JP2018144127A - 表面加工方法および表面加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い残留圧縮応力を得て、高い疲労強度を達成する表面加工方法および表面加工装置を提供する。【解決手段】環状歯車１０（ワーク）の径方向の内側に配置された治具の加圧ローラ２３（加圧部）による加圧によって、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐに引張負荷を付与した状態で、環状歯車１０の外周面１０ａを取り囲む覆い部材３と前記治具とを環状歯車１０の周方向Ｙに同期的に相対移動させる。周方向Ｙに移行する前記一部１０Ｐにおける環状歯車１０の外周面１０ａに対して、投射装置５が、覆い部材３の開放部３３を通して投射材を投射する。【選択図】図３

Description

本発明は、表面加工方法および表面加工装置に関する。

特許文献１の提案する技術では、歯車等の環状部品の表面加工方法において、環状部品の内側に拡開治具を圧入して環状部品を拡開することにより、環状部品に引張応力を付与する。引張応力が付与された状態の環状部品に対してショットピーニング処理を行い、ショットピーニング処理後に、環状部品を拡開治具から取り外すことにより、環状部品に残留圧縮応力を付与して、環状部品の疲労強度を向上する。

特開２０００−３５４９６５号公報

特許文献１では、外周面に外周テーパ部を有するテーパ部材と、内周面に前記外周テーパ部とは逆向きの傾斜の内周テーパ部を有して前記テーパ部材に外嵌された筒状のテーパマンドレルとが、軸方向に相対移動される。これにより、テーパ部材の外周面によって、テーパマンドレルの内周面が、押圧拡開される。内周面が押圧拡開されたテーパマンドレルの外周面によって、環状部品の内周面が押圧拡開されることで、環状部品に引張応力を発生させる。この状態でショットピーニング処理が行われる。ショットピーニング処理時における引張応力が高いほど、引張応力を除去したときに、高い残留圧縮応力を得ることができる。

しかしながら、特許文献１のように、環状部品の全体に膨張変形および収縮変形をさせる場合、その変形には、材料強度に応じた限界がある。高い残留圧縮応力を得るために高い引張応力を負荷しようとすると、環状部品を多大に変形させることになり、環状部品が破損するおそれがある。このため、ショットピーニング処理時における引張応力をあまり高くできない。可及的に、高い残留圧縮応力を得ることができないため、高い疲労強度を達成できないという問題がある。

本発明の目的は、高い残留圧縮応力を得て、高い疲労強度を達成する表面加工方法および表面加工装置を提供することである。

請求項１の発明は、環状のワーク（１０）の径方向（Ｒ１）の内側に配置された治具（２；２Ｑ）の少なくとも一つの加圧部（２３；８０Ｐ）によって前記ワークの周方向（Ｙ）の一部（１０Ｐ）における前記ワークの内周面（１０ｂ）を加圧して前記一部に引張負荷を与える状態で、前記加圧部と前記ワークとを前記ワークの周方向に相対移動させつつ前記一部における前記ワークの外周面（１０ａ）にショットピーニング処理またはＷＰＣ処理（登録商標）を施す表面処理工程（ステップＳ２）と、前記ワークおよび前記治具の何れか一方から他方を取り外す取り外し工程（ステップＳ３）と、を含む、表面加工方法を提供する。

なお、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素等を表すが、このことは、むろん、本発明がそれらの実施形態に限定されるべきことを意味するものではない。以下、この項において同じ。
請求項２の発明は、少なくとも一つの加圧部（２３；８０Ｐ）が設けられ、環状のワークの径方向（Ｒ１）の内側に挿入されて前記加圧部によって前記ワークの内周面（１０ｂ）を加圧して前記ワークの周方向（Ｙ）の一部（１０Ｐ）に引張負荷を付与する治具（２；２Ｑ）と、前記治具が挿入された前記ワークの外周面（１０ａ）を取り囲む覆い部材（３）であって、前記ワークの前記径方向に関して前記加圧部の外側に開放部（３３）が形成された覆い部材と、前記覆い部材および前記治具を前記ワークに対し前記ワークの周方向に同期的に相対移動させる駆動機構（４）と、前記開放部を通して前記ワークの前記一部における前記ワークの外周面にショットピーニング処理用またはＷＰＣ処理（登録商標）用の投射材を投射する投射装置（５）と、を含む、表面加工装置（１；１Ｑ）を提供する。

