Workpiece and a manufacturing method thereof provided in the manufacture of gear

本発明は、ワークピースに関するものであり、当該ワークピースははすば歯（helical teeth）または渦巻き歯（spiral teeth）を有する歯車（toothed wheel）を製造するために提供され、改良された材料の性質を有し、さらに、本発明は、この歯車を製造する方法に関する。

歯車は、主に３つの方法で製造することができる、すなわち、たとえば、鋳造処理または焼結処理などのマスター成形処理、たとえば、鍛造処理、圧縮処理、引抜き処理、圧延処理または打抜き加工などの変形処理、または、機械加工処理である。

マスター成形処理は、さほど高負荷がかからない歯車に用いられる。
しかしながら、価格−効果的な製造は、高くない成形精度が伴う。

高負荷がかかる歯車の場合において、金属−切断処理が多く用いられる。
これらの処理は、一般に、マスター成形処理または変形処理を用いた場合の精度より高レベルの精度のものを製造する。

歯車は、しばしば、金属の棒状の未処理の素材（金属の素材） （metal, bar-like blank）から製造される。 変形処理、たとえば、押出し処理または鍛造処理によって、素材は、先ず所望の形状に作られる。 それに続く、変形されたワークピースを機械加工処理することにより、最終的に歯がそのワークピースに作製される。

製造の結果として金属内に提供された内包物（inclusions）、たとえば、偏析物（segregations）が、金属の棒状の未処理の素材中に存在し、また、製造の結果として、軸方向に伸びる小さな針状の繊維（ファイバ）として存在する。 これらの繊維は、たとえば、高々、約１００マイクロメートルの長さ、および、たとえば、高々、約２マイクロメートルの直径を持つ。

もし、たとえば、シャフトを有する歯車の構成要素が、素材から機械加工処理によって直接製造される場合、そのとき、軸方向に延びる繊維は、その構成要素の表面の上、特に、歯車の歯元の面、および、歯車のヘッドおよび／またはシャフトの段（steps）に現れる。 表面に現れる繊維は、構成要素の材料の性質に否定的な効果をもたらす。 このことは、たとえば、摩耗の増加および疲労の徴候をもたらす。

文献ＥＰ１６７４１７２Ａ１は、金属構成要素、特に、内燃機関の注入ノズルの圧縮強度を向上させる方法を開示する。 この文献に記載された発明の目的は、押出し処理による塑性変形によって、構成要素の外側の幾何学的形状（outer geometry）に沿って、それゆえ、また、更なる工程において構成要素内に形成された注入チャネルにも沿って、 繊維の内包物の方向を整列することにある。

上述した方法は、材料（素材）の性質において、特に、はすば歯または渦巻き歯を持つ歯車を製造する場合において、何らかの向上を提供しないことが示されている。
はすば歯または渦巻き歯、また、スパイラル歯車とも呼ばれるものは、 歯車の構成要素の軸方向に沿っては延びておらず、むしろ、ある角度（ヘリカル角度（helix angle）、らせん角度（spiral angle））において、それに関して、傾斜して延びている。 その結果として、特に、はすば歯または渦巻き歯を有する歯車において、繊維が歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）に現れる。 このことは、歯元の摩耗の増加、耐点食性（pitting resistance）の低下、および、歯の破損など、歯の根元への損傷の危険の増加をもたらす。

したがって、本発明の目的は、最終の構成要素の材料の性質が改善されるように、はすば歯または渦巻き歯を有する歯車の製造のためのワークピースを簡単な方法で機械加工処理することにある。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。 従属請求項は、特に有益な方法において、本発明の中心の構想を発展させる。

本発明の第１の観点によれば、ワークピースが、はすば歯または渦巻き歯を有する歯車の製造のために提供される。
そのワークピースは、金属または金属合金からなる実質的に回転対称な本体（body）によって形成される。
更に、ワークピースは、少なくとも、その軸方向の長さの部分にわたって捩られている（twisted）。

ワークピースの捩り、たとえば、歯車を製造するための素材の捩りは、機械加工処理後の繊維の内包物の方向が、後に製造された歯車の構成要素の外側の幾何学的形状に対して好適に位置するように、 はすば歯または渦巻き歯の作製の前に、ワークピースの軸方向に延びている繊維の内包物の方向を変化させる。
外側の幾何学的形状は、たとえば、歯車の歯によって形成される。
利益的には、その後の歯車の構成要素の機械加工処理の場合において、たとえば、ブランキングあるいは圧延加工処理によって、その時には、繊維の内包物が、表面に傾斜して、または、らせんの形状で延びている歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）と平行に、実質的に歯の幅全体に横たわっている。 繊維の内包物の方向が新たに整列されたため、それゆえ、繊維の内包物は、機械加工処理後の機械加工処理された表面から、もはや突出せず、実質的に突出しない。 このようにして、材料（素材）の性質の改善が達成され、たとえば、耐摩耗性および耐点食性が増加し、歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）の根元が破損するという危険が低下する。

