JP2017020555A - 歯車を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材から熱間転造用の歯車素材１０を用意し、その歯車素材１０の表面に浸炭層１２を形成し、その後、熱間転造による塑性加工を施して所定形状の歯形を持つ歯車３０を製造する歯車の製造方法において、メタルフロー処理を行うことなく、歯形部分の浸炭深さを所要に確保できるようする。【解決手段】歯車３０を製造する方法において、歯車素材１０へ浸炭を行う浸炭工程と、浸炭工程後に歯車素材１０を歯車の軸方向に圧縮する圧縮工程と、歯車素材１０を所定形状の歯車に塑性加工する塑性加工工程とを少なくとも有する。【選択図】図２

Description

本発明は、浸炭処理が施された歯車を製造する方法に関する。

歯車の製造において、疲労強度を向上させる等の目的で、歯形部の表面に浸炭による表面硬化処理が行われる場合がある。特許文献１にはその一例が記載されており、鋼材から熱間転造用の歯車素材を用意し、その歯車素材に対してガス浸炭雰囲気中で浸炭処理を施して、表面に浸炭処理層を形成した後、熱間転造による塑性加工を施して、所定形状の歯形を持つ歯車とする製造方法が記載されている。また、塑性加工において、転造工具と歯車素材とのかみ合いピッチ円をずらして、メタルフローの方向を調整し、浸炭層深さを大きくすることも記載されている。

特開平５−２５６１０号公報

特許文献１に記載されるように、鋼材から熱間転造用の歯車素材を用意し、その歯車素材に対し表面に浸炭処理層を形成し、その後、熱間転造による塑性加工を施して、所定形状の歯形を持つ歯車とする歯車の製造方法の場合、浸炭処理後の熱間転造時に歯車の周方向の表面積が増加することとなり、その結果、熱間転造による塑性加工によって形成された所定形状の歯形の部分において、浸炭層の深さが浅くなるのを避けられない。転造工具と歯車素材とのかみ合いピッチ円をずらして熱間転造時でのメタルフローの方向を調整し、歯元部分の浸炭層を歯面部分の浸炭層として補うことで、浸炭層深さをある程度まで大きくすることが可能であるとしても、確保できる厚みには限りがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、鋼材から熱間転造用の歯車素材を用意し、その歯車素材の表面に浸炭層を形成し、その後、熱間転造による塑性加工を施して所定形状の歯形を持つ歯車を製造するようにした歯車の製造方法において、メタルフロー処理を行うことなく、歯形部分の浸炭深さを所要に確保できるようにした歯車の製造方法を提供することを課題とする。

本発明による歯車の製造方法は、歯車素材へ浸炭を行う浸炭工程と、前記浸炭工程後に前記歯車素材を歯車の軸方向に圧縮する圧縮工程と、前記歯車素材を所定形状の歯車に塑性加工する塑性加工工程と、を少なくとも有することを特徴とする。

本発明による歯車の製造方法において、前記圧縮工程と前記塑性加工工程とは、それを行う順序に制限はなく、圧縮工程の後に塑性加工工程を行ってもよく、その逆であってもよい。好ましくは、前者である。いずれの場合も、浸炭処理が施された歯車素材に対し、浸炭処理の直後であって素材が高温状態にあるときに、前記２つの工程を行う。また、２つの工程が終わった後に、直ちに、急冷による焼き入れ処理を行うことが好ましい。

本発明による製造方法では、浸炭処理後の歯車素材を歯車の軸方向に圧縮する圧縮工程を行うことで、浸炭層の増肉が可能となる。それにより、塑性加工時に表面積の増大によって浸炭層の深さが浅くなる場合でも、軸方向の圧縮によって浸炭深さを増加させる、あるいは厚みの減少量を抑制することが可能となり、メタルフロー処理等の処理を行わなくても、所期の浸炭層厚みを備えた歯車を製造することが可能となる。

本発明により奏される作用効果を説明するための概念図であり、図１（ａ）は浸炭層推移を、図１（ｂ）は結晶粒推移を示す。 本発明による歯車の製造方法を工程順に示す図であり、上段は斜視図、下段はｂ−ｂ断面図。 塑性加工工程（熱間転造）の歯車を示す平面図（ａ）とそのｂ−ｂ断面図（ｂ）。 温度パターンの一例を示す図（グラフ）。 本発明の製造方法で製造した内歯リングギアを示す平面図（ａ）とその軸方向の断面図（ｂ）。 実施例での浸炭層の厚み変化を示す図。 比較例での浸炭層の厚み変化を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。最初に、本発明により奏される作用効果を、図１に示した概念図を参照して説明する。図１（ａ）は表面に浸炭処理が施された素材における浸炭層の推移を示しており、図１（ｂ）はその素材での結晶粒推移を示している。

