JP2011173203A - ショットピーニング装置およびショットピーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ギヤの歯形部の歯先における歯欠けを抑制することができるショットピーニング装置およびショットピーニング方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様は、ギヤ２０の中心軸を中心にギヤ２０を回転させる回転軸１２と、回転軸１２により回転するギヤ２０の外周面に向かってショット粒を投射する投射部１０と、を有するショットピーニング装置１において、ギヤ２０の径方向における所定の範囲αにおいてショット粒がギヤ２０の外周面に当らないようにショット粒を投射する範囲を制限する治具１４，１６を有し、所定の範囲αは、ショット粒を投射する範囲を制限しないときにショット粒がギヤ２０の外周面に当たる範囲δのうちギヤ２０の回転方向の上流側と下流側の両端部に存在する範囲であってショット粒がギヤ２０の歯形部３０の歯先３４にのみ当たる範囲であること、を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼材部品の疲労強度を高めるためなどに行われるショットピーニング処理を行うショットピーニング装置およびショットピーニング方法に関するものである。

自動車などに用いられる鋼材部品において、高い疲労強度を得るために、浸炭焼入れ後にショットピーニング処理を施すことが広く行われている。このショットピーニング処理は、鋼材表面にショット粒を投射して残留応力を付与する技術であり、投射するショット粒の硬度が高いほど、高い残留応力を付与でき、高い疲労強度を得られることが一般に知られている。

しかし、鋼材部品の一例であるギヤにショットピーニング処理を行うに際しては、ショット粒の硬度が高すぎるとギヤの歯形部の歯先に歯欠けが発生するおそれがある。
その原因としては、実際に歯先に歯欠けが生じたギヤの検証結果やシュミレーションによる解析結果より、以下のように考えられる。ギヤのショットピーニング処理においては、一般に、回転するギヤにショット粒を投射する。このとき、ギヤの歯形部における歯先にショット粒が繰り返し当たることになる。具体的には、図９に示すように、ショット粒１００が歯先面１０２と、歯面における歯先部分の歯末面１０４とに繰り返し当たる。このとき、ショット粒１００の硬度が高いと、歯先の内部に塑性歪みの大きい領域１０６が発生して、塑性疲労によるクラックが生じてしまう。そして、このクラックが進展することにより歯先において歯欠けが発生すると考えられる。

ここで、特許文献１では、ギヤの歯形部において、ギヤの中心軸方向の両端面である歯端面をマスキング部材でマスキングした状態で、ギヤにショットピーニング処理を施す技術が開示されている。

特開２００２−２００５６１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、歯端面と歯先面との境界角領域の欠けを抑制することができるが、ギヤの歯形部の歯先における歯先面と歯末面とにショット粒が繰り返し当たることに対し何ら対策をしていない。そのため、ショット粒の硬度が高い場合には、歯先の内部に塑性歪みが大きい領域が生じることにより塑性疲労が発生して、歯先において歯欠けが生じ易くなるおそれがある。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、ギヤの歯形部の歯先における歯欠けを抑制することができるショットピーニング装置およびショットピーニング方法を提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、ギヤの中心軸を中心に前記ギヤを回転させる回転手段と、前記回転手段により回転する前記ギヤの外周面に向かってショット粒を投射する投射手段と、を有するショットピーニング装置において、前記ギヤの径方向における所定の範囲において前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当らないように前記ショット粒を投射する範囲を制限する制限手段を有し、前記所定の範囲は、前記ショット粒を投射する範囲を制限しないときに前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当たる範囲のうち前記ギヤの回転方向の上流側と下流側との両端部に存在する範囲であって前記ショット粒が前記ギヤの歯形部の歯先にのみ当たる範囲であること、を特徴とする。

