段付円柱状部材の製造方法
【課題】使用する金属材料や形状に限定されず、シェブロンクラックの発生を防止でき、しかも、材料の歩留が悪化したり、加工の手間が煩雑化するのを防止する。
【解決手段】円柱状の素材をダイス３２の成型用キャビティ３３内に押し込む事により、この素材の先端部乃至中間部の外径を縮める。そして、このうちの先端部に最も小径の第一円筒面部２５を、中間部にこの第一円筒面部２５よりも外径が大きな第二円筒面部２６を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部２７を、それぞれ形成する。又、前記第一円筒面部２５と前記第二円筒面部２６との間に第一傾斜段部２８を、この第二円筒面部２６と前記第三円筒面部２７との間に第二傾斜段部２９を、それぞれ形成して、段付円柱状部材である中間素材３０とする。前記第一傾斜段部２８を形成する為に、前記ダイス３２の内周面に設けた第一加工用段差部３５の傾斜角度βを、５０〜７５度とする。
【解決手段】円柱状の素材をダイス３２の成型用キャビティ３３内に押し込む事により、この素材の先端部乃至中間部の外径を縮める。そして、このうちの先端部に最も小径の第一円筒面部２５を、中間部にこの第一円筒面部２５よりも外径が大きな第二円筒面部２６を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部２７を、それぞれ形成する。又、前記第一円筒面部２５と前記第二円筒面部２６との間に第一傾斜段部２８を、この第二円筒面部２６と前記第三円筒面部２７との間に第二傾斜段部２９を、それぞれ形成して、段付円柱状部材である中間素材３０とする。前記第一傾斜段部２８を形成する為に、前記ダイス３２の内周面に設けた第一加工用段差部３５の傾斜角度βを、５０〜７５度とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する軌道輪部材、即ち、内輪と組み合わされてハブを構成するハブ本体の如く、外周面に互いに同心で径が互いに異なる、複数の円筒面部を設け、隣り合う円筒面部同士を段部により連続させた段付円柱状部材の製造方法の改良に関する。具体的には、この様な段付円柱状部材を、冷間での塑性加工である冷間鍛造加工により造る場合に、内部にシェブロンクラックと呼ばれる損傷が発生せず、良質の段付円柱状部材を安定して得られる（歩留の向上を図れる）製造方法の実現を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車輪を構成するホイール、及び、制動用回転部材であるディスク或いはドラムを、懸架装置を構成するナックルに回転自在に支持する為に、車輪支持用転がり軸受ユニットが広く使用されている。図５は、従来から広く知られている、従動輪（ＦＲ車及びＭＲ車の前輪、ＦＦ車の後輪）用の車輪支持用転がり軸受ユニット１の１例を示している。この車輪支持用転がり軸受ユニット１は、外輪２の内径側にハブ３を、複数の転動体４、４を介して、回転自在に支持している。使用状態では、前記外輪２を前記ナックルに結合固定し、前記ハブ３に車輪及び制動用回転部材を支持固定する。そして、これら車輪及び制動用回転部材を前記ナックルに対し、回転自在に支持する。
【０００３】
この為に、前記外輪２の内周面の２箇所位置に複列の外輪軌道５、５を、外周面の一部で、軸方向中央部よりも少し軸方向内寄り部分（軸方向に関して内とは、使用状態で車体の幅方向中央側となる側を言い、図５の右側。反対に、使用状態で車体の幅方向外側となる、図５の左側を、軸方向に関して外と言う。本明細書全体で同じ。）に静止側フランジ６を、それぞれ形成している。一方、前記ハブ３の外周面には、前記外輪２よりも軸方向外方に突出した外端寄り部分に、車輪及び制動用回転部材を支持固定する為の回転側フランジ７を、軸方向中間部乃至内端寄り部分に複列の内輪軌道８、８を、それぞれ形成している。そして、これら両列の内輪軌道８、８と前記両列の外輪軌道５、５との間に前記各転動体４、４を、両列毎に複数個ずつ配置して、前記外輪２の内径側での前記ハブ３の回転を自在としている。
【０００４】
尚、前記ハブ３は、ハブ本体９と、内輪１０と、ナット１１とから成り、前記内輪軌道８、８は、このハブ本体９の中間部及びこの内輪１０の外周面に形成されている。又、この内輪１０は、このハブ本体９の軸方向内端寄り部分に形成した小径段部１２に外嵌した状態で、前記ナット１１により、前記ハブ本体９に対し固定している。尚、このハブ本体９の軸方向内端部に形成したかしめ部により、前記内輪１０をこのハブ本体９に対し固定する構造も、広く知られている。
【０００５】
上述の様な車輪支持用転がり軸受ユニット１を構成する前記ハブ本体９は、Ｓ４８Ｃ〜Ｓ５８Ｃ（ＪＩＳ Ｇ ４０５１）の如き機械構造用炭素鋼鋼材等の炭素鋼（主として中炭素鋼）に塑性加工を施す事により造る。この様な塑性加工により造られるハブ本体の構造、並びにこの様な塑性加工の方法に就いては、例えば特許文献１〜４に記載される等により、従来から広く知られている。このうちの特許文献４に記載されたハブ本体の構造及びその製造方法に就いて、図６〜９により説明する。
【０００６】
このうちの図６に示したハブ本体９ａは、外周面の軸方向外端寄り部分に放射状の回転側フランジ７ａを、同じく中間部に内輪軌道８を、同じく内端部に小径段部１２を、それぞれ形成している。
この様なハブ本体９ａは、図７〜９に示した工程により造る。先ず、押し出し成形、圧延成形等により造られた長尺な原材料を所定長さに切断する事により、各図の（Ａ）に示す様な、円柱状の素材１３を得る。次いで、この素材１３に、冷間鍛造加工の一種である、第一段階の前方押し出し加工を施す事により、各図の（Ｂ）に示した第一中間素材１４を造る。次に、この第一中間素材１４に、やはり冷間鍛造加工の一種である、第二段階の前方押し出し加工を施す事により、各図の（Ｃ）に示した第二中間素材１５を得る。次に、この第二中間素材１５を、前記特許文献４に記載されている様に、所定の内周面形状を有する分割型のダイス内にセットした状態で、前記第二中間素材１５の軸方向端面｛各図の（Ｃ）の上端面｝にパンチを押し付ける。そして、この軸方向外端面を凹ませると共に、この第二中間素材１５を構成する金属材料を径方向外方に流動させる、冷間鍛造の一種である側方押出加工を施す事により、各図の（Ｄ）に示す様な、回転側フランジ７ａを有する、第三中間素材１６とする。次に、この第三中間素材１６に、スタッド１７の頭部１８（図５参照）の軸方向側面を当接させる座面１９、１９を形成する為のサイジング加工を施して、各図の（Ｅ）に示した第四中間素材２０とする。
【０００７】
この第四中間素材２０の軸方向内端部｛各図の（Ｅ）の下端部｝には、外周面に雄ねじ部を形成するか（図５に示す様に、前記小径段部１２に外嵌した内輪１０の抜け止めをナット１１により図る構造の場合）、或いは、図８の（Ｆ）に示す様に、軸方向内端面に開口する、有底で円形の凹孔２１を形成し、この凹孔２１の周囲部分を円筒部２２として、第五中間素材２３とする。この様な円筒部２２は、前記小径段部１２に前記内輪１０を外嵌した状態で、径方向外方に塑性変形させて（かしめ拡げて）、この内輪１０の軸方向内端面を抑え付け、この内輪１０が前記小径段部１２から抜け出る事を防止する。更に、前記第四中間素材２０乃至前記第五中間素材２３に、前記スタッド１７を挿通する為の円孔を形成する為の穿孔、バリ取り、内輪軌道８の加工等の、所定の切削加工及び研削加工を施して、前記ハブ本体９ａとする。
【０００８】
このハブ本体９ａを造るのに従来は、上述の様に、前記図７〜９の（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）→（Ｅ）｛更に必要に応じて図８の（Ｆ）｝の工程を経ている。これに対して本発明者等は、前記ハブ本体９ａの加工コストの低減を目的として、前記図７〜９の（Ｂ）の工程を省略する事を考えた。即ち、これら図７〜９の（Ａ）に示した素材１３に対する加工量を多くし、この素材１３を一挙に（１工程で）、（Ｃ）に示した第二中間素材１５に対応する中間素材にまで加工する事により、工程数を削減して製造コストを低減する事を考えた。但し、この場合に、前記素材１３を一挙に前記中間素材に加工する事を考慮して、この中間素材の形状を、前記第二中間素材１５の形状に比べて少し単純化する。この様な観点で先に考えた、前記中間素材である段付円柱状部材の製造方法（先発明方法）に関して、本発明の実施の形態を表した図１により説明する。
【０００９】
