JP4441371B2 - 疲労特性に優れた歯車およびその疲労特性向上方法 - Google Patents
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Description
具体的には、歯元における歯元疲労強度や歯面におけるピッチング疲労強度に優れた歯車およびその疲労特性向上方法に関する。
図4は、歯車の疲労を説明する図であり、歯元に働く繰り返し荷重による歯元疲労と、歯車同士が接触して高い剪断応力が働くことによる歯面のピッチング疲労に大別される。
歯車の従来の強化方法は、浸炭焼入、浸窒焼入等の熱処理(熱処理により、表層をマルテンサイト化し硬化)、ショットピーニング(加工硬化)、硬質皮膜コーティングおよびその組み合わせが主なものであり、それぞれ以下に説明する。
例えば、特許文献1には、浸炭・浸窒による硬化処理方法が開示されており、その浸炭・浸窒をいかに巧く行うかが、最近の技術開発の傾向であるが、基本的な発明となるべきものは出てきていない。
特許文献1に記載の発明もその周辺発明の一つであり、熱鍛(粗形作成)→浸炭→センタ穴抜き→歯入れ→切削仕上げといった従来行程では歯車センター穴は浸炭層切れが起きていた。また、浸炭層切れを防ぐためにセンター穴内バリを薄くしようとすると型の寿命が短くなっていたため、この発明では、穴開け行程を工夫することによって、浸炭層切れのない歯車を提供するものである。
しかしながら、特許文献1に記載の発明における硬化処理は浸炭のみでありピッチング疲労に対して十分な効果が得られなかった。
例えば、特許文献2には、ショット球をガラスとすることにより、ショットピーニングによる肌荒れを防止する方法に関する発明が提案されている。
しかし、この発明の方法は、鋼球によるショットピーニングに比べ、残留応力が入りにくいため、長時間処理が必要であり生産性が低下するうえ、ガラスが砕けるため、再利用率が鋼球より低く、コスト上昇を招くという問題点があった。
<硬質皮膜コーティング>
特許文献3には、歯元にTiN等の硬質皮膜をコーティングすることにより、歯元のピッチング寿命を向上させる方法に関する発明が開示されている。
しかし、この発明の方法は処理コストが著しく上昇するという問題点があった。
1)肌荒れのない表面強化法である。
2)簡便(低コスト)な強化法である。
3)大きな圧縮残留応力を付加することが可能な強化方法である。
(1)歯車の疲労特性向上方法であって、振動数10k〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動し、かつ、先端部の曲率半径Rが下記(B)式を満足する超音波振動端子を前記歯車の歯元に押し付けることを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
(歯元の曲率半径)≧R≧(歯元の曲率半径)/2・・・(B)
また、強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上・コスト削減に寄与するなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
一定方向に回転している歯車の歯元には片振りの繰り返し応力がかかり疲労破壊の起点となっている。
また歯面には、歯と歯がこすり合わされることによる剪断応力が働くためピッチング疲労が生じ、歯車寿命の低下や騒音の増大を招いていた。
これら歯元疲労、ピッチング疲労に対する対策として、これまで、浸炭焼入およびショットピーニングによる高強度化と圧縮残留応力付与が行なわれてきた。
本発明者等は、超音波振動する端子で歯車の歯元および歯面を打撃することにより、表面粗度が小さく、しかも、大きな圧縮の残留応力を付与し、疲労強度の大幅向上が可能であることを見出した。
本発明において、超音波打撃処理行なう部位を歯元および歯面に限定したのは、歯元および歯面が疲労(歯元疲労およびピッチング)の起点であるからである。これ以外の箇所、例えば軸穴やキー溝から疲労亀裂が発生する場合にもこの技術は有効であると考えられる。
図1において、1は歯車、2は超音波振動端子を示す。
図1に示すように、歯車1の歯元に、超音波振動端子2を押付けて歯元に対して垂直方向に振動を与えながら矢印の方向に移動させることによって、歯元の表面に大きな圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させることができる。
−2.4<(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)<−1.5
・・・(A)
疲労特性を向上させるためには、表面ビッカース硬度が大きいほど即ち強度が高いほど好ましいが、本発明では更に圧縮残留応力を表面ビッカース硬度に比例して高めることを要求している。
本発明に用いる超音波打撃処理では、(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)を−2.4以下にすることは困難であることから、その下限を-2.4とする。
一方(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)が−1.5以上では十分な疲労強度向上が認められないことから、その上限を−1.5とする。
歯元に超音波打撃処理を行なう場合は、超音波振動端子2の先端形状が球状ないしは図1に示すような蒲鉾状の振動端子を用い、図1に示すように歯元に沿って移動させながら打撃処理を行なうことが好ましい。
この時、図1(a)に示すように歯元からの垂線に対して±5°以下の角度で揺動させることによって、圧縮残留応力が効果的に付与できる。
この時、超音波振動端子の先端部の曲率半径Rは、歯元の曲率半径以上では、歯元まで超音波振動する端子が届かないため、歯元の曲率半径以下であることが必要である。また、歯元の曲率半径の半分以下の曲率半径では、超音波振動子を押し付けたとき、塑性変形が大きくなりすぎ、かえって疲労寿命を低下させるため、最小の曲率半径を歯元の曲率半径の半分以上の曲率半径とする。
従って、超音波振動端子の先端部の曲率半径Rは下記(B)式の範囲が好ましい。
(歯元の曲率半径)≧R≧(歯元の曲率半径)/2・・・(B)
超音波振動子の振動数を10k〜60kHzとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を0.3μm以上とするのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、50μm以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を50μmが好ましい。
図2において、1は歯車、2´は超音波振動端子を示す。
図2に示すように、歯車1の歯面に、超音波振動端子2´を押し付けて歯面に対して垂直方向に振動を与えことによって、歯面に大きな圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させることができる。
この歯面における残留応力は、下記(A)式を満足することが好ましい。
−2.4<(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)<−1.5