請求項３のように、請求項２において、前記治具は、前記ワークの前記内周面に転がり接触する前記加圧部としての加圧ローラ（２３）を含んでいてもよい。
請求項４のように、請求項２において、前記治具は、楕円カム（７０）と、前記楕円カムの外周面（７０ａ）と前記ワークの前記内周面との間に配置され、前記楕円カムの回転に伴って楕円状に弾性変形される可撓性軸受（８０）と、有する波動発生器（ＷＧ）を含み、前記可撓性軸受の外周面において当該外周面（８０ａ）が形成する楕円の長軸（ＬＡ）と前記楕円との交点に前記加圧部（８０Ｐ）が配置されてもよい。

請求項１の発明の表面加工方法では、ワーク全体を大きく変形させることなく、ワークの周方向の一部に部分的に高い引張負荷を付与する状態で前記一部をワークの周方向に移行させつつ前記一部における外周面にショットピーニング処理またはＷＰＣ処理の表面処理を施す。このため、治具から取り外されたワークにおいて、高い残留圧縮応力を得ることができ、高い疲労強度を達成することができる。

請求項２の発明の表面加工装置では、環状のワークの径方向の内側に挿入された治具の加圧部による加圧によって、ワークの周方向の一部に引張負荷を付与した状態で、ワークの外周面を取り囲む覆い部材と前記治具とを、駆動機構によってワークに対しワークの周方向に同期的に相対移動させ、投射装置によって、覆い部材の開放部を通して、ワークの前記一部におけるワークの外周面に、投射材が投射される。ワーク全体を大きく変形させることなく、ワークの一部に部分的に高い引張負荷を付与する状態で前記一部をワークの周方向に移行させつつ前記一部における外周面にショットピーニング処理またはＷＰＣ処理の表面処理を施すことができる。このため、治具から取り外されたワークにおいて、高い残留圧縮応力を得ることができ、高い疲労強度を達成することができる。

請求項３の発明では、加圧部が、ワークの内周面に転がり接触する加圧ローラで構成される。このため、ワークに対して加圧部を円滑に相対移動させることができる。
請求項４の発明では、波動発生器において、楕円状に弾性変形する可撓性軸受の、前記楕円の長軸と前記楕円との交点に加圧部が形成される。このため、ワークに対して加圧部を円滑に相対移動させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る表面加工方法に用いられる表面加工装置の模式的側面図である。 図２（ａ）は、第１実施形態において、ワークとしての環状歯車の概略正面図であり、図２（ｂ）は、第１実施形態において、表面加工装置に備えられる治具の概略図である。 図３（ａ），（ｂ）は、第１実施形態において、ショットピーニング工程の過程を示す概略図である。 図４は、第１実施形態において、表面加工方法の工程の流れを示すフローチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態に係る表面加工装置の模式的側面図である。 図６は、第２実施形態において、表面加工装置に備えられて環状歯車内に配置される治具の概略正面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本発明の一実施形態の表面加工方法に用いられる表面加工装置１の模式的側面図である。図２（ａ）はワークとしての環状歯車１０の正面図であり、図２（ｂ）は表面加工装置１に備えられる治具２の概略正面図である。
図２（ａ）に示すように、環状歯車１０は、炭素鋼等の金属製であり、環状支持部１１と、環状支持部１１の外周面１１ａに環状に配列された複数の歯部１２とを含む。環状歯車１０の内周面１０ｂ（環状支持部１１の内周面１１ｂに相当）は、無負荷状態では中心軸線Ｃ１を中心とする円筒面である。

図１に示すように、表面加工装置１は、環状歯車１０の径方向Ｒ１の内側に挿入配置される治具２と、環状歯車１０の外周面１０ａを取り囲む覆い部材３と、駆動機構４と、投射装置５と、環状歯車１０の回転を規制する規制部材６とを備える。
図１および図２（ｂ）に示すように、治具２は、中心軸線Ｃ２を有する円板状の治具本体２１と、治具本体２１の一方の端面２１ａに固定された一対の支軸２２と、各支軸２２によって支軸２２の外周面の回りに回転可能に支持され、環状歯車１０の内周面１０ｂに転がり接触する加圧部としての加圧ローラ２３とを含む。

一対の支軸２２は、治具本体２１の径方向Ｒ１の反対側に配置されている。各支軸２２は、治具本体２１の中心軸線Ｃ２と平行に延びる円柱軸である。各加圧ローラ２３は、対応する支軸２２に外嵌された転がり軸受で構成される。具体的には、各加圧ローラ２３は、対応する支軸２２に圧入により外嵌固定された内輪２４と、外周面２５ａが環状歯車１０の内周面１０ｂに転がり接触する外輪２５と、内輪２４の外周面２４ａと外輪２５の内周面２５ｂとの間に介在する複数の転動体２６とを含む。

