JP5754608B2 - 機械加工部品の製造方法および機械加工部品 - Google Patents
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Description
本発明は、機械加工部品の製造方法および機械加工部品に関し、特に、素材の所定部位に機械加工を行うことによって、例えばギアや無段変速機用のプーリシャフト（以下、ＣＶＴシャフトという）など、機械加工部品を製造するための方法と、このような方法によって製造される機械加工部品に関するものである。
機械加工部品を製造するための従来の技術としては、図６に示すように、素材１００を熱間鍛造し（Ｓ１２）、この素材１００を冷間鍛造することによりその全体に転位を導入して黒鉛析出核を形成し（Ｓ１３）、所定温度に加熱した状態を所定時間維持して素材１００全体にわたって黒鉛を析出させる黒鉛化処理を行い（Ｓ１４）、その後、例えば切削加工などにより歯溝を形成してギアを成形するなど、所定の部位１００ａに機械加工を行って（Ｓ１５）、これを所定時間所定温度に加熱して黒鉛を再固溶させ（Ｓ１６）、機械加工部品１００’を製造することが一般に行われている。このような機械加工部品１００’を製造するための素材としては、黒鉛化処理によって黒鉛を析出するものが好適である。黒鉛化処理によって黒鉛を析出させることで、素材の炭素濃度が相対的に低くなるため、機械加工時の被削性を向上させることができる。
また、別の従来の技術として、特許文献１が知られている。特許文献１は、冷間加工性に優れた機械構造用鋼材およびその製造方法に関するものである。特許文献１には、熱間加工後に適正な減面率の冷間加工を行って、層状セメンタイトの分断と黒鉛の析出核となる歪転位の導入を行い、その後の焼鈍処理で黒鉛を均一微細に、且つ迅速に析出させることなどが開示されている（００２５）。
しかしながら、図６に示した従来の技術にあっては、冷間鍛造（Ｓ１３）により素材１００全体に転位を導入して黒鉛析出核を形成し、炉内などで素材１００全体を所定の温度で所定時間加熱するため、黒鉛化処理（Ｓ１４）に要する時間が長くなり設備コストもかかることから、実用化には課題がある。さらに、黒鉛化処理（Ｓ１４）によって素材１００に黒鉛が析出したままの状態では、硬度が低い。そのため、図６に示した従来の技術にあっては、機械加工（Ｓ１５）後に、再固溶の工程（Ｓ１６）を行うことによって、黒鉛を素材に溶け込ませて素材全体の炭素濃度を黒鉛析出前の状態に戻す必要がある。また、黒鉛を充分に再固溶させるためには素材１００の加熱温度や加熱時間などの管理が煩雑であり、かかる再固溶の工程（Ｓ１６）に必要な設備や手間、時間が必要となるために、コストがかかるなどの問題があった。
また、図６に示したように、素材全体で析出していた黒鉛を再固溶させることにより（Ｓ１６）黒鉛が存在していた箇所に空孔が残存し、この空孔により機械加工部品１００’の強度が低下するという問題があった。
また、特許文献１にあっても、冷間鍛造により素材全体に黒鉛析出核となる転位を導入して材料全体を加熱するため、黒鉛化処理を行うための時間を短縮できないという問題や、黒鉛化処理のための冷間鍛造や加熱炉などの比較的大型の設備が必要となりコストがかかるなどの問題もあった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、強度が優れた機械加工部品を容易に且つ安価で精度よく製造することができる方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、強度に優れ容易に安価で精度よく製造することができる機械加工部品を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、強度に優れ容易に安価で精度よく製造することができる機械加工部品を提供することを目的とする。
本発明の機械加工部品の製造方法は、上記目的を達成するため、素材の所定部位に機械加工を行うことによって切削除去する機械加工部品の製造方法であって、前記機械加工を行う前に、前記素材の後に切削除去する部位のみに転位を導入し、加熱することにより前記部位のみに黒鉛を析出させ、該黒鉛を析出させた部位を切削除去することを特徴とするものである。
また、本発明の機械加工部品は、上記目的を達成するため、素材の所定部位に機械加工を行うことにより切削除去されてなる機械加工部品であって、前記素材の後に切削除去される部位のみに転位が導入され、加熱することにより前記部位のみに部分的に黒鉛が析出され、該黒鉛が析出された部位が切削除去されているものであることを特徴とするものである。
