JP6936103B2 - 歯車の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結歯車の製造方法に関するものであり、転造により、歯形部の強度を強化しつつ、高精度に歯車を製造する歯車の製造方法に関する。

特許文献１及び特許文献２には、鍛造素材や焼結素材からインボリュート歯形の歯を有する歯車を転造加工により製造する方法が開示されている。

特開２００６−２８３８０１号公報 特開２００６−２８１２６３号公報

歯面を転造して強化する焼結歯車の品質確保のためには、素材焼結歯車の歯形の寸法及び形状を、歯形の部分ごとに精度よく管理することができる製造方法が望まれている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、歯形の寸法及び形状を歯形の部分ごとに精度よく管理することができる歯車の製造方法を提供する。

本発明の一態様に係る歯車の製造方法は、焼結素材の転造前歯車の歯を転造加工で強化する転造加工工程を備えた歯車の製造方法であって、前記転造加工工程は、転造加工により前記転造前歯車の歯が変形する際の歯厚方向における長さの変化量を転造代とし、前記転造前歯車の歯における歯形曲線上の異なる加工点を、第１加工点、第２加工点及び第３加工点とした場合に、第１転造代が設定された第１加工点、及び、第２転造代が設定された第２加工点を通る第１インボリュート歯形と、前記第２加工点、及び、第３転造代が設定された第３加工点を通る第２インボリュート歯形と、を含む前記転造前歯車の歯を転造加工する。このような構成により、歯形の寸法及び形状を部分ごとに精度よく管理することができる。

本発明により、歯形の寸法及び形状を、歯形の部分ごとに精度よく管理することができる歯車の製造方法を提供する。

実施形態に係る歯車及び歯を例示した斜視図である。 実施形態に係る歯車及び歯を例示した平面図である。 実施形態に係る歯車の製造方法を例示したフローチャートである。 （ａ）は、実施形態に係る歯車の歯形を例示した図であり、転造前歯車の歯形及び転造後歯車の歯形を示し、（ｂ）は、（ａ）における歯先の拡大図を示す。 実施形態に係る歯車の歯形の諸元を例示した図であり、転造前歯車の歯形の諸元及び転造後歯車の歯形の諸元を示す。 実施形態に係る歯車の製造方法において、転造加工工程を実施する転造機を例示した図である。 実施形態に係る歯車の製造方法により製造された歯車の歯を例示した断面図である。 比較例に係る歯車の製造方法により製造された歯車の歯を例示した断面図である。 比較例に係る歯車の製造方法により製造された歯車の歯を例示した拡大図であり、図８の領域Ｇを拡大した図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施形態）
実施形態に係る歯車の製造方法を説明する。本実施形態の歯車の製造方法は、インボリュート歯形の歯が形成されるように、焼結素材の転造前素材の歯を転造加工で強化する転造加工工程を備えている。まず、歯車及び歯を説明する。その後、歯車の製造方法を説明する。

（歯車及び歯）
図１は、実施形態に係る歯車１及び歯１０を例示した斜視図である。図１に示すように、歯車１は、例えば、円板形状を有している。よって、歯車１は、中心軸Ｏを有し、中心軸Ｏを回転軸として回転する。なお、歯車１は、円板形状に限らず、円環形状、円筒形状、円錐台形状等でもよい。

歯車１の中心軸Ｏに直交する面内において、中心軸Ｏを始点とし、中心軸Ｏから離れる方向を径方向という。また、中心軸Ｏを中心にして回転する方向を周方向という。中心軸Ｏ方向における一方の向きを、一方向といい、一方向と反対の向きを他方向という。歯車１は、一方向側の面１ａ及び他方向側の面１ｂを有している。

歯車１は、複数の歯１０を有している。図１において、歯１０は、３つだけ示されているが、実際は、歯車１の周縁に等間隔で形成されている。複数の歯１０は、歯車１の周縁において、周方向に並ぶように形成されている。歯車１の歯１０の個数を歯数という。