素材１は円柱あるいは角柱である柱状の鋼材であり、その表面に浸炭処理が施される。素材１（図１（ａ）−イ）には、最初に浸炭に適した温度まで加熱処理が施された後（図１（ａ）−ロ）、浸炭処理が施され、表面に厚さｔ１の浸炭層２が形成される（図１（ａ）−ハ）。浸炭処理直後であって、素材１が高温状態にあるときに、適宜の手段により素材１に対してその軸方向の圧縮を加え（熱間鍛造）、圧縮成形する（図１（ａ）−ニ）。熱間圧縮成形により、素材１は軸方向の高さが低くなり、同時に径方向には拡張する。その変形により、浸炭層２の厚みｔ１は、素材１の周囲面においては厚みがｔ２（＞ｔ１）に増大（増肉）し、上下の端面においては減少する。その状態で、焼き入れ処理を行うことにより、周囲面での浸炭層の厚みｔ２が当初の厚みｔ１よりも増肉した製品が得られる。また、高温浸炭により結晶粒が粗大化して（図１（ｂ）−ロ、ハ）、素材強度が低下するが、高温での塑性変形（熱間鍛造）を付与することで、結晶粒を再結晶させ微細化が可能となり（図１（ｂ）−ニ、ホ）、強度低下も抑制される。

本発明の歯車の製造方法は、上記の原理を歯車の製造に適用する。最初に、図２（ａ）に示すように、製造しようとする歯車３０（図３参照）に適した適宜の鋼材（例えばＳＣｒ４２０）から、歯車素材としての円柱体１０を調整する。円柱体１０の高さｈおよび直径ｄ１は、最終製品である歯車３０の厚みｈｆ（＜ｈ）および直径ｄ１ｆ（＞ｄ１）に応じて、演算により決定する。円柱体１０の軸方向中央には、直径ｄ２である軸方向に延びる貫通孔１１が形成されている。

次に、円柱体１０を、適宜の浸炭装置に対して前記貫通孔１１を利用して取り付け、加熱と浸炭処理を行う。図４のグラフに一例を示すように、例えば１０５０℃に加熱した状態で、約１０分程度の浸炭処理を行う。それにより、図２（ｂ）に示すように、円柱体１０の少なくとも周囲面には厚みｔの浸炭層１２が形成される。浸炭処理後の円柱体１０の高さｈおよび直径ｄ１は、浸炭処理前と実質的に同じである。浸炭処理後に、円柱体１０を浸炭装置から取り外し、図示しない鍛造装置へ搬送する。搬送時間はできるだけ短い時間とする。

鍛造装置では、図４に示すように、温度を例えば１０００℃程度の高温に保ったままで熱間鍛造処理を行う。具体的には、円柱体１０を軸方向（最終製品である歯車の軸方向）に圧縮する圧縮工程と、浸炭処理が施された周囲面に歯形を熱間転造する処理を行う。この熱間転造処理は本発明でいう「塑性加工工程」に相当する。図２（ｃ）は圧縮工程の途中での円柱体１０を示している。軸方向に圧縮されることにより、円柱体１０の高さｈｐは圧縮前の高さｈよりも低くなり、それに応じて、浸炭層１２の厚みｔｐは圧縮前の厚みｔよりも厚くなる。すなわち、周囲面において浸炭層１２の増肉が進行する。一方、圧縮量に応じて、直径ｄ１ｐは圧縮前の直径ｄ１よりも大きくなり、また、前記貫通孔１１の直径ｄ２ｐは圧縮前の直径ｄ２より小さくなる。

高さｈｐと直径ｄ１ｐが予め計算しておいた値となったときに、周囲面に歯形２０を熱間転造する処理を開始する。周囲面に歯形２０を転造することにより、円柱体１０の周囲面の面積は増大する。そして、その増大に比例して浸炭層１２の厚みｔｐは減少する。しかし、前記のように、予め浸炭後の円柱体１０を高温状態で軸方向に圧縮したことで、浸炭層１２の厚みｔｐは圧縮前の厚みｔよりも厚くなっており、厚みが減少するとしても、最終製品としての浸炭層１２の厚みｔｆを当初の厚みｔと同じかより厚いものに維持することができる。

