TWI701399B - 波動減速齒輪機構用的齒輪的表面處理方法 - Google Patents

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Abstract

一種波動減速齒輪機構用的齒輪的表面處理方法包括：將所述波動減速齒輪機構用的齒輪作為工件，所述齒輪由含有至少0.2%碳的機械結構用鋼形成，並在切削加工後經過熱處理；進行第一工序，其中將碳化物粒子噴射到所述工件的表面上，以去除所述工件表面上的加工痕跡並使所述碳化物粒子中的元素碳擴散和滲透到所述齒輪的表面中；和在第一工序之後進行第二工序，其中將球狀粒子噴射到所述工件的表面上，以使所述齒輪表面的內部殘留壓縮應力增加至少-50 MPa。

Description

波動減速齒輪機構用的齒輪的表面處理方法
本發明涉及在波動減速齒輪機構中使用的齒輪的表面處理方法。更具體地，本發明涉及波動減速齒輪機構用的齒輪的表面處理方法，該方法特別適合應用於在波動減速齒輪機構使用的齒輪中，在使用期間彈性變形的外齒齒輪。
下面參照圖1和圖2，對經過本發明的表面處理方法處理的波動減速齒輪機構1的構成進行說明。波動減速齒輪機構1包括也稱為圓形齒條的剛性內齒齒輪2、也稱為柔性齒條的與內齒齒輪2嚙合的柔性外齒齒輪3和也稱為波發生器的在外齒齒輪3內旋轉的橢圓形波動發生器4。
外齒齒輪3是根據上述的與插入外齒齒輪3的徑向內部的波動發生器4的形狀對應變形的部件。外齒齒輪3僅在其與波動發生器4的長軸RL相對應的外周位置處與內齒齒輪2嚙合。外齒齒輪3的其他部分未與內齒齒輪2嚙合，並且以間隔δ與其隔開。
因此，當在內齒齒輪2或外齒齒輪3中的一個齒輪固定的同時，波動發生器4在外齒齒輪3內部旋轉時，外齒齒輪3與內齒齒輪2嚙合的位置沿著波動發生器4的旋轉方向移動。當波動發生器4旋轉一圈時，外齒齒輪3在內齒齒輪2內部進行相對的旋轉。相對的旋轉是在與波動發生器4的旋轉方向相反的方向上的旋轉，並且其旋轉量根據內齒齒輪2和外齒齒輪3之間的齒數差而定。
這種波動減速齒輪機構1通常構造成內齒齒輪2被固定，並且輸出軸(圖中未示出)附接到外齒齒輪3(在圖示示例中，附接到設置於外齒齒輪的隔膜31)。這種構成能夠迅速減少透過附接到波動發生器4的凸台41的輸入軸(圖中未示出)的旋轉輸入和透過連接到外齒齒輪3的輸出軸(圖中未示出)的輸出。
如上所述構造的波動減速齒輪機構1在具有僅由內齒齒輪2、外齒齒輪3和波動發生器4這三個部件構成的相對簡單的結構的同時獲得了大的減速比。這有利於縮小尺寸，因此波動減速齒輪機構1在需要緊湊的尺寸和大的減速比的應用中使用。
這種應用的常見示例包括在諸如機械臂的致動器、大型光學/紅外望遠鏡中鏡頭控制用的致動器等驅動裝置應用中的使用。許多這樣的應用是施加了比較大的負荷的情況。
因此，要求在波動減速齒輪機構1中使用的齒輪具有高機械強度。特別地，形成有薄壁使得發生彈性變形並且在透過波動發生器4持續變形的狀態下使用的外齒齒輪3需要在保持變形能力的同時具有高機械強度。
因此，一種提高在波動減速齒輪機構1中使用的齒輪、特別是外齒齒輪3的機械強度的方法是選擇具有高機械強度的材料。作為示例，可以設想使用具有高碳含量的起始材料來製造外齒齒輪3。
然而，當齒輪製造工藝中包括諸如衝壓或拉伸等冷加工時，如果選擇具有高碳含量和高硬度的材料作為起始材料，則這會導致當進行冷加工時所需要的塑性變形性降低，使得這種加工變得困難。另一方面，如果選擇低碳含量的起始材料以便能夠進行冷加工，則由此獲得的最終完成的製品將無法取得所需的機械強度。
WO 2011/122315提出了一種用於製造外齒齒輪的方法，其中在起始材料上進行使用冷加工的一次成形以獲得“毛坯”，即，具有外齒齒輪3的大致形狀的外齒齒輪，然後進行切削加工以將齒等切削成毛坯，並且精加工外齒齒輪3。在該方法中，起始材料的碳含量限制為不大於預定值，以能夠在適合冷加工的條件下進行一次成形。透過一次成形獲得的毛坯也在滲碳或滲碳滲氮的氣體環境中經過熱處理，從而使得能夠在切削齒等的切削加工之前提高毛坯的強度(參見WO 2011/122315的請求項1、5和7)。