また、本発明の機械加工部品は、上記目的を達成するため、素材の所定部位に機械加工を行うことにより切削除去されてなる機械加工部品であって、前記素材の後に切削除去される部位のみに転位が導入され、加熱することにより前記部位のみに部分的に黒鉛が析出され、該黒鉛が析出された部位が切削除去されているものであることを特徴とするものである。
本願の請求項１に係る発明によれば、素材の機械加工が行われることによって後に切削除去される部位のみに転位を導入してから、この素材を加熱してかかる部位のみに部分的に黒鉛を析出させ、その後黒鉛を析出させた部位を機械加工により切削除去して所定の形状の成形する。後に切削除去される部位のみに黒鉛が析出しているため、機械加工により所定形状に容易に成形することができ、しかも、黒鉛が析出した部位を機械加工により切削除去するので、黒鉛析出により空孔が機械加工部品に残存することがなく、また、従来の技術のように析出した黒鉛を再固溶させる必要がなく、したがって、強度が優れた機械加工部品を容易に且つ安価で製造することが可能な方法を提供することができる。
本願の請求項９に係る発明によれば、機械加工が行われることにより素材の後に切削除去される部位のみに転位が導入され、前記機械加工を行う部位のみに部分的に黒鉛が析出され、この部位が切削除去されて所定形状に成形されるとともに析出した黒鉛が除去されているという簡単な構成により、強度に優れ容易に安価で製造することが可能な機械加工部品を提供することができる。
本願の請求項９に係る発明によれば、機械加工が行われることにより素材の後に切削除去される部位のみに転位が導入され、前記機械加工を行う部位のみに部分的に黒鉛が析出され、この部位が切削除去されて所定形状に成形されるとともに析出した黒鉛が除去されているという簡単な構成により、強度に優れ容易に安価で製造することが可能な機械加工部品を提供することができる。
最初に、本発明の機械加工部品の製造方法の基本的な構成を、図１に基づいて詳細に説明する。なお、図において、同一符号は同様の部分または相当する部分に付すものとする。
本発明の機械加工部品の製造方法は、概略、素材１の所定部位１ａに機械加工を行うことによって切削除去するものであって、機械加工（Ｓ５）を行う前に、当該切削除去する部位１ａのみに転位を導入し（Ｓ３）、加熱することにより当該機械加工を行う部位１ａのみに部分的に黒鉛を析出させ（Ｓ４）、この黒鉛を析出させた部位を切削除去するものである。なお、この実施の形態では、機械加工を行う部位１ａのみに転位を導入するために、ショットピーニングを行う場合により説明する。
本発明の機械加工部品の製造方法は、概略、素材１の所定部位１ａに機械加工を行うことによって切削除去するものであって、機械加工（Ｓ５）を行う前に、当該切削除去する部位１ａのみに転位を導入し（Ｓ３）、加熱することにより当該機械加工を行う部位１ａのみに部分的に黒鉛を析出させ（Ｓ４）、この黒鉛を析出させた部位を切削除去するものである。なお、この実施の形態では、機械加工を行う部位１ａのみに転位を導入するために、ショットピーニングを行う場合により説明する。
素材１は、所定の径を有する円柱状または棒状（本発明では、棒状を含めて円柱状と総称する）に成形されたもので、例えば炭素（Ｃ）が０．３〜０．８重量％の黒鉛化処理によって黒鉛を析出する素材を用いることができる。この素材１を用いて機械加工部品１’を製造するにあたり、この実施の形態では図１に示すように、最初に円柱状の素材１を所定温度に加熱して熱間鍛造（Ｓ２）により製造する機械加工部品の形状に近づける予備成形を行う。
次いで、予備成形された素材１の、後に機械加工する部位１ａのみに、所定の粒径を有する投射材を投射するショットピーニングを行う。これにより、素材１は、図１の（ａ）に示したように、後に機械加工される部位１ａのみが部分的に、且つ、その部位１ａの表層のみに残留応力（歪）を発生させて、黒鉛析出核となる転位が導入される。この素材１に転位を導入する深さは、例えば表面から０．２〜０．４ｍｍ程度など、任意に設定することができる。このように、転位を導入する深さの設定は、ショットピーニングの投射材の粒径や、硬さ、投射圧、あるいはカバレージを適切に変化させることにより調整することができる。
