JP6100547B2

JP6100547B2 - ギヤ

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Publication number: JP6100547B2
Application number: JP2013022100A
Authority: JP
Inventors: 野田　優; 優野田; 昇田安; 善之戸松
Original assignee: Shiroki Corp
Current assignee: Shiroki Corp
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: JP2014151336A

Description

本発明は、プレス加工によって形成されるギヤに関する。

金属製の板材（ワーク）から形成される加工部品が多くの分野で使用されており、その加工方法も様々なものが知られている。部品の外形形状の形成、穴開け、板材からの部品の分離といった工程で用いられる代表的な加工方法として、プレス加工の一種である剪断打ち抜き加工がある。剪断打ち抜き加工は、板材に対してパンチとダイで挟圧して破壊限以上の外力を加え、パンチとダイのエッジ部分により板材を剪断させるものである。この剪断時に、部品の切断面ではダレやバリ（カエリ）が発生する。ダレは、パンチとダイのそれぞれのエッジ部分が板材に対して食い込む際に引っ張り込まれて形成される変形部分であり、ダレによって板材本来の肉厚よりも切断面の肉厚の方が小さくなる。しかし、切断面部分を噛合用の歯部として用いるギヤでは、歯部の薄肉化による噛合不良や強度低下を防ぐことが求められる。切削加工や研磨加工のような機械加工では、プレス加工のようなダレによる肉厚の減少を避けることができるが、製造コストが高くなりがちである。

特開２０１１-４５９００号公報

本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、プレス加工によって低コストに製造可能で、歯部の噛合精度や強度に優れるギヤを提供することを目的とする。

本発明は、金属板からなる被加工材に対する剪断打ち抜きによって噛合用の歯部の周縁形状が形成されるギヤにおいて、歯部の歯底と歯先の間のギヤ表面上に、被加工材の初期状態よりも肉厚を小さくさせる凹部を有し、凹部から歯先側に該凹部の形成箇所よりも肉厚が大きい肉戻し部を有することを特徴としている。

凹部は、ギヤ表面上に形成されて歯部の歯底側から歯先側に進むにつれて凹部を深くする方向に傾斜する第１の面と、第１の面に連続して形成されて歯部の歯底側から歯先側に進むにつれて凹部を浅くする方向に傾斜する第２の面によって構成される。

本発明によれば、プレス加工によって低コストに製造可能でありながら、歯部の噛合精度や強度に優れるギヤを得ることができる。

本発明を適用したセクターギヤの平面図である。図１のセクターギヤを形成する剪断打ち抜き加工の工程を示す平面図である。図２の断面線Ａに沿う、第１工程における加工装置と被加工材の一部を示す断面図である。図２の断面線Ｂに沿う、第２工程における加工装置と被加工材の一部を示す断面図である。図２の断面線Ｃに沿う、第３工程における加工装置と被加工材の一部を示す断面図である。図１の断面線Ｄに沿うセクターギヤのギヤ歯の断面図である。

図１に示すセクターギヤ１０を加工対象とした実施形態に基づいて本発明を説明する。セクターギヤ１０は、円形穴１１を中心とする扇状をなすギヤ板部１２の外縁部に複数の凹凸からなるギヤ歯１３を有し、円形穴１１とギヤ板部１２の間に長穴１４を有する。セクターギヤ１０はさらに、円形穴１１を中心とする径方向においてギヤ板部１２よりも外径方向に突出する腕部１５を有し、腕部１５の先端付近に円形穴１６が形成されている。セクターギヤ１０は、自動車のシートの高さ位置を変化させるリフタ機構の構成要素であるが、リフタ機構の詳細は本発明と関係がないため説明を省略する。

