(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に形成された複数の歯を有する歯車素材に適用され、
前記複数の歯の歯先部、歯元部、及びこれらの歯先部と歯元部との間の噛合い部の表面に浸炭処理を施した歯車の製造方法において、
固体潤滑剤から成り、前記歯車素材の浸炭を妨げる防炭材を前記歯先部に付与する防炭材付与工程と、
この防炭材付与工程が実施された後に前記歯先部、前記歯元部、及び前記噛合い部の表面に浸炭処理を施す浸炭処理工程とを備えたことを特徴とする歯車の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の歯車の製造方法において、
前記防炭材付与工程における前記防炭材の付与は、ショットピーニングにより行われることを特徴とする歯車の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の歯車の製造方法において、
前記防炭材付与工程における前記防炭材の付与は、前記防炭材を噴射する一対の噴射ノズルを用い、これらの一対の噴射ノズルの噴射孔を前記歯先部の表面に対向させ、前記歯先部に沿う軸に対して対称となる方向から前記防炭材をそれぞれ噴射して行われることを特徴とする歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯の表面に浸炭処理が施された歯車の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の建設機械は、走行体の走行モータの回転を減速させる走行減速機及び旋回装置の旋回モータを減速させる旋回減速機等を備えており、これらの走行減速機及び旋回減速機等には、外周に複数の歯が形成された歯車が用いられている。このような歯車は、相手部材と噛合うことによって高い摺動面圧を受けるので、高強度のみならず、特に耐ピッチング性が要求される。
【０００３】
従って、歯車の歯は、その製造過程において、例えば浸炭処理が施されて表面の強度及び耐ピッチング性が向上されており、特に歯先部から歯元部に至るまで浸炭深さが一様であることが望ましいが、一般的な浸炭処理により製造された歯車では、歯先部の浸炭深さが他の表面部分と比較して大きくなる。そのため、歯先部ではセメンタイトが析出し易く、使用中に歯先部において歯欠けが発生することにより、歯先部の強度が低下すると共に、歯先部の硬度が高くなるので、相手部材が損傷する虞があった。
【０００４】
一方、歯元部の強度を向上させる従来技術として特許文献１に示す鋼製及びその製造方法が知られているが、この鋼製及びその製造方法は、防炭法としてのＣｕ、Ｎｉ等によるメッキを歯車素材の歯の表面全体に施した後、歯元部以外に施された防炭処理を切削除去してから歯車素材の歯の表面に浸炭を施し、歯元部に施された防炭処理を除去するようにしている。また、メッキを用いた防炭法以外にも防炭ハケ塗り法及び防炭シール貼付法等による防炭法の技術が従来より知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２６０２０２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上述した特許文献１に開示された従来技術の鋼製の製造方法を歯車素材の歯元部の代わりに歯先部に適用したり、あるいは従来より知られている防炭ハケ塗り法及び防炭シール貼付法等による防炭法を歯先部の表面にのみ付与することが考えられるが、これらの方法では歯車素材の歯の表面に施された防炭処理を除去する作業及び歯の表面のうち必要な部分に付与する作業に長時間を要するので、歯車の生産性が低いことが問題となっている。