歯車の研削クラック：原因と予防策

I.最新の硬質歯面歯車研削のプロセス要件

1.歯車研削における研削領域 - インボリュート歯形編

最新の硬質歯面歯車研削では、研削領域はインボリュートの歯形のうち、開始円より上と終了円より下にある部分のみを研削する。

2.歯車研削における非研削ゾーン - Gear Root

現代の焼き入れされた歯車表面は、歯車研削工程で歯車の根元が研削されない場合、次のような利点があります：

(1)浸炭、焼入れ、ショットピーニング後のギヤ表面と歯元部に形成される負の応力層を維持し、熱処理後のギヤ歯元硬度の低下を回避します。これにより、ギヤの耐屈曲疲労性、耐荷重性が大幅に向上する。

(2)ギヤルート溝の底が狭く、放熱性が悪く、過大なカーブでの残材のばらつきが大きいため、砥石の使用条件に大きく影響する。そのため、歯車研削時に研削焼けやクラックが発生しやすい。

(3)歯車の根元溝底の研削条件が悪いと、砥石の外周の研削砥粒が脱落・摩耗しやすくなり、歯車研削の品質に影響を与える。

(4)歯折れ抵抗の観点から、歯元にはある程度の歯元切削が必要である。ある程度の歯元切削がないと、歯車研削時に歯元部に必然的に突起が生じます。これは深刻な応力集中を招き、耐歯破断性に大きな影響を与える。このような突起の発生は絶対に許されない。

結論として、歯車の溝の根元を研削しないことは、歯車の耐荷重を向上させ、歯車研削中の損傷を防ぎ、歯車研削の品質を向上させ、研削工程への負荷を軽減し、生産性を向上させることができる。

3.歯の予備成形のためのホブによる予備研磨

(1)プレグラインド・コンロの紹介

トラディショナル ギアコンロ は、前述のプロセスの要件にはもはや十分ではありません。したがって、ホブ切り段階で接触角を備えた予備研削ホブを使用することが重要になります。標準的なホブと比較して、予備研削ホブの特徴は、下図に示すように、接触角のある切れ刃を採用した切れ刃の上部にあります。

歯車の歯元では、ある程度の歯元アンダーカットが行われます。これは、加工される歯車の歯元部分を予備成形し、歯面から余剰分の大部分を除去することで、歯厚の精密加工のために均等なマージンを残すことを目的としています。浸炭焼入れ後、歯元の研削は必要なくなります。

(2)研削前の歯車の歯形に関する要件：

• ギアの研削代は均一でなければならない；

• 研磨前のギアの根元には、明確な根元アンダーカットがあるはずだ；

• 研削後の歯車のインボリュート曲線は十分に長くなければならない。

(3)ホブカッターの予備研削の改良

研削前のホブカッターの初期の使用には、次のような問題があった：

• 歯根部のアークエンベロープの形成が不十分で、平滑性が劣り、ツーリングマークが目立ち、理想的とは言えない。 表面粗さ.

• インボリュートのスタートサークル付近で、歯を削る際にバルジが発生するという問題はかなり深刻だった。

長期にわたるターゲット調査と分析の結果、私たちは問題点を次のように特定した：

• 研磨手当の増額；

• 熱処理後の著しい変形；

• ホビングカッターの予備研削に内在する欠陥。

研削前のホブカッターの包絡線形成が不十分であったため、以下の観点からアプローチして再設計することを提案した：

• 研削前のホブカッターの外径を大きくする；

• ホブカッターの工具列数を増やす；

• 可変圧力角設計；

• ギアの強度を確保しつつ、根掘り量を適切に増やす。

上記の要件は、国内の技術的能力のある者と合意された。 工具メーカーその結果、重切削歯車加工に最適な新型の予研削ホブカッターを共同開発・生産することに成功した。この新型前研磨ホブカッターは、従来の問題点を完全に解決しただけでなく、加工歯車の根元部分が非常に滑らかになり、優れた結果をもたらした。

(4)歯車研削では、研削クラックや研削焼けは許されない。

歯車の歯が破断する過程は、一般的に微細な疲労亀裂の形成から始まり、徐々に拡大していきます。そのため、国内および国際的な歯車規格では、歯車研削後の硬化した歯車表面に研削ひび割れや焼け跡を付けてはならないと規定されています。

II.硬質歯面歯車の研削割れの特徴と原因

1.硬質歯面歯車の研削クラックの特徴

研削クラックは最も典型的な表面クラックである。その垂直方向の深さは一般に0.5mmを超えず、浅いものでも0.010～0.020mmにしか達しない。1mmを超えることもあるが、これは比較的まれである。

