小形ラックの高周波焼入れによって生ずるひずみ

小形ラックの高周波焼入れによって生ずるひずみ

久 野 精 市 郎

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KUNO

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HAYASHI

It is usually accepted that steel parts surface hardened by induction heating generally exhibit less total distortion and distortions of racks are often caused for hardening of their tooth surface only.

In this report， the result of several experiments on the racks generated by quenching transformation and thermal change are described.

Racks of1.5

，

2.0 module and several sextional forms of 100 m m length are measured in detai1.

Materials of racks are 0.45

必

carbonsteels. Items of measurments are as fol1ows: length， width， planeness of side surface， whole depth， thickness of tooth， pressure angle， undulation of tooth surface， transverse pitch error， over pine width. 123

1

.

ま え が き 高周波焼入法の特長の一つは加熱部分が表面のうすい 部分にとYまるため，全体のひずみの発生量が少ないと されている.またラックのひずみはその歯面の側のみが 加熱されることに原因することも多い.しかし，高周波 焼入れのひずみに関する詳細な測定結果は歯車の場合の ぎにひずみ取りおよび球状化焼鈍の目的で図2に示すよ うに約7000CI乙炉中加熱後除冷した.その後各面を平面 研削盤で仕上げし，フライス盤でラックの歯形を切削し

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こ. (リ， (2) 武聞 の実験がある他は殆どない. こ〉では小形ラックについての焼れ入ひずみの発生状 況を調査する目的で二，三の実験を試みた.すなわちモ ジュール1.5，2のラックについて断面形状等を変更し， その長さおよび焼入れ条件を一定として行った.しかし て熱処理前後の各項目の詳細な測定から焼入れひずみの 発生の状況を明らかにし， およそ初期の目的を達しえ

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こ.

2

.

供 試 ラ ッ ク ラックはモジュ{ル1.5および2で圧力角は200_全長 を100mm1乙統一し，断面形状等を数種類変更した.そ の諸元を図11こ示す。素材は機械構造用炭素鋼8種， S45Cとし，その組成は第1表に示した.まず直径40中 60φの圧延棒を焼ならし後フライス盤で研削仕上げ代を 0.2mm残して角形に削り出しまた穴あけを行った. つ 第

1

表 素 材 の 成 分 名 称11C 必 1Si必1Mn必Ip 勿 Is 必 臼5C11 0.451 0.29

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0.621 0位。 10.018

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久 野 精 市 郎 No.l5 No.1-5は1.5モジュール No.6 -15は2モジュール 長さは全て100mrn 全て研磨仕上(マママ) 図

1

供試ラック

3

.

高周波焼入れ 焼入れ装置は深l~lí までのかたさを得るために M.G. 式 林 {果十寺 500 400 300 200 100 時 叩 r Y A H -2 3 4 5 6 H岩間 図

2

焼鈍温度と時間 とし.容量50kw，10kcの型形を使用した.焼入れは平 面形コイノレによる片面移動とし，歯丈の

3

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4

以との部分 が焼

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かたさを満足するという主旨から二，三の予備実 験を行った結果.第2表のように決めて行った.コイル は図3に示す形状のものを使用した.これらによって得 られた焼入れ後の歯面かたさの分布は関4のようになっ た.

4

.

ひずみの測定事項とその方法

4

.

1

長さおよび巾の測定 ラックの全長はマイクロメーターで測定した.マイク ロメータの精度はブロックゲージで倹定し，測定lこは撮 度差，測定圧の変化等の泣いよう十分の注意を行った. また歯市を上にした場合の上下巾および歯巾の変化は万 第

2

表 高 周 波 焼 入 条 件 ノ レ ! 予 熱 ￨ 電 圧(V) 電流(A)I出力(kw)[送 り 速 度

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コ イ 川 断￨ω

ラック NQ. 11 ゴ J ー I '~fr(V) . ~i5il( A) ￨mmlSEC￨のすきまm m， 氷 劇min

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(a) ラック巾30mrn用 (b) ラックrt20mm用 図

3

焼 入 コ イ ノ レ の 形 状

小形ラックの高周波焼入れによって生ずるひずみ 125 900官

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モジューノレ 2 (b) モジュール 1.5 図

4

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5

長さおよび巾の測定位置 能IT!U長機(三井精機) Iこより 200_{C，測定圧 1kgで図 5} lこ示すように6ヶ所の測定を行った.

4

.

2

平面度の;JlIJ定 ラックを研削盤iこ取り付け ljl000mm 目盛のタイヤ ノレゲージを移動して，凶6に示すように歯の反対側の函 を2ケ所，両側面を各2ケ所の合計一6ケ所について測定 した. ラック'J:取りJ付けた台の平面!交は 1μ 以内l己保っ た.