次に、ショットピーニングを完了した素材１を所定時間の間、所定温度で加熱し、転位を導入した部位１ａに黒鉛を析出させる黒鉛化処理を行う（Ｓ４）。上述したように、黒鉛析出核となる転位が、素材１の機械加工を行う部位１ａであってその部位１ａの表層のみに部分的に導入されているため、図１の（ｂ）に示したように、黒鉛も、後に機械加工される部位１ａであってその部位１ａの表層のみに部分的に析出することとなる。
その後、黒鉛化処理された素材１の所定の部位１ａに例えば切削加工などを行う（Ｓ５）。これにより、図１の（ｃ）に示したように、素材１の機械加工される部位１ａに黒鉛が析出していることから、かかる部位１ａの被削性がよく、また、析出した黒鉛は、機械加工によって除去されるため、製品としての機械加工部品１’に残留することがない。したがって、従来の技術における再固溶の工程（Ｓ１６）が不要となるため、安価で容易に且つ精度よく切削などの除去加工を行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることはない。素材１の機械加工される部位１ａの表層に転位を導入するために、ショットピーニング以外に、例えば素材１の機械加工が施される所定部位１ａに対して冷間で順次面圧をかける冷間逐次加工や、立方晶窒化ホウ素の焼結体（ＣＢＮ焼結体）によって素材の部位１ａの表面を切削して予備成形しつつ面圧をかけるＣＢＮ切削などを行うことによって素材の機械加工が施される所定部位１ａの表面を塑性流動させて残留応力を発生させることもできる。また、本発明の方法では、必要に応じて熱間鍛造（図１におけるＳ２）を行うことができるが、かかる工程Ｓ２は必ずしも必要ではなく、省略することが可能である。
次に、上述したように構成された本発明の方法により製造された機械加工部品と従来の技術（図６を参照）により製造された機械加工部品との疲労強度を比較するための実験例について図２および図３に基づいて説明する。
図２に示したローラピッチング試験では、本発明と従来の技術により製造される機械加工部品の試料１’、１００’として、それぞれ中央の評価部（機械加工が施される部分に相当する）１ａの径が２６ｍｍで、軸方向長さが２８ｍｍ、両端の軸部１ｂの径がそれぞれ２４ｍｍで、軸方向長さが５１ｍｍに成形されており、この試料の軸部１ｂを軸支して、径が１３０mmの大ローラＲを評価部１ａに例えば２００〜３０００Ｍｐａの面圧で押し当て軸回りに回転させ、疲労により試料１’、１００’が破損するまでの回転回数を調べた。
ローラピッチング試験を行うに先立って、本発明と従来の技術にそれぞれ従って製作された試料１’、１００’の表面からの深さに対する硬さの分布をそれぞれ測定した。その結果、図３の（ａ）に示したように、本発明と従来の技術にそれぞれ従って製作された試料１’、１００’では、表面からの深さに対する硬さの分布は略同一であることが判明した。そして、これらの試料１’、１００’を用いてローラピッチング試験を行った結果は、図３の（ｂ）に示したように、本発明にしたがって製造された試料（本発明）１’のピッチング寿命が従来の技術に従って製造された試料（従来技術）１００’のピッチング寿命の約２倍であることが判明した。このことから、本発明によれば、従来の技術と同一の硬さ分布を得ることができ、しかも、そのピッチング強度が優れた機械加工部品１’を製造することができる。
このようにして、本発明の機械加工部品１’は、素材の所定部位に機械加工を行うことにより切削除去されてなるものであって、素材の後に切削除去される部位１ａのみに転位が導入され、加熱することにより部分的に部位１ａのみに黒鉛が析出され、この部分的に黒鉛を析出させた部位１ａが機械加工により除去されることにより製造されている。そのため、本発明による製品として機械加工が終了した機械加工部品１’は、従来の技術のように黒鉛を再固溶させることにより内部に空孔が生じることはなく、したがって、従来の技術と同様の硬さ分布を有し、且つ、従来の技術と比較して非常に優れた疲労強度を有する。また、機械加工を行う際には、素材１の所定の部位１ａに黒鉛が析出しているため、かかる部位１ａが容易に精度よく機械加工されている。さらにまた、黒鉛が析出している部位１ａを除去することで、従来の技術における再固溶の工程（Ｓ１６）が不要となるため、機械加工部品１’を安価で容易に製造することが可能な構成にすることができる。
