JP2019143211A - Gear and manufacturing method for gear - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シャフトを固定するための貫通孔を有する環状の歯車およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an annular gear having a through hole for fixing a shaft and a method for manufacturing the same.
自動車および産業機械(以下、自動車等と記載する。)において構成部材として使用される歯車には、高い応力が繰り返し付与される。このため、自動車等に使用される歯車には、優れた耐疲労性および耐摩耗性を備えることが要求される。そこで、従来、自動車等においては、肌焼鋼からなる歯車素材に浸炭焼入れ処理を施すことによって製造された歯車が利用されている(例えば、特許文献1参照)。 High stress is repeatedly applied to gears used as components in automobiles and industrial machines (hereinafter referred to as automobiles and the like). For this reason, gears used in automobiles and the like are required to have excellent fatigue resistance and wear resistance. Therefore, conventionally, in automobiles and the like, a gear manufactured by carburizing and quenching a gear material made of case-hardened steel is used (for example, see Patent Document 1).
図1は、自動車等において使用される歯車を製造するための歯車素材の一例を示す図であり、(a)は側面図、(b)は(a)のb−b線端面図である。図1に示す歯車素材100から製造される歯車は、いわゆるベベルギアである。なお、図1(b)には、歯車素材100の軸心を一点鎖線で示している。
FIG. 1 is a view showing an example of a gear material for producing a gear used in an automobile or the like, in which (a) is a side view and (b) is an end view taken along the line bb of (a). The gear manufactured from the gear blank 100 shown in FIG. 1 is a so-called bevel gear. In FIG. 1B, the axis of the
図1を参照して、歯車素材100の中心には、貫通孔100aが形成されている。歯車素材100は、円筒部10と、円筒部10から円筒部10の径方向外側に向かって突出する複数の歯12とを有する。円筒部10は、貫通孔100aの軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面10a,10bと、端面10a,10bの内縁同士を接続する内周面10cと、端面10a,10bの外縁同士を接続する外周面10dとを有する。複数の歯12は、外周面10dから円筒部10の径方向外側に突出するように形成されている。歯車素材100から製造された歯車において、貫通孔100aには、図示しないシャフトが挿入され、固定される。
Referring to FIG. 1, a
歯車素材100に対して浸炭焼入れ処理を施すことによって、耐疲労性および耐摩耗性に優れた歯車を製造することができる。ただし、歯車素材100に浸炭焼入れ処理を施すことによって熱処理歪みが発生し、円筒部10の内径(貫通孔100aの直径)が小さくなる。この点に関して、円筒部10の内径の変形量が、軸方向において均一であれば、熱処理歪みによる寸法変化量を予め調査し、上記寸法変化量を考慮した大きさの貫通孔100aを形成すればよい。これにより、歯車の寸法精度の低下を防止することができる。
By subjecting the
一方、熱処理歪みによる円筒部10の内径の変化量が、軸方向において大きく変化する場合には、上記のように寸法変化量を考慮した大きさの貫通孔100aを形成することは難しい。このような場合には、例えば、浸炭焼入れ処理後に円筒部10の内周面10cを研削することによって、シャフトの嵌め合い精度の低下を防止する必要がある。
On the other hand, when the amount of change in the inner diameter of the
しかしながら、円筒部10の内周面10cを研削する場合には、浸炭焼入れ処理によって内周面10cに形成された浸炭層を部分的に削り取ることになり、歯車の品質向上の観点から好ましくない。また。研削加工を行うことによって生産性が低下するという問題も生じる。
However, when grinding the inner
そこで、本発明は、軸方向における位置によって内径に大きな差が生じることが抑制された歯車およびその製造方法を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gear and a method for manufacturing the same in which a large difference in the inner diameter is suppressed depending on the position in the axial direction.
(1)シャフトを固定するための貫通孔が形成された環状の歯車を製造する方法であって、
鋼からなりかつ貫通孔を有する環状の歯車素材に浸炭抑制材を設ける抑制工程と、
前記抑制工程において浸炭抑制材が設けられた歯車素材に浸炭焼入れ処理を施す工程と、を備え、
前記歯車素材は、前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材が設けられる、歯車の製造方法。
(1) A method of manufacturing an annular gear having a through hole for fixing a shaft,
A restraining step of providing a carburization restraining material on an annular gear material made of steel and having a through hole;
And carburizing and quenching the gear material provided with the carburization suppressing material in the suppressing step,
The gear material includes a pair of annular end surfaces provided at both ends in the axial direction of the through hole, an inner peripheral surface connecting inner edges of the pair of end surfaces, and an outer periphery connecting outer edges of the pair of end surfaces. A cylindrical portion having a surface, and a plurality of teeth provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion,
In the suppressing step, the gear carburizing suppression material is provided on the pair of end surfaces.
