特開 2022-174777 歯車加工用転造工具およびそれを用いた歯車の転造加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022174777

(43)【公開日】2022-11-25

(54)【発明の名称】歯車加工用転造工具およびそれを用いた歯車の転造加工方法

(51)【国際特許分類】

   B21H 5/04 20060101AFI20221117BHJP

   B21H 5/02 20060101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

B21H5/04

B21H5/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021080732

(22)【出願日】2021-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100192614

【弁理士】

【氏名又は名称】梅本 幸作

(74)【代理人】

【識別番号】100158355

【弁理士】

【氏名又は名称】岡島 明子

(72)【発明者】

【氏名】笠井 康

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 嗣紀

(57)【要約】

【課題】転造加工時にワークの歯面に余肉の発生を抑制し、種々の歯幅に対応できる内歯車用途の転造工具およびそれを用いた歯車の転造加工方法を提供する。
【解決手段】回転軸Ｏ１０を中心に複数の歯１１を円環状に配置した歯車加工用転造工具１０であり、回転軸Ｏ１０に平行な断面において、歯１１の歯先面１２を回転軸Ｏ１０と平行に形成された平行部１２Ｂおよび回転軸Ｏ１０に対して所定の角度で傾斜しているテーパ部１２Ａ，１２Ｃから構成する。この場合、平行部１２Ｂとテーパ部１２Ａ，１２Ｃを歯１１の歯幅方向にわたり連続的に形成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸を中心に複数の歯が円環状に配置されており、前記回転軸と平行な断面において前記歯の歯先面は、前記回転軸と平行に形成された平行部と、前記歯の歯幅方向にわたって前記平行部と連続的に形成されているテーパ部と、を有している歯車加工用転造工具であって、前記テーパ部は、前記平行部の両端側から互いに逆向きの勾配を有した状態で形成されている第１テーパ部および第２テーパ部から構成されており、前記第１テーパ部と前記回転軸の成す角度は、前記第２テーパ部と前記回転軸の成す角度よりも小さく、かつ前記第２テーパ部の頂面の角部には前記回転軸に垂直な方向の断面視において丸め加工が施されていることを特徴とする歯車加工用転造工具。

【請求項2】

前記丸め加工の大きさは、曲率半径として２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の歯車加工用転造工具。

【請求項3】

請求項１に記載の歯車加工用転造工具および被加工材を共に回転させながら前記被加工材の内周面に歯車を転造加工する方法であって、前記歯車加工用転造工具の回転軸と前記被加工材の回転軸が共に平行な状態で、前記歯車加工用転造工具または前記被加工材の少なくとも一方を前記被加工材の回転軸に沿って移動させながら前記被加工材の内周面に歯車の転造加工を行なうことを特徴とする歯車の転造加工方法。

【請求項4】

請求項１に記載の歯車加工用転造工具および被加工材を共に回転させながら前記被加工材の内周面に歯車を転造加工する方法であって、前記歯車加工用転造工具の回転軸が前記被加工材の回転軸に対して所定の傾きを有した状態で、前記歯車加工用転造工具または前記被加工材の少なくとも一方を前記被加工材の回転軸に沿って移動させながら前記被加工材の内周面に歯車の転造加工を行なうことを特徴とする歯車の転造加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、歯車加工用の転造工具およびそれを用いた歯車の転造加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

これまで歯車の製作は主に切削加工により行なわれてきたが、切削加工は切りくずが発生するため、近年では環境負荷を低減する観点から代替手段による歯車の加工が検討されてきた。

【0003】

また、切削加工による歯車の加工は、止まり穴の内歯車加工において切りくずの逃げ場がなく、噛み込んだ切りくずがワーク（被加工材）を損傷させて、ひいては工具の損傷を引き起こすという問題もあった。

【0004】

そこで、切削加工の代替手段として転造加工による歯車の製作が提案されるようになった。例えば、特許文献１や特許文献２では転造加工による内歯車に関する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許６４４３１８号公報

【特許文献2】特許３９４７２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、歯車の製作過程において特許文献１に開示されているような転造加工時に転造工具の歯底が被加工材の歯底や歯先に接触しながら転造加工を行なうと転造工具が破損しやすいという問題があった。

【0007】

特に、従来の転造加工は転造工具を被加工材の内周面の方向へ近接させる方向（被加工材の径方向：ラジアル方向）に移動させる、いわゆる転造工具をラジアル送りにより転造加工するものである。そのため、転造加工時には転造工具および被加工材共に大きな負荷が発生するため、専用の転造加工機を用いて転造加工する必要があった。