・・・(A)
疲労特性を向上させるためには、表面ビッカース硬度が大きいほど即ち強度が高いほど好ましいが、本発明では更に圧縮残留応力を表面ビッカース硬度に比例して高めることを要求している。
本発明に用いる超音波打撃処理では、(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)を−2.4以下にすることは困難であることから、その下限を−2.4とする。
一方(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)が−1.5以上では十分な疲労強度向上が認められないことから、その上限を−1.5とする。
歯面の処理を行なう場合は、先端形状が図2に示すような複数のピンからなる球状ないしは蒲鉾状の端子を用い、図2のように超音波振動端子を歯面に当て、歯筋に沿って処理を行なう。この場合の端子先端の曲率半径は、1mm以下では歯面の粗度が0.5μmを確保できないため、1mm以上とする。また、25mm以上の曲率半径では、十分な圧縮残留応力が入らないため、曲率半径の上限を25mmとすることが好ましい。
従って、超音波振動端子の先端部の曲率半径Rは下記(C)式を満足することが好ましい。
1.0mm≧R≧25mm・・・(C)
超音波振動子の振動数を10k〜60kHzとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を0.3μm以上とするのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、50μm以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を50μmが好ましい。
また、歯面の平均表面粗度は、0.5μm以上であるとピッチング疲労により歯車の寿命を劣化させるのので、その上限を0.5μmとする。
図3において、1は歯車、2´´は超音波振動端子として用いる歯車を示す。
図3に示すように、歯車1の歯面に、超音波振動端子として用いる歯車2´´をかみ合わせて回転させることによって、歯面に大きな圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させることができる。
超音波振動する歯車2´´を用いて打撃処理を行なう場合には、200rpm以上の回転速度で被処理歯車を回転させると、十分な圧縮残留応力が導入されないため、被処理歯車の最大回転速度を200rpm以下にすることが好ましい。
また、回転速度を遅くすると処理に時間がかかり効率が低下するため、最小の回転速度を0.1rpmとすることが好ましい。
また、超音波振動端子による打撃処理の条件は、振動数10k〜60kHz、振幅0.3〜50μmが好ましい。
超音波振動子の振動数を10k〜60kHzとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を0.3μm以上とするのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、50μm以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を50μmが好ましい。
1)付与される圧縮残留応力が高い。
2)表面粗度が小さい。
3)ショット球のように飛散するものもないため装置が簡便で小型化可能である。
なお、本発明は、歯車の鋼材成分および熱処理条件は問わず適用することができ、例えば、JIS G 4104で規定されるSCR420などの鋼材に浸炭焼入を施した歯車の疲労特性向上に特に効果を発揮する。
JIS G 4104で規定されるSCR420をベースに浸炭をしたときの炭素濃度を模して炭素のみ0.8%に濃化した表1中の鋼Aを用意し、この素材を図6に示す条件で焼入し、浸炭を模した。この素材から歯車の歯元疲労を模した平面曲げ試験片(JIS Z 2275 1号試験片、b=20mm、R=30mm、t=2mm)を切り出した。
この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは本発明の範囲外の処理を施した比較例を用意し、両振り平面曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた結果を表2に示す。超音波打撃処理は、図5に示すように、くびれ部分について裏表行なった。この時の端子の形状は曲率半径5mmの蒲鉾状端子で行なった。表2中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し表層の残留応力を測定したものである。なお、残留応力の測定はX線を用いて行ない、回折X線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
比較例に比べ、適正な超音波打撃処理を行った本発明例は、圧縮の残留応力を導入することにより、疲労強度を向上することができた。
表1中の鋼B(SCR420)の化学成分の鋼から直径が26mm、幅28mmの円筒部を有する図7に示すようなローラー状試験片を作成した。
また同一素材から直径130mm、幅18mmの大ローラーを作成した。
ローラー状試験片と大ローラーを図6に示す浸炭条件で浸炭油焼入し、その後180℃×1時間焼戻しを行った。その後、直径で50μmの研削を行った。
浸炭時に生じる粒界酸化層深さは、小ローラーの断面を走査型電子顕微鏡で2000倍で観察したところ約15μmであり、この研削により粒界酸化層は除去されていた。なお、研削後の粗さはRmax2μm以下であった。
小ローラーについて表3に示した条件で、本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外処理を施した比較材を用意した。超音波処理に用いた端子は曲率半径5mmの半球状の先端を持ち、処理は小ローラーを旋盤に挟んで60rpmで回転させ、それに超音波端子を接触させて軸方向に走査することにより面処理を行なった。処理の様子を図7に示す。
ピッチング疲労寿命の評価として、上記ローラー状試験片と大ローラーを組み合わせたローラーピッチング試験を行った。試験条件は、試験片の回転数1000rpm,すべり率40%、潤滑剤にはオートマチック用オイルを用い、油温は約80℃で行った。
評価は、健全なままで107回まで回転が可能な最大面圧をその鋼材のピッチング疲労強度とした。なお、面圧はヘルツ面圧で計算した。
以上のことから、本発明は比較例に比べ、大幅な疲労強度向上が認められ、有効であることが確認された。
2、2´ 超音波振動端子
2´´ 超音波振動端子として用いる歯車
3 小ローラー
Claims (1)
- 歯車の疲労特性向上方法であって、振動数10k〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動し、かつ、先端部の曲率半径Rが下記(B)式を満足する超音波振動端子を前記歯車の歯元に押し付けることを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
(歯元の曲率半径)≧R≧(歯元の曲率半径)/2・・・(B)
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