(57)【要約】      （修正有）【課題】  表面硬化処理された歯車モジュール、歯数に応じ平歯車および、ハイポイド歯車含めた各種立体歯車の摺動面全体に亘り表面粗さを均一で且つ微細で滑らかに湿式砥粒研削仕上げすること。【解決手段】  表面硬化処理した歯車１の表面を砥粒３と溶媒との混合体からなる回転可能な槽中に適切に設置し、槽の回転による砥粒遠心力、回転力及びその砥粒流れを利用して歯車１と衝突させ、歯車モジュールと歯数に合わせ適切に研削条件を設定し、且つ砥石加工条件を適切に選択することにより歯車表面摺動部を均一で微細滑らかに研削仕上げする歯車歯面の円滑化加工方法。【選択図】  図１
2006175545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車鋼材の表面を浸炭・浸炭窒化・高周波焼入れ焼戻し処理して表面硬度を上昇させた表面硬化歯車、およびその後機械研削やショットピーニングを施した表面硬化歯車へ、槽回転と歯車相互回転状態にて、槽回転による湿式砥粒の遠心力と槽外壁反力、回転力を利用して衝突させ、槽回転速度、歯車速度、歯車の設置位置・向き・深さを設定し、さらに、歯車大きさに応じた砥粒大きさと砥粒大小割合比・砥粒多角形形状・大きさを決めることにより、歯車摺動面を均一に、且つ微細滑らかに仕上げることを特徴とする歯車歯面の円滑化加工方法。
【請求項２】
表面硬化歯車、およびその後の機械研削やショットピーニング処理した表面硬化歯車の摺動面へ湿式砥粒研削を適用し、形成される均一で微細滑らかな摺動面の形状を、表面粗さと潤滑を考慮した形状潤滑、表面粗さ尖り部の滑らかさを考慮した表面粗さ形状、表面凹み形状と深さを表示した表面形状の各制御パラメータにて加工区分することにより、高面圧負荷時の歯車表面強度特性対応が調整可能な歯車歯面の円滑化加工方法
【請求項３】
制御された化学成分からなる焼入れ用歯車鋼材を表面硬化処理し、薄膜化された粒界酸化層と微細強化された不完全焼入れ層を形成することにより、歯車摺動面を湿式砥粒研削にて粒界酸化層を除去し、均一で微細滑らかな表面創出が可能な歯車歯面の円滑化加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歯車材を機械加工にて歯切り後、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化焼入れ、高周波焼入れ等にて表面硬化処理(以下、これらを総称して表面硬化処理と記す)、およびその後機械加工や冷間加工法の代表であるショットピーニング処理した、表面硬さＨｖ600以上の機械産業用歯車、自動車用歯車、建設機械用歯車、航空機用歯車等の動力伝導用歯車の歯車歯面の円滑化加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車を歯切り後表面硬化した歯車の表面は一般に最大表面粗さＲｍａｘが５〜１０μｍ  以上の表面粗さ状態となっている。この状態をＲｍａｘを約５μｍ以下(Ｒｚで3μｍ〜５μｍ以下)にする歯車円滑化法として、従来は高精度な機械研削やホーニング仕上げ加工が行われていたが、これらの加工法を用いるとＲｍａｘで2〜3μｍとなるが、加工時間がモジュールｍが3から5と小さいものでも数10分以上と、長時間を要していた。これら精密に機械仕上げ処理した場合も硬くて鋭い尖り部をもつ研削目や切削目が依然残存している。
又、最近は歯車曲げ疲労強度向上を狙い、歯元に圧縮残留応力を付加可能なショットピーニング処理加工が施されている。この場合も投射材と歯車表面との衝突にて凹み部形成とその箇所の表面粗さ尖り部の押しつぶれが生じるものの機械加工による鋭い尖り部は残存し、Ｒｍａｘは５〜１０μｍ程度と依然粗な表面状態となっている。また硬い金属球を60ｍ/ｓ以上の高速で投射することにより表面に損傷が生じやすく面圧強度は表面硬化処理まま、またはその後の機械研削の場合と同レベルであった。
従って歯車負荷摺動時の摩擦係数は大きく、特に高面圧負荷時、十万回以下繰り返し負荷回数での初期磨耗、初期焼付け（以下、総称して初期損傷と記す）が発生しやすかった。また、結果的には1500〜2000ＭＰａ以上の一千万回以上高面圧繰り返し負荷時の面圧強度（以下、耐久性と記す）維持ないし向上を図ることが困難であった。
【０００３】
歯車の表面粗さをＲｍａｘで５μｍ以下（Ｒｚで３μｍ相当以下）に改善し、初期損傷防止のための歯車表面円滑化法として燐酸塩を主成分とした化学的被膜処理つまり燐酸塩被膜処理や二硫化モリブデンの塗布処理等が行われてきた。しかし、初期磨耗自体は無くならず、高面圧時はピッチングが発生する場合が多い。これは初期磨耗による金属粉が潤滑油の中へ混入し、この金属粉が歯車噛合い摺動部へ入りこむことも一因している。つまり被膜剤の塗布は歯車表面強度、特に高面圧負荷時の耐久性の点からは本質的表面円滑化が図れていない。さらに、これら表面被膜剤が混入した潤滑油は不要化学成分のため、リサイクル油として適さず、環境負荷の点からも好ましくない。
【０００４】
これらを改善する方法として、セラミック焼結または焼成砥粒を円筒または多角形槽に水またはコンパウンドとともにワークを混在させ、槽の回転にて生じる遠心力で研磨する、湿式研磨法いわゆる槽のみの回転方式や槽とワーク相互に回転するジャイロ式のバレル処理（以下、ここでは後者を湿式砥粒研削と称す）がある。しかし、これらの方式は従来、一般に金属、プラスチック、などのばり取り用として適用されてきた。近年、機械要素の円筒ものの円筒面や球面など簡単な表面形状の表面円滑法としても使われつつある。
【０００５】
【特許文献１】特開平６-２４６５４８号公報
【特許文献２】特開平８-２３２９６４号公報
【特許文献３】特開平１１-４８０３６号公報
【０００６】
特許文献1では、表面硬化処理材へのバレル処理が述べられているが、バレル処理の詳細やバレル工程での技術上のポイントが述べられておらず、対象ワークが円筒ローラである。また使用される砥石径も５〜１２ｍｍ比較的大きいので砥粒粒度が粗く、微細研削には一般に適さない。さらに、加工処理時間が2〜4時間を要し、次いで１〜３ｍｍの小径砥石を用いた加工で2〜4時間を費やし合計4~8時間要している。歯車への適用説明がなく、当該研削所要時間とを併せて考えると量産を考慮にいれた産業用歯車への適用には技術上また実用上困難である。
【０００７】
特許文献２では、浸炭窒化処理した軸受けを対象としてバレル処理を用いている。バレル処理の前工程にブラスト処理を用いているが、この方法はショットピーニング処理と異なり品質が管理されていないので凹み部面積率を５〜２０％で管理するのは実用上無理がある。また、ショットピーニングにおける面積率つまりカバレージ面積率は管理の面も含め、一般に８０〜９０%以上を確保しないとショットピーニングの効果は現れない。また、投射材にアルミナのセラミックを用いており０．４ＭＰａの高圧投射では表面硬化処理材との衝突にて破砕する割合が高く再使用の可能性が低いので実用上無理がある。また、バレル後の表面粗さがＲｍａｘ4μｍでは軸受け等での高面圧負荷維持が困難であり、初期磨耗やピッチングが生じやすい。結果的に歯車への適用には課題が多い。
【０００８】
特許文献３では浸炭処理による表面硬化処理後研削し、その後ショットピーニングした円筒ローラへのバレル処理を述べているが、ヘリカル歯車やハイポイド歯車などの摺動部に曲面を持つ歯車への均一な仕上げに関する湿式砥粒研削法についての説明がなされていない。またバレル処理後の形状潤滑パラメータであるＤ値は２０〜３０以下を示しているが大きすぎ、混合潤滑や境界潤滑状態となり、金属接触状態が頻繁に生じるになることから、１５００〜２０００ＭＰａ以上の高面圧繰り返し負荷にて初期損傷やピッチング損傷は生じる。
【０００９】
さらに歯車の鋼材成分も機械加工での切削性、研削性および湿式砥粒研削を考えた場合重要である。一般に歯車用鋼材は鉄Ｆｅを主成分としたＪＩＳ規格の構造用炭素鋼・合金鋼が用いられる。表面硬化処理の代表である浸炭焼入れ・焼戻し処理では920ｃ〜930℃の温度でカーボンポテンシャル（ＣＰ）０．８〜１．０重量％の大気中雰囲気にて目的深さまで浸炭拡散処理される。その後、一旦850℃前後へ冷却し、60~80℃の油槽へ焼入れされる。その後120℃〜150℃に1~2時間焼戻し処理される。
このような場合、一般に最表面層にＣｒ，Ｍｏ、Ｍｎの各酸化物からなる10μｍ程度以上の粒界酸化層が形成される。この粒界にはマイクロクラックが生じている。次の深い層にはＣr，Ｍｏ，Ｍｎの少ないソルバイト組織とパーライト組織からなる脆弱な不完全焼入れ層が形成される。
これらの層はショットピーニング後も残存する。
これらが存在すると耐久性および曲げ強度は低下し、研削などにてこれらの層を削除した場合に比べると1割程度それぞれ低下するといわれている。従って、初期損傷防止、耐久性上も、粒界酸化層が極力少なく、不完全焼入れ層が強化された場合が有利となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
球や円筒形を除き、一般に立体球面の摺動部を持つ歯車を湿式砥粒研削する場合、バレル槽の回転中心から所定距離に設置された歯車も回転しており且つバレル槽と歯車の回転中心方向は平行であるため、湿式砥粒研削では歯車のフランク摺動部の歯先寄り側が優先的に研削されやすく、歯車歯底部寄りと歯先寄りの摺動部とで研削量の差が生じ、歯形誤差が生じ歯車精度は低下する。極端な場合は砥粒が至らず、歯底寄り部は研削されない場合が生じる。また、バレル槽内での歯車の位置と向きに関しても、砥粒の流れと遠心力、砥粒の回転力を適切に利用して設定しないと有効で一様な研削ができない。また使用する砥粒のサイズ、形状、材質に関しても適切に設定しないと砥粒は歯底に至らず研削むらの原因となる。このように歯車の種類、大きさに応じて、歯車の摺動部を均一で微細滑らかに仕上げることが困難であった。
【００１１】
