| 【発明の名称】 |
高強度スプライン |
| 【発明者】 |
【氏名】深谷 彰弘
【氏名】井山 和昌
【氏名】丸山 公孝
【氏名】望月 善一
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| 【要約】 |
【課題】応力集中がなく、強度的にも優れ、特にスプラインにおいて問題となる回転方向の繰り返し荷重に対する疲労強度が優れた高強度スプラインを提供する。
【解決手段】軸Ｓまわりに設けられた歯３により回転力を伝達するスプライン１であって、少なくとも前記歯３の先端を除く部分がほぼ円弧状の連続した曲線から構成されると共に、少なくとも前記歯先３Ａから歯底３Ｂまでの部分に表面硬化処理が施されていることを特徴とするものである。例えば、表面硬化処理が、高周波焼入れや火炎焼入れのような表面焼入れであることを特徴とするもの、あるいは、窒化処理のような拡散処理であることを特徴とするものである。これにより、歯底の隅部に発生する応力集中を防止し、疲労強度を大幅に改善することができる。さらに、ショットピーニングを行うことによりさらに一層疲労強度の改善を図ることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 軸まわりに設けられた歯により回転力を伝達するスプラインであって、少なくとも前記歯の先端を除く部分がほぼ円弧状の連続した曲線から構成されると共に、前記歯先から少なくとも歯底の下側までの部分に表面硬化処理が施されていることを特徴とする高強度スプライン。
【請求項２】 前記表面硬化処理が、高周波焼入れや火炎焼入れのような表面焼入れ処理であることを特徴とする請求項１記載の高強度スプライン。
【請求項３】 前記表面硬化処理が、窒化処理のような拡散処理であることを特徴とする請求項１記載の高強度スプライン。
【請求項４】 前記表面硬化処理が、高周波焼入れや火炎焼入れのような表面焼入れ処理と、この表面焼入れ処理後に行われるショットピーニング処理の組合わせであることを特徴とする請求項１記載の高強度スプライン。
【請求項５】 前記表面硬化処理が、窒化処理のような拡散処理と、この拡散処理後に行われるショットピーニング処理の組合わせであることを特徴とする請求項１記載の高強度スプライン。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、トルクを伝達するための高強度スプラインに係り、特に疲労強度の大きな高強度スプラインに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、回転軸に対応した穴を有する種々の機能を備えた回転エレメントを回転軸に嵌着して回転力を伝達する場合には、例えばプラスチック成形機のスクリュを形成する場合のように、回転軸に設けられた溝とそれに嵌着されたスクリュエレメントに設けられた溝との間にキーを用いることが行なわれていた。
【０００３】しかし、このキーによる方式ではキーの溝部に応力集中が起るため大きなトルクを伝達することができないという問題があり、この問題を解決するために軸まわりに直接設けられた複数条の歯とこの歯に合致する複数条の溝を有する穴の組合わせからなるスプラインを用いることが考えられた。
【０００４】このようなスプラインの歯の形状として角形を採用する角形スプラインでは、歯底の隅部に逃げ溝を設ける必要があり、強度的に不利であるためインボリュートスプラインが開発された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前述のインボリュートスプラインにおいては、前述の角形スプラインのように逃げ溝を設ける必要がなく、歯元部分の歯幅を大きくとることができるので平均強度を上げることはできるものの、歯底の隅角への応力集中をなくすことができないという問題がある。
【０００６】そこで、このような応力集中をなくすために円弧状スプラインが提案されている。
【０００７】この発明の目的は、以上のような従来の技術に着目してなされたものであり、応力集中がなく、強度的にも優れ、特にスプラインにおいて問題となる回転方向の繰り返し荷重に対する疲労強度が優れた円弧状スプラインからなる高強度スプラインを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、請求項１による発明の高強度スプラインは、軸まわりに設けられた歯により回転力を伝達するスプラインであって、少なくとも前記歯の先端を除く部分がほぼ円弧状の連続した曲線から構成されると共に、前記歯先から少なくとも歯底の下側までの部分に表面硬化処理が施されていることを特徴とするものである。
【０００９】従って、ほぼ円弧状の連続した曲線により歯を構成して円弧状スプラインを形成し、この円弧状スプラインの歯先から少なくとも歯底の下側に相当する部分に表面硬化処理を施して歯部分の強度を増した。
【００１０】請求項２による発明の高強度スプラインは、請求項１記載の表面硬化処理が、高周波焼入れや火炎焼入れのような表面焼入れ処理であることを特徴とするものである。
【００１１】従って、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に表面焼入れを行なってスプラインの表面を硬化させた。
【００１２】請求項３による発明の高強度スプラインは、請求項１記載の表面硬化処理が、窒化処理のような拡散処理であることを特徴とするものである。
