JP4760664B2 - ベルト式無段変速機用シーブ部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
各プーリを構成する部品としては、軸部とこれに固定された円錐状のシーブ面を有する部品(固定シーブ)と、上記軸部に装着されて軸上を移動する円錐状のシーブ面を有する部品(可動シーブ)とがある。これら固定シーブ及び可動シーブのそれぞれを、適宜、単に、CVTシーブと呼ぶ。
このような状況から、CVTシーブの製造をより効率よく行うために、従来と同等の寸法精度と硬度特性を維持しながら処理時間の短縮等を図ることが求められていた。
鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程と、
上記中間体を浸炭ガス中において加熱して浸炭処理する浸炭工程と、
該浸炭工程を終えた上記中間体を冷却するに当たり、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、該中間体における組織がマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度で徐冷する冷却工程と、
冷却された上記中間体の全体ではなく少なくとも上記シーブ面を含む一部分のみを高周波加熱した後に水焼入れする焼入れ工程と、
上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程とを含むことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法にある(請求項1)。
本発明のCVTシーブは、上記のごとく、短時間処理によって作製することができ、コスト低減することが可能であり、かつ、従来と同様の硬度特性及び優れた寸法精度を兼ね備えたものとすることができる。
また、冷却速度が遅すぎる場合には、冷却時間が長時間となり、生産性の低下がおこりうる。そのため、好ましくは上記冷却速度は0.1℃/秒以上がよく、さらに好ましくは0.5℃/秒以上がよい。
したがって、上記冷却速度は、0.1〜20℃/秒の範囲とすれば好ましいが、より好ましくは0.5〜10℃/秒の範囲とするのがよい。
本発明では、上述したごとく、上記の徐冷を行う冷却工程を採用し、かつ、焼入れ処理として高周波焼入れ工程を採用することにより、従来の浸炭焼入れの場合よりも歪み発生を大幅に抑制することができるが、さらに高周波焼入れ工程の前の冷却工程において、上記減圧徐冷を採用することが最も好ましい。
また、上記減圧徐冷中においても、減圧条件を途中で緩めたり、撹拌条件を変更したりすることも可能である。むしろ、歪み発生のおそれが減少する低温域においては、冷却効率を向上できる条件に変更することが工業的には好ましい。
上記減圧徐冷の終了時期を温度によって定める場合には、例えば、500℃以下の所定の温度になった時期とすることができる。少なくとも500℃まで歪み発生抑制可能な条件で減圧徐冷すれば、上記の作用効果を十分に発揮することができる。
すなわち、上記減圧徐冷は、上記冷却ガスを撹拌しながら行うことが好ましい(請求項5)。これにより、よりいっそう歪み抑制効果を高めることができる。
そのため、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.3barの範囲とすることがより好ましい(請求項8)。特に0.3bar以下とすることによって、上記の減圧による効果を高めることができる。
また、この冷却工程中の圧力増大は、あくまでも大気圧よりも低い範囲で行う。また、圧力増大は、一気に行ってもよいが、徐々に行う方がより好ましい。なお、上述したように、冷却工程を完了させた後に、大気圧あるいはそれ以上に増圧することは妨げられない。
もちろん、上記冷却ガスとしては、公知の様々なガスを選択することができる。
また、上記浸炭ガスとしては、例えば、アセチレン、プロパン、ブタン、メタン、エチレン、エタン等を適用することができる。
実施例に係るCVTシーブの製造方法及び得られたCVTシーブの評価結果(実験例1〜8)につき、図1〜図15を用いて説明する。
本例で作製するCVTシーブは、図1〜図4に示すごとく、ベルト式無段変速機におけるプライマリプーリを構成する一対のシーブ部材(CVTシーブ)81、82と、セカンダリプーリを構成する一対のシーブ部材(CVTシーブ)83、84の合計4種類である。上記CVTシーブ81、82とからなるプライマリプーリにおける溝部と、上記CVTシーブ83、84とからなるセカンダリプーリにおける溝部とにベルトを掛け合わせることにより、ベルト式無段変速機の基本構造が構成されることとなる。
CVTシーブ82は、図2に示すごとく、上記プリシャフト81のシャフト部810に外挿可能な貫通穴829を設けた外筒部820とシーブ部822とを有しており、シーブ部822の円錐状の表面がシーブ面825である。CVTシーブ82は、上記プリシャフト81のシャフト部810に装着した状態で軸方向に相対的にスライドできるよう組み付けられる。以下、適宜、このCVTシーブ82を、プリスライディング82という。
CVTシーブ84は、図4に示すごとく、上記セカンドシャフト83のシャフト部830に外挿可能な貫通穴849を設けた外筒部840とシーブ部842とを有しており、シーブ部842の円錐状の表面がシーブ面845である。CVTシーブ84は、上記セカンドシャフト83のシャフト部830に装着した状態で軸方向に相対的にスライドできるよう組み付けられる。以下、適宜、このCVTシーブ84を、セカンドスライディング82という。
なお、図1〜図4に示すごとく、ハッチング部分Yは、後述する高周波焼入れ工程によって硬化させる部分(焼入れ部位Yという)である。
