歯車強度評価法

【課題】真空浸炭処理された歯車の強度評価法の信頼性を高めることができる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】検出コイル２８は、絶縁性に富む三角形断面の樹脂体３６を介して検出コイル支持体２４に支持されている。樹脂体３６が三角形断面であるため、検出コイル２８を歯車１５の歯底３７に接近させることができる。
【効果】歯底の浸炭深さに基づいて合否判定を行う。歯底が合格基準深さ範囲内であれば、歯部は全体的に合格レベルにあるとみなすことができるため、強度評価の信頼性を高めることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空浸炭処理された歯車の強度を評価する歯車強度評価法に関する。
【背景技術】
【０００２】
歯車は、重要な機械要素の一つであって、高い強度が求められる。強度を高める手法として、浸炭処理法が広く採用されている。浸炭処理法は、鋼の表層の炭素量を増加させて、機械的性質を改善させる表面処理である。従来は、ガス浸炭法が主流であるが、ガス浸炭法では表面に微少酸化が不可避的に発生する。
【０００３】
対策として、近年、歯車に真空浸炭法を適用する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−３４９０５５公報（請求項１）
【０００４】
特許文献１の請求項１に「平滑な面部における表面炭素濃度が０．６質量％以上となるように真空浸炭されている歯車であって、前記面部の有効硬化層深さをＤ（ｍｍ）としたとき、前記真空浸炭に先立ち、歯元近傍に位置する応力集中部を含む表面に、Ｄ±０．２５（ｍｍ）の面取り加工が施されていることを特徴とする歯車。」の記載があり、歯車に真空浸炭を施すことが開示されている。
【０００５】
上述したように、歯車は重要な機械要素であるため、抜き取り検査や全数検査で強度の測定を行う必要があり、この測定に渦電流を利用した非破壊検査法が実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献２】特開２００４−１０８８７３公報（図２）
【０００６】
特許文献２を次図に基づいて説明する。
図１０は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、円柱ワーク１０１に励磁コイル１０２と検出コイル１０３を巻回する。そして、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、円柱ワーク１０１の表層に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で測定する。励磁電圧と検出電圧との相関を（ｃ）で説明する。
【０００７】
（ｃ）は横軸が時間軸で縦軸が電圧であるグラフであり、正弦波Ｖ１が励磁電圧曲線であるときに、検出電圧は正弦波Ｖ２で表される。正弦波Ｖ１と正弦波Ｖ２の位相差をΦと定義する。
（ｂ）で、ｃｏｓΦで表されるＸ値は浸炭深さと良好な相関関係があり、ｓｉｎΦで表されるＹ値は表面硬さに良好な相関関係がある。
【０００８】
浸炭深さや表面硬さが変化すると、Φの大きさやＶ２の高さが変化する。そこで、ｃｏｓΦやｓｉｎΦを計測で求めることにより、そのときの浸炭深さや表面硬さを特定することができる。非破壊検査であるため、歯車の強度評価に好適である。
【０００９】
そこで、円柱ワーク１０１を、歯車に置き換えて、真空浸炭された歯車の強度評価を試みた。その具体例を次図で説明する。
図１１は従来の歯車の強度評価を説明する図であり、歯車１０７に励磁コイル１０２と検出コイル１０３を巻回する。そして、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、歯車１０７の歯部１０８に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で測定した。
【００１０】
測定装置１０５で合格が確認された歯車１０７について、念のために破壊試験を行った。すなわち、歯車１０７を切断し研磨して、浸炭深さや硬さを計測した。すると、計測値にばらつきが、あることが判明した。すなわち、上述した歯車の強度評価法では信頼性が乏しいことが判明した。