利益的には、ワークピースは、棒状に形成されている。

棒状に形成されたワークピースは、当該ワークピースをその長手方向に簡単かつ均一に捩ることができる。
更に、変形により、たとえば、押出し処理によって歯車を製造するための素材は、棒として提供され、これにより、これらのワークピースは、歯車を製造するための同じ機械および同じ方法を用いて処理することができる。 歯車を製造するための付加的または新たな機械の使用が要求されない。

利益的には、棒は、端部の領域において捩られている。

このことは、たとえば、一体的に形成されたシャフトを有する歯車の製造において利益がある。 シャフトを有する歯車の場合、作製すべき歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）の領域のみが、それゆえ、捩られている。 当該シャフト、および、また当該シャフトと一体に形成された歯車は、それゆえ、特定の方法で整列された繊維の内包物の方向を持ち、最適な材料の性質を持つ。

利益的には、ワークピースは、軸方向に指向する繊維の内包物を具備する。 これらの繊維の内包物は、捩られている領域において、ヘリカルに（helically）整列されている。

このように、材料の繊維の内包物の方向を、表面の形状（surface progression）に、即ち、たとえば、はすば歯または渦巻き歯を有する歯車の歯に適合させることができる。

利益的には、ワークピースは、その軸方向の部分にわたって異なる広がりで捩られる。

このように、材料の繊維の内包物の向きを適合させることができ、特に、歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）の幅にわたって修正された渦巻き角度を持つ渦巻き歯の場合において、渦巻き角度に最適に適合させることができる。

本発明の第２の観点は、歯車に関するものであり、その歯車は、製造の結果としての繊維の内包物（fibre inclusions）を有する金属あるいは金属合金から成る。 歯車は、はすば歯あるいは渦巻き歯を具備する。 歯車の材料は、繊維の内包物が実質的に歯に沿って整列されるように、はすば歯または渦巻き歯の領域でヘリカルに捩られている。

本発明の第２の観点に係る歯車は、繊維の内包物の方向（fibre course）を有し、当該繊維の内包物の方向は、はすば歯または渦巻き歯の表面の形状に続けられて実質的にヘリカルに整列されている。 それゆえ、繊維の内包物は、機械加工処理された表面から、もはや突出せず、あるいは、僅かな広がりで突出する。 それゆえ、歯車は、大きな耐摩耗性および耐点食性、歯の根元が破損する危険が低下するという、改善された材料の性質を持つ。

本発明の第３の観点は、本発明に基づく歯車を製造する方法に関する。 歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）は、金属または金属合金からなる実質的に回転対称なワークピースに作製される。 この方法は、製造の結果としての材料中の繊維の内包物が歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）に続いて実質的にヘリカルに整列するように、ワークピースが更に捩りの処理に支配されることを特徴とする。

ワークピースを捩る付加的な工程は、歯車を製造するための本発明に基づく方法によって、繊維の内包物の方向がその性質を向上している材料に効果をもたらすように、繊維の内包物を整列させる。 このことは、繊維の内包物がはすば歯または渦巻き歯に続いて実質的にヘリカルに整列されたときの歯車の場合である。

利益的には、ワークピースは、歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）の作製よりも先に捩りの処理に支配される。

歯（たとえば、はすば歯または渦巻き歯）の作製よりも先に、ワークピースは、棒の形状に形成される。 それゆえ、ワークピースの取り扱いが容易であり、ワークピースを柔軟に捩ることができる。 この方法において、繊維の内包物の方向は、簡単な方法で材料中において任意に整列される。

本発明によれば、最終の構成要素の材料の性質が改善されるように、はすば歯または渦巻き歯を有する歯車の製造のためのワークピースを簡単な方法で機械加工処理することができる。

図１ａは、繊維の内包物を有するワークピースの概略を示す図である。 図１ｂは、繊維の内包物を有し、部分的に捩られたワークピースの概略を示す図である。 図１ｃは、繊維の内包物を有し、ワークピースの全体が捩られたワークピースの概略を示す図である。

図２ａは、シャフトを有する構成要素およびはすば歯を有する平歯車の概略を示す図である。 図２ｂは、シャフトを有する構成要素および渦巻き歯を有する双曲線歯車の概略を示す図である。