(2)前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材を塗布する、上記(1)に記載の歯車の製造方法。 (2) The gear manufacturing method according to (1), wherein in the suppressing step, the carburization suppressing material is applied to the pair of end surfaces.
(3)鋼からなりシャフトを固定するための貫通孔が形成された環状の歯車であって、
前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
前記一対の端面の硬さはそれぞれ、前記内周面および前記外周面の硬さに対して、300HV以上低い、歯車。
(3) An annular gear made of steel and having a through hole for fixing the shaft,
A cylinder having a pair of annular end surfaces provided at both end portions in the axial direction of the through hole, an inner peripheral surface connecting inner edges of the pair of end surfaces, and an outer peripheral surface connecting outer edges of the pair of end surfaces. And a plurality of teeth provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion,
Each of the pair of end faces has a hardness that is lower by 300 HV or more than the hardness of the inner peripheral face and the outer peripheral face.
本発明によれば、軸方向における位置によって内径に大きな差が生じることが抑制された歯車が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a gear in which a large difference in the inner diameter is suppressed depending on the position in the axial direction.
(本発明者による検討)
本発明者は、FEM解析を行うことによって、環状の歯車素材に対して浸炭焼入れ処理を施す際に、歯車素材の内周面に生じる熱処理歪みについて調査した。具体的には、図2に示す二次元軸対称の解析モデル50を用いて、図3に示すヒートパターンで浸炭焼入れ解析を行った。なお、図2に示す解析モデル50は、ベベルギアの素材を模擬したモデルであり、中心に貫通孔50aが形成されている。図2においては、解析モデル20の軸心を一点鎖線で示している。解析モデル50は、図1の歯車素材100と同様に、円筒部20を有する。円筒部20は図1の円筒部10と同様に、一対の端面20a,20bと、内周面20cと、外周面20dとを有する。なお、図3中の「Cp」はカーボンポテンシャルを表し、「120℃油焼入れ」は油温120℃の油中で歯車素材を冷却することを表す。
(Study by the present inventor)
This inventor investigated the heat processing distortion which arose in the internal peripheral surface of a gear raw material when performing a carburizing quenching process with respect to an annular gear raw material by performing FEM analysis. Specifically, carburizing and quenching analysis was performed with the heat pattern shown in FIG. 3 using the two-dimensional
浸炭焼入れ解析において、歯車素材の材料は、JIS G 4053(2016)に規定されたSCM420とした。ヤング率および応力−歪線図等の機械的特性としては、SCM420の実測データを用いた。また、比熱および熱伝導率等の熱的特性としては、SCM420の化学成分に基づいて、予測式を用いて算出した値を用いた。冷却は、端面20bが下方に位置するようにし、かつ解析モデル50の軸心が油面に対して垂直になるようにして歯車素材を油中に浸漬して行うものとし、歯車素材の油中への浸漬速度は100mm/sに設定した。
In the carburizing quenching analysis, the material of the gear material is SCM420 defined in JIS G 4053 (2016). The measured data of SCM420 was used as mechanical properties such as Young's modulus and stress-strain diagram. In addition, as thermal characteristics such as specific heat and thermal conductivity, values calculated using prediction formulas based on the chemical components of SCM420 were used. The cooling is performed by immersing the gear material in oil so that the
また、本発明者は、浸炭層の形成と熱処理歪みとの関係を調査するために、円筒部20の表面のうち端面20a,20bの浸炭を阻害して(すなわち、円筒部20の表面のうち端面20a,20bを除く部分を浸炭して)、上記と同様の条件で浸炭焼入れ解析を行った。 Further, in order to investigate the relationship between the formation of the carburized layer and the heat treatment strain, the inventor inhibits the carburizing of the end faces 20a and 20b among the surfaces of the cylindrical portion 20 (that is, among the surfaces of the cylindrical portion 20). Carburizing and quenching analysis was performed under the same conditions as described above by carburizing the portions excluding the end faces 20a and 20b.
