WO2020203219A1 - ハイポイドギヤの製造方法 - Google Patents

Abstract

ハイポイドギヤ（１０）の製造方法は、ハイポイドギヤの歯の形状を加工する歯切り工程（Ｓ１）と、歯の表面に硬化層が形成された第３中間ギヤ（１０ｃ）を成形する表面処理工程と、第３中間ギヤを直径が１４μｍ以下の砥粒を用いた加工により第４中間ギヤ（１０ｄ）を成形するラッピング工程（Ｓ４）と、第４中間ギヤに直径１６０μｍ以下の粒子を吹き付けるショットピーニング工程（Ｓ５）とを有している。

Description

ハイポイドギヤの製造方法

　本発明は、ハイポイドギヤの製造方法に関する。

　従来より、ハイポイドギヤは、耐久性が高く、歯当り音が小さいという優位性を有する。このため、ハイポイドギヤは、動力伝達を行う車両用差動装置の主要構成部品として広く実用に供されている。

　このハイポイドギヤは、回転駆動時、複数の歯が同時に噛み合うため、各々の歯に入力される負荷を複数の歯に分散することが可能である。その反面、ピニオンギヤとリングギヤとの接触部分（歯当り位置）が相対的に滑ることから、摺動抵抗の増加に伴ってエネルギー損失が増大し、動力伝達機構としての機械効率が低下するという特性を有している。

　それ故、ハイポイドギヤには、ギヤ表面に潤滑用被膜が形成されている。

　図６に示すように、ハイポイドギヤは、歯切り工程Ｓ１１と、熱処理工程Ｓ１２及びショットピーニング工程Ｓ１３と、ラッピング工程Ｓ１４と、リューブライト処理工程Ｓ１５によって製造されている。歯切り工程Ｓ１１は、ハイポイドギヤの歯形状を加工する。熱処理工程Ｓ１２及びショットピーニング工程Ｓ１３は、歯の表面に硬化層を形成する。ラッピング工程Ｓ１４は、＃３２０（粒径４０μｍ）の砥粒を用いて加工する。リューブライト処理工程Ｓ１５は、歯の表面に潤滑用被膜を形成する。

　リューブライト処理工程Ｓ１５では、対象ワークをリン酸塩液に浸漬して表面にリン酸塩皮膜を形成し、このリン酸塩皮膜とリューベ（脂肪酸ソーダ石鹸）を反応させて潤滑性を備えた金属石鹸を生成している。

　また、更に疲労強度の向上を図る技術も提案されている。

　特許文献１の歯車の製造法は、歯切り工程、硬化層を形成するための表面処理工程、ラッピング工程を行った後、リューブライト処理工程に替えてショットピーニング工程及びジャイロ研磨処理工程を行っている。ショットピーニングによって曲げ疲労強度を向上し、ジャイロ研磨処理によって面圧強度を向上している。

特開２０００－２８０１２０号公報

　一般に、研磨加工法の一種であるラッピング加工は、粗研磨に区分され、粗面仕上げが要求されている場合や仕上げ研磨の前工程として実施される。ラッピング加工は、一定の圧力下において砥粒と加工液から構成されたラップ剤（混合スラリー）を間に介在させて硬質工具とワークとを相対移動させる遊離砥粒方式の砥粒加工法である。ワークの表面が砥粒で微小切削されて工具形状がワーク表面に転写される。

　それ故、ラッピング加工後、ハイポイドギヤの歯筋方向に砥粒の圧着に伴う筋目状の加工痕が形成され、ハイポイドギヤの歯面粗さの悪化を招く。

　また、筋目状の加工痕が歯筋方向に連続的に形成されているため、ハイポイドギヤの回転駆動時、潤滑油が加工痕を伝って外部に排出され、結果的に、歯面に油膜破断が生じ、十分な動力伝達効率を発揮できない虞がある。

