JP6927076B2 - 焼入れ用治具およびはすば歯車の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、はすば歯車素材の焼入れ用治具およびそれを用いたはすば歯車の製造方法に関する。

自動車および産業機械（以下、自動車等と記載する。）において構成部材として使用される歯車には、高い応力が繰り返し付与される。このため、自動車等に使用される歯車には、優れた耐疲労性および耐摩耗性を備えることが要求される。そこで、従来、自動車等においては、肌焼鋼からなる歯車素材に浸炭焼入れ処理を施すことによって製造された歯車が利用されている。

図８は、歯車素材を浸炭焼入れする際の冷却方法の一例を説明するための図である。図８において（ａ）は、冷却のために用いられる油（冷却剤）を貯留する油槽を上方から見た概略図（平面図）であり、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。なお、以下においては、環状のはすば歯車素材に焼入れ処理を施してはすば歯車を製造する場合について説明する。はすば歯車は、強度に優れかつ音および振動を抑制しやすいので、自動車等において好ましく用いられている。

図８を参照して、焼入れ時にはすば歯車素材１００を冷却する方法として、従来、油槽１０２に貯留された油１０４内に、複数のはすば歯車素材１００を浸漬する方法が知られている。複数のはすば歯車素材１００は、複数の棒状の支持部材１０６に吊るされた状態で、油１０４に浸漬される。なお、図８に示した例では、一対の支持部材１０６に吊るされた５個のはすば歯車素材１００を１つの歯車素材の組１００ａとして、複数の歯車素材の組１００ａが上下方向および水平方向に並ぶように配置されている。

上記の冷却方法は、複数のはすば歯車素材１００を同時に冷却することができるので、生産性に優れるという利点がある。しかしながら、はすば歯車素材１００を図８に示したように支持部材１０６に吊るした状態で油１０４に浸漬して冷却する場合、はすば歯車素材１００に歪みが生じることが知られている。具体的には、浸漬の際に油１０４と先に接触するはすば歯車素材１００の下部から先に温度が低下することで、はすば歯車素材１００の上部と下部とで温度差が生じ、冷却後のはすば歯車素材１００に歪みが生じる。そこで、従来、上記のような歪みの発生を抑制することができる焼入れ方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された焼入れ方法では、プレス焼入れ装置を用いて歯車部材が冷却される。具体的には、特許文献１のプレス焼入れ装置では、押圧ユニット内において押圧ヘッドと支持板とによって歯車部材を挟んだ状態で歯車部材を回転させつつ、冷却剤によって歯車部材が冷却される。

特開平７−２６８４８２号公報

特許文献１のプレス焼入れ装置によれば、押圧ヘッドと支持板とによって歯車部材の両側面を支持した状態で歯車部材を冷却することができるので、冷却時に歯車部材に歪みが生じることを抑制できると考えられる。しかしながら、特許文献１のプレス焼入れ装置を用いる場合、複数の歯車部材の冷却を同時に行うことができないので、生産性が低下する。

そこで、本発明は、複数の環状のはすば歯車素材を、歪みの発生を抑制しつつ同時に冷却することができる、はすば歯車素材の焼入れ用治具およびはすば歯車の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、下記の焼入れ用治具およびはすば歯車の製造方法を要旨とする。

（１）鋼からなりかつ環形状を有する複数のはすば歯車素材を、加熱した後、長尺状の支持部材の長さ方向に並ぶように前記支持部材に吊るした状態で油中で冷却して焼入れ処理を施すことによってはすば歯車を製造するに際して、前記油中での冷却時に用いられる焼入れ用の治具であって、
前記油中での冷却時には、複数の前記治具と前記複数のはすば歯車素材とが前記支持部材の長さ方向に交互に並ぶように配置され、
前記治具は、互いに間隔をおいて設けられかつ前記交互に並ぶように配置された状態において前記はすば歯車素材の側面に接触できる複数の変形規制部と、前記複数の変形規制部を保持する保持部とを含み、
前記交互に並ぶように配置された状態において、前記複数の変形規制部は、少なくとも４箇所ではすば歯車素材の前記側面に接触でき、
前記４箇所は、前記はすば歯車素材の周方向において９０°間隔で存在する、治具。