本発明によれば、ショット粒が歯形部の歯先に繰り返し当たることを抑制できるので、ギヤの歯形部の歯先における歯欠けを抑制することができる。

上記の態様においては、前記制限手段は、前記投射手段と前記ギヤとの間に設けられた板状部材であること、が好ましい。

かかる態様によれば、ショット粒がギヤに到達する前にショット粒をカットすることができ、より確実にギヤの歯形部の歯先における歯欠けを抑制することができる。

上記の態様においては、前記制限手段は、前記ギヤの前記歯形部が形成される方向に沿って前記ショット粒を投射する範囲を制限すること、が好ましい。

かかる態様によれば、ギヤの歯形部の仕様に応じてショット粒の投射範囲を制限することができるので、ギヤの種類に応じてギヤの歯形部の歯先における歯欠けを抑制することができる。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、ギヤの中心軸を中心に前記ギヤを回転させ、回転する前記ギヤの外周面に向かってショット粒を投射するショットピーニング方法において、前記ギヤの径方向における所定の範囲において前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当らないように前記ショット粒を投射する範囲を制限し、前記所定の範囲は、前記ショット粒を投射する範囲を制限しないときに前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当たる範囲のうち前記ギヤの回転方向の上流側と下流側との両端部に存在する範囲であって前記ショット粒が前記ギヤの歯形部の歯先にのみ当たる範囲であること、を特徴とする。

本発明に係るショットピーニング装置およびショットピーニング方法によれば、ギヤの歯形部の歯先における歯欠けを抑制することができる。

治具を設けたショットピーニング装置の上面図である。 治具を設けない場合のショットピーニング装置の上面図である。 ギヤが平歯車である場合における治具の配置例を示した図である。 ギヤがはすば歯車である場合における治具の配置例を示した図である。 ギヤがハイポイドギヤである場合における治具の配置例を示した図である。 評価で使用したギヤの熱処理条件を示す図である。 評価結果を示すギヤの写真である。 ショットピーニング処理後の残留応力分布図である。 ショット粒が歯先面と歯末面とに繰り返し当たるイメージ図である。

以下、本発明を具体化した形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
〔ショットピーニング装置の構成概要〕
図１は、ショットピーニング装置の概要図である。
図１に示すように、本実施例のショットピーニング装置１は、投射部１０、回転軸１２、治具１４、治具１６などを有する。

投射部１０は、本発明の投射手段の一例であり、ショットピーニング処理を行うギヤ２０の外周面に向かってショット粒を投射する手段である。本実施例では、投射部１０の投射口１８の断面は円形に形成されており、投射口１８から投射されたショット粒の投射範囲は放射状に広がっている。この投射部１０からのショット粒の投射量や投射速度などは、不図示の投射制御部により制御される。

回転軸１２は、本発明の回転手段の一例であり、ショットピーニング処理を行うギヤ２０をその中心軸を中心に回転させるための手段である。回転軸１２は、例えば、ギヤ２０の中心軸方向（図１において紙面の鉛直方向）を軸方向として設けられており、ギヤ２０の内径部分に挿勘されている。本実施例では、例えば、不図示の回転載置台の上にギヤ２０を載せて、不図示の回転駆動部により回転軸１２および回転載置台を回転させることにより、ギヤ２０をその中心軸を中心に回転させる。なお、ギヤ２０の材質は、例えば、ＳＣｒ２０などが考えられる。

治具１４と治具１６は、本発明の制限手段の一例であり、投射部１０から投射されたショット粒の投射範囲を制限するための手段である。図１に示すように、本実施例においては、治具１４と治具１６は一対の板状部材であり、治具１４の縁部２２と治具１６の縁部２４とを対向させて配置することにより、ショット粒が通過できる領域であるスリット２６を形成している。なお、治具１４と治具１６の材質は、例えば、ＳＣｒ２０などが考えられる。また、治具１４と治具１６の代わりに、スリットが開口した一枚の板状部材を治具として使用してもよい。

ここで、治具１４と治具１６とによりショット粒の投射範囲を制限する範囲について説明する。投射部１０から投射された複数のショット粒は、放射状に広がってギヤ２０の外周面に当たる。このとき、図２に示すように、治具１４と治具１６とを設けない場合には、範囲δにおいてショット粒がギヤ２０に当たる。そして、この範囲δのうち、ギヤ２０の回転方向の上流側と下流側とにおける両端部、詳しくは範囲δの両端位置から内側に向かった所定の範囲α（図２にて斜線で示す範囲）では、歯底面２８と歯形部３０の歯元面３２とにはショット粒が当たらないが、歯形部３０における歯先３４（歯先面３６と歯末面３８）とにのみショット粒が当たる。ここで、歯元面３２と歯末面３８とは、いずれも歯形部３０の歯面に設けられた面であり、歯末面３８が歯元面３２よりもギヤ２０の外径側に設けられているとする。