また、歯車の表面機械仕上げで、歯車表面強度の中で、初期損傷防止さらにピッチング発生に係わる耐久性向上に主眼を置いた場合、表面粗さのみにてとりあえず区別するものの発生現象との対応ができなかった。そこで、初期損傷防止のみの対応として歯車の場合は化学的被膜処理や、単に表面粗さのみ小さくし、特に高面圧の耐久性仕様の場合は長時間加工を要するＲｍａｘで1μｍ程度の精密研削仕上げ加工を適用していた。これらはショットピーニングを施した場合も同様であった。表面仕上げ程度を表面粗さのみにて制御し、歯車の表面強度特性維持に対応していた。
【００１２】
しかし、単に表面粗さをよくしても高面圧負荷時、初期損傷発生頻度は低下するものの依然生じるときがあり、ピッチングも頻繁に発生した。初期損傷に関しては表面粗さが小さくなると動的摩擦係数は小さくなり初期損傷低下とほぼ対応しているが、高面圧負荷でのピッチング発生は、表面粗さにのみでは説明がつかず、研削後も小さいが硬くて鋭い尖り部が残存していることや機械切削、機械研削加工目の方向と摺動面の摺動方向との関係や潤滑性が影響の一因であることがわかってきた。
【００１３】
表面粗さ改善として文献１〜３や段落００１０に述べたように、湿式砥粒研削いわゆるバレル処理が有効であるが、歯車への適用には課題があった。
また当該処理を施した場合、高面圧負荷時の初期損傷防止のみを対応した歯車とこれらとともに耐久性をも考慮した歯車の処理区分できる手法が見出せなかった。
【００１４】
表面硬化処理する鋼材に関しても、高面圧負荷時の歯車用としてＪＩＳ規格の成分組成をベースに、表面粒界酸化層発生を極力抑え、不完全焼入れ層を強化した成分割合が課題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係わる歯車表面の円滑化加工方法はアルミナ系又は炭化珪素系焼成砥粒とコンパウンドや工作液等からなる溶媒との混合体の入った円筒状回転槽の中へ、歯車を回転可能な状態にて埋中し、この槽の回転により得られる砥石の遠心力ｆ＝（1/2）・ｍ・（Ｖ１の二乗）による速度Ｖ１と歯車の回転速度Ｖ２にて生じる砥石速度ｖ′との速度差｜Ｖ１―ｖ′｜にて得られる衝突研削力にて表面を研削する湿式砥粒研削法を利用した方法である。
当該加工方法の概要を図１に示す。
このような相互回転状態にて、歯車1と槽２の回転速度を上げすぎると歯車歯底部まで砥粒3が達しない。  従って、歯先近傍から歯車基礎円をベースとした歯底近傍までの摺動面を均一に研削できず歯先を優先的に研削することになる。この際、摺動面を均一に仕上げるには、歯車の回転中心6の向きを槽の底面7に垂直方向に向け回転維持した状態、つまり歯車中心線の延長線と槽底面とで交わる点での垂直方向とでなす角度10(θ)が零度の状態で砥粒を歯溝に適切に侵入させることができる。且つ効率よく研削するため、槽回転遠心力による砥粒の槽中心から槽外壁4方向への流れ９ａと砥粒の外壁との衝突による外壁内側近傍での反力による槽中心方向への流れ９ｂを利用する。また乱れのない砥粒流れ創出のための適切な回転槽と歯車の回転速度１２（Ｖ1）、１３（Ｖ2）および歯車の向きを維持する必要がある。又、槽中の加工研削位置が深いと砥石重量の影響を受け易く、その深さ位置による研削量の違いの影響を避け、且つ砥石が歯車摺動面全体に行き亘るよう考慮する必要がある。これらの設定は歯車摺動面を均一に研削仕上げる上で重要である。また、この際、歯車の種類に応じた向きを考慮し効果的に研削するために調整する必要がある。
このように当該湿式砥粒研削方法では、砥粒の流れと流体特性を利用し、且つ、槽と歯車の回転速度及び歯車の位置と向きを設定し、有効で効果的な研削条件を選択する。
さらに、当該手法にて歯車摺動面を均一に且つ円滑に効率よく研削仕上げるには、歯車種類、歯数、モジュール、に応じ、砥粒の径とその割合と形状、材質の砥粒条件を選択する必要がある。
これらを考慮することにより歯車種類、歯車大きさ（歯数ｚとモジュールｍの積に比例）に係わらず、湿式砥粒研削を用いて高硬度歯車摺動面の均一で微細滑らかな仕上げが可能となる歯車表面の円滑化加工法である。
以下、詳細を示す。
【００１６】
当該加工条件に関しては、図1で示したように、回転槽中の砥粒の主な流れ過程を考慮する。（１）槽回転と槽各深さでの槽中心部から外壁方向への遠心力と回転力を持つ砥粒自体の外壁方向への流れ９ａ。特に表層部近傍では一様流れの傾向が多い。（２）各深さでの外壁との衝突にて生じる反力による外壁内側近傍の槽中心方向への流れ9ｂと重力作用による落下運動つまり下層向き流れとの混在流れ。（３）各深さでの槽中心から外壁方向への外壁方向流れと槽中心から離れた位置での重力落下する砥石の流れとの混在。（４）最下層部低層部から最下層部での槽中心部への流れ。（５）槽中心部の円筒体側壁5周辺近傍での上昇流れ。
この中で特に、砥粒流れが安定し、研削能が大きく、砥石重量の影響が小さい（１）（２）の過程を利用し、かつ歯車の向きや角度および槽と課車の回転速度を調整保持して、歯車摺動部を均一に湿式砥粒研削する。
【００１７】
砥粒の遠心力と回転力を得るための槽の最低回転速度12（Ｖ１）は５０ｒｐｍ以上とし、砥粒流れによる表層部近傍の乱流発生を抑えるため９０ｒｐｍ以下とする。
また、砥粒流れによる速度と歯車回転速度13（Ｖ2）Ｖ２が大きくなると、双方の遠心力は大きくて逆向きとなり、且つ、歯車の回転速度が大きいと砥粒は歯溝方向へ侵入しずらくなるのでＶ２は３０ｒｐｍ以下とし、歯車と歯溝方向侵入砥粒との衝突時の研削効果を上げるため最小１０ｒｐｍ以上とする。
従って、槽の回転速度V１とワーク(歯車)の回転速度Ｖ２は次の様な条件とする。
Ｖ１＝５０〜９０ｒｐｍ                                        ・・・（１）
Ｖ２＝１０〜３０ｒｐｍ                                        ・・・（２）
【００１８】
加工時の歯車の半径方向の設置位置と向きに関する研削条件概要を図２ａに示す。
歯車の槽表面レベル14から歯幅中心位置までの深さ15であるＤは、砥粒の一様流れを利用し、且つ砥粒重量の影響を避けるため、表層部に近い位置つまりＤ＜Ｌ/４に設定する。歯車の回転中心7と槽の回転中心6の向きを平均にした状態で歯車幅16をｂ、砥石槽の表面14からの槽底部8までの深さをＬとすると、その歯車深さ位置15は歯車幅16（ｂ）と全体が浸り、且つ砥石槽表面14から槽底面へ垂直方向に歯車回転中心6と歯幅中心位置と交わる交点18までの深さＤは次式の範囲とする。
ｂ＜Ｄ＜Ｌ/４                                                  ・・・（３）
【００１９】
平歯車やはすば歯車およびねじ歯車等の円筒歯車は歯車中心7方向と回転槽中心6方向を平行状態で歯車の回転中心方向は槽底面に垂直方向とし、歯車回転中心位置は槽の回転半径19をＲとすると歯車回転中心位置は槽の回転中心6よりＲ/2以上離す。且つその位置で歯車が回転した場合、槽中心6から歯車中心7を通り半径方向延長上で歯先稜線と最外壁より側での交点19と槽外壁4内側との間隙を砥粒径の２倍以上保持する。この設定により歯車の歯先位置が回転槽の外周部に近い程、遠心力は大きいので砥粒研削の際の研削能を有効に生かせる。また、この設定により歯車歯先稜線の槽中心側20は砥石遠心力を利用して歯車歯溝方向への侵入が容易であり、歯車の槽外壁側19は外壁との衝突による反力作用にて、歯溝方向への侵入が可能となる。このようにして、外壁部近傍の大きい遠心力を利用し効率的で均一な加工が可能となる。
【００２０】
傘歯車やハイポイド歯車等の立体歯車の場合の研削条件概要を図２ｂに示す。回転槽での半径方向設置位置と向きに関しては、平歯車とはすば歯車の場合と基本的に同様な考えが適用される。これら立体歯車の場合も、段落００１０の（１）（２）にて述べた槽中砥石の流動特性流れを利用し且つ歯車形状と向きを考慮に入れる。これら歯車回転中線7の向きは槽底面方向を基本とし、歯先稜線方向11が槽の底面8と垂直になるように維持する。外壁4稜線と歯車外壁よりの歯先稜線方向19が平行向きとなるよう設置することと同等である。
このことにより歯車の槽外壁４より歯先稜線側19は平歯車やはすば歯車の歯先稜線と同様な砥粒流れの効果が得られ均一な歯車摺動面加工が可能となる。他方の歯先稜線部20は砥
粒は平歯車の場合と同様に容易に歯底部まで侵入する。
【００２１】
歯車歯面摺動部の湿式砥粒研削概要と砥粒条件を図３に示す。
以下、図３を参考に砥粒条件をしめす。
砥粒大きさと数については、全体の砥粒に対し1/４以上1/２以下の割合比の砥粒は、その径20（Ｄｇ）を歯底幅21（ｂｇ）より小とする。この事により砥粒3は遠心力、外壁との衝突反力と回転力を駆動源に歯先部から基礎円24近傍の歯底部に達することが可能となる。0＜ｗ＜1/10で歯底円23の径ｄｇと基礎円23の径ｄｂとの差（ｄｂ−ｄｇ）/２に近い径が含まれていればなお好ましい。但し（ｄｂ−ｄｇ）／２が２ｍｍより小の小モジュール歯車を処理する場合、研削能が低下し効果的な研削ができなくなる。この点を考慮すれば一般産業用歯車モジュール２から３以上の歯車は、一般に基礎円より大きい位置で且つ最内端の歯元部と最外端の歯先部を除いた歯車フランク部26の噛合い摺動部範囲25にて扁平楕円状の接触面が生じているので、小モジュールの場合を含めて、実用上は下式で十分である。
Ｄｇ  ＜  ｂｇ                                              ・・・（４）    
ここで、砥粒径Ｄｇが多面体形状の時は、Ｄｇは多面体を包絡する近似球の直径を示す。
相対的に大きい砥粒径は小さい径より大きい遠心力、回転力が得られ、小径のそれとの衝突で小径砥粒へ大きい遠心力と回転力を伝えることができ、歯溝部へ小径砥粒が侵入する際、大きいエネルギー獲得にて、全体として研削能がより高まる。
そこで、砥粒径Ｄｇの全砥粒数Ｎに対する割合ｗは、下式とする。
１/４≦ｗ≦１/２                                            ・・・（５）
【００２２】
砥粒の有効な研削能はその先端部の形状を有効に利用することにより発揮される。従って少ない多面体数の砥粒ほど一般に角は鋭角でありその研削能がよい。砥粒寿命の点では多面体になる程球に近づくので、砥石寿命は長いが研削能は低下するので高硬度歯車へは実用上は有効でない。研削能と寿命の点から、五面体三角柱、四面体三角錐又は六面体の直方体に近い多角形状が湿式研削上有効である。
