JP2011038600A - 自在継手部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的簡易な方法で、転動部や摺動部における表面強度（硬さおよび残留圧縮応力）を向上させることができると共に、油膜切れを防止することができて、耐久性の向上を可能にする。
【解決手段】高炭素クロム軸受鋼などからなる軸受１３とコロ軸１４となる部品素材に対して、まず、旋削などの粗加工により外形加工を行う（外形処理工程：ステップＳ１）。次に、浸炭焼入れ戻しおよび／または高周波焼入れを行う（熱処理工程：ステップＳ２）。その後、研磨などの仕上げ加工を行い（仕上げ工程：ステップＳ３）、仕上げ加工後の部品素材に対して、微粒子ピーニングを行う（表面処理工程：ステップＳ４）。前記処理工程を行うことにより、部品素材の表面に、表面硬さが８００ＨＶ以上、残留圧縮応力が表面から３０μｍで−８００ＭＰａ以下、表面粗さがＲａ０．４μｍ程度の凹凸を形成する。
【選択図】図５
【解決手段】高炭素クロム軸受鋼などからなる軸受１３とコロ軸１４となる部品素材に対して、まず、旋削などの粗加工により外形加工を行う（外形処理工程：ステップＳ１）。次に、浸炭焼入れ戻しおよび／または高周波焼入れを行う（熱処理工程：ステップＳ２）。その後、研磨などの仕上げ加工を行い（仕上げ工程：ステップＳ３）、仕上げ加工後の部品素材に対して、微粒子ピーニングを行う（表面処理工程：ステップＳ４）。前記処理工程を行うことにより、部品素材の表面に、表面硬さが８００ＨＶ以上、残留圧縮応力が表面から３０μｍで−８００ＭＰａ以下、表面粗さがＲａ０．４μｍ程度の凹凸を形成する。
【選択図】図５
Description
本発明は、自在継手の構成部品の製造方法に係り、特に、転動部分あるいは摺動部分に使用される自在継手部品素材に対する表面処理技術に関するものである。
自在継手（ユニバーサルジョイント）は、製鉄設備、製紙設備、鉄道車輌、船舶などの各種装置に用いられている。
自在継手は、駆動源部に連結される動力伝達装置の動力伝達部に設けられ、被駆動系に動力を伝達するものであり、使用される状況から自在継手の構成部材の表面には接線方向の力や滑り力が作用する。このため自在継手の構成部材には、転動部分あるいは摺動部分など、各種応力が加わる部位が存在する。
前記使用状態では、構成部材の表面に疲労が発生しやすく、耐表面強度を向上させる必要がある。
また、前記のような作用力が加わる装置において、その部品に浸炭鋼を用い、該部品素材にショットピーニングを施し、表層に大きな圧縮応力を形成して表面強度を向上させる加工方法が公開されている（特許文献１参照）。
しかし、特許文献１に開示された方法は一般的なショットピーニングを用いており、この方法では、ショットピーニングにより素材表面に荒れが生じ、面粗さが大きいと、すべりが大きく発生する部位において潤滑油の油膜が切れやすいという問題が生じ、面粗さが小さくないと表面損傷や焼付きが生じる。
また、ショットピーニングを用いない疲労強度を高める方法としては、特許文献２にローラバニシング加工を十字継手に施すことが開示されている。
しかしながら、特許文献２に開示されている加工方法では、耐表面強度を向上させることができても、特許文献１に記載の加工方法と同様に、継手構成部品の表面粗さに基づく油切れ、それによる摩擦抵抗の軽減について解消することはできない。
自在継手において、十字軸の各軸部の端部にはそれぞれ軸受が設けられ、対向する一対の十字軸を連結する軸構造において、軸間の摺動を確実にするためスプラインを切った軸体が設けられている。
そして、前記十字軸の軸受部分には転動力が作用し、また、前記スプライン部分には摺動力が作用する。このため、通常、軸受部分とスプライン部分には、グリースなどの潤滑油を介在させ摩擦抵抗を減少させて、摩擦による表面剥離を低減するようにしている。
このため、転動部や摺動部における油膜切れは、耐表面強度を向上させることと共に、自在継手の寿命を左右する大きな要因である。
そこで本発明は、比較的簡易な方法で、転動部や摺動部における表面強度（硬さおよび残留圧縮応力）を向上させることができると共に、油膜切れを防止することができて、耐久性の向上を可能にする自在継手部品の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の自在継手部品の製造方法の発明は、機械構造用炭素鋼または機械構造用低合金鋼または高炭素クロム軸受鋼からなる自在継手部品素材に対して、浸炭焼入れ焼戻し処理および／または高周波焼入れ処理を行う熱処理工程と、前記熱処理工程後の前記自在継手部品素材に対して微粒子ピーニングを行う表面処理工程とを行い、前記表面処理工程後の前記自在継手部品素材において、表面硬さが８００ＨＶ以上、残留圧縮応力が表面から３０μｍで−８００ＭＰａ以下、表面粗さがＲａ０．４μｍ程度の凹凸が形成されるようにすることを特徴とする。
