JP3292654B2 - 歯車の高強度化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歯車表面の強度を
高めるための歯車の高強度化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、歯車は、使用に際して繰り返
し荷重を受けるため、その表面の疲労強度を高める必要
がある。このため、従来より、熱処理後の歯車表面に鋼
球等を衝突させて圧縮残留応力を付与するショットピー
ニングが広く行われている。

【０００３】例えば、特開平５−３３０４７号公報に
は、ショット粒を投射すべき歯面に対する該ショット粒
の投射角度を、ショット粒の投射方向を歯車部品に該歯
車部品の軸心に直交するように向けた場合よりも大きく
するようにしたショットピーニング方法が開示されてい
る。これにより、歯面における圧縮残留応力等を向上さ
せようとするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、歯面の圧縮残留応力等の向上が認められ
るものの、ショット粒の投射角度が大きいために歯元へ
のショット粒の投射が十分に行われず、この歯元に対し
て所望の圧縮残留応力を付与することができないという
問題が指摘されている。さらに、歯面に対しての投射角
度が大きいため、熱処理によって歯車表面に生成された
酸化物層を除去することが困難であり、しかも歯面から
歯元にわたって段差が残ってしまうという不具合があ
る。

【０００５】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、十分な圧縮残留応力を付与するとともに、歯面か
ら歯元にわたって平滑な面を得ることが可能な歯車の高
強度化方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、熱処理後の歯車表面に向かって、ノズ
ルからガラスビーズと液体との噴流を投射することによ
り、このガラスビーズが指向性を有して所望の圧縮残留
応力を付与することができる。その際、ガラスビーズが
歯車表面で粉砕し、この歯車表面の酸化物層が除去され
るとともに、少なくとも歯面の基準ピッチ円対応部分か
ら歯元にわたって平滑な面が得られる。

【０００７】ここで、噴流が、歯面の基準ピッチ円対応
部分に対して鋭角、特に１０°〜３０°の角度範囲内で
投射される。これにより、歯面に対して面粗度を損なう
ことなくかつ酸化物層の除去を確実に遂行するととも
に、前記歯面から歯元にわたって十分な圧縮残留応力を
付与することができる。

【０００８】また、ノズルは、このノズルの軸心と歯車
の中心とを結ぶ直線上からオフセットし、あるいは前記
直線上から傾動する。従って、圧力角等の異なる種々の
歯車に容易に対応することが可能になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の歯車の高強度化
方法を実施するための第１の実施形態に係る高強度化装
置１０の一部断面正面図であり、図２は、前記高強度化
装置１０の一部断面側面図である。

【００１０】高強度化装置１０は、被処理物である歯車
１２を保持してケーシング１４内のチャンバ１４ａでこ
の歯車１２を位置決め保持する歯車保持機構１６と、液
体、例えば、水１８とガラスビーズ２０との噴流２２を
前記歯車１２に向かって投射する投射機構２４と、この
投射機構２４に前記水１８を圧送する水供給機構２６
と、前記投射機構２４に前記ガラスビーズ２０を所定量
ずつ送り出すガラスビーズ供給機構２８とを備える。

【００１１】歯車保持機構１６は、図１に示すように、
基台２９上に載置されたＸ軸スライドユニット３０とス
ピンドルユニット３２とを備える。このＸ軸スライドユ
ニット３０を構成するＸ軸モータ３４にボールねじ３６
が連結され、このボールねじ３６に一対のガイドバー３
８が平行に配設されるとともに、前記ボールねじ３６と
前記ガイドバー３８とを介してスピンドルモータ４０が
矢印Ｘ方向に進退可能に支持される。

【００１２】スピンドルユニット３２は、スピンドルモ
ータ４０に連結されたスピンドル４２を有し、このスピ
ンドル４２の先端に歯車１２が装着される。スピンドル
ユニット３２の先端側は、ケーシング１４の側壁部に形
成された開口部４４からこのケーシング１４内に挿入自
在である。

【００１３】投射機構２４は、図２に示すように、Ｙ軸
スライドユニット４６とＺ軸スライドユニット４８とを
備える。Ｙ軸スライドユニット４６は、水平方向に指向
するＹ軸モータ５０を有し、このＹ軸モータ５０に連結
されるボールねじ５２とこのボールねじ５２に平行な一
対のガイドバー５４とを介して、Ｚ軸スライドユニット
４８が矢印Ｙ方向に進退自在である。このＺ軸スライド
ユニット４８を構成するＺ軸モータ５６から鉛直下方向
に延在するボールねじ５８と、このボールねじ５８に平
行な一対のガイドバー６０とを介して、移動体６２が矢
印Ｚ方向に進退自在である。