特に、防炭法として防炭ハケ塗り法及び防炭シール貼付法を用いた場合には、防炭材の塗布作業及び防炭シールの貼付作業に作業者の熟練が必要とされるので、必ずしも製造された歯車の歯の表面全体において浸炭深さの均一性を確保できるとは限らず、歯先部の表面に十分な耐焼付性が得られない虞がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、歯の表面全体において浸炭深さの均一性が確保された歯車を容易に製造することができる歯車の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の歯車の製造方法は、外周に形成された複数の歯を有する歯車素材に適用され、前記複数の歯の歯先部、歯元部、及びこれらの歯先部と歯元部との間の噛合い部の表面に浸炭処理を施した歯車の製造方法において、固体潤滑剤から成り、前記歯車素材の浸炭を妨げる防炭材を前記歯先部に付与する防炭材付与工程と、この防炭材付与工程が実施された後に前記歯先部、前記歯元部、及び前記噛合い部の表面に浸炭処理を施す浸炭処理工程とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように構成した本発明は、歯車素材の浸炭を妨げる防炭法として固体潤滑剤から成る防炭材を歯先部の表面に付与しているので、防炭ハケ塗り法や防炭シール貼付法等のように作業者の熟練が必要とされる方法を用いなくて済み、防炭材付与工程を容易に実施することができる。そして、浸炭処理工程において歯先部の表面に施される浸炭処理の効果が防炭材によって抑制されるので、歯の歯先部から歯元部に至るまで一様な浸炭深さを得ることができる。特に、製造された歯車の歯先部の表面は、付与された防炭材の固体潤滑剤が有する機能によってすべりが良好な状態となり、防炭処理を除去する作業を行わなくても歯先部の表面に十分な耐焼付性を得ることできるので、歯車の製造にかかる時間を短縮することができる。このように、歯の表面全体において浸炭深さの均一性が確保された歯車を容易に製造することができる。
【００１０】
また、本発明に係る歯車の製造方法は、前記発明において、前記防炭材付与工程における前記防炭材の付与は、ショットピーニングにより行われることを特徴としている。このように構成すると、防炭材付与工程において防炭材を歯車素材の歯先部に的確に付与することができるので、ショットピーニング条件を適宜変更するだけで製造される歯車の所望の特性を容易に得ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る歯車の製造方法は、前記発明において、前記防炭材付与工程における前記防炭材の付与は、前記防炭材を噴射する一対の噴射ノズルを用い、これらの一対の噴射ノズルの噴射孔を前記歯先部の表面に対向させ、前記歯先部に沿う軸に対して対称となる方向から前記防炭材をそれぞれ噴射して行われることを特徴としている。このように構成すると、歯車素材の歯先部に防炭材が複数の噴射ノズルから打ち込まれるので、歯先部の表面に対する防炭材の単位時間当たりの衝突回数が増大し、歯先部の表面に防炭材の緻密な膜を形成することができる。これにより、歯車素材の歯先部の表面における防炭効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の歯車の製造方法によれば、浸炭処理工程の前工程として実施される防炭材付与工程において、歯車素材の浸炭を妨げる防炭材に固体潤滑剤を用いているので、防炭処理を除去する作業を必要とせず、防炭材を歯の歯先部の表面に迅速に付与することができる。これにより、歯の表面全体において浸炭深さの均一性が確保された歯車を容易に製造することができるので、歯車の生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る歯車の製造方法の一実施形態が備えられる建設機械の一例として挙げた油圧ショベルを示す図である。
【図２】本実施形態に係る歯車の製造方法の防炭材付与工程が実施されている状況を示す図である。
【図３】ショットピーニングによる防炭処理及び浸炭処理が施された純鉄の表面における防炭材の膜厚（ｍｍ）と表層から０．５ｍｍ位置の深さのＣ濃度（ｗｔ％）との関係を示す図である。
【図４】本実施形態に係る歯車の製造方法の浸炭処理工程における時間（ｈ）と温度（℃）との関係を示す図である。
【図５】本実施例と対比される比較例により製造された歯車の歯の表面からの深さ（ｍｍ）とＣ濃度（ｗｔ％）との関係を示す図である。
