(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車の外表面を硬化させる歯車のショットピーニング方法であって、
歯車の歯底部と歯元部とにショット粒が衝突するように、その軸線が歯車の歯底面と略垂直になるような位置に配される第１のエアーノズルにより第１のショットピーニングを行って圧縮残留応力を生成させる工程と、その歯車の歯先部にショット粒が衝突するように、その軸線が歯車のインボリュート面と略垂直になるような位置に配される第２のエアーノズルにより第２のショットピーニングを行って前記第１のショットピーニングで歯先部に形成された円周方向の突起を半径方向の突起に変形させる工程とよりなることを特徴とする歯車のショットピーニング方法。
【請求項２】
請求項１に記載の歯車のショットピーニング方法により得られる高強度歯車であって、
歯車の外表面に生成される圧縮残留応力が９００ＭＰａ以上で、歯先部の突起量が１５μｍ以下であることを特徴とする高強度歯車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車の外表面を硬化させる歯車のショットピーニング方法およびそのショットピーニング方法により得られる高強度歯車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種機器類に使用される歯車の小型化に対する要請に伴い、この歯車の強度を向上させるための方策がいろいろと提案され、実用化されてきている。この歯車の強度向上の一つの手段としてショットピーニングが知られている。このショットピーニングは、歯車の外表面に、スチールボール（鋼球），カットワイヤもしくはラウンドカットワイヤ等のショット粒（投射材）を衝突させる方法であって、これにより歯車に圧縮残留応力場を付与して歯元曲げ疲労強度を向上させるものである。
【０００３】
図７には、従来のノズル式のショットピーニングの一例が示されている。図示のように、歯車１００の外表面には例えば鋼球よりなるショット粒１０１がノズル１０２から投射されるようになっている。ここで、歯車１００は、歯先面１０３と、歯底面１０４と、歯底面１０４から歯先面１０３に向かって設けられる例えばインボリュート曲線で構成される歯形面１０５とを有する形状とされている。また、ショット粒１０１の投射方向は通常、矢印Ｐ方向に回転する歯車１００に対して歯底面１０４に略垂直な方向とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のショットピーニング方法では、歯底面１０４を狙ってショット粒１０１が投射されるために、歯先部、とりわけ歯先面１０３と歯形面１０５との稜線の部分においてショット粒１０１の衝突時の衝撃による塑性変形が生じて小さな突起（バリ）１０６が円周方向に向けて形成されるという問題点がある。このような突起１０６は、歯車の噛み合い時に騒音発生の要因になったり、あるいは相手側歯車の歯元部に当たりその歯元部を摩耗させて歯車の寿命を短くしてしまう。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、歯車の歯先部に生じる突起が歯車の噛み合いに支障を来すことがなく、しかも高精度でかつ高強度の歯車を得ることのできる歯車のショットピーニング方法を提供し、併せてそのショットピーニング方法にてショットピーニングを施すことにより得られる高強度歯車を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による歯車のショットピーニング方法は、
歯車の外表面を硬化させる歯車のショットピーニング方法であって、
歯車の歯底部と歯元部とにショット粒が衝突するように、その軸線が歯車の歯底面と略垂直になるような位置に配される第１のエアーノズルにより第１のショットピーニングを行って圧縮残留応力を生成させる工程と、その歯車の歯先部にショット粒が衝突するように、その軸線が歯車のインボリュート面と略垂直になるような位置に配される第２のエアーノズルにより第２のショットピーニングを行って前記第１のショットピーニングで歯先部に形成された円周方向の突起を半径方向の突起に変形させる工程とよりなることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明においては、高強度歯車を製造するに際し、まず歯車の歯底部と歯元部とにショット粒が衝突するように、その軸線が歯車の歯底面と略垂直になるような位置に配される第１のエアーノズルにより第１のショットピーニングが行われ、これによって歯底部と歯元部とに圧縮残留応力を生成させて曲げ疲労強度の向上が図られる。次に、前記歯車の歯先部にショット粒が衝突するように、その軸線が歯車のインボリュート面と略垂直になるような位置に配される第２のエアーノズルにより第２のショットピーニングが行われ、これによって前記第１のショットピーニングにて歯先部に円周方向へ向けて生成された突起（バリ）を半径方向へ変形させて歯先の変形量が小さくされ、歯車精度の向上が図られる。こうして、歯先部に形成されるバリが歯車の噛み合いに支障を来すのを防ぐことができ、高精度でかつ高強度の歯車を得ることが可能となる。