セクターギヤ１０の製造工程の一部を図２に概念的に示す。セクターギヤ１０は、金属製の板材からなる被加工材２０に対して、順送プレス装置を用いて剪断打ち抜き加工を行うことにより形成される。順送プレス装置では被加工材２０が図２の矢印Ｆ方向に順送されて、第１工程Ｓ１、第２工程Ｓ２、第３工程Ｓ３を経てセクターギヤ１０が形成される。第１工程Ｓ１では、被加工材２０に対して、セクターギヤ１０におけるギヤ歯１３の原型部分となる下穴２１が形成される。第２工程Ｓ２では、被加工材２０の下穴２１に対するシェービング加工が行われ、第３工程Ｓ３でセクターギヤ１０の外形が打ち抜かれる。本実施形態の加工装置では同時に２つのセクターギヤ１０が形成されるが、本発明はこれに限られるものではなく、セクターギヤ１０を１つずつ形成する場合や、３つ以上のセクターギヤ１０を同時に形成する場合にも適用が可能である。以下、図３から図５を参照して各工程の詳細を説明する。以下の説明では、図３から図５における上側を上方、下側を下方と定義する。

図３に示すように、第１工程Ｓ１では、下穴用ダイ３０、ホルダ３１、下穴用パンチ（仮抜きパンチ）３２、パンチ受け３３を用いて下穴２１の打ち抜き（穴あけ）加工が行われる。下穴用ダイ３０には、下穴２１の形状に対応する断面形状の凹部３０ａが形成され、下穴用パンチ３２の下端部には凹部３０ａに対応する断面形状の凸部３２ａが形成されている。ホルダ３１には下穴用パンチ３２を上下方向にスライド可能に挿入させるガイド穴３１ａが形成され、パンチ受け３３は下穴用ダイ３０の凹部３０ａ内に上下方向にスライド可能に支持されている。下穴用ダイ３０とホルダ３１には互いに対向する挟持面３０ｂと挟持面３１ｂが形成され、下穴用パンチ３２とパンチ受け３３には互いに対向する挟持面３２ｂと挟持面３３ａが形成されている。各挟持面３０ｂ、３１ｂ、３２ｂ及び３３ａはいずれも水平方向の平面である。下穴用ダイ３０にはさらに、凹部３０ａと挟持面３０ｂの境界部分に傾斜面部３０ｃが形成されている。傾斜面部３０ｃは、凹部３０ａに接近するにつれて徐々に下側に向かう傾斜形状を有している。下穴用パンチ３２は、凸部３２ａの下端における挟持面３２ｂの周縁部分にエッジ部Ｖ１を有する。下穴用ダイ３０は、凹部３０ａと傾斜面部３０ｃの境界部分にエッジ部Ｖ２を有する。

下穴用ダイ３０は下金型としてプレス装置内に固定される。ホルダ３１はスプリングなどの付勢部材（不図示）によって下方に付勢されており、挟持面３０ｂと挟持面３１ｂの間に被加工材２０を挟んで固定させる。下穴用パンチ３２は上金型として、プレス装置内で上下方向に移動可能なスライダ（不図示）に取り付けられ、スライダに伴って上下方向に移動する。パンチ受け３３はスプリングなどの付勢部材によって上方に付勢されており、挟持面３３ａが下側から被加工材２０に当接する。

第１工程Ｓ１では、下穴用ダイ３０の挟持面３０ｂ上に支持した被加工材２０をホルダ３１の挟持面３１ｂで挟んで固定した状態で、下穴用パンチ３２が取り付けられたスライダを下方に移動させる。すると、下穴用パンチ３２のエッジ部Ｖ１と下穴用ダイ３０のエッジ部Ｖ２によって被加工材２０が挟圧され、エッジ部Ｖ１が被加工材２０の上面側に食い込み、エッジ部Ｖ２が被加工材２０の下面側に食い込む。この食い込み時に被加工材２０の一部が引き込まれて変形し、エッジ部Ｖ１が食い込む上面側にダレＲ１が発生し、エッジ部Ｖ２が食い込む下面側にダレＲ２が発生する。下穴用パンチ３２の下降を継続して凸部３２ａ（エッジ部Ｖ１）と凹部３０ａ（エッジ部Ｖ２）による剪断荷重が増加すると、被加工材２０のうちダレＲ１が形成されるブランク部分２０ａと、ダレＲ２が形成される打ち抜き部分２０ｂとの境界部分に剪断面が形成され、クラックが発生する。下穴用パンチ３２がさらに下降して、凸部３２ａがブランク部分２０ａ側のクラックを貫通し、凹部３０ａが打ち抜き部分２０ｂ側のクラックを貫通すると、剪断面に続いて破断面が形成され、打ち抜き部分２０ｂが打ち抜かれてブランク部分２０ａから分離する。ブランク部分２０ａ側の剪断面と破断面が１次切断面Ｋ１として下穴２１を形成する。パンチ受け３３は、下穴用パンチ３２の下降動作に追従して、下穴用パンチ３２の挟持面３２ｂとの間に打ち抜き部分２０ｂを挟持しながら下方へ押圧移動される。打ち抜き部分２０ｂを打ち抜いて下穴２１の形成が完了したら、プレス装置のスライドを上昇させて下穴用パンチ３２を引き上げ、下穴用ダイ３０の凹部３０ａ及び被加工材２０のブランク部分２０ａ（下穴２１）から凸部３２ａを引き抜く。