【0008】

また、転造加工において転造工具が被加工材から離れる時に転造工具と被加工材の接触面は徐々に小さくなる。この時、被加工物の幅全体で受けていた転造加工時の荷重をより狭い範囲で受けることになるため、転造工具から受ける荷重（応力）が一点に集中し、被加工物への食い込みが深くなる。その結果、被加工物の歯面に段差が発生する。被加工物の歯面に発生する段差の模式図を図１７に示す。

【0009】

そこで、本発明は転造加工時に被加工材の歯面に発生する段差，傷，バリ等の不具合を抑制する転造工具を提供することを課題とする。合わせて、当該転造工具を用いた歯車の転造加工方法を提供することも課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前述した課題を解決するために、本発明の転造工具は、複数の歯が回転軸を中心に円環状に配置されて、回転軸に平行な断面において複数の歯の歯先面は回転軸と平行に形成された平行部および回転軸に対して所定の角度で傾斜しているテーパ部から形成されている。この平行部とテーパ部は複数の歯の歯幅方向にわたって連続的に形成されている構造とした。

【0011】

歯の歯幅方向にわたって形成されるテーパ部は、平行部の両端側から歯幅方向に向けて連続的に形成している第１テーパ部および第２テーパ部に分けて形成する。この場合、第１テーパ部と回転軸との成す角度を、第２テーパ部と回転軸との成す角度よりも小さくする。例えば、第１テーパ部と回転軸の成す角度θ（θ１およびθ２）は、１°以上２０°以下の範囲としても良い。

【0012】

また、本願の発明者は、転造工具による歯車の転造加工では、転造工具が被加工物から離れる際に転造荷重の変動が発生し、その転造荷重の変動によって転造工具または被加工物の軸のたわみや加工装置の同期ずれに起因して被加工物の歯面に段差や傷、バリ等の不具合が発生していることを確認した。そこで、本発明の転造工具を形成する第２テーパ部の頂面の角部には回転軸に垂直な方向の断面視において丸み加工（Ｒ面取り加工）を施すこととする。この場合、丸み加工（Ｒ面取り加工）の大きさは２０μｍ以上の曲率半径とすることが好ましい。

【0013】

なお、本発明の転造工具の材質については、高速度工具鋼、高合金鋼、超硬合金など種々の材料から選択することができる。その表面硬さは、少なくともロックウェルＡスケールで８０ＨＲＡ以上９３ＨＲＡ以下の範囲であることが望ましい。

【0014】

また、この転造工具を用いた歯車の転造加工方法の発明については、歯車加工用転造工具および被加工材を共に回転させながら被加工材の内周面に歯車を転造加工する際に、歯車加工用転造工具の回転軸と被加工材の回転軸が共に平行な状態で、歯車加工用転造工具または被加工材の少なくとも一方を被加工材の回転軸に沿って移動させながら被加工材に対して転造加工を行なう転造加工方法とする。

【0015】

または、歯車加工用転造工具の回転軸は被加工材の回転軸に対して所定の傾きを有した状態で歯車加工用転造工具または被加工材の少なくとも一方を被加工材の回転軸に沿って移動させながら被加工材に対して転造加工を行なう転造加工方法でも構わない。

【発明の効果】

【0016】

本発明の歯車加工用転造工具は、複数の歯の歯面形状が回転軸と平行に形成された平行部および回転軸に対して所定の角度をもったテーパ部が連続して形成されることで転造加工時に発生する転造荷重が低下するので、転造工具および転造加工時に使用する機器への負荷が小さくなり、歯車の加工精度が向上する。また、本発明の歯車加工用転造工具は第２テーパ部の歯先に丸みを付ける（ラウンド加工を施す）ことで転造加工による歯車の生産能率を低下させないで転造工具費用の上昇をなるべく抑えたまま、当該転造加工法を採用できる領域を広げることもできる。特に、隣接する歯同士に余肉を発生することなく、モジュールが小さい（ｍ≦１）内歯車を製作することができる。

【0017】

また、単一の歯車加工用転造工具で様々の歯幅の寸法に対応した転造加工が可能となる。さらに、転造加工時に発生する被加工材への転造荷重が分散することで低下し、通常の複合加工機（工作機）による転造加工が可能となるので、歯車加工の工程集約も可能となる。