　ラッピング加工による加工痕を除去するために、ラッピング加工の後、粒径を段階的に小さくした多段階のショットピーニング工程を複数工程設定することも考えられる。

　しかし、粒径が異なるショットピーニング工程を複数工程設定した場合、生産工程が増加して製造設備が大掛かりになると共に、生産に係るサイクルタイムの長期化を招く。ショットピーニング工程を複数工程設定することは、ハイポイドギヤの量産として現実的ではない。

　即ち、生産性と動力伝達効率とを両立させるハイポイドギヤの製造方法は未だ確立されていない。

　ここに開示する技術は、生産性と動力伝達効率とを両立可能なハイポイドギヤの製造方法等を提供する。

　ここに開示する技術は、ハイポイドギヤの製造方法に係り、この製造方法は、
　前記ハイポイドギヤの歯の形状を加工する歯切り工程と、
　前記歯の表面に硬化層が形成された第１中間体を成形する表面処理工程と、
　前記第１中間体を直径が１４μｍ以下の砥粒を用いた加工により第２中間体を成形するラッピング工程と、
　前記第２中間体に直径１６０μｍ以下の粒子を吹き付けるショットピーニング工程と、
を有することを特徴としている。

　このハイポイドギヤの製造方法は、直径が１４μｍ以下の砥粒を用いた精研磨を実行可能なラッピング工程を有する。このため、表面処理工程で生じた歯の形状歪を除去すると共にハイポイドギヤの歯面粗さを改善することができる。

　このハイポイドギヤの製造方法は、ラッピング工程後にショットピーニング工程を有する。このため、歯面強度の向上を図りながら潤滑油を歯面上に保持可能なディンプルを歯面上に形成することができる。

　また、ショットピーニング工程は、直径が１４μｍ以下の砥粒を用いてラッピング加工された第２中間体に直径１６０μｍ以下の粒子を吹き付ける工程である。このため、ラッピング工程で生じた筋目状の加工痕を単一のショットピーニング工程によって除去することができ、歯面上の油膜破断を回避することができる。

　前記表面処理工程が、熱処理工程と所定粒径の粒子を吹き付けるショットピーニング工程のうち少なくとも１つの工程を含む、としてもよい。

　この構成によれば、ハイポイドギヤの歯面を容易に硬質化することができる。

　前記ラッピング工程が、砥粒の直径をＲ（μｍ）、ドライブピニオンの回転速度をＮ（ｒｐｍ）としたとき、
　３３０００≦Ｒ×Ｎ≦５００００
　の関係式を満たす、としてもよい。

　この構成によれば、砥粒の大きさに関わらずラッピング工程の処理時間を略同等にすることができる。

　砥粒の直径を１４μｍ、ドライブピニオンの回転速度を２４００ｒｐｍと、してもよい。

　この構成によれば、筋目状の加工痕を除去しつつラッピング工程で使用されるラップ盤の制御性を確保することができる。

　前記ショットピーニング工程後のハイポイドギヤの歯面粗さが、０．８μｍ以下である、としてもよい。

　この構成によれば、動力伝達損失を大幅に低減することができる。

　前記ハイポイドギヤは、差動装置のピニオンギヤ又はリングギヤである、としてもよい。

　この構成によれば、車両の動力伝達損失を低減することができ、燃費改善を図ることができる。

　前記のハイポイドギヤの製造方法によれば、精研磨を実行するラッピング工程後に筋目状の加工痕を除去可能なショットピーニング工程を実行することにより、生産性と動力伝達効率とを両立することができる。

実施例１に係るハイポイドギヤを備えたＲＤＵを搭載したパワープラントユニットの斜視図である。 ＲＤＵの破断説明図である。 ハイポイドギヤの製造方法に係るステップチャートである。 第１の検証結果の表である。 第２の検証結果のグラフである。 従来のハイポイドギヤの製造方法に係るステップチャートである。

　以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

　以下、本発明の実施例１について図１～図５に基づいて説明する。

　図１に示すように、本実施例１に係るハイポイドギヤ１０は、例えば、４輪駆動車両のパワープラントユニット１に装備される差動装置、具体的には、ＦＤＵ（Front Differential Unit）２とＲＤＵ（Rear Differential Unit）３の主要な構成部品である。パワープラントユニット１は、エンジン４から出力された駆動力を変速機５によって変速し、変速された駆動力をＦＤＵ２及びＲＤＵ３を介して前後ドライブシャフト６，７に伝達している。

