JP2012172716A - Method of manufacturing shaft with gear, shaft with gear and mixer tank - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ギヤ付きシャフトの製造方法、並びにその製造方法によって製造されたギヤ付きシャフト及びミキサータンクに関する。 The present invention relates to a geared shaft manufacturing method, and a geared shaft and a mixer tank manufactured by the manufacturing method.
溶液を攪拌するためのミキサータンクは、各種産業分野において用いられている。ミキサータンクは、攪拌のための動力を発生させるモータと、モータから適切な回転数を得るための減速機と、減速機を介して伝えられるモータの動力によって回転するインペラーを内蔵するタンク等によって構成される。例えば高分子材料の製造において、ミキサータンクは、原材料を攪拌するために、重合工程や、重合後のアグロメレーション(乳化重合後のラテックス粒子の凝集)工程等で使用される(特許文献1等参照)。 A mixer tank for stirring a solution is used in various industrial fields. The mixer tank is composed of a motor that generates power for stirring, a speed reducer for obtaining an appropriate rotational speed from the motor, and a tank that incorporates an impeller that is rotated by the power of the motor transmitted through the speed reducer. Is done. For example, in the production of a polymer material, a mixer tank is used in a polymerization step, an agglomeration after polymerization (aggregation of latex particles after emulsion polymerization), or the like in order to stir the raw materials (Patent Document 1, etc.) reference).
しかし、従来技術に係るミキサータンクでは、減速機内部のシャフト又はギヤが、設計時に想定した耐久時間より大幅に短い時間で破損するという問題が発生している。減速機の内部では、嵌合等によってギヤを軸部に固定したシャフトを用いているが、このようなギヤ付きシャフトが、想定外の短時間で損傷することがあり、ミキサータンクの安全かつ安定的な運転を阻害している。 However, in the mixer tank according to the prior art, there is a problem that the shaft or gear inside the speed reducer breaks in a time significantly shorter than the durability time assumed at the time of design. Inside the reducer, a shaft with a gear fixed to the shaft by fitting or the like is used, but such a geared shaft may be damaged in an unexpected short time, making the mixer tank safe and stable. Is impeding normal driving.
本発明は、このような問題に鑑みてなされ、本発明の目的は、耐久性を改善したギヤ付きシャフトの製造方法、並びにその製造方法によって製造されたギヤ付きシャフト及びミキサータンクを提供することである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a geared shaft manufacturing method with improved durability, and a geared shaft and a mixer tank manufactured by the manufacturing method. is there.
前記課題を解決するために、本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法は、軸部における少なくとも一部の外周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
孔が形成されており外壁の少なくとも一部に歯面を有するギヤ部の内周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
精密ショットピーニングを施された前記軸部と前記ギヤ部とを、嵌合により、前記ギヤ部の前記孔に前記軸部の前記外周壁を挿通させた状態で固定する工程と、を有する。
In order to solve the above problems, the geared shaft manufacturing method according to the present invention includes a step of performing precision shot peening on at least a part of the outer peripheral wall of the shaft portion;
A step of performing precision shot peening on the inner peripheral wall of the gear portion in which a hole is formed and having a tooth surface on at least a part of the outer wall;
Fixing the shaft portion to which the precision shot peening has been performed and the gear portion by fitting in a state where the outer peripheral wall of the shaft portion is inserted into the hole of the gear portion.
本発明の発明者らは、従来技術に係るミキサータンクに使用されるギヤ付きシャフトに対して鋭意分析を重ねた結果、ギヤ付きシャフトの破損が、軸部とギヤ部との接合部分で発生するフレッティング疲労によって引き起こされることを突き止めた。フレッティング疲労とは、フレッティングによる繰り返し応力により、接触面に摩耗損傷(フレッティング摩耗)が発生し、部材の疲労破壊や大幅な寿命低下を引き起こす現象である。また、フレッティングとは、ある接触面圧で接触している2つの部材の接触面において、外部荷重により1μm〜数10μm程度の小さな振幅を有する相対すべりが生じる現象である。 The inventors of the present invention have conducted extensive analysis on the geared shaft used in the mixer tank according to the prior art, and as a result, the geared shaft is broken at the joint between the shaft portion and the gear portion. I found out that it was caused by fretting fatigue. Fretting fatigue is a phenomenon in which wear damage (fretting wear) occurs on the contact surface due to repeated stress caused by fretting, causing fatigue failure of the member and a significant decrease in life. Further, fretting is a phenomenon in which a relative slip having a small amplitude of about 1 μm to several tens of μm occurs due to an external load on the contact surfaces of two members that are in contact with each other at a certain contact surface pressure.