歯１０の先端部分を、歯先１１という。歯先円１１ｃは、中心軸Ｏを中心にし、歯先１１を通る円である。歯先円１１ｃの直径を歯先円直径１１ｄという。一方、歯１０の中心軸Ｏ側の部分を歯元１２という。歯元円１２ｃは、中心軸Ｏを中心にし、歯元１２を通る円である。歯元円１２ｃの直径を歯元円直径１２ｄという。

歯先１１から歯元１２までの長さ、すなわち、歯先円直径１１ｄと歯元円直径１２ｄの差の半分の長さを歯たけ１０ｈという。歯たけ１０ｈに沿った方向を歯たけ１０ｈ方向という。中心軸Ｏ方向における歯１０の長さを歯幅１０ｗという。歯幅１０ｗに沿った方向を歯幅１０ｗ方向という。

歯車１の一方向側の面１ａから他方向側の面１ｂへ歯先１１が延びる線を歯すじ１０ｊといい、歯すじ１０ｊが延びる方向を歯すじ１０ｊ方向という。歯すじ１０ｊ方向と中心軸Ｏ方向とのなす角をねじれ角（方向）という。中心軸Ｏに直交する面内において、歯たけ１０ｈ方向に直交する方向の歯１０の長さを歯厚１０ｓといい、歯厚１０ｓに沿った方向を歯厚１０ｓ方向という。

歯車１を他の歯車と噛み合わせた場合に、噛み合う面を歯面１３という。よって、歯面１３は、歯１０の周方向に面している。歯面１３における中心軸Ｏに直交する断面形状を歯形または歯形曲線という。

図２は、実施形態に係る歯車及び歯を例示した平面図である。図２の歯車１及び歯車２において、歯１０は、３つだけ示されているが、実際は、歯車１及び歯車２の周縁に等間隔で形成されている。

図２に示すように、本実施形態において、歯車１の歯１０の歯形１４は、インボリュート曲線を含んだインボリュート歯形を有している。インボリュート歯形に含まれたインボリュート曲線の元となる円を基礎円１４ｃという。基礎円１４ｃの直径を基礎円直径１４ｄという。２つのインボリュート歯車、例えば、インボリュート歯車１及びインボリュート歯車２が噛み合う場合に、それぞれの基礎円１４ｃの両方に接する接線は４本ある。４本の接線のうち、２本の接線は、インボリュート歯車１と、インボリュート歯車２との間で交差する。交差する２本のいずれか一方の接線を作用線１５という。

そして、インボリュート歯車１及びインボリュート歯車２の中心軸Ｏを結ぶ線分１６と、作用線１５との交点をピッチ点１７という。中心軸Ｏを中心にし、ピッチ点１７を通る円をピッチ円１７ｃという。ピッチ円１７ｃの直径をピッチ円直径１７ｄという。ピッチ円直径１７ｄを歯数で割った値をモジュールという。また、ピッチ点１７における歯面１３の共通接線１９と、歯車の中心軸Ｏ間の線分１６との角度を圧力角αという。

（歯車の製造方法）
次に、歯車１の製造方法を説明する。図３は、実施形態に係る歯車の製造方法を例示したフローチャートである。図３に示すように、歯車１の製造方法は、歯形設計工程（ステップＳ１１）、転造前歯車準備工程（ステップＳ１２）、及び、転造加工工程（ステップＳ１３）を含んでいる。

図３のステップＳ１１に示すように、まず、歯形１４の設計を行う。図４（ａ）は、実施形態に係る歯車１の歯形１４を例示した図であり、転造前歯車の歯形１４１、及び、転造後歯車の歯形１４２を示し、（ｂ）は、（ａ）における歯先の拡大図を示している。転造前歯車は、転造加工される前の歯車であり、転造前素材ともいう。転造後歯車は、転造前歯車が転造加工された歯車である。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、転造加工に用いられる転造前歯車の歯形１４１は、複数の部分に区分されて設計されている。例えば、歯形１４１は、歯たけ１０ｈ方向における歯先１１から順に、歯先ピッチ点間部分２１、ピッチ点歯元間部分２２、及び、歯元部分２３の複数の部分に区分されている。

