Transcript ラッピング加工が浸炭歯車の負荷能力に及ぼす影響

No.11
ラッピング加工が浸炭歯車
の負荷能力に及ぼす影響
タ
イ
ト
ル
研究者
指導教官
坂本海峰 松澤努
森川浩次 日高一憲 中江道彦
１．緒言
1
産業界の要求
歯車装置の
小型化
低騒音化
それを実現するためには
高精度化
歯面を滑らか
要
求
本研究
ラッピング加工
歯面粗さの低減
負荷能力に及ぼす影響
本研究
今年度
SCM435調質歯車の運転
試験
SCM415浸炭歯車の運転
試験
SCM415浸炭歯車にラッピ
ング加工
今
年
度
ラ
面ッ疲
圧ピ労
強ン寿
さグ命
を加の
工
調に判
査よ定
を
る
行
効
い
果
２．試験機および試験方法
2
高荷重用歯車運転性能試験機
運転試験
機
上面
荷重負荷継手
側面
動力循環側歯車箱
試験側歯車箱
歯車諸元
歯車諸元
駆動歯車 従動歯車
モジュール
m
歯数
z
歯幅
b[mm]
かみ合いピッチ円直径 db[mm]
かみ合い圧力角
αb[deg.]
転位係数
x
4
22
23
13
10
89.173
93.533
21.978
0.158
0.151
調質歯車
荒歯切り後
調質処理
焼き入れ 850℃
焼き戻し 520℃
硬さ 37HRC
仕上げホブ切り （ホブ回転数 100 min-1）
浸炭歯車
荒歯切り後
浸炭処理
歯面研削加工
硬さ 750HV
運転条件
運転条件
SCM435 調質歯車
接触応力
σH[MPa]
負荷トルク
T[N・m]
745
830
915
1000
SCM415
浸炭歯車
1800
53.3
66.1
80.3
96.0
310.9
モータ駆動軸回転数
潤滑油
油量
油温 （調質歯車）
油温 (浸炭歯車)
[min-1]
[m3/min]
[℃]
[℃]
1819
タービン油 32 mm2/s
2×10‐3
40±5
70±5
３．調質歯車における
3
試験結果および考察
歯面写真の比較
SCM435調質
σH=915MPa(Test No.02‐04)
ND=0
ND=1×106
Tip
Root
ピッチングが多数発生
激しい摩耗
2mm
面
積
率
ピッチング面積率
調質歯車
23％
ピッチング面積率
％
25
20 急激な増加
15％
15
判定が困難
10
7％
5
明らかに低い
0
0
6
5×10
繰返し数 ND
7
1×10
歯形誤差（歯幅中央）
歯形誤差
歯形誤差
μm
400
最大値
平均値
最小値
300
200
100
急激な増加
745MPa
0
0
6
5×10
繰返し数 ND
1×10
変化なし
7
歯面粗さの変化(歯形方向)
粗さ
8
歯形方向
μ mRa
7
最大値
平均値
最小値
歯面粗さ
9
5
6
急激な増加
915MPa
4
3
830MPa
2
ほとんど変化なし
1
0
745MPa
0
5×10
6
繰返し数
1×10
ND
7
調質歯車Ｓ－Ｎ曲線
Ｓ－Ｎ曲線
最大ヘルツ応力 σH MPa
・疲労寿命判定は妥当
・耐久限はσH＝745MPa
1000
・試験機の有用性，再現性
900
800
700
600
SCM435 調質
仕上げ歯切り
１×106
5×106１×107
繰返し数
ND
４．浸炭歯車における
4
試験結果および考察
試験前後の歯面写真
歯面写真
SCM415浸炭
σH=1800MPa(Test No.02‐06)
ND=0
ND=1×107
Ｔｉｐ
Ｒｏｏｔ
擦過痕
2mm
歯形方向
歯面粗さ 積算摩耗量
g
μmRa
浸炭歯車における試験結果
0.2
0.1g以下
0.1
0
2
歯形方向
2μmRa以下
1
0
ピッチング 歯形誤差
面積率 ％ μm
浸
炭
試
験
結
果
100
約50μm
50
0
10
5
σH=1800MPa
(Test No.02–06)
0
0
6
5×10
繰返し数　ND
7
1×10
約
6％
これらの結果から
結果
σH=1800MPaでは
ND=1×107で疲労寿命に達していない
面圧強さを得るために
σH=1800MPa以上で運転試験を行う
必要がある
浸炭歯車の運転試験時に生じた問題
（1）
調質歯車
設定油温 40±5℃
歯面面圧が高い
油温の激しい上昇
浸炭歯車 70±5℃
油温
浸炭歯車の運転試験時に生じた問題
（2）
σH=1800MPaでは
荷重継手部の固定ボルト 破損
試験機の破損，作業者の危険
固定ボルトの強度向上
ボルト
５．ラッピング加工による変化
5
加工
機
ラッピング加工機
駆動用モータ
被加工歯車
微小振動用モータ
ラップ歯車
偏心カム
負荷部（ブレー
キ）
送り用モータ
微小振動
加
工
条
件
ラッピング加工条件
回転数
1]
砥粒
振動周波数
[Hz]
振幅
[mm]
送り速度
[mm/min]
ストローク
[mm]
[min-
2000
WA1000
88
0.7
300
10
ラッピング加工前後での歯面写真
歯面写真
研削加工後
ラッピング加工後
Ｔｉｐ
Ｒｏｏｔ
すじ状の研削目
研削目消失
2mm
ラッピング加工前後での歯形方向
断面曲線
ラッピング加工後
1μm
研削加工後
小さくなっている
100μm
断面曲
線
歯形・歯すじ方向歯面粗さ
歯面粗さ
研削加工後
ラッピング加工後
歯面粗さ
μmRa
0.2
0.1
歯元
歯先
ピッチ点
0
歯形方向
歯 す じ 方 向
歯形・歯すじ誤差
μm
60
6
50
歯形誤差
40
4
30
20
2
10
0
歯幅中央
歯先 ピッチ点 歯元
0
μm
研削加工後
ラッピング加工後
8
歯すじ誤差
70
誤差
これらの結果から
結果
ラッピング加工
負荷能力向上の指針が得られた
６．結言
6
結言1
調質歯車
ピッチング面積率 ＋ 歯面写真
寿命判定法
Ｓ－Ｎ曲線
試験機の有用性・再現性
結
言
①
結言2
浸炭歯車
σH=1800MPa以上で運転試験を
行う必要がある
歯車諸元を改善する必要がある
結
言
②
結言3
ラッピング加工
浸炭歯車 ＋ ラッピング加工
歯形・歯すじ誤差，歯面粗さとも改善
結
言
③
試験機
名
試験機
高荷重用動力循環式歯車運転性能試験機
：
FZG（Forschungsstelle fur
Zahnrader und Getriebebau）方式
：
ラッピング加工
ラッピン
グ
砥粒とラップ（工具）の間にラップ剤を介在させ，相対
運動させることにより，微量の切りくずを除去し，平滑
な面を得る方法
湿式
砥粒が転がり，外周の切れ歯によって工
作物をえぐる
乾式
砥粒がラップに埋め込まれ，工作物を引っかく
歯形誤差
σH=745MPa （Test No.02-01 ） ND=0
歯すじ誤差
σH=745MPa （Test No.02-01） ND=0
誤差
歯形方向歯面粗さ
σH=745MPa （Test No.02-01） ND=0
粗
さ
歯すじ方向歯面粗さ
σH=745MPa （Test No.02-01） ND=0
Tip
レプリカ写真
σH=915MPa （Test No.02-04 ） ND=1×106
レ
プ
リ
カ
主要化学成分
成
分
SCM435鋼
C
Si
Mn
P
0.33～ 0.15～ 0.60～ 0.030
0.38
0.35
0.85
以下
S
Cr
Mo
0.030 0.90～ 0.15～
1.20
0.30
以下
SCM415鋼
C
Si
Mn
P
0.13～ 0.15～ 0.60～ 0.030
0.18
0.35
0.85
以下
S
Cr
Mo
0.030 0.90～ 0.15～
1.20
0.30
以下
ヘルツの式
H ＝
0.35Fn (1/ 1.  1/  2 )
b(1/ E1  1/ E2 )
FN : 歯面垂直荷重

