JP2019100510A

JP2019100510A - 機械部品

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Publication number: JP2019100510A
Application number: JP2017234951A
Authority: JP
Inventors: 利幸井関; Toshiyuki Iseki; 佑輔今津; Yusuke Imazu
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: JP7122820B2

Abstract

【課題】表面において開口する穴を有し、当該表面を含み、上記穴の外縁を含むように焼入硬化層が形成される鋼または鋳鉄からなる機械部品において、穴の寸法精度の低下を抑制する。【解決手段】第１の表面１１において開口する穴１９を有し、鋼または鋳鉄からなる機械部品１は、第１の表面１１を含み、穴１９の外縁を含むように配置される焼入硬化層２１と、焼入硬化層２１以外の領域であるベース領域２２とを備える。第１の表面１１において、焼入硬化層２１の穴１９の径方向αにおける厚みｔは、穴１９の周方向βにおいて異なっている。【選択図】図２

Description

本発明は、機械部品に関するものである。

作業機械のアクスル装置には、遊星歯車機構が含まれる。遊星歯車機構のキャリアには、遊星歯車を支持するピンを挿入するための穴が形成される（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１５−７７８３０号公報

上記キャリアの穴の外縁を含むキャリアの表面であって遊星歯車に面する領域には、耐摩耗性が求められる。この領域の耐摩耗性を向上させるため、当該領域に焼入硬化層を形成する方策が考えられる。このように、表面において開口する穴を有し、鋼または鋳鉄からなる機械部品において、当該表面を含み、上記穴の外縁を含むように焼入硬化層が形成される場合がある。

しかしながら、穴の外縁を含むように焼入硬化層を形成すると、穴の寸法精度が低下する。そこで、表面において開口する穴を有し、当該表面を含み、上記穴の外縁を含むように焼入硬化層が形成される鋼または鋳鉄からなる機械部品において、穴の寸法精度の低下を抑制することを本発明の目的の１つとする。

本発明に従った機械部品は、第１の表面において開口する穴を有し、鋼または鋳鉄からなる機械部品である。この機械部品は、第１の表面を含み、上記穴の外縁を含むように配置される焼入硬化層と、焼入硬化層以外の領域であるベース領域と、を備える。第１の表面において、上記焼入硬化層の上記穴の径方向における厚みは、上記穴の周方向において異なっている。

上記機械部品によれば、穴の寸法精度の低下を抑制することができる。

実施の形態１における機械部品の構造を示す概略斜視図である。実施の形態１における機械部品の構造を示す概略平面図である。実施の形態１における機械部品の構造を示す概略断面図である。実施の形態１における機械部品の構造を示す概略断面図である。実施の形態１における機械部品の製造方法の概略を示すフローチャートである。実施の形態２における機械部品の構造を示す概略斜視図である。実施の形態３における機械部品の構造を示す概略平面図である。実施の形態４における機械部品の構造を示す概略平面図である。実施の形態５における機械部品の構造を示す概略平面図である。遊星歯車機構のキャリアの構造を示す概略断面図である。サンプルにおける焼入硬化層の形成状態を示す写真である。

［実施形態の概要］
本願の機械部品は、第１の表面において開口する穴を有し、鋼または鋳鉄からなる機械部品である。この機械部品は、第１の表面を含み、上記穴の外縁を含むように配置される焼入硬化層と、焼入硬化層以外の領域であるベース領域と、を備える。第１の表面において、上記焼入硬化層の上記穴の径方向における厚みは、上記穴の周方向において異なっている。

上述のように、穴の外縁を含むように焼入硬化層を形成すると、穴の寸法精度が低下する。本発明者は、この問題の原因とその解決策について検討を行った結果、以下のような知見を得て本願発明に想到した。穴の外縁を含むように焼入硬化層を形成する場合、通常は穴の径方向における厚みが穴の周方向において一定となるように焼入硬化層が形成される。一方、焼入硬化層を形成すると当該領域は膨張する。このとき、体積の増加分は、鋼または鋳鉄により拘束された穴の径方向外側よりも、空間である径方向内側に向かう。その結果、穴の寸法精度が低下する。