例えば、歯先ピッチ点間部分２１は、歯先１１を始点として歯たけ１０ｈ方向にとった位置で表すと、０［ｍｍ］〜２．３７３［ｍｍ］の部分である。図４（ｂ）に示すように、歯形１４１曲線と歯先１１との角部に丸みをつけてもよい。丸みは、例えば、Ｒ０．５［ｍｍ］である。ピッチ点歯元間部分２２は、２．３７３［ｍｍ］〜４．０３８［ｍｍ］の部分である。よって、ピッチ点歯元間部分２２は、歯たけ１０ｈ方向に、１．６６５［ｍｍ］の長さを有している。歯元部分２４は、４．０３８［ｍｍ］〜５．３２７［ｍｍ］の部分である。歯元部分２４は、歯たけ１０ｈ方向に、１．２８９［ｍｍ］の長さを有している。歯形１４１曲線と歯元１２との角部に丸みをつけてもよい。丸みは、例えば、Ｒ０．４［ｍｍ］である。なお、歯先ピッチ点間部分２１、ピッチ点歯元間部分２２、及び、歯元部分２３の歯たけ１０ｈ方向における長さは上記に限らない。

転造前歯車の歯１０の歯形１４１曲線上にいくつかの異なる加工点を設定する。例えば、歯形１４１曲線と歯先１１との交点を、第１加工点として、歯先近傍点Ａとする。なお、図４（ｂ）に示すように、歯形１４１曲線と歯先１１との角部に丸みをつけた場合には、歯形１４１曲線の延長線と、歯先１１の延長線との交点を、第１加工点として、歯先近傍点Ａとする。

歯先ピッチ点間部分２１と、ピッチ点歯元間部分２２との境界の点を、第２加工点として、ピッチ点Ｂとする。歯先近傍点Ａとピッチ点Ｂとの間の歯たけ１０ｈ方向における長さは、２．３７３［ｍｍ］である。

ピッチ点歯元間部分２２と、歯元部分２３との境界の点を、第３加工点として、歯元近傍点Ｃとする。ピッチ点Ｂと歯元近傍点Ｃとの間の歯たけ１０ｈ方向における長さは、１．６６５［ｍｍ］である。このように加工点を設定すると、歯先ピッチ点間部分２１は、歯先近傍点Ａと、ピッチ点Ｂと、の間の部分となる。歯先ピッチ点間部分２１を、Ａ−Ｂ部ともいう。ピッチ点歯元間部分２２は、ピッチ点Ｂと、歯元近傍点Ｃと、の間の部分となる。ピッチ点歯元間部分２２を、Ｂ−Ｃ部ともいう。

本実施形態では、歯形１４１曲線上の複数の加工点を、歯たけ１０ｈ方向において異なる位置となるように設定する。なお、第１加工点、第２加工点及び第３加工点を設定する箇所は、歯形１４１曲線上であれば、各部分の境界の点に限らず、例えば、各部分の中央の点でもよい。また、加工点の個数は３個に限らず、４個以上でもよい。

図５は、実施形態に係る歯車１の歯形１４の諸元を例示した図であり、転造前歯車の歯形１４１の諸元及び転造後歯車の歯形１４２の諸元を示す。図５に示すように、転造前歯車の歯形１４１の諸元は、複数の部分に区分された各部分に設定されている。例えば、転造前歯車の歯形１４１の諸元は、Ａ−Ｂ部及びＢ−Ｃ部に設定されている。まず、転造前歯車の歯形１４１のＡ−Ｂ部、すなわち、歯先ピッチ点間部分２１について説明する。

図５に示すように、転造前歯車の歯形１４１のＡ−Ｂ部において、歯形１４１の基準断面は、歯直角断面である。歯数は２６であり、モジュールは、２．０である。圧力角は、２２．２５［°］であり、ねじれ角は、左ねじれ（Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄ）に２９［°］である。基準ピッチ円直径、基礎円直径及び大径（歯先円直径）は、それぞれ、φ５９．４５４［ｍｍ］、φ５３．８５４［ｍｍ］及びφ６４．２［ｍｍ］である。

