JP2000280120A

JP2000280120A - 歯車の製造法

Info

Publication number: JP2000280120A
Application number: JP11124663A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hoyashita; 茂穗屋下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】円筒歯車やハイポイドギヤの製造において高
品質化を図る。【解決手段】歯形形成した円筒歯車を表面硬化処理し
て後、ＣＢＮ砥石を用いたハードフィニッシング加工あ
るいは内歯車形砥石を用いたホーニング加工で歯面形状
を整えた歯車に対して、ショットピーニング処理とジャ
イロ研磨処理あるいはホーニング研磨処理を行う。また
は、歯形形成した円筒歯車に、バニッシング加工あるい
はシェービング加工を施して歯面形状を整えた後、表面
硬化処理した歯に対して、ショットピーニング処理とジ
ャイロ研磨処理あるいはホーニング研磨処理を行う。ハ
イポイドギヤの場合は、表面硬化してラッピング処理し
て後、ショットピーニング処理とジャイロ研磨処理を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、従来行われてきた
仕上げ加工後に、さらに後処理を行って、歯車の曲げ疲
労強度、面圧強度及び耐摩耗性を同時に向上させること
により、歯車を高品質化させる、歯車の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、自動車のトランスミッションや一
般産業用の変速機には、ホブやピニオンカッターで歯切
りして、シェービング加工あるいはバニッシング加工で
歯面形状を整え、さらに表面硬化処理した円筒歯車がよ
く用いられている。また、ハイポイドギヤは、歯形形成
後表面硬化処理して、ラッピング処理したものが用いら
れている。

【０００３】最近、これらの歯車の曲げ疲労強度を改善
する方法として、ショットピーニング処理が利用される
場合が増えてきた。このショットピーニング処理を利用
して面圧強度の改善も試みられたが、ショットピーニン
グ条件の制御は非常に困難であることがわかってきた。
また、表面粗さが僅かに改善されても、面圧強度はほと
んど向上しなかった。

【０００４】超硬ホブ切りした円筒歯車の歯面粗さを改
善する方法として、ウレタンゴムに砥粒を混入したねじ
状砥石で磨くホーニング研磨処理がある。また、歯面硬
化後あるいは歯面形成後に、鋳鉄やナイロン製のはすば
歯車を用いたラッピング処理も試みられている。しか
し、前記ホーニング研磨処理や前記ラッピング処理は、
工具と歯車間の接触圧力や相対速度の影響を受け易く、
特に強く接触した部分の歯面形状が変化する傾向があ
る。そのため、高精度に、しかも三次元的に歯面修整し
た歯車（バイアス歯形を持つ歯車）の仕上げ加工には問
題があった。

【０００５】歯車加工に関するホーニングには、内歯車
形砥石を用いるホーニングと、一般砥石に比べて非常に
軟らかい砥石（例えば、前記ウレタンゴムなど）を用い
るホーニングとがある。本発明の説明においては、両者
を区別するために、前者をホーニング加工、後者をホー
ニング研磨と呼ぶことにした。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る円筒歯車の
製造法は、２通りの製造法が考案された。１つ目の製造
法は、まず、ホブやピニオンカッターで歯切り、あるい
は鍛造、あるいは転造により歯形形成した歯車に、シェ
ービング加工あるいはバニッシング加工した後に表面硬
化処理を行う。そして、歯車を高品質化させために、シ
ョットピーニング処理を行い、さらにジャイロ研磨処理
あるいはホーニング研磨処理を施す。歯形や歯筋は、シ
ェービング加工あるいはバニッシング加工時に整えられ
る。

【０００７】２つ目の製造法は、歯形形成した歯車を表
面硬化処理して後、ＣＢＮ砥石を用いたハードフィニッ
シング加工あるいは内歯車形砥石を用いたホーニング加
工で歯面形状を整える。そして、歯車を高品質化させる
ために、ショットピーニング処理を行い、さらにジャイ
ロ研磨処理あるいはホーニング研磨処理を行う。