【００２３】
砥粒材料については、砥石が硬すぎると加工物を傷つけ易く  又、軟らかすぎると研削能不足の為、有効な研削が出来ない。従って、適度な硬さの砥粒材料を選択する必要がある。表面硬化処理した歯車の場合、焼成アルミナ系，焼成炭化珪素系の焼成セラミックを用いる。
【００２４】
湿式砥粒研削する場合、その仕上げ程度に応じ歯車表面強度特性は異なる。耐久性を目的とした場合は初期損傷の発生は当然防止されねばならない。したがって表面仕上げを後者のみを目的とした場合より前者目的の場合より良好にする必要がある。ただし後者の場合は短時間処理が可能となり加工効率の点で有利性もある。これらの加工区分制御パラメータとして形状潤滑パラメータ、表面粗さ形状パラメータ、表面形状パラメータ、および面積カバレージを導入する。
【００２５】
形状潤滑パラメータとしてＤ値であらわす。Ｄ値は歯車同志の摺動面でのそれぞれの最大表面粗さＲｍａｘの和ΣＲｍａｘｉと潤滑油膜厚さＨとの比である。Ｄ値が１に近いほど金属接触はなくなり歯車表面損傷はなくなる。高硬度歯車の場合，Ｄ値は次のように区分する。
５＜Ｄ＜１０    初期損傷用表面仕上げ                    （６）
１＜Ｄ＜５      耐久性用表面仕上げ                      （７）
ここで初期損傷は主に初期焼付きや初期磨耗、耐久性は初期損傷とピッチング発生を抑えた高面圧強度維持を意味している（以下同じ）。
【００２６】
表面粗さ形状パラメータに関しては、表面粗さの尖り部形状に着目し、その尖り部の円弧近似丸み半径ρμｍにて次式のごとく加工区分する。ρが大きいほど有効接触面積は増え、高面圧負荷に有利となる。
６０μｍ&#60;ρ&#60;１００~１２０μｍ    初期損傷用表面仕上げ
１２０μｍ≦ρ                    耐久性用表面仕上げ
【００２７】
表面形状パラメータは特にショットピーニングを施した場合に効果的に用いうる。ショットピーニング等にて表面に油溜り部が形成されていれば高面圧負荷時の歯車摺動部での潤滑油切れがなくなり、湿式砥粒研削によるランダム方向の研削目つまり研削溝との相互効果にて、途切れない潤滑油流れが生じる。表面形状パラメータは凹み部での表面粗さ尖り部の頂点を結んだ近似曲率半径Ｒｓで表示し、以下の式で表される。ただし、この時の面積カバレージＣは８０％以上とする。
６０μｍ＜Ｒｓ                  初期損傷用、耐久性用表面仕上げ
【００２８】
高硬度処理歯車の表面に粒界酸化層の発生を抑えるため鉄Ｆｅと主合金成分を除いた硬化処理前の鋼材の初期主要成分は下記（１）〜（７）とする。数字はすべて重量パーセント表示。
炭素Ｃ；０．１〜０．３％、（２）珪素Ｓｉ；０．０５〜０．２％、（３）硫黄Ｓ：０．００１〜０．５％、（４）アルミニウムＡｌ；０．０５％以下、（５）カルシウムＣａ；０．００１〜０．０２％、（６）酸素Ｏ；０．００３％以下、（７）燐Ｐ；０．０２％以下
これらの狙いと考慮点はそれぞれ、上記番号に対応し、次ぎに示す。
切削性、焼入れ硬化性、（２）粒界酸化層低減、切削性、硬さ維持、（３）切削性、ＭｎＳ偏析防止、（４）脱酸性、窒素との結合微細化、（５）酸素結合性、（６）不純物除去，Ａl酸化防止、（７）偏析、介在物発生防止
【００２９】
主要合金成分は以下とする。これらは粒界酸化層の形成抑止と不完全焼入れ層の強度改善が主眼である。
モリブデンMｏ；０．１〜１％、（２）ニッケルＮｉ；１%以下、（３）マンガンＭｎ；
４〜１％
これらの各成分の狙いと考慮点は主眼の他は、上記番号に対応し次のとおりである。
切削性、焼入れ性、（２）靭性、（３）焼入れ性
【００３０】
さらに添加剤として下記成分を考慮する。これは不完全焼入れ層の強度改善のためである。
ニオブＮｂ；０．０１〜０，０８％、（２）バナジウムＶ；０．０１〜０．２％
これらの添加にて不完全焼入れ層の微細化を図る。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明に係わる製造方法によれば、精密研削加工用機械装置を用いることなく、歯車材を歯切後表面硬化処理した歯車及びその後ショットピーニング又は、ラッピング処理した立体歯車等の摺動面の表面粗さを改善し、且つ、摺動面全体にわたり均一で微細且つ滑らかな仕上げ研削が可能となり、ミクロには表面粗さ尖り部に大きい丸みを与え、歯車摺動時の摩擦抵抗を低減し、初期磨耗低下、初期焼付きの初期損傷防止が可能となる。また、当該処理した歯車には、結果的には高面圧強度維持の耐久性向上をもたらす。
【００３２】
また仕上げ程度を示す表面形状・表面粗さ形状および（１）摺動時の潤滑と表面粗さを考慮した形状潤滑（２）表面粗さ形状（３）表面形状の各パラメータを指標に加工制御することにより、初期損傷対応歯車加工と耐久性対応歯車加工区分が可能となり、特に前者ののみを対象とした加工の場合は数分の短時間処理にて達成可能となる。
【００３３】
当該湿式砥粒研削の適用により、表面粗さを主体とした表面形状改良にて摩擦係数の低減効果を生じ、初期損傷発生が防止されることにより、従来使用している化学的被膜処理が不要となり、且つ、使用潤滑油へ混入した金属粉による歯車損傷発生および化学的被膜剤の潤滑油への混入による環境負荷影響問題も無くなる。
【００３４】
表面粒界酸化層の発生を抑えることができる化学成分の鋼材を用いて表面硬化処理歯車を製作することにより、その後、湿式砥粒研削する際、粒界酸化層は数μｍ以下と薄層ゆえに当該研削にて容易に削除可能で、且つ微細欠陥の少ない表面層が創出され、均一で微細滑らかな表面形成上有利となる。また、不完全焼入れ層も微細化により耐久性は向上する。
したがって、初期損傷防止、耐久性の点で有効となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
当該研削法にて回転可能で中心部に円筒状の内壁部と外周部に外壁があるバレル層内部に、コンパウンド、水、および歯車モジュールと歯数に応じ、所定大きさとその割合および形状のセラミック焼成砥粒を混在させ、その中へ歯車を埋設し、且つ、歯車種類に応じ、位置と方向を設定する。その際、歯車を同時回転させ、発生する砥粒の流れを利用して歯車を研削する。加工される主な部位は動力伝達用の平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ハイポイド歯車などの立体歯車を含めた、これらの表面硬化歯車フランク部噛み合い面で、特に相互の歯車が噛合う摺動部に実現した。
【実施例１】
【００３６】
ｍ＝５のハイポイドピニオン歯車へ当該発明の歯車表面円滑化法を適用し２分間処理した場合の摺動面９箇所の研削量の変化を摺動面各部での表面粗さＲｍａｘの変化にて表示した例を図４に示す。
歯車摺動面の内端部、外端部、中心部、およびこれら各部位での歯筋方向を含め、加工量の変化に2.3〜3.0μｍの範囲におさまり、摺動面位置による研削量の差は0.7μｍ以内にあり均一に加工されている。また、表面粗さそのものも加工前でＲｍａｘ5.1〜6.4μｍが、加工後2.3〜3.5μｍと改善され、且つ、加工後のばらつき範囲も小さくなっている。
【実施例２】
【００３７】
図５では当該処理２分間施した場合のモジュールｍ＝5のハイポイド歯車の歯幅中央部ＰＣＤ近傍での測長４ｍｍでの表面粗さ曲線の変化例を示す。表面粗さＲｍａｘは7.2μｍから3.1μｍへ、Ｒz表示で5.3μｍから2.5μｍへ改善されている。当該処理にて表面粗さ曲線の先端尖り部が当該処理にて丸みを帯び、近似曲率半径は大きくなっている。
当該処理で1500〜2000ＭＰａでの十万回繰返し負荷にて、初期損傷は見られなかった。
【００３８】
浸炭焼入れ後ショットピーニング処理し、その後、高面圧負荷用に耐久性用表面仕上げ１＜Ｄ＜５、120μｍ＜ρ、60μｍ＜Ｒｓに当該処理を施し、円筒ローラを用いてもとめた動的摩擦係数は面圧2000〜2500ＭＰａの負荷時、加工処理前0.03から当該処理にて0.015と低下がみられた。初期磨耗、初期焼付きの初期損傷および一千万回の繰り返し負荷でのピッチング発生はみられなかった。
【００３９】
当該処理は、外歯車に限らず内歯車及びサイクロイド歯車やコーン状摺動材にも適用可能である。又、ラック状歯車、セクショナル歯車、及び浸炭焼入れでない調質歯車へも適用可能である。
更に  機械要素として歯車に限らず、不定形摺動材、エンジン、ピストンの摺動部、カム摺動部等への適用にて当該表面円滑化が可能である。
又、リューブライト処理や燐酸塩被膜処理等化学的に表面被覆している歯車への被膜剤除去やその代用としての歯車等の機械要素摺動面円滑化方法としても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】歯車表面の円滑化加工法概要を示した説明図である。
【図２】（ａ）は平歯車・はすば歯車・ねじ歯車研削条件を示した説明図、（ｂ）は傘歯車・ハイポイド歯車研削条件を示した説明図である。
【図３】歯車歯面の湿式砥粒による研削概要と砥粒条件を示した説明図である。
【図４】ハイポイドピニオン歯車（ｍ＝５）の摺動面研削量の変化を説明した図である。
【図５】ハイポイドピニオン歯車（ｍ＝５）の当該加工手法による表面粗さ変化をしめす。
【符号の説明】
【００４１】
１  歯車
２  回転槽
３  砥粒
４  槽外壁
５  槽中心円筒部
６  歯車回転中心線
７  槽回転中心線
８  槽底部
９  砥粒流れ方向
１０  歯車中心線方向とその槽底面交点での垂直方向とのなす角度
１１  歯先稜線方向
１２  槽回転速度
１３  歯車回転速度
１４  回転槽表面レベル
１５  回転槽表面レベルからの垂直深さ
１６  歯幅
１７  回転槽最大深さ
１８  歯車中心線と歯幅中心面との交点
１９  歯先稜線部で外壁より側
２０  歯先稜線部で槽中心側
２１  砥粒径
２２  歯底間隔
２３  歯底円径
２４  基礎円径
２５  歯面摺動部範囲
２６  歯車フランク部
２７  歯車中心
【図１】
2006175545.tif 000003
【図２】