【図６】本実施例により製造された歯車の歯の表面からの深さ（ｍｍ）とＣ濃度（ｗｔ％）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る歯車の製造方法、及びその方法を用いて製造された歯車を実施するための形態を図に基づいて説明する。
【００１６】
本発明に係る歯車の製造方法の一実施形態は、建設機械、例えば図１に示すように油圧ショベル１に使用される歯車の製造に適用される。具体的には、油圧ショベル１は、車体を走行させる走行体２と、この走行体２の上側に旋回装置３Ａを介して旋回可能に取り付けられ、旋回フレーム３ａを有する旋回体３と、この旋回体３の前方に取り付けられて上下方向に回動し、掘削等の作業を行うフロント作業機４とから構成されている。
【００１７】
旋回体３は、前方に配置され、作業者が乗車して運転するキャブ７と、後方に配置され、車体のバランスを保つカウンタウェイト６と、これらのキャブ７とカウンタウェイト６との間に配置され、エンジン（図示せず）を内部に収容するエンジンルーム５とを備えている。
【００１８】
走行体２は、走行動作の動力駆動源となる走行モータ（図示せず）と、この走行モータの回転を減速させる走行減速機１０と、旋回装置３Ａを支持するトラックフレーム１１と、このトラックフレーム１１の前後方向に沿う一端に取付けられ、走行減速機１０によって増トルクされて回動駆動するスプロケット１２と、トラックフレーム１１の前後方向に沿う他端に回動可能に取付けられた遊動輪１３と、これらのスプロケット１２及び遊動輪１３の外周に無端状に巻かれた履帯１４と、この履帯１４を内側から案内するガイドローラ１５とを有している。従って、走行モータの駆動力が走行減速機１０を介してスプロケット１２に伝達され、スプロケット１２が回動駆動することで履帯１４が回動して地面と摺動し、車体が移動するようになっている。
【００１９】
旋回装置３Ａは、図示されないが、旋回動作の動力駆動源となる旋回モータと、この旋回モータの回転を減速させる遊星減速機構と、この遊星減速機構によって増トルクされて回動駆動する旋回出力軸と、この旋回出力軸を収容するハウジングとを備えている。従って、旋回モータの駆動力が遊星減速機構を介して旋回出力軸に伝達され、旋回出力軸が回動駆動することで旋回体３が旋回するようになっている。
【００２０】
このように構成された走行体２の走行減速機１０、スプロケット１２、及び旋回装置３Ａの遊星減速機構には、外周に形成された複数の歯を有する歯車が使用されており、この種の歯車を製造するに際し、本発明に係る歯車の製造方法の一実施形態が適用される。以下、本実施形態に係る歯車の製造方法の構成について図２を参照して詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態に係る歯車の製造方法は、図２に示すように円筒状の鋼材の外周に複数の歯形を歯切り加工により形成した歯車素材２１を用い、形成された複数の歯２２の歯先部２３、歯元部２４、及びこれらの歯先部２３と歯元部２４との間の噛合い部２５の表面に浸炭処理を施すものである。
【００２２】
具体的には、本実施形態に係る歯車の製造方法は、固体潤滑剤から成り、歯車素材２１の浸炭を妨げる防炭材２６を歯先部２３に付与する防炭材付与工程と、この防炭材付与工程が実施された後に歯先部２３、歯元部２４、及び噛合い部２５の表面に浸炭処理を施す浸炭処理工程とを備えている。また、防炭材２６が付与される歯車素材２１の歯先部２３の表面形状は、正面側の先端面２３ａと、この先端面２３ａの両側から奥側の噛合い部２５及び歯元部２４に向かって傾斜する傾斜面２３ｂとから成っている。
【００２３】
本実施形態では、防炭材２６は、例えば二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の粒子から成っている。防炭材付与工程における防炭材２６の付与は、ショットピーニングにより行われ、例えば防炭材２６を噴射する一対の噴射ノズル３０を用い、これらの一対の噴射ノズル３０の噴射孔３１を歯車素材２１の歯先部２３の傾斜面２３ｂに対向させ、歯先部２３に沿う軸Ａに対して対称となる方向から防炭材２６をそれぞれ噴射して行われる。
【００２４】