先発明方法により造る段付円柱状部材は、図１の（Ａ）に示す様に、外周面に、外径が互いに異なる３箇所の円筒面部を、軸方向に関する位相を互いにずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士を２箇所の傾斜段部により連続させている。即ち、軸方向に関して、先端部に最も小径の第一円筒面部２５を、中間部にこの第一円筒面部２５よりも外径が大きな第二円筒面部２６を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部２７を、それぞれ設けている。そして、前記第一円筒面部２５の基端側端縁と前記第二円筒面部２６の先端側端縁とを第一傾斜段部２８により、この第二円筒面部２６の基端側端縁と前記第三円筒面部２７の先端側端縁とを第二傾斜段部２９により、それぞれ連続させている。
【００１０】
この様な各部２５〜２９を外周面に設けた、前記段付円柱状部材である中間素材３０を、冷間鍛造により造るには、前記図７〜９の（Ａ）に示す様な素材１３を、図１の（Ｂ）に示す様に、パンチ３１により、ダイス３２の成形用キャビティ３３内に押し込む。この成形用キャビティ３３の内周面には、奥端部から順番に、前記第一円筒面部２５を形成する為の小径円筒面部３４と、前記第一傾斜段部２８を形成する為の第一加工用段差部３５と、前記第二円筒面部２６を形成する為の中径円筒面部３６と、前記第二傾斜段部２９を形成する為の第二加工用段差部３７と、前記第三円筒面部２７を形成する為の大径円筒面部３８とを設けている。前記素材１３の外径は、前記成形用キャビティ３３の開口部に存在する、前記大径円筒面部３８の内径と同じか、僅かに小さい。
【００１１】
従って、前記素材１３の軸方向先端部を前記成形用キャビティ３３の開口部に挿入した状態では、この素材１３がこの成形用キャビティ３３と同心に保持される。そこで、この状態から、前記パンチ３１によりこの素材１３をこの成形用キャビティ３３内に押し込めば、この成形用キャビティ３３の内周面の形状が前記素材１３に転写され（この素材１３の外周面形状が、この成形用キャビティ３３の内周面形状に合致するまで塑性変形し）、前記中間素材３０を得られる。この際、前記成型用キャビティ３３の奥端部で前記小径円筒面部３４の奥部にカウンタパンチ３９の先端面を配置して、前記素材１３の先端部が前記成形用キャビティ３３の奥にまで、過度に移動する事を防止する。この様にして造られた前記中間素材３０は、前記カウンタパンチ３９を上昇させる事により前記成形用キャビティ３３から取り出して、次の工程に送る。
【００１２】
上述の様な先発明方法により前記中間素材３０を造れば、加工工程数を少なく抑えて、しかも、続いて行う切削加工及び研削加工を最小限に止め、前記ハブ本体９ａを造る事ができる。又、材料の歩留まりを向上させると共に、これら切削加工及び研削加工に要する加工時間を短縮して、前記ハブ本体９ａを含む、車輪支持用転がり軸受ユニット１（図５参照）のコスト低減を図れる。但し、上述の図１の（Ｂ）に示す様に、冷間での前方押し出し加工を利用して前記段付の中間素材３０を造ると、この中間素材３０の先端部（第一円筒面部２５の内部）に、特許文献５〜７、非特許文献１に記載される等により冷間鍛造の技術分野で広く知られている、シェブロンクラックと呼ばれる亀裂が発生する可能性がある。前記先端部は、前記中間素材３０を更に加工してハブ本体９、９ａ（図５〜６参照）とした場合に、内輪１０を外嵌固定する為の軸部２４（図５参照）となるべき部分であり、亀裂による強度低下を避ける必要性が大きい部分である。
【００１３】
段付部材を冷間鍛造する際にシェブロンクラックが発生する機構に就いては従来から各種研究されているが、基本的には、金属材料（中炭素鋼）の断面形状を変化させる事に伴って、この金属材料の移動速度が部分的に異なる状態となり、その結果、移動速度が速い部分と遅い部分との間に引っ張り応力が作用する為と考えられている。そして、従来は、上述の様なシェブロンクラックの発生を防止する為に、加工前に素材に焼鈍処理を施してから、前方押し出し加工を施す事が、一部で行われていた。但し、この様な方法による場合には、前記ハブ本体９ａの軸方向中間部で前記内輪軌道８を形成すべき部分を含め、各部に必要な硬度を確保する事が難しくなる。
【００１４】
シェブロンブロックの発生を抑える為の別の方法として、前方押し出し加工時に、素材乃至中間素材を、例えば軸方向両側から強く押圧し（高い静水圧を加え）、これら素材乃至中間素材の内部を圧縮応力場にする方法も知られている。但し、この様な方法では、前記前方押し出し加工に使用する金型（パンチ及びダイス）として十分な強度及び剛性を有するものを使用する必要があり、この金型の制作費が嵩む。更には、プレス装置として、容量の大きな大型のものを使用する必要があり、この面からも設備費が嵩む。
【００１５】
上述の様なシェブロンクラックの発生防止の為の他の方法として従来から、前記特許文献５〜７に記載された技術が知られている。このうちの特許文献５に記載された従来技術は、変形抵抗比を抑えられる材料を使用するもの、特許文献６に記載された従来技術は、材料の加工硬化指数と各段階での減面率とを規制するもの、特許文献７に記載された従来技術は、マンガン当量と減面率とを規制するものである。これら特許文献５〜７に記載された従来技術の場合、条件さえ満たす事ができれば、前記シェブロンクラックの発生を抑えられると考えられる。但し、何れの場合も、金属材料（鋼材）の種類や減面率が制限される。本発明の製造方法の対象となる、ハブ本体９ａを造る為の段付の中間素材３０の場合、使用可能な金属材料の種類が限られる（多くの場合中炭素鋼を使用する）し、減面率に関しても、前記第一〜第三各円筒面部２５〜２７の直径の比をあまり小さくはできない為、条件を満たす事は難しい。従って、前記中間素材３０に関して、前記特許文献５〜７に記載された様な従来技術により、シェブロンクラックの発生を防止する事は難しい。
尚、本発明に関連する技術を記載した刊行物として、先に説明したものの他に、非特許文献２が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−１１１０７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１４２９８３号公報
【特許文献３】特開２００８−２９６６９４号公報
【特許文献４】特開２００９−２５５７５１号公報
【特許文献５】特開２０００−０４２６７６号公報
【特許文献６】特開２０００−３１２９４７号公報
【特許文献７】特開２００７−１３０６６１号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】木下修司、井上毅、秋田章二著、「鐵と鋼：日本鐵鋼協▲会▼々誌、６２（４）」、社団法人日本鉄鋼協会、１９７６年３月１０日、ｐ．１６５
【非特許文献２】加田修、戸田正弘、柳秀和著、「棒線材の高機能成形解析：新日鉄技報第３８６号」、株式会社新日本製鐵、２００７年、ｐ．５９−６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、使用する金属材料や形状が限られる場合にも、シェブロンクラックの発生を防止でき、しかも、材料の歩留が悪化したり、加工の手間が煩雑化するのを防止できる、段付円柱状部材の製造方法を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の段付円柱状部材の製造方法は、外周面に、外径が互いに異なる３箇所の円筒面部を、軸方向に関する位相をずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士を傾斜段部により連続させた段付円柱状部材を、冷間鍛造加工により造る。
この為に、円柱状の素材をダイスの成形用キャビティ内に押し込む事により、この素材の先端部乃至中間部の外径を縮めて、このうちの先端部に最も小径の第一円筒面部を、中間部にこの第一円筒面部よりも外径が大きな第二円筒面部を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部を、これら第一円筒面部と第二円筒面部との間に第一傾斜段部を、これら第二円筒面部と第三円筒面部との間に第二傾斜段部を、それぞれ形成する。
【００２０】
特に、本発明の段付円柱状部材の製造方法に於いては、前記第一傾斜段部を形成する為に、前記ダイスの内周面に設けた、部分円すい凹面状の第一加工用段差部の、前記素材及び前記成形用キャビティの中心軸に対する傾斜角度を、５０度以上とする。
尚、前記第一加工用段差部の傾斜角度の上限値は、例えば請求項２に記載した発明の様に、８０度以下、更に好ましくは７５度以下とする。前記第二傾斜段部を形成する為の、第二加工用段差部の、同方向に関する傾斜角度は、特に規制しないが、現実的には３０〜７０度、好ましくは３０〜５０度、より好ましくは４０〜４５度とする。
又、前記素材としては、例えば請求項３に記載した発明の様に、炭素含有量が０．４５重量％以上（好ましくは０．６１重量％以下）の炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１で、Ｓ４８Ｃ以上の機械構造用炭素鋼鋼材）とする。
