JP4614647B2 - 鉄ベースの焼結成形品へのアンダーカット形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬質な内歯と、歯面領域内のアンダーカットと、歯切りかみ合い部領域内の機能的切欠部とを備えた、鉄をベースとするリング状の、硬化した焼結成形品を製造する方法に関する。この製造には、粉末プレス成形、焼結、アンダーカットの機械的な作成及び成形品材料の硬化が含まれる。

この種の成形品は、変速装置、例えば自動車の手動変速装置のスライドスリーブとして使用される。

今日迄、シフトスリーブ又はスライドスリーブは、市場において専ら溶融冶金法によって製造された鋼製円形プレス素材から切削加工により仕上げられている。中空形の成形品の内部に、例えばリングの内側にかみ合い部が存在する内歯車の切削仕上げ加工は特にコストがかかる。内部加工のコストに対し、アンダーカットの作成は重要な要素である。平面のアンダーカットとは平面が切り欠かれた形状であり、この形状は、リング状の構成部材の場合、リングの軸に対し軸線平行に工具で切り込むことでワークピースに作成できるのではなく、リングの軸位置から半径方向へ外側に向かってワークピース内へ工具が切り込むことが必要となる。

リング状材料部材中のアンダーカット、例えば自動車変速装置中のスライドスリーブ中のアンダーカットは、従って、コスト上の理由から平フライス削りにより僅かな部分は仕上げられるが、大部分は可塑性の材料を押しつけながら回転させることで仕上げられる。この際、異なる程度で規則的に不所望な形状の変形、かみ合い部領域でのバリ又は隆起部が生じ、これらは引き続き適当な作業工程、除去工程で除去せねばならない。