そこで、ガス浸炭法で問題となった粒界酸化は、真空浸炭法で解消できるという利点を生かしながら、歯車の強度評価法の信頼性を高めることが求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、真空浸炭処理された歯車の強度評価法の信頼性を高めることができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、歯車を検出コイルで囲う、従来の評価法（図１１）を検討した。この評価法では、歯車の表層部分、すなわち歯部を単位とした浸炭深さが求められる。一方、歯部は歯先や歯底を有する複雑な形状を呈している。そのため、歯先と歯底とは、浸炭深さが異なることが考えられる。そこで、真空浸炭処理された歯先と歯底の浸炭深さを計測した。その結果を次図で説明する。
【００１３】
図１２は歯車の浸炭深さを説明する図であり、歯車を切断し、切断面を観察したところ、表層に浸炭層１１０が確認できた。
そこで、歯先１１１の浸炭深さＤ１と歯底１１２の浸炭深さＤ２とに着目すると、歯先と歯底の浸炭深さが同等（Ｄ１＝Ｄ２）、又は歯底の浸炭深さの方が小さかった（Ｄ１＞Ｄ２）。すなわち、歯先の浸炭深さが歯底の浸炭深さより小さくなることはなかった。このことから、本発明者らは、歯部全体を測定対象にするのではなく、歯底を測定対象とする方が、評価の信頼性を高めることができると知見することができた。
【００１４】
この知見に基づいて完成された請求項１に係る発明は、真空浸炭処理された歯車の強度を評価する歯車強度評価法において、前記歯車の歯底の浸炭深さを測定し、得られた浸炭深さが、予め定められている合格基準深さ範囲から外れているときに不合格とすることを特徴とする。合格基準を深さの範囲としたのは、強度の観点から最小の深さが決められ、脆性を避けること及び無駄を回避するために最大の深さが決められるからである。すなわち、範囲内であれば、強度が十分であり且つ脆性の心配が無くなる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、浸炭深さの測定は、歯底の全数について実施することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明では、浸炭深さは、励磁コイルで励磁することで歯車に発生した渦電流で発生する磁界の変化を検出コイルで検出し、この検出情報に基づいて決定することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明では、検出情報は、得られた硬さ及び深さの相関情報であり、得られた硬さ及び深さの情報は、測定対象の歯車を切断し、得られた断面における深さごとの硬さを測定して得られたものであることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明では、得られた硬さと深さは、測定で得られた硬さを、歯車の表面から中心に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得ることを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る発明では、曲線より設定基準硬さの浸炭深さを、励磁コイルで励磁することで、歯車に発生した渦電流測定値と関連づけることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に係る発明では、歯底の浸炭深さに基づいて合否判定を行う。歯底が合格基準深さ範囲内であれば、歯部は全体的に合格レベルにあるとみなすことができるため、強度評価の信頼性を高めることができる。
【００２１】
請求項２に係る発明では、歯底の全数について浸炭深さを測定する。いわゆる全数検査であるから、検査すなわち強度評価の信頼性を格段に高めることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明では、浸炭深さは、励磁コイルで歯車に発生させた渦電流で発生する磁界の変化を検出コイルで検出させることで求める。励磁コイルや検出コイルを使用するため、歯車を非破壊方式で検査することができる。
【００２３】
請求項４に係る発明では、検出情報は、得られた硬さ及び深さの相関情報であり、得られた硬さ及び深さの情報は、測定対象の歯車を切断し、得られた断面における深さごとの硬さを測定して得られたものである。
硬さという定量的データに基づいて、浸炭深さが決められる。すなわち、破壊検査による硬さデータと、非破壊検査によるＸ電圧との突き合わせ可能であり、この後は、非破壊検査で求めた浸炭深さの信頼性が飛躍的に高まる。
【００２４】