環状歯車１０の内周面１０ｂに転がり接触する一対の加圧ローラ２３は、治具本体２１の中心軸線Ｃ２を中心とする回転に伴って、対応する支軸２２の回りに自転しつつ、治具本体２１の中心軸線Ｃ２を中心として公転される。
図２（ｂ）に示すように、一対の加圧ローラ２３に外接する外接円１００の直径Ｄ２は、無負荷状態の環状歯車１０の内径Ｄ１［図２（ａ）も参照。内周面１０ｂを構成する円筒面の直径に相当］よりも、所定量大きくされている（Ｄ２＞Ｄ１）。

このため、環状歯車１０の径方向Ｒ１の内側に挿入された一対の加圧ローラ２３が、環状歯車１０の内周面１０ｂを加圧することにより、図３（ａ）に示すように、環状歯車１０が、楕円状に変形される。すなわち、環状歯車１０の内周面１０ｂは、長軸ＬＡおよび短軸ＳＡで規定される楕円に変形される。一対の加圧ローラ２３は、前記楕円の長軸ＬＡの両端に配置されることになる。これにより、各加圧ローラ２３によって加圧される、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐに、引張負荷が付与される。すなわち、一部１０Ｐに引張応力が負荷される。

図１に示すように、覆い部材３は、治具本体２１の他方の端面２１ｂに一体回転可能に固定された環状の支持部３１と、支持部３１の外径部３１ａから中心軸線Ｃ２と平行な方向に延設された筒状部３２とを含む。筒状部３２の中心は、治具本体２１の中心軸線Ｃ２と一致している。筒状部３２は、環状歯車１０の外周面１０ａを取り囲む。図１および図３（ａ）に示すように、筒状部３２には、径方向Ｒ１に関して各加圧ローラ２３の外側において、開放部３３が形成されている。

図１に示すように、各投射装置５は、筒状部３２の外周面３２ａにおいて、対応する開放部３３の近傍位置に固定された投射装置本体５１と、投射装置本体５１から延びるノズル５２とを含む。図３（ａ）に示すように、各投射装置５のノズル５２から、対応する開放部３３を通して、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐにおける、環状歯車１０の外周面１０ａに対して、破線で示されるように、ショットピーニング用の投射材が投射される。

図１に示すように、駆動機構４は、治具２の治具本体２１を中心軸線Ｃ２の回りに回転駆動する電動モータにより構成される。駆動機構４は、固定部に固定されるモータハウジング４１と、モータハウジング４１から突出する回転軸４２とを含む。回転軸４２の中心軸線は、治具本体２１の中心軸線Ｃ２と一致している。回転軸４２の先端に、治具本体２１が一体回転可能に連結されている。

規制部材６は、一端６ａと他端６ｂとを有する弾性ピンからなる。規制部材６の一端６ａが固定部９０に固定される。規制部材６の他端６ｂが環状歯車１０の一方の端面１０ｃに弾性的に押圧することで、他端６ｂと端面１０ｃとの摩擦力によって、環状歯車１０の回転が規制される。また、弾性ピンからなる規制部材６は、弾性的に曲げ変形することで、環状歯車１０の径方向Ｒ１の変位を許容する。すなわち、規制部材６は、環状歯車１０の楕円変形を許容する。

駆動機構４が、回転規制された環状歯車１０に対して、中心軸線Ｃ２を中心として、治具２、覆い部材３および一対の投射装置５を一体に回転させる。これにより、各加圧ローラ２３と開放部３３とが同期して回転され、その回転中に、開放部３３を通して、環状歯車１０の外周面１０ａに対して、投射材が投射される。
次いで、図４のフローチャートに基づいて、表面加工方向の工程について説明する。

まず、ステップＳ１の取付工程では、図１に示すように、表面加工装置１の治具２に対して、ワークとしての環状歯車１０を、当該環状歯車１０の内周面１０ｂが一対の加圧ローラ２３に外接嵌合する状態に取り付ける。
次いで、ステップＳ２のショットピーニング工程では、駆動機構４により、治具２、覆い部材３および一対の投射装置５を一体に回転させながら、投射装置５のノズル５２から開放部３３を通して、環状歯車１０の外周面１０ａに投射材が投射される。

駆動機構４の駆動によって、一対の加圧ローラ２３は、支軸２２の回りに回転（自転）しながら環状歯車１０の内周面１０ｂに転がり接触しつつ、中心軸線Ｃ２を中心として回転（公転）する。一対の加圧ローラ２３の加圧によって、環状歯車１０の内周面１０ｂが楕円状に変形される。一対の加圧ローラ２３は、楕円の長軸ＬＡの方向に対向することになる。各加圧ローラ２３の径方向Ｒ１の外側に配置される、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐに引張応力が負荷される。回転が規制された環状歯車１０において、引張応力が負荷される部分（一部１０Ｐに相当）が、開放部３３と同期して（すなわち同位相で）中心軸線Ｃ２を中心として回転変位される。このようにして環状歯車１０の周方向Ｙに移行する引張応力が負荷される部分（一部１０Ｐ）に対してのみ、投射材が投射される。