　図２に示すように、ＲＤＵ３は、ピニオンギヤ１１とリングギヤ１２とを備えている。

　ピニオンギヤ１１は、変速機５から出力された駆動力を下流側に伝達するリヤ側駆動軸８の先端（後端）に取り付けられている。リングギヤ１２は、ＲＤＵ３のケース３ａの内側に取り付けられている。ピニオンギヤ１１とリングギヤ１２は、各々の回転中心軸が捩れ位置関係、つまり、相互に交差せず且つ非平行状態で噛合している。即ち、ハイポイドギヤ１０は、ピニオンギヤ１１とリングギヤ１２が噛合された歯車対によって構成されている。ＦＤＵ２は、ＲＤＵ３と同様に、ハイポイドギヤを構成するピニオンギヤとリングギヤとを備えている（何れも図示略）。

　次に、図３に基づき、ハイポイドギヤ１０（１１，１２）の製造工程について説明する。

　尚、Ｓｉ（ｉ＝１，２…）は各工程を示すステップである。また、第１～第５中間ギヤ１０ａ～１０ｅは、ピニオンギヤ１１の中間体とリングギヤ１２の中間体の歯車対を表す。

　図３に示すように、ハイポイドギヤ１０は、歯切り工程Ｓ１、熱処理工程Ｓ２、第１ショットピーニング工程Ｓ３、ラッピング工程Ｓ４、第２ショットピーニング工程Ｓ５（ショットピーニング工程）を経て完成される。ここで、熱処理工程Ｓ２と第１ショットピーニング工程Ｓ３は、ハイポイドギヤ１０の歯の表面に硬化層を形成する表面処理工程に相当している。

　歯切り工程Ｓ１は、ギヤ素材に完成品における歯の寸法形状を形成している。

　ギヤ素材は、焼入用合金鋼（機械構造用炭素鋼）であり、例えば、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４５）である。歯は、ホブ盤によるホブ切り、或いはピニオンカッタ等を用いた歯切りによって切削加工され、ギヤ素材から第１中間ギヤ１０ａを形成している。

　歯切り工程Ｓ１では、ホブの回転と共に一定比率でギヤ素材を回転し、同時にホブをギヤ軸方向に送り出すことで創成歯切りが行われる。ハイポイドギヤ１０では、歯筋が捩れた曲線である。ハイポイドギヤ１０では、環状カッタを用いた創成歯切り、又は円錐ホブを用いた創成歯切りにより歯切り加工されている。

　熱処理工程Ｓ２は、浸炭焼入れを行う。

　熱処理工程Ｓ２では、第１中間ギヤ１０ａを、例えば、９００～９５０℃の温度範囲に加熱し、１．５～４時間保持して浸炭及び拡散処理を行う。その後、８５０℃まで温度を下げて所定時間温度を保持した後、２００～２５０℃のソルトバスに所定時間浸漬させて焼入れを行い第２中間ギヤ１１ｂを形成する。尚、この焼入れ後、１３０～１７０℃の温度範囲で１～２時間保持した後、空冷する焼き戻しを行うことで、第２中間ギヤ１０ｂの圧縮残留応力を更に高めることも可能である。

　第１ショットピーニング工程Ｓ３は、歯面に対する圧縮残留応力付与を主目的としたショットピーニングを行う。第２中間ギヤ１０ｂの外周位置に、ショットピーニング装置（図示略）を配置している。第１ショットピーニング工程Ｓ３では、第２中間ギヤ１０ｂを軸心回りに回転させながら鋼球粒子を歯及び歯底に向かって投射し、第３中間ギヤ１０ｃ（第１中間体）を形成する。