バリと隆起部の形成を回避し、それにより除去のための作業工程を回避すべく、特許文献１は、アンダーカットの研削や通常の平フライス削りに代えて、前記明細書に詳細に記載されたサイクロイドフライス削り又は内転サイクロイドフライス削りを適用することを提案する。前記明細書に記載のフライス削り工程は、特別な軸形フライス又は指形フライスをワークピースに所定の循環軌道で送り、これにより所定寸法のワークピースをバリの形成なしで、かつ同時に高い経済性で得ることを特徴とする。
特許文献１に開示された内転サイクロイドフライス削りに関し、図１〜４（この図は特許文献１の図１〜４でもある）を用いて、その概要を特許文献１の記載を抜粋して以下に述べる。
即ち、特許文献１に記載された加工方法においては、「回転駆動可能なフライス削りの刃先が、歯の噛みあわせ部への刃先の食いつきがそれぞれサイクロイド軌道の先端部で生じるように、内歯加工時には内転サイクロイド軌道で、外歯加工時には外転サイクロイド軌道でワークの歯に対して相対的に移動し、このサイクロイドは少なくとも加工される歯の噛合わせ部に沈み込むサイクロイド曲線が加工される噛みあわせ部の食いつき角とほぼ一致するように選択され、この切削調整は工具とワークの相対的な回転により行なわれる。」
「さらに、ワークの直線的な内歯ないしは外歯でのアンダーカットを形成するための切削工具に関し、この工具では切刃が工具ヘッドでシングル歯としてヘッドに対して半径方向に突き出すように取り付けられ、この切刃は上から見てアンダーカットの形状あるいはこれと鏡面対称な形状に応じた軸方向に延びる刃先形状を有し、工具ヘッドの軸と切刃の刃先との間隔は、この刃先がワークとの相対回転時に内転サイクロイド軌道あるいは外転サイクロイド軌道を描き、このサイクロイドは少なくとも加工される歯の噛合わせ部に沈み込むサイクロイド曲線が加工される噛みあわせ部の食いつき角とほぼ一致する。」
「図により以下に詳細に説明する。図１は内歯を有する、歯車としてのカップリングリングの正面を抜き出したもので、この歯にアンダーカットがある。図２は図１のII−II断面であり、アンダーカットが加工されている。図３と図４はアンダーカットを形成するための工具の側面図および平面図である。」
「図１と図２に示されたカップリングリングの形のワーク１は部分的に配置された複数の直線的な歯２を有し、これらの歯は歯抜け部３により分離されている。この実施例ではこれらの歯は正面側に屋根状の尖端部4を有している。また、歯２は両側面５，６に、および両正面側の尖端部４に隣接して、アンダーカット７，７'を有しており、これらのアンダーカットはカップリングリング１の中間の面に関して鏡面対称に配置されている。」
「ここでアンダーカット７，７'は任意の形を取りうる。実施例のように台形でもよいし、断面が丸められても、あるいは、内側に向けてより深くなる形状でも良い。」
「このアンダーカット７，７'を形成するために工具8が使用され、この工具はヘッド9を有し、このヘッド９は横から見て直角なリバーシブル切刃として構成された２つの切刃１０を保持している。両切刃１０はこれで加工される鏡面対称なアンダーカット７，７'に対応してヘッド９の周囲にこれに半径方向に突き出るようにヘッド９の軸面に鏡面対称に配置され、この例ではダブルsingle tooth 工具８となっている。切刃１０は平面で見て軸方向に延びる刃先１１を有し、この刃先１１はアンダーカット７，７'の形状ないしはこれに鏡面対称な刃先１１'の形状に対応した形状であり、こうして１つの工具8で歯の左右の側面５と６のアンダーカット７，７'を形成することができる。」
「この工具８が内歯を有するワーク１に相対的に内転サイクロイド軌道１２ないし１２'上を回転する事により、アンダーカット７，７'が歯２の右及び左の側面に形成される。ここで、工具８の内転サイクロイド軌道およびロール半径１３はワーク１の脚部１４の回転円の半径に対して、加工される歯の噛合わせ部に沈み込むサイクロイド曲線が加工される噛みあわせ部の食いつき角とほぼ一致するように選択される。工具８とワーク１のこのような相対運動により、工具８は加工される歯の側面に内転サイクロイド軌道１２ないし１２'の反転部で食い込み、切削する。こうして、場合によっては相応した切削調整と複数回の切削加工により、所望のアンダーカット７，７'が得られる。」
「歯抜け部３に沈み込む切刃１０の幅は、加工と工具8の交換が加工されない対抗面に影響を与えないように選ばれる。」
「内転サイクロイド軌道は反転部で尖っているが、工具８が抜け出せるようでなければならない。反転点の回りが丸まっていると切屑の排出に有利である。」

前記の特許文献１に係る特徴は、例えば変速装置部材におけるかみ合い部領域に対し、最高の寸法精度と機械的材料強度に関する最高の要求がなされる背景からも明らかである。

これとは別に、冒頭に記載した種類の成形品を溶融し、鍛造した円形プレス素材から加工すべく、この種の成形品を粉末冶金的方法で製造することも既に提案されている。焼結技術による一般的なコスト的利点の他に、焼結部材にとって通常の、材料の残留多孔性が付加的な利点となる。

変速装置部材は通常油浴中で動作する。歯面表面領域内の材料の多孔性は貯油部として利用でき、高い接触圧力の下で相互にかみ合う部分に十分な潤滑を保証する。

今日では、複雑なワークピース形状が粉末プレス加工及び焼結を用いて「ネットシェイプ」品質で、引き続き付形する後加工なしで作成可能であるにも係わらず、この粉末プレス加工技術は平面を粉末プレス方向に対しほぼ垂直に作成せねばならない箇所では制限がある。所謂アンダーカットのような平面は、従って仕上げられた焼結体を研削するか又はその他の成形品材料の可塑性変形により付与される。しかし前記の如く規則的に可塑性成形品材料の局所的な圧縮を伴ってしまう。このため部材の予備成形の形で設計的な手段により自由空間を作成し、この中で可塑性材料を部材の機能面に対し害を及ぼさないよう押し込むことができる。焼結成形品はその残留多孔性に基づき、理論的にはその孔容量の充填により圧縮が可能であるという付加的な利点を持つ。この場合、今日迄の個々に前記した各方法の場合及びその記載に反し実際に寸法変化及び隆起部形成が起ってしまう。

