JP5298958B2 - ショットピーニング加工方法，この加工方法を用いたハイポイド歯車及びショットピーニング加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイポイド歯車の歯底に対してショットピーニング加工を行うショットピーニング加工方法，この加工方法を用いたハイポイド歯車及びショットピーニング加工装置に関する。

従来から、歯車の疲労強度を高める目的でショットピーニング加工が行われている（下記特許文献１参照）。

特開２００７−５１３５４号公報

ところで、歯車の歯底に対してショットピーニング加工を行うことで、曲げ疲労を抑えることが可能となるが、特にハイポイド歯車の場合には、ねじれ角や円すい角の影響を考慮して、歯底に対するショットの投射角度を適正に確保することが必要であり、この投射角度については特にショット径が小さくなるほど圧縮残留応力に与える影響が大きくなる。

そこで、本発明は、ショットピーニング加工を行う際に、ハイポイド歯車の歯底に対するショットの投射角度を適正に確保することを目的としている。

本発明は、ハイポイド歯車の歯底に対しショットピーニング加工を行う際に、ショット投射ノズルの歯底に対する投射角度θを、θ＝Ａrc sin{（cosα）×sin（９０−β）}＋Ｘとして、６０°≦θ≦９０°となるよう角度α（０°＜α≦ねじれ角）及び角度Ｘ（０°≦Ｘ≦９０°）を設定することを特徴とする。

本発明によれば、ショットピーニング加工を行う際に、ハイポイド歯車の歯底に対する投射角度を適正に確保できるようにしたので、特にショット径が小さい場合であっても、歯底における圧縮残留応力が高まり、ハイポイド歯車の疲労強度を高めることができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係わるショットピーニング加工方法を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のショットピーニング加工方法を示す側面図である。 ハイポイドピニオンの歯底に対する図１の実施形態によるショット投射方向と、現状のショット投射方向とを比較して示した模式的な斜視図である。 投射角度と圧縮残留応力との関係を、直径０．０５ｍｍと０．６ｍｍのショットとで比較して示した説明図である。 被投射面からの深さに対する圧縮残留応力を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係わるショットピーニング加工方法を示す平面図であり、ハイポイド歯車としてのハイポイドピニオン１の半分を示している。ここでは、このハイポイドピニオン１の図１（ｂ）に示す歯底３に対し、ショット投射ノズル５からショット７を投射してショットピーニング加工を行っている。

ここで、ショット投射ノズル５の歯底３に対するショット投射方向Ａは、図１（ａ）の平面視では、歯９の歯幅方向中心Ｐにおける凸歯面１１に対して接線方向としている。つまり、このショット投射方向Ａは、ハイポイドピニオン１の上記歯幅方向中心Ｐを通る直径方向Ｂに対し、中央ねじれ角α₀°と同等の角度αだけ、歯９のねじれ方向に傾斜させた方向としている。

換言すれば、上記ショット投射方向Ａは、図１（ａ）の二点鎖線で示す、該ショット投射方向Ａと平行な直径方向Ｃの位置から距離Ｄだけ平行移動した方向となる。なお、ここで、ハイポイドピニオン１の中心点Ｑと歯９の歯幅方向中心Ｐとの距離をＲ₀とすれば、Ｄ＝Ｒ₀sinαとなる。

なお、上記した角度αは、必ずしも中央ねじれ角α₀°と同等とする必要はなく、０°＜α≦α₀°の範囲であればよい。

また、上記したショット投射方向Ａについて、図１（ｂ）で示す側面視では、ハイポイドピニオン１の中心軸線Ｓに直角な平面Ｅに対し角度Ｘだけ、図１（ｂ）で上部側に傾斜している。なお、この角度Ｘは、９０°以下であり、０°≦Ｘ≦９０°の範囲としている。

図２は、ハイポイドピニオン１の歯底３に対する本実施形態によるショット投射方向Ａと、現状のショット投射方向Ｆ（図１（ａ）の半径方向Ｂ，Ｃに相当）とを示す模式的な斜視図である。すなわち、図２における本実施形態によるショット投射方向Ａは、平面視での前記図１（ａ）の投射方向Ａと、側面視での前記図１（ｂ）のショット投射方向Ａとを考慮して立体的に示したものである。なお、この図２ではＸ＝０°として本実施形態のショット投射方向Ａを図示している。

ここで、中央ねじれ角α₀°と同等の角度αだけ歯９のねじれ方向に傾斜させた位置の歯底３に対するショット投射方向Ａの角度をγとすると、γ＝Ａrc sin{（cosα）×sin（９０−β）}となる。但し、βは歯底円すい角である。

したがって、ショット投射ノズル５の歯底３に対する実質的な投射角度θは、角度Ｘをも考慮して、θ＝Ａrc sin{（cosα）×sin（９０−β）}＋Ｘとなる。この際、ショットピーニング加工での疲労強度を高めるためには、被投射面（本実施形態では歯底３）に対する投射角度としては、被投射面に対し直角（９０°）とすることが最も有効であるが、被投射面に対して最低でも６０°あればよい。投射角度が６０°を下回ると、疲労強度が不充分となるおそれがある。

すなわち、前記した本実施形態による投射角度θは、６０°≦θ≦９０°とすることが望ましく、この条件を満足するように、前記図１（ａ）に示した角度αや角度Ｘを、ハイポイドピニオン１の形状（仕様）に応じて設定することで、歯底３に対する疲労強度を高めることができる。