これに対し、本願の機械部品においては、焼入硬化層の上記穴の径方向における厚みが、上記穴の周方向において異なっている。そのため、硬化層の厚みが大きい領域の体積膨張の一部が、周方向において当該領域に隣接する硬化層の厚みが小さい領域の硬化層の外周側に位置するベース領域（変形能が大きい領域）において吸収され、穴の寸法変化が低減される。その結果、穴の寸法精度の低下が抑制される。このように、本願の機械部品によれば、穴の寸法精度の低下を抑制することができる。なお、上記焼入硬化層の上記穴の径方向における厚みが上記穴の周方向において異なる状態には、上記径方向における焼入硬化層の厚みが部分的に０である状態、すなわち焼入硬化層が周方向において断続的となっている状態を含む。

上記機械部品において、焼入硬化層の上記穴の径方向における厚みは、上記穴の周方向において周期的に変化していてもよい。このようにすることにより、上記穴の径方向における寸法変化量を穴の周方向において均一化することができる。

上記機械部品において、第１の表面に垂直な方向から見て、第１の表面における焼入硬化層の形状は上記穴の重心に対して点対称となっていてもよい。このようにすることにより、上記穴の径方向における寸法変化量を穴の周方向において均一化することができる。

上記機械部品において、第１の表面に垂直な方向から見て、焼入硬化層は、上記穴の径方向における厚みが第１の厚みである第１領域と、上記穴の径方向における厚みが第１の厚みよりも大きい第２の厚みである第２領域と、を含んでいてもよい。第１の領域と第２の領域とは、上記穴の周方向において交互に配置されていてもよい。このようにすることにより、上記穴の径方向における寸法変化量を穴の周方向において均一化することが容易となる。

上記機械部品は遊星歯車機構のキャリアであってもよい。上記穴は、キャリアに設置される遊星歯車を支持するピンが挿入される穴であってもよい。第１の表面は、遊星歯車に面する表面であってもよい。本願の機械部品は、遊星歯車機構のキャリアとして好適である。

［実施形態の具体例］
次に、本発明の機械部品の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
まず、図１〜図４を参照して、実施の形態１における機械部品について説明する。図１は、機械部品の構造を示す概略斜視図である。図２は、第１端面側から見た機械部品の構造を示す概略平面図である。図３は、図１の線分Ａ−Ａに沿う概略断面図である。図４は、図１の線分Ｂ−Ｂに沿う概略断面図である。

図１〜図４を参照して、本実施の形態における機械部品１は、中心軸を含むように中心軸方向に貫通する穴１９が形成された中空円筒状の形状を有する。機械部品１は、鋼または鋳鉄からなる。機械部品１は、第１の表面としての一方の端面である第１端面１１と、他方の端面である第２端面１２と、外周面１３と、内周面１４とを含む。図２を参照して、第１端面１１に垂直な方向から見て、穴１９は円形である。第１端面１１に垂直な方向から見て、外周面１３および内周面１４は円形である。第１端面１１および第２端面１２は円環状の形状を有する。

穴１９は、第１の表面としての第１端面１１において開口する。機械部品１は、第１端面１１を含み、穴１９の外縁、すなわち内周面１４を含むように配置される焼入硬化層２１と、焼入硬化層２１以外の領域であるベース領域２２とを備える。焼入硬化層２１は、ベース領域２２が焼入処理されることにより形成された領域である。焼入硬化層２１は、ベース領域２２よりも硬度が高い。焼入硬化層２１を構成する鋼または鋳鉄は、マルテンサイト組織を有する。焼入硬化層２１は、たとえばレーザ焼入層である。焼入硬化層２１における炭素含有量とベース領域２２における炭素含有量とは等しい。第１端面１１において、焼入硬化層２１の穴１９の径方向αにおける厚みｔは、穴１９の周方向において異なっている。

より具体的には、第１端面１１に垂直な方向から見た図２を参照して、焼入硬化層２１は、穴１９の径方向αにおける厚みｔが第１の厚みである第１領域２１Ｂと、穴１９の径方向αにおける厚みｔが第１の厚みよりも大きい第２の厚みである第２領域２１Ａとを含んでいる。第１領域２１Ｂと第２領域２１Ａとは、穴１９の周方向βにおいて交互に配置されている。第１端面１１に垂直な方向から見て、第１端面１１における焼入硬化層２１の形状は穴１９の重心（中心）Ｏに対して点対称となっている。焼入硬化層２１の穴１９の径方向αにおける厚みｔは、穴１９の周方向βにおいて周期的に変化している。本実施の形態において、焼入硬化層２１の穴１９の径方向αにおける厚みｔは、穴１９の重心Ｏを通る直線に対して線対称となっている。