【０００８】本発明の説明では、転造とバニッシング加
工を区別している。転造は、歯車素材を、熱間あるいは
冷間で歯形成形する工程を指し、バニッシング加工は、
歯形成形された歯の歯面形状（歯形・歯筋等の修整、歯
面粗さの改善など）を冷間で整える工程を指している。

【０００９】ハイポイドギヤは、歯形形成して後表面硬
化処理して、ラッピング処理で仕上げるのが従来の方法
である。本発明はラッピング処理済みの前記ハイポイド
ギヤに対し、さらにショットピーニング処理とジャイロ
研磨処理を行うところに特徴がある。

【００１０】ショットピーニング処理で、歯元と歯面に
大きな圧縮残留応力を発生させ、さらにジャイロ研磨処
理あるいはホーニング研磨処理で歯面粗さを改善するこ
とができる。ジャイロ研磨処理の場合は歯底まで万遍な
く処理できる特徴がある。

【００１１】ショットピーニング処理において、ショッ
ト材は鋳鋼球、鋼球、セラミック球などが使用でき、そ
の平均粒径は０．１〜１ｍｍがよい。鋼球や鋳鋼球の硬
度は６００〜８００ＨＶである。粒径が０．１ｍｍより
小さいと、歯元や歯面の圧縮残留応力が深く入らない。
粒径が１ｍｍより大きいと、歯面粗さが大きく成り過ぎ
る。ショット球は、０．３〜１ＭＰａの圧力で歯面に投
射される。０．３ＭＰａより小さい圧力では得られる圧
縮残留応力が小さい。１ＭＰａより大きいと、歯面粗さ
が大きく成り過ぎ、また歯面に疲労き裂を生じる危険性
が大きい。ショットピーニング処理時間は、数十秒〜数
分である。

【００１２】ジャイロ研磨法では、歯車を取付けた軸が
自転し、その軸あるいは研磨石が入った糟が公転する。
歯車を取付けた軸は、昇降運動をしても良い（図５参
照）。研磨石の大きさは、歯車のモジュールの大きさに
依存する。モジュールが１〜６の歯車において、研磨石
の平均粒径は０．５〜１０ｍｍで、なるべく大きい方が
経済的であるが、歯面間に研磨石がスムーズに出入りす
ることも必要条件の一つである。ジャイロ研磨処理時間
は５〜６０分である。５分より短いと、表面粗さの山が
十分に丸みを帯びない。６０分以上施しても、表面粗さ
はそれ以上改善されない。

【００１３】ホーニング研磨処理で用いる工具は、ねじ
状工具、あるいははすば歯車状工具、あるいは総形工具
を用いることを特徴とする。はすば歯車状工具は、ねじ
れ角の大きなねじ状工具に類似するので、以後はすば歯
車状工具はねじ状工具に含まれるものとする。

【００１４】ねじ状工具あるいは総形工具は砥粒（例え
ば、アランダム等）を混入した柔軟な材料（例えば、ナ
イロン、エポキシ樹脂、ポリアセタール等）でできてい
て、ねじ状工具あるいは総形工具の歯車の歯面を研磨処
理する部分（工具研磨面）は、凹凸がなくてもよいが、
研磨効率を良くするためにあるいは複雑な歯面を均一に
研磨することができるように、凹凸があっても良い。こ
の工具研磨面の凹凸は、多数の小さな溝を付けたもので
あっても良いし、あるいは多数の小さないぼ状の突起を
付けたものであっても良いし、あるいはブラシ状をした
多数の細い糸の集合体であっても良い。また、ジャイロ
研磨処理あるいはホーニング研磨処理は、乾式条件下、
あるいは湿式条件下の何れの条件下であっても良い。

【００１５】本発明により、歯車の負荷能力は著しく向
上するので、歯車変速機の軽量化、コンパクト化が可能
になる。また、シェービング加工した面に比べ、さらに
ショットピーニング処理とジャイロ研磨処理を施した面
は摩擦係数が非常に低くなるので、発生する摩擦熱も小
さくなる。歯車変速機の軽量化や発生する摩擦熱の低下
は、省エネ対策に貢献する。

