JPH09248714A - 歯車の高強度化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】十分な圧縮残留応力を付与するとともに、歯面
から歯元にわたって平滑な面を得ることを可能にする。 【解決手段】チャンバ１４ａで、熱処理後の歯車１２に
向かって水１８と予め設定された範囲内の量のガラスビ
ーズ２０との噴流２２を投射することにより、この歯車
１２に圧縮在留応力を付与するとともに、前記ガラスビ
ーズ２０が該歯車１２の表面で粉砕して前記歯車１２の
表面の酸化物層を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歯車表面の強度を
高めるための歯車の高強度化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、歯車は、使用に際して繰り返
し荷重を受けるため、その表面の疲労強度を高める必要
がある。このため、従来より、熱処理後の歯車表面に鋼
球等を衝突させて圧縮残留応力を付与するショットピー
ニングが広く行われている。

【０００３】例えば、特開平６−１７２８５０号公報に
は、硬球噴射手段から加圧液体と共に硬球を噴射して、
被処理歯車の歯底部に圧縮残留応力を付与する装置が開
示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、歯底部に対する圧縮残留応力等の向上が
認められるものの、歯面に対して圧縮残留応力を付与す
ることは考慮されていない。さらに、熱処理によって歯
車表面に生成された酸化物層を除去することが困難であ
り、しかも歯面から歯元にわたって凹凸面が残ってしま
うという問題が指摘されている。

【０００５】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、十分な圧縮残留応力を付与するとともに、歯面か
ら歯元にわたって平滑な面を得ることが可能な歯車の高
強度化方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、圧送される液体と予め設定された範囲
内の量のガラスビーズとの噴流を、熱処理後の歯車表面
に向かって投射することにより、このガラスビーズが指
向性を有して所望の圧縮残留応力を付与することができ
る。その際、ガラスビーズが歯車表面で粉砕し、この歯
車表面の酸化物層が除去されるとともに、歯面から歯元
にわたって平滑な面が得られる。

【０００７】ここで、噴流には、流量の２ｖｏｌ％〜１
９ｖｏｌ％の範囲内のガラスビーズが含まれている。ガ
ラスビーズの量が２ｖｏｌ％未満であると、処理に長時
間を要する一方、１９ｖｏｌ％を超えると、液体の負圧
によりガラスビーズを混在させる際に該液体の速度が低
下して前記ガラスビーズに所定のエネルギーを付与する
ことができない。従って、ガラスビーズの量が、流量の
２ｖｏｌ％〜１９ｖｏｌ％の範囲内に設定されることに
より、歯車の高強度化が効率的かつ十分に遂行される。

【０００８】また、ガラスビーズの投射量が、５ｍｇ／
ｍｍ² 〜１６ｍｇ／ｍｍ² の範囲内に設定される。これ
により、歯車に十分な圧縮残留応力を付与するととも
に、面粗度が向上しかつ処理時間が有効に短縮化され
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
歯車の高強度化方法を実施するための高強度化装置１０
の一部断面正面説明図であり、図２は、前記高強度化装
置１０の一部断面側面説明図である。

【００１０】高強度化装置１０は、被処理物である歯車
１２を保持してケーシング１４内のチャンバ（処理室）
１４ａでこの歯車１２を位置決め保持する歯車保持機構
１６と、液体、例えば、水１８とガラスビーズ２０との
噴流２２を前記歯車１２に向かって投射する投射機構２
４と、この投射機構２４に前記水１８を圧送する水供給
機構２６と、前記投射機構２４に前記ガラスビーズ２０
を所定量ずつ送り出すガラスビーズ供給機構２８とを備
える。

【００１１】歯車保持機構１６は、図１に示すように、
基台２９上に載置されたＸ軸スライドユニット３０とス
ピンドルユニット３２とを備える。このＸ軸スライドユ
ニット３０を構成するＸ軸モータ３４にボールねじ３６
が連結され、このボールねじ３６に一対のガイドバー３
８が平行に配設されるとともに、前記ボールねじ３６と
前記ガイドバー３８とを介してスピンドルユニット３２
が矢印Ｘ方向に進退可能に支持される。