本実施の形態において、焼入硬化層２１は複数（６個）の第２領域２１Ａと、同数の第１領域２１Ｂとが交互に配置された構造を有している。各第１領域２１Ｂの周方向βにおける長さは等しい。各第２領域２１Ａの周方向βにおける長さは等しい。６つの第１領域２１Ｂは、同一形状を有している。６つの第２領域２１Ａは、同一形状を有している。図３および図４を参照して、焼入硬化層２１の中心軸方向における深さｄは、たとえば０．１ｍｍ以上である。

本実施の形態の機械部品１においては、焼入硬化層２１の穴１９の径方向αにおける厚みｔが、穴１９の周方向βにおいて異なっている。そのため、焼入硬化層２１の厚みｔが大きい第２領域２１Ａの体積膨張（焼入硬化層２１の形成に伴う体積膨張）の一部が、周方向βにおいて隣接する焼入硬化層２１の厚みが小さい第１領域２１Ｂの外周側に位置するベース領域２２において吸収され、穴１９の寸法変化が低減される。その結果、機械部品１は、穴１９の寸法精度の低下が抑制された機械部品となっている。

次に、本実施の形態の機械部品１の製造方法の一例について説明する。図５は、機械部品１の製造方法の概略を示すフローチャートである。図５を参照して、本実施の形態の機械部品１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として鋳造工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえば適切な成分組成を有する溶融状態の鋳鉄が、所望の形状の機械部品１に対応するキャビティを有する型に流し込まれ、凝固する。溶融状態の鋳鉄に代えて、溶融状態の鋼、たとえば溶融状態の機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼が型に流し込まれてもよい。そして、凝固して得られた機械部品１を型から取り出す。

次に、工程（Ｓ２０）として機械加工工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において得られた機械部品１に対して、機械加工が実施される。具体的には、機械部品１に対して、切削、旋削などの機械加工が実施され、完成状態の形状を有する機械部品１が得られる。

次に、工程（Ｓ３０）としてレーザ焼入工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において得られた完成状態の形状を有する機械部品１に対して、レーザ焼入が実施される。レーザ焼入に使用されるレーザとしては、たとえば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザなどを採用することができる。具体的には、図１および図２を参照して、工程（Ｓ２０）において得られた焼入硬化層２１形成前の機械部品１を中心軸周りに周方向βに沿って回転させつつ、第１端面１１に対してレーザを照射する。

レーザは、まず第１領域２１Ｂの厚みｔに対応する領域に照射され、穴１９の外縁（内周面１４）を含む全周に一定の厚みｔを有する焼入硬化層２１が形成される。焼入硬化層２１は、レーザの照射により機械部品を構成する鋼または鋳鉄がＡ_１変態点以上の温度に加熱された後、レーザの照射領域が移動することにより急冷されることにより形成される。その後、機械部品１の周方向βに沿う回転を維持しつつ、先に形成された焼入硬化層２１の外周側にレーザが照射され、焼入硬化層２１の形成領域が拡大される。このとき、レーザを断続的に照射することにより、第２領域２１Ａが形成される。これにより、第１領域２１Ｂと第２領域２１Ａとが、穴１９の周方向βにおいて交互に配置された焼入硬化層２１が形成される。その後、必要に応じて防錆処理、塗装等のプロセスを経て、機械部品１が完成する。工程（Ｓ３０）の後には、穴１９の寸法精度を向上させる加工、たとえば旋削、研削などの仕上げ加工や、サイジング処理は実施されない。以上の手順により、本実施の形態の機械部品１を製造することができる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２における機械部品の構造を示す概略斜視図である。図６は、実施の形態１における図１に対応する。図６を参照して、実施の形態２における機械部品１は、基本的には実施の形態１の機械部品１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における機械部品１は、穴１９の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

図６を参照して、本実施の形態における機械部品１の穴１９は、貫通穴ではなく、底を有する穴である。機械部品１は穴１９を規定する底面を有している。本実施の形態の機械部品１においても、焼入硬化層２１の厚みｔが大きい第２領域２１Ａの体積膨張（焼入硬化層２１の形成に伴う体積膨張）の一部が、周方向βにおいて隣接する焼入硬化層２１の厚みが小さい第１領域２１Ｂの外周側に位置するベース領域２２において吸収され、穴１９の寸法変化が低減される。その結果、機械部品１は、穴１９の寸法精度の低下が抑制された機械部品となっている。