従来技術に係るギヤ付きシャフトは、使用時のねじり応力及び曲げ応力から算出される安全率(余裕率)が1.0を超えているにもかかわらず、軸部とギヤ部との接合面である取付部82cの軸部外周壁82dで、疲労破壊と考えられる損傷を起こしていた。図7は、従来技術に係るギヤ付きシャフトを減速機に組み込んで所定時間使用した後、ギヤ部との接合面である軸部外周壁82dを観察した写真である。
The shaft with gear according to the prior art has a joint surface between the shaft portion and the gear portion even though the safety factor (margin factor) calculated from the torsional stress and bending stress during use exceeds 1.0. The shaft part outer
ここで、フレッティング疲労による損傷は、嵌合による接合面の接触面圧が大きいほど増大することが知られているが、図7に示す軸部外周壁82dの損傷状況は、軸部とギヤ部との接合面である軸部外周壁82dにおける接触面圧の分布に対応していることが解る。すなわち、軸部外周壁82dでは、接合面における軸方向両端部において最も接触面圧が高く、中央部分において接触面圧が最小となるが、軸部外周壁82dに見られる損傷痕は、接合面である取付部82cの軸部外周壁82dにおける軸方向両端部において最も顕著であり、中央部分では軽微である。このようなことから、従来技術に係るギヤ付きシャフトにおいて発生する破損が、フレッティング疲労によるものであることを突き止めた。
Here, it is known that damage due to fretting fatigue increases as the contact surface pressure of the joint surface due to fitting increases, but the damage state of the shaft outer
本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法では、ギヤ部と軸部との接合面に精密ショットピーニングを施した後、精密ショットピーニング施工後のギヤ部と軸部とを嵌合により固定する。このような製造方法により作製されたギヤ付きシャフトは、軸部とギヤ部との接合部分で起こるフレッティング疲労が抑制され、良好な耐久性能を有する。 In the geared shaft manufacturing method according to the present invention, the precision shot peening is applied to the joint surface between the gear portion and the shaft portion, and then the gear portion and the shaft portion after the precision shot peening are fixed by fitting. The geared shaft manufactured by such a manufacturing method has excellent durability performance because fretting fatigue that occurs at the joint between the shaft portion and the gear portion is suppressed.
嵌合方法は、特に限定されず、締り嵌め、中間嵌め、及び隙間嵌め等の常法を用いることができる。ギヤ部と軸部とを締り嵌めする場合は、焼き嵌め等によりギヤ部と軸部とを固定する。 The fitting method is not particularly limited, and conventional methods such as interference fitting, intermediate fitting, and gap fitting can be used. When the gear portion and the shaft portion are interference-fitted, the gear portion and the shaft portion are fixed by shrink fitting or the like.
また、例えば、本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法において、精密ショットピーニングを施す前における前記軸部の硬さと精密ショットピーニングを施す前における前記ギヤ部の硬さとの差が、ビッカース硬さで160以内であっても良い。 Further, for example, in the method for manufacturing a geared shaft according to the present invention, the difference between the hardness of the shaft portion before performing precision shot peening and the hardness of the gear portion before performing precision shot peening is Vickers hardness. It may be within 160.
ギヤ部と軸部との硬さの差を小さくすることにより、軸部とギヤ部との接合部分で起こるフレッティング疲労が抑制され、上述のような製造方法によって製造されたギヤ付きシャフトは、より良好な耐久性能を有する。なお、ギヤ部と軸部との硬さの差はより小さい方が好ましく、ギヤ部と軸部との硬さを略同一(同一を含む)としても良い。 By reducing the difference in hardness between the gear portion and the shaft portion, fretting fatigue occurring at the joint portion between the shaft portion and the gear portion is suppressed, and the geared shaft manufactured by the manufacturing method as described above is Better durability performance. The difference in hardness between the gear portion and the shaft portion is preferably smaller, and the hardness of the gear portion and the shaft portion may be substantially the same (including the same).
また、例えば、本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法において、前記ギヤ部はベベルギヤであっても良い。 Further, for example, in the method for manufacturing a geared shaft according to the present invention, the gear portion may be a bevel gear.
ベベルギヤの歯面は軸方向に対して傾いているため、ベベルギヤを有するシャフトは、軸方向成分を含む力を受けて、フレッティング疲労の原因となる軸方向の振動を起こしやすいという問題を有する。しかし、ベベルギヤを有するシャフトであっても、ギヤ部と軸部との接合面に精密ショットピーニングを施した後、精密ショットピーニング施工後のギヤ部と軸部とを嵌合により固定して製造されることにより、良好な耐久性能を奏する。 Since the tooth surface of the bevel gear is inclined with respect to the axial direction, the shaft having the bevel gear has a problem in that it receives a force including an axial component and easily causes axial vibration that causes fretting fatigue. However, even shafts with bevel gears are manufactured by applying precision shot peening to the joint surface between the gear part and shaft part, and then fixing the gear part and shaft part after precision shot peening by fitting. As a result, good durability performance is achieved.
本発明に係るギヤ付きシャフトは、上述のいずれかに記載の製造方法によって製造される。 The shaft with gear according to the present invention is manufactured by any one of the manufacturing methods described above.
本発明に係るミキサータンクは、上述のギヤ付きシャフトを有する減速機と、
前記減速機に動力を伝達するモータと、
前記減速機から動力を伝達されて回転するインペラーを内部に収納するタンクと、を有する。
A mixer tank according to the present invention includes a reduction gear having the above-described geared shaft,
A motor for transmitting power to the speed reducer;
And a tank that houses therein an impeller that rotates by receiving power transmitted from the speed reducer.
上述のように、ギヤ部と軸部との接合面に精密ショットピーニングを施した後、精密ショットピーニング施工後のギヤ部と軸部とを嵌合により固定して製造するギヤ付きシャフトを有し、耐久性を向上させた減速機を使用するミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。 As described above, after precision shot peening is performed on the joint surface between the gear part and the shaft part, the gear part and the shaft part after precision shot peening are fixed by fitting and manufactured. The mixer tank using the speed reducer with improved durability can realize safe and stable operation.