以上の第１工程Ｓ１では、被加工材２０のブランク部分２０ａにおいて、ダレＲ１が形成される上面側と反対側の下面側に、下穴用ダイ３０における傾斜面部３０ｃの形状に沿う下方への逃し突出部Ｔ１が形成される。図３におけるブランク部分２０ａと打ち抜き部分２０ｂの切断面部分の比較から分かるように、ブランク部分２０ａでは、逃し突出部Ｔ１を形成することによって、ダレＲ１の形成に伴う圧縮で肉厚が小さくならずに下穴２１に臨む縁部まで概ね肉厚が均一に保たれている。つまり、被加工材２０のブランク部分２０ａで下穴２１に臨む縁部を、下穴用パンチ３２の進行方向に向けて曲げられる曲げ縁部として形成する型構成になっており、この曲げ縁部の形成によって、ブランク部分２０ａの１次切断面Ｋ１（下穴２１）における肉厚の減少を防いでいる。逃し突出部Ｔ１は、被加工材２０にダレＲ１を発生させる剪断時の挟圧力を用いて、ダレＲ１の裏面側に突出して薄肉化を防ぐ逃げ形状部として形成されるものであり、剪断打ち抜き加工でダレの反対側に形成される不定形のバリとは異なる。

図４に示すように、第２工程Ｓ２では、下ホルダ４０、上ホルダ４１、切削型４２を用いて、下穴２１を形成する１次切断面Ｋ１に対するシェービング加工（潰し上げ加工）が行われる。下ホルダ４０は下穴用ダイ３０に似た断面形状を有しており、上下方向に向くガイド穴４０ａと、上方を向く挟持面４０ｂと、挟持面４０ｂからガイド穴４０ａに続く境界部分に位置し被加工材２０の逃し突出部Ｔ１に沿う形状の傾斜面部４０ｃを有している。上ホルダ４１は下ホルダ４０の挟持面４０ｂに対向する挟持面４１ａを有する。挟持面４０ｂと挟持面４１ａは、互いに平行な水平方向の平面である。下ホルダ４０の挟持面４０ｂと上ホルダ４１の挟持面４１ａによって被加工材２０のブランク部分２０ａを挟持した状態で、被加工材２０の逃し突出部Ｔ１が傾斜面部４０ｃ上に支持される。

切削型４２は下ホルダ４０のガイド穴４０ａ内に上下方向にスライド可能に支持されており、切削型４２の上端部には下穴２１に対応する断面形状の凸部４２ａが形成され、凸部４２ａの上端における上端面４２ｂの周縁部分にエッジ部Ｖ３を有する。切削型４２の凸部４２ａは、第１工程Ｓ１で形成された下穴２１よりもわずかに大きい断面形状に設定されており、ガイド穴４０ａ内で切削型４２を上方にスライドさせると、エッジ部Ｖ３が被加工材２０の下面側の下穴２１の周縁部分、すなわち曲げ縁部を構成する逃し突出部Ｔ１に当接する。

下ホルダ４０はプレス装置内に固定され、上ホルダ４１はスプリングなどの付勢部材（不図示）によって下方に付勢されており、挟持面４０ｂと挟持面４１ａの間に被加工材２０を挟んで固定させる。切削型４２は、プレス装置内で上下方向に移動可能なスライダ（不図示）に取り付けられ、スライダに伴って上下方向に移動する。

