JPH11156721A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 まず歯車１の歯底部と歯元部とにショッ
ト粒７が衝突するように第１のエアーノズル８により第
１のショットピーニングを行い、次いでその歯車１の歯
先部にショット粒が衝突するように第２のエアーノズル
９により第２のショットピーニングを行う。

Description

【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１０
０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、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第１のショットピー
ニングを行い、次いでその歯車の歯先部にショット粒が
衝突するように第２のショットピーニングを行うことを
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。

【０００８】本発明においては、前記歯底部と歯元部と
に対するショットピーニングの後における歯車の素地硬
さが、ショット粒の硬さと同等もしくはそれ以下である
のが好ましい。こうすることで、第２のショットピーニ
ング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。

【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９００ＭＰ
ａ以上の圧縮残留応力を有す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１
５μｍ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１
１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１０００ＭＰ
ａ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６５０Ｍ
Ｐａであるのに対し、本実施例の歯車では１１５０ＭＰ
ａ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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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、 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
   うに第１のショットピーニングを行い、次いでその歯車
   の歯先部にショット粒が衝突するように第２のショット
   ピーニングを行うことを特徴とする歯車のショットピー
   ニング方法。
2. 【請求項２】 前記歯底部と歯元部とに対するショット
   ピーニングの後における歯車の素地硬さが、ショット粒
   の硬さと同等もしくはそれ以下である請求項１に記載の
   歯車のショットピーニング方法。
3. 【請求項３】 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９００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有す
   ることを特徴とする高強度歯車。
4. 【請求項４】 歯先部の突起量が１５μｍ以下である請
   求項３に記載の高強度歯車。