WO2010013618A1

WO2010013618A1 - ワークピースの肥大加工方法

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Publication number: WO2010013618A1
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Inventors: 岡部永年; 山下英治
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Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2010-02-04
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Abstract

【課題】軸部材等のワークピースの一部に肥大部を安定して加工でき、また、その肥大部の形成に要求される駆動力の軽減を図ることができるワークピースの肥大加工方法を提供する。【解決手段】ワークピースの肥大加工方法は、ワークピース（Ｗ）に対し、初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる圧縮力を加えて、その内部エネルギを増大させる一方、その横断方向にはワークピース（Ｗ）の変形を弾性限度内に抑える交番剪断エネルギを加えて、この交番剪断エネルギによりワークピース（Ｗ）の増大した内部エネルギの一部を分解し、この分解により得られた分解エネルギの助けをかりてワークピース（Ｗ）の肥大予定域を肥大変形させ、ワークピース（Ｗ）に肥大部を形成する。

Description

ワークピースの肥大加工方法

　本発明は、塑性材料からなる且つ軸線を有するワークピースの一部、より詳しくは、ワークピースの外面の一部を肥大変形させる肥大加工方法に関する。

　塑性材料としての金属材料の軸部材に所望の段付き形状を提供する手法には、切削加工、プレス加工又は型鍛造加工等に加えて、軸肥大加工が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された加工方法は、軸部材の回転中、軸部材にその軸線方向の圧縮力を加える一方、曲げを加える。このような圧縮力及び曲げは軸部材における外周面の一部を塑性変形、即ち、肥大化させ、外周面の一部を肥大部に形成する。

　このような肥大加工方法によれば、切削加工とは異なり、切削屑の発生を招かず、また、加工時間の大幅な短縮が図られる。更に、肥大加工方法を実施する加工機は、プレス加工や型鍛造加工を実施する加工機に比べ、加工機の小形化や加工荷重の大幅の低減が可能となるので、肥大加工方法は近年注目されつつある。

特許第3788751号明細書

　特許文献１の肥大加工方法は塑性加工の機構原理に基づく。詳しくは、軸部材の回転中、軸部材はその軸線に対して３°～６°の曲げ角度に曲げられ、このような曲げは、軸部材に回転曲げ応力を繰り返して付加する。従って、特許文献１の肥大加工方法は上述の回転曲げ応力を肥大加工のための駆動力とし、軸部材に逐次的な塑性変形を発生させることでで、軸部材の一部を肥大させる。

　しかしながら、特許文献１の肥大加工方法の場合、軸部材の軸線方向に加えられる圧縮力は軸部材の肥大に伴う軸部材の軸線方向の収縮を補償する程度に小さく、具体的には、ワークピースの初期降伏強度よりも小さい。
　それ故、上述の肥大加工中、軸部材が上述の曲げ角度よりも大きく曲げられたとき、この曲げを受ける軸部材の部位は軸部材本来の軸線から大きく逸れるので、軸部材に座屈を招き易く、軸部材に肥大部を安定して加工することは難しい。

　本発明の目的は、ワークピースに座屈を招くことなく、ワークピースに肥大部を安定して形成でき、また、内部エネルギの分解に要求されるエネルギも少なくて済み、更には、加工中のワークピースの疲労損傷を確実に回避することができるワークピースの肥大加工方法を提供することにある。

　上記の目的を達成するため、本発明は、塑性材料からなるワークピースの外面に塑性的な肥大変形を発生させる肥大加工方法を提供し、ワークピースは軸線と、その外面に非拘束状態の肥大予定域を含む。詳しくは、本発明の方法は、ワークピースを保持し、このワークピースの内部エネルギを増大させるべく、ワークピースに初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる圧縮エネルギを加える一方、軸線と交差する横断方向にワークピースをその弾性限度内にて変形させる交番エネルギを加え、これにより、交番エネルギは、圧縮エネルギにより増加された内部エネルギの一部を分解して消費しながら、肥大予定域を塑性的に肥大変形させる。

　上述した本発明の方法によれば、交番エネルギはワークピースの横断方向でみてワークピースに弾性変形をもたらす程度の繰り返し応力を加えるに過ぎない。しかしながら、このような繰り返し応力は、前述の圧縮エネルギの付加により増大したワークピースの内部エネルギを有効に分解させるのに十分である。それ故、内部エネルギの分解から得られた分解エネルギの一部は、ワークピースを形成する塑性材料に塑性流動を発生させながら消費され、これにより、非拘束状態にあるワークピースの肥大予定域に塑性的な肥大変形が発生する。

　詳しくは、上述の繰り返し応力はワークピースの軸芯で最大、そして、ワークピースの外周ではゼロとなる。それ故、内部エネルギはワークピースの軸芯にて分解され、前述の塑性流動はワークピースの軸芯から誘発される。
　従って、ワークピースに対する前述の圧縮エネルギ及び交番エネルギの付与が維持されていれば、内部エネルギを分解して得た分解エネルギを消費しながら、つまり、分解エネルギの助けを借りて、ワークピースの肥大予定域にいわゆるメカニカルラチェット現象に基づく肥大変形が逐次的且つ確実に進行する。この結果、ワークピースの肥大予定域は所望の肥大部に形成される。