第２工程Ｓ２では、下ホルダ４０と上ホルダ４１によって被加工材２０のブランク部分２０ａを挟持した状態で、切削型４２が取り付けられたスライダを上方に移動させる。すると、第１工程Ｓ１で形成された下穴２１の１次切断面Ｋ１を切削型４２のエッジ部Ｖ３が薄く切削し、切削領域の上方に、下穴２１の内周側に突出する切削余肉部Ｐ１が形成される。また、この切削加工に際して、下穴２１周縁の曲げ縁部に対して上方への押し上げ力（切削型４２と上ホルダ４１の間での押し潰し力）が作用し、被加工材２０の上面側では上方へ向けて押圧されることでダレＲ１の量が小さくなる。一方、被加工材２０の下面側では、切削型４２のエッジ部Ｖ３が食い込んで上方に押し上げる力が作用するが、エッジ部Ｖ３が食い込む箇所には下方へ突出する逃し突出部Ｔ１が予め形成されているため、切削型４２による押し上げ力は逃し突出部Ｔ１の下方への突出量を小さくさせる力として作用し、被加工材２０の下面側にはダレが生じない。その結果、被加工材２０の下穴２１に臨む曲げ縁部が、第１工程Ｓ１の打ち抜き加工を行う前の初期状態に近い断面形状に復元される。

図４に示すように、凸部４２ａの上端面４２ｂが上ホルダ４１の挟持面４１ａに当接するよりも手前の半抜き位置で、切削型４２の上方への移動が停止される。半抜き位置まで達したら、プレス装置のスライドを下降させて切削型４２を引き下げ、凸部４２ａを下穴２１から引き抜く。

図５に示すように、第３工程Ｓ３では、外形用ダイ５０、ホルダ５１、外形用パンチ５２、パンチ受け５３を用いてセクターギヤ１０の外形抜き加工が行われる。外形用ダイ５０には、セクターギヤ１０の外形形状に対応する断面形状の凹部５０ａが形成され、外形用パンチ５２の下端部には凹部５０ａに対応する断面形状の凸部５２ａが形成されている。ホルダ５１には外形用パンチ５２を上下方向にスライド可能に挿入させるガイド穴５１ａが形成され、パンチ受け５３は凹部５０ａ内に上下方向にスライド可能に支持されている。外形用ダイ５０とホルダ５１には互いに対向する挟持面５０ｂと挟持面５１ｂが形成され、外形用パンチ５２とパンチ受け５３には互いに対向する挟持面５２ｂと挟持面５３ａが形成されている。各挟持面５０ｂ、５１ｂ、５２ｂ及び５３ａはいずれも水平方向の平面である。外形用パンチ５２は、凸部５２ａの下端における挟持面５２ｂの周縁部分にエッジ部Ｖ４を有する。外形用ダイ５０は、凹部５０ａと挟持面５０ｂの境界部分にエッジ部Ｖ５を有する。

外形用ダイ５０は下金型としてプレス装置内に固定される。ホルダ５１はスプリングなどの付勢部材（不図示）によって下方に付勢されており、挟持面５０ｂと挟持面５１ｂの間に被加工材２０のブランク部分２０ａを挟んで固定させる。図５の断面位置では、ブランク部分２０ａは下穴２１の周縁の一部のみが示されているが、実際にはセクターギヤ１０として打ち抜かれる打ち抜き部分２０ｃ以外の広い領域が外形用ダイ５０とホルダ５１に挟持される。外形用パンチ５２は上金型として、プレス装置で上下方向に移動可能なスライダ（不図示）に取り付けられ、スライダに伴って上下方向に移動する。パンチ受け５３はスプリングなどの付勢部材によって上方に付勢されており、挟持面５３ａが被加工材２０に当接する。