本発明によれば、フレッティング疲労によって引き起こされる予測の難しい損傷を防止し、良好な耐久性能を有するギヤ付きシャフトの製造方法及びその製造方法によって製造されたギヤ付きシャフトを提供することができる。また、このようなギヤ付きシャフトを用いたミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a geared shaft manufacturing method and a geared shaft manufactured by the manufacturing method, which prevent a difficult-to-predictable damage caused by fretting fatigue and has a good durability performance. Moreover, the mixer tank using such a geared shaft can realize safe and stable operation.
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。図1は、本発明の一実施形態に係るミキサータンク10の概略図である。ミキサータンク10は、動力源であるモータ12と、カップリング14と、減速機16と、タンク22等を有する。
Hereinafter, although the present invention is explained based on an embodiment shown in a drawing, the present invention is not limited to it. FIG. 1 is a schematic view of a
カップリング14は、モータ12の出力軸と減速機16の入力軸(第1シャフト30(図2参照))とを接合しており、モータ12で発生した動力は、カップリング14を介して減速機16に伝達される。減速機16は、モータ12による回転を、所定の回転数まで減速して出力する。減速機16は、後述のように、歯面を有するギヤ部及び軸部を有する複数のシャフトを有しており、各ギヤ部等の歯面に形成される歯数は、シャフトを伝わりながら回転数が低減するように調整されている。また、減速機16は、軸の回転方向を、水平方向から鉛直方向に変更する。
The
タンク22の内部には、タンク22の内部に投入される流体を攪拌するためのインペラー20が収納されている。減速機16によって所定の回転数まで減速された動力は、減速機16の出力軸(第4シャフト60(図2参照))に接合されるアウトプットシャフト18等を介してインペラー20に伝達される。インペラー20は、タンク22の内部において回転し、タンク22の内部に存在する流体を攪拌する。
An
ミキサータンク10の用途は特に限定されないが、図1に示すミキサータンク10は、高濃度ラテックスを製造するために行われるアグロメレーション工程において、特に好適に使用される。高濃度ラテックスの製造工程では、まず乳化重合を行う乳化重合工程を実施し、その後にラテックスの高濃度化を目的とするソルベントアグロメレーションを行うアグロメレーション工程を実施する。アグロメレーション工程は、特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(ニトリルゴム)ラテックスの場合には、重合工程で製造されたラテックスをブタジエン存在下で、乳化重合時の撹拌に比べ高速攪拌することによって実施される。アグロメレーション工程では、タンク内の流体を、乳化重合時の撹拌に比べ高速攪拌する必要があるため、減速機16に含まれるシャフトに対する負荷が大きくなる傾向がある。そのため、ミキサータンク10の減速機16は、重合工程で用いられるミキサータンクの減速機よりも大きい負荷に耐える必要がある。
Although the use of the
図2は、減速機16の要部を表す図であり、減速機16に含まれるシャフトの構成を表したものである。減速機16は、入力軸である第1シャフト30と、第1シャフト30に対してギヤを介して接続される第2シャフト40と、第2シャフト40に対してギヤを介して接続される第3シャフト50と、第3シャフト50に対してギヤを介して接続される第4シャフト60とを有する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a main part of the
第1シャフト30は、ベアリング38,39によって回転自在に支持される第1軸部32と、第1軸部32の一部によって挿通されるAギヤ部34とを有する。Aギヤ部34は、第1軸部32におけるカップリング14側とは反対側の端部に固定されている。第1軸部32のAギヤ部34はベベルギヤであり、第1軸部32の軸方向に対して傾いている歯面を有する。
The
Aギヤ部34には貫通孔が形成されており、Aギヤ部34は、その貫通孔に第1軸部32の一部の外周壁を挿通させた状態で、第1軸部32に対して中間嵌めにより固定されている。Aギヤ部34と第1軸部32との間には、回転止めの為のキー等が挿入されている。第1軸部32は、水平方向に沿って配置されており、第1シャフト30の回転軸は水平方向である。
The
第2シャフト40は、ベアリング48,49によって回転自在に支持される第2軸部42と、第2軸部42の上側の一部によって挿通されるBギヤ部44と、第2軸部42の下側の一部によって挿通されるCギヤ部46とを有する。第2シャフト40のBギヤ部44は、第1シャフト30のAギヤ部34と噛み合っており、第1シャフト30の回転は、Aギヤ部34及びBギヤ部44を介して第2シャフト40に伝達される。
The
Bギヤ部44はベベルギヤであり、第2シャフト40の回転軸は、第1シャフト30の回転軸に対して90度回転した鉛直方向である。すなわち、第2シャフト40の第2軸部42は、鉛直方向に沿って配置されている。Bギヤ部44は、中間嵌めによって第2軸部42に固定されている。Bギヤ部44と第2軸部42との間には、回転止めのためのキー等が挿入されている。
The
Cギヤ部46は、ヘリカルギヤである。Cギヤ部46も、中間嵌めによって第2軸部42に固定されており、Cギヤ部46と第2軸部42との間には、回転止めのためのキー等が挿入されている。なお、第2シャフト40の製造方法については、後ほど詳述する。
The