【0018】

さらに、歯車加工用転造工具の回転軸が被加工材の回転軸に対して所定の傾きを有した状態で転造加工することにより、歯車加工用転造工具と被加工材に歯車加工用転造工具と異なるねじれ角の歯車を形成させることができる。このことによれば、例えば１０°以下の弱いねじれ角の歯車をねじれの無い歯車加工用転造工具で加工することができるため、歯車加工用転造工具の製造コストを低く抑えることが可能である。また、ねじれ角の異なる歯車を同一の歯車加工用転造工具で製作することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態である転造工具１０の平面図である。

【図2】本発明の第１実施形態である転造工具１０の底面図である。

【図3】図１のＸ－Ｘ切断線における断面図である。

【図4】図３の部分拡大図である。

【図5】図４のＡ－Ａ線断面図である。

【図6】図４のＢ－Ｂ線断面図である。

【図7】転造工具１０による転造加工形態である。

【図8】本発明の第２実施形態である転造工具２０の平面図である。

【図9】本発明の第２実施形態である転造工具２０の底面図である。

【図10】図８のＹ－Ｙ切断線における断面図である。

【図11】図８の部分拡大図である。

【図12】転造工具２０による転造加工形態である。

【図13】本発明の第１実施形態である転造加工方法を示す模式図である。

【図14】本発明の第２実施形態である転造加工方法を示す模式図である。

【図15】実施例の本発明品による転造加工結果である。

【図16】実施例の比較品による転造加工結果である。

【図17】従来の転造加工による歯面の段差部分の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。本発明の歯車加工用転造工具１０（第１実施形態）の平面図を図１、底面図を図２、図１に示すＸ－Ｘ切断線における断面図を図３、図３に示す歯車加工用転造工具１０の歯１１の部分拡大図を図４、図４に示す平行部１２ＢのＡ－Ａ線断面図を図５、第２テーパ部１２ＣのＢ－Ｂ線断面図を図６にそれぞれ示す。

【0021】

歯車加工用転造工具１０は、図１および図２に示す様に回転軸Ｏ１０を中心に複数の歯１１，１１が円環状に配置されている（図１に示す歯車加工用転造工具１０の歯数は１１４）。図３に示す様に、この回転軸Ｏ１０に平行な断面において歯１１の歯先面１２は、回転軸Ｏ１０と平行に形成された平行部１２Ｂと、回転軸Ｏ１０に対して所定の角度で傾斜しているテーパ部１２Ａ，１２Ｃから形成されている。

【0022】

また、歯先面１２における平行部１２Ｂとテーパ部１２Ａ，１２Ｃが歯１２の歯幅方向にわたって連続的に形成されている。つまり、図３に示す様に歯１１の歯先面１２は、平行部１２Ｂと平行部１２の両端側（図３中の上下方向）にテーパ部１２Ａ（第１テーパ部）とテーパ部１２Ｃ（第２テーパ部）が互いに逆向きの勾配を有した状態で別個に形成されている。

【0023】

なお、図４に示すように歯１１の第１テーパ部１２Ａと回転軸Ｏ１０（図中では回転軸Ｏ１０と平行な直線Ｌ１０を表示）の成す角度θ１は、１°以上２０°以下の範囲であることが望ましい。また、同図に示す歯１１の第２テーパ部１２Ｃと回転軸Ｏ１０（直線Ｌ１０）の成す角度θ１１は、前述の角度θ１よりも大きくすることが望ましい。

【0024】

第１実施形態の歯車加工用転造工具１０を用いた転造加工による被加工材Ｗ１０の加工形態を図７に示す。図１などに示す歯車加工用転造工具１０による転造加工は、歯車加工用転造工具１０の歯１１が被加工材Ｗ１０に対して歯溝の幅方向（図４の左右方向）は変化せずに、歯溝の深さ方向（図７の上下方向）に向けて段階的に転造加工が進む。

【0025】

次に、本発明の歯車加工用転造工具２０（第２実施形態）の平面図を図８、底面図を図９、図８に示すＹ－Ｙ切断線における断面図を図１０、図１０に示す歯車加工用転造工具２０の歯２１の部分拡大図を図１１にそれぞれ示す。歯車加工用転造工具２０は、第１実施形態の歯車加工用転造工具１０と同様に図８および図９に示す様に回転軸Ｏ２０を中心に複数の歯２１，２１が円環状に配置されている（図８に示す歯車加工用転造工具２０の歯数は１１４）。