本発明の更なる特徴、利点および性質は、例示された実施形態および添付図面を用いて、説明される。

図１ａは、回転対称の本体１を示し、以下、これをワークピースとして参照される。 ワークピース１は、好適には、金属または金属合金で形成される。 このワークピース１は、好適には、その全長Ｌにわたって、同一の断面を有する。 それゆえ、ワークピース１は、好適には、棒状に形成されている。

この形状には利点があり、それは、棒状のワークピースが変形により、歯車を製造するための材料の開始材料（starting material）として、従来、用いられるためである。 これに加え、棒状に形成されたワークピースは、簡単な方法で取り扱い、捩ることができる。 それゆえ、付加的な機械の使用、および、価格のかかる製造または捩りの方法の使用が要求されない。

ワークピース１の材料は、製造の結果としての非金属の内包物８を具備する。 これらの内包物８は、以下、繊維（ファイバ）または繊維の内包物として参照付けられ、繊維または針の形状において、ワークピースの軸方向に延びている。 繊維の内包物８は、たとえば、高々、約１００マイクロメートルの長さ、および、高々、約２マイクロメートルの直径を持つ。

図１ｂおよび図１ｃは各々、ワークピース１のような、ワークピース２，３を示しており、ワークピース２，３は、長さＬＴにわたって、反時計方向Ｔに捩られている。 長さＬＴは、本体２，３の全体の長さＬよりも短いか、または、等しい。

ワークピース２，３の捩られた領域において、繊維の内包物８は、捻りの方向Ｔに対応して整列されている。 線９は、繊維の内包物の方向の整列を参照付けている。 それゆえ、繊維の内包物は、好適には、ヘリカルに（helically）整列される。 材料を捩ることによって生成されるべき他の整列もまた可能である。

ワークピース２，３は、それゆえ、ワークピース２，３の材料に含まれる繊維の内包物 ８の繊維方向９が、その後の製造されるべき構成要素の外側の幾何学的形状（outer geometry）に関して都合良く位置づけられるように、好適に捩られており、つまり、繊維方向９は、それゆえ、構成要素の表面の形状に対して最適に整列されている。 外側の幾何学的形状は、歯車の歯によって、好適に形成される。 表面の形状は、それゆえ、たとえば、はすば歯または渦巻き歯を有する歯車の歯によって形成される。 この場合における、「都合良く整列された」とは、繊維の内包物 ８が、歯またはそれらの歯元の面と実質的に平行して、歯（はすば歯または渦巻き歯）の幅全体にわたって位置し、ワークピース２，３の表面に傾斜して、または、ヘリカルの形状に続いて延びていることを意味すると理解される。

繊維方向９の新たな整列により、繊維８は、それゆえ、歯（はすば歯または渦巻き歯）を製造するための機械加工処理後、機械加工処理された表面から、もはや突出することはなく、あるいは、実質的にも突出しない。 このように、材料の性質の改善が実現され、耐摩耗性および耐点食性が向上し、歯元が破損する危険が低下する。

長さＬＴは、好適には、ワークピース２，３の領域にわたって延びており、そこにおいて、はすば歯または渦巻き歯が作製され、または、そこにおいて、捩ることにより、更なる利益的な材料の性質が特定の方法において整列された繊維方向９に依存して望まれている。

もし、最終の構成要素が、たとえば、歯車に加えてシャフトを具備する場合、長さＬＴは棒状のワークピース２の端部の領域のみに好適に設けられる。

したがって、作製すべき歯（はすば歯または渦巻き歯）の領域のみが捩られる。 シャフトを有する歯車の場合においては、シャフト、および、シャフトと共に一体に形成されている歯車は、特定の形状に整列された繊維方向９に依存して、最適な材料の性質を有する。

また、ワークピース２，３を、少なくとも、その長さＬの部分ＬＴにおいて、異なる広がりで捩ることも可能である。 それゆえ、材料の繊維方向９を、表面の形状（surface progression）、すなわち、たとえば、歯車の歯の形状（progression）に最適に適合させることができる。 特に、歯の幅にわたって修正されたらせん角度（spiral angle）を持つ渦巻き歯の場合、このようにして、材料の繊維方向９をらせん角度に最適に適合させることが可能である。 それゆえ、突出している繊維状の内包物８による悪影響は最小限であり、耐摩耗性が向上し、点食の形成および歯元の破損が最小限となる。

図２ａおよび図２ｂは、本発明に基づく構成要素４、５を示す。
構成要素４は、以下、 平歯車 （spur wheel）として参照付けられ、はすば歯４０およびシャフト７ｓを有する歯車のヘッド６ｓからなる１個に形成される。
構成要素５は、以下、双曲線歯車（hypoid gear）として参照付けられ、はすば歯５０およびシャフト７ｂを有する歯車のヘッド６ｂからなる１個に形成される。
単に、構成要素が歯車から形成されていてもよい。
同様に、構成要素が数個の部品に形成され、複数個の部品が後の工程にて組み立てられてもよい。