請求項５に係る発明では、得られた硬さと深さは、測定で得られた硬さを、歯車の表面から中心に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得る。点を結んで曲線を得るようにしたので、測定点の数を少なく設定することができ、測定時間が短縮でき、測定コストの低減を図ることができる。
【００２５】
請求項６に係る発明では、曲線より設定基準硬さの浸炭深さを、励磁コイルで励磁することで、歯車に発生した渦電流測定値と関連づける。後述の図５、図６に示すように、非破壊・非接触で得られた渦電流センサーの出力と、切断ワークの破壊・接触による深さ及び硬さとに、良好な相関を見出すことができた。すなわち、渦電流センサーの出力と、特定深さを示す深さ（浸炭深さ）との間に、一次の相関を見出すことができた。これにより、非破壊・非接触で得られた渦電流センサーの出力を該当部位の浸炭深さ（特定の硬さを有する）と推定することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明の歯車強度評価法に適した歯底浸炭深さ計測装置の原理図であり、歯底浸炭深さ計測装置１０は、基台１１と、この基台１１の上面中央に設けられ図左右に延びているレール１２と、このレール１２に左右移動自在に載せられているスライダ１３と、このスライダ１３に軸受１４を介して縦向きに且つ回転自在に支持され歯車１５を支える歯車支軸１６と、スライダ１３に内蔵され歯車支軸１６を一定ピッチで回転させるインデックスモータ１７と、基台１１に載置されスライダ１３をレール１２に沿って往復移動させるシリンダユニット１８と、このシリンダユニット１８及びインデックスモータ１７を制御する制御部１９と、基台１１の一端（図左側）から上へ延ばされているブラケット２１と、このブラケット２１の上部にボルト２２、２２で取り付けられているコ字状の鉄芯２３と、この鉄芯２３に支持され歯車１５に向かって延びている検出コイル支持体２４と、鉄芯２３の先端から歯車１５に向かって延びている鋼球２５、２５と、鉄芯２３の先端に巻かれた励磁コイル２６、２６と、これらの励磁コイル２６、２６に交流電圧を印加する交流電源２７と、検出コイル支持体２４の先端に設けられている検出コイル２８から検出情報を取得して浸炭深さに換算する浸炭深さ換算装置３０と、得られた浸炭深さを合格基準深さと比較して合否を判定する合否判定部３１と、得られた合否判定に基づいて、合格、不合格を表示する合否表示部３２と、からなる。
【００２７】
図２は図１の要部拡大図であり、検出コイル支持体２４は鉄芯２３に、水平方向にスライド可能にビス３３で固定されている。また、鋼球２５は円錐部３４及び円柱部３５を介して鉄芯２３に固定されている。
【００２８】
図３は図２の３線断面図であり、検出コイル２８は、絶縁性に富む三角形断面のナイロンなどの樹脂体３６を介して検出コイル支持体２４に支持されている。樹脂体３６が三角形断面であるため、検出コイル２８を歯車１５の歯底３７に接近させることができる。
【００２９】
図４は図２の４線断面図であり、鋼球２５の球径は、隣合う歯先３８と歯先３８との間を通過するが、歯底３７に到達する前に歯部３９、３９の面に接触する外径に設定されている。すなわち、接触点４１、４１に接触しているため、鋼球２５の図左右方向及び上下方向の位置が規定される。併せて、鋼球２５の中心は歯底３７の中心に合致する。
この結果、歯底３７からの検出コイル２８の距離や励磁コイル２６、２６（図２）の距離を一定化することができる。この結果、測定の信頼性を高めることができる。
【００３０】
ところで、図１で説明した浸炭深さ換算装置３０には、測定で得られたＸ電圧を浸炭深さに換算する換算表を記憶させる必要がある。そこで、図１の歯底浸炭深さ計測装置１０を用いて、周波数を１ｋＨｚに設定し、真空浸炭済みの歯車の「Ｘ電圧」を測定した。この測定は非破壊検査に相当する。
次に、この歯車を切断し、切断面を磨いてから、「硬さ」を測定し、「浸炭深さ」を定めることにした。この測定は破壊検査に相当する。
【００３１】
図５は測定で得られた硬さを表したグラフである。
先ず、歯底浸炭深さ計測装置１０を用いて、周波数を１ｋＨｚに設定し、真空浸炭済みの歯車の「Ｘ電圧」を測定したところ、Ｘ電圧は−６７ｍＶであった。次に、切断し、切断面を磨き、この切断面を測定対象として、表面から０．１ｍｍ毎に、１．０ｍｍまで、マイクロビッカース硬さ計で、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を測った。