この際、ハイポイドピニオン１はその中心軸線Ｓを中心として回転させつつ、その外方に上記投射角度θに設定した状態で配置したショット投射ノズル５によりショット７を投射する。

ところで、近年では、被投射面の表層部の圧縮残留応力をより高いレベル（−８００ＭＰａ以上）とするために、直径０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の細粒からなるショットを投射する工法が注目されている。その際、通常使用される直径０．６ｍｍ程度のショットの場合には顕在化しなかった圧縮残留応力に及ぼす投射角度の影響が大きくなっている。

図３は、投射角度（°）と圧縮残留応力（ＭＰａ）との関係を、直径０．０５ｍｍのショットと直径０．６ｍｍのショットとで比較して示している。これによれば、実線で示す直径０．０５ｍｍの小さいショットのほうが、圧縮残留応力を高めるうえで有効な特に投射角度約６０°〜９０°の範囲で、直径０．６ｍｍのショットに比較して圧縮残留応力が高く、ほぼ−８００ＭＰａ以上となっている。

図４は、被投射面における表面からの深さに対する圧縮残留応力を示しており、図３の圧縮残留応力は表面のＴ部に対応している。

このように、被投射面における表面（表層部）の圧縮残留応力をより高いレベルとするために、直径約０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍｍと小さい粒径のショットを使用する場合であっても、前記した本実施形態のように、投射角度θが、６０°≦Ａrc sin{（cosα）×sin（９０−β）}＋Ｘ≦９０°の条件を満足するように、前記図１に示した角度αや角度Ｘを、ハイポイドピニオン１の形状に応じて設定することで、歯底３に対する疲労強度を高いレベルに確保することができる。

なお、上記した本実施形態で使用したハイポイドピニオン１の一例を示す各種仕様及び加工条件は、次のとおりである。

Ｒ₀＝４４．５ｍｍ
α₀＝４９．５８°
β＝２９．４４°
α＝１０°〜１９°
Ｄ＝７．７ｍｍ〜１４．５ｍｍ
ショットの直径＝０．０４ｍｍ〜０．２５ｍｍ
投射圧力＝０．１０ＭＰａ〜０．２５ＭＰａ
これにより、歯底３においては、−１０００ＭＰａ〜−１５００ＭＰａという極めて高い圧縮残留応力が得られ、ハイポイドピニオン１として疲労強度を極めて高く確保することができる。

また、本実施形態では、ねじれ角α₀°を、歯幅の幅方向中心部における中央ねじれ角として扱っているため、歯幅方向に沿って歯底３のほぼ全域にショット７を投射しやすく、圧縮残留応力をより効果的に高めることができる。

なお、ねじれ角α₀°を中央ねじれ角以外のねじれ角として扱ってもよく、このようなねじれ角に対応する投射角度を備えたショット投射ノズルと、中央ねじれ角とした場合のショット投射ノズル５とを適宜組み合わせ、これら複数のショット投射ノズルを用いてショットピーニング加工を行ってもよい。

これにより、歯底３の全域にショット７をより投射しやすくなり、圧縮残留応力をより一層効果的に高めることができる。

また、上記した本実施形態では、ショットピーニング加工を行う際に、回転するハイポイドピニオン１に対してショット投射ノズル５を固定しているが、このショット投射ノズル５を、歯底３に沿って上記投射角度を確保した状態で移動させてもよい。

１ ハイポイドピニオン（ハイポイド歯車）
３ ハイポイドピニオンの歯底
５ ショット投射ノズル
７ ショット
θ ショット投射ノズルの歯底に対する投射角度
α ハイポイドピニオンの直径方向に対するショット投射ノズルの傾斜角度
β ハイポイドピニオンの歯底円すい角
Ｘ ハイポイドピニオンの中心軸線に直角な平面に対するショット投射ノズルの傾斜角度

Claims (5)

1. ハイポイド歯車の歯底に対しショット投射ノズルからショットを投射してショットピーニング加工を行うショットピーニング加工方法であって、前記ショット投射ノズルの前記歯底に対する投射角度θを、θ＝Ａrc sin{（cosα）×sin（９０−β）}＋Ｘとして、６０°≦θ≦９０°となるよう角度α及びＸを設定してショットピーニング加工を行うことを特徴とするショットピーニング加工方法。
   但し、０°＜α≦ねじれ角，β：歯底円すい角，０°≦Ｘ≦９０°とする。
2. 前記ねじれ角は、歯幅の幅方向中心部における中央ねじれ角であることを特徴とする請求項１に記載のショットピーニング加工方法。
3. 前記ショット投射ノズルを、歯幅の幅方向位置が互いに異なる場合のねじれ角に対応して複数設け、この複数のショット投射ノズルを用いてショットピーニング加工を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のショットピーニング加工方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のショットピーニング加工方法によりショットピーニング加工を行うことで、歯底の圧縮残留応力を−１０００ＭＰａ〜−１５００ＭＰａとしたことを特徴とするハイポイド歯車。
5. ハイポイド歯車の歯底に対しショット投射ノズルからショットを投射してショットピーニング加工を行うショットピーニング加工装置であって、前記歯底に対する投射角度θを、θ＝Ａrc sin{（cosα）×sin（９０−β）}＋Ｘとして、６０°≦θ≦９０°となるよう角度α及びＸを設定したショット投射ノズルを備えることを特徴とするショットピーニング加工装置。
   但し、０°＜α≦ねじれ角，β：歯底円すい角，０°≦Ｘ≦９０°とする。

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