更に、段付円柱状部材の用途は特に限定しないが、例えば、請求項４に記載した発明の様に、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を構成する為の中間素材とする。
【発明の効果】
【００２１】
上述の様に構成する本発明の段付円柱状部材の製造方法によれば、使用する金属材料や、段付円柱状部材の外面形状（第一〜第三各円筒面部の直径の比）が限られる場合にも、シェブロンクラックの発生を防止でき、しかも、材料の歩留が悪化したり、加工の手間が煩雑化するのを防止できる。又、設備コストが嵩む事もなくなって、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体の如き段付円柱状部材の製造コストの上昇を抑えられる。
【００２２】
即ち、本発明の段付円柱状部材の製造方法の場合には、段付円柱状部材の外周面のうちの軸方向２箇所位置に形成される第一、第二両傾斜段部のうちで、先端側の第一傾斜段部を形成する為の第一加工用段差部の傾斜角度を、５０度以上と、大きくしている。この為、パンチにより素材をダイスの成形用キャビティの奥に押し込んで塑性変形させる際に、この素材を構成する金属材料がこのキャビティの先端側に移動する事に対する抵抗が大きくなる。この結果、この金属材料の移動速度が抑えられて、前記素材から前記段付円柱状部材（中間素材）を造る過程、特に前記先端側の第一傾斜段部を形成する過程で、前記金属材料の移動速度が、各部分同士の間で大きく相違する事を防止できる。従って、前記第一傾斜段部の加工に伴って、この第一傾斜段部乃至は前記第一円筒面部の内部に、シェブロンクラックの発生に結び付くほど大きな引っ張り応力が作用する事がなくなる。
【００２３】
一方、前記第二傾斜段部に関しては、初めに加工される部であり、シェブロンクラック発生の要因の一つである、材料の加工硬化が生じていない。又、前記第二傾斜段部に関しては、第二加工用段差部による加工後、直ちに素材の先端寄り部分が前記第一加工用段差部に突き当たる。この状態で前記素材には、この第一加工用段差部によるこの素材の塑性変形に起因する、前記抵抗が加わる。従って、前記素材を前記段付円柱状部材に加工する過程で、前記第一、第二両傾斜段部同士の間部分（第二円筒面部の内径側に位置する部分）には、圧縮応力が作用する傾向になる。この圧縮応力は、前記シェブロンクラック発生の原因となる引っ張り応力を打ち消す（相殺する）方向に働く為、前記第二加工用段差部に関しては、特に傾斜角度を規制しなくても（５０度未満としても）、得られる段付円柱状部材の内部にシェブロンクラックが発生する事はない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の製造方法により造られる段付円筒状部材の断面図（Ａ）とこの段付円筒状部材を冷間鍛造する状態を示す断面図（Ｂ）。
【図２】第一、第二両傾斜段部を形成する為の、第一、第二両加工用段差部の傾斜角度が、素材内部のダメージ値に及ぼす影響を知る為に行った、第一のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフ。
【図３】同じく第二のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフ。
【図４】第一、第二両傾斜段部での減面率がダメージ値に及ぼす影響を知る為に行ったコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフ。
【図５】本発明の製造方法の対象となるハブ本体を組み込んだ、車輪支持用転がり軸受ユニットの１例を示す断面図。
【図６】冷間での鍛造加工により造られる、従来から知られたハブ本体の１例を示す、端面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）。
【図７】従来から知られているハブ本体の製造方法の１例に関して、側面形状の変化を工程順に示すと共に、一部に関して端面形状を示した図。
【図８】同じく側面形状乃至断面形状の変化を示す図。
【図９】同じく表面形状の変化を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の特徴は、前述の図１の（Ａ）に示す様な、外周面に、外径が互いに異なる第一〜第三各円筒面部２５〜２７を、軸方向に関する位相を互いにずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士をそれぞれ第一、第二両傾斜段部２８、２９により連続させた中間素材３０を形成する際に、内部にシェブロンクラックが発生するのを防止する点にある。即ち、前記第一、第二両傾斜段部２８、２９のうち、先端側の第一傾斜段部２８の、中間素材３０の中心軸に対する傾斜角度（成形用キャビティ３３の中心軸に対する第一加工用段差部３５の傾斜角度と同じ）βを、５０度以上、８０度以下（好ましくは７５度以下）とする。基端側の第二傾斜段部２９の傾斜角度αに関しては、３０〜７０度、好ましくは３０〜５０度の範囲、より好ましくは４０〜４５度とする。
【００２６】
前記第一、第二両傾斜段部２８、２９を形成する為の、第一、第二両加工用段差部３５、３７の傾斜角度β、αを上述の範囲に規制したダイス３２の成形用キャビティ３３内に素材１３を押し込む事により、段付円柱状部材である中間素材３０とする際に、前述した様な理由により、各部に大きな引っ張り応力が発生する事を防止できる。そして、前記素材１３乃至中間素材３０の内部にシェブロンクラックが発生する事を防止できる。本発明の場合には、前記第一加工用段差部３５の傾斜角度βを５０度以上にすれば、他の部分の形状及び寸法の自由度を大きくできる。即ち、後述する様に、小径、中径、大径各円筒面部３４、３６、３８の直径差（直径の比率）を特に限定しなくても、前記第一傾斜段部２８乃至は前記第一円筒面部２５の内部に、シェブロンクラックの発生に結び付くほど大きな引っ張り応力が作用する事がなくなる。又、前記第二傾斜段部２９乃至前記第二円筒面部２６の内部に関しても、前述した様な理由により、シェブロンクラックが発生する事はない。
【００２７】
尚、前記成形用キャビティ３３内に前記素材１３を押し込む事により得られた、前記図１の（Ａ）に示した中間素材３０には、前述の図７〜９の（Ｃ）→（Ｄ）→（Ｅ）｛→（Ｆ）｝に示した様な、更に必要な冷間鍛造加工、切削加工、研削加工を施して、ハブ本体９、９ａとする。前記中間素材３０のうちの第一傾斜段部２８乃至第一円筒面部２５部分は、このハブ本体９、９ａのうちの小径段部１２（図５〜６参照）となる。この際、前記第一傾斜面部２８は冷間鍛造により、この小径段部１２の奥端部に存在する、中心軸に対し直角方向に存在する段差面に加工する。この際の加工は、材料の移動量が少ないので、シェブロンクラックが発生する可能性は低い。又、第二傾斜段部２９部分には、必要な切削加工及び研削加工を施して、内輪軌道８（図５〜６参照）を設ける。この第二傾斜段部２９部分の傾斜角度は自由に設定できる事から、この内輪軌道８を設ける為の加工量を少なく抑えられる。
【実施例１】
【００２８】
本発明の効果を確認する為に行ったコンピュータシミュレーションの結果に就いて説明する。このコンピュータシミュレーションは、Ｓ５３Ｃ材（ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されている機械構造用炭素鋼鋼材）製で円柱状の、図７〜９の（Ａ）に示す様な素材１３に冷間で前方押し出し加工を施す事により、図１の（Ａ）に示す様な中間素材３０とした。前記素材１３として、外径Ｄ13（具体的には６０mm）と軸方向長さＬ13との比Ｄ13／Ｌ13が５／７のもの（Ｄ13／Ｌ13＝５／７）を使用する事とした。又、前記中間素材３０のうちで、最も大径の第三円筒面部２７の外径は、前記素材１３の外径と同じとした。又、前記中間素材３０の第一、第二両傾斜段部２８、２９の間隔（第二円筒面部２６の軸方向長さＬ26）は、前記素材１３の外径Ｄ13の１／５（Ｌ26＝Ｄ13／５）とした。更に、図２、３にそれぞれの結果を示したコンピュータシミュレーションの条件として、前記第二円筒面部２６の外径は、後述する減面率Ｒｄ０−１が１０〜７０％になる様に、前記第三円筒面部２７の外径は、後述する減面率Ｄｄ１−２が２０〜８０％になる様に、それぞれ設定した。
【００２９】