（２）前記交互に並ぶように配置された状態において、前記支持部材の長さ方向から見た場合に、
前記複数の変形規制部は同一の仮想円上に位置し、前記仮想円の周方向において、隣り合う前記変形規制部同士の間隔は、前記変形規制部の長さよりも長く、
前記支持部材の長さ方向において、前記保持部の長さは、前記変形規制部の長さよりも短い、上記（１）に記載の治具。

（３）前記交互に並ぶように配置された状態において、前記保持部は、前記はすば歯車素材に接触しない、上記（１）または（２）に記載の治具。

（４）鋼からなりかつ環形状を有する複数のはすば歯車素材を、加熱した後、長尺状の支持部材の長さ方向に並ぶように前記支持部材に吊るした状態で油中で冷却して焼入れ処理を施すことによってはすば歯車を製造する方法であって、
前記油中での冷却時に、上記（１）から（３）のいずれかに記載の複数の治具と前記複数のはすば歯車素材とを前記支持部材の長さ方向に交互に並ぶように配置し、
前記冷却時の油中のはすば歯車素材において、前記はすば歯車素材の上端と前記はすば歯車素材の軸心とを結ぶ線分上の位置を０°位置とした場合、前記複数の変形規制部は、前記０°位置からはすば歯車素材の周方向に、４５°、１３５°、２２５°および３１５°離れた４箇所において少なくとも前記はすば歯車素材の側面に接触する、はすば歯車の製造方法。

本発明によれば、複数の環状のはすば歯車素材を、歪みの発生を抑制しつつ同時に冷却することができる。

図１は、はすば歯車素材を示す図である。 図２は、解析で設定したヒートパターンを示す図である。 図３は、解析結果を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る治具を示す斜視図である。 図５は、治具の使用方法を説明するための図である。 図６は、図５のＡ−Ａ線断面図である。 図７は、他の実施形態に係る治具を示す図である。 図８は、焼入れ処理時の冷却方法の一例を説明するための図である。

（本発明者による検討）
本発明者は、図８に示したように、支持部材１０６に吊るされたはすば歯車素材１００を油１０４によって冷却する場合に、はすば歯車素材１００に生じる歪みについて詳細に検討した。具体的には、本発明者は、ＦＥＭ解析を行うことによって、はすば歯車素材１００に生じる歪みについて調査した。以下、本発明者が行ったＦＥＭ解析について説明する。

図１は、解析対象のはすば歯車素材１００を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面を示す概略図である。図１に示すように、はすば歯車素材１００は、円環状の板状部１０と、板状部１０の外周部から板状部１０の径方向外側に向かって突出するように形成された複数の歯２０とを有している。なお、図１（ｂ）では、歯２０を簡略化して示し、歯底円の位置を一点鎖線で示している。また、図１（ｂ）では、はすば歯車素材１００の軸心を二点鎖線で示している。

図１を参照して、板状部１０は、円環状の第１板状部１２、および第１板状部１２の径方向外側に設けられかつ第１板状部１２よりも大きい厚みを有する円環状の第２板状部１４を有している。

第１板状部１２の径方向における中央部には貫通孔１２ａが形成されている。また、第１板状部１２において、貫通孔１２ａの周囲には、第１板状部１２の周方向に互いに間隔をおいて複数の貫通孔１２ｂが形成されている。

複数の歯２０は、第２板状部１４の外周部から第２板状部１４の径方向外側に突出するように形成されている。また、複数の歯２０はそれぞれ、板状部１０の径方向から見て、歯筋がはすば歯車素材１００の軸心に対して傾斜するように形成されている。

本発明者は、図２に示すヒートパターンで、上記の構成を有するはすば歯車素材１００の浸炭焼入れ解析を行い、第２板状部１４においてはすば歯車素材１００の軸方向に生じる熱処理歪みについて調査した。なお、図２中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを表す。また、「７０℃油焼入れ」は油温７０℃の油中ではすば歯車素材１００を冷却することを表す。また、冷却は、図１に示すはすば歯車素材１００の０°位置が上方で、１８０°位置が下方になるように、はすば歯車素材１００を油中に浸漬して行うものとした。

