(57)【要約】【課題】耐久性を改善したギヤ付きシャフトの製造方法を提供する。【解決手段】  軸部（４２）における少なくとも一部の外周壁（４２ｂ，４２ｄ）に精密ショットピーニングを施す工程と、孔（４４ａ，４６ａ）が形成されており外壁の少なくとも一部に歯面（４４ｅ，４６ｅ）を有するギヤ部（４４，４６）の内周壁（４４ｂ、４６ｂ）に精密ショットピーニングを施す工程と、精密ショットピーニングを施された前記軸部と前記ギヤ部とを、嵌合により、前記ギヤ部の前記孔に前記軸部の前記外周壁を挿通させた状態で固定する工程と、を有するギヤ付きシャフトの製造方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部における少なくとも一部の外周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
孔が形成されており外壁の少なくとも一部に歯面を有するギヤ部の内周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
精密ショットピーニングされた前記軸部と前記ギヤ部とを、嵌合により、前記ギヤ部の前記孔に前記軸部の前記外周壁を挿通させた状態で固定する工程と、
を有するギヤ付きシャフトの製造方法。
【請求項２】
精密ショットピーニング施工前における前記軸部の硬さと精密ショットピーニング施工前における前記ギヤ部との硬さの差が、ビッカース硬さで１６０以内であることを特徴とする請求項１に記載のギヤ付きシャフトの製造方法。
【請求項３】
前記ギヤ部はベベルギヤであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のギヤ付きシャフトの製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載のギヤ付きシャフトの製造方法によって製造されたギヤ付きシャフト。
【請求項５】
請求項４に記載のギヤ付きシャフトを有する減速機と、
前記減速機に動力を伝達するモータと、
前記減速機から動力を伝達されて回転するインペラーを内部に収納するタンクと、を有するミキサータンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギヤ付きシャフトの製造方法、並びにその製造方法によって製造されたギヤ付きシャフト及びミキサータンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液を攪拌するためのミキサータンクは、各種産業分野において用いられている。ミキサータンクは、攪拌のための動力を発生させるモータと、モータから適切な回転数を得るための減速機と、減速機を介して伝えられるモータの動力によって回転するインペラーを内蔵するタンク等によって構成される。例えば高分子材料の製造において、ミキサータンクは、原材料を攪拌するために、重合工程や、重合後のアグロメレーション（乳化重合後のラテックス粒子の凝集）工程等で使用される（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２３７１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術に係るミキサータンクでは、減速機内部のシャフト又はギヤが、設計時に想定した耐久時間より大幅に短い時間で破損するという問題が発生している。減速機の内部では、嵌合等によってギヤを軸部に固定したシャフトを用いているが、このようなギヤ付きシャフトが、想定外の短時間で損傷することがあり、ミキサータンクの安全かつ安定的な運転を阻害している。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされ、本発明の目的は、耐久性を改善したギヤ付きシャフトの製造方法、並びにその製造方法によって製造されたギヤ付きシャフト及びミキサータンクを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法は、軸部における少なくとも一部の外周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
孔が形成されており外壁の少なくとも一部に歯面を有するギヤ部の内周壁に精密ショットピーニングを施す工程と、
精密ショットピーニングを施された前記軸部と前記ギヤ部とを、嵌合により、前記ギヤ部の前記孔に前記軸部の前記外周壁を挿通させた状態で固定する工程と、を有する。
【０００７】