【００１２】スピンドルユニット３２は、スピンドルモ
ータ４０に連結されたスピンドル４２を有し、このスピ
ンドル４２の先端に歯車１２が装着される。スピンドル
ユニット３２の先端側は、ケーシング１４の側壁部に形
成された開口部４４からこのケーシング１４内に挿入自
在である。

【００１３】投射機構２４は、図２に示すように、Ｙ軸
スライドユニット４６とＺ軸スライドユニット４８とを
備える。Ｙ軸スライドユニット４６は、水平方向に指向
するＹ軸モータ５０を有し、このＹ軸モータ５０に連結
されるボールねじ５２とこのボールねじ５２に平行な一
対のガイドバー５４とを介して、Ｚ軸スライドユニット
４８が矢印Ｙ方向に進退自在である。このＺ軸スライド
ユニット４８を構成するＺ軸モータ５６から鉛直下方向
に延在するボールねじ５８と、このボールねじ５８に平
行な一対のガイドバー６０とを介して、移動体６２が矢
印Ｚ方向に進退自在である。

【００１４】移動体６２から矢印Ｙ方向に延在する一対
の支持ロッド６４の先端に、矢印Ｚ方向に指向して管体
６６が装着される。管体６６の上部には、水１８の導入
をＯＮ・ＯＦＦするための開閉弁６８が設けられるとと
もに、この管体６６の下部には、前記水１８にガラスビ
ーズ２０を混合するためのミキシングチャンバ７０が連
結され、このミキシングチャンバ７０の下部にノズル７
２が配設される。

【００１５】水供給機構２６は、開閉弁６８の入口側に
接続される水管路７４を有し、この水管路７４は、ケー
シング１４内でスパイラル状に巻かれた後、このケーシ
ング１４の外部に継手７６を介して接続される（図１参
照）。この継手７６には、図示しない高圧ポンプが接続
されており、この高圧ポンプは、噴流２２を歯車１２に
向かって所定の噴射圧力で投射するように設定されてい
る。

【００１６】ガラスビーズ供給機構２８は、ケーシング
１４の上面に取り付け台７８を介して保持されるホッパ
ー８０を備える。このホッパー８０の下部は、該ホッパ
ー８０内のガラスビーズ２０の残量を検出するためのロ
ードセル８２が配設される。図１に示すように、ホッパ
ー８０の出口側には、計量バルブ８４、負圧計８６およ
びレーザ流量計８８が鉛直下方向に指向して連結されて
いる。レーザ流量計８８に一端が接続された管路９０
は、その他端をケーシング１４内のチャンバ１４ａに挿
入してミキシングチャンバ７０に接続される。ホッパー
８０に充填されているガラスビーズ２０は、その直径が
０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍに設定されている。

【００１７】基台２９上には、ミスト回収機構９２が載
置される。このミスト回収機構９２を構成する一対のダ
クト９４、９６の先端部は、ケーシング１４の側部から
チャンバ１４ａに挿入され、歯車１２とノズル７２との
間にかつ前記歯車１２に近接して配置されている。

【００１８】ケーシング１４の下部側には、下方に指向
して縮径する円錐部９８が一体的に設けられており、こ
の円錐部９８の下部開口部の下方には、排液用コンベア
１００が配設されている。

【００１９】このように構成される高強度化装置１０の
動作について、本実施形態に係る高強度化方法との関連
で説明する。

【００２０】先ず、切削加工により歯切り加工が施され
た歯車１２には、浸炭焼入れ処理が行われる。そして、
浸炭焼入れ処理後の歯車１２が歯車保持機構１６を構成
するスピンドル４２にセットされる一方、投射機構２４
を構成するノズル７２は、Ｙ軸スライドユニット４６お
よびＺ軸スライドユニット４８を介して矢印Ｙ方向およ
び矢印Ｚ方向に選択的に位置調整され、前記歯車１２に
対応して配置される。

【００２１】そこで、スピンドルモータ４０を介してス
ピンドル４２と一体的に歯車１２が所定方向に回転する
とともに、Ｘ軸スライドユニット３０を構成するＸ軸モ
ータ３４を介し、前記歯車１２がこのスピンドルユニッ
ト３２と一体的に矢印Ｘ１方向に移動する（図１参
照）。