2006175545.tif 000004
【図３】
2006175545.tif 000005
【図４】
2006175545.tif 000006
【図５】
2006175545.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月17日(2005.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車鋼材の表面を浸炭・浸炭窒化・高周波焼入れ焼戻し処理して表面硬度を上昇させた表面硬化歯車、およびその後機械研削やショットピーニングを施した表面硬化歯車へ、槽回転と歯車相互回転状態にて、槽回転による湿式砥粒の遠心力と槽外壁反力、回転力を利用して砥粒を衝突させ、槽回転速度、歯車速度、歯車の設置位置・向き・深さを設定し、さらに、歯車大きさに応じた砥粒大きさと砥粒大小割合比・砥粒多角形形状・大きさを決めることにより、歯車摺動面を均一に、且つ微細滑らかに仕上げることを特徴とする歯車歯面の円滑化加工方法。
【請求項２】
表面硬化歯車、およびその後の機械研削やショットピーニング処理した表面硬化歯車の摺動面へ湿式砥粒研削を適用し、形成される均一で微細滑らかな摺動面の形状を、表面粗さと潤滑を考慮した形状潤滑、表面粗さ尖り部の滑らかさを考慮した表面粗さ形状、表面凹み形状と深さを表示した表面形状の各制御パラメータにて加工区分することにより、高面圧負荷時の歯車表面強度特性対応が調整可能な歯車歯面の円滑化加工方法
【請求項３】
制御された化学成分からなる焼入れ用歯車鋼材を表面硬化処理し、薄膜化された粒界酸化層と微細強化された不完全焼入れ層を形成することにより、歯車摺動面を湿式砥粒研削にて粒界酸化層を除去し、均一で微細滑らかな表面創出が可能な歯車歯面の円滑化加工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歯車材を機械加工にて歯切り後、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化焼入れ、高周波焼入れ等にて表面硬化処理(以下、これらを総称して表面硬化処理と記す)、およびその後機械加工や冷間加工法の代表であるショットピーニング処理した、表面硬さＨｖ600以上の機械産業用歯車、自動車用歯車、建設機械用歯車、航空機用歯車等の動力伝導用歯車の歯車歯面の円滑化加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車を歯切り後表面硬化した歯車の表面は一般に最大表面粗さＲｍａｘが５〜１０μｍ  以上の表面粗さ状態となっている。この状態からＲｍａｘを約５μｍ以下(Ｒｚで3μｍ〜５μｍ以下)にする歯車円滑化法として、従来は高精度な機械研削やホーニング仕上げ加工が行われていたが、これらの加工法を用いるとＲｍａｘで2〜3μｍとなるが、加工時間はモジュールｍが3から5と小さいものでも数10分以上と、長時間を要していた。これら精密に機械仕上げ処理した場合も硬くて鋭い尖り部をもつ研削目や切削目が依然残存している。
又、最近は歯車曲げ疲労強度向上を狙い、歯元に圧縮残留応力を付加可能なショットピーニング処理加工が施されている。この場合も投射材と歯車表面との衝突にて凹み部形成とその箇所の表面粗さ尖り部の押しつぶれが生じるものの機械加工による鋭い尖り部は残存し、Ｒｍａｘは５〜１０μｍ程度と依然粗な表面状態となっている。また硬い金属球を60ｍ/ｓ以上の高速で投射することにより表面に損傷が生じやすく面圧強度は表面硬化処理まま、またはその後の機械研削の場合と同レベルであった。
従って歯車負荷摺動時の摩擦係数は大きく、特に高面圧負荷時、十万回以下繰り返し負荷回数での初期磨耗、初期焼付け（以下、総称して初期損傷と記す）が発生しやすかった。また、結果的には1500〜2000ＭＰａ以上の一千万回以上高面圧繰り返し負荷時の面圧強度（以下、耐久性と記す）維持ないし向上を図ることが困難であった。
【０００３】
歯車の表面粗さをＲｍａｘで５μｍ以下（Ｒｚで３μｍ相当以下）に改善し、初期損傷防止のための歯車表面円滑化法として燐酸塩を主成分とした化学的被膜処理つまり燐酸塩被膜処理や二硫化モリブデンの塗布処理等が行われてきた。しかし、初期磨耗自体は無くならず、高面圧時はピッチングが発生する場合が多い。これは初期磨耗による金属粉が潤滑油の中へ混入し、この金属粉が歯車噛合い摺動部へ入りこむことも一因している。つまり被膜剤の塗布は歯車表面強度、特に高面圧負荷時の耐久性の点からは本質的表面円滑化が図れていない。さらに、これら表面被膜剤が混入した潤滑油は不要化学成分のため、リサイクル油として適さず、環境負荷の点からも好ましくない。
【０００４】
これらを改善する方法として、セラミック焼結または焼成砥粒を円筒または多角形槽に水またはコンパウンドとともにワークを混在させ、槽の回転にて生じる遠心力で研磨する、湿式研磨法いわゆる槽のみの回転方式や槽とワーク相互に回転するジャイロ式のバレル処理（以下、ここでは後者を湿式砥粒研削と称す）がある。しかし、これらの方式は従来、一般に金属、プラスチック、などのばり取り用として適用されてきた。近年、機械要素の円筒ものの円筒面や球面など簡単な表面形状の表面円滑法としても使われつつある。
【０００５】
【特許文献１】特開平６-２４６５４８号公報
【特許文献２】特開平８-２３２９６４号公報
【特許文献３】特開平１１-４８０３６号公報
【０００６】
特許文献1では、表面硬化処理材へのバレル処理が述べられているが、バレル処理の詳細やバレル工程での技術上のポイントが述べられておらず、対象ワークが円筒ローラである。また使用される砥石径も５〜１２ｍｍ比較的大きいので砥粒粒度が粗く、微細研削には一般に適さない。さらに、加工処理時間が2〜4時間を要し、次いで１〜３ｍｍの小径砥石を用いた加工で2〜4時間を費やし合計4〜8時間要している。歯車摺動面への具体的加工方法の適用説明がなく、当該発明の研削所要時間とを併せて考えると量産を考慮にいれた産業用歯車への適用には技術上また実用上困難である。
【０００７】
特許文献２では、浸炭窒化処理した軸受けを対象としてバレル処理を用いている。バレル処理の前工程にブラスト処理を用いているが、この方法はショットピーニング処理と異なり品質が管理されていないので凹み部面積率を５〜２０％で管理するのは実用上無理がある。また、ショットピーニングにおける面積率つまりカバレージ面積率は管理の面も含め、一般に８０〜９０%以上を確保しないとショットピーニングの効果は現れない。また、投射材にアルミナのセラミックを用いており０．４ＭＰａの高圧投射では表面硬化処理材との衝突にて破砕する割合が高く再使用の可能性が低いので実用上無理がある。また、バレル後の表面粗さがＲｍａｘ4μｍでは軸受け等での高面圧負荷維持が困難であり、初期磨耗やピッチングが生じやすい。結果的に歯車への当該発明の適用には課題が多い。
【０００８】
特許文献３では浸炭処理による表面硬化処理後研削し、その後ショットピーニングした円筒ローラへのバレル処理を述べているが、ヘリカル歯車やハイポイド歯車などの捩り角度を有し且つ立体歯車の表面硬化処理後研削なしを含め摺動部に曲面を持つ歯車への均一な仕上げに関する湿式砥粒研削法についての技術説明がなされていない。またバレル処理後の形状潤滑パラメータであるＤ値は２０〜３０以下を示しているが大きすぎ、混合潤滑や境界潤滑状態となり、金属接触状態が頻繁に生じるになることから、１５００〜２０００ＭＰａ以上の高面圧繰り返し負荷にて初期損傷やピッチング損傷は生じる。
【０００９】
さらに歯車の鋼材成分も機械加工での切削性、研削性および湿式砥粒研削を考えた場合重要である。一般に歯車用鋼材は鉄Ｆｅを主成分としたＪＩＳ規格の構造用炭素鋼・合金鋼が用いられる。表面硬化処理の代表である浸炭焼入れ・焼戻し処理では920ｃ〜930℃の温度でカーボンポテンシャル（ＣＰ）０．８〜１．０重量％の大気中雰囲気にて目的深さまで浸炭拡散処理される。その後、一旦850℃前後へ冷却し、60〜80℃の油槽へ焼入れされる。その後120℃〜150℃に1〜2時間焼戻し処理される。
このような場合、一般に最表面層にＣｒ，Ｍｏ、Ｍｎの各酸化物からなる10μｍ程度以上の粒界酸化層が形成される。この粒界にはマイクロクラックが生じている。次の深い層にはＣr，Ｍｏ，Ｍｎの少ないソルバイト組織とパーライト組織からなる脆弱な不完全焼入れ層が形成される。
これらの層はショットピーニング後も残存する。
これらが存在すると耐久性および曲げ強度は低下し、研削などにてこれらの層を削除した場合に比べると1割程度それぞれ低下するといわれている。従って、初期損傷防止、耐久性上も、粒界酸化層が極力少なく、不完全焼入れ層が強化された場合が有利となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
球や円筒形を除き、一般に立体球面の摺動部を持つ歯車を湿式砥粒研削する場合、バレル槽の回転中心から所定距離に設置された歯車も回転しており且つバレル槽と歯車の回転中心方向は平行であるため、湿式砥粒研削では歯車のフランク摺動部の歯先寄り側が優先的に研削されやすく、歯車歯底部寄りと歯先寄りの摺動部とで研削量の差が生じ、歯形誤差が生じ歯車精度は低下する。極端な場合は砥粒が至らず、歯底寄り部は研削されない場合が生じる。また、バレル槽内での歯車の位置と向きに関しても、砥粒の流れと遠心力、砥粒の回転力を適切に利用して設定しないと有効で一様な研削ができない。また使用する砥粒のサイズ、形状、材質に関しても適切に設定しないと砥粒は歯底に至らず研削むらの原因となる。このように歯車の種類、大きさに応じて、歯車の摺動部を均一で微細滑らかに仕上げることが困難であった。
【００１１】
また、歯車の表面機械仕上げで、歯車表面強度の中で、初期損傷防止さらにピッチング発生に係わる耐久性向上に主眼を置いた場合、表面粗さのみにてとりあえず区別するものの発生現象との対応ができなかった。そこで、初期損傷防止のみの対応として歯車の場合は化学的被膜処理や、単に表面粗さのみ小さくし、特に高面圧の耐久性仕様の場合は長時間加工を要するＲｍａｘで1μｍ程度の精密研削仕上げ加工を適用していた。これらはショットピーニングを施した場合も同様であった。表面仕上げ程度を表面粗さのみにて制御し、歯車の表面強度特性維持に対応していた。
