JP5357521B2 - 歯車強度向上方法 - Google Patents

Description

本発明は、ショットピーニングを施した後に微粒子ピーニングを施す二段ピーニング処理による歯車強度向上方法に関するものである。

ショットピーニングは、金属の疲れ強さを経済的に向上させる表面改質法として従来より実用化されており、現在、トランスミッション歯車をはじめ自動車部品にその利用が広く普及している。

より具体的には、ショットピーニングを施すと、ワーク表面近傍に残留圧縮応力が付与され、これが歯車強度向上に寄与することになり、この残留圧縮応力には、微小亀裂の発生及びその進展を抑制して表層の機械的強度を向上させる効果が得られる。

一方、一般のショットピーニングでは、粒径が０．６〜０．８ｍｍのショットを用いるが、これよりも微細（粒径２０〜２００μｍ）で高硬度（Ｈｖ７００以上）なショット（微粒子）を高速（１００ｍ／ｓ以上）で投射する処理を微粒子ピーニングと呼び、一般のショットピーニングとは区別している。

通常、微粒子ピーニングは、切削工具や金型の寿命向上に利用されているが、歯車に適用した場合に、従来のショットピーニングで得られなかった歯面強度（ピッチングやスポーリングと呼ばれる歯面の剥離損傷に対する強度）を向上する効果が得られる事実が最近になって報告されている。

ただし、微粒子ピーニングで歯面強度が向上するのは、表層に付与される残留圧縮応力の効果のみならず、歯面のなじみ性が良くなることや、運転後に歯面に微小凹部が生成されてオイル溜まりの作用をすることも大きく貢献している。

そこで、本発明者らは、従来のショットピーニングが、歯車の折損強度（歯元の疲労折損に対する強度）を向上する効果が高いものの、歯面強度を向上する効果はそれほど高いものではなかったという実情に鑑み、従来のショットピーニングを施した後に微粒子ピーニングを施す二段ピーニング処理が、歯車の折損強度と歯面強度の双方を向上させる手段として有望であると考え、斯かる二段ピーニング処理についての有効性について研究するに到った。

尚、この種のショットピーニングに関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１や特許文献２等が既に存在している。
特開平６−１４５７８５号公報 特開２００７−２６２５０６号公報

しかしながら、本発明者らが鋭意研究した結果によれば、二段目に施す微粒子ピーニングの条件によっては、ある深さより深い部位において、一段目に付与された残留圧縮応力が緩和されてしまうという現象が起こり得ることが判明した。

換言すれば、この領域を破壊起点とする折損強度が、二段目の微粒子ピーニングを施すことで一段目のショットピーニングのみを施した場合よりも低下してしまうという事態が起こり得ることが明らかになった。

図５はショットピーニング（記号：ＳＨＰ）と微粒子ピーニング（記号：ＦＰＢ）についての投射条件の一例を示した表であり、ここに示してあるショットピーニングの投射条件は、古くからトランスミッション歯車などに採用されているショットピーニングの投射条件と何ら変わらないものである。

図６は歯車の歯底部の残留圧縮応力を測定した結果で、ショットピーニング、微粒子ピーニングの各ピーニング処理を夫々単独で歯車に施した場合のものであり、測定はＸ線応力測定装置を用いて行い、応力の測定方向は歯すじ方向で行っている。また、表面から深さ方向の残留応力分布を得るために、電解研磨を行い各深さにおいて測定を繰り返している。

ショットピーニングに比べ、微粒子ピーニングでは、表面近傍に非常に大きな残留圧縮応力が付与されていることが判るが、微粒子ピーニングで付与される残留圧縮応力は、表層の浅い領域に限られ、表層から深さｄ≒３０μｍより深い領域では、ショットピーニングを施した場合の方が残留圧縮応力が高いことが判る。

ショットピーニングで付与される残留圧縮応力は、歯車の折損強度向上に大きく寄与することが知られており、図６によれば、表層部では、微粒子ピーニングはショットピーニングに比べて大きな残留圧縮応力を付与するが、深さｄ≒３０μｍより深い領域ではショットピーニングの方が大きな残留圧縮応力を付与していることが判る。そのため、ショットピーニング後に微粒子ピーニングを施すことで、図６中に破線で示したような残留応力分布形態を得ることができれば歯車強度向上に極めて有効であると言える。