【０００９】
次に、第２発明による高強度歯車は、前記第１発明による歯車のショットピーニング方法により得られる高強度歯車であって、
歯車の外表面に生成される圧縮残留応力が９００ＭＰａ以上で、歯先部の突起量が１５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
一般に、ショットピーニングにおけるピーニング強さの指標であるアークハイト値を大きくするほど圧縮残留応力が増大するが、一方ではアークハイト値が増大すると歯先突起量が大きくなってしまう。しかし、本発明によれば、発生する歯先突起量を小さくできるので、大きなアークハイト値でのショットピーニングが可能である。より具体的には、従来方法によるショットピーニングにおけるアークハイト値に対する歯先突起量の関係を示す曲線と、アークハイト値に対する圧縮残留応力の関係を示す曲線との交点の圧縮残留応力値である９００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成することが可能で、かつ歯先部に円周方向へ向けて生成された突起（バリ）を小さくして、前記交点の歯先突起量である１５μｍ以下の歯先突起量とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による歯車のショットピーニング方法およびそれにより得られる高強度歯車の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施例に係るショットピーニング工程を説明する模式図であり、図２は第１のショットピーニング工程を示す部分側面図、図３は第２のショットピーニング工程を示す部分側面図である。
【００１３】
本実施例において用いられる歯車１は、外表面が、歯先面２と、歯底面３と、歯底面３から歯先面２に向かって設けられるとともに歯４の側面をなす左右のインボリュート面５，６とを備える形状とされている。
【００１４】
この歯車１の外表面に対してショット粒（本実施例ではスチールボール）７を投射するために、この歯車１の側方上部位置と側方中央位置とにそれぞれ歯車１方向へ向けて第１のエアーノズル８および第２のエアーノズル９が配されている。第１のエアーノズル８は、歯車１の歯底面（歯底部）３と、この歯底面３と歯４との境界部である歯元部１０とにショット粒７が衝突するように、言い換えればそのエアーノズル８の軸線１１上に歯底面３が来たときにその軸線１１と歯底面３とが略垂直になるような位置に設置されている。一方、第２のエアーノズル９は、歯車１の歯先面２とインボリュート面５との境界部（歯先部）にショット粒７が衝突するように、言い換えればそのエアーノズル９の軸線１２上にインボリュート面５が来たときにその軸線１２とインボリュート面５とが略垂直になるような位置に設置されている。
【００１５】
このような構成において、歯車１を矢印Ａ方向に回転させた状態で、まず第１のエアーノズル８から歯底面３および歯元部１０を狙ってショット粒７を投射する（第１のショットピーニング）。そうすると、投射されたショット粒７は主として歯車１の歯底面３および歯元部１０に衝突してそれらの部分に圧縮残留応力を生成する。なお、この投射によって歯車１の歯先面２にもショット粒７が衝突するために、この歯先面２の両端部には図２に示されるような円周方向のバリ１３，１４が形成される。
【００１６】
次に、同様に歯車１を矢印Ａ方向（時計方向）に回転させた状態で、第２のエアーノズル９から歯先面２の側部を狙ってショット粒７を投射する（第２のショットピーニング）。そうすると、投射されたショット粒７は主として歯車１の歯先面２とインボリュート面５との境界部に衝突し、図３に示されているように、先の工程で形成された円周方向のバリ１３を半径方向のバリ１３Ａに変形させる。なお、このように歯先部の一方側にショットピーニングが施された後、歯車１を表裏反転させて同様の投射を行うことで、反対側にある円周方向のバリ１４を半径方向のバリ１４Ａに変形させることができる。この結果、歯先部に形成されるバリ１３Ａ，１４Ａが歯車１の噛み合いに支障を来すことがなくなる。こうして、歯先の変形量が小さく、優れた歯車精度を有する高強度かつ高精度の歯車が得られる。
【００１７】
本実施例において、第１のエアーノズル８によるショットピーニングの後における歯車１の素地硬さは、ショット粒７の硬さと同等もしくはそれ以下であるのが好ましい。これによって、第２のエアーノズル９による歯先部のバリの変形を容易かつ確実に行うことができる。
【００１８】
本実施例によるショットピーニング方法の効果を確認するために、歯車素材として、０．３５ｗｔ％Ｃ，０．２０ｗｔ％Ｓｉ，０．８０ｗｔ％Ｍｎ，１．０ｗｔ％Ｃｒ，０．２０ｗｔ％Ｍｏ，０．１０ｗｔ％Ｖの組成よりなり、モジュール３．０，圧力角１４．５°の窒化歯車を用いるとともに、Ｈｖ７００硬さのスチールボールを投射圧力２．５ｋｇｆ／ｃｍ2 で投射した場合の歯車精度を測定した。この結果、第１のエアーノズル８によるショットピーニング後において形成された円周方向のバリ１３，１４の高さが２８μｍ〜４７μｍであったのに対し、次いで第２のエアーノズル９によるショットピーニングを行った後には、この円周方向のバリ１３，１４の高さは４μｍ〜９μｍに低減しており、本実施例の方法が有効であることが確認された。