2.硬質歯面歯車における亀裂発生の原因

研削ひび割れは、研削引張応力が材料の破壊強度を超えたときに発生するというのが、国内外のコンセンサスである。研削引張応力に直接影響する要因は以下の通りである：

(1) 熱処理：

硬質歯面歯車の研削割れは、浸炭、焼入れ、低温焼戻しを行った部品に多く発生する。従って、熱処理の良否は研削割れに密接に関係し、非常に重要な要素である。

• 過剰残留 オーステナイト は局所的な引張応力を増加させる。

• 不十分な焼戻し、低すぎる焼戻し温度、不十分な焼戻し時間は、炭素含有量に影響する。 マルテンサイト と、マルテンサイト微小き裂の溶着またはサイズ縮小により、マルテンサイトの破壊靭性に影響を与える。研削中に発生する研削熱は、大きな熱応力と構造応力を発生させ、研削割れを引き起こす。

• 浸炭焼入れ熱処理時の変形が大きいと、研削代が不均一になったり、歯の研削代が大きくなったりする。

(2) 研磨工程：

研削クラックは研削加工中に発生するため、研削技術は無視できない重要な要素である。

• 研削代が大きいと過度の研削熱が発生し、熱応力や構造応力が発生する。これらの応力は、研削引張応力と相まって、亀裂の発生傾向を増大させる。

• カット量の不合理な組み合わせ。

• 研削砥石の不適切な選択。

• 冷却油の温度が高すぎるか、油量が不足している。

III.硬質歯面歯車の研削割れを防止する技術的対策

1.熱処理対策

研削クラックに対する感度が高い材料は、研削中にクラックが発生しやすい。研削クラックに対する材料の感度を下げると、クラック発生の可能性が低くなる。

20CrMnTiや20Cr2Ni4Aのような材料は、研削クラックに対してより敏感であり、この感度は浸炭熱処理仕様の違いによって異なる。

そのため、浸炭、焼入れ、焼戻しの工程を変えることで、適切に規制し、低減することができる。このため、以下のような対策が採られている：

(1) 浸炭部品の焼入れ温度を下げる：20CrMnTiの歯車は、930℃で浸炭し、浸炭後直接焼入れし、焼入れ温度を860℃から830℃に下げると、研削条件を変えることなく、深刻な研削割れをなくすことができる。

(2) 表面炭素濃度は、0.7%～0.9% の範囲に制御する。炭素濃度勾配は緩やかにし、良好な表面強度と応力分布を確保する。

について の炭素含有量 重荷重用歯車は、炭化物の大きさや形状を制御しやすい下限値で制御する必要がある。炭素含有量を上限で管理すると、残留炭化物が生成しやすくなる。 オーステナイトまた、炭化物を増やし、表面を酸化させ、歯根の強度を低下させる傾向がある。

関連データによると、米国は大型ギアの表面炭素濃度を約0.65%に制御している。

(3) 焼戻しが十分でないほど、研削割れに対する感受性が高くなる。したがって、浸炭焼入れ面の延性を高め、残留応力を均衡または低減させ、表面応力の分布を改善するためには、焼戻しを十分に行うことが不可欠である。これにより、研削割れが発生しにくくなる。

(4) 残留オーステナイト量を管理し、歯車研削時の構造変態を防止する。残留オーステナイトは25%以内を厳守し、重要な歯車は20%以内に管理する。

(5)炭化物のサイズ、量、形状、分布を制御し、微細な炭化物の分散分布を実現することに主眼を置いている。これにより、材料の破壊強度が向上し、脆性が低減する。

(6)マルテンサイトのレベルを制御し、粗大な針状マルテンサイトの形成を避け、隠微結晶と微細な針状マルテンサイトを得ることで、亀裂の発生源を減らし、材料の破壊強度を向上させる。最適なマルテンサイトレベルは3である。

(7)熱処理の変形を制御し、研削代を減らすために必要なプロセス対策を実施する。

2.機械加工における技術的対策

文献によると、砥石と歯車表面の接触部の平均温度は通常500～800℃であり、研削点の温度は1000℃に達する。

さらに、この熱の80%以上が歯車に伝達されます。歯車研削中に発生するかなりの熱は、歯車表面の研削領域に大きな熱応力と熱による膨張と収縮をもたらします。

この熱が効果的に制御されないと、ギアの表面に研削クラックや火傷が発生しやすくなる。

したがって、機械加工の技術的対策の重点は、研削から発生する熱を最小限に抑え、制御することにある。

(1)荒ホブの段階で表面粗さを下げ、Ra3.2からRa3.6の間にコントロールする。

(2)荒ホブ切り時の呼び径の残りを厳しく管理し、恣意的に研削代を増やすことは許されない。

(3)熱処理後は、所定の位置と許容範囲に従って厳密に調整し、熱変形による誤差をできるだけ小さくする。

(4) 研削に先立ち、硬化した歯面をロールカット技術で歯面を削ることが不可欠です。これにより、均一な削り代が確保され、削り代を可能な限り小さくすることで、研削熱を最小限に抑えることができます。