しかしながら、図７はショットピーニングを施した後に微粒子ピーニングを施した場合の歯車の歯底部における残留圧縮応力を測定した結果であるが、図６の破線で示したような理想的な残留応力分布形態は得られなかった。

付与された残留圧縮応力は、ショットピーニング、微粒子ピーニング各々単独でピーニングを施した時の残留圧縮応力が重畳されるのではなく、微粒子ピーニングを施すことでショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和されてしまっている。

即ち、図７の場合、表層から深さｄ≒３０μｍより深い領域では、二段目の微粒子ピーニングを施すことで一段目のショットピーニングのみを施した場合よりも機械強度が低下し、折損強度の劣化を招いてしまうことが確認された。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、一段目のショットピーニングに続いて二段目の微粒子ピーニングを施す際に、表層からより深い位置まで一段目のショットピーニングによる残留圧縮応力を維持することが可能な歯車強度向上方法を提供することを目的とする。

本発明は、粒径０．６〜０．８ｍｍのショットを高速で投射するショットピーニングを一段目に施した後に、粒径２０〜２００μｍのショットを高速で投射する微粒子ピーニングを二段目に施して歯車の折損強度及び歯面強度を向上する方法であって、二段目の微粒子ピーニングの実施時に歯底狙いの微粒子ピーニングを停止して歯面狙いの微粒子ピーニングだけを施し、しかも、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを下げることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、歯車の歯面に対し適切な微粒子ピーニングを施して歯面強度を向上しながらも、微粒子ピーニングが歯底に及ぼす影響を相対的に少なく抑えることが可能となり、微粒子ピーニングが歯底に及ぼす影響によりショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象が抑制され、表層からより深い位置まで一段目のショットピーニングによる残留圧縮応力が維持されることになる。

即ち、ショットピーニングを施した後に微粒子ピーニングを施すことで、先に付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和されてしまうのは、微粒子ピーニングで表層に非常に大きな歪エネルギーが付与されることにより、深い部位で歪みがバランスを取ろうとするために起きる現象であると考えられるが、微粒子ピーニングにより歯底の表層に付与される歪エネルギーが少なくなれば、これとバランスを取ろうとして深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象が起こり難くなる。

また、本発明においては、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを下げることが有効であり、このようにすれば、微粒子ピーニングの歯面狙いの流れ弾により実現される歯底カバレージが、ショットピーニングの歯底カバレージとの相対的な関係で大幅に下がることになる。

この結果、歯車の歯底についてショットピーニングにより付与されている深い部位の残留圧縮応力に対し、微粒子ピーニングで表層に付与される歪エネルギーが及ぼす影響がより軽微なものとなり、ショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象が更に確実に抑制されることになる。

より好ましくは、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを半分以下に下げることが有効であり、このようにすれば、一段目に付与された残留圧縮応力を全く緩和させることなく、全ての深さで一段目のショットピーニングで付与された残留圧縮応力に二段目の微粒子ピーニングによる残留圧縮応力を重畳させて理想的な残留応力分布を得ることが可能となる。

上記した本発明の歯車強度向上方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、一段目のショットピーニングに続いて二段目の微粒子ピーニングを施すにあたり、微粒子ピーニングが歯底に及ぼす影響によりショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象を抑制することができるので、表層からより深い位置まで一段目のショットピーニングによる残留圧縮応力を維持することができ、一段目のショットピーニングで向上した歯車の折損強度を極力劣化させずに歯面強度の向上を図ることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、歯車の歯底についてショットピーニングにより付与されている深い部位の残留圧縮応力に対し、微粒子ピーニングで表層に付与される歪エネルギーが及ぼす影響をより軽微なものとすることができ、ショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象を更に確実に抑制することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、一段目に付与された残留圧縮応力を全く緩和させることなく、全ての深さで一段目のショットピーニングで付与された残留圧縮応力に二段目の微粒子ピーニングによる残留圧縮応力を重畳させて理想的な残留応力分布を得ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、ショットピーニングを一段目に施した後に微粒子ピーニングを二段目に施して歯車の折損強度及び歯面強度を向上するにあたり、図１に示す如く、一段目のショットピーニングを二本の投射ノズル１，２により歯車３の歯底を狙って半径方向から前記図５と同じ投射条件（記号：ＳＨＰ）で実施する一方、図２に示す如く、二段目の微粒子ピーニングを三本の投射ノズル４，５，６により歯車の裏歯面，歯底，表歯面を狙って接線方向と半径方向から図３の投射条件（記号：ＦＰＢ２／２，ＦＰＢ２／０，ＦＰＢ１／０）で実施するようにしている。

