JP5589209B2 - 歯車の歯面研磨剤及びこれを用いた研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動系歯車の歯面研磨剤に関し、とくに歯車の歯溝に火山灰入りの可塑性研磨剤を強制的に流動させ、歯面の突起を極めて精緻且つ平滑に研磨する方法に関するものである。

車両用駆動系歯車の小型・軽量化のための一つの方法として、歯元疲労折損に対する曲げ強さの向上、並びに、歯面の疲労損傷に対する歯面強さの向上などの必要性が報告されている。歯車の歯面粗さは、歯面強さの向上、すなわち、歯車の小型・軽量化に対して大きく影響を与えるため可能な限り精緻且つ平滑に仕上げる必要がある。従来は砥石を用いた歯面研削法が一般的に採られている。

しかしながら、砥石による研削法は、加工プロセスが複雑で作業難度が高い、加工コストが嵩む、均一な加工精度が得難い、作業の危険性及び廃液等が周辺環境へ及ぼす悪影響などの諸問題を含んでいる。例えば、歯車歯面はインボリュート曲線などの極めて特殊な形状のため、歯面と面接触若しくは線接触する砥石を用いた成形研削法や創成研削法を適用する必要がある。そして、これらの加工方法は技術的に極めて複雑で熟練を要し、高コストになるばかりでなく、砥石の振動や加工温度の上昇に伴って歯面が変質したり、歯面形状に誤差が生じ易く、作業中の砥石が突然破砕して作業者や装置に障害や破損を与える危惧があった。したがって、技術的に平易で、均一な研削面の加工精度を得ることができ、経済的且つ安全な駆動系歯車の歯面研磨技術が強く嘱望されていた。

そこで、本発明者らは、砥石を用いることなく駆動系歯車における歯面強さの向上を目的として、歯面を簡便に仕上げ研磨するための方法を鋭意研究した結果、鉱油等に天然資源の火山灰（シラス）を混入させた可塑性を有する研磨剤を歯面に倣って流動させ、歯面を極めて平滑に仕上げる方法を知得した。従来、同様の研磨剤として、火山ガラスを焼成し発泡させて得られた中空体（シラスバルーン）を粉砕して得られる中空粉砕物と、増粘剤と水を含有したもので、これをつけたバフを用いて、ガラス製品、ホウロウ製品、タイル製品、金属製品の物品の表面に付着した油膜や水垢等の汚れを除去するものが提案されている。

特許第４２３１８９２号公報

しかしながら、上記文献には、歯車の歯面を被研磨対象物とすることについてまでは言及されていない。本発明は、駆動系歯車の歯面仕上げ（研磨）を、省資源・省エネルギー・環境保全の見地から見ても有効に達成し、次のような課題を解決することを目的とする。
（１）歯車の歯面形状は確保すること。
（２）作業が平易であること。
（３）多品種な歯車に適用できること。
（４）大量加工に適用できること。
（５）経済的であること。
（６）安全且つ周辺環境保全に配慮されていること。

このため本発明の歯車用の歯面研磨剤は、シリカとアルミナを主成分とする火山灰と、潤滑油と、油粘土を含有し、含有する前記火山灰の粒径が４２０μｍ以下であり、外力を加えると自在に流動する可塑性を有することを第１の特徴とし、火山灰がシラスであることを第２の特徴とする。また、これを用いた歯面研磨方法は、シリンダー内に前記研磨剤を充填し、歯車を研磨剤の中で移動させるか又は歯車を固定した状態で研磨剤を移動させることによって、研磨剤が歯車の歯溝を流動しながら接触し、歯車歯面を研磨することを特徴とする。

具体的には開発した歯面仕上げを具現化するために設計・製作された歯面仕上げ用基礎試験機と浸炭焼入れ焼戻しを施した歯車の歯を用いて鉱油等に天然資源の火山灰（シラス）を混入させた可塑性材料を歯部に流動させ歯面仕上げを実施した。次に、仕上げた歯面を、触針式表面形状粗さ測定機と走査型電子顕微鏡を用いて測定・観察し、開発した仕上げ法の表面形状に及ぼす効果を考察・検討した。

本発明によれば、精緻かつ均一な歯面仕上げ（研磨）加工を平易な作業で達成できる。その結果、現在用いられている複雑且つ非効率な歯車の歯面研削加工ラインを変更することができ、また、それに要する工具類を省略することができるので、加工コストの削減、歯車の歯面加工工程における省資源・省エネルギー・環境保全において極めて大いに貢献できる。