第3シャフト50は、ベアリング58,59によって回転自在に支持される第3軸部52と、第3軸部52の上側の一部によって挿通されるDギヤ部54とを有する。また、第3軸部52は、第3軸部52における下側の一部の外周壁に形成されたEギヤ歯面56を有する。Dギヤ部54には貫通孔が形成されており、Dギヤ部54は、その貫通孔に第3軸部52の一部の外周壁を挿通させた状態で、第3軸部52に対して中間嵌めにより固定されている。Dギヤ部54と第3軸部52との間には、回転止めのためのキーや、固定を補助するためのスナップリング等が設置されている。
The
第3シャフト50のDギヤ部54は、第2シャフト40のCギヤ部46と噛み合っており、第2シャフト40の回転は、Cギヤ部46及びDギヤ部54を介して第3シャフト50に伝達される。Dギヤ部54が有する歯面に形成される歯数は、Cギヤ部46が有する歯面に形成される歯数より多く、第3シャフト50の回転数は、第2シャフト40の回転数より減少する。
The
Dギヤ部54はヘリカルギヤであり、第3シャフト50の回転軸は、第2シャフト40と同様に鉛直方向である。すなわち、第3シャフト50の第3軸部52は、鉛直方向に沿って配置されている。なお、Cギヤ部46及びDギヤ部54は、スプールギヤであっても良い。Eギヤ歯面56は、Dギヤ部54と同様に、ヘリカルギヤである。
The
第4シャフト60は、ベアリング68,69によって回転自在に支持される第4軸部62と、第4軸部62の上側の一部によって挿通されるFギヤ部64とを有する。Fギヤ部64には、貫通孔が形成されており、Fギヤ部64は、その貫通孔に第4軸部62の一部の外周壁を挿通させた状態で、第4軸部62に対して中間嵌めによって固定されている。
The
第4シャフト60のFギヤ部64は、第3シャフト50のEギヤ歯面56と噛み合っており、第3シャフト50の回転は、Eギヤ歯面56及びFギヤ部64を介して第4シャフト60に伝達される。Fギヤ部64が有する歯面の歯数は、Eギヤ歯面56の歯数より多く、第4シャフト60の回転数は、第3シャフト50の回転数より減少する。
The
Fギヤ部64はヘリカルギヤであり、第4シャフト60の回転軸は、第2シャフト40及び第3シャフト50と同様に、鉛直方向である。すなわち、第4シャフト60の第4軸部62は、鉛直方向に沿って配置されている。なお、Eギヤ歯面56及びFギヤ部64は、スプールギヤであっても良い。
The
第4軸部62は中空円筒状であり、第4軸部62の内部には、アウトプットシャフト18(図1参照)が挿入される。アウトプットシャフト18は、第4軸部62に連結され、第4シャフト60の回転は、タンク22内のインペラー20(図1参照)に伝達される。
The
図3A〜図3Dは、減速機16に含まれる第2シャフト40の構成部品及びこれらを結合した後の第2シャフト40を表す図である。また、図4は、第2シャフトの製造方法を説明したフローチャートである。以下に、図3A〜図3D及び図4を用い、第2シャフト40を例に、減速機16に含まれるシャフト30,40,50,60の製造方法を説明する。
3A to 3D are diagrams illustrating the components of the
図3Aは、第2シャフト40の製造のために準備される第2軸部42を表す図であり、図3Aに示す第2軸部42は、後述する精密ショットピーニングを施す前の第2軸部42である。図3Aに示すように、精密ショットピーニング施工前の第2軸部42は、Bギヤ部44を挿通するB取付部42aのB取付部外周壁42bと、Cギヤ部46を挿通するC取付部42cのC取付部外周壁42dとを有する。
FIG. 3A is a diagram showing a
精密ショットピーニングを施す前の第2軸部42は、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。精密ショットピーニング施工前の第2軸部42は、例えば切削または研削によって作製されるが、特に限定されない。精密ショットピーニング施工前の第2軸部42の表面は、必要に応じて研磨紙又は研磨布で研磨されていても良い。
The
図3Bは、第2シャフト40の製造のために準備されるBギヤ部44を表す図であり、図3Bに示すBギヤ部44は、後述する精密ショットピーニングを施す前のBギヤ部44である。図3Bに示すように、Bギヤ部44には、第2軸部42のB取付部外周壁42bを挿通させるためのBギヤ貫通孔44aが形成されている。また、Bギヤ部44は、その外壁の一部に、図2に示すAギヤ部34の歯面と噛み合うBギヤ歯面44eを有する。
FIG. 3B is a diagram showing a
図3Cは、第2シャフト40の製造のために準備されるCギヤ部46を表す図であり、図3Cに示すCギヤ部46は、後述する精密ショットピーニングを施す前のCギヤ部46である。Cギヤ部46には、Bギヤ部44と同様に、第2軸部42のC取付部外周壁42dを挿通させるためのCギヤ貫通孔46aが形成されている。また、Cギヤ部46は、その外壁の一部に、図2に示すDギヤ部54の歯面と噛み合うCギヤ歯面46eを有する。
3C is a diagram showing a
精密ショットピーニングを施す前のBギヤ部44及びCギヤ部46は、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。ただし、精密ショットピーニング施工前におけるBギヤ部44及びCギヤ部46の硬さと、精密ショットピーニング施工前における第2軸部42の硬さとの差が、ビッカース硬さで160以内であることが好ましい。Bギヤ部44及びCギヤ部46と第2軸部42との硬さの差を小さくすることによって、Bギヤ部44及びCギヤ部46と第2軸部42との接合部分で起こるフレッティング疲労が抑制されるからである。また、精密ショットピーニング施工前のBギヤ部44及びCギヤ部46と第2軸部42とは、同様の組成の材料から作製され、同様の熱処理を施されたものであることが、接触面の硬度差を小さくしてフレッティング疲労を抑制する観点から好ましい。
The
Bギヤ部44及びCギヤ部46は、例えば切削又は研削等によって作製されるが、特に限定されない。各ギヤ貫通孔44a,46aの壁面であって各ギヤ部44,46の内周壁であるBギヤ内周壁44b及びCギヤ内周壁46bは、必要に応じて研磨紙又は研磨布で表面を研磨される。
The