ここで、図３の投射条件におけるＦＰＢ２／２とは、図３の右側に表記されている通り、投射ノズル４，６による歯面狙いのカバレージ（圧痕面積と加工面積の比を百分率で表したもので実質的に投射時間の指標を成すもの）を２００％とし、投射ノズル５による歯底狙いのカバレージも２００％とした投射条件（投射方式、ショット粒、投射圧力、アークハイトの条件は共通）を示し、次いで、ＦＰＢ２／０とは、投射ノズル４，６による歯面狙いのカバレージを２００％とし、投射ノズル５による歯底狙いのカバレージを０％とした投射条件を示し、更に、ＦＰＢ１／０とは、投射ノズル４，６による歯面狙いのカバレージを１００％とし、投射ノズル５による歯底狙いのカバレージを０％とした投射条件を夫々示している。

このように投射条件を替えて歯車３の歯底部における残留圧縮応力を測定した結果が図４のグラフであり、この図４のグラフ中において、一段目のショットピーニングと同じカバレージ２００％で歯面と歯底の両方について微粒子ピーニングを施したＳＨＰ＋ＦＰＢ２／２が、背景技術の説明で使用した図７のＳＨＰ＋ＦＰＢの例に相当するものである。

即ち、一段目のショットピーニングと同じカバレージ２００％で歯面と歯底の両方について微粒子ピーニングを施してしまうと、表層から深さｄ≒３０μｍより深い領域で一段目のショットピーニングのみを施した場合よりも機械強度が低下し、折損強度の劣化を招いてしまうことになる。

これに対し、投射ノズル５による歯底狙いのカバレージを０％、つまり、投射ノズル５による歯底狙いの微粒子ピーニングを停止し、投射ノズル４，６による歯面狙いの微粒子ピーニングだけを一段目のショットピーニングと同じカバレージ２００％で施したＳＨＰ＋ＦＰＢ２／０では、先のＳＨＰ＋ＦＰＢ２／２よりも表層からより深い位置まで一段目のショットピーニングによる残留圧縮応力が維持されることが確認された（ショットピーニング単独のＳＨＰとの比較で残留圧縮応力が上回る位置がより深い側にずれている）。

この際、投射ノズルによる歯底狙いの微粒子ピーニングを停止しているといっても、投射ノズル４，６により歯面狙いの微粒子ピーニングがカバレージ２００％で実施され、その流れ弾が相対的に少ないカバレージで歯底に衝突しているので、この場合の真の歯底カバレージは０％ではなく、歯面カバレージ２００％より少ない歯底カバレージが施されていることになる。

事実、投射ノズル４，６による歯底狙いの微粒子ピーニングを停止しているにもかかわらず、歯車３の歯底部における残留圧縮応力は、ショットピーニングを単独で施したＳＨＰの場合から大きく変化している。

而して、この結果からすれば、二段目の微粒子ピーニングの実施時に歯底狙いの微粒子ピーニングを停止して歯面狙いの微粒子ピーニングだけを施すことによって、歯車３の歯面に対し適切な微粒子ピーニングを施して歯面強度を向上しながらも、微粒子ピーニングが歯底に及ぼす影響を相対的に少なく抑えることが可能となり、微粒子ピーニングが歯底に及ぼす影響によりショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象が抑制され、表層からより深い位置まで一段目のショットピーニングによる残留圧縮応力が維持されることが判る。

即ち、ショットピーニングを施した後に微粒子ピーニングを施すことで、先に付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和されてしまうのは、微粒子ピーニングで表層に非常に大きな歪エネルギーが付与されることにより、深い部位で歪みがバランスを取ろうとするために起きる現象であると考えられるが、微粒子ピーニングにより歯底の表層に付与される歪エネルギーが少なくなれば、これとバランスを取ろうとして深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象が起こり難くなる。