【００１４】移動体６２から矢印Ｙ方向に延在する一対
の支持ロッド６４の先端に、矢印Ｚ方向に指向して管体
６６が装着される。管体６６の上部には、水１８の導入
をＯＮ・ＯＦＦするための開閉弁６８が設けられるとと
もに、この管体６６の下部には、前記水１８にガラスビ
ーズ２０を混合するためのミキシングチャンバ７０が連
結され、このミキシングチャンバ７０の下部にノズル７
２が配設される。

【００１５】水供給機構２６は、開閉弁６８の入口側に
接続される水管路７４を有し、この水管路７４は、ケー
シング１４内でスパイラル状に巻かれた後、このケーシ
ング１４の外部に継手７６を介して接続される（図１参
照）。この継手７６には、図示しない高圧ポンプが接続
されており、この高圧ポンプは、噴流２２を歯車１２に
向かって所定の噴射圧力で投射するように設定されてい
る。

【００１６】ガラスビーズ供給機構２８は、ケーシング
１４の上面に取り付け台７８を介して保持されるホッパ
ー８０を備える。このホッパー８０の下部は、該ホッパ
ー８０内のガラスビーズ２０の残量を検出するためのロ
ードセル８２が配設される。図１に示すように、ホッパ
ー８０の出口側には、計量バルブ８４、負圧計８６およ
びレーザ流量計８８が鉛直下方向に指向して連結されて
いる。管路９０は、その一端をレーザ流量計８８に接続
され、その他端をケーシング１４内のチャンバ１４ａに
挿入してミキシングチャンバ７０に接続される。ホッパ
ー８０に充填されているガラスビーズ２０は、その直径
が０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍに設定されている。

【００１７】基台２９上には、ミスト回収機構９２が載
置される。このミスト回収機構９２を構成する一対のダ
クト９４、９６の先端部は、ケーシング１４の側部から
チャンバ１４ａに挿入され、歯車１２とノズル７２との
間でかつ前記歯車１２に近接して配置されている。

【００１８】ケーシング１４の下部側には、下方に指向
して縮径する円錐部９８が一体的に設けられており、こ
の円錐部９８の下部開口部の下方には、排液用コンベア
１００が配設されている。

【００１９】このように構成される第１の実施形態に係
る高強度化装置１０の動作について、本発明の高強度化
方法との関連で説明する。

【００２０】先ず、切削加工により歯切り加工が施され
た歯車１２には、浸炭焼入れ処理が行われる。そして、
浸炭焼入れ処理後の歯車１２が歯車保持機構１６を構成
するスピンドル４２にセットされる一方、投射機構２４
を構成するノズル７２は、Ｙ軸スライドユニット４６お
よびＺ軸スライドユニット４８を介して矢印Ｙ方向およ
び矢印Ｚ方向に選択的に位置調整され、前記歯車１２に
対応して配置される。

【００２１】そこで、スピンドルモータ４０を介してス
ピンドル４２と一体的に歯車１２が所定方向に回転する
とともに、Ｘ軸スライドユニット３０を構成するＸ軸モ
ータ３４を介し、前記歯車１２がこのスピンドルユニッ
ト３２と一体的に矢印Ｘ１方向に移動する（図１参
照）。

【００２２】その際、投射機構２４が駆動され、図示し
ない高圧ポンプの作用下に水１８が水管路７４を介して
管体６６からミキシングチャンバ７０に圧送される。一
方、ガラス供給機構２８を構成する計量バルブ８４が駆
動され、ミキシングチャンバ７０に管路９０から所定量
のガラスビーズ２０が送給されている。このため、ノズ
ル７２から水１８が噴射されると、ミキシングチャンバ
７０内に負圧が発生し、管路９０内のガラスビーズ２０
がこの水１８と混合して噴流２２となって前記ノズル７
２から歯車１２に投射される。

【００２３】従って、水１８とガラスビーズ２０との噴
流２２が指向性を有して歯車１２の歯先１０２、歯面１
０４および歯元１０６の所望の位置に正確に衝突するこ
とになる（図３Ａ〜図３Ｃ参照）。