　投射条件は、例えば、粒子の平均直径が０．１～１．０ｍｍ、粒子の硬度が６００～８００ＨＶ、投射速度が５０～１００ｍ／ｓｅｃに設定されている。粒子の平均直径が０．１ｍｍ未満では、圧縮残留応力が殆ど付与されず、１．０ｍｍ超では、歯面粗さが大きくなるためである。尚、投射速度を５０～６０ｍ／ｓｅｃのコンベンショナルショットと、５０～１００ｍ／ｓｅｃのハードショットの２段ショットピーニングにしても良い。

　ラッピング工程Ｓ４は、ラップ盤（図示略）を用いてラッピング加工を行う。

　このラッピング工程Ｓ４では、平均直径が１４μｍ以下の微細砥粒を用いて、浸炭焼入れ後の第３中間ギヤ１０ｃの焼入れ歪を除去すると共に、第３中間ギヤ１０ｃのピニオンギヤとリングギヤとの噛合わせを滑らかにするための精研磨加工を実行し、第４中間ギヤ１０ｄ（第２中間体）を形成する。平均直径が１４μｍを超える砥粒を用いる場合、第２ショットピーニング工程Ｓ５にて筋目状の加工痕を除去することが難しく、それ故、別途、後工程で精研磨加工が必要になるためである。

　ラップ盤は、例えば、第３中間ギヤ１０ｃのピニオンギヤ（ドライブピニオン）を回転自在に保持するピニオンギヤ保持手段と、回転軸が第３中間ギヤ１０ｃのピニオンギヤの回転軸に交差するように配置され且つリングギヤを回転自在に保持するリングギヤ保持手段と、基台上においてリングギヤ保持手段を前後上下左右方向に移動可能なリングギヤ移動手段と、基台上において揺動中心回りにピニオンギヤ保持手段を水平方向に揺動可能なピニオンギヤ移動手段と、砥粒と加工液から構成されたラップ剤を第３中間ギヤ１０ｃの噛合い歯面に供給する供給手段と、制御手段等を備えている（何れも図示略）。ラップ盤の構成は公知であるため、詳細な説明を省略する。

　制御手段は、ピニオンギヤの回転速度（ｒｐｍ）、伝達トルク、揺動幅、サイクル数、サイクル時間等の加工条件に基づきラッピング加工を実行する。１サイクルは、ラップ盤の動作により第３中間ギヤ１０ｃの歯当りが歯幅全体を歯筋方向に往復移動（オシレーション）して元の位置に戻るまでの移動行程であり、サイクル時間は、設定されたサイクル数を実行するために要する時間である。

　砥粒の大きさに関わらずラッピング工程Ｓ５の要する処理時間を略同等にするため、砥粒の直径をＲ（μｍ）、ピニオンギヤの回転速度Ｎ（ｒｐｍ）としたとき、次式の関係が成立している。

　３３０００≦Ｒ×Ｎ≦５００００　　…（１）
　３３０００未満の場合、量産性を確保することができず、５００００を超える場合、加工精度を確保することができないためである。本実施例では、砥粒の平均直径が１４μｍ、回転速度２４００ｒｐｍ、伝達トルクが１．０ｋｇｍに設定され、砥粒の平均直径が４０μｍ、回転速度１２００ｒｐｍ、伝達トルクが１．０ｋｇｍを条件としたラッピング加工と略同等の加工量を確保している。

　第２ショットピーニング工程Ｓ５は、平均直径が１６０μｍ以下の鋼球粒子を用いてショットピーニングを行い、ハイポイドギヤ１０の完成品を得る。

　第４中間ギヤ１０ｄのピニオンギヤ及びリングギヤには、ラッピング工程Ｓ４の砥粒の圧着による歯筋方向に延びる筋目状の加工痕が形成されている。そこで、第２ショットピーニング工程Ｓ５では、ラッピング工程Ｓ４で生じた加工痕の除去を主な目的としている。

　平均直径が１６０μｍを超える鋼球粒子を用いた場合、歯面粗さを０．８μｍに抑えることが難しく、しかも、ショットピーニングにより形成されたディンプル（凹部）内に潤滑油を保持する潤滑油保持機能を十分に発揮することができない。本実施例では、鋼球粒子の平均直径を１６０μｍに設定している。