提高用在這種波動減速齒輪機構1中的齒輪的機械強度的方法的另一示例是進行表面處理，以便在透過切削齒等的切削加工進行精加工之後，透過塗覆或改性齒輪的表面來提高機械強度。
在日本專利申請特開(JP-A) No. H10-110790中提出了這種表面處理的示例。在該方案中，在被隔膜31封閉一端側的圓柱狀外齒齒輪3的隔膜31部分的至少內表面和外表面上進行噴丸(shot peening)處理，從而提高外齒齒輪3的強度。
注意，儘管與波動減速齒輪機構用的齒輪的表面處理方法無關，但是本專利申請的申請人已經針對滲碳處理的方法申請了專利並被授予專利權，其中碳化物粒子被噴射到由金屬材料製成的待處理製品的表面上，從而使得碳化物粒子中的元素碳擴散到如此處理的製品的表面中(日本專利No. 3242060)。
如上所述，選擇具有高機械強度的材料作為起始材料使得能夠提高由此獲得的外齒齒輪的機械強度。
然而，近年來，這種波動減速齒輪機構1的應用未限於上述示例中所述的在大氣壓下的應用。其應用擴展到在太空或真空中的使用，如在用於移動安裝到人造衛星上的機械臂或太陽能電池板槳的致動器中的使用，或者在用於天線的方向控制的致動器中的使用。
據報導，在不限於在大氣壓下使用時的情況下，當在這種真空空間或外部空間中使用波動減速齒輪機構1時，齒輪更容易磨損。
當波動減速齒輪機構1在太空中使用時，特別地，如當安裝在如上所述的人造衛星上時，在發射後，波動減速齒輪機構1透過在無須諸如補充或更換潤滑油等維護的情況下長時間連續使用而用於惡劣的環境中。這意味著，在這種波動減速齒輪機構中使用的齒輪需要更高的機械強度，並且因此僅透過選擇起始材料不能獲得所需的機械強度的情況增多。
因此，期望能夠透過諸如表面處理等後處理來提高機械強度，而不是僅依靠透過選擇起始材料來增加機械強度，從而根據這兩種因素的組合來進一步提高強度。
注意，上述給出的將噴丸處理作為波動減速齒輪機構1用的外齒齒輪的表面處理方法的示例，是透過表面結構的微細化和透過在其上施加殘留壓縮應力等來增加外齒齒輪的疲勞強度等的處理。因此，增加噴丸的衝擊能量(噴射速度和噴射壓力)使得能夠促進表面結構的更大程度的微細化，並且使得能夠增加所施加的殘留壓縮應力。這進而使得能夠實現外齒齒輪的機械強度的進一步增加。
然而，如上所述，在波動減速齒輪機構1中使用的外齒齒輪3形成有薄壁，從而發生彈性變形。因此，提高噴丸的衝擊能量(噴射壓力和噴射速度)可能會導致扭曲和變形，甚至可能發生破損。因此，外齒齒輪的機械強度透過增加噴丸處理中噴丸的衝擊能量而可能增加的程度受到限制。
在開發用於波動減速齒輪機構1中使用的外齒齒輪3的有效表面處理方法時，本發明的發明人觀察了透過切削加工、熱處理等製造的外齒齒輪的表面的細節。結果，發明人得出的結論是，存在如下所述的可能性：加工痕跡的存在以及伴隨熱處理的脫碳可能具有縮短外齒齒輪壽命的影響。
加工痕跡的存在
對外齒齒輪的觀察表明，在外齒齒輪的表面上存在諸如當使用齒輪滾刀等進行切削加工時產生的工具痕跡和由於異常切削加工而產生的損壞等加工痕跡。存在如下的可能性：這種加工痕跡可能成為斷裂或裂紋的起點，從而縮短外齒齒輪的壽命。
脫碳
對切削加工之後進行熱處理的外齒齒輪的表面層的硬度的測量證實了該硬度降低至低於JIS所規定的起始材料的硬度。
已知透過脫碳降低鋼的硬度，並且已知即使在大約700°C的低溫下，也會因熱處理而發生脫碳。因此，可以預測表面層硬度的這種降低是由於外齒齒輪的最外表面層附近的脫碳所引起的，脫碳因在切削加工等之後，為了消除內部應力等在外齒齒輪上進行熱處理而發生。
已經報導了由於發生這種脫碳而導致的疲勞強度的降低是未發生脫碳的平滑材料的三倍以上的情況。因此，存在如下的可能性：由於熱處理而導致的最外表面層附近的脫碳可能縮短外齒齒輪的壽命。
如果外齒齒輪的壽命縮短是由於如上所述的加工痕跡的存在和脫碳的發生而導致的，那麼期望與進行上述噴丸處理相結合，進行能夠去除在切削加工期間產生的加工痕跡並且能夠增加發生脫碳的最外表面層附近的碳含量的表面處理，以進一步改善外齒齒輪的機械性能並延長其壽命。