【００２４】ここで、モジュールが１．５、捩れ角が３
６°、圧力角が１７．５°および歯数が５２に設定され
た歯車１２を用い、噴流２２を歯面１０４の基準ピッチ
円（ＰＣＤ）対応部分に対して１８°で投射する。これ
により、歯車１２の歯面１０４および歯元１０６に対し
て噴流２２を確実に投射することができ、前記歯面１０
４および前記歯元１０６に対し十分な圧縮残留応力を付
与することが可能になる。

【００２５】さらに、図４に示すように、ガラスビーズ
２０が歯車１２の歯面１０４に衝突すると、この歯面１
０４の表面は、前記ガラスビーズ２０を介して圧縮残留
応力が付与されるとともに研磨され、さらに、前記ガラ
スビーズ２０が粉砕される。その際、粉砕片２０ａは、
歯面１０４に向けて噴射される水１８によってこの歯面
１０４の表面に鋭角に押し付けられる。このため、歯車
１２は、少なくとも歯面１０４の基準ピッチ円対応部分
から歯元１０６にわたって研磨処理が施され、確実に平
滑面に加工されるという効果が得られる。

【００２６】なお、図５Ａは、歯車１２に浸炭焼入れ処
理を施した後の歯面１０４の拡大図を示し、図５Ｂは、
この歯車１２に高強度化装置１０により高強度化処理が
施された後の前記歯面１０４の拡大図を示す。また、図
６Ａは、浸炭焼入れ処理後の歯底の拡大図を示し、図６
Ｂは、前記高強度化装置１０による高強度化処理が施さ
れた歯底の拡大図を示す。これにより、歯面１０４およ
び歯底の表面は、高強度化処理によって酸化物層が有効
に除去されるとともに、平滑化されていることがわかっ
た。

【００２７】ところで、ノズル７２から噴流２２を投射
して歯車１２に高強度化処理を施す際、チャンバ１４ａ
には粉砕された微細なガラスビーズ屑が浮遊する。この
ため、ミスト回収機構９２が駆動されることにより、チ
ャンバ１４ａで浮遊する微細なガラスビーズ屑を一対の
ダクト９４、９６から吸引して確実に回収することがで
きる。また、チャンバ１４ａに噴射されている水１８お
よびガラスビーズ２０の破片は、ケーシング１４の下部
に設けられている円錐部９８から排液用コンベア１００
内に排出され、この排液用コンベア１００を介して外部
に回収される。

【００２８】次いで、噴流２２の歯面１０４の基準ピッ
チ円対応部分に対して投射される角度（投射角）を種々
変更して各歯車１２に高強度化処理を施した後、夫々の
歯車１２の圧縮残留応力と面粗さとを測定する実験を行
った。その結果が、図７に示されている。

【００２９】これにより、歯面１０４への投射角が３０
°以上になると、この歯面１０４の面が粗れてしまう一
方、この投射角が１０°以下では、十分な圧縮残留応力
を付与することができなかった。従って、噴流２２の投
射角は、１０°〜３０°の角度範囲に設定することが望
ましいという結果が得られた。

【００３０】ところで、図８に示すように、歯面１０４
ａの圧力角が小さな歯車１２ａに対して高強度化処理を
行う際には、ノズル７２を平行移動（オフセット）する
ことにより、容易に対応することができる。すなわち、
ノズル７２の軸心と歯車１２ａの中心Ｏとを結ぶ直線Ｌ
上にこのノズル７２が配設された状態で、噴流２２の投
射角が基準ピッチ円対応部分で１０°以下になる場合、
このまま使用すると、上記のように十分な圧縮残留応力
を付与できないという不具合が発生してしまう。

【００３１】そこで、図２に示すように、Ｙ軸スライド
ユニット４６を構成するＹ軸モータ５０の駆動作用下
に、移動台６２を矢印Ｙ１方向に所定量（歯車１２ａの
圧力角に対応して決定される距離）だけ平行移動させ
る。そして、歯車１２ａの歯面１０４ａに対する噴流２
２の投射角が１０°〜３０°の範囲内になる位置でノズ
ル７２を位置決めし、この状態で前記歯車１２ａに対す
る高強度化処理を行えばよい。これにより、種々の異な
る歯車１２、１２ａ等に容易に対応することができ、極
めて汎用性に優れるという利点が得られる。