【0026】

回転軸Ｏ２０に平行な断面において、歯２１の歯先面２２は図１０に示す様に回転軸Ｏ２０と平行に形成された平行部２２Ｂと、回転軸Ｏ２０に対して所定の角度で傾斜しているテーパ部２２Ａ，２２Ｃが別個に形成されている。歯車加工用転造工具２０（第２実施形態）は、歯２１の形態が歯幅方向に向けて傾斜した歯面を有している点で第１実施形態の歯車加工用転造工具１０とは異なっている。

【0027】

また、歯先面２２における平行部２２Ｂとテーパ部２２Ａ，２２Ｃが歯２２の歯幅方向にわたって連続的に形成されている。つまり、図１０に示す様に歯２１の歯先面２２は、平行部２２Ｂと平行部２２の両端側（図１０中の上下方向）にテーパ部２２Ａ（第１テーパ部）とテーパ部２２Ｃ（第２テーパ部）が互いに逆向きの勾配を有した状態で別個に形成されている。

【0028】

なお、図１１に示すように歯２１の第１テーパ部２２Ａと回転軸Ｏ２０（図中では回転軸Ｏ２０と平行な直線Ｌ２０を表示）の成す角度θ２は、１°以上２０°以下の範囲であることが望ましい。また、同図に示す歯２１の第２テーパ部２２Ｃと回転軸Ｏ２０（直線Ｌ２０）の成す角度θ２２は、前述の角度θ２よりも大きくすることが望ましい。

【0029】

第２実施形態の歯車加工用転造工具２０を用いた転造加工による被加工材Ｗ２０の加工形態を図１２に示す。図８などに示す歯車加工用転造工具２０を用いた転造加工は、図１２に示す様に歯車加工用転造工具２０の歯２１が被加工材Ｗ２０に対して歯溝の幅方向（図１２の左右方向）および歯溝の深さ方向（図１２の上下方向）の両方向に向けて段階的に転造加工が進む。

【0030】

次に、本発明の転造工具を用いて内歯車を転造加工する場合の加工形態について図面を用いて説明する。転造工具の回転軸と被加工材の回転軸が同軸の状態による転造加工形態（第１実施形態）の模式図を図１３、転造工具の回転軸と被加工材の回転軸が交差した状態による転造加工形態（第２実施形態）の模式図を図１４に示す。

【0031】

本発明の転造加工方法の第１実施形態としては、転造工具３０が回転軸Ｏ３０を中心にして回転しながら被加工材Ｗ３０の内周側に内歯車を加工する場合に、被加工材Ｗ３０もその回転軸Ｏ３１を中心に転造工具３０と同期しながら回転した状態で、転造工具３０を被加工材Ｗ３０の下方側から上方側に向けて（図面の上下方向）被加工材Ｗ３０の回転軸Ｏ３１に沿って移動させることで転造加工を行なう。その場合、転造工具３０の回転軸Ｏ３０と被加工材Ｗ３０の回転軸Ｏ３１は、図１３に示す様に平行な状態である。ここで、回転の同期とは転造工具と被加工材との回転数の比がそれらの歯数の比の逆数であり、転造工具と被加工材が接触する点において歯車がかみ合っている状態を示す。

【0032】

次に、本発明の転造加工方法の第２実施形態としては、転造工具４０が回転軸Ｏ４０を中心にして回転しながら被加工材Ｗ４０の内周側に内歯車を加工する場合に、被加工材Ｗ４０もその回転軸Ｏ４１を中心に転造工具３０と同期しながら回転した状態で、転造工具４０を被加工材Ｗ４０の下方側から上方側に向けて（図面の上下方向）被加工材Ｗ４０の回転軸Ｏ４１に沿って移動させることで転造加工を行なう。その場合、転造工具４０の回転軸Ｏ４０と被加工材Ｗ４０の回転軸Ｏ４１は、図１４に示す様に平行な状態ではなく、所定の角度を有したねじれの状態である。

【0033】

なお、前述した本発明の転造加工方法の第１および第２実施形態に用いる転造工具３０，４０は、図１等に示す第１実施形態の歯車加工用転造工具１０や図８等に示す第２実施形態の歯車加工用転造工具２０のいずれの形態の転造工具を用いても構わない。