次に、本発明のさらに具体的な実施の形態として、素材１０の所定の部位１０ａに歯形１０ｇ’が形成されてなるギア歯Ｇを有する機械加工部品１０’を製造する場合を、主に図４に基づいて説明する。なお、上述した説明と同じまたは相当する構成については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。
本発明のこの実施の形態における機械加工部品１０’の製造方法は、概略、円柱状の素材１に、熱間鍛造によりギア形状の歯形１０ｇを予備成形し、この予備成形された歯形１０ｇの表層のみに転位を導入し、加熱することにより予備成形されたギア形状の歯形１０ｇの表層のみに黒鉛を析出させ、歯形１０ｇに機械加工を行って黒鉛が析出している表層を除去して歯溝を形成して、ギア歯Ｇの歯形１０ｇ’を成形する。
ギア歯Ｇを有する機械加工部品１０’を製造するに際し、最初に所定の径を有する円筒状の素材１０を用意する（図１のＳ１を参照）。そして、熱間鍛造（図１のＳ２を参照）により、後で機械加工によりギア歯Ｇが成形される部位を、このギア歯Ｇの最終的な製品としての歯形１０ｇ’の形状に近づけるよう歯形１０ｇを予備成形する。このときの予備成形による歯形１０ｇの形状は、後述するように成形するギア歯Ｇの歯形１０ｇ’の形状に加工取り代（図４の（c）を参照）１０ｃを加えた形状に設定することができる。
次いで、図４の（ａ）に示すように、予備成形された歯形１０ｇの表層のみに転位を導入する（図１のＳ３を参照）。この転位の導入には、上述したように、ショットピーニング、冷間逐次加工、およびＣＢＮ切削のいずれかなどを採用することができる。また、転位を導入する表層の深さは、加工取り代１０ｃの深さに設定することができる。成形するギア歯Ｇの歯形１０ｇ’の形状に近づけるよう素材１０の所定の部位に予備成形された歯形１０ｇが成形されているので、ギア歯Ｇの各歯形１０ｇにおける歯先、歯面、歯元、歯底の表層にそれぞれ正確な深さで転位を導入することができる。
続いて、機械加工される部位に予備成形された歯形１０ｇの表層に転位が導入された素材１を所定時間の間、所定温度に維持して加熱して黒鉛化処理（図１のＳ４を参照）を行い、図４の（ｂ）に示したように予備成形された歯形１０の表層のみに黒鉛を析出させる。
その後、黒鉛化処理された素材１の予備成形された部位に、切削加工などの機械加工を行うことによって図４の（ｃ）に鎖線で示したように、所定の加工取り代１０ｃを除去加工して歯溝を形成し、所定形状の歯形１０Ｇ’を有するギア歯Ｇを成形する。この切削加工による歯溝の形成では、黒鉛が析出している歯形１０ｇの表層のみを除去することから被削性がよく、容易に且つ精度よく歯形１０ｇ’を成形することができる。
切削加工などの機械加工によりギア歯Ｇの歯形１０ｇ’が成形されると、このギア歯Ｇの歯形１０ｇ’に高周波輪郭焼入れを施すなどして、歯形１０ｇ’の硬さを調整する。
次に、上述したように構成されたこの実施の形態における方法と従来の技術（図６を参照）とにより製造されたギア歯Ｇを有する機械加工部品１０’、１００’の疲労強度を比較するための実験結果を、図５に基づいて説明する。
図５の（ａ）には、成形された歯形の疲労強度として、パルセータ試験の説明図が示されており、図５の（ｂ）には、本発明と従来の技術により製造された機械加工部品１０’、１００’のギアの試験結果が示されている。図５の（ａ）に示すように、パルセータ試験は、成形された歯形１０ｇ’に治具Ｊを当接し、この治具Ｊを介して油圧サーボなどにより歯形１０ｇ’に繰り返し負荷をかけるものである。この歯形１０ｇ’に対する繰り返し負荷は、例えば、周波数が６０Ｈｚで、試験荷重が１４〜２８ｋＮの範囲に設定することができる。
本発明に従って成形された歯形１０ｇ’には黒鉛が析出しないために再固溶化処理による空孔が形成されない。一方、従来の技術に従って成形された機械加工部品１００’では、全体に黒鉛が析出するために再固溶化処理によって歯元を含む全体に空孔が形成される（図６の（ｄ）を参照）。この相違により、本発明による機械加工部品１０’は、従来の技術による機械加工部品１００’と比較して疲労限（すなわち、歯形１０ｇ’の歯元曲げ疲労強度）を向上させることができる。