歯形２０を熱間転造時に、径方向の圧縮力が働いて、直径が縮小することが起こりうる。その場合には、必要に応じて、熱間転造後に再度軸方向の圧縮工程を行う。このような熱間鍛造処理を行うことで所要の歯形２０を周囲面に備えた製品が得られる。図４に示すように、この製品は適宜の焼き入れ部署に迅速に（例えば、２秒以下で）搬送され、例えば８７０℃以上である製品に対して焼き入れ処理（例えば、油冷またはガス冷による急冷処理）を施すことにより、図３に示す、最終製品としての、深さｄ３である歯形２０を有し、直径ｄ１ｆ（＞ｄ１）、厚みｈｆ（＜ｈ）である歯車３０が得られる。歯車３０の少なくとも歯形面および歯元には厚みｔｆの浸炭層が形成されており、前記した軸方向への圧縮処理を行ったことで、浸炭層の厚みｔｆは浸炭処理時に形成された浸炭層の厚みｔよりも厚くすることできる。得ようとする歯車の寸法をベースに、初期の歯車素材１０の寸法を演算により適宜設定することで、少なくとも歯形面に所望の厚みｔｆの浸炭層が形成された歯車３０を製造することができる。なお、歯車３０の中心の貫通孔１１の直径ｄ２ｆは圧縮処理前の直径ｄ２よりも小さくなるので、必要に応じて、適宜の機械加工により所定の大きさに調整する。

さらに、本発明による歯車の製造方法によれば、上記のように、浸炭後に温度を高温に保ったままで鍛造を行うようにしており、従来の歯車の製造のように、２回の高温加熱、すなわち、鍛造時の加熱と浸炭時の加熱を行うことを要しない。そのために、製造コストの低減も可能となる。また、強度必要部位（歯形面等）の浸炭深さを浸炭処理時の厚みから減少させないか、それ以上に増加させることができるので、所要の厚みの浸炭層を備えた部材を製造するときでの浸炭時間を短縮することが可能であり、ここでも低コスト化が図られる。

図５は、本発明による歯車の製造方法で製造された歯車の他の実施形態を示している。この歯車５０は内歯５１を備えた歯車であり、内歯５１の歯形面領域と外周領域５２の双方に浸炭処理が施されている。この種の歯車の一例として、薄肉の内歯リングギアであって外周にワンウェイクラッチのインナーレースを複合したものを挙げることができ、ワンウェイクラッチのインナーレースでは、径方向への衝撃入力で凹まないように、深さの深い浸炭層を外周面に備えることが求められる。

この種の歯車は従来内歯面と外周面とを高周波焼き入れを行うことで強度を確保していたが、薄肉品の場合、内外順次焼き入れを行う２度の焼き入れで精度が悪化する恐れがあり、また、先に焼いた部位の焼き戻りの問題もあり、製造には慎重な作業が求められている。

浸炭処理を施した後、圧縮処理と熱間塑性加工処理を行うようにした本発明による歯車の製造方法を、上記のような薄肉の内歯リングギアに適用することにより、所望の厚みの浸炭層を内歯面および外周面の双方に確実に確保することができ、かつ、焼き入れ処理も１回で済むので、上記した高周波焼き入れに伴う不都合をすべて回避した内歯リングギアを容易に得ることができる。

以下、実施例と比較例により本発明の優位性を説明する。
［実施例］
歯車の材料としてＳＣｒ４２０の円柱体１０を用いた。厚みは３０ｍｍである。１０００℃に加熱した状態で、浸炭処理を行い、周囲面に０．４ｍｍの浸炭層１２を形成した。その平面図の一部を図６（ａ）に示した。温度を１０００℃に維持して、軸方向に圧縮して、厚みを１０ｍｍとした。圧縮後の平面図を図６（ｂ）に示した。周囲面の浸炭層１２の厚みはほぼ３ｍｍに増肉していた。温度を１０００℃に維持した状態で転造装置を用いて歯形２０の熱間加工を行った。歯形形成後の平面図を図６（ｃ）に示した。図に示すように、歯形成形後の歯形面での浸炭層１２の厚さは初期状態と比べて大きく増加した。

［比較例］
実施例と同じ材料を用い、同じ直径の円筒体１０であって厚み１０ｍｍのものを用意した。１０００℃に加熱した状態で浸炭処理を行い、周囲面に０．４ｍｍの浸炭層１２を形成した。その平面図の一部を図７（ａ）に示した。温度を１０００℃に維持して、実施例と同様にして歯形２０の熱間成形を行った。歯形成形後の平面図を図７（ｂ）に示した。図に示すように、歯形成形後の浸炭層１２の厚さは初期状態と比べて微減していた。

［評価］
上記のように、本発明による方法で製造した歯車では、素材に形成された浸炭層厚みが同じであっても、従来方法により製造された歯車と比較して、歯形部での浸炭層の厚みが厚くなっており、本発明の優位性が示される。

１０…歯車素材としての円柱体、
１２…浸炭層、
２０…歯形、
３０…歯車。

Claims (1)

1. 歯車を製造する方法であって、
   歯車素材へ浸炭を行う浸炭工程と、
   前記浸炭工程後に、
   前記歯車素材を歯車の軸方向に圧縮する圧縮工程と、前記歯車素材を所定形状の歯車に塑性加工する塑性加工工程と、を少なくとも有することを特徴とする方法。

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