【００３２】また、ノズル７２は、歯車１２ａ（１２）
の中心とノズル中心とを結ぶ直線Ｌに対して左右対称に
オフセット可能である。このため、歯車１２ａ（１２）
を逆回転させることにより、この歯車１２ａ（１２）を
付け替えることなく該歯車１２ａ（１２）の両歯面１０
４ａ（１０４）に噴流２２を投射して高強度化処理が効
率的に遂行される。

【００３３】次いで、表１に示す仕様を有し、ＪＩＳ規
格ＳＣＭ４２０からなる素材により製造された歯車１２
ｂ、１２ｃを用意し、この歯車１２ｂ、１２ｃに浸炭焼
入れ処理を行った。さらに、歯車１２ｂの回転数を２８
回転、歯車１２ｃの回転数を２３回転に設定し、表２に
示す条件下で、高強度化装置１０による高強度化処理が
施された。この場合、歯車１２ｂの歯面に対する投射角
が１８°、歯車１２ｃの歯面に対する投射角が１９°、
この歯車１２ｂ、１２ｃの歯底に対する投射角がそれぞ
れ４５°、４０°に設定された。

【００３４】なお、ガラスビーズ２０の組成は、ＳｉＯ
₂ が７２ｗｔ％、ＡｌＯ₃ が２ｗｔ％、Ｎａ₂ ＯとＫ₂
Ｏの和が１３．５ｗｔ％、ＭｇＯが３．５ｗｔ％、およ
びＣａＯが９ｗｔ％であった。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】そこで、上記高強度化処理が施された歯車
１２ｂと１２ｃおよび浸炭焼入れ処理のみが施された歯
車１２ｂ′と１２ｃ′を、それぞれ組み合わせ、所定の
トルクが加わるようにして回転を行い、歯元強度および
歯面強度を確認する実験を行った。その結果が、表３お
よび図９に示されている。

【００３８】

【表３】

【００３９】これにより、ガラスビーズ２０と水１８の
噴流２２により高強度化処理が施された歯車１２ｂ、１
２ｃは、浸炭焼入れ処理のみの歯車１２ｂ′、１２ｃ′
に比べ、歯元強度が約２８％向上し、歯面強度において
も約３１％の向上が認められた。

【００４０】また、図１０には、クロム鋼（ＪＩＳ規格
ＳＣｒ）からなる歯車１２ｄに噴流２２による高強度化
処理を施したものと、これと同一材料からなり、高強度
化処理が施されない歯車１２ｄ′とを用い、それぞれの
歯元応力を測定した結果が示されている。これにより、
噴流２２による高強度化処理を施すことによって、歯車
１２ｄは、未処理の歯車１２ｄ′に比べて歯元応力が５
０％も向上した。

【００４１】次に、図１１および図１２には、本発明の
第２の実施形態に係る高強度化装置を構成する投射機構
１２０が示されている。なお、第１の実施形態に係る投
射機構２４と同一の構成要素には同一の参照符号を付し
てその詳細な説明は省略する。

【００４２】この投射機構１２０は、一対の支持ロッド
６４の先端に固定される支持板１２２を備え、この支持
板１２２に旋回モータ１２４が固着される。この旋回モ
ータ１２４の回転駆動軸１２６には、回動部材１２８を
介して管体６６が装着される。

【００４３】このように構成される投射機構１２０で
は、図１３に示すように、圧力角の小さな歯面１０４ａ
を有する歯車１２ａが用いられる際、旋回モータ１２４
の駆動作用下に回転駆動軸１２６を介して回動部材１２
８と一体的に管体６６が所定の角度だけ傾動される。従
って、ノズル７２は、歯車１２ａの中心Ｏに向かう姿勢
から所定の角度α°だけ傾動した姿勢で歯車１２ａの歯
面１０４ａに指向する（図１３中、二点鎖線参照）。こ
のため、ノズル７２から投射される噴流２２の投射角
は、１０°〜３０°の角度範囲内に設定変更される。

【００４４】このように、ノズル７２を傾動させるだけ
で圧力角等の異なる種々の歯車１２、１２ａに容易に対
応することができる他、このノズル７２の角度を変更す
るだけで、前記歯車１２、１２ａの歯面１０４、１０４
ａの両側に対しそれぞれ１０°〜３０°の角度範囲内に
噴流２２を投射することができる。