そして、前記の範囲αでは、残留応力を付与したい歯底面２８と歯元面３２とにはショット粒が当らないのでギヤ２０の疲労強度向上に寄与していない一方で、歯先面３６と歯末面３８とにのみショット粒が当たっているので歯先３４の内部において塑性歪みが大きい領域の発生を助長している。なお、図２に示すギヤ２０の回転角度の位置からギヤ２０が円周ピッチ分回転する間においても、範囲αでは、前記と同様に、歯底面２８と歯元面３２とにはショット粒が当らない一方で、歯先面３６と歯末面３８とにのみショット粒が当たっている。

そこで、本実施例では、図１のように、図２に示す範囲αにおいてショット粒がギヤ２０の外周面のうちの歯先面３６と歯末面３８に当らないようにショット粒を投射する範囲を制限するため、治具１４と治具１６とを配置する。このように、治具１４と治具１６とを配置して、歯先面３６と歯末面３８とにのみ当たるショット粒をギヤ２０に到達する前にカットすることにより、範囲αにおいてギヤ２０の回転によりショット粒が歯先面３６と歯末面３８とに繰り返し当たることを抑制できる。そのため、歯先３４の内部における塑性歪みの発生を抑制して歯先３４の塑性疲労を低減できる。したがって、歯先３４の歯欠けを抑制することができる。

なお、治具１４と治具１６とによりショット粒を投射する範囲を制限する範囲は、ギヤ２０の諸元、投射部１０とギヤ２０との間の距離等の条件により異なる。一例として、治具１４と治具１６とにより、ギヤ２０の歯末面３８のうち、歯先面３６からギヤ２０の内径方向に０．３ｍｍの位置までの面にショット粒が当らないようにショット粒を投射する範囲を制限することが考えられる。

また、治具１４と治具１６とは、ショットピーニング処理を行うギヤ２０の種類によって配置する位置を変更することが望ましい。図３〜図５は、ギヤ２０の種類と治具１４および治具１６との配置のイメージ図である。図３〜図５に示すように、治具１４と治具１６とは、縁部２２と縁部２４とが各々、歯形部３０が形成される方向に沿って配置している。

具体的には、ギヤ２０が平歯車の場合は、歯形部３０が形成される方向はギヤ２０の中心軸方向と等しいので、縁部２２と縁部２４とがギヤ２０の中心軸方向に沿うように、治具１４と治具１６とを配置する。

また、ギヤ２０がはすば歯車の場合は、歯形部３０がギヤ２０の中心軸に対し傾斜して形成されているので、縁部２２と縁部２４とをギヤ２０の中心軸に対し傾斜させて歯形部３０が形成される方向に沿うように、治具１４と治具１６とを配置する。

また、ギヤ２０がハイポイドギヤの場合は、歯形部３０がギヤ２０の中心軸に対し傾斜して曲線状に形成されている。そのため、縁部２２と縁部２４とをギヤ２０の中心軸に対し傾斜させて歯形部３０が形成する曲線に出来るだけ沿うように、治具１４と治具１６とを配置する。

ここで、ギヤ２０としてハイポイドギヤを使用したときのショットピーニング処理において、本実施例の治具１４と治具１６を使用した場合と使用しなかった場合について、歯形部３０の歯先３４における歯欠けに関する評価実験を行った。実験に使用したハイポイドギヤは、実験前に予め熱処理（浸炭処理）を行っておいた。具体的な、熱処理の手法は、図４に示すように、温度＝９５０℃、カーボンポテンシャル（ＣＰ）＝０．８％のガス雰囲気中で所定時間の浸炭処理と拡散処理を行った後、温度＝８５０℃まで降下させて所定時間保持した後、温度＝１３０℃の油冷による焼入れ処理を施した。また、ショット粒の投射条件は、ショット粒の硬度をＨＶ８００、ショット粒の粒径をφ０．８ｍｍ、カバレージを３００％、圧力を０．３ＭＰａとした。

そこで、評価結果を図７に示す。図７（ａ）に示すように本実施例の治具１４，１６を使用しなかった場合には歯形部３０の歯先３４に歯欠けが生じたが、図７（ｂ）に示すように本実施例の治具１４，１６を使用した場合には歯形部３０の歯先３４に歯欠けが生じなかった。