歯直角弧歯厚は、３．９２５［ｍｍ］である。Ｏ．Ｂ．Ｄ（Ｏｖｅｒ Ｂａｌｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）は、６７．６８４［ｍｍ］であり、使用ボール径として、φ４．０［ｍｍ］を用いている。歯形１４１曲線と歯先１１との角部の丸みは、Ｒ０．５［ｍｍ］である。歯車１の材質は、焼結材である。なお、用いる材質は、これに限らない。

図４及び図５に示すように、Ａ−Ｂ部における歯形１４１は、歯先近傍点Ａと、ピッチ点Ｂとを通るインボリュート歯形（第１インボリュート歯形）に設定されている。例えば、設定された基礎円１４ｃを基準にして形成されたインボリュート曲線を有している。

次に、転造前歯車の歯形１４１のＢ−Ｃ部、すなわち、ピッチ点歯元間部分２２について説明する。図５に示すように、転造前歯車の歯形１４１のＢ−Ｃ部において、歯形１４１の基準断面は、歯直角断面である。歯数は２６であり、モジュールは、２．０である。圧力角は、１６．５［°］であり、ねじれ角は、左ねじれ（Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄ）に２９［°］である。基準ピッチ円直径、基礎円直径及び小径（歯元円直径）は、それぞれ、φ５９．４５４［ｍｍ］、φ５６．３１２［ｍｍ］及びφ５３．６４６［ｍｍ］である。

歯直角弧歯厚は、３．９２５［ｍｍ］である。Ｏ．Ｂ．Ｄは、６８．２６７［ｍｍ］であり、使用ボール径として、φ４．０［ｍｍ］を用いている。歯形１４１曲線と歯元１２との角部の丸みは、Ｒ０．４［ｍｍ］である。

図４及び図５に示すように、Ｂ−Ｃ部における歯形１４１は、ピッチ点Ｂと、歯元近傍点Ｃとを通るインボリュート歯形（第２インボリュート歯形）に設定されている。例えば、設定された基礎円１４ｃを基準にして形成されたインボリュート曲線を有している。

Ａ−Ｂ部の一端である歯先近傍点Ａの転造代１８ａは、例えば、０．１［ｍｍ］である。転造代は、転造加工により転造前歯車の歯１０が変形する際の歯厚１０ｓ方向における長さの変化量をいう。Ａ−Ｂ部の他端であるピッチ点Ｂの転造代１８ｂは、例えば、０．３［ｍｍ］である。Ｂ−Ｃ部の一端は、Ａ−Ｂ部の他端と共通となっている。よって、Ｂ−Ｃ部の一端であるピッチ点Ｂの転造代１８ｂは、０．３［ｍｍ］である。Ｂ−Ｃ部の他端である歯元近傍点Ｃの転造代１８ｃは、例えば、０．２６［ｍｍ］である。

歯先近傍点Ａ、ピッチ点Ｂ及び歯元近傍点Ｃは、転造前歯車の歯形１４１曲線上の異なる加工点である。よって、転造前歯車の歯形１４１曲線上の異なる加工点を、第１加工点、第２加工点及び第３加工点とした場合に、第１加工点には０．１［ｍｍ］の転造代（第１転造代）が設定され、第２加工点には０．３［ｍｍ］の転造代（第２転造代）が設定され、第３加工点には０．２６［ｍｍ］の転造代（第３転造代）が設定されている。このように、第１転造代、第２転造代及び第３転造代は異なる値とされている。

また、転造前歯車の歯形１４１は、第１インボリュート歯形及び第２インボリュート歯形を含むように設計されている。第１インボリュート歯形は、第１転造代が設定された第１加工点、及び、第２転造代が設定された第２加工点を通っている。第２インボリュート歯形は、第２転造代が設定された第２加工点、及び、第３転造代が設定された第３加工点を通っている。

Ａ−Ｂ部の第１インボリュート歯形と、Ｂ−Ｃ部の第２インボリュート歯形とは、異なるインボリュート曲線となっている。図５に示すように、基準ピッチ円直径は一定とした上で、例えば、第１インボリュート歯形の圧力角αの大きさと、第２インボリュート歯形の圧力角αの大きさとは異なっている。また、第１インボリュート歯形のＯ．Ｂ．Ｄの大きさと、第２インボリュート歯形のＯ．Ｂ．Ｄの大きさとが異なってもよい。

