形し、次いで、予備成形した被加工材を少なくとも固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ及びセンターパンチで拘束した後、アウターパンチの面圧をセンターパンチの面圧よりも大きくして加圧することを特徴とする段付きシャフトの製造方法。
- 中実円柱から直径がその円柱の直径より大きい据え込み部を有する段付きシャフトを製造する装置であって、固定ダイ、ノックアウトピン、各々独立して圧下力と位置の制御が可能なアウターパンチ及びセンターパンチ、前記アウターパンチの作動に連動する浮動ダイを備え、前記の固定ダイ、ノックアウトピン、アウターパンチ、センターパンチ及び浮動ダイによって製品に対応する段付きシャフトの形状を有する密閉金型の形成が可能な段付きシャフトの製造装置。
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