また、図８に、治具１４と治具１６を使用してショットピーニング処理を行った本実施例のハイポイドギヤの残留応力分布と、ショット粒の硬度を低くしてショットピーニング処理を行っていた従来のハイポイドギヤの残留応力分布を示す。なお、図８では、横軸に歯底面からの深さを取り、縦軸に残留応力を取り、本実施例のハイポイドギヤの残留応力分布の傾向を実線で示し、従来のハイポイドギヤの残留応力分布の傾向を破線で示している。また、従来のハイポイドギヤにおけるショット条件は、ショット粒の硬度がＨＶ５８０、ショット粒径がφ０．８ｍｍ、カバレージが３００％、圧力が０．３ＭＰａである。

図８に示すように、歯底面からの深さについて、全ての深さにおいて、本実施例のハイポイドギヤは、従来のハイポイドギヤよりも残留応力の絶対値が大きくなった。具体的には、歯底面からの深さが約７５μｍのときに残留応力の絶対値が最大値となったが、このとき、本実施例のハイポイドギヤの残留応力値は約−１５００ＭＰａであるのに対し、従来のハイポイドギヤの残留応力値は約−９００ＭＰａとなった。また、歯底面からの深さが約２００μｍにおいて、従来のハイポイドギヤの残留応力値は約−４５０ＭＰａであったのに対し、本実施例のハイポイドギヤの残留応力値は約−７００ＭＰａとなった。

図７と図８とに示されるように、本実施例のハイポイドギヤは、ショット粒の硬度を高くしても歯先３４の歯欠けがなく、従来のハイポイドギヤと比較して歯底面からの深さ方向の残留応力の絶対値を大きくすることができた。

以上のように、本実施例のショットピーニング装置１およびショットピーニング方法によれば、治具１４と治具１６とを使用することにより、ショット粒を投射する範囲を制限しないときに歯先３４にのみショット粒が当たる範囲αにおいて、ショット粒が歯先３４に当らないようにショット粒を投射する範囲を制限するので、ショット粒が歯先面３６と歯末面３８とに繰り返し当たることを抑制できる。そのため、ショット粒の硬度が高くても、歯先３４の内部に塑性歪みが大きな領域が発生することを抑制することができる。したがって、ギヤ２０における残留応力を大きくしてギヤ２０の疲労強度を高くしつつ、歯形部３０の歯先３４における歯欠けを抑制することができる。

なお、上記した実施例は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
上記の実施例では、１種類のショット条件のもとでショットピーニング処理を行う１段ショットピーニング処理を例に挙げたが、本発明は、２種類のショット条件のもとでショットピーニング処理を行う２段ショットピーニング処理においても適用することができる。

１ ショットピーニング装置
１０ 投射部
１２ 回転軸
１４ 治具
１６ 治具
２０ ギヤ
２８ 歯底面
３０ 歯形部
３２ 歯元面
３４ 歯先
３６ 歯先面
３８ 歯末面

Claims (4)

1. ギヤの中心軸を中心に前記ギヤを回転させる回転手段と、前記回転手段により回転する前記ギヤの外周面に向かってショット粒を投射する投射手段と、を有するショットピーニング装置において、
   前記ギヤの径方向における所定の範囲において前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当らないように前記ショット粒を投射する範囲を制限する制限手段を有し、
   前記所定の範囲は、前記ショット粒を投射する範囲を制限しないときに前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当たる範囲のうち前記ギヤの回転方向の上流側と下流側との両端部に存在する範囲であって前記ショット粒が前記ギヤの歯形部の歯先にのみ当たる範囲であること、
   を特徴とするショットピーニング装置。
2. 請求項１に記載するショットピーニング装置において、
   前記制限手段は、前記投射手段と前記ギヤとの間に設けられた板状部材であること、
   を特徴とするショットピーニング装置。
3. 請求項１または２に記載するショットピーニング装置において、
   前記制限手段は、前記ギヤの前記歯形部が形成される方向に沿って前記ショット粒を投射する範囲を制限すること、
   を特徴とするショットピーニング装置。
4. ギヤの中心軸を中心に前記ギヤを回転させ、回転する前記ギヤの外周面に向かってショット粒を投射するショットピーニング方法において、
   前記ギヤの径方向における所定の範囲において前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当らないように前記ショット粒を投射する範囲を制限し、
   前記所定の範囲は、前記ショット粒を投射する範囲を制限しないときに前記ショット粒が前記ギヤの前記外周面に当たる範囲のうち前記ギヤの回転方向の上流側と下流側との両端部に存在する範囲であって前記ショット粒が前記ギヤの歯形部の歯先にのみ当たる範囲であること、
   を特徴とするショットピーニング方法。