本発明の発明者らは、従来技術に係るミキサータンクに使用されるギヤ付きシャフトに対して鋭意分析を重ねた結果、ギヤ付きシャフトの破損が、軸部とギヤ部との接合部分で発生するフレッティング疲労によって引き起こされることを突き止めた。フレッティング疲労とは、フレッティングによる繰り返し応力により、接触面に摩耗損傷（フレッティング摩耗）が発生し、部材の疲労破壊や大幅な寿命低下を引き起こす現象である。また、フレッティングとは、ある接触面圧で接触している２つの部材の接触面において、外部荷重により１μｍ〜数１０μｍ程度の小さな振幅を有する相対すべりが生じる現象である。
【０００８】
従来技術に係るギヤ付きシャフトは、使用時のねじり応力及び曲げ応力から算出される安全率（余裕率）が１．０を超えているにもかかわらず、軸部とギヤ部との接合面である取付部８２ｃの軸部外周壁８２ｄで、疲労破壊と考えられる損傷を起こしていた。図７は、従来技術に係るギヤ付きシャフトを減速機に組み込んで所定時間使用した後、ギヤ部との接合面である軸部外周壁８２ｄを観察した写真である。
【０００９】
ここで、フレッティング疲労による損傷は、嵌合による接合面の接触面圧が大きいほど増大することが知られているが、図７に示す軸部外周壁８２ｄの損傷状況は、軸部とギヤ部との接合面である軸部外周壁８２ｄにおける接触面圧の分布に対応していることが解る。すなわち、軸部外周壁８２ｄでは、接合面における軸方向両端部において最も接触面圧が高く、中央部分において接触面圧が最小となるが、軸部外周壁８２ｄに見られる損傷痕は、接合面である取付部８２ｃの軸部外周壁８２ｄにおける軸方向両端部において最も顕著であり、中央部分では軽微である。このようなことから、従来技術に係るギヤ付きシャフトにおいて発生する破損が、フレッティング疲労によるものであることを突き止めた。
【００１０】
本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法では、ギヤ部と軸部との接合面に精密ショットピーニングを施した後、精密ショットピーニング施工後のギヤ部と軸部とを嵌合により固定する。このような製造方法により作製されたギヤ付きシャフトは、軸部とギヤ部との接合部分で起こるフレッティング疲労が抑制され、良好な耐久性能を有する。
【００１１】
嵌合方法は、特に限定されず、締り嵌め、中間嵌め、及び隙間嵌め等の常法を用いることができる。ギヤ部と軸部とを締り嵌めする場合は、焼き嵌め等によりギヤ部と軸部とを固定する。
【００１２】
また、例えば、本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法において、精密ショットピーニングを施す前における前記軸部の硬さと精密ショットピーニングを施す前における前記ギヤ部の硬さとの差が、ビッカース硬さで１６０以内であっても良い。
【００１３】
ギヤ部と軸部との硬さの差を小さくすることにより、軸部とギヤ部との接合部分で起こるフレッティング疲労が抑制され、上述のような製造方法によって製造されたギヤ付きシャフトは、より良好な耐久性能を有する。なお、ギヤ部と軸部との硬さの差はより小さい方が好ましく、ギヤ部と軸部との硬さを略同一（同一を含む）としても良い。
【００１４】
また、例えば、本発明に係るギヤ付きシャフトの製造方法において、前記ギヤ部はベベルギヤであっても良い。
【００１５】
ベベルギヤの歯面は軸方向に対して傾いているため、ベベルギヤを有するシャフトは、軸方向成分を含む力を受けて、フレッティング疲労の原因となる軸方向の振動を起こしやすいという問題を有する。しかし、ベベルギヤを有するシャフトであっても、ギヤ部と軸部との接合面に精密ショットピーニングを施した後、精密ショットピーニング施工後のギヤ部と軸部とを嵌合により固定して製造されることにより、良好な耐久性能を奏する。
【００１６】
本発明に係るギヤ付きシャフトは、上述のいずれかに記載の製造方法によって製造される。
【００１７】
本発明に係るミキサータンクは、上述のギヤ付きシャフトを有する減速機と、
前記減速機に動力を伝達するモータと、
前記減速機から動力を伝達されて回転するインペラーを内部に収納するタンクと、を有する。
【００１８】
上述のように、ギヤ部と軸部との接合面に精密ショットピーニングを施した後、精密ショットピーニング施工後のギヤ部と軸部とを嵌合により固定して製造するギヤ付きシャフトを有し、耐久性を向上させた減速機を使用するミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、フレッティング疲労によって引き起こされる予測の難しい損傷を防止し、良好な耐久性能を有するギヤ付きシャフトの製造方法及びその製造方法によって製造されたギヤ付きシャフトを提供することができる。また、このようなギヤ付きシャフトを用いたミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るミキサータンクの概略図である。