【００１２】
しかし、単に表面粗さをよくしても高面圧負荷時、初期損傷発生頻度は低下するものの依然生じるときがあり、ピッチングも頻繁に発生した。初期損傷に関しては表面粗さが小さくなると動的摩擦係数は小さくなり初期損傷低下とほぼ対応しているが、高面圧負荷でのピッチング発生は、表面粗さにのみでは説明がつかず、研削後も小さいが硬くて鋭い尖り部が残存していることや機械切削、機械研削加工目の方向と摺動面の摺動方向との関係や潤滑性が影響の一因であることがわかってきた。
【００１３】
表面粗さ改善として文献１〜３や段落００１０に述べたように、湿式砥粒研削いわゆるバレル処理が有効であるが、歯車摺動面を円滑で均一に仕上げる点で、歯車への適用には課題があった。
また当該処理を施した場合、高面圧負荷時の初期損傷防止のみを対応した歯車と耐久性をも考慮した歯車の処理区分できる手法が見出せなかった。
【００１４】
表面硬化処理する鋼材に関しても、高面圧負荷時の歯車用としてＪＩＳ規格の成分組成をベースに、表面粒界酸化層発生を極力抑え、不完全焼入れ層を強化した成分割合が課題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係わる歯車表面の円滑化加工方法はアルミナ系又は炭化珪素系焼成砥粒とコンパウンドや工作液等からなる溶媒との混合体の入った円筒状回転槽の中へ、歯車を回転可能な状態にて埋中し、この槽の回転により得られる砥石の遠心力ｆ＝（1/2）・ｍ・（Ｖ１の二乗）による速度Ｖ１と歯車の回転速度Ｖ２にて生じる砥石速度ｖ′との速度差｜Ｖ１―ｖ′｜にて得られる衝突研削力にて表面を研削する湿式砥粒研削法を利用した方法である。
当該加工方法の概要を図１に示す。
このような相互回転状態にて、歯車1と槽２の回転速度を上げすぎると歯車歯底部まで砥粒3が達しない。  従って、歯先近傍から歯車基礎円をベースとした歯底近傍までの摺動面を均一に研削できず歯先を優先的に研削することになる。この際、摺動面を均一に仕上げるには、歯車の回転中心6の向きを槽の底面7に垂直方向に向け回転維持した状態、つまり歯車中心線の延長線と槽底面とで交わる点での垂直方向とでなす角度10(θ)が零度の状態で砥粒を歯溝に適切に侵入させることができる。且つ効率よく研削するため、槽回転遠心力による砥粒の槽中心から槽外壁4方向への流れ９ａと砥粒の外壁との衝突による外壁内側近傍での反力による槽中心方向への流れ９ｂを利用する。また乱れのない砥粒流れ創出のための適切な回転槽と歯車の回転速度１２（Ｖ1）、１３（Ｖ2）および歯車の向きを維持する必要がある。又、槽中の加工研削位置が深いと砥石重量の影響を受け易く、その深さ位置による研削量の違いの影響を避け、且つ砥石が歯車摺動面全体に行き亘るよう考慮する必要がある。これらの設定は歯車摺動面を均一に研削仕上げる上で重要である。また、この際、歯車の種類に応じた向きを考慮し効果的に研削するために調整する必要がある。
このように当該湿式砥粒研削方法では、砥粒の流れと流体特性を利用し、且つ、槽と歯車の回転速度及び歯車の位置と向きを設定し、有効で効果的な研削条件を選択する。
さらに、当該手法にて歯車摺動面を均一に且つ円滑に効率よく研削仕上げるには、歯車種類、歯数、モジュール、に応じ、砥粒の径とその割合と形状、材質の砥粒条件を選択する必要がある。
これらを考慮することにより歯車種類、歯車大きさ（歯数ｚとモジュールｍの積に比例）に係わらず、湿式砥粒研削を用いて高硬度歯車摺動面の均一で微細滑らかな仕上げが可能となる歯車表面の円滑化加工法である。
以下、詳細を示す。
【００１６】
当該加工条件に関しては、図1で示したように、回転槽中の砥粒の主な流れ過程を考慮する。（１）槽回転と槽各深さでの槽中心部から外壁方向への遠心力と回転力を持つ砥粒自体の外壁方向への流れ９ａ。特に表層部近傍では一様流れの傾向が多い。（２）各深さでの外壁との衝突にて生じる反力による外壁内側近傍の槽中心方向への流れ9ｂと重力作用による落下運動つまり下層向き流れとの混在流れ。（３）各深さでの槽中心から外壁方向への外壁方向流れと槽中心から離れた位置での重力落下する砥石の流れとの混在。（４）最下層部低層部から最下層部での槽中心部への流れ。（５）槽中心部の円筒体側壁5周辺近傍での上昇流れ。
この中で特に、砥粒流れが安定し、研削能が大きく、砥石重量の影響が小さい（１）（２）の過程を利用し、かつ歯車の向きや角度および槽と課車の回転速度を調整保持して、歯車摺動部を均一に湿式砥粒研削する。
【００１７】
砥粒の遠心力と回転力を得るための槽の最低回転速度12（Ｖ１）は５０ｒｐｍ以上とし、砥粒流れによる表層部近傍の乱流発生を抑えるため９０ｒｐｍ以下とする。
また、砥粒流れによる速度と歯車回転速度13（Ｖ2）Ｖ２が大きくなると、双方の遠心力は大きくて逆向きとなり、且つ、歯車の回転速度が大きいと砥粒は歯溝方向へ侵入しずらくなるのでＶ２は３０ｒｐｍ以下とし、歯車と歯溝方向侵入砥粒との衝突時の研削効果を上げるため最小１０ｒｐｍ以上とする。
従って、槽の回転速度V１とワーク(歯車)の回転速度Ｖ２は次の様な条件とする。
Ｖ１＝５０〜９０ｒｐｍ                                        ・・・（１）
Ｖ２＝１０〜３０ｒｐｍ                                        ・・・（２）
【００１８】
加工時の歯車の半径方向の設置位置と向きに関する研削条件概要を図２ａに示す。
歯車の槽表面レベル14から歯幅中心位置までの深さ15であるＤは、砥粒の一様流れを利用し、且つ砥粒重量の影響を避けるため、表層部に近い位置つまりＤ＜Ｌ/４に設定する。歯車の回転中心7と槽の回転中心6の向きを平行にした状態で歯車幅16をｂ、砥石槽の表面14からの槽底部8までの深さをＬとすると、その歯車深さ位置15は歯車幅16（ｂ）全体が浸り、且つ砥石槽表面14から歯車回転中心7方向で歯幅中心位置と交わる交点18までの深さＤは次式の範囲とする。
ｂ＜Ｄ＜Ｌ/４                                                ・・・（３）
【００１９】
平歯車やはすば歯車およびねじ歯車等の円筒歯車は歯車中心7方向と回転槽中心6方向を平行状態で歯車の回転中心方向は槽底面に垂直方向とし、歯車回転中心位置は槽の回転半径28をＲとすると歯車回転中心位置は槽の回転中心6よりＲ/2以上離す。且つその位置で歯車が回転した場合、槽中心6から歯車中心7を通り半径方向延長上で歯先稜線と最外壁より側での交点19と槽外壁4内側との間隙を砥粒径の２倍以上保持する。この設定により歯車の歯先位置が回転槽の外周部に近い程、遠心力は大きいので砥粒研削の際の研削能を有効に生かせる。また、この設定により歯車歯先稜線の槽中心側20は砥石遠心力を利用して歯車歯溝方向への侵入が容易であり、歯車の槽外壁側19は外壁との衝突による反力作用にて、歯溝方向への侵入が可能となる。このようにして、外壁部近傍の大きい遠心力を利用し効率的で均一な加工が可能となる。
【００２０】
傘歯車やハイポイド歯車等の立体歯車の場合の研削条件概要を図２ｂに示す。回転槽での半径方向設置位置と向きに関しては、平歯車とはすば歯車の場合と基本的に同様な考えが適用される。これら立体歯車の場合も、段落００１０の（１）（２）にて述べた槽中砥石の流動特性流れを利用し且つ歯車形状と向きを考慮に入れる。これら歯車回転中線7の向きは槽底面方向を基本とし、歯先稜線方向11が槽の底面8と垂直になるように維持する。外壁4稜線と歯車外壁よりの歯先稜線側19が平行向きとなるよう設置することと同等である。
このことにより歯車の槽外壁４より歯先稜線側19は平歯車やはすば歯車の歯先稜線と同様な砥粒流れの効果が得られ均一な歯車摺動面加工が可能となる。他方の歯先稜線側20は砥
粒は平歯車の場合と同様に容易に歯底部まで侵入する。
【００２１】
歯車歯面摺動部の湿式砥粒研削概要と砥粒条件を図３に示す。
以下、図３を参考に砥粒条件をしめす。
砥粒大きさと数については、全体の砥粒に対し1/４以上1/２以下の割合比の砥粒は、その径20（Ｄｇ）を歯底幅21（ｂｇ）より小とする。この事により砥粒3は遠心力、外壁との衝突反力と回転力を駆動源に歯先部から基礎円24近傍の歯底部に達することが可能となる。0＜ｗ＜1/10で歯底円23の径ｄｇと基礎円23の径ｄｂとの差（ｄｂ−ｄｇ）/２に近い径が含まれていればなお好ましい。但し（ｄｂ−ｄｇ）／２が２ｍｍより小の小モジュール歯車を処理する場合、研削能が低下し効果的な研削ができなくなる。この点を考慮すれば一般産業用歯車モジュール２から３以上の歯車は、一般に基礎円より大きい位置で且つ最内端の歯元部と最外端の歯先部を除いた歯車フランク部26の噛合い摺動部範囲25にて扁平楕円状の接触面が生じているので、小モジュールの場合を含めて、実用上は下式で十分である。
Ｄｇ  ＜  ｂｇ                                              ・・・（４）    
ここで、砥粒径Ｄｇが多面体形状の時は、Ｄｇは多面体を包絡する近似球の直径を示す。
相対的に大きい砥粒径は小さい径より大きい遠心力、回転力が得られ、小径のそれとの衝突で小径砥粒へ大きい遠心力と回転力を伝えることができ、歯溝部へ小径砥粒が侵入する際、大きいエネルギー獲得にて、全体として研削能がより高まる。
そこで、砥粒径Ｄｇの全砥粒数Ｎに対する割合ｗは、下式とする。
１/４≦ｗ≦１/２                                            ・・・（５）
ただし、Ｄｇより大きい径の数の割合は全体の１/２以上が好ましい。
【００２２】
砥粒の有効な研削能はその先端部の形状を有効に利用することにより発揮される。従って少ない多面体数の砥粒ほど一般に角は鋭角でありその研削能がよい。砥粒寿命の点では多面体になる程球に近づくので、砥石寿命は長いが研削能は低下するので高硬度歯車へは実用上は有効でない。研削能と寿命の点から、五面体三角柱、四面体三角錐又は六面体の直方体に近い多角形状が湿式研削上有効である。
【００２３】
