JP3835910B2 - 歯車のショットピーニング方法およびそれにより得られる高強度歯車 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車の外表面を硬化させる歯車のショットピーニング方法およびそのショットピーニング方法により得られる高強度歯車に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、各種機器類に使用される歯車の小型化に対する要請に伴い、この歯車の強度を向上させるための方策がいろいろと提案され、実用化されてきている。この歯車の強度向上の一つの手段としてショットピーニングが知られている。このショットピーニングは、歯車の外表面に、スチールボール(鋼球),カットワイヤもしくはラウンドカットワイヤ等のショット粒(投射材)を衝突させる方法であって、これにより歯車に圧縮残留応力場を付与して歯元曲げ疲労強度を向上させるものである。
【0003】
図7には、従来のノズル式のショットピーニングの一例が示されている。図示のように、歯車100の外表面には例えば鋼球よりなるショット粒101がノズル102から投射されるようになっている。ここで、歯車100は、歯先面103と、歯底面104と、歯底面104から歯先面103に向かって設けられる例えばインボリュート曲線で構成される歯形面105とを有する形状とされている。また、ショット粒101の投射方向は通常、矢印P方向に回転する歯車100に対して歯底面104に略垂直な方向とされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のショットピーニング方法では、歯底面104を狙ってショット粒101が投射されるために、歯先部、とりわけ歯先面103と歯形面105との稜線の部分においてショット粒101の衝突時の衝撃による塑性変形が生じて小さな突起(バリ)106が円周方向に向けて形成されるという問題点がある。このような突起106は、歯車の噛み合い時に騒音発生の要因になったり、あるいは相手側歯車の歯元部に当たりその歯元部を摩耗させて歯車の寿命を短くしてしまう。
【0005】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、歯車の歯先部に生じる突起が歯車の噛み合いに支障を来すことがなく、しかも高精度でかつ高強度の歯車を得ることのできる歯車のショットピーニング方法を提供し、併せてそのショットピーニング方法にてショットピーニングを施すことにより得られる高強度歯車を提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第1発明による歯車のショットピーニング方法は、
歯車の外表面を硬化させる歯車のショットピーニング方法であって、
歯車の歯底部と歯元部とにショット粒が衝突するように、その軸線が歯車の歯底面と略垂直になるような位置に配される第1のエアーノズルにより第1のショットピーニングを行って圧縮残留応力を生成させる工程と、その歯車の歯先部にショット粒が衝突するように、その軸線が歯車のインボリュート面と略垂直になるような位置に配される第2のエアーノズルにより第2のショットピーニングを行って前記第1のショットピーニングで歯先部に形成された円周方向の突起を半径方向の突起に変形させる工程とよりなることを特徴とするものである。
【0007】
本発明においては、高強度歯車を製造するに際し、まず歯車の歯底部と歯元部とにショット粒が衝突するように、その軸線が歯車の歯底面と略垂直になるような位置に配される第1のエアーノズルにより第1のショットピーニングが行われ、これによって歯底部と歯元部とに圧縮残留応力を生成させて曲げ疲労強度の向上が図られる。次に、前記歯車の歯先部にショット粒が衝突するように、その軸線が歯車のインボリュート面と略垂直になるような位置に配される第2のエアーノズルにより第2のショットピーニングが行われ、これによって前記第1のショットピーニングにて歯先部に円周方向へ向けて生成された突起(バリ)を半径方向へ変形させて歯先の変形量が小さくされ、歯車精度の向上が図られる。こうして、歯先部に形成されるバリが歯車の噛み合いに支障を来すのを防ぐことができ、高精度でかつ高強度の歯車を得ることが可能となる。
【0009】
次に、第2発明による高強度歯車は、前記第1発明による歯車のショットピーニング方法により得られる高強度歯車であって、
歯車の外表面に生成される圧縮残留応力が900MPa以上で、歯先部の突起量が15μm以下であることを特徴とするものである。
【0010】