【００３２】
図５は測定で得られた硬さを表したグラフであり、（ａ）は、横軸が表面からの深さで、縦軸がビッカース硬さであるグラフに、生のデータをプロットしたものである。
【００３３】
ところで、この種の歯車では、「表面から○○ｍｍの深さで、ロックウエルＣスケール硬さが５０以上であること」と言った要求仕様が出されることが多い。ロックウエルＣスケール硬さ５０は、換算表によれば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）５１３に相当する。
そこで、（ａ）にプロットした複数の点を滑らかな曲線で繋ぐ。
【００３４】
結果、（ｂ）示すグラフが得られる。そこで、縦軸の５１３から横線を引き、曲線に交わったところから、縦線を降ろし、この縦線が横軸と交わったところの距離を読む。表面からの距離は０．６４ｍｍであった。
【００３５】
図６はＸ電圧と浸炭深さの相関図であり、横軸が浸炭深さ（表面からの距離に相当。）で、縦軸がＸ電圧であるグラフに、１個のデータ（０．６４ｍｍ、−６７ｍＶ）を●でプロットした。
浸炭条件を変えて得られたサンプルを２１個作製し、これらのサンプルについても図５（ａ）、（ｂ）での手順を踏んで、浸炭深さとＸ電圧を定めた。２１個のサンプルについては○で、グラフにプロットした。
【００３６】
１個の●と２１個の○は右下りの直線に沿って分散している。縦軸のＸ電圧が測定で得られれば、この相関図により、得られたＸ電圧に対応する浸炭深さを求めることができる。
また、詳細な計算法は省略するが、この分散における相関係数（ｒ^２）は０．９２であった。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本発明は次の点にも特徴がある。すなわち、図５（ａ）、（ｂ）で説明したように、得られた硬さと深さは、測定で得られた硬さを、歯車の表面から中心に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得る。点を結んで曲線を得るようにしたので、測定点の数を少なく設定することができ、測定時間が短縮でき、測定コストの低減を図ることができる。
【００３８】
又、図５で求めた硬さという定量的データに基づいて、浸炭深さが決められる。すなわち、図５で説明したように、破壊検査による硬さデータと、非破壊検査によるＸ電圧との突き合わせが行われる。この後は、非破壊検査によりＸ電圧を求め、図６に基づいて、浸炭深さに換算する。非破壊検査であるにも拘わらず、破壊検査での裏付けがなされているので、非破壊検査で求めた浸炭深さの信頼性が飛躍的に高まる。
【００３９】
次に、好適な周波数を特定することを目的に、７００Ｈｚから４ｋＨｚまで周波数を変えて、各周波数当たり２２個のサンプルを準備し、図６と同様の相関図を作成し、相関係数を求めた。その結果を次図に示す。
図７は周波数と相関係数の関係を示すグラフであり、１ｋＨｚが最大で、２ｋＨｚ以上では相関係数が小さくなった。一方、７００〜１ｋＨｚでは、変化は小さい。
真空浸炭された歯車の歯底の浸炭深さを調べるには、周波数は７００〜１ｋＨｚの範囲に設定することが望ましいことが分かった。
【００４０】
以上の構成からなる歯底浸炭深さ計測装置１０の作用を次に説明する。
図８は歯底浸炭深さ計測装置の作用説明図であり、（ａ）に示すように、静止状態にある検出コイル２８へ、歯車１５を矢印（１）のように前進させる。（ｂ）に示すように、検出コイル２８に任意の歯底３７を臨ませ、歯底３７の浸炭深さを検出し、この浸炭深さの合否を判定させる。終わったら、矢印（２）のように歯車１５を後退させる。
【００４１】
次に、（ｃ）に示すように、歯車１５を１ピッチ（歯一枚分）だけ回す（矢印（３））。すると（ｄ）に示すように、隣の歯底３７が検査コイル２８に臨む。以降、（ａ）に戻って作業を継続する。この継続する作業をフローで再度説明する。
【００４２】
図９は本発明の歯車強度評価法に好適な作業フロー図であり、ステップ番号（以下ＳＴと略記する。）０１で、合格基準深さ範囲Ｄｓを定める。例えば、合格基準深さ範囲Ｄｓは０．５ｍｍ〜０．８ｍｍとする。この０．５ｍｍ〜０．８ｍｍを図１の合否判定部３１へインプットする。
ＳＴ０２で、測定対象とする歯車の歯数Ｎを、図１の制御部１９へインプットする。測定回数を監視するために、先ず、回数ｎを１とする（ＳＴ０３）。
【００４３】