【００１６】さらに、接触面の摩耗が著しく減少するの
で、潤滑油の汚れや劣化も遅くなり、潤滑油の交換回数
が減少し、省資源に繋がる。本発明で得られる表面は、
耐焼付性も改善されるので、潤滑油中の極圧添加剤に関
しても緩和され、より環境にやさしい潤滑油が利用でき
る。

【００１７】

【実施例】本発明を実施例で説明する。本発明は、歯車
精度（歯形精度、歯筋精度、ピッチ誤差など）をほとん
ど損なわずに、ショットピーニング処理で曲げ疲労強度
を、さらにジャイロ研磨処理を施して面圧強度を飛躍的
に向上させることに特徴がある。

【００１８】表面硬化歯車として浸炭焼入れした歯車を
用いた。ショットピーニング処理は次のことを考慮し
て、処理条件を設定した。負荷時、圧縮側歯元曲げ応力が降伏点を越さないよう
に圧縮残留応力を設定した。に短時間で残留応力が付与できるようにした。高面圧下でのスポーリング発生を予防するため、表面
近傍で８００〜１３００ＭＰａ、最大せん断応力発生深
さ付近で８００〜１０００ＭＰａの圧縮残留応力が付与
されるようにした。初期表面粗さの劣化を２μｍ以下に抑えるように考慮
した。アークハイトを０．３〜０．５ｍｍＡとした。

【００１９】歯面粗さを改善するためのジャイロ研磨処
理時間は、研磨石の種類、コンパウンド剤の種類、糟の
回転速度などのジャイロ研磨処理条件に左右される。モ
ジュールが２〜４、歯数が２０〜３０で、糟の公転速度
が歯車を取付けた軸の位置で１００ｍ／ｍｉｎのとき、
公称粒径２．５〜４ｍｍの研磨石を用いて、ジャイロ研
磨処理時間は５〜６０分とした。６０分間もジャイロ研
磨処理を施せば、歯面はかなり鏡面状態を呈するが、１
０分間くらいでも、かなり表面粗さが改善される。

【００２０】ホーニング加工後にショットピーニング処
理した平歯車の歯面の例を図１（ａ）に、ショットピー
ニング処理後に、さらに６０分間ジャイロ研磨処理した
平歯車の歯面の例を図１（ｂ）に示す。ショットピーニ
ング処理を施したものは梨地状になっていて、ジャイロ
研磨処理したものは、周りの格子を鏡の如く写してい
る。

【００２１】この歯車を用いて動力循環式歯車試験機で
負荷能力試験を行った。歯車のピッチ点付近におけるヘ
ルツの最大接触圧力はＰ_ｍａｘ＝２０００ＭＰａであ
る。ショットピーニング処理した歯車のピッチ点付近に
おける歯形方向の粗さ曲線の変化の例を図２に示す。図
２（ａ）は負荷試験前の粗さを、図２（ｂ）は負荷試験
後の表面粗さを示す。さらにジャイロ研磨処理した歯車
のピッチ点付近における歯形方向の粗さ曲線の変化の例
を図３に示す。図３（ａ）は負荷試験前の粗さを、図３
（ｂ）は負荷試験後の表面粗さを示す。ショットピーニ
ング処理しただけのものは、金属接触多大のため約３×
１０^６回転後には、ピット発生のため運転不能になっ
た。ジャイロ研磨処理したものは、３×１０^７回転後に
おいてもほとんど変化していない。

【００２２】運転前と運転中の歯形変化の例を図４に示
す。１は負荷試験前、２は１０^５回転後、３は５×１０
^５回転後、４は１０^６回転後、５は３×１０^６回転後、
６は５×１０^６回転後、７は１０^７回転後、８は３×１
０^７回転後の歯形を示す。ショットピーニング処理して
ジャイロ研磨処理した歯車の歯形は、３×１０^７回転後
においてもほとんど変化していない。