【図２】図２は、図１に示すミキサータンクにおける減速機の要部を表す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第２シャフトの製造のために準備される第２軸部を表す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第２シャフトの製造のために準備されるＢギヤ部を表す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第２シャフトの製造のために準備されるＣギヤ部を表す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、製造後の第２シャフトを表す図である。
【図４】図４は、第２シャフトの製造方法を説明したフローチャートである。
【図５】図５は、実施例に係る各疲労試験の方法を表す概念図である。
【図６】図６は、実施例に係る各疲労試験の結果を表すグラフである。
【図７】図７は、従来技術に係る減速機用シャフトにおける軸部とギヤ部との接合部分の拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。図１は、本発明の一実施形態に係るミキサータンク１０の概略図である。ミキサータンク１０は、動力源であるモータ１２と、カップリング１４と、減速機１６と、タンク２２等を有する。
【００２２】
カップリング１４は、モータ１２の出力軸と減速機１６の入力軸（第１シャフト３０（図２参照））とを接合しており、モータ１２で発生した動力は、カップリング１４を介して減速機１６に伝達される。減速機１６は、モータ１２による回転を、所定の回転数まで減速して出力する。減速機１６は、後述のように、歯面を有するギヤ部及び軸部を有する複数のシャフトを有しており、各ギヤ部等の歯面に形成される歯数は、シャフトを伝わりながら回転数が低減するように調整されている。また、減速機１６は、軸の回転方向を、水平方向から鉛直方向に変更する。
【００２３】
タンク２２の内部には、タンク２２の内部に投入される流体を攪拌するためのインペラー２０が収納されている。減速機１６によって所定の回転数まで減速された動力は、減速機１６の出力軸（第４シャフト６０（図２参照））に接合されるアウトプットシャフト１８等を介してインペラー２０に伝達される。インペラー２０は、タンク２２の内部において回転し、タンク２２の内部に存在する流体を攪拌する。
【００２４】
ミキサータンク１０の用途は特に限定されないが、図１に示すミキサータンク１０は、高濃度ラテックスを製造するために行われるアグロメレーション工程において、特に好適に使用される。高濃度ラテックスの製造工程では、まず乳化重合を行う乳化重合工程を実施し、その後にラテックスの高濃度化を目的とするソルベントアグロメレーションを行うアグロメレーション工程を実施する。アグロメレーション工程は、特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ニトリルゴム）ラテックスの場合には、重合工程で製造されたラテックスをブタジエン存在下で、乳化重合時の撹拌に比べ高速攪拌することによって実施される。アグロメレーション工程では、タンク内の流体を、乳化重合時の撹拌に比べ高速攪拌する必要があるため、減速機１６に含まれるシャフトに対する負荷が大きくなる傾向がある。そのため、ミキサータンク１０の減速機１６は、重合工程で用いられるミキサータンクの減速機よりも大きい負荷に耐える必要がある。
【００２５】
図２は、減速機１６の要部を表す図であり、減速機１６に含まれるシャフトの構成を表したものである。減速機１６は、入力軸である第１シャフト３０と、第１シャフト３０に対してギヤを介して接続される第２シャフト４０と、第２シャフト４０に対してギヤを介して接続される第３シャフト５０と、第３シャフト５０に対してギヤを介して接続される第４シャフト６０とを有する。
【００２６】
第１シャフト３０は、ベアリング３８，３９によって回転自在に支持される第１軸部３２と、第１軸部３２の一部によって挿通されるＡギヤ部３４とを有する。Ａギヤ部３４は、第１軸部３２におけるカップリング１４側とは反対側の端部に固定されている。第１軸部３２のＡギヤ部３４はベベルギヤであり、第１軸部３２の軸方向に対して傾いている歯面を有する。
【００２７】
Ａギヤ部３４には貫通孔が形成されており、Ａギヤ部３４は、その貫通孔に第１軸部３２の一部の外周壁を挿通させた状態で、第１軸部３２に対して中間嵌めにより固定されている。Ａギヤ部３４と第１軸部３２との間には、回転止めの為のキー等が挿入されている。第１軸部３２は、水平方向に沿って配置されており、第１シャフト３０の回転軸は水平方向である。
【００２８】
