JP5862270B2 - 丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法 - Google Patents
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Description
に伴い、成形歯ないし逃げ歯をウォームに追従させる面取り部を設けてある。これにより、各ダイスをコントローラにより駆動制御させることなく歩み現象による不具合を抑制できるという。
本発明の丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法の特長構成は、円筒状外面を有するワークを前記円筒状外面の回転軸芯の周りに自由転動自在となるよう支持部に支持し、前記回転軸芯と平行な軸芯周りに回転する一対の丸ダイスを前記ワークを挟んで対向配置し、前記一対の丸ダイスを、駆動機構によって互いの回転速度および押込量を同期制御しつつ前記ワークに押込み操作し、前記丸ダイスと前記ワークとが連動回転する回転態様が、互いの押付力に基づき前記丸ダイスの歯先円と前記ワークの外周とを夫々ころがり円として連れ回る摩擦車態様から、前記丸ダイスの押し込みによって前記ワークに歯溝が形成され、前記ワークと前記丸ダイスとの係合に基づく歯車態様に変化する際の、既に形成された前記歯溝の歯底外周長さを形成予定の歯数で割った長さが、前記丸ダイスの歯先円ピッチと等しくなるように前記ワークの外径を設定する点にある。
丸ダイスを用いてはすば歯車を転造する場合、ワークの当初の表面形状は単なる円筒面である。そのため、丸ダイスの押し込みによって互いに当接を開始した丸ダイスとワークとは摩擦歯車の態様で連れ回りを始める。更に丸ダイスの押し込みが進むとワークの表面に歯溝が形成されてゆく。丸ダイスとワークとが確実に噛み合うようになると、両者は歯車態様で回転する。このようにこれら二つの態様として導かれるワークの回転速度に差があると歩みが発生するが、当初発生した歩みも次第に収束する。歩みが収束したあとの工程においては歯形が安定して形成される。
本発明の丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法においては、歯車態様に変化する際のワークに対する丸ダイスの押込量を0.1mm〜0.3mmに設定するとよい。
丸ダイスをワークに対して滑らすことなく押し込むには、丸ダイスの歯先を周囲から拘束する壁部をワークの表面に形成するのが好ましい。転造加工するワークは通常金属であり、所定の塑性変形能を有する。つまり、本構成のごとく、丸ダイスを0.1mm〜0.3mmだけ押し込むと、丸ダイスの歯先の周囲はこれだけの高さの壁部で囲まれることとなり、歯先を拘束するのに十分な抵抗力が発揮される。この押し込み量が少ないと、その後も丸ダイスがワークに対して滑るおそれがあるため、歯の割り切りが終了したことにはならない。一方、押し込み量を過大に設定すると、歯先の拘束という意味では有利になるものの、ワークの初期外径が大きくなるため、歯底の割り切りが困難となる。また、ワーク外径が大きくなれば、ワークの母材のうち歯先の形成に寄与するボリュームが多くなる。よって、歯の形状が適切でなくなったり、余剰の母材ボリュームを吸収するために丸ダイスの歯底深さを大きく設定するなど、別途の付加作業が必要になって効率化が損なわれる。
本発明の丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法においては、回転態様が摩擦車態様から歯車態様に変化するまでの間、ワークに対する一対の丸ダイスの押し込みを断続的に行うとよい。