【００２３】実施例で用いた、ジャイロ研磨装置の概略
を示す縦断面図を図５に示す。９は歯車を、１０は歯車
取付け軸を、１１は研磨石とコンパウンド剤と水等から
なるメディアを、１２はメディアの入った糟である。歯
車９は自転により、全ての歯が万遍なく研磨されるよう
にする。歯面の研磨作用は、糟あるいは歯車軸の公転に
より行われる。歯車を取付けた軸が、適当な昇降運動を
行うと、クラウニングが大きくなる。研磨石の歯溝への
出入り具合や、歯車歯面と砥石研磨面の押付け具合等
で、歯面の研磨効率が異なる。

【００２４】このことより、本発明によって製造された
円筒歯車は、非常に高い負荷能力を持つ歯車であること
がわかった。歯車設計における最大負荷能力をピッチ点
の最大接触圧力Ｐ_ｍａｘで表した場合、Ｐ_ｍａｘ＝１０
００〜２４００ＭＰａの範囲に限定される。その理由と
しては、歯車の歯形修整において、大きなクラウニング
を付けることは考えられないので、Ｐ_ｍａｘ＝１０００
ＭＰａより低い運転条件では、従来のもの（ショットピ
ーニング処理とジャイロ研磨処理を行っていない）でも
十分に耐えられる。また、Ｐ_ｍａｘ＝２４００ＭＰａ以
上の高負荷は現実的でない。

【００２５】本発明は上述の例に限定されるものでな
く、平歯車、はすば歯車、内歯車、やまば歯車、ねじ歯
車、ウォーム、円錐歯車、ベベルギヤ、およびハイポイ
ドギヤなどの歯車全般に適用できる。歯車歯形はインボ
リュート歯形に限らず、サイクロイドや円弧など、任意
の歯形に適用できる。

【００２６】歯車材料は、構造用低炭素鋼や低合金鋼、
焼結合金鋼などの表面硬化鋼である。表面硬化処理法と
しては、軟窒化のほか、イオン窒化、ガス窒化、浸炭焼
入れ、浸炭窒化焼入れ（浸炭＋窒化を含む）、高周波焼
入れ、火炎焼入れ等があるが、特に限定はしない。ま
た、シェービング法はプランジカットシェービング法、
コンベンショナルシェービング法、ダイヤゴナルシェー
ビング法、アンダーパスシェービング法の何れであって
も良い。また本発明は、表面硬化後に一般の歯車研削盤
により歯面研削した歯車にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、ショットピーニング処理を施した歯
車の歯面の例を、（ｂ）は、ショットピーニング処理と
ジャイロ研磨処理を施した歯車の歯面の例を示す。

【図２】（ａ）は、ショットピーニング処理を施した歯
車の運転前の粗さの例を、（ｂ）は、ショットピーニン
グ処理を施した歯車の運転後の粗さの例を示す。

【図３】（ａ）は、ショットピーニング処理とジャイロ
研磨処理を施した歯車の運転前の粗さの例を、（ｂ）
は、ショットピーニング処理とジャイロ研磨処理を施し
た歯車の運転後の粗さの例を示す。

【図４】（ａ）は、ショットピーニング処理を施した歯
車の運転に伴う歯形変化の例を、（ｂ）は、ショットピ
ーニング処理とジャイロ研磨処理を施した歯車の運転に
伴う歯形変化の例を示す。

【図５】実施例で用いたジャイロ研磨装置の概略を示す
縦断面図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歯形形成した円筒歯車を表面硬化処理し
て後、ＣＢＮ砥石を用いたハードフィニッシング加工あ
るいは内歯車形砥石を用いたホーニング加工で歯面形状
を整えた歯に対して、ショットピーニング処理を行うこ
と、さらにジャイロ研磨処理あるいはホーニング研磨処
理を行うこと、を特徴とする歯車の製造法。
【請求項２】歯形形成した円筒歯車に、バニッシング
加工あるいはシェービング加工を施して歯面形状を整え
た後、表面硬化処理した歯に対して、ショットピーニン
グ処理を行うこと、さらにジャイロ研磨処理あるいはホ
ーニング研磨処理を行うこと、を特徴とする歯車の製造
法。
【請求項３】歯形形成したハイポイドギヤを表面硬化
処理して後、ラッピング処理した歯に対して、ショット
ピーニング処理とジャイロ研磨処理を行うこと、を特徴
とする歯車の製造法。