【0034】

また、図１３および図１４に示した本発明の転造加工方法における第１および第２実施形態では、転造工具３０，４０を被加工材Ｗ３０，Ｗ４０の回転軸Ｏ３１，Ｏ４１に沿って移動する転造加工の形態を示しているが、転造工具３０，４０を移動させないで（固定した状態で）被加工材Ｗ３０，Ｗ４０を被加工材Ｗ３０，Ｗ４０の回転軸Ｏ３１，Ｏ４１に沿って移動させる転造加工の形態でも良い。

【0035】

もしくは、転造工具３０，４０および被加工材Ｗ３０，Ｗ４０の双方を被加工材Ｗ３０，Ｗ４０の回転軸Ｏ３１，Ｏ４１に沿って移動させる転造加工の形態でも良い。すなわち、転造工具と被加工材の相対的な位置関係が変化する加工形態であれば、いずれの転造加工の形態であっても構わない。

【0036】

次に、本発明の歯車加工用転造工具および従来の転造工具をそれぞれ用いて、被加工材の内周面に歯車の転造加工を行い（歯車の転造加工試験）、当該歯車の歯面形状を測定した。その試験結果等について図面を用いて説明する。なお、本発明の歯車加工用転造工具による歯車の転造加工事例を実施例、従来の転造工具による転造加工事例を比較例とする。

【0037】

（実施例）
まず、本発明の歯車加工用転造工具を用いた歯車の転造加工試験を行った。本試験に使用した歯車加工用転造工具の諸元，被加工材（歯車）の諸元および転造加工時の加工条件を以下に示す。

【0038】

本試験では、被加工材の内周面に本発明の歯車加工用転造工具（図１ないし図６に示す工具形態とする）を用いて転造加工により歯車を製作する試験であり、その際に歯車加工用転造工具を被加工材の軸方向（アキシャル方向）のみに移動させる（図１３に示す移動形態とする）ことで転造加工を行った。本試験において、本発明の歯車加工用転造工具を用いた被加工材（歯車）の歯面形状を測定したので、その測定結果（グラフ）を図１５に示す。

【0039】

・歯車の材質：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）
・転造加工速度：２０ｍ／分
・転造工具の移動方向：歯車の軸方向（アキシャル方向）
・転造工具の送り速度：０．０２３ｍｍ／ｒｅｖ
・転造加工形態：１パス加工

【0040】

（比較例）
次に、前述の実施例と同じ諸元の歯車を従来の転造工具を用いた歯車の転造加工試験を行った。本試験に使用した歯車の諸元および転造加工時の加工条件は前述の実施例と同一条件とした。本試験で使用した転造工具と実施例で使用した歯車加工用転造工具の相違は、歯車加工用転造工具の歯の断面形状の相違による。すなわち、従来の転造工具の歯は、歯の第２テーパ部における頂面の角部に回転軸に垂直な方向の断面視において丸め加工が施されていない形状とする。

【0041】

本試験も実施例の場合と同様に、被加工材の内周面に従来の転造工具を用いて転造加工により歯車を製作する試験であり、その際に転造工具を被加工材の径方向（ラジアル方向）のみに移動させることで転造加工を行った。前述の実施例の場合と同様に本試験後の当該歯車の歯面形状の測定結果（グラフ）を図１６に示す。

【0042】

以上の実施例および比較例の各試験結果から、本発明の歯車加工用転造工具を用いて歯車の転造加工を行うと、従来の転造工具を用いた転造加工に比べて、歯車の歯面形状に段差は確認されなかった。

【符号の説明】

【0043】

１０～４０，１００ 歯車加工用転造工具
２００ 転造工具
１１，２１ 歯
１２，２２ 歯先面
１２Ａ，２２Ａ 第１テーパ部
１２Ｂ，２２Ｂ 平行部
１２Ｃ，２２Ｃ 第２テーパ部
Ｌ１０，Ｌ２０ 歯車加工用転造工具の回転軸と平行な仮想軸
Ｏ１０～Ｏ４０ （歯車加工用転造工具の）回転軸
Ｏ３１，Ｏ４１ （被加工材の）回転軸
Ｗ１０～Ｗ４０ 被加工材
Ｗ１００，Ｗ２００ 被加工材
θ１，θ２ 第１テーパ部と歯車加工用転造工具の回転軸の成す角度
θ１１，θ１２ 第２テーパ部と歯車加工用転造工具の回転軸の成す角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】