図4は、図3A〜図3Cに示す第2軸部42、Bギヤ部44及びCギヤ部46を準備してから、図3Dに示す第2シャフト40を作製するまでの工程を表している。図4に示すステップS001では、図3Aに示す第2軸部42を準備し、精密ショットピーニング施工前の第2軸部42に対して、精密ショットピーニングを施す。ここで、精密ショットピーニングとは、金属の表面に、その金属と同等以上の硬度を有する20〜200μmの微粒子を、噴射速度50m/sec以上で噴射させ、局部的に再結晶温度まで高めることにより、熱処理効果、鍛錬効果の加工強化が瞬時に繰り返され、金属表面層の残留オーステナイトのマルテンサイト化や、再結晶、組織の微細化を行う処理である。これにより、金属表面は高硬度で靱性に富んだ微細な組織が形成され、内部圧縮残留応力も高めることができる。
FIG. 4 shows a process from the preparation of the
精密ショットピーニングは微粒子をたたきつけているため、圧縮残留応力を高めることができる。また、精密ショットピーニングを施した金属表面は非常に微細な炭化物組織になっており、その表面積は大きく結びつきも強いものになる。そのため、金属表面にクラックが入りにくく、入ったとしても広がりにくいので、精密ショットピーニングを施すと疲労に強くなる。精密ショットピーニングする方法として、WPC処理(株式会社不二機販及び株式会社不二製作所の登録商標)が好適に用いられる。 Since precision shot peening strikes fine particles, compressive residual stress can be increased. In addition, the metal surface subjected to precision shot peening has a very fine carbide structure, and its surface area is large and strongly tied. Therefore, it is difficult for cracks to enter the metal surface, and even if it enters, it is difficult to spread. As a method for precision shot peening, WPC treatment (registered trademark of Fuji Machine Sales Co., Ltd. and Fuji Seisakusho Co., Ltd.) is preferably used.
図4に示す軸部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001)では、少なくとも第2軸部42におけるB取付部42aのB取付部外周壁42b及びC取付部42cのC取付部外周壁42dに対して、精密ショットピーニングが施される。ただし、軸部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001)では、第2軸部42の表面全体に対して精密ショットピーニングが施されても良い。
In the step of performing precision shot peening of the shaft portion shown in FIG. 4 (step S001), at least the B mounting portion outer
図4に示すステップS002では、図3Bに示すBギヤ部44と図3Cに示すCギヤ部46を準備し、精密ショットピーニング施工前のBギヤ部44及びCギヤ部46に対して、精密ショットピーニングを施す。図4に示すギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS002)では、Bギヤ部44のBギヤ内周壁44bとCギヤ部46のCギヤ内周壁46bに対して精密ショットピーニングが施される。ただし、ギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS002)では、Bギヤ部44及びCギヤ部46の表面全体に対して精密ショットピーニングが施されていても良い。また、Bギヤ部44の精密ショットピーニングと、Cギヤ部46の精密ショットピーニングは、別々に行われても良く、まとめて同時に行われても良い。
In step S002 shown in FIG. 4, a
さらに、ギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS002)は、軸部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001)とまとめて同時に行われても良く、別々に行われても良い。また、ギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS002)と軸部の精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001)とを別々に行う場合において、その順序は図4に示す例に限定されず、どちらが先に行われても良い。 Further, the step of performing precision shot peening of the gear portion (step S002) may be performed simultaneously with the step of performing precision shot peening of the shaft portion (step S001), or may be performed separately. Further, in the case where the step of performing precision shot peening of the gear portion (step S002) and the step of performing precision shot peening of the shaft portion (step S001) are performed separately, the order is not limited to the example shown in FIG. Either may be done first.