【００１９】
このときの歯底面３における残留応力分布が、ショットピーニング処理前の残留応力分布とともに図４に示されている。なお、残留応力値に−（マイナス）の符号が付されているのは圧縮応力であることを示している。この図から明らかなように、ショットピーニング処理前においては残留応力が−２００ＭＰａ程度であったのが、処理後においては最大値−１２５０ＭＰａ程度となって、圧縮残留応力が全体として１０００ＭＰａ以上に増加していることがわかる。
【００２０】
次に、本実施例によるショットピーニング処理により得られた歯車とショットピーニング処理前の歯車との曲げ疲労強度を比較するために、供試リングギアの歯底に繰り返しの圧縮応力／引っ張り応力を発生させて破損までの回数を測定する両振り疲労試験を行った。この試験結果のグラフが図５に示されている。このグラフから、サイクル数１０6 における両振り曲げ疲労強度が、ショットピーニング処理前の歯車では６５０ＭＰａであるのに対し、本実施例の歯車では１１５０ＭＰａであり、曲げ疲労強度が格段に改善されているのがわかる。
【００２１】
図６には、ショットピーニングにおけるピーニング強さの指標であるアークハイト値に対する歯先突起量（円周方向のバリの高さ）の関係および同アークハイト値に対する残留応力ピーク値の関係が示されている。図示のように、一般にアークハイト値を大きくするほど圧縮残留応力（マイナスの符号で示されている。）が増大するが、一方ではアークハイト値が増大すると歯先突起量が大きくなってしまう。すなわち、歯先突起量を小さくするためには圧縮残留応力のピーク値を小さくせざるを得ず、これによって曲げ疲労強度は小さくなって高強度の歯車を得ることができない。なお、ショットピーニング処理後に歯先突起を機械加工などの方法で除去することも考えられるが、このようにすればコスト高となってしまうので実用性が乏しい。しかし、本実施例の方法によれば、発生する歯先突起量を小さくできるので、大きなアークハイト値でのショットピーニングが可能である。図中、黒塗りの丸印で示すのは本実施例の刃先突起量（９μｍ）であり、黒塗りの四角印で示すのは本実施例の残留応力ピーク値（１２５０ＭＰａ）である。
【００２２】
本実施例では、従来方法によるショットピーニングにおけるアークハイト値に対する歯先突起量の関係を示す曲線と、アークハイト値に対する圧縮残留応力ピーク値の関係を示す曲線との交点の圧縮残留応力値である９００ＭＰａ以上の圧縮残留応力で、かつその交点の歯先突起量である１５μｍ以下の歯先突起量、言い換えれば図中斜線で示した領域の圧縮残留応力値および歯先突起量を得ることが可能である。
【００２３】
本実施例においては、第１のショットピーニングと第２のショットピーニングとを別のエアーノズルにより行うものを説明したが、１台のショットピーニング装置において、第１のショットピーニングのためのエアーノズルの設置位置を変えて第２のショットピーニングを行うようにしても良い。また、第２のショットピーニングにおいて、歯車を表裏反転する代わりに、エアーノズルとして歯車の左側面を狙うエアーノズルと右側面を狙うエアーノズルの２基を設けるようにしても良い。
【００２４】
本実施例においては、ショット粒としてスチールボール（鋼球）を用いるものとしたが、その他、カットワイヤもしくはラウンドカットワイヤ、あるいはガラスビーズ，アルミナ球もしくは超硬球などを用いることもできる。
【００２５】
本実施例においては、歯形曲線としてインボリュート曲線のものについて説明したが、この歯形曲線は、他にサイクロイド曲線や直線等の種々のものがある。本発明はそれら種々の歯形曲線のものに適用しても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係るショットピーニング工程を説明する模式図である。
【図２】図２は、第１のショットピーニング工程を示す部分側面図である。
【図３】図３は、第２のショットピーニング工程を示す部分側面図である。
【図４】図４は、本実施例における歯底面の残留応力分布をショットピーニング処理前の残留応力分布とともに示すグラフである。
【図５】図５は、本実施例における歯車の曲げ疲労強度をショットピーニング処理前の曲げ疲労強度とともに示すグラフである。
【図６】図６は、アークハイト値に対する歯先突起量および残留応力ピーク値の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、従来の問題点を示す図である。
【符号の説明】
１    歯車
２    歯先面
３    歯底面
４    歯
５，６  インボリュート面
７    ショット粒
８    第１のエアーノズル
９    第２のエアーノズル
１０  歯元部
１１，１２  軸線
１３，１４  円周方向のバリ
１３Ａ，１４Ａ  半径方向のバリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003835910.tif 000005
【図５】
0003835910.tif 000006
【図６】
0003835910.tif 000007
【図７】
0003835910.tif 000008