本発明の係る歯面仕上げ装置を示す（ａ）はスケルトン正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る試験装置の（ａ）は初期状態を、（ｂ）は負荷状態を模式的に示す正面図である。 本発明に係る研磨材（可塑性材料）の特性を模式的に示す説明図である。 歯面の走査型電子顕微鏡写真であり、（ａ）は研磨処理前を（ｂ）は研磨処理後を示すものである。 歯面の触針式表面形状曲線を示すグラフであり、（ａ）は研磨処理前を（ｂ）は研磨処理後を示すものである。

以下、本発明を図面に示す実施態様を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本発明に係る歯車の歯面仕上げ（研磨）方法は、シリンダー１内に火山灰（シラス）入り可塑性材料２を充填（以下、単に研磨剤２という）し、歯車３をピストン式の押圧板４で押圧すること、すなわち、研磨剤２の中で歯車３を移動させることによって、相対的に研磨剤２が歯車３の歯溝３ｂを流動し、研磨剤２が流動しながら接触する歯車歯面３ａを研磨する。もちろん、歯車３を固定し、研磨剤２を押圧することでも前述と同じく、研磨剤２が歯車３の歯溝３ｂを流動の際に接触する歯面３ａを研磨することになる。

図２に示すように、本発明に係る研磨剤２を用いた歯面仕上げ法の有用性を証明するために試験装置を製作した。これは、研磨剤２、歯車の歯３、歯面３ａ、シリンダー１、押圧板４及び押圧シャフト４ａ、フレーム６、負荷装置（ジャッキ）５で構成され、押圧板４に取り付けた歯車の歯３がフレーム６と負荷装置５によって移動する際、シリンダー１内の研磨剤２が歯車の歯３に押圧且つ歯面３ａに倣って流動することによって、歯面３ａを研磨するものである。

図３に示すように、本発明の研磨剤（火山灰入り可塑性材料）２は、シリカとアルミナを主成分とする火山灰７、潤滑油（鉱油）８、油粘土９を混練してペースト状に構成され、外力を加えると自在に流動するものである。図４に示すように、走査型電子顕微鏡を用いた歯面の面分析の結果、本発明の火山灰入り可塑性材料を用いた歯面仕上げ法により仕上げられた歯面においては、明らかに仕上げ前の歯面に存在する仕上げ前の加工痕が消失しているのが分かる。すなわち、定性的に歯面を滑らかにしている事実から、本発明の歯面仕上げ法の有用性を示している。

図５は、触針式表面形状粗さ測定機を用いた表面の線分析の結果を示すグラフであり、本発明の研磨剤を用いた歯面仕上げ法により研磨された歯面の断面曲線においては、明らかに仕上げられた歯面に存在する仕上げ前の表面突起Ｐが削除され滑らかになっていることが分かる。また、仕上げられた歯面の断面曲線Ｌ_２から求められる凹凸の幅Ｗ２は、仕上げ前の歯面の断面曲線Ｌ１から求められる凹凸の幅Ｗ１より狭くなっていることが分かる。すなわち、歯面を平滑にできることが定量的に明示される。

試験歯車は、自動車用駆動系歯車として用いられる小モジュールの平歯車（モジュール：２．５、圧力角：２０°、歯数２２枚、歯幅：１４．２ｍｍ）で、その材質はＪＩＳ ＳＣＭ４２０相当品である。試験歯車は、実際の車両用駆動系歯車の生産ラインで加工されたもので、素材から鍛造・機械加工でギアブランクを製作し、次に、ホブ切りと歯面仕上げのためのシェービング仕上げで歯車形状とし、浸炭焼入れ・焼戻しを施したものである。尚、試験歯車の歯面硬さは、断面硬さ分布の測定値から５００ＨＶ程度、表面から０．０２ｍｍの位置で７５０ＨＶ程度であった。

試験片は、歯数３２枚の試験歯車から、歯部のみを一歯ごとにワイヤーカット放電加工機を用いて切り出し製作し、図２に示す装置を用いて研磨試験を行った。負荷測定用ロードセルを取り付け、押圧装置には自動車用携行油圧式パンタジャッキを使用した。押圧シャフト４ａの最大移動距離は１２０ｍｍで、最大負荷容量８．３３ｋＮとした。