治具２、覆い部材３および一対の投射装置５が、中心軸線Ｃ２を中心として１８０°回転されることにより、環状歯車１０の外周面１０ａの全周に、ショットピーニング処理が施されることになる。なお、治具２は、１回転以上させてもよい。
次いで、ステップＳ３の取り外し工程では、環状歯車１０を治具２から軸方向に取り外す。これにより、環状歯車１０に負荷されていた引張応力が解除され、残留圧縮応力が得られる。

本実施形態に係る表面加工方法では、環状歯車１０（ワーク）の全体を大きく変形させることなく、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐに部分的に高い引張負荷を付与する状態で前記一部１０Ｐを環状歯車１０の周方向Ｙに移行させつつ、前記一部１０Ｐにおける環状歯車１０の外周面１０ａにショットピーニングを施す。このため、治具２から取り外された環状歯車１０において、高い残留圧縮応力を得ることができ、高い疲労強度を達成することができる。

また、本実施形態に係る表面加工装置１では、環状歯車１０（ワーク）の径方向Ｒ１の内側に挿入された治具２の加圧ローラ２３（加圧部）による加圧によって、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐに引張負荷を付与した状態で、環状歯車１０の外周面１０ａを取り囲む覆い部材３と治具２とを、駆動機構４によって環状歯車１０に対し環状歯車１０の周方向Ｙに同期的に相対移動させ、投射装置５によって、覆い部材３の開放部３３を通して、前記一部１０Ｐにおける環状歯車１０の外周面１０ａに、投射材が投射される。

したがって、環状歯車１０（ワーク）の全体を大きく変形させることなく、環状歯車１０の周方向Ｙの一部１０Ｐに部分的に高い引張負荷を付与する状態で前記一部１０Ｐを環状歯車１０の周方向Ｙに移行させつつ、前記一部１０Ｐにおける環状歯車１０の外周面１０ａにショットピーニングを施すことができる。このため、治具２から取り外された環状歯車１０において、高い残留圧縮応力を得ることができ、高い疲労強度を達成することができる。

また、加圧部が、環状歯車１０の内周面１０ｂに転がり接触する加圧ローラ２３で構成される。このため、環状歯車１０に対して加圧部（加圧ローラ２３）を円滑に相対移動させることができる。
なお、本実施形態において、加圧ローラ２３は、周方向Ｙの１箇所に単一で設けられ、中心軸線Ｃ２の回りに１回転（公転）以上されてもよい。その場合、より高い引張応力を負荷することができ、より高い残留圧縮応力を達成することができる。また、加圧ローラ２３は、円周等配で周方向Ｙの３箇所以上に設けられてもよい。

また、加圧部として、加圧ローラに代えて、治具本体２１の外周面に設けられて環状歯車１０の内周面１０ｂに摺動接触する外向凸部を用いてもよい。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る表面加工装置１Ｑの模式式側面図であり、図６は、表面加工装置１Ｑに備えられる治具２Ｑの概略正面図である。図５に示すように、治具２Ｑは、波動発生器ＷＧを含んで構成される。波動発生器ＷＧは、治具本体２１の一方の端面２１ａから中心軸線Ｃ２上に突出形成される軸６０に設けられた楕円カム７０と、楕円カム７０の外周面７０ａと環状歯車１０の内周面１０ｂとの間に配置された可撓性軸受８０とを含む。

図６に示すように、可撓性軸受８０は、楕円カム７０の外周面７０ａに外嵌された可撓性の内輪８１と、環状歯車１０の内周面１０ｂに接触する可撓性の外輪８２と、内輪８１および外輪８２の軌道溝間に介在する複数の玉８３（転動体）とを含む。
可撓性軸受８０は、楕円カム７０の回転に伴って楕円状に弾性変形される。すなわち、内輪８１および外輪８２が、楕円状に弾性変形され、可撓性軸受８０の外周面８０ａ（外輪８２の外周面８２ａに相当）において、外周面８０ａが形成する楕円の長軸ＬＡと前記楕円との交点に、加圧部８０Ｐが形成される。加圧部８０Ｐは、長軸ＬＡの両端の２箇所に形成される。