第２シャフト４０は、ベアリング４８，４９によって回転自在に支持される第２軸部４２と、第２軸部４２の上側の一部によって挿通されるＢギヤ部４４と、第２軸部４２の下側の一部によって挿通されるＣギヤ部４６とを有する。第２シャフト４０のＢギヤ部４４は、第１シャフト３０のＡギヤ部３４と噛み合っており、第１シャフト３０の回転は、Ａギヤ部３４及びＢギヤ部４４を介して第２シャフト４０に伝達される。
【００２９】
Ｂギヤ部４４はベベルギヤであり、第２シャフト４０の回転軸は、第１シャフト３０の回転軸に対して９０度回転した鉛直方向である。すなわち、第２シャフト４０の第２軸部４２は、鉛直方向に沿って配置されている。Ｂギヤ部４４は、中間嵌めによって第２軸部４２に固定されている。Ｂギヤ部４４と第２軸部４２との間には、回転止めのためのキー等が挿入されている。
【００３０】
Ｃギヤ部４６は、ヘリカルギヤである。Ｃギヤ部４６も、中間嵌めによって第２軸部４２に固定されており、Ｃギヤ部４６と第２軸部４２との間には、回転止めのためのキー等が挿入されている。なお、第２シャフト４０の製造方法については、後ほど詳述する。
【００３１】
第３シャフト５０は、ベアリング５８，５９によって回転自在に支持される第３軸部５２と、第３軸部５２の上側の一部によって挿通されるＤギヤ部５４とを有する。また、第３軸部５２は、第３軸部５２における下側の一部の外周壁に形成されたＥギヤ歯面５６を有する。Ｄギヤ部５４には貫通孔が形成されており、Ｄギヤ部５４は、その貫通孔に第３軸部５２の一部の外周壁を挿通させた状態で、第３軸部５２に対して中間嵌めにより固定されている。Ｄギヤ部５４と第３軸部５２との間には、回転止めのためのキーや、固定を補助するためのスナップリング等が設置されている。
【００３２】
第３シャフト５０のＤギヤ部５４は、第２シャフト４０のＣギヤ部４６と噛み合っており、第２シャフト４０の回転は、Ｃギヤ部４６及びＤギヤ部５４を介して第３シャフト５０に伝達される。Ｄギヤ部５４が有する歯面に形成される歯数は、Ｃギヤ部４６が有する歯面に形成される歯数より多く、第３シャフト５０の回転数は、第２シャフト４０の回転数より減少する。
【００３３】
Ｄギヤ部５４はヘリカルギヤであり、第３シャフト５０の回転軸は、第２シャフト４０と同様に鉛直方向である。すなわち、第３シャフト５０の第３軸部５２は、鉛直方向に沿って配置されている。なお、Ｃギヤ部４６及びＤギヤ部５４は、スプールギヤであっても良い。Ｅギヤ歯面５６は、Ｄギヤ部５４と同様に、ヘリカルギヤである。
【００３４】
第４シャフト６０は、ベアリング６８，６９によって回転自在に支持される第４軸部６２と、第４軸部６２の上側の一部によって挿通されるＦギヤ部６４とを有する。Ｆギヤ部６４には、貫通孔が形成されており、Ｆギヤ部６４は、その貫通孔に第４軸部６２の一部の外周壁を挿通させた状態で、第４軸部６２に対して中間嵌めによって固定されている。
【００３５】
第４シャフト６０のＦギヤ部６４は、第３シャフト５０のＥギヤ歯面５６と噛み合っており、第３シャフト５０の回転は、Ｅギヤ歯面５６及びＦギヤ部６４を介して第４シャフト６０に伝達される。Ｆギヤ部６４が有する歯面の歯数は、Ｅギヤ歯面５６の歯数より多く、第４シャフト６０の回転数は、第３シャフト５０の回転数より減少する。
【００３６】
Ｆギヤ部６４はヘリカルギヤであり、第４シャフト６０の回転軸は、第２シャフト４０及び第３シャフト５０と同様に、鉛直方向である。すなわち、第４シャフト６０の第４軸部６２は、鉛直方向に沿って配置されている。なお、Ｅギヤ歯面５６及びＦギヤ部６４は、スプールギヤであっても良い。
【００３７】
第４軸部６２は中空円筒状であり、第４軸部６２の内部には、アウトプットシャフト１８（図１参照）が挿入される。アウトプットシャフト１８は、第４軸部６２に連結され、第４シャフト６０の回転は、タンク２２内のインペラー２０（図１参照）に伝達される。
【００３８】
図３Ａ〜図３Ｄは、減速機１６に含まれる第２シャフト４０の構成部品及びこれらを結合した後の第２シャフト４０を表す図である。また、図４は、第２シャフトの製造方法を説明したフローチャートである。以下に、図３Ａ〜図３Ｄ及び図４を用い、第２シャフト４０を例に、減速機１６に含まれるシャフト３０，４０，５０，６０の製造方法を説明する。
【００３９】
図３Ａは、第２シャフト４０の製造のために準備される第２軸部４２を表す図であり、図３Ａに示す第２軸部４２は、後述する精密ショットピーニングを施す前の第２軸部４２である。図３Ａに示すように、精密ショットピーニング施工前の第２軸部４２は、Ｂギヤ部４４を挿通するＢ取付部４２ａのＢ取付部外周壁４２ｂと、Ｃギヤ部４６を挿通するＣ取付部４２ｃのＣ取付部外周壁４２ｄとを有する。
【００４０】
精密ショットピーニングを施す前の第２軸部４２は、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。精密ショットピーニング施工前の第２軸部４２は、例えば切削または研削によって作製されるが、特に限定されない。精密ショットピーニング施工前の第２軸部４２の表面は、必要に応じて研磨紙又は研磨布で研磨されていても良い。