本実施例の方法(本実施例工程)は、図5(a)に示すごとく、主にステップS11からS17の7つのステップを有するものである。
ステップS11は、鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程であり、上述した各CVTシーブ81〜84の粗形状を有する中間体(図示略)を得るものである。
ステップS13は、上記中間体を浸炭ガス中において加熱して浸炭処理する浸炭工程である。本例では、後述するごとく、減圧浸炭処理を採用した。
ステップS14は、浸炭工程を終えた上記中間体を冷却するに当たり、少なくとも該中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が20℃/秒以下となるよう徐冷する冷却工程である。本例では、後述するごとく減圧徐冷を採用した。
ステップS15は、冷却された上記中間体の所望部分を高周波加熱した後に水焼入れする焼入れ工程である。
ステップS16は、焼入れ後の中間体に焼戻し処理を施す焼戻し工程である。
ステップS17は、上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程である。
ステップS21は、鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程であり、粗形状を有する中間体(図示略)を得るものであり、上記ステップS11と同じである。
ステップS23は、上記中間体に対して従来の一般的な浸炭焼入れを行う浸炭焼入れ工程である。
ステップS24は、焼入れ後の中間体に焼戻し処理を施す焼戻し工程である。
ステップS25は、上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程である。
図6(a)には、本実施例方法におけるヒートパターンAを示し、図6(b)には、比較方法におけるヒートパターンBとを示し、比較してある。同図は、横軸に時間を、縦軸に温度を取り、熱処理中における部材の温度をヒートパターンA、Bとして示したものである。
減圧浸炭工程a1直後の冷却工程a2(S15)は、冷却ガスは窒素(N2)、減圧状態は600hPa、炉内における冷却ガスの撹拌は撹拌ファンの回転数を定格の約半分で行う第1のステップを40分間行い、その後、減圧状態を800hPaまで緩めると共に撹拌ファンの回転数を定格まで上げて行う第2ステップを20分間行うという減圧徐冷条件を採用し、少なくとも150℃以下の温度となるまで冷却速度は10℃/分以下という条件とした。
次に、高周波加熱によって中間体のシーブ面等の焼入れ部位Y(図1〜図4)を部分的に950℃に加熱し、その後水を吹き付けて水焼入れするという条件で焼入れ工程(S16)を行った。高周波加熱の条件は、CVTシーブの種類によって焼入れ領域が若干異なるのでCVTシーブ毎に異なる条件に変更した。例えばシーブ面に関しては、プリシャフト81に対する条件は、周波数8.8kHz、設定電力200kW、加熱時間6.8秒という条件とし、プリスライディング82に対する条件は、周波数15kHz、設定電力150kW、加熱時間7.5秒という条件とし、セカンドシャフト83に対する条件は、周波数8.8kHz、設定電力270kW、加熱時間6.0秒という条件とし、セカンドスライディング84に対する条件は、周波数15kHz、設定電力150kW、加熱時間5.8秒という条件とした。また、プリスライディング82及びセカンドスライディング84の内径側に関しては、プリスライディング82に対する条件は周波数30kHz、設定電力60kW、加熱時間6.2秒という条件とし、セカンドスライディング84に対する条件は周波数30kHz、設定電力60kW、加熱時間6.7秒という条件とした。
さらに、150℃に70分保持するという焼戻し工程a4(S17)を追加した。
図7(a)に示すごとく、本実施例方法を実施するための熱処理設備5は、浸炭焼入れ処理前に鋼部材を洗浄するための前洗槽51と、加熱室521、減圧浸炭室522、および減圧冷却室523を備えた減圧浸炭徐冷装置52と、高周波焼入れ機53と、欠陥を検査するための磁気探傷装置54とを備えたものである。
次に、図8に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドシャフト83について歪み発生状態を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。その化学成分組成は表1に示す。
一方、従来工程の場合には、浸炭焼入れ前と浸炭焼入れ後において大幅に歪み形状が変化していることがわかる。
以上の結果から、本実施例工程を採用した場合には、熱処理工程によって歪みが発生することを従来よりも抑制することが可能であり、熱処理前の形状を適切に制御すれば、最終の仕上げ工程での研削代を低減する製造設計も可能であると言える。
次に、図9に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドスライディング84について歪み発生状態を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
一方、従来工程の場合には、浸炭焼入れ前と浸炭焼入れ後において大幅に歪み形状が変化していることがわかる。
以上の結果から、本実施例工程を採用した場合には、熱処理工程によって歪みが発生することを従来よりも抑制することが可能であり、熱処理前の形状を適切に制御すれば、最終の仕上げ工程での研削代を低減する製造設計も可能であると言える。