[歯面仕上げ試験]
火山灰を混在させた可塑性材料を造り、シリンダーに詰め、試験片（一歯）を押し棒の先端に取付け、油圧式パンタジャッキにより押し棒を駆動した。尚、押し棒の移動、すなわち、試験片（一歯）の移動により歯面上を可塑性材料が流動し、移動に必要な荷重は、ロードセルとレコーダーを用いて実験中に計測し、試験片（一歯）の歯面を、走査型電子顕微鏡と表面形状粗さ測定機などを用いて詳細に測定・観察した。

[可塑性材料の成分]
表１に、火山灰を混入した研磨剤（可塑性材料）の組成比を示す。火山灰（南九州産）は、ＳｉＯ２が約８０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３が１０ｗｔ％と、その他で、粒径が４２０μｍ以下となっている。また、研磨剤の試験体Ｐ１〜Ｐ５は、流動性を変えるために、それぞれ火山灰、油粘土、小麦粉、鉱油の組成比を変え、乳鉢と乳棒を用いてペースト状に混練した。

[歯面仕上げの実験条件及び結果]
表２に、歯面仕上げの実験条件及び結果の概要を示す。また、図４に走査型電子顕微鏡を用いて詳細に観察したシェービング仕上げ熱処理後（実験前）と開発した歯面仕上げ後（実験後）の歯面状況を示す。これらの結果などから、実施例１、実施例２及び実施例３において、実験前の加工目（シエービング痕）がほぼ消失していることが視認された。

[歯面仕上げの歯面性状に及ぼす効果]
図５に、シェービング仕上げ熱処理後（実験前）と歯面仕上げ後（実施例３：実験後）の代表的な歯面の断面曲線を示す。試験片（一歯）の歯面性状は、一回の測定で輪郭形状と表面粗さの情報が入手できる表面形状粗さ測定機を用いて測定したもので、インボリュート曲線を円弧近似し、測定データを円弧補正して断面曲線で表示したものである。図から実施例３の場合、シェービング仕上げ熱処理後（実験前）の凸部Ｐが、本発明方法の歯面仕上げ後（実験後）に滑らかになっていることが視認できた。また、ＪＩＳ規格の表面粗さの定義を参考として、断面曲線から求めた最大高さ（Ｒｍａｘ）と粗さ曲線から求めた粗さの最大山高さ（Ｒｑ）においては、７．０μｍＲｍａｘから３．３μｍＲｍａｘと、３．３μｍＲｑから１．５μｍＲｑに減少していることが分かった。このことから、本発明方法は、歯面３ａの表面凸部Ｐを研磨して平滑にできることが定量的にも明示される。

以上、本発明によれば、歯車３の歯面３ａにおいて、（１）加工目（シェービング痕）が消失する。（２）表面の凸部が削除され平滑になっている。（３）最大高さＲｍａｘと最大山高さＲｑが小さくなる。という試験結果が得られその有効性が実証された。

１ シリンダー
２ 研磨剤
３ 歯車
３ａ 歯面
３ｂ 歯溝
４ 押圧板
４ａ 押圧シャフト
５ 負荷装置（ジャッキ）
６ フレーム
７ 火山灰（シラス）
８ 潤滑油（鉱油）
９ 油粘土
Ｌ１ 歯面の断面曲線（研磨前）
Ｌ２ 歯面の断面曲線（研磨後）
Ｗ１ 凹凸の幅（研磨前）
Ｗ２ 凹凸の幅（研磨後）
Ｐ 表面凸部

Claims (3)

1. シリカとアルミナを主成分とする火山灰と、潤滑油と、油粘土を含有し、含有する前記火山灰の粒径が４２０μｍ以下であり、外力を加えると自在に流動する可塑性を有することを特徴とする歯車用の歯面研磨剤。
2. 火山灰がシラスであることを特徴とする請求項１記載の歯車用の歯面研磨剤。
3. シリンダー内に請求項１又は請求項２の研磨剤を充填し、歯車を研磨剤の中で移動させるか又は歯車を固定した状態で研磨剤を移動させることによって、研磨剤が歯車の歯溝を流動しながら接触し、歯車歯面を研磨することを特徴とする歯車の歯面仕上げ研磨方法。