このことは、特許文献２と３に挙げられている。冒頭に記載した成形品の作成時、従って高い寸法精度の要求を考慮して、研磨による歯面の後からの除去は避けられない。

研磨により焼結ワークピース中にアンダーカットを作成すると他の欠点を生ずる。材料流動の結果、研削した歯面の表面区域内の孔が閉鎖され、前記した油潤滑と油圧縮の利点は消失してしまう。この仕上げは焼結体の表面にある孔を縮小し又は閉鎖してしまう。

従って、焼結の実施に際し、表面に開口する気孔を貯油部として利用するという変速装置部材の利点は消失してしまう。

この焼結成形品は比較的高い機械強度を与えるため、ガス浸炭により表面硬化可能という利点を持つ。開口する気孔の消失は、特に鉄ベースの焼結成形品を減速装置部材として用いる際、表面多孔性が低下し又は存在しない部材が、焼結プロセスに引き続くガス表面硬化を用いて、有効でかつ均質な表面硬化が困難であるという更に重度の欠点を示す。

前記部材の場合、最高の機械強度が歯面の領域内で要求される。これは、研削時に表面の気孔が閉鎖されることで、後の工程のガス硬化を、均質な多孔構造を有する表面領域よりも十分に行えない領域にしてしまう。特に、閉鎖した気孔に関する程度が異なる故、不均一な硬化に伴い最も望ましくない応力が生じ、部材を変形させる。

研削時の前記難点にも係わらず、当業者には切削加工により焼結成形品にアンダーカットを作成することは使用不可能な方法であった。解決策は他の方向で提案されていた。

例えば特許文献４では、冒頭に記載された種類の焼結成形品を２つの部分リングを別個にフライス削りし、引き続き焼結接合させて仕上げている。成形品を２つの部材に分割することで、アンダーカットを粉末から直接プレス成形できる。この方法の欠点は、２つの部分リングの接合に費用を要することである。
欧州特許出願公開第０５５０８７７号明細書 独国特許出願公開第３８３９８００号明細書 欧州特許出願公開第１０２７１７９号明細書 欧州特許出願公開第０３８９０２４号明細書

従って本発明の課題は、冒頭に述べた種類の内歯を備えた焼結成形品にアンダーカットを有効にかつ経済的に付与する方法を提供することである。鉄をベースとする焼結成形品の場合、焼結後に通常の多孔性は、表面区域の領域内でアンダーカットの作成後も個々の作業工程において、少なくとも歯面の領域内でガス処理による付加的な硬化を保証し、更に変速装置で使用される焼結成形品の場合は、相互に当たるかみ合い部の歯面表面の気孔内に油を貯めることで十分な潤滑を保証できる程度に十分に維持せねばならない。

前記の課題は、鉄をベースとし、歯面領域内のアンダーカットを有する内歯を備え、硬化されたリング状の軸対称の焼結成形品を、粉末プレス、焼結、アンダーカットの機械的作成及び硬化の工程によって製造する方法であって、未硬化焼結成形品の気泡が開口した表面を有するアンダーカットを、フライス工具を用いてフライス軸を内転サイクロイド軌道上で動かしながらこの軌道の尖端部で工具先端を当接し、同時に焼結成形部がその回転軸の周りを回転して機械的に成形し、その際に、前記表面の多孔性が保たれる方法を用いて解決される。

本発明の基本的な特徴は、前記のように、フライス工具を用いてフライス軸を内転サイクロイド軌道上で動かしながら焼結成形品にアンダーカットを仕上げることであり、この課題に関し、標準的フライス工具の適用時、例えば平フライス削りを用いた場合には考えられない結果が得られた。