精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001及びステップS002)において用いる微粒子としては、例えば、金属の微粒子やセラミックビーズ等を用いることができ、粒径は、通常、20〜200μm、好ましくは40〜100μmのものを用いる。また、精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001及びステップS002)における高圧エアーの噴射速度は、通常、50m/sec以上、好ましくは150m/sec以上が好ましく、噴射圧力は、0.2MPa以上が好ましい。また、精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001及びステップS002)では、第1段階として金属(例えば高速度鋼等)の微粒子を用いて精密ショットピーニングを行ったのち、第2段階としてセラミックビーズの微粒子を用いて精密ショットピーニングを行っても良い。 As fine particles used in the step of performing precision shot peening (step S001 and step S002), for example, metal fine particles, ceramic beads, and the like can be used, and the particle size is usually 20 to 200 μm, preferably 40 to 100 μm. Use things. Moreover, the injection speed of the high-pressure air in the step of performing precision shot peening (step S001 and step S002) is usually 50 m / sec or more, preferably 150 m / sec or more, and the injection pressure is preferably 0.2 MPa or more. In the step of performing precision shot peening (step S001 and step S002), fine shot peening is performed using metal (for example, high speed steel) fine particles as a first stage, and then fine particles of ceramic beads as a second stage. Precision shot peening may be performed using
図4に示すステップ3では、精密ショットピーニングを施す工程(ステップS001及びステップS002)において精密ショットピーニングを施された第2軸部42とBギヤ部44及びCギヤ部46とを、中間嵌めにより固定し、図3Dに示す第2シャフト40を得る。嵌合工程(ステップS003)によって、Bギヤ部44は、Bギヤ貫通孔44aに第2軸部42のB取付部外周壁42bを挿通させた状態で、第2軸部42に対して固定される。また、Cギヤ部46は、Cギヤ貫通孔46aに第2軸部42のC取付部外周壁42dを挿通させた状態で、第2軸部42に対して固定される。なお、中間嵌めの際に、Bギヤ部44及びCギヤ部46と第2軸部42との間には、回転止めのためのキー等が挿入される。
In
図3Dに示すように、第2シャフト40では、中間嵌めによって互いに対向及び接触する双方の面である第2軸部42の外周壁42b,42d及び各ギヤ部44,46の内周壁44b,46bが、いずれも精密ショットピーニングを施されている。このように、嵌合によって接合面となる面に予め精密ショットピーニングを施した後、軸部とギヤ部とを嵌合して固定するギヤ付きシャフトの製造方法は、製造されたギヤ付きシャフトにおける軸部とギヤ部との接合部分で起こるフレッティング疲労を抑制することができる。なお、精密ショットピーニングは、金属材料表面を、結合力の強い組織に改質する作用があると考えられ、このような精密ショットピーニングの作用が、フレッティング疲労の抑制効果をもたらしているものと考えられる。
As shown in FIG. 3D, in the
なお、上述の説明では、第2シャフト40を例に挙げて製造方法の説明を行ったが、図2に示す他のシャフト30,50,60についても、同様の製造方法によって作製することができる。すなわち、第1軸部32に対するAギヤ部34の固定、第3軸部52に対するDギヤ部54の固定及び第4軸部62に対するFギヤ部64の固定についても、嵌合によって接合面となる面に、予め精密ショットピーニングを施すことにより、フレッティング疲労の抑制効果を得られる。
In the above description, the manufacturing method has been described by taking the
また、上述の製造方法により製造された第2シャフト40等を有する減速機16は、安全かつ安定的に動力を伝達することが可能である。また減速機16を使用するミキサータンク10は、アグロメレーション工程の場合など、負荷の大きい条件で運転される場合にも、安全かつ安定的な運転を実現することができる。
Further, the
なお、図2に示す第2シャフト40の第2軸部42は、第3シャフト50の第3軸部52と比較して、より内径の小さいベアリング48,49によって支持されており、第2軸部42には、第3軸部52より大きな負荷が加わり易い。従って、減速機16においては、軸部とギヤ部との接合面に精密ショットピーニングを施した後に嵌合により固定して作製したギヤ付きシャフトを第2シャフト40として用いることが、耐久性を確保する観点から特に効果的である。
Note that the
さらに、図2及び図3に示す第2シャフト40は、ベベルギヤであるBギヤ部44を有している。ベベルギヤの歯面は軸方向に対して傾いているため、ベベルギヤを有するシャフトは、軸方向成分を含む力を受けて、フレッティング疲労の原因となる軸方向の振動を発生し易いという問題がある。また、第2シャフト40の回転軸は鉛直方向であり、重力により軸方向の振動が発生しやすいという問題もある。さらに、Bギヤ部44の歯面の法線方向が水平方向より鉛直方向側に傾いており、下方から力を受けることも、振動発生の原因となり得る。従って、第2シャフト40として、軸部とギヤ部との接合面に精密ショットピーニングを施した後に嵌合により固定して作製したギヤ付きシャフトを採用することは、特に効果的である。
Furthermore, the
また、図2に示す減速機16において、第1シャフト30はモータ12側に位置するため、Aギヤ部34も、Cギヤ部46と同様に、起動時の急負荷等の負荷が集中し易い部分である。また、第1シャフト30も、第2シャフト40と同様にベベルギヤを有するため、軸方向の振動が発生し易い傾向にある。したがって、第1シャフト30として、軸部とギヤ部との接合面に精密ショットピーニングを施した後に嵌合により固定して作製したギヤ付きシャフトを採用することは、耐久性を確保する観点から効果的である。
Further, in the
実施例
以下にさらに詳細な実施例に基づき説明を行うが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described based on more detailed examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例では、ギヤ付きシャフトの軸部等として一般的に使用される炭素鋼であるS45C(JIS G 4051:2005)で作製された試験片について、フレッティング疲労試験および通常の疲労試験を実施し、ギヤ付きシャフトの接合面に対する精密ショットピーニングの有効性を確認した。実施例では、疲労試験の種類及び試験片及び接触片に対する精密ショットピーニングの有無等を変更し、3種類の評価を行った。本実施例で行った比較例1、実施例1、及び参考例1の各評価条件を表1に示す。 In the examples, a fretting fatigue test and a normal fatigue test were performed on a test piece made of S45C (JIS G 4051: 2005), which is a carbon steel generally used as a shaft portion of a geared shaft. The effectiveness of precision shot peening on the joint surface of the geared shaft was confirmed. In the examples, three types of evaluations were performed by changing the type of fatigue test and the presence or absence of precision shot peening for the test piece and the contact piece. Table 1 shows the evaluation conditions of Comparative Example 1, Example 1, and Reference Example 1 performed in this example.