一般に、ショットピーニングにおけるピーニング強さの指標であるアークハイト値を大きくするほど圧縮残留応力が増大するが、一方ではアークハイト値が増大すると歯先突起量が大きくなってしまう。しかし、本発明によれば、発生する歯先突起量を小さくできるので、大きなアークハイト値でのショットピーニングが可能である。より具体的には、従来方法によるショットピーニングにおけるアークハイト値に対する歯先突起量の関係を示す曲線と、アークハイト値に対する圧縮残留応力の関係を示す曲線との交点の圧縮残留応力値である900MPa以上の圧縮残留応力を生成することが可能で、かつ歯先部に円周方向へ向けて生成された突起(バリ)を小さくして、前記交点の歯先突起量である15μm以下の歯先突起量とすることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による歯車のショットピーニング方法およびそれにより得られる高強度歯車の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【0012】
図1は本発明の一実施例に係るショットピーニング工程を説明する模式図であり、図2は第1のショットピーニング工程を示す部分側面図、図3は第2のショットピーニング工程を示す部分側面図である。
【0013】
本実施例において用いられる歯車1は、外表面が、歯先面2と、歯底面3と、歯底面3から歯先面2に向かって設けられるとともに歯4の側面をなす左右のインボリュート面5,6とを備える形状とされている。
【0014】
この歯車1の外表面に対してショット粒(本実施例ではスチールボール)7を投射するために、この歯車1の側方上部位置と側方中央位置とにそれぞれ歯車1方向へ向けて第1のエアーノズル8および第2のエアーノズル9が配されている。第1のエアーノズル8は、歯車1の歯底面(歯底部)3と、この歯底面3と歯4との境界部である歯元部10とにショット粒7が衝突するように、言い換えればそのエアーノズル8の軸線11上に歯底面3が来たときにその軸線11と歯底面3とが略垂直になるような位置に設置されている。一方、第2のエアーノズル9は、歯車1の歯先面2とインボリュート面5との境界部(歯先部)にショット粒7が衝突するように、言い換えればそのエアーノズル9の軸線12上にインボリュート面5が来たときにその軸線12とインボリュート面5とが略垂直になるような位置に設置されている。
【0015】
このような構成において、歯車1を矢印A方向に回転させた状態で、まず第1のエアーノズル8から歯底面3および歯元部10を狙ってショット粒7を投射する(第1のショットピーニング)。そうすると、投射されたショット粒7は主として歯車1の歯底面3および歯元部10に衝突してそれらの部分に圧縮残留応力を生成する。なお、この投射によって歯車1の歯先面2にもショット粒7が衝突するために、この歯先面2の両端部には図2に示されるような円周方向のバリ13,14が形成される。
【0016】
次に、同様に歯車1を矢印A方向(時計方向)に回転させた状態で、第2のエアーノズル9から歯先面2の側部を狙ってショット粒7を投射する(第2のショットピーニング)。そうすると、投射されたショット粒7は主として歯車1の歯先面2とインボリュート面5との境界部に衝突し、図3に示されているように、先の工程で形成された円周方向のバリ13を半径方向のバリ13Aに変形させる。なお、このように歯先部の一方側にショットピーニングが施された後、歯車1を表裏反転させて同様の投射を行うことで、反対側にある円周方向のバリ14を半径方向のバリ14Aに変形させることができる。この結果、歯先部に形成されるバリ13A,14Aが歯車1の噛み合いに支障を来すことがなくなる。こうして、歯先の変形量が小さく、優れた歯車精度を有する高強度かつ高精度の歯車が得られる。
【0017】
本実施例において、第1のエアーノズル8によるショットピーニングの後における歯車1の素地硬さは、ショット粒7の硬さと同等もしくはそれ以下であるのが好ましい。これによって、第2のエアーノズル9による歯先部のバリの変形を容易かつ確実に行うことができる。
【0018】
本実施例によるショットピーニング方法の効果を確認するために、歯車素材として、0.35wt%C,0.20wt%Si,0.80wt%Mn,1.0wt%Cr,0.20wt%Mo,0.10wt%Vの組成よりなり、モジュール3.0,圧力角14.5°の窒化歯車を用いるとともに、Hv700硬さのスチールボールを投射圧力2.5kgf/cm2 で投射した場合の歯車精度を測定した。この結果、第1のエアーノズル8によるショットピーニング後において形成された円周方向のバリ13,14の高さが28μm〜47μmであったのに対し、次いで第2のエアーノズル9によるショットピーニングを行った後には、この円周方向のバリ13,14の高さは4μm〜9μmに低減しており、本実施例の方法が有効であることが確認された。
【0019】
このときの歯底面3における残留応力分布が、ショットピーニング処理前の残留応力分布とともに図4に示されている。なお、残留応力値に−(マイナス)の符号が付されているのは圧縮応力であることを示している。この図から明らかなように、ショットピーニング処理前においては残留応力が−200MPa程度であったのが、処理後においては最大値−1250MPa程度となって、圧縮残留応力が全体として1000MPa以上に増加していることがわかる。
【0020】