フライス削りには、全く一般的に工具とワークピースとの間の相対運動と同時にフライスの回転運動が切り屑を生じさせ、これが切削区域中で、並びに切り屑中で、並びに加工したワークピース表面で可塑性の材料変形と関連している。

本発明のフライス工具を用いた方法は、比較的僅かな程度でこの欠点を示すだけである。この方法は、その実施の詳細と適用性において、内歯の歯面にアンダーカットを作成することに関し、前記特許文献１に詳細に記載されている。

この方法の場合、フライス工具の切削端は内転サイクロイド軌道上でワークピースかみ合い部に対し相対的に動く。軌道の星形の先端部に、半径方向で外側へ向かうフライス運動から半径方向で内側へ向かうフライス運動への転換点があり、当接する形のフライスのかみ合いで、かつ加工されたワークピース表面の範囲内で僅かな材料変形、隆起部形成及び僅かな粗面性でワークピースを加工できる利点がある。

上記明細書には、焼結の実施にあたり、本発明による成形品についてのこの方法の特別な利点は記載されても示唆されてもいない。

本発明に応じアンダーカットの領域内で内転サイクロイドフライスを適用する場合、寸法安定性と表面特性に優れると同時に、気孔が開いた焼結成形品が得られることは当業者には容易に想到できずかつその結果についても予想できない。平均的なワークピース硬度を示す鉄ベースの焼結成形品の場合、目に見える変形跡が残らずかつ多孔は同様に開口したままであるという、予想不可能な短く折れる切り屑が生じる。この切り屑折れはスローアウェイ、バリ又は寸法変形を回避することに多大に寄与する。望ましい表面気孔性の観点から所望のこのような切り屑生成についての他の理由は、多孔性の焼結成形品の振動減衰作用により十分に振動しないフライス削りが達成されることである。

本発明による方法は、公知の先行技術と比較して極端に経済的で、１工程法で加工する平面において表面多孔性を維持しながらアンダーカットを作成できる。

本発明によるアンダーカットを備えた焼結成形品は、所望なら、後からの炭素含有ガス雰囲気中でより高い効率及びより高い品質で表面硬化が行われる。加工した歯面領域での硬化プロセスの均質性も証明された。存在する表面多孔性の減少又は不在により引き起こされる部材中の応力及び変形は観察されなかった。

歯面領域内での表面気孔の所望なリザーブ作用は、本発明の焼結成形品を油で潤滑した変速装置中で使用する場合に証明された。

本発明による焼結成形品は、自動車変速装置内のシフトスリーブやスライドスリーブである。他の変速部材、例えばクラッチ成形品は本発明方法の他の適用例である。

変速装置中での同期化機能及び切換機能を満たすべく、例えばスライドスリーブ等の構成部材は、かみ合い部の他に一連の多様な機能性切欠、例えばノッチ及び当接面を歯面領域内に有する。スライドスリーブにおいて重要な機能性切欠は、内歯の領域内で複数の箇所に取り付けられたノッチ溝又はラッチ溝である。この作成は適当なフライス工程を必要とする。内転サイクロイドは２つの相互に連続する作業工程で１つのワークピースを組み立てる際に費用をかけて変更することなく、特にスライドスリーブ中にアンダーカット及びノッチ溝を経済的に効率よく取り付けるのに適する。このため、組み合わせた工具ホルダは平行な２つの工具を装備し、これら工具は同じフライス削りプロセスにより相互に連続し、アンダーカットとノッチ溝のフライス削りの両作業工程を実施する。この「リング状の」焼結成形品には中空円筒、ブシュ及び類似の形状が含まれる。

アンダーカットの「機械的作成」の概念は、固体成形品内に後から取り付ける公知の全種類のものを含み、相応する形状のプレス型中で粉末プレスを用いる作成とは異なる。

内転サイクロイドにおける焼結成形品の「回転運動」の概念は、成形品の連続的な継続運動も、円形軌道の所定の角度分だけ周期的に作動する継続運動も含む。

本発明の方法において、「硬化された」及び／又は「焼結により硬化された」並びに「未硬化の」及び／又は「予備焼結された」ワークピースの概念は鉄をベースとするものを意味する。この対で使用する概念の上位の意味は、この方法が鉄をベースとする焼結成形品に対し適用され、この鉄が少なくともアンダーカットを機械的に作成する範囲内では比較的高い機械的硬度を有することにある。