注意，已知氣體滲碳處理是增加鋼材的最外表面層附近的碳含量的方法。WO 2011/122315記載了，透過在冷加工之後在滲碳環境中進行熱處理，將氣體滲碳處理包括在製造波動減速齒輪機構用的外齒齒輪的過程中(參見WO 2011/122315的請求項5和7)。
然而，波動減速齒輪機構1的外齒齒輪3形成有薄壁，從而使得能夠由波動發生器4產生彈性變形。這意味著，在將外齒齒輪切削加工成最終形狀之後，不能進行氣體滲碳處理，原因是進行滲碳處理會由於這種氣體滲碳處理伴隨的熱量而導致發生扭曲或裂紋。
因此，在WO 2011/122315所公開的發明中，對透過冷加工一次成形為外齒齒輪的大致形狀而獲得的“毛坯”進行滲碳處理，即，對在透過切削齒等切削加工形成最終形狀之前的“毛坯”進行滲碳處理。因此，從邏輯上預測，採用這種構成可以補充經過冷加工的起始材料中的任何碳含量的不足，同時也防止了應變和裂紋的發生。因此，WO 2011/122315既沒有公開也沒有建議在透過切削加工將外齒齒輪加工成其最終形狀之後對外齒齒輪進行滲碳處理，即，進行滲碳處理作為表面處理，而且實際上採用這種滲碳處理方法是不利的。
此外，WO 2011/122315中公開的構成不能去除當切削齒等切削加工時產生的損壞和工具痕跡等。因為在這種構成中，切削齒等切削加工是在滲碳處理後進行的，所以如果為了去除在切削加工期間產生的內部應力而接著進行熱處理，則會由於這種熱處理而發生脫碳。因此，這種構成不能消除本發明的發明人預測的壽命縮短的任何因素。
為了解決上述相關技術的缺陷，本發明的目的是提出一種能夠提高波動減速齒輪機構用的齒輪的機械強度的表面處理方法。
為了實現該目的，根據本發明的波動減速齒輪機構用的齒輪的表面處理方法包括：
將所述波動減速齒輪機構用的齒輪作為處理對象，所述齒輪由含有至少0.2%碳的機械結構用鋼形成，並在切削加工後經過熱處理；
進行第一工序，其中將粒徑為#220~#3000細微性的碳化物粒子以至少50 m/sec的噴射速度或以至少0.1 MPa的噴射壓力噴射到所述處理物件的表面上，以去除切削加工期間在所述處理物件的表面上產生的加工痕跡，並使所述碳化物粒子中的元素碳擴散和滲透到所述齒輪的表面中；和
在第一工序之後進行第二工序，其中將硬度等於或大於所述處理物件的硬度且細微性不大於#220的球狀粒子以至少0.2 MPa的噴射壓力噴射到所述處理物件的表面上，以使所述齒輪表面的內部殘留壓縮應力增加至少-50 MPa。
注意，在本發明中，對於碳化物粒子和球狀粒子，以細微性號(#)表示的“細微性”分別對應於下表1和表2中所示的由JISR 6001 (1987)規定的磨料的細微性。
表1  “粗粉”磨料的細微性(JISR 6001 1987)
篩孔  mm                    μm 細微性號(#)
2.00  
1.70 # 12
1.40 # 14
1.18 # 16
1.00 # 20
                        850  
                        710 # 24
                        600 # 30
                        500 # 36
                        425  
                        355 # 46
                        300 # 54
                        250 # 60
                        212 # 70
                        180 # 80
                        150 # 90
                        125 #100
                        106 #120
                         90  
                         75 #150
                         63 #180
                         53 #220