本構成のごとく、回転態様が歯車態様に変化するまでの間、丸ダイスの押し込み量を断続的に増やすことで、丸ダイスの歯先をワークの表面に対して法線方向に近い角度で当接させることができる。よって、丸ダイスの歯が、回転軸芯方向に沿って、或いは、回転軸芯方向に対して直角な方向にワークを加圧する外力成分が低減でき、歩みの発生を効果的に抑制することができる。また、丸ダイスの歯先をワークの表面に押し込む際に丸ダイスの押し込み量を断続的に行うことで、夫々の歯溝に対する押込態様を等しくすることができる。つまり、全ての歯溝に対して一定の押し込みを完了した後、次の新たな押し込みを各歯溝に付与することで、全周に亘って均等な歯溝を形成しつつ割り切りが終了する。よって、その後の押し込み加工がより確実なものとなり、精度のよい転造歯車を得ることができる。
本発明に係る丸ダイス(以下、単に「ダイス」と称する)を用いた歯車の転造方法につき、以下、図面を用いて説明する。図1および図2に、本発明に用いる転造装置の概要を示す。一対のダイス1は、例えば油圧駆動部2によりワーク3の側に押し込まれる。これらダイス1の回転は例えばACサーボモータ4で駆動される。左右のダイス1は回転速度および押し込量を図外のCNC装置により同期制御される。一方、ワーク3は図2に示すごとく、回転軸芯Xに沿った両側の支持部5で支持される。ワーク3はダイス1の回転により自由駆動(連れ周り)される。ワーク3を支持する一方の支持部51は装置台6に固定される。ワーク3を支持する他方の支持部52は、装置台6に対して回転軸芯Xに沿って移動可能である。この支持部52は空気圧等によりワーク3を回転軸芯Xの方向に沿って押し付ける。これにより、ワーク3に対するダイス1の押し付けによって生じるワーク3の伸びに対応することができる。これら支持部51,52を備える装置台6は、装置ベッド7の上に設置された案内部材8に沿って回転軸芯Xの方向に沿って移動可能である。これにより、ワーク3に対するダイス1の押し付けによって仮に歩みが生じた場合に、ワーク3が回転軸芯Xの方向に沿って移動できるように構成してある。ワーク3の回転速度は、支持部5の一方側に対して外周位置に設定した回転センサ9によって測定可能である。また、ワークの歩みは、一方の支持部5と同軸芯上に配置した距離センサ10で測定可能である。
所期の歯車を得るためには、ダイス1の緒元とワーク3の緒元とが適合している必要がある。ワーク3の外径は、ワーク3の外周を歯数で除した寸法と形成する歯車の歯先円ピッチとが等しくなるように決定する。
図3(a)は、歯先円直径da1のダイス1が外径dvのワーク3に接触した瞬間の状態を示す。両者の軸間距離はa0である。このとき、ワーク3の外周を正確に割り切るダイス歯先円直径da1は、ワーク3の外径をdv、ダイス1の歯数をz1、ワーク3の歯数をz2、とするとき、式(1)から計算される。
da1 ≒dv・z1/z2 ・・・・・ (1)
は a0 =(dv+da1)/ 2である。一方、ワーク3に対するダイス1の押し込み
が終了した状態での中心間距離a1は、ダイスの基準円をd1とすると a1=(d1+d2)/2 となり、かつ a1=(da1+df2)/2 となる。なお図3(b)のうちdf2は、はすば歯車の歯底円直径である。
図3(a)に示す押し込み当初の段階では、ダイス歯先円とワーク外周(歯底円)とを夫々ころがり円とした摩擦車対の回転運動と考えることができる。ここでダイスの回転速度をω1、ワークの回転速度をω2、ダイスの押し込み量をx、ダイスの歯先円直径をda1、ワークの外径をdvとすると、ω2は式(2)で表される。
ω2= ω1・da / (dv-2x) ・・・・・ (2)
一方、図3(b)では、ダイス1とワーク3とは歯車対の噛み合いとみなされるため、z1をダイスの歯数、z2を歯車の歯数とすると式(3)の関係が成立する。
ω2= z1 / z2・ω1 ・・・・・ (3)
しかし、歯溝が成形され、順次押込当接するダイス1の歯先が歯溝に嵌り込むようになると、ワーク3は歯車としてダイスと連動回転するようになる。即ち、上記式(3)で表すことのできるワークの回転態様となり、これを歯車態様と称することにする。歯車態様でワークが回転するようになると、ダイスの歯先がワーク表面に上手く割り切られていないと歩みが生じる。つまり、ワークの回転が歯車態様となったとき、式(2)と式(3)とで表すワークの回転速度に差があると、ワークの運動がねじのすすみ/もどりの様な差動運動となって歩みが生じる。よって、歩みを生じさせないためには、ワークの回転が摩擦車態様から歯車態様に変化する瞬間に、正確な割り切りがなされており、しかもワークに対してダイスが滑らないことが必要となる。