【００１３】従って、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に拡散処理を行なってスプラインの表面を硬化させた。
【００１４】請求項４による発明の高強度スプラインは、請求項１記載の表面硬化処理が、高周波焼入れや火炎焼入れのような表面焼入れ処理と、この表面焼入れ処理後に行われるショットピーニング処理の組合わせであることを特徴とするものである。
【００１５】従って、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に表面焼入れを行なって硬化させた後に、ショットピーニングを行う。
【００１６】請求項５による発明の高強度スプラインは、請求項１記載の表面硬化処理が、窒化処理のような拡散処理と、この拡散処理後に行われるショットピーニング処理の組合わせであることを特徴とするものである。
【００１７】従って、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に拡散処理を行なって硬化させた後に、ショットピーニングを行う。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態の例を図面に基づいて説明する。
【００１９】図１には、軸側の円弧状スプライン１が示されている。この円弧状スプライン１では、軸Ｓの周囲に形成されている歯３の形状および歯底３Ｂがほぼ円弧の連続した曲線で構成されている。なお、歯３の先端（歯先）３Ａは軸Ｓの軸心を中心とする円弧にほぼ沿うようにカットしてもよい。
【００２０】また、図２には、インボリュートスプライン５が示されている。この比較例としてのインボリュートスプライン５では、軸Ｓの周囲に設けられている歯７が、円のまわりに糸を巻付け、その端を持って引っ張りながら糸を巻きほどいていくときに、糸の端が描く軌跡（インボリュート曲線）を用いて決定されたものである。
【００２１】（実施例１）図３を参照するに、前述の図１に示される円弧状スプライン１で表面硬化処理を施していないもの、この円弧状スプライン１の少なくとも歯３の先端（歯先）３Ａから歯底３Ｂの下側までについて表面硬化処理の一種である高周波焼入れ処理を施したもの、および図２に示されるインボリュートスプライン５で表面硬化処理を施していないものの三つの場合について、Ｓ５５Ｃ、ＳＣＭ４４０、ＳＮＣＭ６３０の各材質に対するねじれ疲労強度（１００万回破断強度）の測定・比較を行なった。
【００２２】ここで、インボリュートスプライン５においては、歯底７Ｂにおける隅角部の形状から焼入れを行うとクラックを生じるため、高周波焼入れ処理を施した場合については比較の対象としていない。
【００２３】図３に示されるように、Ｓ５５Ｃ、ＳＣＭ４４０、ＳＮＣＭ６３０の各材質に対していずれも高周波焼入れ処理を施した円弧状スプライン１のねじれ疲労強度が最も高くなっていることがわかる。また、従来より焼割を起しやすいとされているＳＣＭ４４０やＳＮＣＭ６３０についても焼割を起さなかった。
【００２４】以上のことから、何れの材質に対しても高周波焼入れ処理を行うことにより疲労強度が増すことがわかると共に、円弧状スプライン１においては高周波焼入れ処理を行う際にクラックが生じないことから焼入れ処理に適した形状であることがわかる。また、焼割を起しやすいとされていたＳＣＭ４４０やＳＮＣＭ６３０についても、焼割を起こすことなく合金鋼の効果を向上させることができる。
【００２５】また、このように疲労強度が増すことにより、過大なトルクが前述の円弧状スプライン１に作用しても塑性変形が小さく抑えられるため、円弧状スプライン１に嵌着されている、例えばスクリュエレメント等の交換を容易に行うことができる。
【００２６】（実施例２）図４を参照するに、材質ＳＡＣＭ６４５で作製された前述の図１に示される円弧状スプライン１および図２に示されるインボリュートスプライン５について、表面拡散処理の一種である窒化処理（５５０℃、６０Ｈ）を施した場合の疲労強度（１００万回破断強度）について測定・比較を行なった。
【００２７】図４に示されるように、窒化処理を施した円弧状スプライン１の疲労強度の方が、同じく窒化処理を施したインボリュートスプライン５の疲労強度よりも約３５％程度大きなものとなることがわかる。
【００２８】以上説明したように、円弧状スプライン１に高周波焼入れや窒化処理等の表面硬化処理を施すことにより、回転負荷に対する疲労強度を大幅に向上することができた。
【００２９】また、円弧状スプライン１が高周波焼入れ等の表面硬化処理に適した形状であるということができる。
【００３０】なお、前述した実施の形態では、軸側のスプラインについて説明したが、穴側についても同様である。
【００３１】（実施例３）この実施例においては、二軸押出し機（スクリュウ径５８ｍｍ）用スクリュウ軸（全長４ｍ）を対象に、市販の高耐食性材料（例えばＳＵＳ４２０Ｊ２丸鋼をＨＲＣ３０に調質したもの）を用いて円弧状スプライン１（図１参照）に加工したものを対象とする。なお、この円弧状スプライン１の断面形状は、実施例１及び実施例２において使用したものと同様の形状のものである。
【００３２】このようにして加工した円弧状スプライン１の歯先３Ａから歯底３Ｂまでについて全周高周波焼入れ（硬度ＨＳ６５）し、４５０℃でＨＲＣ４８に焼戻しを行う。
【００３３】その後、曲りが全長に対して０．２ｍｍ以内となるように修正し、鋼球を用いて歯底３Ｂから歯先３Ａに対して一様にショットピーニングしたものである。