更に、上述した素材１３の各部の寸法のうち、前記第一、第二両円筒部２５、２６の外径以外の寸法に関する条件を同じとし、第一、第二両傾斜段部２８、２９（第一、第二両加工用段差部３５、３７）の傾斜角度β、α、前記第二傾斜段部２９部分での減面率Ｒｄ０−１、前記第一傾斜段部２８部分での減面率Ｒｄ１−２が、前記素材１３乃至前記中間素材３０に関するダメージ値Ｄｆに及ぼす影響を求めた。尚、ダメージ値Ｄｆとは、シェブロンクラックの解析（発生予測）に関するパラメータとして信頼性がある事が知られており、例えば非特許文献２にも記載されている。前記ダメージ値Ｄｆが、材料により定まる所定値Ｋ以上になると、シェブロンクラックが発生する。因みに前記Ｓ５３Ｃ材の所定値Ｋは、１５０ＭＰａ程度である。今回は、（コンピュータシミュレーションの対象として各種条件を変えて設定した）各試料のダメージ値Ｄｆを、次の（１）式で求めた。
【数１】
尚、この（１）式中、εfは、変形終了時（中間素材３０の加工終了時）の歪量を、σmaxは、最大主応力（加工工程中での各瞬間に各部に加わる応力のうちの最大値）を、ｄεeqは、加工工程中での各瞬間に於ける歪の増加量を、それぞれ表している。
【００３０】
上述の条件で行ったコンピュータシミュレーションの結果を、図２〜４に示した。これら各図のうちの図２は、横軸に前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βを、縦軸にダメージ値Ｄｆ（最大値）を、それぞれ表している。グラフ中に表した３種類の記号（▲、◆、■）は、図２中に示した様に、それぞれ前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αが異なる事（３０度、４５度、７０度）を表している。この様な図２から、前記ダメージ値Ｄｆは、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βに大きく影響され、この傾斜角度βが極く小さい（β＝１０度である）場合には前記ダメージ値Ｄｆも小さく抑えられるが、前記傾斜角度βが３０度程度にまで大きくなるとこのダメージ値Ｄｆが急激に大きくなる事が分かる。但し、前記傾斜角度βが３０度を越えて大きくなると、逆に前記ダメージ値Ｄｆが小さくなり、５０度を越えて大きくなると十分に小さくなり、しかも、前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αの影響も小さくなる事も分かる。
【００３１】
これらから、本発明の様に、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βを５０度以上にする事で、前記素材１３乃至中間素材３０の内部にシェブロンクラックが発生する事を十分に防止できる事が分かる。尚、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βが極く小さい（１０度）場合には、前記ダメージ値Ｄｆを低く抑えられる。これは、前記第一傾斜段部２８による絞り量が極く少ないので、金属材料の移動速度に余り差が生じる事がなく、前記素材１３乃至中間素材３０の内部に大きな引っ張り応力が発生しない為である。但し、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βが小さ過ぎて、後加工（小径段部１２を形成する為の切削加工）が面倒で、最終製品（ハブ本体９、９ａを組み込んだ車輪支持用転がり軸受ユニット１）の製造コストを抑える事ができない。
【００３２】
次に、図３は、横軸に前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αを、縦軸にダメージ値Ｄｆ（最大値）を、それぞれ表している。グラフ中に表した６種類の記号（×、▲、●、■、＊◆）は、図３中に示した様に、それぞれ前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βが異なる事（１０度、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度）を表している。この様な図３から明らかな通り、前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αの大小は、前記素材１３乃至中間素材３０の内部のダメージ値Ｄｆに余り影響しない。
【００３３】
次に、図４は、横軸に前記素材１３から前記第一円筒面部２５までの減面率（断面積の減少率）Ｒｄ０−２を、縦軸にダメージ値Ｄｆを、それぞれ表している。コンピュータシュミレーションの条件として、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βを６０度とし、前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αを３０度とした。尚、前記図４の横軸に表した減面率Ｒｄ０−２とは、前記第二傾斜面部２９を境とした、前記第三円筒面部２７から前記第二円筒面部２６への減面率Ｒｄ０−１と、前記第一傾斜面部２８を境とした、この第二円筒面部２６から前記第一円筒面部２５への減面率Ｄｄ１−２とを合計したもの［Ｒｄ０−２＝（Ｒｄ０−１）＋｛１−（Ｒｄ０−１）｝×（Ｒｄ１−２）］である。尚、図４の横軸に記載した全体としての減面率Ｒｄ０−２の内訳（各段の減面率Ｒｄ０−１、Ｒｄ１−２）は、前記図４の右上部分に記載した通りである。この様な図４の記載から明らかな通り、前記各減面率Ｒｄ０−１、Ｒｄ１−２、Ｒｄ０−２は、余りダメージ値Ｄｆに影響しない。
【００３４】
以上に説明した、図２〜４にその結果を表したコンピュータシミュレーションの結果から明らかな様に、本発明の様に、前記第一傾斜段部２８を係止する為の第一加工用段差部３５の傾斜角度βを５０度以上とする事で、前記素材１３乃至中間素材３０の内部に、シェブロンクラックが発生する事を防止できる。尚、シェブロンクラックの発生防止を図る面からのみ考えれば、前記第一加工用段差部３５の傾斜角度βは、９０度近くまで大きくしても良い。但し、この傾斜角度βを８０度を越えて大きくすると、機械構造用炭素鋼鋼材等の炭素鋼に前方押し出し加工を施す際に、鍛造加工の分野で広く知られている様に、デッドメタルと呼ばれる欠肉が生じる。この様な欠肉を生じない様にする為に、前記傾斜角度βの最大値を８０度、好ましくは７５度程度に抑える。尚、前記コンピュータシミュレーションの結果は、前記素材１３の外径Ｄ13及び軸方向長さＬ13が多少異なった場合でも（外径が６０mmからずれたり、外径と軸方向長さとの比が５／７からずれた場合でも）、ほぼそのまま適用できる。特に、本発明が意図している、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を造る場合に関する限り、小型乗用車用から大型乗用車用まで、そのまま適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の段付円柱状部材の製造方法は、従動輪用の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を造る場合に、顕著な効果を得られる。但し、外周面の軸方向２箇所位置にそれぞれ傾斜段部を有する物品であれば、前記ハブ本体に限らず、当該物品の製造に適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ 外輪
３ ハブ
４ 転動体
５ 外輪軌道
６ 静止側フランジ
７、７ａ 回転側フランジ
８ 内輪軌道
９、９ａ ハブ本体
１０ 内輪
１１ ナット
１２ 小径段部
１３ 素材
１４ 第一中間素材
１５ 第二中間素材
１６ 第三中間素材
１７ スタッド
１８ 頭部
１９ 座面
２０ 第四中間素材
２１ 凹孔
２２ 円筒部
２３ 第五中間素材
２４ 軸部
２５ 第一円筒面部
２６ 第二円筒面部
２７ 第三円筒面部
２８ 第一傾斜段部
２９ 第二傾斜段部
３０ 中間素材
３１ パンチ
３２ ダイス
３３ 成形用キャビティ
３４ 小径円筒面部
３５ 第一加工用段差部
３６ 中径円筒面部
３７ 第二加工用段差部
３８ 大径円筒面部
３９ カウンタパンチ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する軌道輪部材、即ち、内輪と組み合わされてハブを構成するハブ本体の如く、外周面に互いに同心で径が互いに異なる、複数の円筒面部を設け、隣り合う円筒面部同士を段部により連続させた段付円柱状部材の製造方法の改良に関する。具体的には、この様な段付円柱状部材を、冷間での塑性加工である冷間鍛造加工により造る場合に、内部にシェブロンクラックと呼ばれる損傷が発生せず、良質の段付円柱状部材を安定して得られる（歩留の向上を図れる）製造方法の実現を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車輪を構成するホイール、及び、制動用回転部材であるディスク或いはドラムを、懸架装置を構成するナックルに回転自在に支持する為に、車輪支持用転がり軸受ユニットが広く使用されている。図５は、従来から広く知られている、従動輪（ＦＲ車及びＭＲ車の前輪、ＦＦ車の後輪）用の車輪支持用転がり軸受ユニット１の１例を示している。この車輪支持用転がり軸受ユニット１は、外輪２の内径側にハブ３を、複数の転動体４、４を介して、回転自在に支持している。使用状態では、前記外輪２を前記ナックルに結合固定し、前記ハブ３に車輪及び制動用回転部材を支持固定する。そして、これら車輪及び制動用回転部材を前記ナックルに対し、回転自在に支持する。