このようにして、本発明の機械加工部品１０’は、円柱状の素材１０に熱間鍛造によって歯形１０ｇを予備成形し、この予備成形された歯形１０ｇの表層のみに転位を導入し、加熱することにより予備成形された歯形１０ｇの表層のみに黒鉛が析出され、黒鉛が析出された歯形１０ｇの表層を機械加工により除去して歯形１０ｇ’が成形され、さらに、焼入れすることにより製造されている。そのため、本発明による製品としての機械加工部品１０’は、従来の技術のような黒鉛を再固溶させることにより内部に空孔が生じることがなく、機械加工後の焼入れによってマルテンサイトの焼入れ組織を有しているため、歯形１０ｇ’の表面が所定の硬さを有しており、且つ、従来の技術と比較して疲労限が非常に優れている。また、機械加工の際には、黒鉛の析出している歯形１０ｇの表層を除去するために被削性が優れており、しかも、従来の技術のように析出した黒鉛を再固溶させる必要がないことから、歯形１０ｇ’が安価で容易に精度よく成形されている。
本発明は、素材の所定の部位に行う機械加工として、切削加工に限定されることはなく、研削加工など、素材の表層のみに析出した黒鉛を除去するものであれば、他の除去加工を行う場合にも適用できる。また、本発明は、素材の所定の部位に対して機械加工により成形するものであれば、ギア以外にも適用することができる。
１：素材、 １ａ：後で機械加工が施される部位、 １’：機械加工部品、 １０：素材、 １０ｇ：予備成形された歯形、１０ｃ：加工取り代、 １０’：機械加工部品、 １０ｇ’：機械加工部品の歯形、 １００：従来の技術における素材、 １００’：従来の技術による機械加工部品
Claims (14)
- 素材の所定部位に機械加工を行うことによって切削除去する機械加工部品の製造方法であって、
前記機械加工を行う前に、前記素材の後に切削除去する部位のみに転位を導入し、加熱することにより前記部位のみに黒鉛を析出させ、該黒鉛を析出させた部位を切削除去することを特徴とする機械加工部品の製造方法。 - 前記転位を導入する前に、前記部位を予備成形することを特徴とする請求項１に記載の機械加工部品の製造方法。
- 機械加工後に、焼入れを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の機械加工部品の製造方法。
- ショットピーニングによって前記部位の表層に転位を導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械加工部品の製造方法。
- ショットピーニングの投射材の粒径を変化させることにより、前記部位の表層に転位を導入する深さを制御することを特徴とする請求項４に記載の機械加工部品の製造方法。
- 機械加工によって前記部位にギヤ歯を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の機械加工部品の製造方法。
- 円柱状の素材を、熱間鍛造により予備成形し、前記部位の表層に転位を導入し、加熱することにより前記表層に黒鉛を析出させ、機械加工によりギア歯を形成することを特徴とする請求項６に記載の機械加工部品の製造方法。
- 円柱状の素材を、熱間鍛造によりギア形状に予備成形し、該予備成形されたギアの歯形の表層に転位を導入し、加熱することにより前記予備成形されたギア形状の歯形の表層に黒鉛を析出させ、機械加工を行ってギア歯を形成することを特徴とする請求項６に記載の機械加工部品の製造方法。
- 素材の所定部位に機械加工を行うことにより切削除去されてなる機械加工部品であって、
前記素材の後に切削除去される部位のみに転位が導入され、加熱することにより前記部位のみに部分的に黒鉛が析出され、該黒鉛が析出された部位が切削除去されているものであることを特徴とする機械加工部品。 - 前記転位が導入される前に、前記部位が予備成形されたものであることを特徴とする請求項９に記載の機械加工部品。
- 機械加工された部位が、焼入れされていることを特徴とする請求項９または１０に記載の機械加工部品。
- 機械加工によって前記部位にギヤ歯が形成されたものであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の機械加工部品。
- 円柱状の素材を、熱間鍛造により予備成形し、前記部位の表層に転位を導入し、加熱することにより、前記表層に黒鉛が析出され、機械加工によりギア歯が形成されたものであることを特徴とする請求項１２に記載の機械加工部品。
- 円柱状の素材を、熱間鍛造によりギア形状に予備成形し、該予備成形されたギア形状の歯形の表層に転位を導入し、加熱することにより、前記予備成形されたギア形状の歯形の表層に黒鉛が析出され、該黒鉛が析出されたギア形状の歯形に機械加工を行ってギア歯が形成されたものであることを特徴とする請求項１２に記載の機械加工部品。
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