図８（ａ）の要領で、歯車を前進させる（ＳＴ０４）。図８（ｂ）の要領で、歯底のＸ電圧を測定させる（ＳＴ０５）。図１の浸炭深さ換算装置３０により、Ｘ電圧を浸炭深さＤａに換算させる（ＳＴ０６）。図１の合否判定部３１により、測定で得られた浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓの範囲に入っているか否かを調べる（ＳＴ０７）。ＹＥＳであれば、「合格」の表示をする（ＳＴ０８）。次に、図８（ｂ）に矢印（２）で示すように歯車を後退させる（ＳＴ０９）。
【００４４】
ここで、測定回数を調べる（ＳＴ１０）。初回はｎは１である。例えば歯車の歯数Ｎが４０であれば、ｎ＜Ｎであるから、ＮＯを進み、ｎに１を加える（ＳＴ１１）。そして、図８（ｃ）の要領で、歯車を歯１個分だけ回転させる（ＳＴ１２）。そして、ＳＴ０４から再度、歯底の浸炭深さを測定する。
【００４５】
ＳＴ０７で、浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓ内でなければ、ＮＯを進み、不合格表示を行う（ＳＴ１３）。不合格の場合は、この歯車に対する測定をこの時点で終了させることができる。
【００４６】
ＳＴ１０で、測定回数ｎが歯数Ｎに到達すれば、歯底の全数を検査したことになるので、測定終了の表示を行い、測定を終了する（ＳＴ１４）。
【００４７】
尚、本発明の歯車強度評価法は、図１に示した歯底浸炭深さ計測装置１０以外の装置やツールで浸炭深さを測ることは差し支えない。要は、歯底の浸炭深さが非破壊的に計測することができるものであれば、計測装置の形態、種類は問わない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、真空浸炭処理された歯車の浸炭深さを計測する技術に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の歯車強度評価法に適した歯底浸炭深さ計測装置の原理図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図２の３線断面図である。
【図４】図２の４線断面図である。
【図５】測定で得られた硬さを表したグラフである。
【図６】Ｘ電圧と浸炭深さの相関図である。
【図７】周波数と相関係数の関係を示すグラフである。
【図８】歯底浸炭深さ計測装置の作用説明図である。
【図９】本発明の歯車強度評価法に好適な作業フロー図である。
【図１０】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【図１１】従来の歯車の強度評価を説明する図である。
【図１２】歯車の浸炭深さを説明する図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…歯底浸炭深さ計測装置、１５…歯車、３０…浸炭深さ換算装置、３１…合否判定部、３７…歯底、Ｄｓ…合格基準深さ、Ｄａ…測定で得られた浸炭深さ。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空浸炭処理された歯車の強度を評価する歯車強度評価法において、
前記歯車の歯底の浸炭深さを測定し、得られた浸炭深さが、予め定められている合格基準深さ範囲から外れているときに不合格とすることを特徴とする歯車強度評価法。
【請求項２】
前記浸炭深さの測定は、前記歯底の全数について実施することを特徴とする請求項１記載の歯車強度評価法。
【請求項３】
前記浸炭深さは、励磁コイルで励磁することで前記歯車に発生した渦電流で発生する磁界の変化を検出コイルで検出し、この検出情報に基づいて決定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の歯車強度評価法。
【請求項４】
前記検出情報は、得られた硬さ及び深さの相関情報であり、得られた硬さ及び深さの情報は、測定対象の歯車を切断し、得られた断面における深さごとの硬さを測定して得られたものであることを特徴とする請求項３記載の歯車強度評価法。
【請求項５】
前記得られた硬さと深さは、前記測定で得られた硬さを、歯車の表面から中心に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得ることを特徴とする請求項４記載の歯車強度評価法。
【請求項６】
前記曲線より設定基準硬さの浸炭深さを、励磁コイルで励磁することで、歯車に発生した渦電流測定値と関連づけることを特徴とする請求項５記載の歯車強度評価法。

【図１】