本実施形態においても、第１実施形態と同じ表面加工方法に用いることで、第１実施形態と同じく、治具２Ｑから取り外された環状歯車１０において、高い残留圧縮応力を得ることができ、高い疲労強度を達成することができる。
本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。例えば、各前記実施形態では、環状歯車１０（ワーク）の回転が規制され、治具２；２Ｑが回転駆動されたが、逆に、治具２；２Ｑの回転が規制され、環状歯車１０（ワーク）が回転駆動されてもよい。

また、ワークとして、環状歯車に限らず一般の環状部品を用いることができる。
また、表面処理として、ショットピーニング処理に代えて、ＷＰＣ処理（登録商標）を施すようにしてもよい。ＷＰＣとは、Wide Peaning Cleaning （学会名：Fine Particle Bombarding Process）の略である。このＷＰＣ処理とは、非常に細かな金属等の玉を金属の表面に高速で噴射することによって、金属表面を塑性変形させるだけでなく、金属の表面付近の温度をＡ３変態点以上に上昇させる表面処理である。このため、ＷＰＣ処理された金属表面は、その表面粗さが改善されるとともに、その表面に微細な凹凸が形成される。しかも、玉の衝突により発生する熱による昇温と、急冷が繰り返されるので、金属表面の組織が微細化され、かつ表面にあったクラックも修復される。
（実施例１および比較例１）
第１実施形態の表面加工装置１を用い、環状歯車１０に対して、環状歯車１０の内周面１０ｂのなす楕円の長径と短径との差が０．７１６ｍｍとなる条件に楕円変形させて引張負荷を付与した状態で、ＷＰＣ処理を行った後、治具２から取り外された実施例１の環状歯車１０の残留圧縮応力を測定したところ、−１１９８ＭＰａであった。

これに対して、変形されることなくＷＰＣ処理が行われた比較例１の環状歯車１０の残留圧縮応力を測定したところ、−８７７ＭＰａであった。
これにより、実施例１は、比較例１に対して、残留圧縮応力が３６％増大することが実証された。

１…表面加工装置、２；２Ｑ…治具、３…覆い部材、４…駆動機構、５…投射部材、１０…環状歯車（ワーク）、１０ａ…外周面、１０ｂ…内周面、１０Ｐ…一部、２１…治具本体、２２…支軸、２３…加圧ローラ（加圧部）、３１…支持部、３２…筒状部、３３…開放部、４１…モータハウジング、４２…回転軸、５１…投射装置本体、５２…ノズル、７０…楕円カム、８０…可撓性軸受、８０ａ…外周面、８０Ｐ…加圧部、８１…内輪、８２…外輪、８３…玉（転動体）、１００…外接円、Ｃ１…（環状歯車の）中心軸線、Ｃ２…（治具本体の）中心軸線、ＬＡ…長軸、Ｒ１…径方向、Ｙ…周方向

Claims (4)

1. 環状のワークの径方向の内側に配置された治具の少なくとも一つの加圧部によって前記ワークの周方向の一部における前記ワークの内周面を加圧して前記一部に引張負荷を与える状態で、前記加圧部と前記ワークとを前記ワークの周方向に相対移動させつつ前記一部における前記ワークの外周面にショットピーニング処理またはＷＰＣ処理（登録商標）を施す表面処理工程と、
   前記ワークおよび前記治具の何れか一方から他方を取り外す取り外し工程と、を含む、表面加工方法。
2. 少なくとも一つの加圧部が設けられ、環状のワークの径方向の内側に挿入されて前記加圧部によって前記ワークの内周面を加圧して前記ワークの周方向の一部に引張負荷を付与する治具と、
   前記治具が挿入された前記ワークの外周面を取り囲む覆い部材であって、前記ワークの前記径方向に関して前記加圧部の外側に開放部が形成された覆い部材と、
   前記覆い部材および前記治具を前記ワークに対し前記ワークの周方向に同期的に相対移動させる駆動機構と、
   前記開放部を通して前記ワークの前記一部における前記ワークの外周面にショットピーニング処理用またはＷＰＣ処理（登録商標）用の投射材を投射する投射装置と、を含む、表面加工装置。
3. 前記治具は、前記ワークの前記内周面に転がり接触する前記加圧部としての加圧ローラを含む、請求項２に記載の表面加工装置。
4. 前記治具は、楕円カムと、前記楕円カムの外周面と前記ワークの前記内周面との間に配置され、前記楕円カムの回転に伴って楕円状に弾性変形される可撓性軸受と、有する波動発生器を含み、
   前記可撓性軸受の外周面において当該外周面が形成する楕円の長軸と前記楕円との交点に前記加圧部が配置される、請求項２に記載の表面加工装置。

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