しかしこの特徴を示す方法を実施するには、経済的な作成のため著しく硬質の材料はあまり適さない。この方法を実施するには、従って鉄ベースの材料を用いるとよく、この硬度は本質的に完成部品に必要な硬度を下回っている。

この硬度の調整には、当業者に公知の方法を用いる。

鉄をベースとする材料の場合、多様な種類の炭素硬化を適用することは公知である。この硬化は、金属製の合金添加物を除き、鉄をベースとする材料中の炭素含有量及び材料中の多様な金属相の形成により調節できる。オーステナイト‐マルテンサイト転移等の硬化方法は、本発明の方法に適している。特別な実施態様は、高温での炭素含有ガスを用いた成形品の表面区域内の後からの表面硬化である。

鉄材料中に適当な含有量で炭素が存在する場合、焼結成形体についての焼結を、相転移に関し仕上げプロセスの最後に十分に急速な冷却を用いて実行できる利点がある。

焼結冶金分野で中程度の材料硬度迄予備焼結する手段及び引き続き達成可能な最高の高度迄の仕上げ焼結は、部分的に硬化した、従って容易に加工可能な成形品を機械的に作成する中間工程の後に使用される。この方法は選択的に本発明に適用される。

内歯を有する、歯車としてのカップリングリングの正面の部分図 図１のII−II線に沿った断面図 アンダーカットを形成するための工具の側面図 アンダーカットを形成するための工具の平面図

１：ワーク、２：歯、３：歯抜け部、４：屋根状の尖端部、５，６：側面、７，７'： アンダーカット、８：工具、９：ヘッド、１０：切刃、１１，１１'：刃先、１２，１２':内転サイクロイド軌道、１３：ロール半径、１４：ワークの脚部。

Claims (8)

1. 鉄をベースとし、歯面領域内のアンダーカットを有する内歯を備え、硬化されたリング状の軸対称の焼結成形品を、粉末プレス、焼結、アンダーカットの機械的作成及び硬化の工程によって製造する方法であって、
   未硬化焼結成形品の気泡が開口した表面を有するアンダーカットを、フライス工具を用いてフライス軸を内転サイクロイド軌道上で動かしながらこの軌道の尖端部で工具先端を当接し、同時に焼結成形部がその回転軸の周りを回転して機械的に成形し、その際に、前記表面の多孔性が保たれることを特徴とする方法。
2. プレス成形した部材を９００℃未満の温度で予備焼結し、引き続き前記アンダーカットの機械的作成を行ない、次いで１０００〜１４００℃の温度で仕上げ焼結して硬化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. Ｃを０．２％以上含有するＦｅベースの合金を使用し、仕上げ焼結を１１００〜１２５０℃の温度で行うことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. Ｃを０．４％以上含有するＦｅベースの合金を使用し、仕上げ焼結を１１００〜１２５０℃の温度で行うことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
5. 仕上げ焼結の焼結温度から急速に冷却することで前記硬化を行うことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. Ｃを０．３％未満含有するＦｅベースの合金を使用し、プレス成形した部材を通常の条件下で焼結させて成形品に仕上げ、引き続き前記アンダーカットの機械的作成を行ない、かつ引き続き炭素含有雰囲気中で少なくとも表面区域内で表面硬化法を用いて表面硬化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記歯切りフライス工具を用いてサイクロイド軌道上でフライスの円運動時間の整数比でかつ焼結成形品の軸を中心にしてこの焼結成形品の１回の回転でアンダーカットを作成することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 自動車変速装置用のスライドスリーブであることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の製造方法により製造された焼結成形品。

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