(5) 切削量を合理的に選択し、適合させる。その指針は、より高い砥石速度、より速いストローク、適切な送りである。海外のデータによると、歯面の粗研削段階は、研削クラックの形成にとって決定的な瞬間である。研削クラックの大部分はこの段階で発生する。この段階では特に注意が必要である。

(6)研削砥石の選択は、歯面研削工程における重要なステップである。砥石の適切な選択は、歯面研削の精度と効率に大きく影響する。砥石の硬度、砥粒の大きさ、砥石の構造などの不適切な選択は、表面の焼けや研削割れの原因になりやすい。したがって、砥石は以下の点を考慮して選択する必要があります：

• 研磨剤：PAとしても知られるレッドコランダムは、ホワイトコランダム（WA）に匹敵する硬度を持つが、より優れた靭性を持つ。靭性の高い鋼材をコランダムで研削する場合、能率は白色コランダムより高くなる。砥石の耐久性や研削面の粗さも優れているため、PAが好まれる。

• ボンド：砂粒を結合して砥石を形成する材料。現在、歯車研削盤で使用されている砥石結合剤は、セラミック接着剤（コードV）が主流である。セラミック接着剤は、安定した特性を持ち、劣化することなく水や熱に強く、様々な研削液に適応し、コスト効率が良い。

• 硬さ：砥石が硬ければ硬いほど、気孔率は悪くなります。研削中、砥粒間の隙間は研削砥粒によってすぐにふさがれる。硬い砥石の自己研掃性が低いことと相まって、鈍い砥粒は容易に脱落せず、砥石と工作物表面との間にヤケを生じさせる。これは熱放散に影響し、研削熱を増加させ、火傷や亀裂につながりやすい。柔らかい砥石は磨耗が早く、不適切に使用すると歯車の精度に直接影響します。従って、砥石硬度選択の原則は、軟質材料の加工には硬い砥石を、硬質材料の加工には軟らかい砥石を選択することである。硬い材料を研削する場合、低炭素 合金鋼KからJのホイールを選ぶべきである。(新旧モデル比較：K-ミディアム・ソフト1、J-ソフト3）。

• 組織：一般的な多孔質構造の砥石が優先される。砥石の組織は主に5つの等級に分けられる。

• 粒度：粒度が小さいほど、より多くの研削粒子が単位面積当たりの研削に参加し、それに応じて、切削力と研削熱が増加し、容易に摩耗につながることができます。歯車表面研削の精度を確保するために、一般的な砥粒のサイズは46#から60#の間です。モジュールサイズの小さい歯車には、粒度の大きい砥石を使用し、モジュールサイズの大きい歯車には、粒度の小さい砥石を使用します。(砥粒の大きさは数字で表し、数字が大きいほど粒径が小さくなります。）

• 形状とサイズ：歯車研削盤のモデルはY7163Aで、二重円錐砥石（コードPSX1）を使用しています。寸法はФ350×Ф127×32です。

• 砥石ドレッサーのダイヤモンドの切れ味状態も見逃せません。ダイヤモンドの先端の鈍化により、ドレッシング後の砥石は鈍くなり、研削熱の大幅な上昇につながります。従って、ダイヤモンドが鈍くなったら、直ちに研いで鋭利な作業状態を回復させる必要があり、これは砥石を適切にドレッシングするための前提条件であり、保証でもある。

• クーラントは研削工程で重要な役割を果たし、十分な注意を払う必要があります。歯車研削盤は、砥石と歯面が研削中に点接触する創成研削の原理で作動します。その結果生じる研削熱は、砥石と歯面の上を流れる強力なクーラントによって奪われます。この研削方法は、研削クラックの発生を防ぎ、研削砥石の目詰まりを防ぎ、研削屑の飛散を防止し、良好な環境効果をもたらす。そのため、クーラントは豊富でなければならず、40～45 L/minの流量を選択し、0.8～1.2 Mpaの圧力で研削領域に直接噴霧しなければならない。クーラントの純度を維持し、循環中にろ過し、必要に応じてラジエーターを使用して温度を制御することが不可欠です。クーラントの流量と噴射力が十分であることを確認するために、特別な注意を払う必要がある。変化があれば、クーラントポンプフィルタに詰まりがないか点検する必要があります。フィルタの定期的な清掃と点検も必要である。