一方、ダイス1の滑りを防止するためには、ダイス1の歯先の周囲をワーク3の母材が適切に取り囲んでいる必要がある。つまり、十分な深さの歯溝が形成されている必要がある。通常、転造に用いられるワークの材料は、鋼材やアルミニウム等の金属が殆どである。素材が金属であれば、材料自身が塑性変形能を有する。よって、ワーク3の表面でダイス1の歯先が滑ろうとする場合に、ダイス1の歯先を取り囲む壁部の高さを適切な高さに設定する。
ただし、壁部の高さが高過ぎる場合、ワーク3はそれだけ余剰の母材を有することになる。その場合、成形後の歯車の精度が損なわれたり、余剰の金属を吸収することができるようダイス1の歯形を修正するなど付加工数が発生する。また、余剰の母材が必要になる分だけ材料の歩留まりが悪くなる。
例として、形成する歯車の形状を表1に示し、ダイス1の形状を表2に示す。
形成する歯車は歯数が2のはすば歯車とした。
ダイス1は、押込みが終了した仕上げ状態で、ダイス1の基準円とピッチ円とが等しくなるように設計する。ダイスの歯数z1は、ダイス1を転造装置に取り付ける制約条件等に鑑みて85とした。ダイス1の歯形はインボリュート歯形である。ダイス1の各緒元は、ワーク3に対するダイス1の押し込みが終了した状態でのダイス1のピッチ円が、ダイス1の基準円に一致するものとして算出している。よって、ワーク3に対してダイス1を転位させて加工する場合には、例えば表2の中の転位係数の値を変化させることとなる。この場合、ダイス1の形状は同じであるものの、歯直角モジュール・歯直角圧力角・ねじれ角の値は変化する。
ダイス設計に先立ってワーク3の外径を決定した。まず図4に示すように、歯車の軸直角断面をCADを用いて描き、ダイス1が押し込む部分の断面積S1と、それにより盛り上がる部分の断面積S2とが等しくなる円を計算した。また、形成する歯車の歯数が2、ダイス1の歯先径が242.7mm、ダイス1の歯数が85であるので、上述の式(1)も勘案してワーク3の外径は5.71mmとなった。尚、ワーク材料としてはS45Cを用いることにした。
[表3]
表3に示したごとく、上記で算出した素材径5.71mmのものが歯筋方向誤差が最も小さかった。尚、ピッチ誤差も最小であった。
、ある程度の深さの歯溝が形成されるまでのあいだワークの直径は順次小さくなる。よって、押し込みに伴なってワークの回転速度は速くなる。
また、ワークの当初の直径が理想値から離れている場合ほど、割り切りが適切にされていないから、ダイスの歯がワークに確実に噛み込んだ後に長く歩みが発生するなど、ワークの速度変化が大きく表れる。
この結果を図5に示す。参考のため式(1)および式(2)で計算したワーク回転速度の変化も図中に併記した。
また、ワーク外径5.71mmは回転速度変化が小さく、式(3)の計算結果と一致した回転速度となった。ワーク4.8mmについては、式(2)で計算した回転速度付近まで立ち上がり、その後高回転側より緩やかに式(3)で計算した値に近づいていく様子が分かる。また、ワーク6.25mmについては、4.8mmとは反対に式(2)で計算した回転速度付近まで立ち上がった後、低回転側より式(3)の回転速度まで変化することが分かった。
この測定は、図2に示すごとく、ワーク3を支持する装置台の一方側に距離センサ10(レーザ変位計)を備え、レーザ光によって装置台の軸方向の位置を計測することで行っ
た。
歩みの符号は図2においてプラスが右へ、マイナスが左への移動を示している。
ワーク4.8mmについては、奥側へ10mm以上歩んでいることが確認された。なお距離センサ10の検出範囲を超えたため、0.5mm以上でデータは飽和した。