砥粒材料については、砥石が硬すぎると加工物を傷つけ易く  又、軟らかすぎると研削能不足の為、有効な研削が出来ない。従って、適度な硬さの砥粒材料を選択する必要がある。表面硬化処理した歯車の場合、焼成アルミナ系，焼成炭化珪素系の焼成セラミックを用いる。
【００２４】
湿式砥粒研削する場合、その仕上げ程度に応じ歯車表面強度特性は異なる。耐久性を目的とした場合は初期損傷の発生は当然防止されねばならない。したがって表面仕上げは後者のみを目的とした場合より前者目的の場合がより良好にする必要がある。ただし後者の場合は短時間処理が可能となり加工効率の点で有利性もある。これらの加工区分制御パラメータとして形状潤滑パラメータ、表面粗さ形状パラメータ、表面形状パラメータ、および面積カバレージを導入する。
【００２５】
形状潤滑パラメータとしてＤ値であらわす。Ｄ値は歯車同志の摺動面でのそれぞれの最大表面粗さＲｍａｘの和ΣＲｍａｘｉと潤滑油膜厚さＨとの比である。Ｄ値が１に近いほど金属接触はなくなり歯車表面損傷はなくなる。高硬度歯車の場合，Ｄ値は次のように区分する。
５＜Ｄ＜１０    初期損傷用表面仕上げ                    （６）
１＜Ｄ＜５      耐久性用表面仕上げ                      （７）
ここで初期損傷は主に初期焼付きや初期磨耗、耐久性は初期損傷とピッチング発生を抑えた高面圧強度維持を意味している（以下同様の意味）。
【００２６】
表面粗さ形状パラメータに関しては、表面粗さの尖り部形状に着目し、その尖り部の円弧近似丸み半径ρμｍにて次式のごとく加工区分する。ρが大きいほど有効接触面積は増え、高面圧負荷に有利となる。
６０μｍ＜ρ＜１００〜１２０μｍ  初期損傷用表面仕上げ
１２０μｍ≦ρ                    耐久性用表面仕上げ
【００２７】
表面形状パラメータは特にショットピーニングを施した場合に効果的に用いうる。ショットピーニング等にて表面に油溜り部が形成されていれば高面圧負荷時の歯車摺動部での潤滑油切れがなくなり、湿式砥粒研削によるランダム方向の研削目つまり研削溝との相互効果にて、途切れない潤滑油流れが生じる。表面形状パラメータは凹み部での表面粗さ尖り部の頂点を結んだ近似曲率半径Ｒｓで表示し、以下の式で表される。ただし、この時の面積カバレージＣは８０％以上とする。
６０μｍ＜Ｒｓ                  初期損傷用、耐久性用表面仕上げ
【００２８】
高硬度処理歯車の表面に粒界酸化層の発生を抑えるため鉄Ｆｅと主合金成分を除いた硬化処理前の鋼材の初期主要成分は下記（１）〜（７）とする。数字はすべて重量パーセント表示。
（１）炭素Ｃ；０．１〜０．３％、（２）珪素Ｓｉ；０．０５〜０．２％、（３）硫黄Ｓ：０．００１〜０．５％、（４）アルミニウムＡｌ；０．０５％以下、（５）カルシウムＣａ；０．００１〜０．０２％、（６）酸素Ｏ；０．００３％以下、（７）燐Ｐ；０．０２％以下
これらの狙いと考慮点はそれぞれ、上記番号に対応し、次ぎに示す。
（１）切削性、焼入れ硬化性、（２）粒界酸化層低減、切削性、硬さ維持、（３）切削性、ＭｎＳ偏析防止、（４）脱酸性、窒素との結合微細化、（５）酸素結合性、（６）不純物除去，Ａl酸化防止、（７）偏析、介在物発生防止
【００２９】
主要合金成分は以下とする。これらは粒界酸化層の形成抑止と不完全焼入れ層の強度改善が主眼である。
（１）モリブデンMｏ；０．１〜１％、（２）ニッケルＮｉ；１%以下、（３）マンガンＭｎ；
４〜１％
これらの各成分の狙いと考慮点は主眼の他は、上記番号に対応し次のとおりである。
（１）切削性、焼入れ性、（２）靭性、（３）焼入れ性
【００３０】
さらに添加剤として下記成分を考慮する。これは不完全焼入れ層の強度改善のためである。
（１）ニオブＮｂ；０．０１〜０，０８％、（２）バナジウムＶ；０．０１〜０．２％
これらの添加にて不完全焼入れ層の微細化を図る。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明に係わる製造方法によれば、精密研削加工用機械装置を用いることなく、歯車材を歯切後表面硬化処理した歯車及びその後ショットピーニング又は、ラッピング処理した立体歯車等の摺動面の表面粗さを改善し、且つ、摺動面全体にわたり均一で微細且つ滑らかな仕上げ研削が可能となり、ミクロには表面粗さ尖り部に大きい丸みを与え、歯車摺動時の摩擦抵抗を低減し、初期磨耗低下、初期焼付きの初期損傷防止が可能となる。また、当該処理した歯車には、結果的には高面圧強度維持の耐久性向上をもたらす。
【００３２】
また仕上げ程度を示す表面形状・表面粗さ形状および（１）摺動時の潤滑と表面粗さを考慮した形状潤滑（２）表面粗さ形状（３）表面形状の各パラメータを指標に加工制御することにより、初期損傷対応歯車加工と耐久性対応歯車加工区分が可能となり、特に前者ののみを対象とした加工の場合は数分の短時間処理にて達成可能となる。
【００３３】
当該湿式砥粒研削の適用により、表面粗さを主体とした表面形状改良にて摩擦係数の低減効果を生じ、初期損傷発生が防止されることにより、従来使用している化学的被膜処理が不要となり、且つ、使用潤滑油へ混入した金属粉による歯車損傷発生および化学的被膜剤の潤滑油への混入による環境負荷影響問題も無くなる。
【００３４】
表面粒界酸化層の発生を抑えることができる化学成分の鋼材を用いて表面硬化処理歯車を製作することにより、その後、湿式砥粒研削する際、粒界酸化層は数μｍ以下と薄層ゆえに当該研削にて容易に削除可能で、且つ微細欠陥の少ない表面層が創出され、均一で微細滑らかな表面形成上有利となる。また、不完全焼入れ層も微細化により耐久性は向上する。
したがって、初期損傷防止、耐久性の点で有効となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
当該研削法にて回転可能で中心部に円筒状の内壁部と外周部に外壁があるバレル層内部に、コンパウンド、水、および歯車モジュールと歯数に応じ、所定大きさとその割合および形状のセラミック焼成砥粒を混在させ、その中へ歯車を埋設し、且つ、歯車種類に応じ、位置と方向を設定する。その際、歯車を同時回転させ、発生する砥粒の流れを利用して歯車を研削する。加工される主な部位は動力伝達用の平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ハイポイド歯車などの立体歯車を含めた、これらの表面硬化歯車フランク部噛み合い面で、特に相互の歯車が噛合う摺動部に実現した。
【実施例１】
【００３６】
ｍ＝５のハイポイドピニオン歯車へ当該発明の歯車表面円滑化法を適用し２分間処理した場合の摺動面９箇所の研削量の変化を摺動面各部での表面粗さＲｍａｘの変化にて表示した例を図４に示す。
歯車摺動面の内端部、外端部、中心部、およびこれら各部位での歯筋方向を含め、加工量の変化に2.3〜3.0μｍの範囲におさまり、摺動面位置による研削量の差は0.7μｍ以内にあり均一に加工されている。また、表面粗さそのものも加工前でＲｍａｘ5.1〜6.4μｍが、加工後2.3〜3.5μｍと改善され、且つ、加工後のばらつき範囲も小さくなっている。
【実施例２】
【００３７】
図５では当該処理２分間施した場合のモジュールｍ＝5のハイポイド歯車の歯幅中央部ＰＣＤ近傍での測長４ｍｍでの表面粗さ曲線の変化例を示す。表面粗さＲｍａｘは7.2μｍから3.1μｍへ、Ｒz表示で5.3μｍから2.5μｍへ改善されている。当該処理にて表面粗さ曲線の先端尖り部が当該処理にて丸みを帯び、近似曲率半径は大きくなっている。
当該処理で1500〜2000ＭＰａでの十万回繰返し負荷にて、初期損傷は見られなかった。
【００３８】
浸炭焼入れ後ショットピーニング処理し、その後、高面圧負荷用に耐久性用表面仕上げ１＜Ｄ＜５、120μｍ＜ρ、60μｍ＜Ｒｓに当該処理を施し、円筒ローラを用いてもとめた動的摩擦係数は面圧2000〜2500ＭＰａの負荷時、加工処理前0.03から当該処理にて0.015と低下がみられた。初期磨耗、初期焼付きの初期損傷および一千万回の繰り返し負荷でのピッチング発生はみられなかった。
【００３９】
当該処理は、外歯車に限らず内歯車及びサイクロイド歯車やコーン状摺動材にも適用可能である。又、ラック状歯車、セクショナル歯車、及び浸炭焼入れでない調質歯車へも適用可能である。
更に  機械要素として歯車に限らず、不定形摺動材、エンジン、ピストンの摺動部、カム摺動部等への適用にて当該表面円滑化が可能である。
又、リューブライト処理や燐酸塩被膜処理等化学的に表面被覆している歯車への被膜剤除去やその代用としての歯車等の機械要素摺動面円滑化方法としても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】歯車表面の円滑化加工法概要を示した説明図である。
【図２】（ａ）は平歯車・はすば歯車・ねじ歯車研削条件を示した説明図、（ｂ）は傘歯車・ハイポイド歯車研削条件を示した説明図である。
【図３】歯車歯面の湿式砥粒による研削概要と砥粒条件を示した説明図である。
【図４】ハイポイドピニオン歯車（ｍ＝５）の摺動面研削量の変化を説明した図である。
【図５】ハイポイドピニオン歯車（ｍ＝５）の当該加工手法による表面粗さ変化をしめす。
【符号の説明】
【００４１】
１  歯車
２  回転槽
３  砥粒
４  槽外壁
５  槽中心円筒部
６  歯車回転中心線
７  槽回転中心線
８  槽底部
９  砥粒流れ方向
１０  歯車中心線方向とその槽底面交点での垂直方向とのなす角度
１１  歯先稜線方向
１２  槽回転速度
１３  歯車回転速度
１４  回転槽表面レベル
１５  回転槽表面レベルからの垂直深さ
１６  歯幅
１７  回転槽最大深さ
１８  歯車中心線と歯幅中心面との交点
１９  歯先稜線部で外壁より側
２０  歯先稜線部で槽中心側
２１  砥粒径
２２  歯底間隔
２３  歯底円径
２４  基礎円径
２５  歯面摺動部範囲
２６  歯車フランク部
２７  歯車中心