　具体的には、圧縮エネルギは、ワークピースをその軸線方向又は径方向の一方に圧縮する圧縮力であり、そして、交番エネルギは、ワークピースの横断面内に単位体積当たり所定の交番剪断エネルギとして加えられる。
　交番剪断エネルギは、ワークピースの軸線方向でみて肥大予定域の片側に位置付けられたワークピースの端部分を強制変位させることにより、ワークピースに繰り返し剪断応力を発生させるか、又は、ワークピースに交番衝撃トルクを付与することにより発生される。

　更には、ワークピースが中空の管部材である場合、前述の交番エネルギは音響エネルギによっても発生させることができる。具体的には、超音波はワークピースの一端を閉塞した状態で、ワークピースの他端から前記ワークピース内に導入される。
　一方、肥大予定域を肥大変形させるとき、外形拘束部材を使用することができる。この外形拘束部材は肥大予定域を囲んで配置され、この外形拘束部材の内面形状は肥大予定域を肥大加工して得られた肥大部の外周形状を決定する。例えば、外形拘束部材は、肥大部を傘歯車として形成するために使用できる。また、外形拘束部材は肥大部と一体的に結合されてよく、この場合、肥大部は外形拘束部材に圧力ばめ、即ち、肥大ばめによって結合される。

　前述したワークピースの端部分を強制変位させるための具体的な方式は、添付図面及び後述する発明を実施するための形態から明からとなる。

　本発明の肥大加工方法は、保持されたワークピースに対し、その初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる圧縮エネルギ及びワークピースの横断方向に弾性限度内にてワークピースを変形させる交番エネルギを加えることにより、ワークピースの肥大予定域を安定して肥大変形させる。本発明の場合、ワークピースに過大な交番エネルギを加える必要がないので、肥大加工中、ワークピースに座屈変形や疲労損傷が生じることはなく、ワークピースに所望の肥大部を確実に形成可能となる。

　また、肥大部の形成にはワークピース内にて増加された内部エネルギの一部が利用されるので、肥大変形の推進に要求される交番エネルギや肥大変形に伴う発熱を低減することができ、ワークピースの温度上昇は効果的に抑制される。この結果、本発明の肥大加工方法によれば、ワークピースを冷却しなくとも、青熱脆性等のワークピースの熱変質を防止ししつ、肥大加工の実施が可能となり、肥大加工の作業性は大きく改善される。

本発明の肥大加工方法の原理を概略的に説明するため図である。第１実施例の肥大加工方法を実施する加工機の概略図であり、（Ａ）はワークピースの加工前の加工機の状態を示し、（Ｂ）はワークピースの加工過程にある加工機の状態を示す。加工中にあるワークピースの状態を示し、（Ａ）は、ワークピースの回転数とワークピースに形成すべき肥大部の肥大率との関係、（Ｂ）は回転時定数と肥大率との関係、（Ｃ）はワークピースの圧縮応力と回転時定数との関係をそれぞれ示したグラフである。第２実施例の肥大加工方法を実施する加工機の一部、即ち、ワークピースの一端を保持する保持部材を示す目側面図である。図４のワークピースの他端を保持する回転部材内のスリーブホルダを示す平面図である。図５中、VI-VI線に沿うスリーブホルダの横断面図である。回転部材に対するスリーブホルダの偏心を示した図である。第３実施例の肥大加工方法を実施する加工機を示し、（Ａ）はワークピースの加工前の加工機の状態を示し、（Ｂ）はワークピースの加工過程にある加工機の状態を示す。第４実施例の肥大加工方法を実施する加工機を示し、（Ａ）はワークピースの加工前の加工機の状態を示し、（Ｂ）はワークピースの加工が完了した加工機の状態を示す。図８の駆動部材を往復回動させるための機構を示した図である。図８の受け部材の端面を示した図である。第５実施例の肥大加工方法を実施するために、図９の機構に代えてワークピースに衝撃トルクを加えるための機構を示した図である。第６実施例の肥大加工方法を実施する加工機の概略図である。第７実施例の肥大加工方法を実施する加工機の概略図である。第８実施例の肥大加工方法を実施する肥大加工機の概略図である。図１５の加工機にて使用される外形拘束部材の一例を示した図である。肥大部として形成された傘歯車を示した斜視図である。

　図１中、ワークピースＷは塑性材料、具体的には金属材料からなる軸部材で示されている。本発明の肥大加工方法は、ワークピースＷに圧縮エネルギとしてワークピースＷの初期降伏強度以上の圧縮応力を加えることにより、ワークピースＷの内部エネルギを増大させる一方、ワークピースＷにその軸線と交差する横断方向に交番エネルギを加えることで実施され、交番エネルギはワークピースＷに弾性限度内の繰り返し応力を加えてワークピースＷを変形させる程度に抑制されている。図１中、圧縮エネルギはワークピースＷの両端からワークピースＷの軸線方向に加えられる圧縮力で表されている。