【０００３】
この為に、前記外輪２の内周面の２箇所位置に複列の外輪軌道５、５を、外周面の一部で、軸方向中央部よりも少し軸方向内寄り部分（軸方向に関して内とは、使用状態で車体の幅方向中央側となる側を言い、図５の右側。反対に、使用状態で車体の幅方向外側となる、図５の左側を、軸方向に関して外と言う。本明細書全体で同じ。）に静止側フランジ６を、それぞれ形成している。一方、前記ハブ３の外周面には、前記外輪２よりも軸方向外方に突出した外端寄り部分に、車輪及び制動用回転部材を支持固定する為の回転側フランジ７を、軸方向中間部乃至内端寄り部分に複列の内輪軌道８、８を、それぞれ形成している。そして、これら両列の内輪軌道８、８と前記両列の外輪軌道５、５との間に前記各転動体４、４を、両列毎に複数個ずつ配置して、前記外輪２の内径側での前記ハブ３の回転を自在としている。
【０００４】
尚、前記ハブ３は、ハブ本体９と、内輪１０と、ナット１１とから成り、前記内輪軌道８、８は、このハブ本体９の中間部及びこの内輪１０の外周面に形成されている。又、この内輪１０は、このハブ本体９の軸方向内端寄り部分に形成した小径段部１２に外嵌した状態で、前記ナット１１により、前記ハブ本体９に対し固定している。尚、このハブ本体９の軸方向内端部に形成したかしめ部により、前記内輪１０をこのハブ本体９に対し固定する構造も、広く知られている。
【０００５】
上述の様な車輪支持用転がり軸受ユニット１を構成する前記ハブ本体９は、Ｓ４８Ｃ〜Ｓ５８Ｃ（ＪＩＳ Ｇ ４０５１）の如き機械構造用炭素鋼鋼材等の炭素鋼（主として中炭素鋼）に塑性加工を施す事により造る。この様な塑性加工により造られるハブ本体の構造、並びにこの様な塑性加工の方法に就いては、例えば特許文献１〜４に記載される等により、従来から広く知られている。このうちの特許文献４に記載されたハブ本体の構造及びその製造方法に就いて、図６〜９により説明する。
【０００６】
このうちの図６に示したハブ本体９ａは、外周面の軸方向外端寄り部分に放射状の回転側フランジ７ａを、同じく中間部に内輪軌道８を、同じく内端部に小径段部１２を、それぞれ形成している。
この様なハブ本体９ａは、図７〜９に示した工程により造る。先ず、押し出し成形、圧延成形等により造られた長尺な原材料を所定長さに切断する事により、各図の（Ａ）に示す様な、円柱状の素材１３を得る。次いで、この素材１３に、冷間鍛造加工の一種である、第一段階の前方押し出し加工を施す事により、各図の（Ｂ）に示した第一中間素材１４を造る。次に、この第一中間素材１４に、やはり冷間鍛造加工の一種である、第二段階の前方押し出し加工を施す事により、各図の（Ｃ）に示した第二中間素材１５を得る。次に、この第二中間素材１５を、前記特許文献４に記載されている様に、所定の内周面形状を有する分割型のダイス内にセットした状態で、前記第二中間素材１５の軸方向端面｛各図の（Ｃ）の上端面｝にパンチを押し付ける。そして、この軸方向外端面を凹ませると共に、この第二中間素材１５を構成する金属材料を径方向外方に流動させる、冷間鍛造の一種である側方押出加工を施す事により、各図の（Ｄ）に示す様な、回転側フランジ７ａを有する、第三中間素材１６とする。次に、この第三中間素材１６に、スタッド１７の頭部１８（図５参照）の軸方向側面を当接させる座面１９、１９を形成する為のサイジング加工を施して、各図の（Ｅ）に示した第四中間素材２０とする。
【０００７】
この第四中間素材２０の軸方向内端部｛各図の（Ｅ）の下端部｝には、外周面に雄ねじ部を形成するか（図５に示す様に、前記小径段部１２に外嵌した内輪１０の抜け止めをナット１１により図る構造の場合）、或いは、図８の（Ｆ）に示す様に、軸方向内端面に開口する、有底で円形の凹孔２１を形成し、この凹孔２１の周囲部分を円筒部２２として、第五中間素材２３とする。この様な円筒部２２は、前記小径段部１２に前記内輪１０を外嵌した状態で、径方向外方に塑性変形させて（かしめ拡げて）、この内輪１０の軸方向内端面を抑え付け、この内輪１０が前記小径段部１２から抜け出る事を防止する。更に、前記第四中間素材２０乃至前記第五中間素材２３に、前記スタッド１７を挿通する為の円孔を形成する為の穿孔、バリ取り、内輪軌道８の加工等の、所定の切削加工及び研削加工を施して、前記ハブ本体９ａとする。
【０００８】
このハブ本体９ａを造るのに従来は、上述の様に、前記図７〜９の（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）→（Ｅ）｛更に必要に応じて図８の（Ｆ）｝の工程を経ている。これに対して本発明者等は、前記ハブ本体９ａの加工コストの低減を目的として、前記図７〜９の（Ｂ）の工程を省略する事を考えた。即ち、これら図７〜９の（Ａ）に示した素材１３に対する加工量を多くし、この素材１３を一挙に（１工程で）、（Ｃ）に示した第二中間素材１５に対応する中間素材にまで加工する事により、工程数を削減して製造コストを低減する事を考えた。但し、この場合に、前記素材１３を一挙に前記中間素材に加工する事を考慮して、この中間素材の形状を、前記第二中間素材１５の形状に比べて少し単純化する。この様な観点で先に考えた、前記中間素材である段付円柱状部材の製造方法（先発明方法）に関して、本発明の実施の形態を表した図１により説明する。
【０００９】
先発明方法により造る段付円柱状部材は、図１の（Ａ）に示す様に、外周面に、外径が互いに異なる３箇所の円筒面部を、軸方向に関する位相を互いにずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士を２箇所の傾斜段部により連続させている。即ち、軸方向に関して、先端部に最も小径の第一円筒面部２５を、中間部にこの第一円筒面部２５よりも外径が大きな第二円筒面部２６を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部２７を、それぞれ設けている。そして、前記第一円筒面部２５の基端側端縁と前記第二円筒面部２６の先端側端縁とを第一傾斜段部２８により、この第二円筒面部２６の基端側端縁と前記第三円筒面部２７の先端側端縁とを第二傾斜段部２９により、それぞれ連続させている。
【００１０】
この様な各部２５〜２９を外周面に設けた、前記段付円柱状部材である中間素材３０を、冷間鍛造により造るには、前記図７〜９の（Ａ）に示す様な素材１３を、図１の（Ｂ）に示す様に、パンチ３１により、ダイス３２の成形用キャビティ３３内に押し込む。この成形用キャビティ３３の内周面には、奥端部から順番に、前記第一円筒面部２５を形成する為の小径円筒面部３４と、前記第一傾斜段部２８を形成する為の第一加工用段差部３５と、前記第二円筒面部２６を形成する為の中径円筒面部３６と、前記第二傾斜段部２９を形成する為の第二加工用段差部３７と、前記第三円筒面部２７を形成する為の大径円筒面部３８とを設けている。前記素材１３の外径は、前記成形用キャビティ３３の開口部に存在する、前記大径円筒面部３８の内径と同じか、僅かに小さい。
【００１１】
従って、前記素材１３の軸方向先端部を前記成形用キャビティ３３の開口部に挿入した状態では、この素材１３がこの成形用キャビティ３３と同心に保持される。そこで、この状態から、前記パンチ３１によりこの素材１３をこの成形用キャビティ３３内に押し込めば、この成形用キャビティ３３の内周面の形状が前記素材１３に転写され（この素材１３の外周面形状が、この成形用キャビティ３３の内周面形状に合致するまで塑性変形し）、前記中間素材３０を得られる。この際、前記成型用キャビティ３３の奥端部で前記小径円筒面部３４の奥部にカウンタパンチ３９の先端面を配置して、前記素材１３の先端部が前記成形用キャビティ３３の奥にまで、過度に移動する事を防止する。この様にして造られた前記中間素材３０は、前記カウンタパンチ３９を上昇させる事により前記成形用キャビティ３３から取り出して、次の工程に送る。
【００１２】
上述の様な先発明方法により前記中間素材３０を造れば、加工工程数を少なく抑えて、しかも、続いて行う切削加工及び研削加工を最小限に止め、前記ハブ本体９ａを造る事ができる。又、材料の歩留まりを向上させると共に、これら切削加工及び研削加工に要する加工時間を短縮して、前記ハブ本体９ａを含む、車輪支持用転がり軸受ユニット１（図５参照）のコスト低減を図れる。但し、上述の図１の（Ｂ）に示す様に、冷間での前方押し出し加工を利用して前記段付の中間素材３０を造ると、この中間素材３０の先端部（第一円筒面部２５の内部）に、特許文献５〜７、非特許文献１に記載される等により冷間鍛造の技術分野で広く知られている、シェブロンクラックと呼ばれる亀裂が発生する可能性がある。前記先端部は、前記中間素材３０を更に加工してハブ本体９、９ａ（図５〜６参照）とした場合に、内輪１０を外嵌固定する為の軸部２４（図５参照）となるべき部分であり、亀裂による強度低下を避ける必要性が大きい部分である。