ここで、図３は、純鉄に対して防炭材２６を噴射ノズル３０で打ち込んだ後、浸炭処理（カーボンポテンシャル（以下、便宜的にＣＰと呼ぶ）１．４％）を施すことにより、純鉄の表面に形成された防炭材２６の膜厚（ｍｍ）と表層から０．５ｍｍ位置の深さのＣ濃度（ｗｔ％）との関係を示しており、防炭材２６の膜厚が大きいほど表層から０．５ｍｍ位置のＣ濃度が減少し、防炭材２６の付与による浸炭処理の効果が抑制されている。そこで、本実施形態では、防炭材付与工程におけるショットピーニング条件を変更することで歯車素材２１の歯２２の表面に形成される防炭材２６の膜厚を調整することにより、製造される歯車の歯の表面におけるＣ濃度を制御している。
【００２５】
防炭材付与工程では、まず歯車素材２１を回転させる回転装置（図示せず）を用意し、歯車素材２１の中空部分２１ａをこの回転装置の出力軸に挿通して歯車素材２１を回転装置に取り付ける。次に、回転装置の出力軸を駆動して歯車素材２１を回転させ、歯車素材の複数の歯２２のいずれか一つの歯先部２３の表面のうち上端部分に一対の噴射ノズル３０の噴射孔３１を対向させる。
【００２６】
このとき、各噴射ノズル３０は、歯先部２３の傾斜面２３ｂに向かって所定の間隔で離隔して配置される。そして、各噴射ノズル３０の噴射孔３１から防炭材２６を噴射させ、この状態を保ちながら回転装置を制御して各噴射ノズル３０の噴射孔３１を歯先部２３に沿って下方へ走査することにより、一つの歯２２の歯先部２３の表面全体に各噴射ノズル３０の噴射孔３１から噴射された防炭材２６を衝突させる。
【００２７】
この歯先部２３に対する防炭材２６の付与が完了すると、各噴射ノズル３０による防炭材２６の噴射を停止した後、回転装置を制御して歯車素材２１を歯２２の１ピッチ分に相当する角度だけ回転し、防炭処理が完了した歯２２に隣接する歯２２の歯先部２３の表面のうち上端部分に各噴射ノズル３０の噴出孔３１を対向させる。そして、上述したのと同様の動作を繰返し、歯車素材２１の全ての歯２２の歯先部２３に対して防炭処理を施す。
【００２８】
浸炭処理工程では、このように歯車素材２１の全ての歯２２の歯先部２３に対する防炭処理が完了した後に、所定の条件下で各歯２２の歯先部２３、歯元部２４、及び噛合い部２５の表面に浸炭焼入れによる熱処理を行う。この熱処理は、例えば歯車素材２１の表面を炭素を含むガス雰囲気中において所定の温度で保持して浸炭処理を施した後、この歯車素材２１を油冷により冷却する。本実施形態では、歯車素材２１の歯先部２３、歯元部２４、及び噛合い部２５の表面に浸炭深さが１．２〜３．０ｍｍである表層が形成されるように、例えば浸炭処理を行う時間を設定することにより、得られる浸炭深さが調整されている。
【００２９】
次に、上記浸炭処理工程において行われる熱処理の条件を定めて実施した実施例、及びこの実施例と比較する比較例について説明する。
【００３０】
［実施例］
本実施例は、歯車素材２１の材質にＳＣＭ４２０を用い、防炭材付与工程におけるショットピーニング条件として、防炭材２６に粒径０．４μｍの二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の粒子を用い、噴射方式を空気圧とし、噴射圧力を０．３ＭＰａ、ガバレージを３００％相当に設定した。また、ショットピーニングにより形成される防炭材２６の膜厚は、防炭材２６の粒子の粒径、噴射圧力、及び噴射時間を変更してガバレージを調整することにより制御した。
【００３１】
次に、浸炭処理工程における熱処理の条件として、図４に示すように浸炭処理においてＣＰが０．９５％のプロパンガスを用い、歯車素材２１をこのガス雰囲気中において９３０℃の温度で１５時間保持する浸炭処理を行った後、ガス雰囲気中のＣＰを０．６％まで減少させて１時間保持する拡散処理を行い、さらにＣＰを０．６％に保ちつつ温度を８２０℃まで降下させてそのまま２時間保持した。そして、ガス雰囲気中から取り出した歯車素材２１を１２０℃の温度の油冷によって冷却した。
【００３２】
次に、本実施例により製造された歯車の歯の一部を切り出した断面に対して、歯の表面からの深さ方向におけるＣ濃度を電子マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により測定した。