　上述の交番エネルギがワークピースＷの横断方向に繰り返して加えられたとき、ワークピースＷの横断面内に繰り返し応力が発生する。このような繰り返し応力はワークピースＷの内部エネルギを分解し、分解エネルギを発生させる。このような分解エネルギの一部はワークピースＷに塑性流動を生じさせながら消費される。

　上述の繰り返し曲げ応力はワークピースＷの軸芯にて最大となり、そして、ワークピースＷの外周でゼロとなるので、上述の塑性流動はワークピースＷの軸芯から誘発される。それ故、ワークピースＷに対する圧縮エネルギ及び交番エネルギの付与が維持され、そして、ワークピースＷがその外周面に非拘束状態にある肥大予定域（図１の例では、ワークピースＷの軸線方向全域の外周面に相当）を有していれば、肥大予定域内ではワークピースＷの軸芯から誘発される塑性流動が分解エネルギの助けを借りながら促進され、肥大予定域はいわゆるメカニカルラチェット現象に基づき逐次的に肥大変形する。

　図２（Ａ），（Ｂ）は、第１実施例の肥大加工方法を実施するための加工機を概略的に示す。
　加工機は基準線Ｘと、一対のスリーブホルダ１，２とを含み、これらスリーブホルダ１，２は基準線Ｘ上に配置され、基準線Ｘに沿って互いに離間している。スリーブホルダ１は基準線Ｘの回りに回転可能であるとともに、基準線Ｘ上の、即ち、傾動中心Ｏを中心として傾動可能である。更に、図２の加工機は、基準線Ｘに対するスリーブホルダ１の傾動角θ及び傾動中心Ｏをそれぞれ調整可能である。

　一方、スリーブホルダ２は基準線Ｘの回りに回転自在に支持されているとともに、基準線Ｘに沿って移動可能、即ち、スリーブホルダ１に対して接離可能である。更に、スリーブホルダ２はスリーブホルダ１に向かう所定の加圧力を受けることができる。
　スリーブホルダ１，２はスリーブ孔をそれぞれ有し、これらスリーブ孔はワークピースＷの対応する側の端部をそれぞれ受入れ可能である。これらスリーブ孔内に受け入れられたワークピースＷの両端は支持部材４，５によりそれぞれ支持され、これら支持部材４，５は対応するスリーブホルダ１，２内にそれぞれ配置されている。それ故、ワークピースＷはその軸線が基準線Ｘに一致した状態で支持部材４，５間に挟み込まれている。本実施例の場合、ワークピースＷは金属材料からなる中実の軸部材である。

　図２（Ａ）は、スリーブホルダ１，２間にワークピースＷがセットされた初期状態、即ち、ワークピースＷが肥大加工される前の状態を示している。このようにワークピースＷが初期状態にあるとき、スリーブホルダ１，２は基準線Ｘに沿って所定の距離Ｌoだけ互いに離間している。この場合、ワークピースＷの肥大予定域はスリーブホルダ１，２から露出したワークピースＷの外周面にて規定され、且つ、非拘束状態にある。
　前述したスリーブホルダ１の傾動中心Ｏはスリーブホルダ１からスリーブホルダ２側に所定の距離だけ離れているが、肥大予定域内におけるワークピースＷの軸線上に存在する。

　上述の初期状態からスリーブホルダ２への加圧力の付与が開始されたとき、ワークピースＷはその軸線方向に圧縮エネルギ、即ち、圧縮力を受ける。このような圧縮力はワークピースＷにその初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させ、これにより、ワークピースＷの内部エネルギは増大する。このような圧縮状態にて、スリーブホルダ１の傾動を開始させながら、基準線Ｘの回りのスリーブホルダ１の回転が開始されれば、ワークピースＷはスリーブホルダ１，２とともにその軸線回りに回転し、一方、スリーブホルダ１とともに傾動中心Ｏに一致した曲げ中心から曲げられる。ワークピースＷの傾動角θは、ワークピースＷの曲げ変形がその弾性限度の変形内に収まるべく抑制されている。

　上述したワークピースＷの回転及び曲げ動作は、スリーブホルダ１内に位置付けられたワークピースＷの部位に強制変位を与える。このような強制変位は、ワークピースＷの軸線（基準線Ｘ）と直交する横断面内に前述した交番エネルギ、具体的には単位体積当たりに所定の交番剪断エネルギを発生させる。
　交番剪断エネルギはワークピースＷの横断面内に繰り返し剪断応力を加え、この繰り返し剪断応力は、前述の圧縮エネルギにより増大されたワークピースＷの内部エネルギの一部を分解する。この分解により得られた分解エネルギはワークピースＷ内にその軸芯からの材料の塑性流動を誘発させることによって消費される。