【００４１】
図３Ｂは、第２シャフト４０の製造のために準備されるＢギヤ部４４を表す図であり、図３Ｂに示すＢギヤ部４４は、後述する精密ショットピーニングを施す前のＢギヤ部４４である。図３Ｂに示すように、Ｂギヤ部４４には、第２軸部４２のＢ取付部外周壁４２ｂを挿通させるためのＢギヤ貫通孔４４ａが形成されている。また、Ｂギヤ部４４は、その外壁の一部に、図２に示すＡギヤ部３４の歯面と噛み合うＢギヤ歯面４４ｅを有する。
【００４２】
図３Ｃは、第２シャフト４０の製造のために準備されるＣギヤ部４６を表す図であり、図３Ｃに示すＣギヤ部４６は、後述する精密ショットピーニングを施す前のＣギヤ部４６である。Ｃギヤ部４６には、Ｂギヤ部４４と同様に、第２軸部４２のＣ取付部外周壁４２ｄを挿通させるためのＣギヤ貫通孔４６ａが形成されている。また、Ｃギヤ部４６は、その外壁の一部に、図２に示すＤギヤ部５４の歯面と噛み合うＣギヤ歯面４６ｅを有する。
【００４３】
精密ショットピーニングを施す前のＢギヤ部４４及びＣギヤ部４６は、例えば炭素鋼やクロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。ただし、精密ショットピーニング施工前におけるＢギヤ部４４及びＣギヤ部４６の硬さと、精密ショットピーニング施工前における第２軸部４２の硬さとの差が、ビッカース硬さで１６０以内であることが好ましい。Ｂギヤ部４４及びＣギヤ部４６と第２軸部４２との硬さの差を小さくすることによって、Ｂギヤ部４４及びＣギヤ部４６と第２軸部４２との接合部分で起こるフレッティング疲労が抑制されるからである。また、精密ショットピーニング施工前のＢギヤ部４４及びＣギヤ部４６と第２軸部４２とは、同様の組成の材料から作製され、同様の熱処理を施されたものであることが、接触面の硬度差を小さくしてフレッティング疲労を抑制する観点から好ましい。
【００４４】
Ｂギヤ部４４及びＣギヤ部４６は、例えば切削又は研削等によって作製されるが、特に限定されない。各ギヤ貫通孔４４ａ，４６ａの壁面であって各ギヤ部４４，４６の内周壁であるＢギヤ内周壁４４ｂ及びＣギヤ内周壁４６ｂは、必要に応じて研磨紙又は研磨布で表面を研磨される。
【００４５】
図４は、図３Ａ〜図３Ｃに示す第２軸部４２、Ｂギヤ部４４及びＣギヤ部４６を準備してから、図３Ｄに示す第２シャフト４０を作製するまでの工程を表している。図４に示すステップＳ００１では、図３Ａに示す第２軸部４２を準備し、精密ショットピーニング施工前の第２軸部４２に対して、精密ショットピーニングを施す。ここで、精密ショットピーニングとは、金属の表面に、その金属と同等以上の硬度を有する２０〜２００μｍの微粒子を、噴射速度５０ｍ／ｓｅｃ以上で噴射させ、局部的に再結晶温度まで高めることにより、熱処理効果、鍛錬効果の加工強化が瞬時に繰り返され、金属表面層の残留オーステナイトのマルテンサイト化や、再結晶、組織の微細化を行う処理である。これにより、金属表面は高硬度で靱性に富んだ微細な組織が形成され、内部圧縮残留応力も高めることができる。
【００４６】
精密ショットピーニングは微粒子をたたきつけているため、圧縮残留応力を高めることができる。また、精密ショットピーニングを施した金属表面は非常に微細な炭化物組織になっており、その表面積は大きく結びつきも強いものになる。そのため、金属表面にクラックが入りにくく、入ったとしても広がりにくいので、精密ショットピーニングを施すと疲労に強くなる。精密ショットピーニングする方法として、ＷＰＣ処理（株式会社不二機販及び株式会社不二製作所の登録商標）が好適に用いられる。
【００４７】
図４に示す軸部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１）では、少なくとも第２軸部４２におけるＢ取付部４２ａのＢ取付部外周壁４２ｂ及びＣ取付部４２ｃのＣ取付部外周壁４２ｄに対して、精密ショットピーニングが施される。ただし、軸部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１）では、第２軸部４２の表面全体に対して精密ショットピーニングが施されても良い。
【００４８】
図４に示すステップＳ００２では、図３Ｂに示すＢギヤ部４４と図３Ｃに示すＣギヤ部４６を準備し、精密ショットピーニング施工前のＢギヤ部４４及びＣギヤ部４６に対して、精密ショットピーニングを施す。図４に示すギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００２）では、Ｂギヤ部４４のＢギヤ内周壁４４ｂとＣギヤ部４６のＣギヤ内周壁４６ｂに対して精密ショットピーニングが施される。ただし、ギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００２）では、Ｂギヤ部４４及びＣギヤ部４６の表面全体に対して精密ショットピーニングが施されていても良い。また、Ｂギヤ部４４の精密ショットピーニングと、Ｃギヤ部４６の精密ショットピーニングは、別々に行われても良く、まとめて同時に行われても良い。