表2  “細粉”磨料的細微性(JISR 6001 1987)  (單位：μm)
細微性號(#) 平均粒徑 最大粒徑 累積高度3%的粒徑 累積高度50%的粒徑 累積高度94%的粒徑
#240 88~74 127以下 103以下 57.0±3.0 40以上
#280   112 87 48.0±3.0 33
#320   98 74 40.0±2.5 27
#360   86 66 35.0±2.0 23
#400 44~37 75 58 30.0±2.0 20
#500   63 50 25.0±2.0 16
#600 31~26 53 43 20.0±1.5 13
#700   45 37 17.0±1.3 11
#800 22~18 38 31 14.0±1.0 9.0
#1000 18~14.5 32 27 11.5±1.0 7.0
#1200   27 23 9.5±0.8 5.5
#1500   23 20 8.0±0.6 4.5
#2000 8.9~7.1 19 17 6.7±0.6 4.0
#2500   16 14 5.5±0.5 3.0
#3000   13 11 4.0±0.5 2.0
#4000 4.5~3.1 11 8.0 3.0±0.4 1.3
#6000   8.0 5.0 2.0±0.4 0.8
#8000 2~1.5 6.0 3.5 1.2±0.3 0.6 (1)
注(1) 累積高度75%的粒徑(dμ- 75值)
※用於測試“細粉”磨料的細微性的方法是基於JISR 6002的電阻測試法(用於測試磨料的細微性的方法)。
優選使用SiC或α-SiC作為第一工序中使用的碳化物粒子。
此外，本發明的表面處理方法適於處理作為處理物件的波動減速齒輪機構用的外齒齒輪。
由於具有上述構成，所以本發明的表面處理方法能夠獲得下列顯著效果。
可以透過使用比較簡單的處理來實現波動減速齒輪機構用的齒輪壽命的顯著延長，該處理採用已知的噴砂裝置來噴射碳化物粒子(第一工序)和噴射球狀粒子(第二工序)。
此外，結合有經過本發明的表面處理方法的齒輪的波動減速齒輪機構能夠實現更安靜的操作噪音，從而總體上有助於波動減速齒輪機構的消聲效果。
特別地，將本發明的表面處理方法應用於波動減速齒輪機構用的外齒齒輪使得能夠對其進行表面處理，該表面處理在未造成薄壁形外齒齒輪的扭曲、變形或破損等情況下，增加了壽命並且實現了消聲效果。
以下是關於本發明的表面處理方法的說明。
處理物件
本發明的表面處理方法的處理物件是如上參照圖1和圖2說明的波動減速齒輪機構1的構成部件，即，內齒齒輪2、外齒齒輪3和/或波動發生器4。表面處理方法特別適合於形成有薄壁以使得能夠發生彈性變形的外齒齒輪3的表面處理。
作為本發明的表面處理方法的處理物件的波動減速齒輪機構的齒輪由至少含有0.2%碳的機械結構用鋼製成。通常，也稱為高工鋼的機械結構用鋼包含鎳、鉻、鉬或碳或者其組合，該機械結構用鋼包含提供高強度、韌性、疲勞強度和淬透性的碳、合金或易切削鋼。這種材料常成為汽車、工程機械和工業機械的關鍵零件。可以用作這種機械結構用鋼的鋼材的示例包括SCM435H、SCM440H和SNCM439，但不限於此。
在對作為處理物件的波動減速齒輪機構的齒輪進行本發明的表面處理方法之前，透過在其中進行切削齒等切削加工而將齒輪切削加工成最終產品形狀來對齒輪進行處理，並且透過在切削加工之後對齒輪進行熱處理，在表面處理之前消除了由切削加工引起的內部應力、應變等。
表面處理
第一工序
在本工序(第一工序)中，透過乾式噴射將碳化物粒子噴射到處理物件的表面上。去除因在處理物件的製造期間進行的切削加工而在處理物件的表面上產生的加工痕跡，如透過異常切削加工產生的損壞、定向加工痕跡、研磨痕跡和工具痕跡等，以準備表面。除此之外，還使碳化物粒子中的元素碳擴散並滲透到處理物件的表面，以便在正常溫度下進行滲碳處理，從而補充在熱處理期間由於脫碳而損失的最外表面層附近的碳。
可以使用的碳化物粒子的示例包括諸如B 4C、SiC (α-SiC)、TiC、VC、石墨、金剛石等各種碳化物的粒子。優選使用SiC，更優選使用α-SiC。