　従って、ワークピースＷに対する圧縮エネルギ及び交番剪断エネルギの付与が維持されていれば、ワークピースＷの肥大予定域内、即ち、非拘束状態にあるワークピースＷの部位内にて、材料の塑性流動は前述の分解エネルギの助けを借りて促進される。換言すれば、ワークピースＷの肥大予定域にてメカニカルラチェット現象に基づく肥大変形が発生し、図２（Ｂ）に示されるように、肥大予定域は径方向外側に向けて肥大変形し、ワークピースＷに肥大部Ｈが形成される。

　一方、このような肥大変形が逐次的に進行する従い、スリーブホルダ２に付与され続けている加圧力、即ち、圧縮エネルギ（圧縮力）はスリーブホルダ２をスリーブホルダ１に向けて移動させる。
　この後、上述の肥大部Ｈが所望の直径を有するカラーに成長し、且つ、スリーブホルダ１，２間の間隔がＬoからＬまで減少したとき、スリーブホルダ１の傾動角θは徐々に減少されながら、スリーブホルダ１は基準線Ｘ上に戻され、そして、スリーブホルダ１の回転が停止される。この後、加工済みのワークピースＷはスリーブホルダ１，２間から取り外される。

　上述の肥大加工の過程にて、ワークピースＷの曲げ、即ち、スリーブホルダ１の傾動角θや、ワークピースＷの曲げ中心Ｏの位置を制御することも可能である。これらの制御は、ワークピースＷの曲げをその弾性限度内に確実に抑制するばかりでなく、ワークピースＷの横断面内における繰り返し剪断応力の大きさや分布を適性化するために有効となり、肥大部Ｈの安定した成長を可能にする。

　なお、ワークピースＷの肥大変形は肥大部Ｈのみにて発現するものでなく、スリーブホルダ１，２内に位置するワークピースＷの部位にも生じる。それ故、ワークピースＷの肥大加工が進行するに連れて、スリーブホルダ１，２はワークピースＷの両端部を強固に把持する。それ故、スリーブホルダ１，２はワークピースＷのための特別なチャックを必要としない。

　図３中、（Ａ）はワークピースＷの圧縮応力及び傾動角θが所定の値にそれぞれ設定された状態で、ワークピースＷの肥大加工が実施されたとき、ワークピースＷの回転回数Ｎが増加するに連れて、ワークピースＷの肥大変形が進行することを表す。図３（Ａ）中、Ｄ_Ｎ／Ｄ_０は前述した肥大部Ｈの肥大率を示す。即ち、Ｄ_０，Ｄ_ＮはワークピースＷ本来の外径、肥大部Ｈの外径をそれぞれ示す。

　ここで、Ｄ_Ｎ／Ｄ_０は図３（Ａ）中に記載した式から求めることができ、式中の記号の意味は以下の通りである。
　ε_０：ワークピースＷの外径が２倍に肥大したときの平均軸方向歪み
　Ｎ_０：回転時定数
　Ｎ_０ ^＊：Ｎ_０のための曲げ角度依存係数
　σ_Ｃ：ワークピースＷの軸線方向の圧縮応力
　θ：傾動角
　α_１：Ｎ_０のための傾動角依存指数
　α_２：Ｎ_０のための加圧応力依存指数

　一方、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の結果をワークピースＷの回転回数をパラメータとして回転時定数Ｎ_０と肥大率Ｄ_Ｎ／Ｄ_０との関係に置き換えて示している。図３（Ｃ）は、傾圧縮応力θ_ＣをパラメータとしてワークピースＷの傾斜角θと回転時定数Ｎ_０との関係を示す。
　図３（Ａ）は、回転回数Ｎの上昇に連れて肥大率Ｄ_Ｎ／Ｄ_０が所定の値に収束すること、図３（Ｂ）は回転時定数Ｎ_０が小さい程、肥大率Ｄ_Ｎ／Ｄ_０が増大することを表している。そして、図３（Ｃ）から明らかなように、回転時定数Ｎ_０を一定にした状態で、同一の肥大率を達成するには、圧縮応力σ_Ｃを大きくし、且つ、傾動角θを小さくすればよいことが分かる。

　それ故、前述した実施例のように、ワークピースＷの圧縮応力がその初期降伏強度以上に大きくされ、一方、ワークピースＷにその弾性限度内の曲げ変形が生じる程度にワークピースＷの傾動角θが制限されていれば、ワークピースＷに対し、肥大部Ｈを迅速且つ有効に形成可能となる。
　即ち、図３（Ｃ）から明らかなように、前述した特許文献１に開示された従来の肥大加工方法は、ワークピースＷの圧縮応力を基本負荷とし、且つ、ワークピースＷの回転曲げによってワークピースＷに繰り返して加えられる引張・圧縮応力を逐次的な塑性変形の駆動力として、ワークピースＷの肥大加工を行う。

　これに対し、本発明の肥大加工方法は、ワークピースＷの圧縮応力（圧縮エネルギ）によりワークピースＷが蓄積している内部エネルギを増大させ、一方、ワークピースＷの回転曲げにより生じる交番剪断エネルギをトリガとして、増大された内部エネルギの一部を分解し、この分解により得られた分解エネルギを逐次的な塑性変形の駆動力としてワークピースＷの肥大加工を行う。