【００３３】
［比較例］
一方、比較例は、上述した本実施例で行われた防炭材付与工程を行わずに、本実施例と同様の熱処理の条件で浸炭処理工程のみを実施した。すなわち、歯車素材２１の歯先部２３に対して防炭処理が施されないまま、歯車素材２１に対して上述の浸炭焼入れによる熱処理を行った。そして、本実施例と同様に、比較例により製造された歯車の歯の一部を切り出した断面に対して、歯２２の表面からの深さ方向におけるＣ濃度を電子マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により測定した。
【００３４】
以上の結果、比較例では、図５に示すように歯２２の表面からの深さ方向におけるＣ濃度が噛合い部２５及び歯元部２４と比較して大きくなっており、噛合い部２５及び歯元部２４の浸炭深さは約１．３ｍｍに対して、歯先部２３の浸炭深さは約４ｍｍである結果が得られた。従って、防炭材２６が歯先部２３の表面に付与されずに製造された歯車は、噛合い部２５及び歯元部２４に対して歯先部２３のＣ濃度が高くなり、歯先部２３から歯元部２４に至るまで一様な浸炭深さが得られないので、歯先部２３にセメンタイトが析出し易い状態となり、歯先部２３の表面の強度及び耐ピッチング性の観点から油圧ショベル１の使用に適していないと考えられる。
【００３５】
これに対し、本実施例では、図６に示すように歯２２の表面からの深さ方向におけるＣ濃度が歯先部２３、噛合い部２５、及び歯元部２４において同等であり、これらの各部分の浸炭深さは約１．３ｍｍである結果が得られた。従って、防炭材２６が歯先部２３の表面に付与されて製造された歯車は、歯先部２３から歯元部２４に至るまで一様な浸炭深さを得ることができるので、歯先部２３における歯欠けの発生を抑制することができ、歯先部２３の強度を高く維持すると共に、相手部材へ及ぼす負荷を軽減することができる。
【００３６】
このように構成した本実施形態に係る歯車の製造方法によれば、歯車素材２１の浸炭を妨げる防炭法として二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の粒子を歯先部２３の表面に噴射するようにしているので、作業者の熟練を必要とせず、防炭材付与工程を容易に実施することができる。そして、浸炭処理工程において歯先部２３の表面に浸炭処理が施されても、表面に形成された二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の粒子の層によって歯先部２３が浸炭され難くなるので、図６に示すように歯先部２３から歯元部２４に至るまで一様な浸炭深さを得ることができる。
【００３７】
特に、本実施形態に係る歯車の製造方法により製造される歯車の歯先部２３の表面は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）が有する固体潤滑剤としての機能によってすべりが良好な状態となり、防炭処理を除去する作業を行わなくても歯先部２３の表面に十分な耐焼付性を得ることできるので、歯車の製造にかかる時間を短縮することができる。さらに、浸炭処理工程の浸炭処理においてＣＰの値を高く設定しても、上述したのと同様の作用効果が得られるので、歯車を効率良く製造することができる。このように、歯２２の表面全体において浸炭深さの均一性が確保された歯車を容易に製造できるので、歯車の生産性を高めることができる。
【００３８】
また、本実施形態に係る歯車の製造方法は、防炭材付与工程において防炭材２６をショットピーニングによって歯先部２３の表面に打ち込むことにより、歯車素材２１の歯２２の表面のうち必要な部分に防炭材２６の膜を的確に形成することができる。そのため、ショットピーニング条件として防炭材２６の粒子の粒径、噴射圧力、及び噴射時間を変更してガバレージを調整し、形成される防炭材２６の膜厚を制御することにより、製造される歯車の歯先部２３の表面におけるＣ濃度を歯車の使用条件に応じて適宜設定することができる。これにより、歯車の汎用性を高めることができる。
【００３９】