解析結果を図4に示す。図4において横軸は、円筒部20の内径(貫通孔50aの直径)を示し、縦軸は、端面20aから下方への距離を示す。なお、図4においては、端面20aの上下方向における位置は0mmであり、端面20bの上下方向における位置は、20mmである。
The analysis results are shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the inner diameter of the cylindrical portion 20 (the diameter of the
図4に示した結果から、歯車素材に浸炭焼入れ処理を施す場合、端面20a,20bの浸炭を阻害した場合および阻害していない場合ともに、貫通孔50aの軸方向における中央部近傍の方が、端面20a,20b近傍に比べて、円筒部20の径方向内側への変形量が大きくなることが分かった。一方で、端面20a,20bの浸炭を阻害した場合の方が、浸炭を阻害しない場合に比べて、端面20a,20b近傍において、円筒部20の径方向内側への変形量が大きくなり、貫通孔50aの軸方向における中央部近傍において、円筒部20の径方向内側への変形量が小さくなることも分かった。すなわち、軸方向における位置によって円筒部20の内径の変化量に大きな差が生じることを抑制できることが分かった。
From the results shown in FIG. 4, when carburizing and quenching the gear material, both in the case where the carburizing of the end faces 20a and 20b is inhibited and in the case where it is not inhibited, the vicinity of the central portion in the axial direction of the
端面20a,20bの浸炭を阻害することによって上記のように円筒部20の内径の変化量に大きな差が生じることが抑制された理由は、以下のように考えられる。
The reason why the large difference in the change amount of the inner diameter of the
焼入れ処理の冷却時には、マルテンサイト変態によって鋼が膨張する。これにより、円筒部20のマルテンサイトが発生した箇所で周方向において圧縮応力が発生する。この点に関して、浸炭によって炭素濃度が高くなっている内周面20cおよび外周面20dの近傍部分では、変態温度が低いため、他の部分に比べてマルテンサイト変態の時期が遅れる。一方、端面20a,20bは浸炭が阻害されているので、内周面20cおよび外周面20dの近傍部分よりも早期にマルテンサイト変態し、膨張する。これにより、端面20a,20bの近傍部分において、内周面20cおよび外周面20dの近傍部分よりも早期に圧縮応力が発生し、端面20a,20bの近傍部分が径方向内側に変形しやすくなったと考えられる。その結果、端面20a,20bの浸炭を阻害しない場合に比べて、軸方向における位置によって円筒部20の内径の変化量に差が生じることが抑制されたと考えられる。
During the quenching cooling, the steel expands due to martensitic transformation. Thereby, a compressive stress is generated in the circumferential direction at a location where martensite is generated in the
(本発明の実施形態)
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の実施の形態に係る歯車および製造方法について図面を参照しつつ説明する。以下においては、図1で説明した形状を有する歯車素材100に浸炭焼入れ処理を施して歯車を製造する場合について説明する。
(Embodiment of the present invention)
The present invention has been made based on the above findings. Hereinafter, a gear and a manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, a case where a gear is manufactured by subjecting the gear blank 100 having the shape described in FIG. 1 to carburizing and quenching will be described.
なお、歯車素材100は、例えば、素材鋼を通常の方法で溶製した後、熱間で圧延又は鍛造し、更に必要に応じて熱処理を行い、次いで切削および圧造等によって所望の歯車形状とすることによって製造することができる。素材鋼としては、公知の種々の肌焼鋼を用いることができる。浸炭焼入れ処理のヒートパターンとしては、公知の浸炭焼入れ処理のヒートパターンを採用できるので、ヒートパターンの詳細な説明は省略する。
The
本実施形態では、浸炭焼入れ処理の前に、歯車素材100に対して抑制工程が実施される。抑制工程では、端面10a,10bの浸炭を抑制できる材料(浸炭抑制材)が端面10a,10bに設けられる。本実施形態では、例えば、浸炭抑制材を端面10a,10bに塗布してもよく、シート状の浸炭抑制材を端面10a,10bに貼り付けてもよい。なお、浸炭抑制材としては、端面10a,10bの浸炭を抑制できる公知の種々の材料を用いることでき、例えば、ホウ酸系化合物を主成分とする浸炭防止剤を用いることができる。より具体的には、浸炭抑制材として、例えば、コンドルサル(登録商標)を用いることができる。
In the present embodiment, a suppression step is performed on the
なお、本実施形態では、端面10a,10b以外の部分については、浸炭抑制材は設けられない。 In the present embodiment, the carburization suppressing material is not provided for portions other than the end faces 10a and 10b.