【００４５】すなわち、従来、歯面１０４、１０４ａの
片側に高強度化処理を施した後、歯車１２、１２ａをス
ピンドル４２から取り外して反転させた状態でこのスピ
ンドル４２に取着し、この歯面１０４、１０４ａの反対
側に高強度化処理を施していた。これに対し、第２の実
施形態では、歯車１２、１２ａの付け替え作業が不要に
なり、この歯車１２、１２ａをスピンドル４２に一旦取
着した状態で、歯面１０４、１０４ａの両側に高強度化
処理が遂行され、該高強度化処理の効率化が容易に図ら
れるという効果が得られる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る歯車の高強
度化方法では、熱処理後の歯車表面にガラスビーズと液
体との噴流を投射することにより、圧縮残留応力の付与
と前記ガラスビーズの粉砕による酸化物層の除去および
歯車表面の平滑化が行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る高強度化装置の一部断面
正面説明図である。

【図２】前記高強度化装置の一部断面側面説明図であ
る。

【図３】本発明に係る高強度化方法を説明する図であ
り、図３Ａは、歯先処理状態の説明図であり、図３Ｂ
は、歯面処理状態の説明図であり、図３Ｃは、歯元処理
状態の説明図である。

【図４】歯面にガラスビーズが衝突した状態の説明図で
ある。

【図５】前記高強度化方法の説明図であり、図５Ａは、
浸炭焼入れ処理後の基準ピッチ円対応部分の拡大図であ
り、図５Ｂは、前記高強度化処理が施された基準ピッチ
円対応部分の拡大図である。

【図６】前記高強度化処理の説明図であり、図６Ａは、
浸炭焼入れ処理後の歯底の拡大図であり、図６Ｂは、前
記高強度化処理後の歯底の拡大図である。

【図７】投射角と残留応力および面粗さとの関係図であ
る。

【図８】ノズルをオフセットした状態の説明図である。

【図９】高強度化処理が施された歯車と該処理が施され
ない歯車とにおけるそれぞれの負荷トルクの説明図であ
る。

【図１０】前記高強度化処理が施された歯車と該処理が
施されない歯車とにおけるそれぞれの歯元応力の説明図
である。

【図１１】第２の実施形態に係る高強度化装置を構成す
る投射機構の斜視説明図である。

【図１２】図１１の投射機構の正面説明図である。

【図１３】図１２の投射機構による角度調整作業の説明
図である。

【符号の説明】

１０…高強度化装置 １２、１２ａ…歯
車 １４…ケーシング １６…歯車保持機
構 １８…水 ２０…ガラスビー
ズ ２２…噴流 ２４、１２０…投
射機構 ２６…水供給機構 ２８…ガラスビー
ズ供給機構 ３０…Ｘ軸スライドユニット ３２…スピンドル
ユニット ４２…スピンドル ４６…Ｙ軸スライ
ドユニット ４８…Ｚ軸スライドユニット ６６…管体 ７０…ミキシングチャンバ ７２…ノズル ７４…水管路 ８０…ホッパー ９０…管路 ９２…ミスト回収
機構 １０２…歯先 １０４、１０４ａ
…歯面 １０６…歯元 １２４…旋回モー
タ １２８…回動部材

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−160428（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−84974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−17817（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−33047（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−287372（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 7/06 B24C 1/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】歯車表面の強度を高めるための歯車の高強
   度化方法であって、 熱処理後の前記歯車表面に向かって、ノズルからガラス
   ビーズと液体との噴流を、該噴流の進行方向と前記歯車
   の歯面の基準ピッチ円対応部分に接する接線との角度が
   １０°〜３０°の角度範囲となる位置から指向性を有し
   て投射して圧縮残留応力を付与するとともに、 前記ガラスビーズが該歯車表面で粉砕することにより、
   前記歯車表面の酸化物層を除去しかつ少なくとも歯面の
   基準ピッチ円対応部分から歯元にわたって平滑面にする
   ことを特徴とする歯車の高強度化方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の高強度化方法において、前
   記ノズルは、該ノズルの軸心と前記歯車の中心とを結ぶ
   直線上の位置から所定距離だけ平行移動された後に前記
   歯車表面に向かって前記噴流を投射することを特徴とす
   る歯車の高強度化方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の高強度化方法において、前
   記ノズルは、前記歯車の中心に向かう姿勢から所定角度
   だけ傾動した姿勢で前記歯車表面に向かって前記噴流を
   投射することを特徴とする歯車の高強度化方法。