【００４９】
さらに、ギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００２）は、軸部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１）とまとめて同時に行われても良く、別々に行われても良い。また、ギヤ部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００２）と軸部の精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１）とを別々に行う場合において、その順序は図４に示す例に限定されず、どちらが先に行われても良い。
【００５０】
精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１及びステップＳ００２）において用いる微粒子としては、例えば、金属の微粒子やセラミックビーズ等を用いることができ、粒径は、通常、２０〜２００μｍ、好ましくは４０〜１００μｍのものを用いる。また、精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１及びステップＳ００２）における高圧エアーの噴射速度は、通常、５０ｍ／ｓｅｃ以上、好ましくは１５０ｍ／ｓｅｃ以上が好ましく、噴射圧力は、０．２ＭＰａ以上が好ましい。また、精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１及びステップＳ００２）では、第１段階として金属（例えば高速度鋼等）の微粒子を用いて精密ショットピーニングを行ったのち、第２段階としてセラミックビーズの微粒子を用いて精密ショットピーニングを行っても良い。
【００５１】
図４に示すステップ３では、精密ショットピーニングを施す工程（ステップＳ００１及びステップＳ００２）において精密ショットピーニングを施された第２軸部４２とＢギヤ部４４及びＣギヤ部４６とを、中間嵌めにより固定し、図３Ｄに示す第２シャフト４０を得る。嵌合工程（ステップＳ００３）によって、Ｂギヤ部４４は、Ｂギヤ貫通孔４４ａに第２軸部４２のＢ取付部外周壁４２ｂを挿通させた状態で、第２軸部４２に対して固定される。また、Ｃギヤ部４６は、Ｃギヤ貫通孔４６ａに第２軸部４２のＣ取付部外周壁４２ｄを挿通させた状態で、第２軸部４２に対して固定される。なお、中間嵌めの際に、Ｂギヤ部４４及びＣギヤ部４６と第２軸部４２との間には、回転止めのためのキー等が挿入される。
【００５２】
図３Ｄに示すように、第２シャフト４０では、中間嵌めによって互いに対向及び接触する双方の面である第２軸部４２の外周壁４２ｂ，４２ｄ及び各ギヤ部４４，４６の内周壁４４ｂ，４６ｂが、いずれも精密ショットピーニングを施されている。このように、嵌合によって接合面となる面に予め精密ショットピーニングを施した後、軸部とギヤ部とを嵌合して固定するギヤ付きシャフトの製造方法は、製造されたギヤ付きシャフトにおける軸部とギヤ部との接合部分で起こるフレッティング疲労を抑制することができる。なお、精密ショットピーニングは、金属材料表面を、結合力の強い組織に改質する作用があると考えられ、このような精密ショットピーニングの作用が、フレッティング疲労の抑制効果をもたらしているものと考えられる。
【００５３】
なお、上述の説明では、第２シャフト４０を例に挙げて製造方法の説明を行ったが、図２に示す他のシャフト３０，５０，６０についても、同様の製造方法によって作製することができる。すなわち、第１軸部３２に対するＡギヤ部３４の固定、第３軸部５２に対するＤギヤ部５４の固定及び第４軸部６２に対するＦギヤ部６４の固定についても、嵌合によって接合面となる面に、予め精密ショットピーニングを施すことにより、フレッティング疲労の抑制効果を得られる。
【００５４】
また、上述の製造方法により製造された第２シャフト４０等を有する減速機１６は、安全かつ安定的に動力を伝達することが可能である。また減速機１６を使用するミキサータンク１０は、アグロメレーション工程の場合など、負荷の大きい条件で運転される場合にも、安全かつ安定的な運転を実現することができる。
【００５５】
なお、図２に示す第２シャフト４０の第２軸部４２は、第３シャフト５０の第３軸部５２と比較して、より内径の小さいベアリング４８，４９によって支持されており、第２軸部４２には、第３軸部５２より大きな負荷が加わり易い。従って、減速機１６においては、軸部とギヤ部との接合面に精密ショットピーニングを施した後に嵌合により固定して作製したギヤ付きシャフトを第２シャフト４０として用いることが、耐久性を確保する観点から特に効果的である。