【００１３】
段付部材を冷間鍛造する際にシェブロンクラックが発生する機構に就いては従来から各種研究されているが、基本的には、金属材料（中炭素鋼）の断面形状を変化させる事に伴って、この金属材料の移動速度が部分的に異なる状態となり、その結果、移動速度が速い部分と遅い部分との間に引っ張り応力が作用する為と考えられている。そして、従来は、上述の様なシェブロンクラックの発生を防止する為に、加工前に素材に焼鈍処理を施してから、前方押し出し加工を施す事が、一部で行われていた。但し、この様な方法による場合には、前記ハブ本体９ａの軸方向中間部で前記内輪軌道８を形成すべき部分を含め、各部に必要な硬度を確保する事が難しくなる。
【００１４】
シェブロンブロックの発生を抑える為の別の方法として、前方押し出し加工時に、素材乃至中間素材を、例えば軸方向両側から強く押圧し（高い静水圧を加え）、これら素材乃至中間素材の内部を圧縮応力場にする方法も知られている。但し、この様な方法では、前記前方押し出し加工に使用する金型（パンチ及びダイス）として十分な強度及び剛性を有するものを使用する必要があり、この金型の制作費が嵩む。更には、プレス装置として、容量の大きな大型のものを使用する必要があり、この面からも設備費が嵩む。
【００１５】
上述の様なシェブロンクラックの発生防止の為の他の方法として従来から、前記特許文献５〜７に記載された技術が知られている。このうちの特許文献５に記載された従来技術は、変形抵抗比を抑えられる材料を使用するもの、特許文献６に記載された従来技術は、材料の加工硬化指数と各段階での減面率とを規制するもの、特許文献７に記載された従来技術は、マンガン当量と減面率とを規制するものである。これら特許文献５〜７に記載された従来技術の場合、条件さえ満たす事ができれば、前記シェブロンクラックの発生を抑えられると考えられる。但し、何れの場合も、金属材料（鋼材）の種類や減面率が制限される。本発明の製造方法の対象となる、ハブ本体９ａを造る為の段付の中間素材３０の場合、使用可能な金属材料の種類が限られる（多くの場合中炭素鋼を使用する）し、減面率に関しても、前記第一〜第三各円筒面部２５〜２７の直径の比をあまり小さくはできない為、条件を満たす事は難しい。従って、前記中間素材３０に関して、前記特許文献５〜７に記載された様な従来技術により、シェブロンクラックの発生を防止する事は難しい。
尚、本発明に関連する技術を記載した刊行物として、先に説明したものの他に、非特許文献２が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−１１１０７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１４２９８３号公報
【特許文献３】特開２００８−２９６６９４号公報
【特許文献４】特開２００９−２５５７５１号公報
【特許文献５】特開２０００−０４２６７６号公報
【特許文献６】特開２０００−３１２９４７号公報
【特許文献７】特開２００７−１３０６６１号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】木下修司、井上毅、秋田章二著、「鐵と鋼：日本鐵鋼協▲会▼々誌、６２（４）」、社団法人日本鉄鋼協会、１９７６年３月１０日、ｐ．１６５
【非特許文献２】加田修、戸田正弘、柳秀和著、「棒線材の高機能成形解析：新日鉄技報第３８６号」、株式会社新日本製鐵、２００７年、ｐ．５９−６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、使用する金属材料や形状が限られる場合にも、シェブロンクラックの発生を防止でき、しかも、材料の歩留が悪化したり、加工の手間が煩雑化するのを防止できる、段付円柱状部材の製造方法を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の段付円柱状部材の製造方法は、外周面に、外径が互いに異なる３箇所の円筒面部を、軸方向に関する位相をずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士を傾斜段部により連続させた段付円柱状部材を、冷間鍛造加工により造る。
この為に、円柱状の素材をダイスの成形用キャビティ内に押し込む事により、この素材の先端部乃至中間部の外径を縮めて、このうちの先端部に最も小径の第一円筒面部を、中間部にこの第一円筒面部よりも外径が大きな第二円筒面部を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部を、これら第一円筒面部と第二円筒面部との間に第一傾斜段部を、これら第二円筒面部と第三円筒面部との間に第二傾斜段部を、それぞれ形成する。
【００２０】
特に、本発明の段付円柱状部材の製造方法に於いては、前記第一傾斜段部を形成する為に、前記ダイスの内周面に設けた、部分円すい凹面状の第一加工用段差部の、前記素材及び前記成形用キャビティの中心軸に対する傾斜角度を、５０度以上とする。
尚、前記第一加工用段差部の傾斜角度の上限値は、例えば請求項２に記載した発明の様に、８０度以下、更に好ましくは７５度以下とする。前記第二傾斜段部を形成する為の、第二加工用段差部の、同方向に関する傾斜角度は、特に規制しないが、現実的には３０〜７０度、好ましくは３０〜５０度、より好ましくは４０〜４５度とする。
又、前記素材としては、例えば請求項３に記載した発明の様に、炭素含有量が０．４５重量％以上（好ましくは０．６１重量％以下）の炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１で、Ｓ４８Ｃ以上の機械構造用炭素鋼鋼材）とする。
更に、段付円柱状部材の用途は特に限定しないが、例えば、請求項４に記載した発明の様に、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を構成する為の中間素材とする。
【発明の効果】
【００２１】
上述の様に構成する本発明の段付円柱状部材の製造方法によれば、使用する金属材料や、段付円柱状部材の外面形状（第一〜第三各円筒面部の直径の比）が限られる場合にも、シェブロンクラックの発生を防止でき、しかも、材料の歩留が悪化したり、加工の手間が煩雑化するのを防止できる。又、設備コストが嵩む事もなくなって、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体の如き段付円柱状部材の製造コストの上昇を抑えられる。
【００２２】
即ち、本発明の段付円柱状部材の製造方法の場合には、段付円柱状部材の外周面のうちの軸方向２箇所位置に形成される第一、第二両傾斜段部のうちで、先端側の第一傾斜段部を形成する為の第一加工用段差部の傾斜角度を、５０度以上と、大きくしている。この為、パンチにより素材をダイスの成形用キャビティの奥に押し込んで塑性変形させる際に、この素材を構成する金属材料がこのキャビティの先端側に移動する事に対する抵抗が大きくなる。この結果、この金属材料の移動速度が抑えられて、前記素材から前記段付円柱状部材（中間素材）を造る過程、特に前記先端側の第一傾斜段部を形成する過程で、前記金属材料の移動速度が、各部分同士の間で大きく相違する事を防止できる。従って、前記第一傾斜段部の加工に伴って、この第一傾斜段部乃至は前記第一円筒面部の内部に、シェブロンクラックの発生に結び付くほど大きな引っ張り応力が作用する事がなくなる。
【００２３】
一方、前記第二傾斜段部に関しては、初めに加工される部であり、シェブロンクラック発生の要因の一つである、材料の加工硬化が生じていない。又、前記第二傾斜段部に関しては、第二加工用段差部による加工後、直ちに素材の先端寄り部分が前記第一加工用段差部に突き当たる。この状態で前記素材には、この第一加工用段差部によるこの素材の塑性変形に起因する、前記抵抗が加わる。従って、前記素材を前記段付円柱状部材に加工する過程で、前記第一、第二両傾斜段部同士の間部分（第二円筒面部の内径側に位置する部分）には、圧縮応力が作用する傾向になる。この圧縮応力は、前記シェブロンクラック発生の原因となる引っ張り応力を打ち消す（相殺する）方向に働く為、前記第二加工用段差部に関しては、特に傾斜角度を規制しなくても（５０度未満としても）、得られる段付円柱状部材の内部にシェブロンクラックが発生する事はない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の製造方法により造られる段付円筒状部材の断面図（Ａ）とこの段付円筒状部材を冷間鍛造する状態を示す断面図（Ｂ）。