例如，使用角形的粒子作為碳化物粒子，以表現出能夠在相對短的時間段內去除由於異常切削產生的包括損壞、工具痕跡等的這種加工痕跡的切削力。
例如，這種角形的碳化物粒子可以透過破碎燒結的碳化物系陶瓷、然後篩分所得的粒子來獲得。
為了達到獲得元素碳的擴散和滲透所需的噴射速度，所使用的粒子的粒徑是對應於細微性分佈在#220~3000細微性(這裡，“細微性”是指JISR 6001 1987規定的)之間的粒徑。優選使用粒徑不大於#240細微性的所謂的“細粉”。
能夠透過乾式噴射來噴射粒子的各種已知的噴砂裝置可以用作用於將這種碳化物粒子噴射到處理物件上的方法。因此，由於比較容易調整噴射速度和噴射壓力，所以優選使用鼓風噴砂裝置。
這種鼓風噴砂裝置有多種類型，包括直壓式噴砂裝置、重力吸入式噴砂裝置和各種其他類型的噴砂裝置。可以使用這些類型的噴砂裝置中的任何一種，並且對其類型沒有特別限制，只要噴砂裝置具備能夠以至少50 m/sec的噴射速度或者以至少0.1 MPa的噴射壓力透過乾式噴射來噴射這種碳化物粒子的性能即可。
當使用這種噴砂裝置以至少50 m/sec的噴射速度或者以至少0.1 MPa的噴射壓力透過乾式噴射來將這種碳化物粒子噴射到處理物件的表面上時，去除在切削加工期間產生的諸如由於異常切削加工而產生的損壞、工具痕跡等加工痕跡，從而準備處理物件上的非定向表面。
此外，透過碳化物粒子對處理表面的衝擊導致表面處理物件上的溫度局部升高，其中被碳化物粒子衝擊的部分出現溫度升高。碳化物粒子也由此被加熱並經過熱分解，使得碳化物粒子的碳化物中的元素碳擴散和滲透到處理物件的表面。因此，這些部分的碳含量增加，從而補充上述切削加工之後進行的熱處理導致的脫碳表面附近的碳。
當以這種方式透過噴砂使碳化物粒子衝擊處理物件時，由於碳化物粒子的溫度升高，所以進行本發明的預處理(第一工序)導致碳化物粒子經過熱分解。因此，透過該分解產生的來自碳化物粒子中的元素碳擴散和滲透到處理物件中，從而進行滲碳處理。
因此，伴隨這種熱處理出現的任何脫碳出現在處理物件的最外表面層附近，並且脫碳未出現在處理物件的內部。因此，透過本發明的方法，元素碳在處理物件中的擴散和滲透在最外表面層附近最為明顯，並使得此處的碳含量大幅度增加。透過這種擴散，碳含量的增加以及碳含量本身朝向處理物件的內部逐漸降低，從而形成分級結構，其中碳含量從處理物件的表面隨著深度而降低，直到在一定深度處達到未處理狀態的碳含量。因此，可以實現在碳含量因如上所述的脫碳而減少的最外表面層附近中的碳含量的適當增加。
因此，儘管當碳化物粒子衝擊處理物件時，在碳化物粒子中和處理物件的部分處引起溫度的升高，但是這種溫度的升高是局部的和暫態的。這意味著，在處理物件中不會出現扭曲、變形等，這會由在滲碳爐中加熱整個處理物件而進行的典型滲碳處理中的熱處理所引起，從而使得能夠對波動減速齒輪機構用的薄壁形外齒齒輪進行處理。
此外，由於細小碳化物的產生，所以透過這種方法實現了高黏著強度，並且未產生不規則形狀的滲碳層。
為了更精確地說明透過這種噴砂使元素碳擴散和滲透的原理，下面說明了與典型氣體滲碳處理的示例的對比。典型氣體滲碳方法使用已經以一定比例與空氣混合的諸如甲烷(CH 4)、丙烷(C 3H 8)或丁烷(C 4H 10)等碳氫化合物氣體作為滲碳環境氣體原料。
當加熱這種氣體混合物時，透過吸熱反應產生一氧化碳(CO)、氫氣(H 2)和氮氣(N 2)。滲碳主要是透過如下列反應式所述的CO氣體經過熱解離以生成活性炭，和透過活性炭與鋼中的Fe反應來進行的。
2CO = C + CO 2
即，儘管僅透過CO氣體物理地附著到鋼的母材金屬表面不能引發鋼中的Fe和CO氣體之間的反應，但是因為可以透過外力、加熱或一些其他物理方法的簡單應用來容易地去除CO氣體，所以透過施加一定量或更多量的額外的熱量或其他能量，CO氣體活性化地吸附到Fe表面上。滲碳現象被認為是由於已經活性化地吸附到其上的CO氣體隨後經過熱解離成為二氧化碳和碳所產生的，並且由這種反應產生的活性炭被加熱至約1000°C並擴散到採用能夠使C形成為固溶體的面心立方體的γ結構的鋼中的Fe格子內。