　それ故、本発明の肥大加工方法によれば、従来の方法に比べ、ワークピースＷに要求される傾動角θは１０分の１程度で済む。このことは、ワークピースＷの高速回転が可能となり、肥大加工に要求される時間もまた大きく短縮可能となることを意味する。
　図４～図７は、第２実施例の肥大加工方法を実施するための加工機の一部をそれぞれ概略的に示す。

　第２実施例の肥大加工機は、前述したスリーブホルダ２，１に対応する保持部材６及びスリーブホルダ７を備えている。図４に示されるように、保持部材６はワークピースＷの一端を固定して保持し、この実施例の場合、ワークピースＷは中空の軸部材である。一方、図５及び図６に示されるように、スリーブホルダ７はワークピースＷの他端を保持するが、このワークピースＷの他端はスリーブホルダ７に対して相対的に回転自在である。

　詳しくは、スリーブホルダ７はディスク形状の回転部材体８に取り付けられており、回転部材８の軸芯に対し、スリーブホルダ７は偏心可能である。具体的には、スリーブホルダ７は回転部材８の溝９に摺動自在に嵌合され、送りねじ１０により溝９に沿って移動可能である。更に、回転部材８はその軸線、つまり、ワークピースＷの軸線に対して傾動可能である。

　保持部材６とスリーブホルダ７との間にワークピースＷが保持されるとき、スリーブホルダ７は回転部材８と同心に配置されている。この状態で、ワークピースＷの両端は保持部材６及びスリーブホルダ７にそれぞれ保持される。この後、回転部材８が傾動されながら、スリーブホルダ７が回転部材８に対して所定の偏心量Ｅだけ偏心される。それ故、図７に示されるようにワークピースＷの他端は回転部材８と同心に位置付けられた位置Ｐoから偏心位置Ｐeに移動する。このようなワークピースＷの他端の移動は、図４中に破線で示されるように、回転部材８側に位置するワークピースＷの端部分Ｗｅに曲げを加える。ここでのワークピースＷの曲げ変形は第１実施例の場合と同様に、その弾性限度内に抑制されている。

　この状態で、回転部材８が回転されるとともに、ワークピースＷに保持部材６を介して加えられた加圧力がワークピースＷにその初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる。それ故、ワークピースＷをその軸線回りに回転させることなく、前述の端部分Ｗｅが首振り旋回運動する。このような首振り旋回運動はワークピースＷに強制変位を付与する。
　この強制変位は、スリーブホルダ７の偏心量Ｅに応じてワークピースＷの端部分Ｗｅを繰り返して曲げ、ワークピースＷの横断面内に繰り返し剪断応力、即ち、交番剪断エネルギを発生させる。それ故、ワークピースＷの肥大予定域は前述した第１実施例の場合と同様な原理に基づいて肥大変形し、これにより、肥大予定域に肥大部が形成される。

　スリーブホルダ７の偏心量Ｅや回転部材８の傾動角は調整可能であるので、第２実施例の加工機の場合でも、肥大加工の過程にて、首振り旋回運動の首振り角や首振り中心の位置を制御するのが好ましい。このような首振り角及び首振り中心の制御は、ワークピースＷに過大な交番剪断エネルギが加わるのを阻止する一方、成形すべき肥大部のサイズに応じて交番剪断エネルギの大きさ及び分布を適性にするうえで有効である。

　図８（Ａ，（Ｂ）は、第３実施例の肥大加工方法を実施するための加工機を概略的に示す。
　第３実施例の加工機もまた、第１実施例のスリーブホルダ１，２に対応するスリーブホルダ１１，１２を備えている。しかしながら、スリーブホルダ１１，１２が保持するワークピースＷは軸部材ではなく、帯状の板材である。
　詳しくは、スリーブホルダ１１，１２はワークピースＷの両端部を受け入れ可能な矩形の孔をそれぞれ有する。スリーブホルダ１１，１２は基準線Ｘの回りに回転されるのではなく、スリーブホルダ１１のみが基準線Ｘを中心として交番的に傾動可能である。このようなスリーブホルダ１１の交番的な傾動は、ワークピースＷの端部分Ｗｅに振り子振動を付与する。この振り子運動はワークピースＷの広い面と直交する方向にワークピースＷの端部分Ｗｅを往復的に傾動させ、端部分Ｗｅに強制変位を与える。

　それ故、第３実施例の場合にも、端部分Ｗｅはその弾性限度内の変形に制限された状態で繰り返して曲げられ、ワークピースＷの横断面内に繰り返し剪断応力、即ち、交番剪断エネルギが加えられる。一方、ワークピースＷにスリーブホルダ１２を介して加えられる加圧力により、その初期降伏強度以上の圧縮応力がワークピースＷに加えられれば、交番剪断エネルギ及び圧縮応力（圧縮エネルギ）は前述の実施例の場合と同様なメカニカルラチェット現象に基づき、スリーブホルダ１１，１２間のワークピースＷの肥大予定域に肥大部Ｈを形成する。第３実施例の場合、スリーブホルダ１１，１２、即ち、ワークピースＷはその軸線回りに回転されないので、ワークピースＷの肥大部ＨはワークピースＷの両面からそれぞれ突出したリブとして形成される。