次に、図10に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したプリシャフト81について、シーブ面815の硬度特性を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、上記と同様に愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
次に、図11に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって、異なる材質を用いて作製したプリシャフト81について、シーブ面815の硬度特性を評価した。
従来工程品の素材は、上記と同様に愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとしたが、本実施例工程品の素材は、S30Cとした。
次に、図12に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドシャフト83について、シーブ面835の硬度特性を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
次に、図13に示すごとく、上述した本実施例工程によって作製したセカンドシャフト83について、シャフト部830の硬度特性を評価した。
なお、素材としては、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
次に、図14に示すごとく、上述した本実施例工程によって作製したセカンドシャフト83について、浸炭工程(S13)の効果を評価すべく、シーブ面835の断面の炭素濃度を測定した。炭素濃度の測定は、具体的には、EPMA(電子線マイクロアナライザー)を用いて行った。
なお、素材としては、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
次に、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドシャフト83について、静的ねじり試験を実施した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
測定結果を表2に示す。
以上から、本実施例工程を採用した場合には、従来よりも大幅なねじり特性の向上が得られこともわかった。
本参考例では、実施例1における本実施例工程の冷却工程において採用可能な減圧徐冷について複数種類の方法(試験1〜3)を実施し、歪みの発生状況を把握した。なお、本参考例では、実施例1に示したCVTシーブ81〜84ではなく、冷却歪みの影響がより明確に生じうる鋼部材であるリングギアに対して試験を行った例を示す。この参考例の結果は、CVTシーブの製造方法にも適用できる。
試験1では、図15に示すごとく、上記鋼部材をオーステナイト化温度以上の950℃に昇温する浸炭処理を行った後に、鋼部材を150℃以下まで冷却する。
図15は、横軸に時間、縦軸に温度を取り、鋼部材の温度履歴を示したものである(後述する図16〜図18も同様である)。上記熱処理は、同図A点〜B点の期間が熱処理の期間であり、B点以降が冷却の期間である。そして、試験1では、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行った。
減圧冷却の条件は、冷却ガスとしてN2を用い、0.3bar一定の減圧状態とし、冷却ガスの撹拌を行う条件とした。撹拌速度は、冷却に用いた装置における撹拌ファンを定格回転数の550rpm一定で運転して得られる条件とした。
試験2では、図16に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行ったが、詳細条件を試験1と変えた。すなわち、減圧冷却の条件として、冷却ガスとしてN2を用い、0.3bar一定の減圧状態とした点は試験1と同様であるが、撹拌速度の条件を、最初は撹拌ファンの回転数を250rpm一定に落として運転し、その後、15分後(図8のC点)に550rpm一定に変更するという条件とした。その他は試験1と同様である。
試験3では、図17に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行ったが、詳細条件を試験1と変えた。すなわち、減圧冷却の条件として、冷却ガスとしてN2を用い、その減圧状態を0.65bar一定とした。その上で、最初は冷却ガスの撹拌を行わず、その後、15分後(図9のC点)に550rpm一定に変更するという条件とした。その他は試験1と同様である。
試験4では、図18に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧のままの状態で冷却した。すなわち、冷却条件は、冷却ガスの圧力は1.0bar(大気圧)一定とし、撹拌条件は、撹拌ファンの回転数を定格より落とした250rpm一定とした。冷却前の熱処理条件は試験1と同様である。
歪みは、リング状の本体部の内周面に設けた歯面の谷部分に接触するように所定の直径の鋼球を配置し、対向する鋼球同士の内径寸法(BBD)を測定して得られた寸法により評価した。
その結果、試験1〜3の場合には、いずれの場合もBBDから知られる楕円状態が、試験4(比較試験)よりも小さく、歪み抑制効果が非常に高かった。
本例では、図19に示すごとく、実施例1において示した減圧徐冷工程a2として採用可能な減圧徐冷パターンについての別例を具体的に説明する。
図19は、横軸に時間をとり、第1縦軸に冷却ファンの回転数(a)を、第2縦軸に被処理材の温度(b)を、第3縦軸に冷却ガスの圧力(c)をとったものである。
81 プライマリプーリ用のシーブ部材(プリシャフト)、