　次に、上記ハイポイドギヤの製造方法の作用、効果について説明する。

　作用、効果の説明に当り、第１，第２の検証を行った。

　第１の検証は、ハイポイドギヤに形成された筋目状の加工痕を確認した。

　検証手順は、＃３２０、＃５００、及び＃８００の砥粒を用いて夫々ラッピング加工を行ったハイポイドギヤの中間体に対して粒径の異なる４種類（５０μｍ，９０μｍ，１６０μｍ，１９０μｍ）の鋼球を用いたショットピーニングを行い、各ショットピーニング後における筋目状の加工痕の有無について確認を行った。尚、＃３２０は平均直径４０μｍ、＃５００は平均直径２５μｍ、及び＃８００は平均直径１４μｍの砥粒であり、砥粒径以外の処理条件は同じである。

　図４の検証結果に示すように、＃３２０及び＃５００の砥粒を用いたラッピング加工を行った場合、ハイポイドギヤに形成された加工痕が大きいため、何れの粒径の鋼球であっても、加工痕を除去することは困難であった。一方、＃８００の砥粒を用いたラッピング加工を行った場合、平均直径５０μｍ及び１６０μｍの鋼球を用いたショットピーニングにより加工痕が除去された。

　以上により、少なくとも、平均直径１４μｍの砥粒を用いたラッピング加工を行った場合、平均直径が１６０μｍ以下の鋼球を用いたショットピーニングによって筋目状の加工痕を除去可能であることが確認された。尚、製造公差等の生産性の観点から、平均直径１６０μｍの鋼球粒子は、平均直径５０μｍの鋼球粒子よりも供給安定性が高い。

　第２の検証は、製造方法及び製造工程が異なる３種類のハイポイドギヤＡ～Ｃを製造し、各々の噛合摩擦損失（％）を比較した。

　ハイポイドギヤＡは、ラッピング工程の砥粒が＃３２０（平均直径４０μｍ）とされ、第２ショットピーニング工程を省略してリューブライト処理工程を行い、それ以外の工程は本実施例と同様の製造方法で製造された。ハイポイドギヤＢは、第２ショットピーニング工程の鋼球粒子の平均直径が５０μｍとされ、それ以外の工程は本実施例と同様の製造方法で製造された。ハイポイドギヤＣは、本実施例の製造方法で製造された完成品である。

　図５に検証結果を示す。

　図５に示すように、ハイポイドギヤＡは、歯面粗さが０．９８μｍであり、噛合摩擦損失が４．４％であった。このハイポイドギヤＡには、筋目状の加工痕が存在していた。

　ハイポイドギヤＢ，Ｃは、共に歯面粗さが０．８μｍ以下であり、噛合摩擦損失が夫々２．２％，３．４％であった。また、ハイポイドギヤＢ，Ｃには、共に筋目状の加工痕が存在していない。これにより、第２ショットピーニング工程の鋼球粒子の平均直径が１６０μｍ以下の場合、噛合摩擦損失が改善されることが確認された。しかも、平均直径が小さい程、噛合摩擦損失の改善効果が高いことが判明した。

　この製造方法は、直径が１４μｍ以下の砥粒を用いた精研磨を実行可能なラッピング工程Ｓ４を有するため、熱処理工程Ｓ２及び第１ショットピーニング工程Ｓ３で生じた歯の形状歪を除去すると共にハイポイドギヤ１０の歯面粗さを改善することができる。

　この製造方法は、ラッピング工程Ｓ４後に第２ショットピーニング工程Ｓ５を有するため、歯面強度の向上を図りながら潤滑油を歯面上に保持可能なディンプルを歯面上に形成することができる。

　また、第２ショットピーニング工程Ｓ５は、直径が１４μｍ以下の砥粒を用いてラッピング加工された第４中間ギヤ１０ｄに直径１６０μｍ以下の粒子を吹き付けるため、ラッピング工程Ｓ４で生じた筋目状の加工痕を単一の第２ショットピーニング工程Ｓ５によって除去することができ、歯面上の油膜破断を回避することができる。