在這種氣體滲碳處理中，由於鋼中的Fe採用能夠使C形成為固溶體的這種面心立方體的γ結構，因此由於處理物件(即，整個鋼材)的均勻加熱，所以碳易於擴散和滲透到處理物件中。然而，這取決於條件，滲碳層的厚度相對較厚，約1 mm ~ 約1.5 mm，從而難以形成其中碳含量的增加隨著向內發展而逐漸減少的分級結構，例如，透過如本發明中在母材上進行預處理(第一工序)來實現的。
考慮到在這種常規氣體滲碳處理中出現的現象，可以認為本發明的第一工序是如下所述的碳擴散現象。
將碳化物粒子噴射到由機械結構用鋼形成的處理物件的表面上，並且當它們衝擊處理物件的母材表面時，在衝擊之後，它們隨後以較慢的速度反彈。衝擊前和衝擊後的速度之比，即，回彈係數，根據處理物件的材質和硬度而有所不同，並且因此，根據能量守恆定律，動能損失主要轉換為噪音之外的熱能。熱能可以被認為是當受到衝擊時由於在處理物件的衝擊部分處產生的變形而引起的內部摩擦。然而，熱交換僅發生在受到正常溫度下噴射的碳化物粒子衝擊的處理物件的變形部分處。因此，高溫產生在受到碳化物粒子衝擊的處理物件表面的部分處。
此外，這些衝擊部分僅具有與粒徑相對應的非常小的表面積，因此這些衝擊部分經過反復的快速加熱和快速冷卻。據認為，當發生這種情況時，由於處理物件的表面處也被加熱，因此碳化物粒子側經過熱分解，並且碳化物粒子中的活性炭被有效地吸附在處理物件上並在其中擴散。
然而，在本發明的第一工序中，不像典型滲碳那樣均勻地加熱處理物件。儘管透過碳化物粒子的衝擊加熱部分處理物件，但是這種加熱以局部的方式發生在受到碳化物粒子衝擊的表面上的部分處。因此，透過衝擊產生的熱量的影響在朝向處理物件的內部的發展上迅速減小。因此，在根據本發明方法的第一工序中，碳的擴散更加難以從處理物件的表面向內發展。這被認為導致碳含量在向內部的發展上降低，從而以產生上述分級結構的方式進行滲碳處理。
此外，本發明中使用的碳化物粒子由上述碳化物中的一者製成。與金屬相比，這些碳化物通常具有較低密度(例如，SiC：3.2 g/cm 3；B 4C：2.5 g/cm 3)，因此即使將它們以高速噴射到處理物件上，也僅在衝擊處存在少許變形。因此，與需要將整個處理物件加熱至高溫的常規氣體滲碳處理方法等相比，本發明使得能夠在處理物件少許變形的情況下進行滲碳處理。即使在將本發明應用於形成有薄壁的波動減速齒輪機構用的外齒齒輪的情況下，也可以在不造成破損、變形等的情況下進行處理。
第二工序
在本工序(第二工序)中，在處理物件上進行第一工序的處理之後，透過乾式噴射將球狀粒子噴射到處理物件的表面上，使得在處理物件的表面處的內部殘留壓縮應力增加了至少-50 MPa。
因此，對於使用的球狀粒子的材質沒有特別限制，只要球狀粒子具有不小於處理物件的硬度即可。例如，除了由各種金屬製成的球狀粒子之外，還可以使用由陶瓷製成的球狀粒子，並且也可以使用由與碳化物粒子相似的材質(即，碳化物)製成的球狀粒子。
為了獲得噴丸處理效果，使用噴射粒子，其中將殘留壓縮應力施加到如上所述的處理物件的表面，因此使用這種球狀的形狀(球狀粒子)。
注意，在本發明中，“球狀的”不必嚴格地指“球體”，而是包括大範圍的非角的圓體形狀，如回轉橢球體形狀或筒狀形狀。
當粒子的材質是金屬時，可以透過霧化方法獲得這種球狀粒子，並且當粒子的材質是陶瓷時，可以透過破碎後熔融來獲得這種球狀粒子。因此，所使用的粒子的粒徑是對應於JISR 6001 (1987)所規定的細微性分佈內的不大於#220細微性的粒徑，並且優選使用粒徑不大於#240細微性的“細粉”。
此外，類似於當說明第一工序時關於用於碳化物粒子的噴射方法所述的那些裝置，可以使用各種已知的具有乾式噴射能力的噴砂裝置作為用於在處理物件的表面上噴射球狀粒子的方法。噴砂裝置的類型等沒有特別限制，只要其具有能夠以至少0.2 MPa的噴射壓力噴射的性能即可。
在已經在其上完成第一工序的處理之後，透過這種噴砂裝置將上述球狀粒子噴射到處理物件的表面上。
由於球狀粒子的衝擊，在受到球狀粒子衝擊的部分的處理物件表面上發生塑性變形。因此，透過使得在預處理(第一)工序中角形的碳化物粒子的衝擊而在切削加工中在處理物件的表面上形成的帶有銳利尖端的凹凸崩潰，和由此透過在整個處理物件的表面上隨機地形成帶有圓弧形狀的無數的凹陷(凹坑)來改善表面粗糙度。