【００３４】このような円弧状スプライン１に対して前述の高周波焼入れを行ない４５０℃で焼戻しした後に、ショットピーニングを行ったものと、行っていないものについて疲労強度の比較を行なった。
【００３５】なお、インボリュートスプライン５については、実施例１と同様に比較の対象としない。
【００３６】図５には、以上の測定結果および、その他ＳＵＳ４３１を高周波焼入れしＨＲＣ４３に焼戻ししたもの、ＳＵＳ４４０Ｍを高周波焼入れしＨＲＣ４９に焼戻ししたものについて同様の試験を行った測定結果について示してある。図５から明らかなようにいずれの材質についても、ショットピーニングを行った場合の方が行わない場合と比較して約９％疲労強度が向上していることがわかる。
【００３７】以上説明したように、円弧状スプライン１において、高周波焼入れを行った後にショットピーニングを行うことにより、ショットピーニングを行わない場合に比べて回転負荷に対する疲労強度を大幅に向上することができた。
【００３８】また、前述のようなＳＵＳ４２０Ｊ２などの１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレスを用いることにより、高耐食性と高温強度を有し４００℃までの高温使用においても表面焼入れ組織が変化せず、ショットピーニングによる圧縮残留応力が付加され疲労強度の低下を防止することができ、９〜１２％疲労強度向上した高温高耐食用高強度スプラインを得ることができる。
【００３９】（実施例４）前述の実施例３と同じ材質，形状の円弧状スプライン１の全周についてガス軟窒化処理（５５０〜６００℃で５時間保持後油焼入れ）行い、曲りが全長に対して０．２ｍｍ以内となるように修正して、鋼球を用いて歯底３Ｂ、７Ｂから歯先３Ａ、７Ａに対して一様にショットピーニングしたものである。
【００４０】前述の円弧状スプライン１に対してこのような軟窒化処理した後に、ショットピーニングを行った場合と、行っていない場合について、疲労強度の比較を行なった。
【００４１】図６を参照するに、ショットピーニングを行った円弧状スプライン１の方が、行わない場合と比較して約１８％疲労強度が向上していることがわかる。
【００４２】以上説明したように、円弧状スプライン１において、軟窒化処理を行った後にショットピーニングを行うことにより、ショットピーニングを行わない場合に比べて回転負荷に対する疲労強度を大幅に向上することができた。
【００４３】さらに、ショットピーニングにより表面の脆弱な化合物層を除去することができるので、歪みの修正やトルクのかかり方等により脆弱な窒化層にクラックが生じるのを防止して、強度の安定化を図ることができる。
【００４４】なお、この発明は前述の種々の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行なうことにより、その他の態様で実施し得るものである。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明による高強度スプラインでは、ほぼ円弧状の連続した曲線により歯および歯底を構成して円弧状スプラインとしたので、歯底の隅部における応力集中を防止して表面硬化処理の際におけるクラックの発生を抑えることができる。また、この円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底に相当する部分に表面硬化処理を施して歯部分の強度を増したので、スプラインとしての疲労強度を大幅に改善することができる。
【００４６】請求項２の発明による高強度スプラインでは、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に焼入れ処理を行なって硬化させたので、スプライン全体としての疲労強度を大幅に改善することができる。
【００４７】請求項３の発明による高強度スプラインでは、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に拡散処理を行なって硬化させたので、スプライン全体としての疲労強度を大幅に改善することができる。
【００４８】請求項４の発明による高強度スプラインでは、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に表面焼入れを行なって硬化させた後に、ショットピーニングを行うので、前述の焼入れ処理を行った場合よりもさらに疲労強度を改善することができる。
【００４９】請求項５の発明による高強度スプラインでは、円弧状スプラインの少なくとも歯先から歯底の下側までの部分に拡散処理を行なって硬化させた後に、ショットピーニングを行うので、前述の拡散処理を行った場合よりもさらに疲労強度を改善することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３４５８
【氏名又は名称】東芝機械株式会社
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| 【出願日】 |
平成８年（１９９６）１０月８日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開平１０−２３２２ |
| 【公開日】 |
平成１０年（１９９８）１月６日 |
| 【出願番号】 |
特願平８−２６７０６４ |
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