第３工程Ｓ３では、外形用ダイ５０の挟持面５０ｂ上に支持した被加工材２０をホルダ５１の挟持面５１ｂで挟んで固定した状態で、外形用パンチ５２が取り付けられたスライダを下方に移動させる。すると、外形用パンチ５２のエッジ部Ｖ４と外形用ダイ５０のエッジ部Ｖ５によって被加工材２０が挟圧されて剪断荷重が作用し、外形用パンチ５２がさらに下降してエッジ部Ｖ４がエッジ部Ｖ５との対向位置を通過すると、被加工材２０において、外形用ダイ５０とホルダ５１に挟持されたブランク部分２０ａから、外形用パンチ５２とパンチ受け５３に挟持された打ち抜き部分２０ｃが２次切断面Ｋ２に沿って打ち抜かれて分離する（図５）。この分離された打ち抜き部分２０ｃがセクターギヤ１０になる。図５に示すように、第３工程Ｓ３では、切削余肉部Ｐ１や１次切断面Ｋ１を含む下穴２１付近の薄肉部分がブランク部分２０ａ側に残り、打ち抜き部分２０ｃの周縁部である２次切断面Ｋ２によってギヤ歯１３の外形が形成される。第１工程Ｓ１における下穴２１の形成と異なり、第３工程Ｓ３におけるギヤ歯１３の形成は、下穴２１（１次切断面Ｋ１）と２次切断面Ｋ２の間の薄肉部分を打ち抜く態様で行われるため、打ち抜き部分２０ｃで２次切断面Ｋ２に臨む周縁部分には、第１工程Ｓ１でのダレＲ１のような大きな変形は生じない。

図２に示すように、第１工程Ｓ１と第２工程Ｓ２で形成される下穴２１には、セクターギヤ１０におけるギヤ歯１３の原型部分が対称の位置関係で２つ分含まれており、第３工程Ｓ３では１つの下穴２１を挟んで２つのセクターギヤ１０が同時に打ち抜き形成される。各セクターギヤ１０の外形打ち抜きが完了したら、プレス装置のスライドを上昇させて外形用パンチ５２を引き上げ、外形用ダイ５０の凹部５０ａ及び被加工材２０のブランク部分２０ａから凸部５２ａを引き抜く。

各セクターギヤ１０における円形穴１１、長穴１４、円形穴１６は、順送プレス装置における所定の工程で形成される。その形成のタイミングは任意に設定可能であり、第３工程Ｓ３におけるセクターギヤ１０の外形打ち抜きの前に形成してもよいし、外形打ち抜きの後に形成してもよい。

以上の各工程を経て形成されたセクターギヤ１０におけるギヤ歯１３の断面形状を図６に示す。ギヤ歯１３の表面（第１工程Ｓ１から第３工程Ｓ３における被加工材２０の上面側）は、加工前の形状を維持する平面部Ｍ１に続いて、歯底側から歯先側に向けて順に（歯底と歯先の定義については図１を参照）、第１の面Ｎ１、第２の面Ｎ２、第３の面Ｎ３を有する。第１の面Ｎ１は、ギヤ歯１３の歯底側から歯先側に向かうにつれて下側に傾斜する面である。第２の面Ｎ２は、第１の面Ｎ１に連続して形成され、ギヤ歯１３の歯底側から歯先側に向かうにつれて上側に傾斜する面である。第３の面Ｎ３は、第２の面Ｎ２に連続して形成され、ギヤ歯１３の歯底側から歯先側に向かうにつれて下側に傾斜する面である。第１の面Ｎ１と第２の面Ｎ２によって、平面部Ｍ１の形成箇所よりもギヤ歯１３を薄肉にさせる凹部Ｇ１が形成され、第２の面Ｎ２と第３の面Ｎ３の間に、平面部Ｍ１と略同じ高さ位置の凸部Ｇ２が形成される。一方、ギヤ歯１３の裏面（第１工程Ｓ１から第３工程Ｓ３における被加工材２０の下面側）は、平面部Ｍ１と略平行な平面部Ｍ２になっている。

先に説明した第１工程Ｓ１で、被加工材２０の表面（上面）側にダレＲ１を形成すると共に裏面（下面）側に逃し突出部Ｔ１を形成して、ギヤ歯１３の歯先部分の原型になる下穴２１の周縁部を下方への曲げ縁部とする。この曲げ縁部におけるダレＲ１は、図６における第１の面Ｎ１から二点鎖線Ｕ１にかけての領域として形成される。続く第２工程Ｓ２で、図６に二点鎖線Ｕ２で示すように曲げ縁部が上方に押し戻されて（潰し上げられて）切削余肉部Ｐ１が形成される。この段階で第２の面Ｎ２が形成される。第３工程Ｓ３での打ち抜き加工によって、第２の面Ｎ２よりも歯先側がさらに上方に押し上げられて凸部Ｇ２や第３の面Ｎ３が形成され、図６に実線で示す断面を有するギヤ歯１３となる。完成状態のギヤ歯１３は、凸部Ｇ２を有することで加工前の被加工材２０と同程度の肉厚が歯先部分に確保されており、セクターギヤ１０の噛合対象となるギヤに対する噛合率が高く（噛合量が大きく）、強度に優れた構造になっている。また、凸部Ｇ２よりも歯底側に凹部Ｇ１を有した形状にすることで、プレス加工によってギヤ歯１３を形成することが可能となっており、セクターギヤ１０の製造コストを抑えることができる。