　表面処理工程が、熱処理工程Ｓ２と所定粒径の粒子を吹き付ける第１ショットピーニング工程Ｓ３を含むため、ハイポイドギヤ１０の歯面を容易に硬質化することができる。

　ラッピング工程Ｓ４が、砥粒の直径をＲ（μｍ）、ドライブピニオンの回転速度をＮ（ｒｐｍ）としたとき、式（１）を満たすため、砥粒の大きさに関わらずラッピング工程Ｓ４の処理時間を略同等にすることができる。

　砥粒の直径を１４μｍ、ドライブピニオンの回転速度を２４００ｒｐｍとしたため、筋目状の加工痕を除去しつつラッピング工程Ｓ４で使用されるラップ盤の制御性を確保することができる。

　第２ショットピーニング工程Ｓ５後のハイポイドギヤ１０の歯面粗さが、０．８μｍ以下であるため、動力伝達損失を大幅に低減することができる。

　ハイポイドギヤ１０は、ＲＤＵ３のピニオンギヤ１１及びリングギヤ１２であるため、車両の動力伝達損失を低減することができ、燃費改善を図ることができる。

　次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
１〕前記実施形態においては、４輪駆動車両の作動装置に用いられたハイポイドギヤ１０の例を説明したが、ＦＤＵ２及びＲＤＵ３のうち一方のみのハイポイドギヤに適用しても良い。また、２輪駆動車両の作動装置に適用しても良く、耐久性が要求される動力伝達機構であれば車両以外の何れの機構に対しても適用可能である。
２〕前記実施形態においては、ラッピング工程Ｓ４の前に熱処理工程Ｓ２及び第１ショットピーニング工程Ｓ３を実行した例を説明したが、少なくとも、ラッピング工程Ｓ４に連続して単一の第２ショットピーニング工程Ｓ５を実行すれば良く、ラッピング工程Ｓ４の前に熱処理工程Ｓ２と第１ショットピーニング工程Ｓ３のうち何れか一方のみを実行しても良い。また、熱処理工程Ｓ２及び第１ショットピーニング工程Ｓ３の実行条件は、記載した仕様に限られず、適宜条件を設定可能である。
３〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

３　　　ＲＤＵ
１０　　ハイポイドギヤ
１１　　ピニオンギヤ
１２　　リングギヤ
Ｓ１　　歯切り工程
Ｓ２　　熱処理工程
Ｓ３　　第１ショットピーニング工程
Ｓ４　　ラッピング工程
Ｓ５　　第２ショットピーニング工程
 

Claims (6)

1. 　ハイポイドギヤの歯の形状を加工する歯切り工程と、
   　前記歯の表面に硬化層が形成された第１中間体を成形する表面処理工程と、
   　前記第１中間体を直径が１４μｍ以下の砥粒を用いた加工により第２中間体を成形するラッピング工程と、
   　前記第２中間体に直径１６０μｍ以下の粒子を吹き付けるショットピーニング工程と、
   　を有することを特徴とするハイポイドギヤの製造方法。
2. 　前記表面処理工程が、熱処理工程と所定粒径の粒子を吹き付けるショットピーニング工程のうち少なくとも１つの工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のハイポイドギヤの製造方法。
3. 　前記ラッピング工程が、砥粒の直径をＲ（μｍ）、ドライブピニオンの回転速度をＮ（ｒｐｍ）としたとき、
   　３３０００≦Ｒ×Ｎ≦５００００
   　の関係式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイポイドギヤの製造方法。
4. 　砥粒の直径を１４μｍ、ドライブピニオンの回転速度を２４００ｒｐｍとしたことを特徴とする請求項３に記載のハイポイドギヤの製造方法。
5. 　前記ショットピーニング工程後のハイポイドギヤの表面粗さが、０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載のハイポイドギヤの製造方法。
6. 　前記ハイポイドギヤは、差動装置のピニオンギヤ又はリングギヤであることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載のハイポイドギヤの製造方法。
    

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