815、825、835、845 シーブ面、
82 プライマリプーリ用のシーブ部材(プリスライディング)、
83 セカンダリプーリ用のシーブ部材(セカンドシャフト)、
84 セカンダリプーリ用のシーブ部材(セカンドスライディング)、
9 浸炭焼入れ設備
Claims (16)
- ベルトと摩擦接触させるためのシーブ面を備えたベルト式無段変速機用シーブ部材を製造する方法であって、
鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程と、
上記中間体を浸炭ガス中において加熱して浸炭処理する浸炭工程と、
該浸炭工程を終えた上記中間体を冷却するに当たり、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、該中間体における組織がマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度で徐冷する冷却工程と、
冷却された上記中間体の全体ではなく少なくとも上記シーブ面を含む一部分のみを高周波加熱した後に水焼入れする焼入れ工程と、
上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程とを含むことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。 - 請求項1において、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が20℃/秒以下となるよう徐冷することを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項1において、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が10℃/秒以下となるよう徐冷することを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、上記中間体を覆う冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で徐冷する減圧徐冷を行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項4において、上記減圧徐冷は、上記冷却ガスを撹拌しながら行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項4又は5において、上記減圧徐冷は、少なくとも、冷却による上記中間体の組織変態が始まる前からすべての組織変態が完了するまで行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項4〜6のいずれか1項において、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.65barの範囲とすることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項7において、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.3barの範囲とすることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項4〜8のいずれか1項において、上記冷却工程では、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に上記冷却ガスの撹拌速度を高める条件で冷却を行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項4〜9のいずれか1項において、上記冷却工程では、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に上記冷却ガスの圧力を高める条件で冷却を行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれか1項において、上記浸炭工程は、上記中間体を減圧下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧浸炭工程であることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項11において、上記浸炭工程は、上記中間体をオーステナイト化温度以上に加熱すると共に、0.001〜0.1barの減圧条件下において行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項1〜12のいずれか1項において、上記素材は、質量%において、C:0.20〜0.45%を含有する炭素鋼であることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項13において、上記浸炭工程においては、浸炭層の最大の浸炭濃度が、C:0.5〜1.0質量%となるように行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項1〜14のいずれか1項において、上記焼入れ工程における上記水焼入れの冷却速度は、200℃/秒〜2000℃/秒であることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の製造方法により製造してなることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材。
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