　なお、本実施例でも、肥大加工中、スリーブホルダ１１の交番傾動の傾動角や傾動中心の位置は制御され、この結果、ワークピースＷに過大な交番剪断エネルギが付加されることはなく、交番剪断エネルギの適性化が達成される。

　図９（Ａ），（Ｂ）は、第４実施例の肥大加工方法を実施するための加工機を概略的に示す。
　第４実施例の加工機は、第１実施例のスリーブホルダ１，２に対応するスリーブホルダ２１，２２をそれぞれ備えている。スリーブホルダ２１は基準線Ｘの回りに回転可能であるのに対し、スリーブホルダ２２は回転不能である。

　より詳しくは、本実施例の場合、ワークピースＷは中実の軸部材であり、ワークピースＷの両端部はスリーブホルダ２１、２２にそれぞれ挿入されている。スリーブホルダ２１，２３内には支持部材２３，２４が配置され、これら支持部材２３，２４は段付きの円筒形状をなしている。ワークピースＷの両端は支持部材２３，２４の内端、即ち、小径端にて支持され、これにより、ワークピースＷは支持部材２３，２４間に挟持されている。更に、スリーブホルダ２１内にはスリーブ形状のスペーサ２５が配置されており、このスペーサ２５はスリーブホルダ２１と協働して支持部材２３及びワークピースＷの端部部分を囲んでいる。

　支持部材２３の外端、即ち、その大径端は駆動部材３６に連結され、この駆動部材３６は筒形状をなし、スリーブホルダ２１の外側に配置されている。駆動部材２６はスリーブホルダ２１とは反対側に位置した外端面を有し、この外端面の外周部には突起２７が形成されている。この突起２７は基準線Ｘに沿って突出され、図１０から明らかなように扇形に形成されている。突起２７はクランクリンク２８の一端部に嵌合されており、クランクリンク２８の他端部は連接ロッド２９の一端に連結されている。連接ロッド２９の他端は減速機付きモータ３０の出力軸３０ｄに偏心して取付けられている。

　上述の第４実施例の加工機によれば、モータ３０が駆動されたとき、モータ３０の回転は連接ロッド２９、クランクリンク２８及び突起２７を介して駆動部材２６に伝達され、駆動部材２６の往復スイング運動に変換される。この結果、駆動部材２６は基準線Ｘを中心とする所定の角度範囲内にて支持部材２３を往復回転させる。
　更に、図１１に示されているように支持部材２３，２４の内端面には複数の歯３１が形成されており、これらの歯３１は対応する内端面の周方向に等間隔を存して配置されている。

　支持部材２３，２４の内端間にてワークピースＷが挟持され、一方、ワークピースＷに支持部材２４を介して加圧力が加えられたとき、支持部材２３，２４の歯３１は対応する側のワークピースＷの端面に噛み込む。それ故、支持部材２３，２４はワークピースＷと一体的に結合される。ワークピースＷの両端面は切断されたままの粗面であるのが好ましい。この場合、ワークピースＷの両端面への歯３１の噛み込みがより深くなり、支持部材２３，２４はワークピースＷをしっかりと挟持することができる。

　前述したように支持部材２４内のワークピースＷの端部は回転不能であり、そして、支持部材２３，２４はワークピースＷと一体的に結合され、更に、前述の加圧力はワークピースＷにその初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させている。このような状態で、支持部材２３に往復スイング運動が付与されたとき、この往復スイング運動はスリーブホルダ２１側のワークピースＷの端部分にその軸線を中心とした交番捻り（円弧）運動を付与するので、ワークピースＷにはその弾性限度内での強制変位が与えられる。

　詳しくは、上述の交番捻り運動はワークピースＷの横断方向に交番剪断エネルギを付与し、この交番剪断エネルギはワークピースＷ内を伝播する。それ故、スリーブホルダ２１，２２間のワークピースＷの肥大予定域にはその横断面内に繰り返し剪断応力が加えられる。この結果、前述の実施例の場合と同様に、ワークピースＷの肥大予定域はメカニカルラチェット現象に基づいて肥大変形し、図９（Ｂ）に示されるような肥大部ＨがワークピースＷに形成される。

　本実施例の場合にも、肥大加工中、ワークピースＷの捻り角はワークピースＷに対する過大な交番剪断エネルギの発生を防止し、且つ、交番剪断エネルギの適性化を図るべく制御されている。
　前述した第１～第４実施例は何れも、ワークピースＷの端部分に強制変位を与えることで、ワークピースＷに単位体積当たりの交番剪断エネルギを発生させている。しかしながら、本発明は、ワークピースＷの端部分を強制変位させる代わりに、ワークピースＷの端部分に交番剪断エネルギとして交番衝撃トルクを加えることでも、メカニカルラチェット現象に基づきワークピースＷの肥大予定域を肥大変形させることができる。