更に、投射ノズル５による歯底狙いのカバレージを０％、つまり、投射ノズル５による歯底狙いの微粒子ピーニングを停止し、投射ノズル４，６による歯面狙いの微粒子ピーニングだけを一段目のショットピーニングの半分のカバレージ１００％で施したＳＨＰ＋ＦＰＢ１／０では、一段目のショットピーニングで付与された残留圧縮応力を全く緩和させることなく、全ての深さで一段目のショットピーニングで付与された残留圧縮応力に二段目の微粒子ピーニングによる残留圧縮応力を重畳させて理想的な残留応力分布が得られることが確認された。

即ち、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを下げれば、微粒子ピーニングの歯面狙いの流れ弾により実現される歯底カバレージが、ショットピーニングの歯底カバレージとの相対的な関係で大幅に下がることになる。

このため、歯車３の歯底についてショットピーニングにより付与されている深い部位の残留圧縮応力に対し、微粒子ピーニングで表層に付与される歪エネルギーが及ぼす影響がより軽微なものとなり、ショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象が更に確実に抑制され、一段目のショットピーニングで付与された残留圧縮応力を全く緩和させることのない理想的な残留応力分布が得られる。

従って、上記形態例によれば、一段目のショットピーニングに続いて二段目の微粒子ピーニングを施すにあたり、二段目の微粒子ピーニングの実施時に歯底狙いの微粒子ピーニングを停止して歯面狙いの微粒子ピーニングだけを施すことにより、微粒子ピーニングが歯底に及ぼす影響によりショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象を抑制することができるので、表層からより深い位置まで一段目のショットピーニングによる残留圧縮応力を維持することができ、一段目のショットピーニングで向上した歯車３の折損強度を極力劣化させずに歯面強度の向上を図ることができる。

更に、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを下げれば、歯車の歯底についてショットピーニングにより付与されている深い部位の残留圧縮応力に対し、微粒子ピーニングで表層に付与される歪エネルギーが及ぼす影響をより軽微なものとすることができ、ショットピーニングで付与された深い部位の残留圧縮応力が緩和される現象を更に確実に抑制することができる。

特に、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを半分以下に下げれば、一段目に付与された残留圧縮応力を全く緩和させることなく、全ての深さで一段目のショットピーニングで付与された残留圧縮応力に二段目の微粒子ピーニングによる残留圧縮応力を重畳させて理想的な残留応力分布を得ることができる。

尚、本発明の歯車強度向上方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、例えば、一段目のショットピーニングをインペラ式で行うなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の形態例におけるショットピーニングの投射状態を示す説明図である。 本発明の形態例における微粒子ピーニングの投射状態を示す説明図である。 本発明の形態例における微粒子ピーニングの投射条件を示す表である。 本発明の形態例における歯底部の残留圧縮応力の測定結果を示すグラフである。 従来例におけるショットピーニングと微粒子ピーニングの投射条件を示す表である。 ショットピーニングと微粒子ピーニングを夫々単独で実施した場合の歯底部の残留圧縮応力の測定結果を示すグラフである。 ショットピーニングを施した後に微粒子ピーニングを施した場合の歯底部の残留圧縮応力の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

３ 歯車
４ 投射ノズル
５ 投射ノズル
６ 投射ノズル

Claims (2)

1. 粒径０．６〜０．８ｍｍのショットを高速で投射するショットピーニングを一段目に施した後に、粒径２０〜２００μｍのショットを高速で投射する微粒子ピーニングを二段目に施して歯車の折損強度及び歯面強度を向上する方法であって、二段目の微粒子ピーニングの実施時に歯底狙いの微粒子ピーニングを停止して歯面狙いの微粒子ピーニングだけを施し、しかも、一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを下げることを特徴とする歯車強度向上方法。
2. 一段目のショットピーニングの実施時における歯底カバレージよりも、二段目の微粒子ピーニングの実施時における歯面カバレージを半分以下に下げることを特徴とする請求項１に記載の歯車強度向上方法。

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