【００２２】その際、投射機構２４が駆動され、図示し
ない高圧ポンプの作用下に水１８が水管路７４を介して
管体６６からミキシングチャンバ７０に圧送される。一
方、ガラスビーズ供給機構２８を構成する計量バルブ８
４が駆動され、ミキシングチャンバ７０に管路９０から
所定量（後述する）のガラスビーズ２０が送給されてい
る。このため、ノズル７２から水１８が噴射されると、
ミキシングチャンバ７０内に負圧が発生し、管路９０内
のガラスビーズ２０がこの水１８と混合して噴流２２と
なって前記ノズル７２から歯車１２に投射される。

【００２３】従って、水１８とガラスビーズ２０との噴
流２２が指向性を有して歯車１２の歯先１０２、歯面１
０４および歯元１０６の所望の位置に正確に衝突するこ
とになる（図３Ａ〜図３Ｃ参照）。

【００２４】さらに、図４に示すように、ガラスビーズ
２０が歯車１２の歯面１０４に衝突すると、この歯面１
０４の表面は、前記ガラスビーズ２０を介して圧縮残留
応力が付与されるとともに研磨され、さらに、前記ガラ
スビーズ２０が粉砕される。その際、粉砕片２０ａは、
歯面１０４に向けて噴射される水１８によってこの歯面
１０４の表面に鋭角に押し付けられる。このため、歯車
１２は、歯面１０４から歯元１０６にわたって研磨処理
が施され、確実に平滑面に加工されるという効果が得ら
れる。

【００２５】なお、図５Ａは、歯車１２に浸炭焼入れ処
理を施した後の歯面１０４の拡大図を示し、図５Ｂは、
この歯車１２に高強度化装置１０により高強度化処理が
施された後の前記歯面１０４の拡大図を示す。また、図
６Ａは、浸炭処理焼入れ処理後の歯底の拡大図を示し、
図６Ｂは、前記高強度化装置１０による高強度化処理が
施された歯底の拡大図を示す。これにより、歯面１０４
および歯底の表面は、高強度化処理によって酸化物層が
有効に除去されるとともに、平滑化されていることがわ
かった。

【００２６】ところで、ノズル７２から噴流２２を投射
して歯車１２に高強度化処理を施す際、チャンバ１４ａ
には粉砕された微細なガラスビーズ屑が浮遊する。この
ため、ミスト回収機構９２が駆動されることにより、チ
ャンバ１４ａで浮遊する微細なガラスビーズ屑を一対の
ダクト９４、９６から吸引して確実に回収することがで
きる。また、チャンバ１４ａに噴射されている水１８お
よびガラスビーズ２０の破片は、ケーシング１４の下部
に設けられている円錐部９８から排液用コンベア１００
内に排出され、この排液用コンベア１００を介して外部
に回収される。

【００２７】次いで、モジュールが２．５、圧力角が１
７．５°、歯数が３８および歯幅が８ｍｍの平歯車であ
る歯車１２を被処理歯車とし、種々の異なる量比に設定
された水１８とガラスビーズ２０との噴流２２を、１５
０ＭＰａ、２５０ＭＰａおよび３５０ＭＰａの投射圧力
で、ノズル直径が０．７５ｍｍに設定されたノズル７２
から各歯車１２に投射した後、それぞれの歯車１２の歯
元強度を測定した。その結果が、図７に示されている。
なお、強度試験方法は、歯車１２を挟み込んだ状態で歯
元曲げ応力を付与し、３０Ｈｚで加震して１０⁷ 回での
疲労強度を求めた。

【００２８】これにより、ガラスビーズ２０の量が、流
量の２ｖｏｌ％未満であると、一定の処理時間内で所望
の歯元強度（１５００ＭＰａ）を得ることができず、処
理に相当に多くの時間がかかってしまった。一方、ガラ
スビーズ２０の量が、流量の１９ｖｏｌ％を超えると、
ミキシングチャンバ７０内で圧送される水１８の負圧に
より前記ガラスビーズ２０を混在させる際、この水１８
の速度が低下した。これにより、ガラスビーズ２０に所
定のエネルギーを付与することができず、所望の歯元強
度が得られなかった。

【００２９】従って、ガラスビーズ２０の量が、流量の
２ｖｏｌ％〜１９ｖｏｌ％の範囲内に設定されることに
より、歯車１２の高強度化が効率的かつ十分に遂行され
るという効果が得られた。その際、ガラスビーズ２０の
量を流量の３ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％の範囲内に限定す
れば、より好適である。