本実施形態では、加工点として、第１加工点から第３加工点の３つの加工点を設定し、Ａ−Ｂ部の第１インボリュート歯形及びＢ−Ｃ部の第２インボリュート歯形の２つのインボリュート歯形を設定しているが、これに限らない。例えば、加工点として、４つ以上の加工点を設定してもよい。また、第３インボリュート歯形を設定してもよいし、これよりも多くのインボリュート歯形を設定してもよい。

また、各加工点における転造代を異なるように設定したが、これに限らず、第１インボリュート歯形と第２インボリュート歯形とが異なるように設定されれば、同じ転造代が設定される加工点があってもよい。

次に、転造後歯車の歯形１４２を説明する。図５に示すように、転造後歯車における歯形１４２の諸元は、以下のように設定されている。

歯形１４２の基準断面は、歯直角断面である。歯数は２６であり、モジュールは、２．０である。圧力角は、１７［°］であり、ねじれ角は、左ねじれ（Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄ）に２９［°］である。基準ピッチ円直径、基礎円直径、大径（歯先円直径）及び小径（歯元円直径）は、それぞれ、φ５９．４５４［ｍｍ］、φ５６．１２４［ｍｍ］、φ６４．７［ｍｍ］及びφ５３．５４６［ｍｍ］である。

歯直角弧歯厚は、３．３３２８１［ｍｍ］である。Ｏ．Ｂ．Ｄ（Ｏｖｅｒ Ｂａｌｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）は、６６．８２７［ｍｍ］であり、測定用のボール径として、φ４［ｍｍ］を用いている。歯形１４２曲線と歯元１２との角部の丸みは、Ｒ０．６５［ｍｍ］である。このようにして、設計工程において、転造前歯車の歯形１４１、及び、転造後歯車の歯形１４２を設計する。

次に、図３のステップＳ１２に示すように、転造前歯車を準備する。歯形１４１の寸法及び形状が、図４及び図５に示した転造前歯車の諸元に合うように、転造前歯車を準備する。

次に、図３のステップＳ１３に示すように、転造前歯車の転造加工を行う。図６は、実施形態に係る歯車１の製造方法において、転造加工工程を実施する転造機３０を例示した図である。図６に示すように、転造機３０は、転造加工用金型３１及び３２を有している。転造前歯車３３を、転造加工用金型３１及び３２の間に挟む。そして、転造加工用金型３１及び３２を回転させることにより、転造前歯車３３の歯１０を転造加工する。このようにして、転造前歯車３３の歯１０を転造し、転造後歯車の歯形１４２を有するように変形させる。また、転造加工により、歯１０の表面を緻密化させる。

このように、転造加工工程は、転造前歯車の歯１０における歯形１４１曲線上の異なる加工点を、第１加工点、第２加工点及び第３加工点とした場合に、第１転造代が設定された第１加工点、及び、第２転造代が設定された第２加工点を通る第１インボリュート歯形と、第２加工点、及び、第３転造代が設定された第３加工点を通る第２インボリュート歯形と、を含む転造前歯車の歯１０を転造加工する。このようにして、歯車１を製造することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、転造前歯車の歯形１４１を、複数の部分に区分し、部分ごとに歯形１４１の寸法及び形状を設定している。よって、歯形１４１の寸法及び形状を、部分ごとに精度よく管理することができる。製造した歯車１の歯形１４の品質は、歯形１４諸元に合わせたＯ．Ｂ．Ｄ寸法測定、及び、歯車測定機等で寸法・形状測定することができるので高精度で寸法及び形状を管理することができる。

また、部分ごとに歯形１４１の寸法及び形状を管理しているので、各部分の転造代を適宜設定することができる。例えば、各部分に異なる転造代を追加することができる。本実施形態では、このような場合でも、部分ごとに歯形１４１を管理しているため、部分ごとにＯ．Ｂ．Ｄによる管理をすることができる。