此外，由於透過球狀粒子的衝擊產生的熱量，所以衝擊部分經歷暫態的局部加熱和冷卻。伴隨這種暫態的熱處理，當形成圓弧形狀的凹陷時，由於塑性變形，在處理物件的表面處也形成微晶體，並且處理表面經過加工硬化。由此，與第一工序後的狀態相比，處理物件的表面硬度進一步增加。此外，由於透過表面的塑性變形賦予殘留壓縮應力，同時由於透過所謂的“噴丸處理”獲得的效果，這也被認為有助於處理物件的疲勞強度等的增加。與第一工序之後的內部殘留壓縮應力相比，這能夠使處理物件表面的內部殘留壓縮應力增加至少-50 MPa。
作用等
使用如上所述的本發明的方法在波動減速齒輪機構的齒輪上進行表面處理，不僅能夠大幅度延長已經在其上進行表面處理的齒輪的壽命，而且能夠實現波動減速齒輪機構的操作噪音的降低，從而能夠獲得消聲效果。
此外，即使在處理物件是具有薄壁形結構的波動減速齒輪機構用的外齒齒輪的情況下，在上述處理條件下噴射碳化物粒子和球狀粒子也使得能夠在不導致扭曲、變形、破損等發生的情況下提高機械強度。
實施例
試驗目的
針對以下情況，確認了由不同材料形成的在波動減速齒輪機構中使用的外齒齒輪的各個表面狀態上的差異：使用本發明的方法(第一工序和第二工序)對外齒齒輪進行表面處理的情況；對外齒齒輪僅進行對應於本發明的第二工序的噴丸處理的情況；和未經處理的情況。
處理條件
處理物件
準備波動減速齒輪機構用的外齒齒輪(直徑為60 mm的各個熱處理製品)作為處理對象。外齒齒輪由SCM435H (碳含量為0.32%~0.39%)、SCM440H (碳含量為0.37%~0.44%)和SNCM439 (碳含量為0.36%~0.47%)製成。
噴射條件
在下表3中給出了粒子噴射條件。
表3
    第一工序 第二工序
    噴 射 條 件 噴砂裝置 株式會社不二製作所製作的SCF-4A 株式會社不二製作所製作的SGF-4A
噴射粒子 SiC：#400 高速鋼：#400
噴射壓力 0.3 MPa 0.5 MPa
噴嘴直徑 ϕ 9 mm ϕ 9 mm的長噴嘴
噴射距離 150 mm 150 mm
噴射時間 以12 min -1旋轉的工件；噴嘴振動20秒 以12 min -1旋轉的工件；噴嘴振動20秒
實施例和比較例的材料和處理方案
在下表4中列出了各個實施例(實施例1~3)和比較例(比較例1~6)的材料和處理方案。
表4  各實施例(實施例1~3)和比較例(比較例1~6)的材料和處理方案
實施例/比較例 處理物件的材料 處理方案
實施例1 SCM435H 表3的第一工序和第二工序(本發明的處理)
實施例2 SCM440H
實施例3 SNCM439
比較例1 SCM435H 僅表3的第二工序
比較例2 SCM440H
比較例3 SNCM439
比較例4 SCM435H 未處理
比較例5 SCM440H
比較例6 SNCM439
試驗結果
在下表5中列出了已經經過本發明的表面處理(實施例1~3)、僅經過第二工序(比較例1~3)或保持未處理(比較例4~6)的各個製品的表面狀態。
表5  試驗結果
處理物件   表面層的硬度 表面層的壓縮應力
SCM435H (HB269~331) [JISG4105(1979)] 實施例1 (第一工序和第二工序) HV 350 (HB336) -580 MPa
比較例1 (僅第二工序) HV 300 (HB286) -480 MPa
比較例4 (未處理) HV 250 (HB237) -190 MPa
SCM440H (HB285~352) [JISG4105(1979)] 實施例2 (第一工序和第二工序) HV 390 (HB371) -620 MPa
比較例2 (僅第二工序) HV 340 (HB325) -540 MPa
比較例5 (未處理) HV 280 (HB264) -200 MPa
SNCM439 (HB293~352) [JISG4103(1979)] 實施例3 (第一工序和第二工序) HV 376 (HB367) -600 MPa
比較例3 (僅第二工序) HV 320 (HB301) -540 MPa
比較例6 (未處理) HV 270 (HB258) -200 MPa