【図２】第一、第二両傾斜段部を形成する為の、第一、第二両加工用段差部の傾斜角度が、素材内部のダメージ値に及ぼす影響を知る為に行った、第一のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフ。
【図３】同じく第二のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフ。
【図４】第一、第二両傾斜段部での減面率がダメージ値に及ぼす影響を知る為に行ったコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフ。
【図５】本発明の製造方法の対象となるハブ本体を組み込んだ、車輪支持用転がり軸受ユニットの１例を示す断面図。
【図６】冷間での鍛造加工により造られる、従来から知られたハブ本体の１例を示す、端面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）。
【図７】従来から知られているハブ本体の製造方法の１例に関して、側面形状の変化を工程順に示すと共に、一部に関して端面形状を示した図。
【図８】同じく側面形状乃至断面形状の変化を示す図。
【図９】同じく表面形状の変化を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の特徴は、前述の図１の（Ａ）に示す様な、外周面に、外径が互いに異なる第一〜第三各円筒面部２５〜２７を、軸方向に関する位相を互いにずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士をそれぞれ第一、第二両傾斜段部２８、２９により連続させた中間素材３０を形成する際に、内部にシェブロンクラックが発生するのを防止する点にある。即ち、前記第一、第二両傾斜段部２８、２９のうち、先端側の第一傾斜段部２８の、中間素材３０の中心軸に対する傾斜角度（成形用キャビティ３３の中心軸に対する第一加工用段差部３５の傾斜角度と同じ）βを、５０度以上、８０度以下（好ましくは７５度以下）とする。基端側の第二傾斜段部２９の傾斜角度αに関しては、３０〜７０度、好ましくは３０〜５０度の範囲、より好ましくは４０〜４５度とする。
【００２６】
前記第一、第二両傾斜段部２８、２９を形成する為の、第一、第二両加工用段差部３５、３７の傾斜角度β、αを上述の範囲に規制したダイス３２の成形用キャビティ３３内に素材１３を押し込む事により、段付円柱状部材である中間素材３０とする際に、前述した様な理由により、各部に大きな引っ張り応力が発生する事を防止できる。そして、前記素材１３乃至中間素材３０の内部にシェブロンクラックが発生する事を防止できる。本発明の場合には、前記第一加工用段差部３５の傾斜角度βを５０度以上にすれば、他の部分の形状及び寸法の自由度を大きくできる。即ち、後述する様に、小径、中径、大径各円筒面部３４、３６、３８の直径差（直径の比率）を特に限定しなくても、前記第一傾斜段部２８乃至は前記第一円筒面部２５の内部に、シェブロンクラックの発生に結び付くほど大きな引っ張り応力が作用する事がなくなる。又、前記第二傾斜段部２９乃至前記第二円筒面部２６の内部に関しても、前述した様な理由により、シェブロンクラックが発生する事はない。
【００２７】
尚、前記成形用キャビティ３３内に前記素材１３を押し込む事により得られた、前記図１の（Ａ）に示した中間素材３０には、前述の図７〜９の（Ｃ）→（Ｄ）→（Ｅ）｛→（Ｆ）｝に示した様な、更に必要な冷間鍛造加工、切削加工、研削加工を施して、ハブ本体９、９ａとする。前記中間素材３０のうちの第一傾斜段部２８乃至第一円筒面部２５部分は、このハブ本体９、９ａのうちの小径段部１２（図５〜６参照）となる。この際、前記第一傾斜面部２８は冷間鍛造により、この小径段部１２の奥端部に存在する、中心軸に対し直角方向に存在する段差面に加工する。この際の加工は、材料の移動量が少ないので、シェブロンクラックが発生する可能性は低い。又、第二傾斜段部２９部分には、必要な切削加工及び研削加工を施して、内輪軌道８（図５〜６参照）を設ける。この第二傾斜段部２９部分の傾斜角度は自由に設定できる事から、この内輪軌道８を設ける為の加工量を少なく抑えられる。
【実施例１】
【００２８】
本発明の効果を確認する為に行ったコンピュータシミュレーションの結果に就いて説明する。このコンピュータシミュレーションは、Ｓ５３Ｃ材（ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されている機械構造用炭素鋼鋼材）製で円柱状の、図７〜９の（Ａ）に示す様な素材１３に冷間で前方押し出し加工を施す事により、図１の（Ａ）に示す様な中間素材３０とした。前記素材１３として、外径Ｄ13（具体的には６０mm）と軸方向長さＬ13との比Ｄ13／Ｌ13が５／７のもの（Ｄ13／Ｌ13＝５／７）を使用する事とした。又、前記中間素材３０のうちで、最も大径の第三円筒面部２７の外径は、前記素材１３の外径と同じとした。又、前記中間素材３０の第一、第二両傾斜段部２８、２９の間隔（第二円筒面部２６の軸方向長さＬ26）は、前記素材１３の外径Ｄ13の１／５（Ｌ26＝Ｄ13／５）とした。更に、図２、３にそれぞれの結果を示したコンピュータシミュレーションの条件として、前記第二円筒面部２６の外径は、後述する減面率Ｒｄ０−１が１０〜７０％になる様に、前記第三円筒面部２７の外径は、後述する減面率Ｄｄ１−２が２０〜８０％になる様に、それぞれ設定した。
【００２９】
更に、上述した素材１３の各部の寸法のうち、前記第一、第二両円筒部２５、２６の外径以外の寸法に関する条件を同じとし、第一、第二両傾斜段部２８、２９（第一、第二両加工用段差部３５、３７）の傾斜角度β、α、前記第二傾斜段部２９部分での減面率Ｒｄ０−１、前記第一傾斜段部２８部分での減面率Ｒｄ１−２が、前記素材１３乃至前記中間素材３０に関するダメージ値Ｄｆに及ぼす影響を求めた。尚、ダメージ値Ｄｆとは、シェブロンクラックの解析（発生予測）に関するパラメータとして信頼性がある事が知られており、例えば非特許文献２にも記載されている。前記ダメージ値Ｄｆが、材料により定まる所定値Ｋ以上になると、シェブロンクラックが発生する。因みに前記Ｓ５３Ｃ材の所定値Ｋは、１５０ＭＰａ程度である。今回は、（コンピュータシミュレーションの対象として各種条件を変えて設定した）各試料のダメージ値Ｄｆを、次の（１）式で求めた。
【数１】
尚、この（１）式中、εfは、変形終了時（中間素材３０の加工終了時）の歪量を、σmaxは、最大主応力（加工工程中での各瞬間に各部に加わる応力のうちの最大値）を、ｄεeqは、加工工程中での各瞬間に於ける歪の増加量を、それぞれ表している。
【００３０】
上述の条件で行ったコンピュータシミュレーションの結果を、図２〜４に示した。これら各図のうちの図２は、横軸に前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βを、縦軸にダメージ値Ｄｆ（最大値）を、それぞれ表している。グラフ中に表した３種類の記号（▲、◆、■）は、図２中に示した様に、それぞれ前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αが異なる事（３０度、４５度、７０度）を表している。この様な図２から、前記ダメージ値Ｄｆは、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βに大きく影響され、この傾斜角度βが極く小さい（β＝１０度である）場合には前記ダメージ値Ｄｆも小さく抑えられるが、前記傾斜角度βが３０度程度にまで大きくなるとこのダメージ値Ｄｆが急激に大きくなる事が分かる。但し、前記傾斜角度βが３０度を越えて大きくなると、逆に前記ダメージ値Ｄｆが小さくなり、５０度を越えて大きくなると十分に小さくなり、しかも、前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αの影響も小さくなる事も分かる。
【００３１】
これらから、本発明の様に、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βを５０度以上にする事で、前記素材１３乃至中間素材３０の内部にシェブロンクラックが発生する事を十分に防止できる事が分かる。尚、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βが極く小さい（１０度）場合には、前記ダメージ値Ｄｆを低く抑えられる。これは、前記第一傾斜段部２８による絞り量が極く少ないので、金属材料の移動速度に余り差が生じる事がなく、前記素材１３乃至中間素材３０の内部に大きな引っ張り応力が発生しない為である。但し、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βが小さ過ぎて、後加工（小径段部１２を形成する為の切削加工）が面倒で、最終製品（ハブ本体９、９ａを組み込んだ車輪支持用転がり軸受ユニット１）の製造コストを抑える事ができない。