以上のように、被加工材２０に下穴２１（１次切断面Ｋ１）を形成するときにパンチ３２の進行方向に向けて曲げられる曲げ縁部を形成し、次に切削型４２による切削加工で被加工材２０の曲げ縁部を復元させる方向に押圧し、最後に１次切断面Ｋ１に沿う２次切断面Ｋ２によって被加工材２０から打ち抜き部分２０ｃを打ち抜くことで、被加工材２０から形成されるセクターギヤ１０の切断面部分の肉厚の減少を軽減できる。加工装置としては、１次切断面Ｋ１を形成する際に用いる下穴用ダイ３０に傾斜面部３０ｃを形成し、該傾斜面部３０ｃによって形成される逃し突出部Ｔ１に対応した形状の傾斜面部４０ｃを下ホルダ４０に形成するという簡単な構成で実現可能であり、加工装置のコスト的側面においても優れた効果が得られる。

以上、図示実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は図示した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない限りにおいて改良や改変が可能である。例えば、本発明は、図示実施形態のセクターギヤ１０のようなギヤに好適であるが、セクターギヤ以外の形態のギヤとしても適用することができる。

また、各加工工程における金型の具体的構成を、図示実施形態と異ならせることもできる。例えば、第１工程Ｓ１におけるパンチ受け３３や第２工程Ｓ３におけるパンチ受け５３を省略した型構成にすることも可能である。

１０セクターギヤ
１１１６円形穴
１２ギヤ板部
１３ギヤ歯
１４長穴
１５腕部
２０被加工材
２０ａブランク部分
２０ｂ打ち抜き部分
２１下穴
３０下穴用ダイ
３０ａ凹部
３０ｂ挟持面
３０ｃ傾斜面部
３１ホルダ
３１ａガイド穴
３１ｂ挟持面
３２下穴用パンチ（仮抜きパンチ）
３２ａ凸部
３２ｂ挟持面
３３パンチ受け
３３ａ挟持面
４０下ホルダ
４０ａガイド穴
４０ｂ挟持面
４０ｃ傾斜面部
４１上ホルダ
４１ａ挟持面
４２切削型
４２ａ凸部
５０ダイ
５０ａ凹部
５０ｂ挟持面
５１ホルダ
５１ａガイド穴
５１ｂ挟持面
５２パンチ
５２ａ凸部
５２ｂ挟持面
５３パンチ受け
５３ａ挟持面
Ｇ１凹部
Ｇ２凸部
Ｋ１１次切断面
Ｋ２２次切断面
Ｐ１切削余肉部
Ｓ１第１工程
Ｓ２第２工程
Ｓ３第３工程
Ｔ１逃し突出部
Ｖ１Ｖ２Ｖ３Ｖ４Ｖ５エッジ部

Claims

金属板からなる被加工材に対する剪断打ち抜きによって噛合用の歯部の周縁形状が形成されるギヤにおいて、
上記歯部の歯底と歯先の間のギヤ表面上に、上記被加工材の初期状態よりも肉厚を小さくさせる凹部を有すること；及び
上記凹部から歯先側に該凹部の形成箇所よりも肉厚が大きい肉戻し部を有すること；
を特徴とするギヤ。
請求項１記載のギヤにおいて、上記凹部は、
上記ギヤ表面上に形成され、上記歯部の歯底側から歯先側に進むにつれて上記凹部を深くする方向に傾斜する第１の面と；
上記第１の面に連続して形成され、上記歯部の歯底側から歯先側に進むにつれて上記凹部を浅くする方向に傾斜する第２の面と；
によって形成されるギヤ。