（実施の形態３）
図７は、実施の形態３における機械部品の構造を示す概略平面図である。図７は、実施の形態１における図２に対応する。図７を参照して、実施の形態３における機械部品１は、基本的には実施の形態１の機械部品１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３における機械部品１は、焼入硬化層２１の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

図７を参照して、実施の形態３における機械部品１においては、第１領域２１Ｂの径方向αに沿う厚みｔが０となっている。実施の形態３における機械部品１においては、焼入硬化層２１が周方向βにおいて断続的となっている。すなわち、第１端面１１において、内周面１４（穴１９の外縁）の一部がベース領域２２に含まれる。このような焼入硬化層２１は、上記実施の形態１において説明した機械部品の製造方法において、穴１９の外縁（内周面１４）を含む全周に一定の厚みｔを有する焼入硬化層２１を形成するステップを省略することにより形成することができる。

本実施の形態の機械部品１においては、第２領域２１Ａの体積膨張（焼入硬化層２１の形成に伴う体積膨張）の一部が、周方向βにおいて隣接するベース領域２２において吸収され、穴１９の寸法変化が低減される。その結果、機械部品１は、穴１９の寸法精度の低下が抑制された機械部品となっている。

（実施の形態４）
図８は、実施の形態４における機械部品の構造を示す概略平面図である。図８は、実施の形態１における図２に対応する。図８を参照して、実施の形態４における機械部品１は、基本的には実施の形態１の機械部品１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態４における機械部品１は、焼入硬化層２１の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

図８を参照して、焼入硬化層２１は、１２個の第２領域２１Ａと、同数の第１領域２１Ｂとが交互に配置された構造を有している。本実施の形態の機械部品１においても、焼入硬化層２１の厚みｔが大きい第２領域２１Ａの体積膨張（焼入硬化層２１の形成に伴う体積膨張）の一部が、周方向βにおいて隣接する焼入硬化層２１の厚みが小さい第１領域２１Ｂの外周側に位置するベース領域２２において吸収され、穴１９の寸法変化が低減される。その結果、機械部品１は、穴１９の寸法精度の低下が抑制された機械部品となっている。

（実施の形態５）
図９は、実施の形態５における機械部品の構造を示す概略平面図である。図９は、実施の形態１における図２に対応する。図９を参照して、実施の形態５における機械部品１は、基本的には実施の形態１の機械部品１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態５における機械部品１は、焼入硬化層２１の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

図９を参照して、焼入硬化層２１は、３個の第２領域２１Ａと、同数の第１領域２１Ｂとが交互に配置された構造を有している。本実施の形態の機械部品１においても、焼入硬化層２１の厚みｔが大きい第２領域２１Ａの体積膨張（焼入硬化層２１の形成に伴う体積膨張）の一部が、周方向βにおいて隣接する焼入硬化層２１の厚みが小さい第１領域２１Ｂの外周側に位置するベース領域２２において吸収され、穴１９の寸法変化が低減される。その結果、機械部品１は、穴１９の寸法精度の低下が抑制された機械部品となっている。

上記実施の形態１〜５において説明したように、第１領域２１Ｂおよび第２領域２１Ａの径方向αに沿う厚みｔ、周方向において焼入硬化層２１のうち第２領域２１Ａが占める割合等を、機械部品の構造に合わせて調整することにより、穴１９の寸法精度の低下を有効に抑制することができる。

（実施の形態６）
次に、本願の機械部品を遊星歯車機構のキャリアに適用した例を実施の形態６として説明する。図１０は、遊星歯車機構のキャリアの構造を示す概略断面図である。図１０を参照して、本実施の形態における機械部品である遊星歯車機構のキャリア５０は、円筒状の形状を有する大径部５１と、大径部５１に軸方向において接続され、大径部５１よりも外径が小さい円筒状の形状の小径部５２とを含む。大径部５１および小径部５２の中心軸を含み、大径部５１および小径部５２を軸方向に貫通するように、第１貫通穴５３が形成されている。第１貫通穴５３を取り囲む小径部５２の領域は、壁面にスプライン溝が形成されたスプライン部５４となっている。スプライン部５４は、アクスルシャフト（図示しない）に係合する。