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006175545.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月18日(2005.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面硬化歯車、およびその後の機械研削やショットピーニング処理した表面硬化歯車の摺動面へ湿式砥粒研削を適用し、形成される均一で微細滑らかな摺動面の形状を、表面粗さと潤滑を考慮した形状潤滑、表面粗さ尖り部の滑らかさを考慮した表面粗さ形状、表面凹み形状と深さを表示した表面形状の各制御パラメータにて加工区分することにより、高面圧負荷時の歯車表面強度特性対応が調整可能な歯車歯面の円滑化加工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歯車材を機械加工にて歯切り後、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化焼入れ、高周波焼入れ等にて表面硬化処理(以下、これらを総称して表面硬化処理と記す)、およびその後機械加工や冷間加工法の代表であるショットピーニング処理した、表面硬さＨｖ600以上の機械産業用歯車、自動車用歯車、建設機械用歯車、航空機用歯車等の動力伝導用歯車の歯車歯面の円滑化加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車を歯切り後表面硬化した歯車の表面は一般に最大表面粗さＲｍａｘが５〜１０μｍ  以上の表面粗さ状態となっている。この状態からＲｍａｘを約５μｍ以下(Ｒｚで3μｍ〜５μｍ以下)にする歯車円滑化法として、従来は高精度な機械研削やホーニング仕上げ加工が行われていたが、これらの加工法を用いるとＲｍａｘで2〜3μｍとなるが、加工時間はモジュールｍが3から5と小さいものでも数10分以上と、長時間を要していた。これら精密に機械仕上げ処理した場合も硬くて鋭い尖り部をもつ研削目や切削目が依然残存している。
又、最近は歯車曲げ疲労強度向上を狙い、歯元に圧縮残留応力を付加可能なショットピーニング処理加工が施されている。この場合も投射材と歯車表面との衝突にて凹み部形成とその箇所の表面粗さ尖り部の押しつぶれが生じるものの機械加工による鋭い尖り部は残存し、Ｒｍａｘは５〜１０μｍ程度と依然粗な表面状態となっている。また硬い金属球を60ｍ/ｓ以上の高速で投射することにより表面に損傷が生じやすく面圧強度は表面硬化処理まま、またはその後の機械研削の場合と同レベルであった。
従って歯車負荷摺動時の摩擦係数は大きく、特に高面圧負荷時、十万回以下繰り返し負荷回数での初期磨耗、初期焼付け（以下、総称して初期損傷と記す）が発生しやすかった。また、結果的には1500〜2000ＭＰａ以上の一千万回以上高面圧繰り返し負荷時の面圧強度（以下、耐久性と記す）維持ないし向上を図ることが困難であった。
【０００３】
歯車の表面粗さをＲｍａｘで５μｍ以下（Ｒｚで３μｍ相当以下）に改善し、初期損傷防止のための歯車表面円滑化法として燐酸塩を主成分とした化学的被膜処理つまり燐酸塩被膜処理や二硫化モリブデンの塗布処理等が行われてきた。しかし、初期磨耗自体は無くならず、高面圧時はピッチングが発生する場合が多い。これは初期磨耗による金属粉が潤滑油の中へ混入し、この金属粉が歯車噛合い摺動部へ入りこむことも一因している。つまり被膜剤の塗布は歯車表面強度、特に高面圧負荷時の耐久性の点からは本質的表面円滑化が図れていない。さらに、これら表面被膜剤が混入した潤滑油は、リサイクル油として適さず、環境負荷の点からも好ましくない。
【０００４】
これらを改善する方法として、セラミック焼結または焼成砥粒を円筒または多角形槽に水またはコンパウンドとともにワークを混在させ、槽の回転にて生じる遠心力で研磨する、湿式研磨法いわゆる槽のみの回転方式や槽とワーク相互に回転するジャイロ式のバレル処理（以下、ここでは後者を湿式砥粒研削と称す）がある。しかし、これらの方式は従来、一般に金属、プラスチック、などのばり取り用として適用されてきた。近年、機械要素の円筒ものの円筒面や球面など簡単な表面形状の表面円滑法としても使われつつある。
【０００５】
【特許文献１】特開平６-２４６５４８号公報
【特許文献２】特開平８-２３２９６４号公報
【特許文献３】特開平１１-４８０３６号公報
【０００６】
特許文献1では、表面硬化処理材へのバレル処理が述べられているが、バレル処理の詳細やバレル工程での技術上のポイントが述べられておらず、対象ワークが円筒ローラである。また使用される砥石径も５〜１２ｍｍ比較的大きいので砥粒粒度が粗く、微細研削には一般に適さない。さらに、加工処理時間が2〜4時間を要し、次いで１〜３ｍｍの小径砥石を用いた加工で2〜4時間を費やし合計4〜8時間要している。歯車摺動面への具体的加工方法の適用説明がなく、当該発明の研削所要時間とを併せて考えると量産を考慮にいれた産業用歯車への適用には技術上また実用上困難である。
【０００７】
特許文献２では、浸炭窒化処理した軸受けを対象としてバレル処理を用いている。バレル処理の前工程にブラスト処理を用いているが、この方法はショットピーニング処理と異なり品質が管理されていないので凹み部面積率を５〜２０％で管理するのは実用上無理がある。また、ショットピーニングにおける面積率つまりカバレージ面積率は管理の面も含め、一般に８０〜９０%以上を確保しないとショットピーニングの効果は現れない。また、投射材にアルミナのセラミックを用いており０．４ＭＰａの高圧投射では表面硬化処理材との衝突にて破砕する割合が高く再使用の可能性が低いので実用上無理がある。また、バレル後の表面粗さがＲｍａｘ4μｍでは軸受け等での高面圧負荷維持が困難であり、初期磨耗やピッチングが生じやすい。結果的に歯車への当該発明の適用には課題が多い。
【０００８】
特許文献３では浸炭処理による表面硬化処理後研削し、その後ショットピーニングした円筒ローラへのバレル処理を述べているが、ヘリカル歯車やハイポイド歯車などの捩り角度を有し且つ立体歯車の表面硬化処理後研削なしを含め摺動部に曲面を持つ歯車への均一な仕上げに関する湿式砥粒研削法についての技術説明がなされていない。またバレル処理後の形状潤滑パラメータであるＤ値は２０〜３０以下を示しているが大きすぎ、混合潤滑や境界潤滑状態となり、金属接触状態が頻繁に生じるになることから、１５００〜２０００ＭＰａ以上の高面圧繰り返し負荷にて初期損傷やピッチング損傷は生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
球や円筒形を除き、一般に立体球面の摺動部を持つ歯車を湿式砥粒研削する場合、バレル槽の回転中心から所定距離に設置された歯車も回転しており且つバレル槽と歯車の回転中心方向は平行であるため、湿式砥粒研削では歯車のフランク摺動部の歯先寄り側が優先的に研削されやすく、歯車歯底部寄りと歯先寄りの摺動部とで研削量の差が生じ、歯形誤差が生じ歯車精度は低下する。極端な場合は砥粒が至らず、歯底寄り部は研削されない場合が生じる。また、バレル槽内での歯車の位置と向きに関しても、砥粒の流れと遠心力、砥粒の回転力を適切に利用して設定しないと有効で一様な研削ができない。また使用する砥粒のサイズ、形状、材質に関しても適切に設定しないと砥粒は歯底に至らず研削むらの原因となる。このように歯車の種類、大きさに応じて、歯車の摺動部を均一で微細滑らかに仕上げることが困難であった。
【００１０】
また、歯車の表面機械仕上げで、歯車表面強度の中で、初期損傷防止さらにピッチング発生に係わる耐久性向上に主眼を置いた場合、表面粗さのみにてとりあえず区別するものの発生現象との対応ができなかった。そこで、初期損傷防止のみの対応として歯車の場合は化学的被膜処理や、単に表面粗さのみ小さくし、特に高面圧の耐久性仕様の場合は長時間加工を要するＲｍａｘで1μｍ程度の精密研削仕上げ加工を適用していた。これらはショットピーニングを施した場合も同様であった。表面仕上げ程度を表面粗さのみにて制御し、歯車の表面強度特性維持に対応していた。
【００１１】
しかし、単に表面粗さをよくしても高面圧負荷時、初期損傷発生頻度は低下するものの依然生じるときがあり、ピッチングも頻繁に発生した。初期損傷に関しては表面粗さが小さくなると動的摩擦係数は小さくなり初期損傷低下とほぼ対応しているが、高面圧負荷でのピッチング発生は、表面粗さにのみでは説明がつかず、研削後も小さいが硬くて鋭い尖り部が残存していることや機械切削、機械研削加工目の方向と摺動面の摺動方向との関係や潤滑性が影響の一因であることがわかってきた。
【００１２】
表面粗さ改善として文献１〜３や段落００１０に述べたように、湿式砥粒研削いわゆるバレル処理が有効であるが、歯車摺動面を円滑で均一に仕上げる点で、歯車への適用には課題があった。
また当該処理を施した場合、高面圧負荷時の初期損傷防止のみを対応した歯車と耐久性をも考慮した歯車の処理区分できる手法が見出せなかった。
【００１３】
表面硬化処理する鋼材に関しても、高面圧負荷時の歯車用としてＪＩＳ規格の成分組成をベースに、表面粒界酸化層発生を極力抑え、不完全焼入れ層を強化した成分割合が課題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係わる歯車表面の円滑化加工方法はアルミナ系又は炭化珪素系焼成砥粒とコンパウンドや工作液等からなる溶媒との混合体の入った円筒状回転槽の中へ、歯車を回転可能な状態にて埋中し、この槽の回転により得られる砥石の遠心力ｆ＝（1/2）・ｍ・（Ｖ１の二乗）による速度Ｖ１と歯車の回転速度Ｖ２にて生じる砥石速度ｖ′との速度差｜Ｖ１―ｖ′｜にて得られる衝突研削力にて表面を研削する湿式砥粒研削法を利用した方法である。
当該加工方法の概要を図１に示す。