図２の点線９ｓは、歯車のヘッド６ｓにおける繊維の内包物 ８の繊維方向の整列を示す。
はすば歯４０の歯に平行して延びている繊維の内包物 ８のように、少なくとも、歯車６ｓが形成された領域が捩られていると、見ることができる。

一方、図２ｂの点線９ｂは、歯車のヘッド６ｂにおける繊維８の繊維方向の整列を示す。
渦巻き歯５０の歯に平行して延びている繊維の内包物 ８のように、少なくとも、歯車６ｂが形成された領域が捩られていると、ここでも見ることができる。 図２ｂに明確に示すように、渦巻き歯５０の歯は、それらの歯の幅において連続して修正されたらせん角度を有し、歯車のヘッド６ｂの材料も、異なる広がりで捩られ、これは、繊維の内包物 ８が歯に平行して歯の幅全体のらせん角度に一致して整列されていることを意味する。

本発明に基づく歯車、たとえば、歯車または構成要素（平歯車、双曲線歯車） ４，５を製造する方法が、今記述される。

棒状のワークピース１は、製造された外側の幾何学的形状に対応した、この目的を提供する機械において捩られる。 ワークピース１を、その長さＬ全体、または、その軸方向の長さＬの部分ＬＴのみにおいて捩ることができる。 同様に、ワークピース１が、長さＬまたはＬＴの部分で異なる広がりで捩られるため、繊維の内包物 ８もワークピース１の長さＬまたはＬＴの部分で異なる広がりで整列される。
所望する繊維の内包物 ８の整列に依存して、ワークピース１は、時計方向および／または反時計方向Ｔに捩られる。

上記捩じり作業に用いられる機械は、既知であり、今日、クランクシャフトを捩るために使用されるものであり、つまり、当該機械は、単に歯車を製造するためのものであり、材料の性質を改善するものではない。

捩りの処理後、製造の結果として、ワークピース２，３の材料中の繊維の内包物８は、機械加工処理後の歯（はすば歯または渦巻き歯） ４０または５０に従って整列される。

捩りの処理後、本発明に基づく構成要素（平歯車、双曲線歯車） ４，５を製造するための機械加工処理の工程を更に設けることが可能である。

それゆえ、シャフト７ｂ、７ｓの直径を、たとえば、押出しによって、対応させて形成することができる。 更に、 歯車のヘッド、たとえば、双曲線歯車５ ０を逆さまにすることも、可能である。

後に行われる、構成要素（平歯車、双曲線歯車） ４，５の機械加工処理の期間、歯（はすば歯または渦巻き歯） ４０，５０が構成要素４，５に作製される。 このことは、たとえば、ブランキングあるいは圧延処理によって行われる。 繊維の内包物８が、製造された歯（はすば歯または渦巻き歯） ４０，５０に続けられて実質的に整列されているため、機械加工処理後、繊維の内包物 ８は、歯（はすば歯または渦巻き歯） ４０，５０から突出せず、または、僅かな量しか突出しない。 それゆえ、耐摩耗性および耐点食性が向上し、歯元が損傷する危険が減少する。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。 作業工程の数を減らすために、たとえば、機械製造工程に代えて、変形加工の期間に、構成要素（平歯車、双曲線歯車） ４，５における歯（はすば歯または渦巻き歯） ４０，５０を直接作製することができる。
更に、変形処理または歯の製造処理の期間に、ワークピース１を捩る処理を行うことも可能である。

本発明の構成要素は、平歯および双曲線歯車に限定されない。 実際、本発明は、歯車に何ら限定されない。 らせん状に整列された繊維の内包物によって、または、捩りによって、その後（sic）に、材料の性質が改善された全ての構成要素は、本発明によってカバーされる。

１…ワークピースまたは回転対称の本体、２…端部で捩られたワークピース、３…全長にわたって捩られたワークピース、４…平歯車、５…双曲線歯車、６ｂ…渦巻き歯を有する歯車、６ｓ…はすば歯を有する歯車、７ｂ…渦巻き歯を有する歯車を持つ構成要素のシャフト、７ｓ…はすば歯を有する歯車を持つ構成要素のシャフト、８…繊維の内包物、９…繊維の内包物の整列、９ｓ…はすば歯の場合における繊維の内包物の整列、９ｂ…渦巻き歯の場合における繊維の内包物の整列、４０…はすば歯、５０…渦巻き歯、Ｌ…ワークピースの長さ、ＬＴ…ワークピースの捩られた領域の長さ、Ｔ…捩りの方向