浸炭焼入れ解析において、はすば歯車素材１００の材料は、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２０１６）に規定されたＳＣＭ４２０とした。ヤング率および応力−歪線図等の機械的特性としては、ＳＣＭ４２０の実測データを用いた。また、比熱および熱伝導率等の熱的特性としては、ＳＣＭ４２０の化学成分に基づいて、予測式を用いて算出した値を用いた。はすば歯車素材１００の直径は２０５ｍｍとし、厚さは３０ｍｍとした。はすば歯車素材１００の油中への浸漬速度は１２５ｍｍ/ｓに設定した。

解析結果を図３に示す。図３において横軸は、第２板状部１４の周方向における位置を示し、縦軸は、第２板状部１４の側面の変位量（はすば歯車素材１００の軸方向に生じる変位量）を示す。なお、横軸の０°〜３６０°の位置は、図１に示したはすば歯車素材１００の０°〜３６０°の位置に対応する。

図３に示した結果から、焼入れ処理によってはすば歯車素材１００の軸方向に生じる変位量は、冷却時の油中におけるはすば歯車素材１００の上端を０°位置とした場合、０°位置からはすば歯車素材１００の周方向に、約４５°、約１３５°、約２２５°および約３１５°離れた４つの位置において大きくなることが分かった。すなわち、上記４つの位置において、歯車素材１００の軸方向に生じる歪みが大きくなることが分かった。この結果から、本発明者は、はすば歯車素材１００のうち少なくとも上記４つの位置を、はすば歯車素材１００の軸方向における両側から押すことによって、焼入れ処理によってはすば歯車素材１００に生じる歪みを抑制できると考えた。なお、上記のようにはすば歯車素材１００が変形する要因としては、冷却油に浸漬することで発生するはすば歯車素材１００の上部と下部との温度差によって該上部と該下部とで歪みに差が生じること、および歯筋がはすば歯車素材１００の軸心に対して傾斜するように形成されているためにはすば歯車素材１００が特定の方向に変形しやすいことが考えられる。

（本発明の実施形態）
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の実施の形態に係る治具および製造方法について図面を参照しつつ説明する。以下においては、図１で説明した形状を有するはすば歯車素材１００に焼入れ処理（例えば、浸炭焼入れ処理）を施してはすば歯車を製造するに際して、図８で示したように、支持部材１０６に吊るされた加熱後の複数のはすば歯車素材１００を、油槽１０２に貯留された油１０４内に浸漬して冷却する場合について説明する。本実施形態では、複数のはすば歯車素材１００は、はすば歯車素材１００の軸方向が油１０４の表面（油面）に平行になるように、油１０４に浸漬される。

なお、はすば歯車素材１００は、例えば、素材鋼を通常の方法で溶製した後、熱間で圧延又は鍛造し、更に必要に応じて熱処理を行い、次いで切削および圧造等によって所望の歯車形状とすることによって製造することができる。素材鋼としては、公知の種々の肌焼鋼を用いることができる。焼入れ処理のヒートパターンとしては、公知の焼入れ処理のヒートパターンを採用できるので、ヒートパターンの詳細な説明は省略する。

図４は、本発明の一実施形態に係る治具を示す斜視図であり、図５は、治具の使用方法を説明するための図であり、図６は、図５のＡ−Ａ線断面図である。

図４を参照して、本実施形態に係る治具３０は、円環形状を有している。図５を参照して、本実施形態では、複数の治具３０と複数のはすば歯車素材１００とが、長尺状の支持部材１０６の長さ方向に交互に並ぶように配置される。図５に示した例では、各はすば歯車素材１００が、はすば歯車素材１００の軸方向における両側から２つの治具３０によって挟まれるように、複数の治具３０と複数のはすば歯車素材１００とが交互に配置されている。