本発明によれば、自在継手における高い接触面圧や応力が発生する部位に設けられる部品素材に対して、浸炭焼入れ焼戻し処理および／または高周波焼入れ処理を行った後、微粒子ピーニングを行うことにより、部品表面に微細な凹凸（表面粗さＲａ０．４μｍ程度）を形成することができると共に、表面硬さと残留圧縮応力を向上させることができた。
このため、微細な凹凸による潤滑油溜りが形成され、接触面における油膜切れを防止することができること相俟って、表面強度が向上するため、継手各部の摩擦抵抗が軽減し、剥離，き裂等の発生を防止することができる。よって、耐久性が向上し、自在継手の寿命が向上する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態を説明するための自在継手の一例を示す斜視図、図２は図１の自在継手の分解斜視図である。
図１，図２において、１は左右一対の十字軸、２は十字軸１の両端部にそれぞれ設けられた摺動軸である。
十字軸１は、基部１１に対して互いに直交する方向に突出する４本の軸部１２を有し、各軸部１２の先端部に軸受１３が設けられている。この軸受１３は、図３の軸受部分の断面図に示すような構造になっており、軸受１３の内側と軸部１２の外側間にはコロ軸１４が介在し、軸部１２の外側に対して軸受１３が周方向へ回転可能になっている。
前記各軸部１２には、断面十字状にグリースなどの潤滑油が満たされる油孔１５が基部１１を通って貫通している。油孔１５は基部１１の中心部を通り、一方の軸部１２から他方の軸部１２へ延在するように形成されている。
そして、自由継手の動作時に、各油孔１５内の潤滑油が、軸受１３の天板部１３ａ部分を通って、各コロ軸１４部分へ達することにより、軸受１３各部の転動による円滑な継手動作が行われるようになっている。
なお、図３に示す１６は、軸受１３の下端部分を閉鎖するシール部材である。
摺動軸２は、本例では、図１，図２に示すように、軸体２１と、この軸体２１に結合された筒状軸体２２と、この筒状軸体２２に摺動可能に嵌挿されたスプライン軸２３とからなっている。
筒状軸体２２とスプライン軸２３とは、図４の連結軸部分の断面図に示すように、筒状軸体２２とスプライン軸２３間の隙間に、筒状軸体２２の側部に設けられた給油部２４からグリースなどの潤滑油が満たされるようになっており、筒状軸体２２とスプライン軸２３との相対的摺動が円滑に行われるようになっている。
なお、図４に示す２５は、筒状軸体２２の開口端部を閉鎖するシール部材である。
次に、本発明の自在継手部品の製造方法の実施形態について説明する。
十字軸１における転動面である軸受１３の内外面と、コロ軸１４の外周面には、図５のフロー図に示す処理加工を施す。
高炭素クロム軸受鋼などからなる軸受１３とコロ軸１４の素材（以下、部品素材と称する）に対して、まず、旋削などの粗加工により外形加工を行う（外形処理工程：ステップＳ１）。次に、浸炭焼入れ戻しまたは高周波焼入れを行い、素材の材質組成によっては、浸炭焼入れ戻しおよび高周波焼入れを行う（熱処理工程：ステップＳ２）。
その後、研磨などの仕上げ加工を行い（仕上げ工程：ステップＳ３）、仕上げ加工後の部品素材に対して、微粒子ピーニングを行う（表面処理工程：ステップＳ４）。
前記ステップＳ１〜Ｓ３の処理条件は材質組成などによって変わる。ステップＳ４の微粒子ピーニングにおいては、粒径が０．０１〜０．１ｍｍ、かつ硬度が７５０〜１０００ＨＶの高速度鋼，セラミックなどの微粒子を用い、この微粒子を投射速度を１５０〜２００ｍ／ｓとして部品素材に噴射する。
そして、ステップＳ４の表面処理工程により、部品素材において、表面硬さが８００ＨＶ以上、残留圧縮応力が表面から３０μｍで−８００ＭＰａ以下、表面粗さがＲａ０．４μｍ程度の凹凸が形成されるようにする。
図５に示す処理を施した部品素材からなる軸受１３あるいはコロ軸１４は、最表面において優れた改質効果が得られた。具体的には、軸受１３あるいはコロ軸１４に、浸炭焼入れ戻しおよび／または高周波焼入れを行った後、微粒子ピーニングを行うことにより、表面硬さと残留圧縮応力が向上して、これにより、表面起点型の剥離を抑制することができた。
特に、軸受１３における角部の面取り部，Ｒ部（小曲面形成部）部分においては、集中応力が加わるが、本実施形態では、これらの部位においても、表面硬さと残留圧縮応力が向上することにより、疲労寿命が向上し、表面からの亀裂の発生を抑制することができた。
図７，図８に、実際に前記処理を施した部品について、表面硬さと残留圧縮応力を実測した結果を示す。図７，図８において、ＷＰＣ（Wide Peening Cleaning）処理とは微粒子ピーニング処理のことを意味する。
図７，図８に示すように、表面から０．１ｍｍにおいて、微粒子ピーニングを行わなかった場合に比較して、顕著に表面硬さと残留圧縮応力が向上していることが分る。
また、図９，図１０に、実際に前記処理を施した部品について、表面状態を拡大観察した結果を示す。図９は微粒子ピーニングを施さない部品素材の表面状態を示し、図１０は微粒子ピーニングを施した本実施形態に係る部品素材の表面状態を示している。