１ , ：歯面の曲率半径
2

2
E1 , E：縦弾性係数

ｂ＝歯幅
そ
の
２
dw1
Z1
23
小歯車かみ合いピッチ円半径 2 ＝ Z  Z a=
×91.2＝44.587mm
22

23
1
2
dw1
曲率半径ρ１＝ 2 ×sinαｂ＝44.587×sin21.978°＝16.687mm
Z
22
大歯車かみ合いピッチ円半径ｄｗ２＝ Z 2Z a=
×91.2＝46.613mm
22

23
1
2
dw2
曲率半径ρ2＝
×sinαｂ＝46.767×sin21.978°＝17.445mm
2
H2 ＝
0.35Fn (1/ρ1  1/ρ2）
ｂ (1/ E1  1/ E2 )
 H b2 / E
σ2 H b(1/ E1  1/ E2 )
2 H b
＝ 0.35(1/ρ  1/ρ ) ＝ 0.35(1/   1/  ) ＝ 0.35E(1/   1/  )
1
2
1
2
1
2
2
Fn
2
E  21000kgf/mm2

ｂ＝ 10mm
円周荷重 F=Fｎcosαｂ
式①を式②に代入して
・・・・②
その
３
2  (7４ 5 106 ) 2 10 10-3  cos 21.978
2 H 2b cos b
F =
＝
0.35(1/ 1  1/ 2 )
0.35  210000106  (1/(16.687 103 )  (1/(17.445103 ))
=1194.4N
トルク Ｔ=円周荷重×小歯車かみ合いピッチ円半径
＝1194.4×44.587×10－3＝53.255Ｎ･ｍ
以上の計算結果より，負荷トルクT＝53.3N･ｍとした．
次におもり台に載せるおもりの計算法を示す．
負荷トルクT＝TM＋Tｇ
より
おもり
TM  おもりとおもり台によ るトルク N･m

126N･m
Tｇ ＝レバーの自重による トルク 17．
TM＝T－Tｇ＝53.255－17.126＝36.129N･m
TM＝(M＋m)×ｇ×L より
TM
36.129
M＝
－ｍ＝
－5.0＝1.753 kg
9.8  0.55
gL
M : おもり㎏
ｍ : おもり台＝ 5.0㎏


2
ｇ
:
重力加速度＝
9.8m/s


L :レバーの長さ＝0.55m
上記の計算より，レバー先端から0.55mの位置におもり台をかけ，おもり台
に約2.0㎏のおもりをのせて54.6N･mのトルクを負荷した．
また同様にして，他の接触応力における負荷トルクとおもりを計算した．
浸炭処理
浸炭
浸炭にはガス浸炭を用いた．
900℃で120分間浸炭後空冷．
850℃で15分間油焼入れ．
140℃で油冷してから170℃で90分
間焼き戻しを行った．