本実施形態では、荷重付与装置２００によって、支持部材１０６の長さ方向における両側から、複数の治具３０および複数のはすば歯車素材１００に対して荷重が付与されている。これにより、複数の治具３０および複数のはすば歯車素材１００が互いに押し付けられている。なお、荷重付与装置２００の構成としては、複数の治具３０と複数のはすば歯車素材１００とが互いに押し付けられるように複数の治具３０および複数のはすば歯車素材１００に荷重を付与できる種々の構成を採用することができる。したがって、荷重付与装置２００の詳細な説明は省略する。

本実施形態では、複数の治具３０と複数のはすば歯車素材１００とが上記のように互いに押し付けられた状態で、油槽１０２の油１０４によって冷却される。なお、図６には、はすば歯車素材１００の０°位置、４５°位置、９０°位置、１３５°位置、１８０°位置、２２５°位置、２７０°位置および３１５°位置が示されている。本実施形態においてはすば歯車素材１００の０°位置とは、はすば歯車素材１００の軸方向から見て、油１０４に浸漬されたときのはすば歯車素材１００の上端とはすば歯車素材１００の軸心とを結ぶ線分上の位置のことを意味する。また、はすば歯車素材１００の４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°および３１５°位置とは、上記０°位置からはすば歯車素材１００の周方向に、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°および３１５°離れた位置のことを意味する。

図４〜図６を参照して、治具３０は、複数の変形規制部３２と、複数の変形規制部３２を保持する保持部３４とを含む。複数の変形規制部３２は、はすば歯車素材１００の側面に接触できかつ互いに間隔をおいて設けられる。保持部３４は、複数の接続部３４ａを含む。各接続部３４ａは、治具３０の周方向において隣り合う変形規制部３２同士を接続する。本実施形態では、各接続部３４ａは、支持部材１０６の長さ方向における変形規制部３２の中心に接続されている。

本実施形態では、支持部材１０６の長さ方向から見て、複数の変形規制部３２および複数の接続部３４ａは同一の仮想円（図示せず）上に位置し、それぞれ円弧形状を有している。本実施形態では、上記仮想円の周方向において、隣り合う変形規制部３２同士の間隔は、変形規制部３２の長さよりも長い。また、図５を参照して、支持部材１０６の長さ方向において、保持部３４（接続部３４ａ（図４参照））の長さは、変形規制部３２の長さよりも短い。これにより、複数の変形規制部３２がはすば歯車素材１００の側面に接触した状態において、保持部３４（複数の接続部３４ａ）は、はすば歯車素材１００の側面に接触しない。このような構成により、本実施形態では、複数のはすば歯車素材１００の周辺を、油１０４が円滑に移動することができる。

図６を参照して、油１０４における冷却時には、はすば歯車素材１００の側面のうち、少なくとも４５°位置、１３５°位置、２２５°位置および３１５°位置に複数の変形規制部３２が接触するように、複数の治具３０が配置される。なお、詳細な説明は省略するが、複数の変形規制部３２を、はすば歯車素材１００の上記の４箇所に容易に接触させることができるように、治具３０に位置決め用の凹部または凸部等を設けてもよい。

以上のように、本実施形態では、少なくとも４５°位置、１３５°位置、２２５°位置および３１５°位置において、はすば歯車素材１００の両側面を変形規制部３２によって押さえることができる。これにより、はすば歯車素材１００の４５°位置、１３５°位置、２２５°位置および３１５°位置の周辺の部分が、焼入れ処理を施した際に、はすば歯車素材１００の軸方向に歪むことを抑制できる。したがって、本実施形態によれば、複数のはすば歯車素材１００を、歪みの発生を抑制しつつ同時に冷却することができる。これにより、熱処理歪みの発生が抑制されたはすば歯車を製造することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、変形規制部３２が、第２板状部１４の一部および歯２０の一部に接触する場合について説明したが、変形規制部がはすば歯車素材１００の側面のうち他の部分に接触してもよい。具体的には、変形規制部が第１板状部１２において、上記の４箇所（４５°位置、１３５°位置、２２５°位置および３１５°位置）に接触してもよい。