ワーク5.71mmについて、歩み量は小さく奥側へ1.7mmとなった。
6.25mmについては、押し込み量1mmから2.5mmにわたり奥側へ歩んだ後、手前側に歩むことが分かった。
この結果、ワーク外径をさらに0.2mm加えた5.91mmのワーク3が最も良い結果を示した。図7に示すように、5.91mmのワーク3の場合、回転数の変化は、歯溝が形成される押し込み量である約0.1mmまではワークの回転は式(2)の値と一致し、その後式(3)の回転数に落ち着いた。また、図8に示すように5.91mmのワークでは歩みが1mm以下と最小となった。
尚、この深さは、材料の塑性変形能やワークおよびダイスのサイズによって変動し得る
。よって、適切な付加長さは、0.1〜0.3mmと判断できる。
尚、金属に限らず、熱可塑性の樹脂などを用いて歯車を転造する場合には、用いる材料に応じてワーク直径を長く設定すると良い。
(押し込み速度の影響)
図9に、ワーク3を固定し、軸直角方向から見たダイス歯先の軌跡を示した模式図を示す。通常、割り切り計算では、ワークの外周を歯数で除した円弧長さと、ダイス1の歯先の円ピッチとを等しく設定する。しかしワークの回転とともにダイス1が押し込まれるため、その軌跡はアルキメデスの螺旋となる。よって、実際の求めるべき螺旋の長さは、円弧基準の割り切り計算の場合より小さくなる。
また、回転速度に対してダイスの押し込み速度が大きいと、先の歯が大きくワークに食い込んだ状態で次の歯がワークに当たることとなる。よって、ワークの表面に対するダイスの歯先の角度がより傾斜した状態となる。このため、ダイスの歯先がワークの表面に当接する位置が適切でなくなり、歩みの原因となる。
そこで、ダイス1の押し込みに際しては、ダイスとワークとの回転態様が摩擦車態様から歯車態様に変化するまでの間、ワークに対する一対のダイスの押し込みを断続的に行うとよい。
また、ダイスの歯先をワークの表面に押し込む際にダイスの押し込み量を断続的に行うことで、夫々の歯溝に対する押込態様を等しくすることができる。つまり、全ての歯溝に対して所定の形態の押し込みを施した後、新たな押し込みを各歯溝に均等に付与することで、全周に亘って均等な歯溝を形成しつつ割り切りを行うことができる。よって、精度のよい転造歯車を得ることができる。
3 ワーク
5 支持部
6 装置台
7 装置ベッド
8 案内部材
X 回転軸芯
Claims (3)
- 円筒状外面を有するワークを前記円筒状外面の回転軸芯の周りに自由転動自在となるよう支持部に支持し、
前記回転軸芯と平行な軸芯周りに回転する一対の丸ダイスを前記ワークを挟んで対向配置し、
前記一対の丸ダイスを、駆動機構によって互いの回転速度および押込量を同期制御しつつ前記ワークに押込み操作し、
前記丸ダイスと前記ワークとが連動回転する回転態様が、
互いの押付力に基づき前記丸ダイスの歯先円と前記ワークの外周とを夫々ころがり円として連れ回る摩擦車態様から、前記丸ダイスの押し込みによって前記ワークに歯溝が形成され、前記ワークと前記丸ダイスとの係合に基づく歯車態様に変化する際の、
既に形成された前記歯溝の歯底外周長さを形成予定の歯数で割った長さが、前記丸ダイスの歯先円ピッチと等しくなるように前記ワークの外径を設定する丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法。 - 前記歯車態様に変化する際の前記ワークに対する前記丸ダイスの押込量を0.1mm〜0.3mmに設定してある請求項1に記載の丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法。
- 前記回転態様が前記摩擦車態様から前記歯車態様に変化するまでの間、前記ワークに対する前記一対の丸ダイスの押し込みを断続的に行う請求項1または2に記載の丸ダイスを用いたはすば歯車の転造方法。
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