また、本発明に係る歯車の製造方法は、防炭材付与工程において一対の噴射ノズル３０を用い、防炭材２６を歯車素材２１の歯先部２３に沿う軸Ａに対して対称となる方向から歯先部２３の表面に打ち込むことにより、歯先部２３の表面に対する防炭材２６の単位時間当たりの衝突回数が増大するので、歯先部２３の表面に防炭材２６の緻密な膜を形成することができる。これにより、歯先部２３の表面の防炭効果を高めることができるので、製造される歯車の歯２２の表面の強度及び耐ピッチング性をより向上させることができる。
【００４０】
ここで、仮に１つの噴射ノズル３０を用いて防炭材２６を歯車素材２１の歯先部２３の先端面２３ａに正面から打ち込んだ場合には、歯先部２３の先端面２３ａに対する防炭材２６の入射角が０度となり、歯先部２３の傾斜面２３ａに対する防炭材２６の入射角が０度よりも大きい値となることから、歯先部２３の先端面２３ａに形成される膜厚は傾斜面２３ｂに形成される膜厚よりも大きくなる傾向がある。
【００４１】
一方、本実施形態に係る歯車の製造方法は、このような傾向を考慮し、防炭材２６を歯車素材２１の歯先部２３に沿う軸Ａに対して対称となる方向から歯先部２３の傾斜面２３ｂに向かって噴射させることにより、歯先部２３の傾斜面２３ｂに対する防炭材２６の入射角が０度となってこの傾斜面２３ｂに形成される膜厚が増加すると共に、歯先部２３の先端面２３ａに対する防炭材２６の入射角は０度より大きい値となるが、この先端面２３ａには防炭材２６が一対の噴射ノズル３０によって打ち込まれることから先端面２３ａに形成される膜厚を維持することができる。
【００４２】
そして、本実施形態に係る歯車の製造方法は、上述のように防炭材２６を噴射させながら各噴射ノズル３０の噴射孔３１を歯先部２３に沿って上端部分から下方へ走査しているので、防炭材２６を歯先部２３の先端面２３ａだけでなく、その両側の傾斜面２３ｂを含む歯先部２３の表面全体に対して満遍無く衝突させることができる。これにより、歯車素材２１の歯先部２３に対して正確な防炭処理を実現することができる。
【００４３】
また、本実施形態に係る製造方法により製造された歯車は、図６に示す本実施例のように歯先部２３、歯元部２４、及び噛合い部２５に浸炭深さが約１．３ｍｍである表層が一様に形成されているので、歯車の歯２２の表面をこのような十分な表層で覆うことができる。従って、歯車が油圧ショベル１における走行体２の走行減速機１０、スプロケット１２、及び旋回装置３Ａの遊星減速機構に使用されても、歯車の歯２２を履帯１４等の相手部材から受ける摺動面圧や衝撃から適切に保護することができる。このように、本実施形態に係る製造方法により製造された歯車は、負荷が大きくなり易い油圧ショベル１の使用に適しており、優れた耐久性を確保することができるので、歯車の高寿命化を図ることができる。
【００４４】
なお、上述した本実施形態に係る歯車の製造方法は、防炭材２６が、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の粒子から成る場合について説明したが、この場合に限らず、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）又は二硫化タングステン（ＷＳ２）等の固体潤滑剤から成っていても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１  油圧ショベル（作業機械）
２  走行体
３  旋回体
３Ａ  旋回装置
３ａ  旋回フレーム
４  フロント作業機
１０  走行減速機
１１  トラックフレーム
１２  スプロケット
１３  遊動輪
１４  履帯
２１  歯車素材
２１ａ  中空部分
２２  歯
２３  歯先部
２３ａ  先端面
２３ｂ  傾斜面
２４  歯元部
２５  噛合い部
２６  防炭材
３０  噴射ノズル
３１  噴射孔
【図１】
0005934686.tif 000002
【図２】
0005934686.tif 000003
【図３】
0005934686.tif 000004
【図４】
0005934686.tif 000005
【図５】
0005934686.tif 000006
【図６】
0005934686.tif 000007