また、上述の実施形態では、４つの変形規制部３２を有する治具３０について説明したが、治具は、少なくとも上記の４箇所ではすば歯車素材１００の側面に接触できればよい。したがって、治具が５つ以上の変形規制部を有していてもよい。また、上述の実施形態では、治具３０が全体として円形状を有する場合について説明したが、治具が全体として多角形状を有していてもよい。また、保持部３４の構成も上述の例に限定されず、例えば、治具３０が、上述の保持部３４の代わりに、図７（ａ）に示すような十字形状を有する保持部３６を備えていてもよい。また、図７（ｂ）に示す治具３０のように、変形規制部３８ａと変形規制部３８ｂとが、同一の仮想円上に位置していなくてもよい。

また、上述の実施形態では、２つの支持部材１０６にはすば歯車素材１００を吊るす場合について説明したが、１つの支持部材１０６にはすば歯車素材１００を吊るしてもよく、３つ以上の支持部材１０６にはすば歯車素材１００を吊るしてもよい。

なお、詳細な説明は省略するが、本発明が適用される対象は、上述のはすば歯車素材１００に限定されず、本発明は、他の形状を有する種々の環状のはすば歯車素材の焼入れ処理において好適に利用できる。

本発明によれば、複数の環状のはすば歯車素材を、歪みの発生を抑制しつつ同時に冷却することができる。

１０ 板状部
１２ 第１板状部
１４ 第２板状部
２０ 歯
３０ 治具
３２ 変形規制部
３４ 保持部
３４ａ 接続部
１００ はすば歯車素材
１０２ 油槽
１０４ 油
１０６ 支持部材
２００ 荷重付与装置

Claims (4)

1. 鋼からなりかつ環形状を有する複数のはすば歯車素材を、加熱した後、長尺状の支持部材の長さ方向に並ぶように前記支持部材に吊るした状態で油中で冷却して焼入れ処理を施すことによってはすば歯車を製造するに際して、前記油中での冷却時に用いられる焼入れ用の治具であって、
   前記油中での冷却時には、複数の前記治具と前記複数のはすば歯車素材とが前記支持部材の長さ方向に交互に並ぶように配置され、
   前記治具は、互いに間隔をおいて設けられかつ前記交互に並ぶように配置された状態において前記はすば歯車素材の側面に接触できる複数の変形規制部と、前記複数の変形規制部を保持する保持部とを含み、
   前記交互に並ぶように配置された状態において、前記複数の変形規制部は、少なくとも４箇所ではすば歯車素材の前記側面に接触でき、
   前記４箇所は、前記はすば歯車素材の周方向において９０°間隔で存在する、治具。
2. 前記交互に並ぶように配置された状態において、前記支持部材の長さ方向から見た場合に、
   前記複数の変形規制部は同一の仮想円上に位置し、前記仮想円の周方向において、隣り合う前記変形規制部同士の間隔は、前記変形規制部の長さよりも長く、
   前記支持部材の長さ方向において、前記保持部の長さは、前記変形規制部の長さよりも短い、請求項１に記載の治具。
3. 前記交互に並ぶように配置された状態において、前記保持部は、前記はすば歯車素材に接触しない、請求項１または２に記載の治具。
4. 鋼からなりかつ環形状を有する複数のはすば歯車素材を、加熱した後、長尺状の支持部材の長さ方向に並ぶように前記支持部材に吊るした状態で油中で冷却して焼入れ処理を施すことによってはすば歯車を製造する方法であって、
   前記油中での冷却時に、請求項１から３のいずれかに記載の複数の治具と前記複数のはすば歯車素材とを前記支持部材の長さ方向に交互に並ぶように配置し、
   前記冷却時の油中のはすば歯車素材において、前記はすば歯車素材の上端と前記はすば歯車素材の軸心とを結ぶ線分上の位置を０°位置とした場合、前記複数の変形規制部は、前記０°位置からはすば歯車素材の周方向に、４５°、１３５°、２２５°および３１５°離れた４箇所において少なくとも前記はすば歯車素材の側面に接触する、はすば歯車の製造方法。
   
   

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