【００３２】
次に、図３は、横軸に前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αを、縦軸にダメージ値Ｄｆ（最大値）を、それぞれ表している。グラフ中に表した６種類の記号（×、▲、●、■、＊◆）は、図３中に示した様に、それぞれ前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βが異なる事（１０度、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度）を表している。この様な図３から明らかな通り、前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αの大小は、前記素材１３乃至中間素材３０の内部のダメージ値Ｄｆに余り影響しない。
【００３３】
次に、図４は、横軸に前記素材１３から前記第一円筒面部２５までの減面率（断面積の減少率）Ｒｄ０−２を、縦軸にダメージ値Ｄｆを、それぞれ表している。コンピュータシュミレーションの条件として、前記第一傾斜段部２８の傾斜角度βを６０度とし、前記第二傾斜段部２９の傾斜角度αを３０度とした。尚、前記図４の横軸に表した減面率Ｒｄ０−２とは、前記第二傾斜面部２９を境とした、前記第三円筒面部２７から前記第二円筒面部２６への減面率Ｒｄ０−１と、前記第一傾斜面部２８を境とした、この第二円筒面部２６から前記第一円筒面部２５への減面率Ｄｄ１−２とを合計したもの［Ｒｄ０−２＝（Ｒｄ０−１）＋｛１−（Ｒｄ０−１）｝×（Ｒｄ１−２）］である。尚、図４の横軸に記載した全体としての減面率Ｒｄ０−２の内訳（各段の減面率Ｒｄ０−１、Ｒｄ１−２）は、前記図４の右上部分に記載した通りである。この様な図４の記載から明らかな通り、前記各減面率Ｒｄ０−１、Ｒｄ１−２、Ｒｄ０−２は、余りダメージ値Ｄｆに影響しない。
【００３４】
以上に説明した、図２〜４にその結果を表したコンピュータシミュレーションの結果から明らかな様に、本発明の様に、前記第一傾斜段部２８を係止する為の第一加工用段差部３５の傾斜角度βを５０度以上とする事で、前記素材１３乃至中間素材３０の内部に、シェブロンクラックが発生する事を防止できる。尚、シェブロンクラックの発生防止を図る面からのみ考えれば、前記第一加工用段差部３５の傾斜角度βは、９０度近くまで大きくしても良い。但し、この傾斜角度βを８０度を越えて大きくすると、機械構造用炭素鋼鋼材等の炭素鋼に前方押し出し加工を施す際に、鍛造加工の分野で広く知られている様に、デッドメタルと呼ばれる欠肉が生じる。この様な欠肉を生じない様にする為に、前記傾斜角度βの最大値を８０度、好ましくは７５度程度に抑える。尚、前記コンピュータシミュレーションの結果は、前記素材１３の外径Ｄ13及び軸方向長さＬ13が多少異なった場合でも（外径が６０mmからずれたり、外径と軸方向長さとの比が５／７からずれた場合でも）、ほぼそのまま適用できる。特に、本発明が意図している、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を造る場合に関する限り、小型乗用車用から大型乗用車用まで、そのまま適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の段付円柱状部材の製造方法は、従動輪用の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を造る場合に、顕著な効果を得られる。但し、外周面の軸方向２箇所位置にそれぞれ傾斜段部を有する物品であれば、前記ハブ本体に限らず、当該物品の製造に適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ 外輪
３ ハブ
４ 転動体
５ 外輪軌道
６ 静止側フランジ
７、７ａ 回転側フランジ
８ 内輪軌道
９、９ａ ハブ本体
１０ 内輪
１１ ナット
１２ 小径段部
１３ 素材
１４ 第一中間素材
１５ 第二中間素材
１６ 第三中間素材
１７ スタッド
１８ 頭部
１９ 座面
２０ 第四中間素材
２１ 凹孔
２２ 円筒部
２３ 第五中間素材
２４ 軸部
２５ 第一円筒面部
２６ 第二円筒面部
２７ 第三円筒面部
２８ 第一傾斜段部
２９ 第二傾斜段部
３０ 中間素材
３１ パンチ
３２ ダイス
３３ 成形用キャビティ
３４ 小径円筒面部
３５ 第一加工用段差部
３６ 中径円筒面部
３７ 第二加工用段差部
３８ 大径円筒面部
３９ カウンタパンチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に、外径が互いに異なる３箇所の円筒面部を、軸方向に関する位相を互いにずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士を２箇所の傾斜段部により連続させた段付円柱状部材を冷間鍛造加工により造るべく、円柱状の素材をダイスの成形用キャビティ内に押し込む事により、この素材の先端部乃至中間部の外径を縮めて、このうちの先端部に最も小径の第一円筒面部を、中間部にこの第一円筒面部よりも外径が大きな第二円筒面部を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部を、これら第一円筒面部と第二円筒面部との間に第一傾斜段部を、これら第二円筒面部と第三円筒面部との間に第二傾斜段部をそれぞれ形成する段付円柱状部材の製造方法であって、前記第一傾斜段部を形成する為に、前記ダイスの内周面に設けた、部分円すい凹面状の第一加工用段差部の、前記素材及び前記成形用キャビティの中心軸に対する傾斜角度を、５０度以上とした事を特徴とする段付円柱状部材の製造方法。
【請求項２】
前記第一加工用段差部の傾斜角度が８０度以下である、請求項１に記載した段付円柱状部材の製造方法。
【請求項３】
前記素材が、炭素含有量が０．４５重量％以上の炭素鋼である、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した段付円柱状部材の製造方法。
【請求項４】
段付円柱状部材が、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を造る為の中間素材である、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した段付円柱状部材の製造方法。
【請求項１】
外周面に、外径が互いに異なる３箇所の円筒面部を、軸方向に関する位相を互いにずらせた状態で設け、隣り合う円筒面部同士を２箇所の傾斜段部により連続させた段付円柱状部材を冷間鍛造加工により造るべく、円柱状の素材をダイスの成形用キャビティ内に押し込む事により、この素材の先端部乃至中間部の外径を縮めて、このうちの先端部に最も小径の第一円筒面部を、中間部にこの第一円筒面部よりも外径が大きな第二円筒面部を、基端部に最も外径が大きい第三円筒面部を、これら第一円筒面部と第二円筒面部との間に第一傾斜段部を、これら第二円筒面部と第三円筒面部との間に第二傾斜段部をそれぞれ形成する段付円柱状部材の製造方法であって、前記第一傾斜段部を形成する為に、前記ダイスの内周面に設けた、部分円すい凹面状の第一加工用段差部の、前記素材及び前記成形用キャビティの中心軸に対する傾斜角度を、５０度以上とした事を特徴とする段付円柱状部材の製造方法。
【請求項２】
前記第一加工用段差部の傾斜角度が８０度以下である、請求項１に記載した段付円柱状部材の製造方法。
【請求項３】
前記素材が、炭素含有量が０．４５重量％以上の炭素鋼である、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した段付円柱状部材の製造方法。
【請求項４】
段付円柱状部材が、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成するハブ本体を造る為の中間素材である、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した段付円柱状部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３６２０８（Ｐ２０１２−２３６２０８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６０９４（Ｐ２０１１−１０６０９４）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]