このような相互回転状態にて、歯車1と槽２の回転速度を上げすぎると歯車歯底部まで砥粒3が達しない。  従って、歯先近傍から歯車基礎円をベースとした歯底近傍までの摺動面を均一に研削できず歯先を優先的に研削することになる。この際、摺動面を均一に仕上げるには、歯車の回転中心6の向きを槽の底面7に垂直方向に向け回転維持した状態、つまり歯車中心線の延長線と槽底面とで交わる点での垂直方向とでなす角度10(θ)が零度の状態で砥粒を歯溝に適切に侵入させることができる。且つ効率よく研削するため、槽回転遠心力による砥粒の槽中心から槽外壁4方向への流れ９ａと砥粒の外壁との衝突による外壁内側近傍での反力による槽中心方向への流れ９ｂを利用する。また乱れのない砥粒流れ創出のための適切な回転槽と歯車の回転速度１２（Ｖ1）、１３（Ｖ2）および歯車の向きを維持する必要がある。又、槽中の加工研削位置が深いと砥石重量の影響を受け易く、その深さ位置による研削量の違いの影響を避け、且つ砥石が歯車摺動面全体に行き亘るよう考慮する必要がある。これらの設定は歯車摺動面を均一に研削仕上げる上で重要である。また、この際、歯車の種類に応じた向きを考慮し効果的に研削するために調整する必要がある。
このように当該湿式砥粒研削方法では、砥粒の流れと流体特性を利用し、且つ、槽と歯車の回転速度及び歯車の位置と向きを設定し、有効で効果的な研削条件を選択する。
さらに、当該手法にて歯車摺動面を均一に且つ円滑に効率よく研削仕上げるには、歯車種類、歯数、モジュール、に応じ、砥粒の径とその割合と形状、材質の砥粒条件を選択する必要がある。
これらを考慮することにより歯車種類、歯車大きさ（歯数ｚとモジュールｍの積に比例）に係わらず、湿式砥粒研削を用いて高硬度歯車摺動面の均一で微細滑らかな仕上げが可能となる歯車表面の円滑化加工法である。
以下、詳細を示す。
【００１５】
湿式砥粒研削する場合、その仕上げ程度に応じ歯車表面強度特性は異なる。耐久性を目的とした場合は初期損傷の発生は当然防止されねばならない。したがって表面仕上げは後者のみを目的とした場合より前者目的の場合がより良好にする必要がある。ただし後者の場合は短時間処理が可能となり加工効率の点で有利性もある。これらの加工区分制御パラメータとして形状潤滑パラメータ、表面粗さ形状パラメータ、表面形状パラメータ、および面積カバレージを導入する。
【００１６】
形状潤滑パラメータとしてＤ値であらわす。Ｄ値は歯車同志の摺動面でのそれぞれの最大表面粗さＲｍａｘの和ΣＲｍａｘｉと潤滑油膜厚さＨとの比である。Ｄ値が１に近いほど金属接触はなくなり歯車表面損傷はなくなる。高硬度歯車の場合，Ｄ値は次のように区分する。
５＜Ｄ＜１０    初期損傷用表面仕上げ                    （６）
１＜Ｄ＜５      耐久性用表面仕上げ                      （７）
ここで初期損傷は主に初期焼付きや初期磨耗、耐久性は初期損傷とピッチング発生を抑えた高面圧強度維持を意味している（以下同様の意味）。
【００１７】
表面粗さ形状パラメータに関しては、表面粗さの尖り部形状に着目し、その尖り部の円弧近似丸み半径ρμｍにて次式のごとく加工区分する。ρが大きいほど有効接触面積は増え、高面圧負荷に有利となる。
６０μｍ＜ρ＜１００〜１２０μｍ  初期損傷用表面仕上げ
１２０μｍ≦ρ                    耐久性用表面仕上げ
【００１８】
表面形状パラメータは特にショットピーニングを施した場合に効果的に用いうる。ショットピーニング等にて表面に油溜り部が形成されていれば高面圧負荷時の歯車摺動部での潤滑油切れがなくなり、湿式砥粒研削によるランダム方向の研削目つまり研削溝との相互効果にて、途切れない潤滑油流れが生じる。表面形状パラメータは凹み部での表面粗さ尖り部の頂点を結んだ近似曲率半径Ｒｓで表示し、以下の式で表される。ただし、この時の面積カバレージＣは８０％以上とする。
６０μｍ＜Ｒｓ                  初期損傷用、耐久性用表面仕上げ
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明に係わる製造方法によれば、精密研削加工用機械装置を用いることなく、歯車材を歯切後表面硬化処理した歯車及びその後ショットピーニング又は、ラッピング処理した立体歯車等の摺動面の表面粗さを改善し、且つ、摺動面全体にわたり均一で微細且つ滑らかな仕上げ研削が可能となり、ミクロには表面粗さ尖り部に大きい丸みを与え、歯車摺動時の摩擦抵抗を低減し、初期磨耗低下、初期焼付きの初期損傷防止が可能となる。また、当該処理した歯車には、結果的には高面圧強度維持の耐久性向上をもたらす。
【００２０】
また仕上げ程度を示す表面形状・表面粗さ形状および（１）摺動時の潤滑と表面粗さを考慮した形状潤滑（２）表面粗さ形状（３）表面形状の各パラメータを指標に加工制御することにより、初期損傷対応歯車加工と耐久性対応歯車加工区分が可能となり、特に前者ののみを対象とした加工の場合は数分の短時間処理にて達成可能となる。
【００２１】
当該湿式砥粒研削の適用により、表面粗さを主体とした表面形状改良にて摩擦係数の低減効果を生じ、初期損傷発生が防止されることにより、従来使用している化学的被膜処理が不要となり、且つ、使用潤滑油へ混入した金属粉による歯車損傷発生および化学的被膜剤の潤滑油への混入による環境負荷影響問題も無くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
当該研削法にて回転可能で中心部に円筒状の内壁部と外周部に外壁があるバレル層内部に、コンパウンド、水、および歯車モジュールと歯数に応じ、所定大きさとその割合および形状のセラミック焼成砥粒を混在させ、その中へ歯車を埋設し、且つ、歯車種類に応じ、位置と方向を設定する。その際、歯車を同時回転させ、発生する砥粒の流れを利用して歯車を研削する。加工される主な部位は動力伝達用の平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ハイポイド歯車などの立体歯車を含めた、これらの表面硬化歯車フランク部噛み合い面で、特に相互の歯車が噛合う摺動部に実現した。
【実施例１】
【００２３】
ｍ＝５のハイポイドピニオン歯車へ当該発明の歯車表面円滑化法を適用し２分間処理した場合の摺動面９箇所の研削量の変化を摺動面各部での表面粗さＲｍａｘの変化にて表示した例を図２に示す。
歯車摺動面の内端部、外端部、中心部、およびこれら各部位での歯筋方向を含め、加工量の変化に2.3〜3.0μｍの範囲におさまり、摺動面位置による研削量の差は0.7μｍ以内にあり均一に加工されている。また、表面粗さそのものも加工前でＲｍａｘ5.1〜6.4μｍが、加工後2.3〜3.5μｍと改善され、且つ、加工後のばらつき範囲も小さくなっている。
【実施例２】
【００２４】
図３では当該処理２分間施した場合のモジュールｍ＝5のハイポイド歯車の歯幅中央部ＰＣＤ近傍での測長４ｍｍでの表面粗さ曲線の変化例を示す。表面粗さＲｍａｘは7.2μｍから3.1μｍへ、Ｒz表示で5.3μｍから2.5μｍへ改善されている。当該処理にて表面粗さ曲線の先端尖り部が当該処理にて丸みを帯び、近似曲率半径は大きくなっている。
当該処理で1500〜2000ＭＰａでの十万回繰返し負荷にて、初期損傷は見られなかった。
【００２５】
浸炭焼入れ後ショットピーニング処理し、その後、高面圧負荷用に耐久性用表面仕上げ１＜Ｄ＜５、120μｍ＜ρ、60μｍ＜Ｒｓに当該処理を施し、円筒ローラを用いてもとめた動的摩擦係数は面圧2000〜2500ＭＰａの負荷時、加工処理前0.03から当該処理にて0.015と低下がみられた。初期磨耗、初期焼付きの初期損傷および一千万回の繰り返し負荷でのピッチング発生はみられなかった。
【００２６】
当該処理は、外歯車に限らず内歯車及びサイクロイド歯車やコーン状摺動材にも適用可能である。又、ラック状歯車、セクショナル歯車、及び浸炭焼入れでない調質歯車へも適用可能である。
更に  機械要素として歯車に限らず、不定形摺動材、エンジン、ピストンの摺動部、カム摺動部等への適用にて当該表面円滑化が可能である。
又、リューブライト処理や燐酸塩被膜処理等化学的に表面被覆している歯車への被膜剤除去やその代用としての歯車等の機械要素摺動面円滑化方法としても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】歯車表面の円滑化加工法概要を示した説明図である。
【図２】ハイポイドピニオン歯車（ｍ＝５）の摺動面研削量の変化を説明した図である。
【図３】ハイポイドピニオン歯車（ｍ＝５）の当該加工手法による表面粗さ変化を示す。
【符号の説明】
【００２８】
１  歯車
２  回転槽
３  砥粒
４  槽外壁
５  槽中心円筒部
６  歯車回転中心線
７  槽回転中心線
８  槽底部
９  砥粒流れ方向
１０  歯車中心線方向とその槽底面交点での垂直方向とのなす角度
１１  歯先稜線方向
１２  槽回転速度
１３  歯車回転速度
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006175545.tif 000009
【図２】
2006175545.tif 000010
【図３】
2006175545.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月2日(2005.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面硬化歯車の歯面摺動条件に応じて、弾性流体潤滑理論に基く最小油膜厚さと最大表面粗さを要素として、表面硬化歯車、及びその後機械研削した歯車へ、ショットピーニング処理した表面硬化歯車の摺動面へ、その後ジャイロ式または回転式の湿式研粒研削を適用し、これらの工程全体を通して形成される均一で微細滑らかな摺動面の形状を、表面粗さと潤滑を考慮した形状潤滑パラメータＤ、表面粗さ尖り部の滑らかさを考慮した表面粗さ形状パラメータρ、表面凹み形状と深さを表示した表面形状パラメータＲｓの各制御パラメータにて層別して表面仕上げすることにより、高面圧負荷時、特段の歯車表面強度特性を有することを特徴とする歯車歯面の円滑化加工方法。
【請求項２】
形状潤滑パラメータＤ＝１〜５、表面粗さ形状パラメータρ≧１２０μｍ、表面形状パラメータＲｓ＞６０μｍを求めている請求項１記載の耐久性用の歯車歯面の円滑化加工方法。
【請求項３】
形状潤滑パラメータ  ５＜Ｄ＜１０、表面粗さ形状パラメータρ
６０μｍ＜ρ<１２０μｍ、表面形状パラメータＲｓ＞６０μｍを求めている請求項１記載の初期損傷用の歯車歯面の円滑化加工方法。