次に、本実施例によるショットピーニング処理により得られた歯車とショットピーニング処理前の歯車との曲げ疲労強度を比較するために、供試リングギアの歯底に繰り返しの圧縮応力/引っ張り応力を発生させて破損までの回数を測定する両振り疲労試験を行った。この試験結果のグラフが図5に示されている。このグラフから、サイクル数106 における両振り曲げ疲労強度が、ショットピーニング処理前の歯車では650MPaであるのに対し、本実施例の歯車では1150MPaであり、曲げ疲労強度が格段に改善されているのがわかる。
【0021】
図6には、ショットピーニングにおけるピーニング強さの指標であるアークハイト値に対する歯先突起量(円周方向のバリの高さ)の関係および同アークハイト値に対する残留応力ピーク値の関係が示されている。図示のように、一般にアークハイト値を大きくするほど圧縮残留応力(マイナスの符号で示されている。)が増大するが、一方ではアークハイト値が増大すると歯先突起量が大きくなってしまう。すなわち、歯先突起量を小さくするためには圧縮残留応力のピーク値を小さくせざるを得ず、これによって曲げ疲労強度は小さくなって高強度の歯車を得ることができない。なお、ショットピーニング処理後に歯先突起を機械加工などの方法で除去することも考えられるが、このようにすればコスト高となってしまうので実用性が乏しい。しかし、本実施例の方法によれば、発生する歯先突起量を小さくできるので、大きなアークハイト値でのショットピーニングが可能である。図中、黒塗りの丸印で示すのは本実施例の刃先突起量(9μm)であり、黒塗りの四角印で示すのは本実施例の残留応力ピーク値(1250MPa)である。
【0022】
本実施例では、従来方法によるショットピーニングにおけるアークハイト値に対する歯先突起量の関係を示す曲線と、アークハイト値に対する圧縮残留応力ピーク値の関係を示す曲線との交点の圧縮残留応力値である900MPa以上の圧縮残留応力で、かつその交点の歯先突起量である15μm以下の歯先突起量、言い換えれば図中斜線で示した領域の圧縮残留応力値および歯先突起量を得ることが可能である。
【0023】
本実施例においては、第1のショットピーニングと第2のショットピーニングとを別のエアーノズルにより行うものを説明したが、1台のショットピーニング装置において、第1のショットピーニングのためのエアーノズルの設置位置を変えて第2のショットピーニングを行うようにしても良い。また、第2のショットピーニングにおいて、歯車を表裏反転する代わりに、エアーノズルとして歯車の左側面を狙うエアーノズルと右側面を狙うエアーノズルの2基を設けるようにしても良い。
【0024】
本実施例においては、ショット粒としてスチールボール(鋼球)を用いるものとしたが、その他、カットワイヤもしくはラウンドカットワイヤ、あるいはガラスビーズ,アルミナ球もしくは超硬球などを用いることもできる。
【0025】
本実施例においては、歯形曲線としてインボリュート曲線のものについて説明したが、この歯形曲線は、他にサイクロイド曲線や直線等の種々のものがある。本発明はそれら種々の歯形曲線のものに適用しても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の一実施例に係るショットピーニング工程を説明する模式図である。
【図2】図2は、第1のショットピーニング工程を示す部分側面図である。
【図3】図3は、第2のショットピーニング工程を示す部分側面図である。
【図4】図4は、本実施例における歯底面の残留応力分布をショットピーニング処理前の残留応力分布とともに示すグラフである。
【図5】図5は、本実施例における歯車の曲げ疲労強度をショットピーニング処理前の曲げ疲労強度とともに示すグラフである。
【図6】図6は、アークハイト値に対する歯先突起量および残留応力ピーク値の関係を示すグラフである。
【図7】図7は、従来の問題点を示す図である。
【符号の説明】
1 歯車
2 歯先面
3 歯底面
4 歯
5,6 インボリュート面
7 ショット粒
8 第1のエアーノズル
9 第2のエアーノズル
10 歯元部
11,12 軸線
13,14 円周方向のバリ
13A,14A 半径方向のバリ
Claims (2)
- 歯車の外表面を硬化させる歯車のショットピーニング方法であって、
歯車の歯底部と歯元部とにショット粒が衝突するように、その軸線が歯車の歯底面と略垂直になるような位置に配される第1のエアーノズルにより第1のショットピーニングを行って圧縮残留応力を生成させる工程と、その歯車の歯先部にショット粒が衝突するように、その軸線が歯車のインボリュート面と略垂直になるような位置に配される第2のエアーノズルにより第2のショットピーニングを行って前記第1のショットピーニングで歯先部に形成された円周方向の突起を半径方向の突起に変形させる工程とよりなることを特徴とする歯車のショットピーニング方法。 - 請求項1に記載の歯車のショットピーニング方法により得られる高強度歯車であって、
歯車の外表面に生成される圧縮残留応力が900MPa以上で、歯先部の突起量が15μm以下であることを特徴とする高強度歯車。
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