図９に示す表面状態と比較して、図１０に示す表面状態では、部品素材の表面に多数の微細凹凸（黒い部分）が形成されていることが分る。
通常、自在継手の軸受１３あるいはコロ軸１４の摺動部分では、高い接触面圧が発生して潤滑油の潤滑力の低下が見られるが、本実施形態においては、前記凹凸の凹部の存在により、凹部に油分を保持することができる。このため、軸受１３あるいはコロ軸１４の接触面における油膜切れ、潤滑力の低下を防ぐことができる。よって、摩擦抵抗が軽減し、転動面の剥離、およびシール部材１６のオイルシール部の摩耗を防ぐことができる。
次に、自在継手部品である摺動軸２のスプライン軸２３の製造について、図６のフロー図を参照して説明する。
機械構造用炭素鋼あるいは機械構造用低合金鋼などからなるスプライン軸２３の素材（以下、部品素材と称する）に対して、まず、ホブ加工などの仕上げ加工を行う（仕上げ工程：ステップＳ１１）。次に、高周波焼入れを行う（熱処理工程：ステップＳ１２）。その後、仕上げ加工後の部品素材に対して、微粒子ピーニングを行う（表面処理工程：ステップＳ１３）。
前記ステップＳ１１，Ｓ１２の処理条件は材質組成などによって変わる。ステップＳ１３の微粒子ピーニングにおいては、粒径が０．０１〜０．１ｍｍ、かつ硬度が７５０〜１０００ＨＶの高速度鋼，セラミックなどの微粒子を用い、この微粒子を投射速度を１５０〜２００ｍ／ｓとして部品素材に噴射する。
そして、ステップＳ３の表面処理工程により、部品素材において、表面硬さが８００ＨＶ以上、残留圧縮応力が表面から３０μｍで−８００ＭＰａ以下、表面粗さがＲａ０．４μｍ程度の凹凸が形成されるようにする。
図６に示す処理を施した部品素材からなるスプライン軸２３は、本実施形態における前記軸受，コロ軸と同様に、微粒子ピーニングを行うことにより、表面硬さと残留圧縮応力が向上し、最表面において優れた改質効果が得られた。
具体的には、スプライン軸２３において、表面起点型の剥離や表面からの亀裂の発生を抑制することができる。
さらに、前記と同様に、微粒子ピーニングによりスプライン軸２３の表面に凹部が存在することにより、凹部に油分を保持することができる。このため、摺動軸２のスプライン軸２３の接触摺動面における油膜切れ、潤滑力の低下を防ぐことができる。よって、摩擦抵抗を軽減し、摺動面の剥離、およびシール部材２５のオイルシール部の摩耗を防ぐことができる。
本発明は、自在継手の構成部品の各部において適用され、表面硬さ，残留圧縮応力、および油分の保持性が改善されるため、高負荷状況で使用され、高い接触面圧および応力が加わって、潤滑力の低下が生じやすい自在継手部品の製造方法として有効である。
１ 十字軸
１１ 基部
１２ 軸部
１３ 軸受
１４ コロ軸
１５ 油孔
１６ シール部材
２ 摺動軸
２１ 軸体
２２ 筒状軸体
２３ スプライン軸
２４ 給油部
２５ シール部材
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Claims (8)
- 機械構造用炭素鋼または機械構造用低合金鋼または高炭素クロム軸受鋼からなる自在継手部品素材に対して、浸炭焼入れ焼戻し処理および／または高周波焼入れ処理を行う熱処理工程と、前記熱処理工程後の前記自在継手部品素材に対して微粒子ピーニングを行う表面処理工程とを行い、
前記表面処理工程後の前記自在継手部品素材において、表面硬さが８００ＨＶ以上、残留圧縮応力が表面から３０μｍで−８００ＭＰａ以下、表面粗さがＲａ０．４μｍ程度の凹凸が形成されるようにすることを特徴とする自在継手部品の製造方法。 - 前記微粒子ピーニングに用いられる微粒子の硬度が７５０〜１０００ＨＶ、かつ粒径が０．０１〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の自在継手部品の製造方法。
- 前記微粒子ピーニングにおける微粒子投射速度が、１５０〜２００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１または２記載の自在継手部品の製造方法。
- 前記自在継手部品が、自在継手を構成する十字軸の転動部分の部品であることを特徴とする請求項１記載の自在継手部品の製造方法。
- 前記自在継手部品が、前記十字軸の軸受部であることを特徴とする請求項１または４記載の自在継手部品の製造方法。
- 前記自在継手部品が、前記十字軸の軸受コロであることを特徴とする請求項１または４記載の自在継手部品の製造方法。
- 前記自在継手部品が、自在継手を構成する軸体の摺動部分の部品であることを特徴とする請求項１記載の自在継手部品の製造方法。
- 前記自在継手部品が、前記軸体のスプライン軸であることを特徴とする請求項１または７記載の自在継手部品の製造方法。
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