(比較例1)
表1に示すように、比較例1は、炭素鋼S45Cで作製され、表面を精密ショットピーニングを施していない試験片90を用いて、フレッティング疲労試験を行ったものである。図5(a)は、比較例1として評価を実施したフレッティング疲労試験の試験方法を表す概念図である。
(Comparative Example 1)
As shown in Table 1, Comparative Example 1 is a fretting fatigue test using a
比較例1として評価を実施したフレッティング疲労試験は、日本機械学会基準(JSME)のフレッティング疲労試験方法(改訂版)(JSME S 015−2009)に基づくものである。図5(a)に示すように、比較例1に係るフレッティング疲労試験は、試験片90の中央部分に形成される平行部90aに、矢印95で示す繰り返し応力の方向とは直交する方向から、接触片92を押し当てられた状態で実施される。接触片92は、押し付け治具94によって、平行部90aに押し当てられる。なお、比較例1で用いた試験片90および接触片92の表面は、研磨紙による研磨を施されている。
The fretting fatigue test evaluated as Comparative Example 1 is based on the Japan Society of Mechanical Engineers (JSME) fretting fatigue test method (revised version) (JSMES 015-2009). As shown in FIG. 5A, the fretting fatigue test according to Comparative Example 1 is performed on the
比較例1に係るフレッティング疲労試験では、矢印95で示す方向に沿って繰り返し応力を負荷し、試験片90が疲れ破壊を生ずるまでに要した応力の繰り返し数Nを測定した。繰り返し応力の周波数は、3Hzとした。また、押し付け治具94の歪みは100μmとした。なお、試験片90の平行部90aの断面積は150mm2、接触片92の押し付け力は一定とした。また、比較例1における繰り返し応力(片振り応力)の最大応力は、250、350、440MPaとし、比較例1では、各最大応力で1回ずつ、計3回のフレッティング疲労試験を実施した。
In the fretting fatigue test according to Comparative Example 1, repeated stress was applied along the direction indicated by the
(実施例1)
表1に示すように、実施例1は、試験片90及び接触片92の表面に精密ショットピーニングを施した以外は、比較例1と同様の条件で、フレッティング疲労試験を行ったものである。すなわち、実施例1で用いた試験片90及び接触片92は、比較例1で用いた試験片90及び接触片92と同様に炭素鋼S45Cで作製された後、その表面に更に精密ショットピーニングが施されたものである。実施例1で用いた試験片90に対して行われた精密ショットピーニングは、2段階の精密ショットピーニングであり、第1段階として高速度鋼の微粒子を用いて精密ショットピーニングを行い、第2段階としてセラミックビーズの微粒子を用いて精密ショットピーニングを行ったものである。各段階で用いた微粒子の粒径はいずれも50μmであり、精密ショットピーニングにおける高圧エアーの噴射速度はいずれも200m/secであり、高圧エアーの噴圧はいずれも0.4MPaとした。
Example 1
As shown in Table 1, in Example 1, a fretting fatigue test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the surfaces of the
実施例1に係るフレッティング疲労試験でも、実施例1と同様に、試験片90が疲れ破壊を生ずるまでに要した応力の繰り返し数Nを測定した。試験片90及び接触片92の形状及び接触片92の押し付け力等の評価条件は、比較例1と同様である。なお、精密ショットピーニングによる寸法変化は、大きくても数μm程度であるため、試験片90及び接触片92の形状を算出する際には考慮していない。また、実施例1における繰り返し応力(片振り応力)の最大応力は、250、275、300、325、350、440MPaとし、実施例1では、各最大応力で1回ずつ、計6回のフレッティング疲労試験を実施した。
Also in the fretting fatigue test according to Example 1, as in Example 1, the number of repetitions N of stress required until the
(参考例1)
表1に示すように、参考例1は、比較例1で用いたものと同様の試験片90を用いて、通常の疲労試験(JIS Z 2273:1978)を行ったものである。図5(b)は、参考例1として実施した通常の疲労試験の試験方法を表す概念図である。
(Reference Example 1)
As shown in Table 1, Reference Example 1 was a normal fatigue test (JIS Z 2273: 1978) using a
参考例1として実施した通常の疲労試験は、フレッティング疲労試験で用いたような接触片92(図5(a)参照)を用いずに行われる点を除き、比較例1として実施したフレッティング疲労試験と同様にして行われた。参考例1で用いた試験片90の製造方法及び形状は、比較例1と同様である。また、参考例1に係る通常の疲労試験では、比較例1に係るフレッティング疲労試験と同様に、図5(b)において矢印97で示す方向に、繰り返し応力が加えられた。繰り返し応力の周波数は、比較例1と同様に、3Hzとした。また、参考例1における繰り返し応力(片振り応力)の最大応力は、250、275、300、325、350、440MPaとし、参考例1では、各最大応力で1回ずつ、計6回の通常の疲労試験を実施した。
The normal fatigue test carried out as Reference Example 1 was carried out as Comparative Example 1 except that the contact piece 92 (see FIG. 5A) used in the fretting fatigue test was not used. It was performed in the same manner as the fatigue test. The manufacturing method and shape of the
評価結果
図6は、それぞれ、比較例1、実施例1、及び参考例1に係る評価結果を表すS−N線図である。比較例1(実線)と参考例1(破線)とを比較すると、精密ショットピーニングを施していない試験片90を用いた試験では、フレッティング疲労試験の方が、通常の疲労試験に対して、破壊を生じるまでの繰り返し回数Nが著しく低いことが解る。これは、炭素鋼S45Cで作製された材料の接合面において、フレッティング疲労による疲労強度の低下の方が、フレッティング疲労以外の通常の疲労による疲労強度の低下よりも早く起こり得ることを示している。