　具体的には、図１２は第５実施例の肥大加工方法を実施するための加工機の一部を示しており、この加工機はワークピースＷに交番衝撃トルクを加える。第５実施例の加工機は、第４実施例の加工機と対比したとき、駆動部材２６の突起２７とクランクリンク２８との間に遊び、即ち、ギャップＧが確保されている点のみで相違する。
　それ故、クランクリンク２８が往復スイング運動されたとき、クランクリンク２８は突起２７を介して駆動部材２６、即ち、ワークピースＷに交番衝撃トルクを加えることができる。

　このような交番衝撃トルクはワークピースＷの横断面に交番的な捻り剪断応力波（交番剪断エネルギ）を発生させる。このような捻り剪断応力波はワークピースＷ内を伝播し、前述の実施例の場合と同様に、メカニカルラチェット現象に基づきワークピースＷの肥大加工域に肥大部を形成する。

　更に、図１３は、第６実施例の肥大加工方法を実施するための加工機を示す。この図１３の加工機は振動発生器３２を備え、この振動発生器３２はワークピースＷの横断面に曲げ又は捻りの振動を付与する。このような曲げ又は捻りの振動もまたワークピースＷ内に交番的な捻り剪断応力波（交番剪断エネルギ）を発生させることができる。この結果、図１３の加工機もまた、前述の実施例の場合と同様にメカニカルラチェット現象に基づき、ワークピースＷに肥大部を形成することができる。

　一方、ワークピースＷが中空の管部材である場合、図１４に示される第７実施例の肥大加工方法を採用することも可能である。第７実施例の肥大加工方法を実施する加工機は、ワークピースＷの一端を閉塞する閉塞板３４と、ワークピースＷの他端側に配置された音響エネルギの発生源、具体的には超音波発生器３３とを含む。超音波発生器３３はワークピースＷの他端からワークピースＷ内に超音波を導入する。導入された超音波は振動エネルギの一種であるので、超音波はワークピースＷの中空内を伝播し、ワークピースＷの横断面内に単位体積当たり所定の交番剪断エネルギを加える。それ故、図１４の加工機もまた、前述の実施例の場合と同様にメカニカルラチェット現象に基づき、中空のワークピースＷの肥大予定域に肥大変形を形成することができる。

　ワークピースＷの肥大加工に超音波等の音響エネルギを使用する場合、ワークピースＷ内を伝播する超音波は定常波でないのが好ましく、この場合、超音波はワークピースＷの横断面に交番剪断エネルギを効力良く加えることができる。
　更に、図１５は、第８実施例の肥大加工方法を実施するための加工機を示す。図１５の加工機は、第１～第６実施例の加工機と対比したとき、外形拘束部材３５を更に含んでいる点でのみ相違する。

　具体的には、外形拘束部材３５は雌タイプの成形型であり、多角形、内歯形状又は段付き形状の内面形状を有する。このような外形拘束部材３５は、ワークピースＷの肥大予定域を囲むようにて配置されている。この場合、外形拘束部材３５内にてワークピースＷに肥大部が形成され、肥大部の外形形状は外形拘束部材３５の内面形状によって決定される。即ち、肥大部は外形拘束部材３５の内面形状に一致した外面形状を有する。それ故、肥大部は、多角形、ギヤ或いは段付き形状等の任意の最終的な形状に成形され、肥大部に対する後加工は不要となる。

　外形拘束部材３５が雌タイプの成形型として使用される場合、このような成形型はその摩耗や塑性変形を防止するため、焼入等の硬化処理を受けている。このため、成形型の内面に角部が存在する場合、ワークピースＷの肥大加工中、角部への応力集中に起因して成形型に亀裂が発生する虞がある。このような虞を防止するには、例えば成形型が六角孔の内面形状を有する場合、図１６に示されるように外形拘束部材３５はその内面に６個ずつの円孔３６及び径方向スリット３７を含む。各径方向スリット３７は六角孔の対応する角にて開口する一端と、円孔３６に接続された他端とを有する。このような円孔３６及びスリット３７は、応力集中に起因する外形拘束部材３５の亀裂を確実に防止する。

　外形拘束部材３５として傘歯車を形成する成形型が使用された場合、図１７は、その成形型を使用してワークピースＷに形成された肥大部、即ち、傘歯車を示す。
　更に、外形拘束部材３５はワークピースＷの肥大部と一体に結合されてもよい。この場合、外形拘束部材３５とワークピースＷの間の肥大部は圧力ばめの一種である肥大ばめを実現する。

　本発明は上述の第１～第８実施例にも制約されるものではない。
　例えば、ワークピースは軸部材や板材に限られるものではなく、種々の形状を有することができる。また、ワークピースに加えられるべき交番エネルギは、第１～第７実施例に開示された強制変位と、振動又は音響のエネルギとの組み合わせによって得ることも可能である。