【００３０】また、歯車１２に対するガラスビーズ投射
量を種々変更させ、１５０ＭＰａ、２５０ＭＰａおよび
３５０ＭＰａの各投射圧力で、噴流２２を前記歯車１２
に投射し、該歯車１２の曲げ強度および面粗さを測定し
た。その結果が、図８および図９に示されている。

【００３１】図８に示すように、ガラスビーズ２０の投
射量が、５ｍｇ／ｍｍ² 未満では、所望の曲げ強度（１
５００ＭＰａ）を得ることができず、一方、図９に示す
ように、前記ガラスビーズ２０の投射量が、１６ｍｇ／
ｍｍ² を超えると、所望の面粗さ（１０μ）を得ること
ができなかった。このため、ガラスビーズ２０の投射量
が、５ｍｇ／ｍｍ² 〜１６ｍｇ／ｍｍ² の範囲内に設定
されることにより、歯車１２に十分な圧縮残留応力を付
与するとともに、平滑面を得ることが可能になった。な
お、ガラスビーズ２０の投射量は、５ｍｇ／ｍｍ² 〜９
ｍｇ／ｍｍ² の範囲内に設定されると一層好適である。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る歯車の高強
度化方法では、圧送される液体と予め設定された範囲内
の量のガラスビーズとの噴流を、熱処理後の歯車表面に
向かって投射することにより、このガラスビーズが指向
性を有して所望の圧縮残留応力を付与することができ
る。その際、ガラスビーズが歯車表面で粉砕し、この歯
車表面の酸化物層が除去されるとともに、歯面から歯元
にわたって平滑な面が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る歯車の高強度化方法を
実施するための高強度化装置の一部断面正面説明図であ
る。

【図２】前記高強度化装置の一部断面側面説明図であ
る。

【図３】前記高強度化方法を説明する図であり、図３Ａ
は、歯先処理状態の説明図であり、図３Ｂは、歯面処理
状態の説明図であり、図３Ｃは、歯元処理状態の説明図
である。

【図４】歯面にガラスビーズが衝突した際の説明図であ
る。

【図５】前記高強度化方法を説明する図であり、図５Ａ
は、浸炭焼入れ処理後の基準ピッチ円対応部分の拡大図
であり、図５Ｂは、前記高強度化処理が施された基準ピ
ッチ円対応部分の拡大図である。

【図６】前記高強度化方法を説明する図であり、図６Ａ
は、浸炭焼入れ処理後の歯底の拡大図であり、図６Ｂ
は、前記高強度化処理後の歯底の拡大図である。

【図７】ガラスビーズと水との量比を変化させたときの
各投射圧力における歯車の歯元強度の関係を示す図であ
る。

【図８】ガラスビーズ投射量を変化させたときの各投射
圧力における歯車の曲げ強度の関係を示す図である。

【図９】前記ガラスビーズ投射量を変化させたときの各
投射圧力における歯車の面粗さの関係を示す図である。

【符号の説明】

１０…高強度化装置 １２…歯車 １４…ケーシング １６…歯車保持機
構 １８…水 ２０…ガラスビー
ズ ２２…噴流 ２４…投射機構 ２６…水供給機構 ２８…ガラスビー
ズ供給機構 ６６…管体 ７２…ノズル ７４…水管路 ８０…ホッパー ９０…管路 ９２…ミスト回収
機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】歯車表面の強度を高めるための歯車の高強
   度化方法であって、 処理室内で、圧送される液体と予め設定された範囲内の
   量のガラスビーズとの噴流を、熱処理後の前記歯車に投
   射して圧縮残留応力を付与するとともに、 前記ガラスビーズが該歯車表面で粉砕することにより、
   前記歯車表面の酸化物層を除去することを特徴とする歯
   車の高強度化方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の高強度化方法において、前
   記噴流は、流量の２ｖｏｌ％〜１９ｖｏｌ％の範囲内の
   量の前記ガラスビーズを含むことを特徴とする歯車の高
   強度化方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の高強度化方法において、前
   記ガラスビーズの投射量が５ｍｇ／ｍｍ² 〜１６ｍｇ／
   ｍｍ² の範囲内であることを特徴とする歯車の高強度化
   方法。