Evaluation Results FIG. 6 is a SN diagram showing evaluation results according to Comparative Example 1, Example 1, and Reference Example 1, respectively. Comparing Comparative Example 1 (solid line) and Reference Example 1 (dashed line), in the test using the
これに対して、精密ショットピーニングを施した試験片90を用いた実施例1(一点鎖線)は、同じフレッティング疲労試験でありながら、精密ショットピーニングを施していない試験片90を用いた比較例1に対して、破壊を生じるまでの繰り返し回数Nが大きく向上していた。このことにより、炭素鋼S45Cで作製された材料の接合面においてフレッティング疲労が発生し得る場合は、接合面に精密ショットピーニングを施すことにより、大幅な疲労強度の向上を図れることを確認できた。
On the other hand, Example 1 (one-dot chain line) using the
また、精密ショットピーニングによる疲労強度の向上は顕著であり、実施例1(一点鎖線)は、通常の疲労試験である参考例1(破線)よりも、破壊を生じるまでの繰り返し回数Nが大きい。このことは、設計時にフレッティング疲労が想定されていなかったギヤ付きシャフトについて、その後にフレッティング疲労の発生が発見されたような場合にでも、接合面に精密ショットピーニングを施すことにより、ほとんど設計変更を行うことなく、精密ショットピーニングを施さないものについてのフレッティング疲労以外の通常の疲労に対する耐久性能と同等以上の耐久性能を、フレッティング疲労に対して有するギヤ付きシャフトを製造し得ることを表している。 In addition, the improvement in fatigue strength by precision shot peening is remarkable, and Example 1 (dashed line) has a larger number of repetitions N until failure occurs than Reference Example 1 (dashed line), which is a normal fatigue test. This is because the geared shaft, for which fretting fatigue was not assumed at the time of design, was almost designed by applying precision shot peening to the joint surface even when fretting fatigue was discovered afterwards. It is possible to manufacture a geared shaft having durability against fretting fatigue that is equal to or better than that of normal fatigue other than fretting fatigue for those that are not subjected to precision shot peening without modification. Represents.
10…ミキサータンク
12…モータ
14…カップリング
16…減速機
18…アウトプットシャフト
20…インペラー
22…タンク
30…第1シャフト
32…第1軸部
34…Aギヤ部
38,39,48,49,58,59,68,69…ベアリング(軸受け部)
40…第2シャフト
42…第2軸部
42a…B取付部
42b…B取付部外周壁
42c…C取付部
42d…C取付部外周壁
44…Bギヤ部
44a…Bギヤ貫通孔
44b…Bギヤ内周壁
44e…Bギヤ歯面
46…Cギヤ部
46a…Cギヤ貫通孔
46b…Cギヤ内周壁
46e…Cギヤ歯面
50…第3シャフト
52…第3軸部
54…Dギヤ部
56…Eギヤ歯面
60…第4シャフト
62…第4軸部
64…Fギヤ部
90…試験片
90a…平行部
92…接触片
94…押し付け治具
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (5)
孔が形成されており外壁の少なくとも一部に歯面を有するギヤ部の内周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
精密ショットピーニングされた前記軸部と前記ギヤ部とを、嵌合により、前記ギヤ部の前記孔に前記軸部の前記外周壁を挿通させた状態で固定する工程と、
を有するギヤ付きシャフトの製造方法。 A step of performing precision shot peening on at least a part of the outer peripheral wall of the shaft portion;
A step of performing precision shot peening on the inner peripheral wall of the gear portion in which a hole is formed and having a tooth surface on at least a part of the outer wall;
Fixing the precision shot peened shaft portion and the gear portion in a state where the outer peripheral wall of the shaft portion is inserted into the hole of the gear portion by fitting; and
Manufacturing method of shaft with gear.
前記減速機に動力を伝達するモータと、
前記減速機から動力を伝達されて回転するインペラーを内部に収納するタンクと、を有するミキサータンク。 A speed reducer having the geared shaft according to claim 4;
A motor for transmitting power to the speed reducer;
A mixer tank having an impeller that receives the power transmitted from the speed reducer and rotates.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140513 |