　更に、ワークピースに加えられるべき圧縮エネルギは、ワークピースをその径方向に加圧することによっても得ることができる。具体的には、この場合、ワークピースには例えば中空の管部材が使用され、このようなワークピースにはその外周面の一部に雌タイプの成形型、具体的にはラック歯を形成するための成形型が押圧されル。即ち、成形型はワークピースに対し、その径方向の圧縮エネルギを加える。
　この状態で、ワークピースに前述した交番捻り運動、即ち、交番剪断エネルギが加えられれば、ワークピースの肥大部が成形型内にて成長し、ワークピースはラックに形成される。

　更に、前述したワークピースＷに付与される傾動運動、首振り運動、又は、振り子運動の中心が必ずしも肥大予定域内に位置付けられることはない。例えば、図２の実施例の場合、ワークピースＷの傾動中心Ｏは一方のスリーブホルダ内に位置付け可能である。
　更にまた、ワークピースＷは金属材料に限らず、セラミック焼結体等の非金属材料から形成されていてもよく、要は塑性変形可能であればよい。
　最後に、図示された加工機に種々な変更を加えることも勿論可能である。

１，２　　　　　スリーブホルダ
４，５　　　　　支持部材
６　　　　　　　保持部材
７　　　　　　　スリーブホルダ
８　　　　　　　回転部材
９　　　　　　　溝
１０　　　　　　送りねじ
１１，１２　　　スリーブホルダ
２１，２２　　　スリーブホルダ
２３，２４　　　支持部材
２５　　　　　　スペーサ
２６　　　　　　駆動部材
３０　　　　　　モータ
３２　　　　　　振動発生器
３３　　　　　　超音波発生器
３４　　　　　　閉塞板
３５　　　　　　外形拘束部材
Ｈ　　　　　　　肥大部
Ｗ　　　　　　　ワークピース
Ｘ　　　　　　　基準線

Claims

　塑性材料からなるワークピースの外面に塑性的な肥大変形を発生させる肥大加工方法であって、前記ワークピースは軸線と、前記外面に非拘束状態の肥大予定域を含む、前記方法は、
　前記ワークピースを保持し、
　前記ワークピースの内部エネルギを増大させるべく、前記ワークピースに初期降伏強度以上の圧縮応力を発生させる圧縮エネルギを加える一方、前記軸線と交差する横断方向に前記ワークピースをその弾性限度内にて変形させる交番エネルギを加え、これにより、
　前記交番エネルギは、前記圧縮エネルギにより増加された前記内部エネルギの一部を分解して消費しながら、前記肥大予定域を塑性的に肥大変形させる。
　前記圧縮エネルギは、前記ワークピースをその軸線方向又は径方向の一方に圧縮する圧縮力である、請求項１の方法。
　前記交番エネルギは、前記ワークピースの横断面内に単位体積当たり所定の交番剪断エネルギとして加えられる、請求項２の方法。
　前記交番剪断エネルギは、前記軸線方向でみて前記肥大予定域の片側に位置付けられた前記ワークピースの端部分を強制変位させることにより、前記ワークピースに繰り返し剪断応力を発生させる、請求項３の加工方法。
　前記端部分の強制変位は、前記ワークピースをその軸線回りに回転させる回転と、前記軸線上に曲げ中心を有する前記端部分の曲げとの組み合わせにより発生される、請求項４の方法。
　前記肥大予定域が肥大変形される過程にて、前記端部分の曲げ角及び曲げ中心の位置は、前記交番剪断エネルギの過度な付与を阻止すべく制御される、請求項５の方法。
　前記端部分の強制変位は前記端部分の首振り旋回運動によって発生され、この首振り旋回運動は前記軸線上に中心を有する、請求項４の方法。
　前記端部分の強制変位は前記端部分の振り子運動によって発生され、この振り子運動は前記軸線に中心を有する、請求項４の方法。
　前記端部分の強制変位は、前記軸線を中心とした前記端部分の交番捻り運動によって発生される、請求項４の方法。
　前記交番剪断エネルギは、前記ワークピースに交番衝撃トルクを付与することにより発生される、請求項３の方法。
　前記交番剪断エネルギは、前記ワークピースに曲げ又は捻りの振動を付与することにより発生される、請求項３の方法。
　前記ワークピースが中空の管部材である場合、前記交番エネルギは、前記ワークピースの一端を閉塞した状態で、前記ワークピースの他端から前記ワークピース内に導入した音響エネルギにより発生される、請求項２の加工方法。
　前記肥大予定域は外形拘束部材により囲まれ、この外形拘束部材の内面形状は前記肥大予定域を肥大加工して得られた肥大部の外周形状を決定する、請求項１の方法。
　前記外形拘束部材は肥大部を傘歯車に形成する、請求項１３の方法。
　前記外形拘束部材は前記肥大部と一体的に結合される、請求項１３の方法。