【００５６】
さらに、図２及び図３に示す第２シャフト４０は、ベベルギヤであるＢギヤ部４４を有している。ベベルギヤの歯面は軸方向に対して傾いているため、ベベルギヤを有するシャフトは、軸方向成分を含む力を受けて、フレッティング疲労の原因となる軸方向の振動を発生し易いという問題がある。また、第２シャフト４０の回転軸は鉛直方向であり、重力により軸方向の振動が発生しやすいという問題もある。さらに、Ｂギヤ部４４の歯面の法線方向が水平方向より鉛直方向側に傾いており、下方から力を受けることも、振動発生の原因となり得る。従って、第２シャフト４０として、軸部とギヤ部との接合面に精密ショットピーニングを施した後に嵌合により固定して作製したギヤ付きシャフトを採用することは、特に効果的である。
【００５７】
また、図２に示す減速機１６において、第１シャフト３０はモータ１２側に位置するため、Ａギヤ部３４も、Ｃギヤ部４６と同様に、起動時の急負荷等の負荷が集中し易い部分である。また、第１シャフト３０も、第２シャフト４０と同様にベベルギヤを有するため、軸方向の振動が発生し易い傾向にある。したがって、第１シャフト３０として、軸部とギヤ部との接合面に精密ショットピーニングを施した後に嵌合により固定して作製したギヤ付きシャフトを採用することは、耐久性を確保する観点から効果的である。
【００５８】
実施例
以下にさらに詳細な実施例に基づき説明を行うが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００５９】
実施例では、ギヤ付きシャフトの軸部等として一般的に使用される炭素鋼であるＳ４５Ｃ（ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１：２００５）で作製された試験片について、フレッティング疲労試験および通常の疲労試験を実施し、ギヤ付きシャフトの接合面に対する精密ショットピーニングの有効性を確認した。実施例では、疲労試験の種類及び試験片及び接触片に対する精密ショットピーニングの有無等を変更し、３種類の評価を行った。本実施例で行った比較例１、実施例１、及び参考例１の各評価条件を表１に示す。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
（比較例１）
表１に示すように、比較例１は、炭素鋼Ｓ４５Ｃで作製され、表面を精密ショットピーニングを施していない試験片９０を用いて、フレッティング疲労試験を行ったものである。図５（ａ）は、比較例１として評価を実施したフレッティング疲労試験の試験方法を表す概念図である。
【００６２】
比較例１として評価を実施したフレッティング疲労試験は、日本機械学会基準（ＪＳＭＥ）のフレッティング疲労試験方法（改訂版）（ＪＳＭＥ  Ｓ  ０１５−２００９）に基づくものである。図５（ａ）に示すように、比較例１に係るフレッティング疲労試験は、試験片９０の中央部分に形成される平行部９０ａに、矢印９５で示す繰り返し応力の方向とは直交する方向から、接触片９２を押し当てられた状態で実施される。接触片９２は、押し付け治具９４によって、平行部９０ａに押し当てられる。なお、比較例１で用いた試験片９０および接触片９２の表面は、研磨紙による研磨を施されている。
【００６３】
比較例１に係るフレッティング疲労試験では、矢印９５で示す方向に沿って繰り返し応力を負荷し、試験片９０が疲れ破壊を生ずるまでに要した応力の繰り返し数Ｎを測定した。繰り返し応力の周波数は、３Ｈｚとした。また、押し付け治具９４の歪みは１００μｍとした。なお、試験片９０の平行部９０ａの断面積は１５０ｍｍ２、接触片９２の押し付け力は一定とした。また、比較例１における繰り返し応力（片振り応力）の最大応力は、２５０、３５０、４４０ＭＰａとし、比較例１では、各最大応力で１回ずつ、計３回のフレッティング疲労試験を実施した。
【００６４】
（実施例１）
表１に示すように、実施例１は、試験片９０及び接触片９２の表面に精密ショットピーニングを施した以外は、比較例１と同様の条件で、フレッティング疲労試験を行ったものである。すなわち、実施例１で用いた試験片９０及び接触片９２は、比較例１で用いた試験片９０及び接触片９２と同様に炭素鋼Ｓ４５Ｃで作製された後、その表面に更に精密ショットピーニングが施されたものである。実施例１で用いた試験片９０に対して行われた精密ショットピーニングは、２段階の精密ショットピーニングであり、第１段階として高速度鋼の微粒子を用いて精密ショットピーニングを行い、第２段階としてセラミックビーズの微粒子を用いて精密ショットピーニングを行ったものである。各段階で用いた微粒子の粒径はいずれも５０μｍであり、精密ショットピーニングにおける高圧エアーの噴射速度はいずれも２００ｍ／ｓｅｃであり、高圧エアーの噴圧はいずれも０．４ＭＰａとした。