IV.焼入れ歯車表面の研削クラックをなくすためのプロセス対策

硬化した歯車表面に研削クラックが発生した場合、まずその原因を分析する必要がある。その上で、作業条件に応じて次のような処置を施す：

1.二次焼戻し法の効果と応用

(1) 二次焼戻し法

浸炭焼入れ部品の焼戻し時間を適切に延長し、焼戻し温度を上昇させ、焼戻し回数を増加させることにより、研削割れを除去・低減するのに十分な焼戻しを行うことができる。具体的な方法は以下の通りである：

• 180℃、16時間以上の焼戻し後、歯車研削または研削前研磨を行うことができる。研削割れがひどい場合は、低温焼戻しを2回行うことができる。

• 160℃から180℃の高温の油で12時間熟成させると、さらに良い結果が得られる。

これらの方法は簡単で効果的であるため、研削クラックの防止と除去によく使われている。

(2) 十分なテンパリングの効果は以下の通り：

• 十分なテンパリングは、様々な研削感度を著しく低下させる。 鋼種.

• 十分な焼き戻しにより、微細な応力が減少する。

• 十分な焼き戻しによって、マイクロクラックは自動的に溶接される。

• 十分な焼戻しは、焼入れの排除につながる。 残留応力.

(3) 適切なテンパリングの見極め方

• すでに処理されたケースハードニングや焼き入れ部品については、焼き入れ部品の表面の色を観察することで、焼き戻しの適切さを判断します。黄金色であれば十分な焼戻しが行われたことを示し、麦わら色であればさらなる焼戻しが必要であることを示す。

• 未加工の焼入れ・焼戻し部品については、サンドペーパーで部品表面の特定の部分を金属光沢が出るまで磨き、光沢を出すことができる。その後、焼き戻し後の表面の色を観察することで、焼き戻しの適切さを判断します。

(4) 二次焼戻し時の留意点

• 部品の歪みをできるだけ少なくするため、焼戻し中は炉温100℃で1～2時間保持し、その後180℃に昇温して14～15時間焼戻しを行うことができる。

• すでに処理されたケース硬化部品や焼入れ部品については、焼戻しの際に適切な保護を行う必要がある。

2.ひび割れ除去のためのスカーフィング法

割れた歯の表面は、スカーフで削ってきれいにする。 硬合金 ローラーカッター、続いて歯研ぎ。この方法は主に次のような場合に使用される：

• 歯の厚みには十分な余裕がある。

• クラックの深さが比較的浅い場合に適用されることが多い。

3.クラック除去のための研磨法

大型遊星歯車の研削で深刻な研削クラックが発生し、以下に詳述する研削クラック除去法の典型的な事例が得られた：

(1)大きな遊星歯車に深刻な研削クラックが発生している状況を簡単に紹介する：

• 大型遊星歯車の技術パラメーター：m=9z=66α=20°f=1、歯幅=60

• 材質・熱処理条件：20CrMnTi、浸炭深さ1.8～2.3、表面硬度HRC58～62

• 変形状態と研削代：浸炭焼入れ後、変形により正常線拡大後の実寸：1.25(mm)。研削代：0.65(mm); 激しい研削クラックが発生した場合、残りの研削代は0.7(mm)となる：0.7（mm）。

• 研削クラックの現状：最も深刻な研削クラックは、歯の右側に14本の平行なクラックがあり、歯幅方向に研削方向に対して垂直に分布している。クラックの長さは歯の高さに近く、ほぼすべての歯で左右の表面に研削クラックがある。クラックの数は様々で、不連続かつ不規則に分布している。クラックの状態は極めて深刻である。

(2) 以下の対策を実施する：

• 研削クラックのひどい歯車を180℃の高温オイルに入れ、12時間のエージング処理を行う。

• 砥石を交換する：当初の砥石の硬度はグレードKであったが、現在はグレードJに変更されている。

• フィルターを取り付けずに冷却ポンプを長期間使用したため、クーリングオイルタンクの汚染がひどく、厚さ6cmの研削沈殿物の層がタンクの底全体を覆っている。したがって、冷却油タンクを徹底的に清掃し、新しい油と交換して、冷却の品質と効果を確保する。

• 研削クラックを除去する研削工程では、切込みを0.025(mm)に制御する。

• 研削クラックを除去する研削工程では、砥石を2回転させるごとにドレッシングを行い、作業中のシャープな作業状態を維持する必要がある。

• 砥石ドレッサーの鈍ったダイヤモンドを研ぎ、切れ味を回復させる。

• ACコンバーターの周波数を当初の33HZから45HZに上げ、スライドのストローク数を増やしている。

以上の対策を実施することで、重度の研削クラックはすべて解消することに成功した。