大径部５１の第１貫通穴５３の外周側には、大径部５１を軸方向に貫通する第２貫通穴５５が形成されている。この第２貫通穴５５に挿入されるピン６１により、遊星歯車６２がキャリア５０に対して支持されている。より具体的には、ピン６１の外周面と遊星歯車６２の内周面との間に軸受（図示しない）が介在することにより、遊星歯車６２はピン６１に対して周方向に回転自在に支持される。第２貫通穴５５の外縁を含むキャリア５０の表面であって遊星歯車６２に面する領域であるキャリアスラスト面５６，５７には、上記軸受の軌道輪が接触する。したがって、キャリアスラスト面５６，５７には、耐摩耗性が求められる。そのため、本実施の形態のキャリア５０においては、キャリアスラスト面５６，５７を含むように焼入硬化層が形成される。

キャリアスラスト面５６，５７は、本願における機械部品の第１の表面に対応する。また、第２貫通穴５５は、第１の表面としてのキャリアスラスト面５６，５７において開口する穴である。そして、キャリア５０は、上記機械部品１の場合と同様に、第１の表面としてのキャリアスラスト面５６，５７を含み、第２貫通穴５５の外縁を含むように配置される焼入硬化層と、焼入硬化層以外の領域であるベース領域とを備える。第１の表面としてのキャリアスラスト面５６，５７において、焼入硬化層の第２貫通穴５５の径方向における厚みは、第２貫通穴５５の周方向において異なっている。

本実施の形態の機械部品であるキャリア５０においても、硬化層の厚みが大きい領域の体積膨張（焼入硬化層の形成に伴う体積膨張）の一部が、周方向において隣接する硬化層の厚みが小さい領域の外周側に位置するベース領域において吸収され、第２貫通穴５５の寸法変化が低減される。その結果、キャリア５０は、第２貫通穴５５の寸法精度の低下が抑制された機械部品となっている。

上記実施の形態１において説明した製造方法により、本願の機械部品が製造可能であることを確認する実験を行った。球状黒鉛鋳鉄であるＦＣＤ６００からなり、内径１００ｍｍ、外径１４４ｍｍ、高さ３０ｍｍの中空円筒状（円環状）のサンプルを準備した。そして、実施の形態１において説明した手順に従って第１の表面としての一方の端面（第１端面１１）に対してレーザ焼入を実施した。焼入後のサンプルの写真を図１１に示す。

図１１を参照して、穴１９の径方向αにおける厚みｔが第１の厚みである第１領域２１Ｂと、穴１９の径方向αにおける厚みｔが第１の厚みよりも大きい第２の厚みである第２領域２１Ａとを含み、穴１９の外縁、すなわち内周面１４を含むように焼入硬化層２１が形成されていることが確認される。このように、レーザ焼入を利用した上記実施の形態１の製造方法により、本願の機械部品を製造可能であることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１機械部品、１１第１端面、１２第２端面、１３外周面、１４内周面、１９穴、２１焼入硬化層、２１Ａ第２領域、２１Ｂ第１領域、２２ベース領域、５０キャリア、５１大径部、５２小径部、５３貫通穴、５４スプライン部、５５貫通穴、５６，５７キャリアスラスト面、６１ピン、６２遊星歯車。

Claims

第１の表面において開口する穴を有し、鋼または鋳鉄からなる機械部品であって、
前記第１の表面を含み、前記穴の外縁を含むように配置される焼入硬化層と、
前記焼入硬化層以外の領域であるベース領域と、を備え、
前記第１の表面において、前記焼入硬化層の前記穴の径方向における厚みは、前記穴の周方向において異なっている、機械部品。
前記焼入硬化層の前記穴の径方向における厚みは、前記穴の周方向において周期的に変化する、請求項１に記載の機械部品。
前記第１の表面に垂直な方向から見て、前記第１の表面における前記焼入硬化層の形状は前記穴の重心に対して点対称となっている、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
前記第１の表面に垂直な方向から見て、前記焼入硬化層は、
前記穴の径方向における厚みが第１の厚みである第１領域と、
前記穴の径方向における厚みが前記第１の厚みよりも大きい第２の厚みである第２領域と、を含み、
前記第１領域と前記第２領域とは、前記穴の周方向において交互に配置される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の機械部品。
前記機械部品は遊星歯車機構のキャリアであり、
前記穴は、前記キャリアに設置される遊星歯車を支持するピンが挿入される穴であり、
前記第１の表面は、前記遊星歯車に面する表面である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の機械部品。