NB：“表面層的硬度”列中括弧內的HB硬度值是HV硬度值的近似值。
在上述結果中，所有未處理的製品(比較例4~6)的表面硬度均低於JIS所規定的起始材料的硬度。與未處理的製品(比較例4~6)相比，使用本發明的方法經過表面處理的實施例1~3的外齒齒輪不僅表現出表面硬度上升HV100~HV110、殘留壓縮應力增加-390 MPa~-420 MPa，而且與JIS所規定的起始材料的硬度相比，表現出表面硬度大幅度上升。
與僅進行第二工序(比較例1~3)的情況相比，還確認了表面硬度上升HV50~HV56、殘留壓縮應力增加-60 MPa~-100 MPa的實現。
因此，不僅當與未處理的製品(比較例4~6)相比時，而且當與僅經過第二工序(比較例1~3)的外齒齒輪相比時，經過本發明的表面處理(實施例1~3)的外齒齒輪都能夠實現壽命的大幅度延長。
此外，對於經過處理的外齒齒輪，無論使用何種材料，即，SCM435H、SCM440H和SNCM439，都確認了表面硬度的上升和殘留壓縮應力的增加的實現。
此外，僅經過第二工序(比較例1~3)的各外齒齒輪的表面粗糙度Ra超過0.30 μm，即，比較例1的Ra約為0.38 μm，比較例2的Ra約為0.35 μm，比較例3的Ra約為0.36 μm。與之相比，經過第一和第二工序的實施例1~3的各外齒齒輪的表面粗糙度得到改善，其中表面粗糙度Ra在任何情況下均不超過0.3 μm。
因此，在結合有使用本發明的方法處理的外齒齒輪的波動減速齒輪機構中，確認了操作噪音的降低和消聲效果的實現。
儘管已經結合上述具體實施例描述了本公開，但是顯然，許多替代、組合、修改和變化對於本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，如上所述，本公開的所述實施例僅旨在進行說明，而不是限制性的。在不脫離本公開的精神和範圍的情況下，可以進行各種改變。經研究上述說明，上述實施例和其他實施例的組合對於本領域技術人員而言是顯而易見的，並且旨在被包含在其中。因此，本公開的範圍由所附申請專利範圍限定，並且落入申請專利範圍的含義內的所有裝置、工序和方法，無論是在字面上還是以等效方式均旨在被包含在其中。此外，就在詳細的說明書或申請專利範圍中使用術語“包括”的程度而言，該術語旨在以類似於術語“包含”的方式被包括在內，就好像當在申請專利範圍中用作過渡詞時，“包含”被解釋的那樣。
1:波動減速齒輪機構 2:內齒齒輪 3:外齒齒輪 4:波動發生器 31:隔膜 41:凸台 RL:長軸 δ:間隔
參照附圖閱讀以下說明之後，本公開的前述和其他方面對於本公開所屬領域的技術人員而言將是顯而易見的，其中： 圖1是示出了波動減速齒輪機構的分解立體圖；和 圖2是波動減速齒輪機構的說明圖。
1:波動減速齒輪機構
2:內齒齒輪
3:外齒齒輪
4:波動發生器
31:隔膜
41:凸台

Claims (3)

  1. 一種波動減速齒輪機構用的一齒輪的表面處理方法，所述方法包括：將波動減速齒輪機構用的所述齒輪作為一處理物件，所述齒輪由含有至少0.2%碳的機械結構用鋼形成，並在切削加工後經過熱處理；進行第一工序，其中將粒徑為#220~#3000細微性的一碳化物粒子以至少50m/sec的噴射速度或以至少0.1MPa的噴射壓力噴射到所述處理物件的表面上，以去除切削加工期間在所述處理物件的表面上產生的加工痕跡，並使所述碳化物粒子中的元素碳擴散和滲透到所述齒輪的表面中；和在第一工序之後進行第二工序，其中將硬度等於或大於所述處理物件的硬度且細微性不大於#220的球狀粒子以至少0.2MPa的噴射壓力噴射到所述處理物件的表面上，以使所述齒輪的表面的內部殘留壓縮應力增加至少-50MPa。
  2. 根據請求項1所述的波動減速齒輪機構用的一齒輪的表面處理方法，其中第一工序中使用的所述碳化物粒子由SiC或α-SiC形成。
  3. 根據請求項1或2所述的波動減速齒輪機構用的一齒輪的表面處理方法，其中所述處理物件是波動減速齒輪機構用的外齒齒輪。
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