本実施形態では、上記のように抑制工程が実施された歯車素材100に対して、浸炭焼入れ処理が施される。この場合、端面10a,10bにおける浸炭が抑制されるので、焼入れ処理の冷却時に、端面10a,10bの近傍部分は、内周面10cおよび外周面10dの近傍部分よりも早期にマルテンサイト変態し、膨張する。これにより、端面10a,10bの近傍部分において、内周面10cおよび外周面10dの近傍部分よりも早期に圧縮応力を発生させることができる。その結果、軸方向における位置によって円筒部10の内径に大きな差が生じることを抑制できる。
In the present embodiment, carburizing and quenching is performed on the
なお、浸炭抑制材は、端面10a,10bの全面に設けられることが好ましいが、筒部10の内径の軸方向における変化が抑制できるのであれば、端面10a,10bの一部が浸炭抑制材によって覆われていなくてもよい。
In addition, although it is preferable that a carburization suppression material is provided in the whole surface of
上記のようにして製造された歯車では、内周面10c、外周面10dおよび複数の歯12の表面に浸炭層が形成される。また、上記のようにして製造された歯車では、端面10a,10bの硬さはそれぞれ、内周面10cおよび外周面10dの硬さに対して、JIS Z 2244(2009)に規定されたビッカース硬さで300HV以上低くなる。本実施形態では、端面10a,10bの径方向における中央位置の硬さはそれぞれ、内周面10cおよび外周面10dの軸方向における中央位置の硬さに対して、JIS Z 2244(2009)に規定されたビッカース硬さで300HV以上低い。
In the gear manufactured as described above, a carburized layer is formed on the inner
なお、上述の実施形態では、歯車としてベベルギアを製造する場合について説明したが、本発明は、シャフトを固定するための貫通孔が形成された種々の形状の環状の歯車に適用できる。 In the above-described embodiment, the case where a bevel gear is manufactured as a gear has been described. However, the present invention can be applied to various shapes of annular gears in which a through hole for fixing a shaft is formed.
本発明によれば、軸方向における位置によって内径に大きな差が生じることが抑制された歯車が得られる。したがって、本発明に係る歯車は、自動車等において好適に利用できる。 According to the present invention, it is possible to obtain a gear in which a large difference in inner diameter is suppressed depending on the position in the axial direction. Therefore, the gear according to the present invention can be suitably used in an automobile or the like.
10,20 円筒部
10a,10b,20a,20b 端面
10c,20c 内周面
10d,20d 外周面
50 解析モデル
100 歯車素材
100a 貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (3)
鋼からなりかつ貫通孔を有する環状の歯車素材に浸炭抑制材を設ける抑制工程と、
前記抑制工程において浸炭抑制材が設けられた歯車素材に浸炭焼入れ処理を施す工程と、を備え、
前記歯車素材は、前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
前記抑制工程では、前記一対の端面に前記浸炭抑制材が設けられる、歯車の製造方法。 A method of manufacturing an annular gear having a through hole for fixing a shaft,
A restraining step of providing a carburization restraining material on an annular gear material made of steel and having a through hole;
And carburizing and quenching the gear material provided with the carburization suppressing material in the suppressing step,
The gear material includes a pair of annular end surfaces provided at both ends in the axial direction of the through hole, an inner peripheral surface connecting inner edges of the pair of end surfaces, and an outer periphery connecting outer edges of the pair of end surfaces. A cylindrical portion having a surface, and a plurality of teeth provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion,
In the suppressing step, the gear carburizing suppression material is provided on the pair of end surfaces.
前記貫通孔の軸方向における両端部に設けられる環状の一対の端面と、前記一対の端面の内縁同士を接続する内周面と、前記一対の端面の外縁同士を接続する外周面とを有する円筒部、および前記円筒部の前記外周面に設けられた複数の歯を備え、
前記一対の端面の硬さはそれぞれ、前記内周面および前記外周面の硬さに対して、300HV以上低い、歯車。 An annular gear made of steel and having a through hole for fixing the shaft,
A cylinder having a pair of annular end surfaces provided at both end portions in the axial direction of the through hole, an inner peripheral surface connecting inner edges of the pair of end surfaces, and an outer peripheral surface connecting outer edges of the pair of end surfaces. And a plurality of teeth provided on the outer peripheral surface of the cylindrical portion,
Each of the pair of end faces has a hardness that is lower by 300 HV or more than the hardness of the inner peripheral face and the outer peripheral face.
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