図７は、実施形態に係る歯車１の製造方法により製造された歯車１の歯１０を例示した断面図である。図７に示すように、本実施形態では、部分ごとに歯形１４１の寸法及び形状が管理された転造前歯車を転造加工しているので、転造加工及び歯研加工を経た歯車１の歯１０の表面を緻密化させることができる。また、歯車１の歯１０の内部において、内部割れ及び巻込みキズの発生を抑制することができる。これにより、歯車１の強度を向上させることができる。

図８は、比較例に係る歯車の製造方法により製造された歯車の歯を例示した断面図である。図９は、比較例に係る歯車の製造方法により製造された歯車の歯を例示した拡大図であり、図８の領域Ｒを拡大した図である。

比較例として、特許文献１の歯車の製造方法では、転造前歯車の歯形を、基準となる１種類のインボリュート歯形で設定している。このように、歯形を１種類のインボリュート歯形で設定している場合には、部分的に転造代を追加することは困難である。部分的に転造代を追加すると、Ｏ・Ｂ．Ｄによる寸法及び形状の管理をすることが困難となる。したがって、歯形の寸法及び形状を、歯先円直径または歯元円直径等で間接的に管理する。この場合には、精度よく歯形１４１を管理することができない。したがって、部分的に転造代を追加すると、転造代の設定の仕方によっては、図８及び図９に示すように、内部に割れが発生することがある。また、巻込みキズが発生することがある。

比較例においては、発生した内部割れ及び巻込みキズが、歯形１４１のどの部分に追加した転造代によるものなのか、対応付けることが困難である。これに対して、本実施形態では、歯形１４１の寸法及び形状を部分ごとに管理しているため、発生した内部割れ及び巻込みキズと、追加された転造代との対応付けをすることができる。よって、転造代を最適化することができ、歯車１の品質を向上させることができる。

また、例えば、特許文献１では、鍛造前歯車を設計する際に、鍛造後歯車の歯形に含まれる単純なインボリュート歯形を平行移動することにより、鍛造前歯車の歯形を設計している。したがって、特許文献１の方法では、インボリュート歯形を１種類の諸元で設計している。よって、歯先部分、ピッチ点部分、歯元部分等の各部分の転造代を任意に設定することができない。

これに対して、本実施形態では、複数のインボリュート歯形を組み合わせている。よって、歯形１４１の部分ごとに、歯形１４１の寸法及び形状を精度よく管理することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１ 歯車
１０ 歯
１０ｈ 歯たけ
１０ｊ 歯すじ
１０ｗ 歯幅
１０ｓ 歯厚
１１ 歯先
１１ｃ 歯先円
１１ｄ 歯先円直径
１２ 歯元
１２ｃ 歯元円
１２ｄ 歯元円直径
１３ 歯面
１４、１４１、１４２ 歯形
１４ｃ 基礎円
１４ｄ 基礎円直径
１５ 作用線
１６ 線分
１７ ピッチ点
１７ｃ ピッチ円
１７ｄ ピッチ円直径
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 転造代
１９ 共通接線
２１ 歯先ピッチ点間部分
２２ ピッチ点歯元間部分
２３ 歯元部分
３０ 転造機
３１、３２ 転造加工用金型
３３ 転造前歯車
Ａ 歯先近傍点
Ｂ ピッチ点
Ｃ 歯元近傍点
Ｏ 中心軸

Claims (1)

1. インボリュート歯形の歯が形成されるように、転造前歯車の歯を転造加工する転造加工工程を備えた歯車の製造方法であって、
   前記転造加工工程は、
   転造加工により前記転造前歯車の歯が変形する際の歯厚方向における長さの変化量を転造代とし、前記転造前歯車の歯における歯形曲線上の異なる加工点を、第１加工点、第２加工点及び第３加工点とした場合に、
   第１転造代が設定された第１加工点、及び、第２転造代が設定された第２加工点を通る第１インボリュート曲率を有する第１インボリュート歯形と、前記第２加工点、及び、第３転造代が設定された第３加工点を通る第２インボリュート曲率を有する第２インボリュート歯形と、を含む前記転造前歯車の歯を転造加工する、
   歯車の製造方法。

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