【００６５】
実施例１に係るフレッティング疲労試験でも、実施例１と同様に、試験片９０が疲れ破壊を生ずるまでに要した応力の繰り返し数Ｎを測定した。試験片９０及び接触片９２の形状及び接触片９２の押し付け力等の評価条件は、比較例１と同様である。なお、精密ショットピーニングによる寸法変化は、大きくても数μｍ程度であるため、試験片９０及び接触片９２の形状を算出する際には考慮していない。また、実施例１における繰り返し応力（片振り応力）の最大応力は、２５０、２７５、３００、３２５、３５０、４４０ＭＰａとし、実施例１では、各最大応力で１回ずつ、計６回のフレッティング疲労試験を実施した。
【００６６】
（参考例１）
表１に示すように、参考例１は、比較例１で用いたものと同様の試験片９０を用いて、通常の疲労試験（ＪＩＳ  Ｚ  ２２７３：１９７８）を行ったものである。図５（ｂ）は、参考例１として実施した通常の疲労試験の試験方法を表す概念図である。
【００６７】
参考例１として実施した通常の疲労試験は、フレッティング疲労試験で用いたような接触片９２（図５（ａ）参照）を用いずに行われる点を除き、比較例１として実施したフレッティング疲労試験と同様にして行われた。参考例１で用いた試験片９０の製造方法及び形状は、比較例１と同様である。また、参考例１に係る通常の疲労試験では、比較例１に係るフレッティング疲労試験と同様に、図５（ｂ）において矢印９７で示す方向に、繰り返し応力が加えられた。繰り返し応力の周波数は、比較例１と同様に、３Ｈｚとした。また、参考例１における繰り返し応力（片振り応力）の最大応力は、２５０、２７５、３００、３２５、３５０、４４０ＭＰａとし、参考例１では、各最大応力で１回ずつ、計６回の通常の疲労試験を実施した。
【００６８】
評価結果
図６は、それぞれ、比較例１、実施例１、及び参考例１に係る評価結果を表すＳ−Ｎ線図である。比較例１（実線）と参考例１（破線）とを比較すると、精密ショットピーニングを施していない試験片９０を用いた試験では、フレッティング疲労試験の方が、通常の疲労試験に対して、破壊を生じるまでの繰り返し回数Ｎが著しく低いことが解る。これは、炭素鋼Ｓ４５Ｃで作製された材料の接合面において、フレッティング疲労による疲労強度の低下の方が、フレッティング疲労以外の通常の疲労による疲労強度の低下よりも早く起こり得ることを示している。
【００６９】
これに対して、精密ショットピーニングを施した試験片９０を用いた実施例１（一点鎖線）は、同じフレッティング疲労試験でありながら、精密ショットピーニングを施していない試験片９０を用いた比較例１に対して、破壊を生じるまでの繰り返し回数Ｎが大きく向上していた。このことにより、炭素鋼Ｓ４５Ｃで作製された材料の接合面においてフレッティング疲労が発生し得る場合は、接合面に精密ショットピーニングを施すことにより、大幅な疲労強度の向上を図れることを確認できた。
【００７０】
また、精密ショットピーニングによる疲労強度の向上は顕著であり、実施例１（一点鎖線）は、通常の疲労試験である参考例１（破線）よりも、破壊を生じるまでの繰り返し回数Ｎが大きい。このことは、設計時にフレッティング疲労が想定されていなかったギヤ付きシャフトについて、その後にフレッティング疲労の発生が発見されたような場合にでも、接合面に精密ショットピーニングを施すことにより、ほとんど設計変更を行うことなく、精密ショットピーニングを施さないものについてのフレッティング疲労以外の通常の疲労に対する耐久性能と同等以上の耐久性能を、フレッティング疲労に対して有するギヤ付きシャフトを製造し得ることを表している。
【符号の説明】
【００７１】
１０…ミキサータンク
１２…モータ
１４…カップリング
１６…減速機
１８…アウトプットシャフト
２０…インペラー
２２…タンク
３０…第１シャフト
３２…第１軸部
３４…Ａギヤ部
３８，３９，４８，４９，５８，５９，６８，６９…ベアリング（軸受け部）
４０…第２シャフト
４２…第２軸部
４２ａ…Ｂ取付部
４２ｂ…Ｂ取付部外周壁
４２ｃ…Ｃ取付部
４２ｄ…Ｃ取付部外周壁
４４…Ｂギヤ部
４４ａ…Ｂギヤ貫通孔
４４ｂ…Ｂギヤ内周壁
４４ｅ…Ｂギヤ歯面
４６…Ｃギヤ部
４６ａ…Ｃギヤ貫通孔
４６ｂ…Ｃギヤ内周壁
４６ｅ…Ｃギヤ歯面
５０…第３シャフト
５２…第３軸部
５４…Ｄギヤ部
５６…Ｅギヤ歯面
６０…第４シャフト
６２…第４軸部
６４…Ｆギヤ部
９０…試験片
９０ａ…平行部
９２…接触片
９４…押し付け治具
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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