4

.

3

歯すじのうねり ラックを研削盤に取りはけ，両端よりそれぞれ二つ目 の歯の右側および左側の計4ケ所についての歯すじ方I，"J の変位を測定した.取り付け台の歯すじ方向との平行度 は1μ以内に調整し ljl00QrlllIl目盛のてこ式ダイヤルヴ ーンのフィーラーを:図7のようにどッチ線上に於て函面 矢印方向に 20mm 間隔に測本 矢印方向にダイヤルゲージを 移動する。 図

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平面皮の測定位置 図

7

歯すじのうねり測定 (二平行に当て':>.法緑方向lのうねりを測定したw

4

.

4

歯の形の測定 凶自に示すょっlこラックの両端より二ツ目の歯および みぞについてl歯先の歯厚.1歯丈，圧力角，歯底のみそ

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126 久 野 崎 市 郎 を測定した.長さは

5/1000mm

目盛， 角度はl'目盛の ある工具顕微鏡を使って歯巾の両端面の部分の形状の変 化を調べた. a 歯先の歯厚 b : 1歯底のミゾ幅 h : 歯 丈 a 圧力角 図

8

1歯の形の測定

4

.

5

単一ピッチ 万能担IJ長機を利用して歯の中央位置に於てピッチ線付 近で歯面に当るようとEピンを各歯みぞに入れて測定し. それぞれの読みの差を求め，それから理論ピッチだ仰の 偵を差引いた数値を求めた. 測定温度は

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圧力は

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6

オーバピンによる歯の厚さ ピンの外周がラックのピッチ線付近で当るよう必ヒ/ を選ぴ，これを両端より二つ目の歯みぞに入れ図91こ示 すような方法で.室温

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0_{C，測定圧 1kg として求め}

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こ. ラックのピッチをP，圧力角を α， ピンの

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オーノミピンによる測定 j

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とすると，これらの間 lこはつぎの関係がある. fd P¥

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となる. ピンの接点がラックのピッチ線と一致する場合 は圧力角誤差の影響は殆どなく tJ:り然視できる.

5

.

ひずみの測定結果

5

.

1

長さおよび巾の変化 (1) 全長はすべてのラックが増加した.歯IP 30mmの 場合が 20mmのものに比べて増加量がやh多く，ま た歯巾は 20mmでも他の部分の断面巾の大きいもの は同様に多くなった. 12) ラックの歯の側とその反対側との簡の巾は熱処理前 後での統一の傾向は現れとEかった.たヨラック NO.l ~5 と 6~10 の同じ断面形状のものではモジューノレ. 熱処理条件が異つでも極めて類似の傾向となった.ま た No.5，10の歯rlJ30mmで、側面に大穴のある場合， No.12， 13の歯IPより他の部分の巾の大きなものでは 特に大きく増加した. 13) 歯IIJも熱処理前後でのー俵ゐ:傾向は認められない. しかし一般に

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の噌減との関速がある.たYし上 ド巾の特に大きくとよった No.5. 10， 12， 13はこの場 合も全て増加した. "7')レテンサイト{じによる組織の変 化による影響より形状による冷却j効果の影響が強く出 ていると思われる.

5

.

2

平面度の変化 11) 側面の平面皮は熱処理前より10μ前後変形量が多く なっている.特に歯巾に対して側面に多くの穴のある No.ll，断面が非対称のNo.12，14では多くなった. また同じ形状の No.1~ 5と

6

~10 ではモジュールは 異るが予熱焼入れの方が変形が少く，その効果が認め られた. (2) 下面(歯の反対側)の平面度も熱処理前よりわるく なっている .1.

5m

の一発焼入れのものはその曲りの 方向も一定してないが.

2m

の予熱焼入れの場合は断 面の形が変化しでもその方向はほY 定で歯面側が小 円となる方向に曲る傾向にある. この場合も No.11 で多く現れた.またNo.14，15の歯巾部分より他の断 面巾の小さいものは下面の変形が少なかった.

5

.

3

歯すじのうねりの変化 111 熱処理前よりわるくなっており.その程度は条件に より非常に差を生じた.

μ 20 10 No.1 0 -10 -20 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8 側 面 小形ラックの高周波焼入れによって生ずるひずみ 下 函 f .l 20

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焼 入 後 図

1

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平 面 皮 の 変 化 (2) No開1-5と6-10の同じ断面形状のものでは2 m の場合で予熱焼人れをした方が良好であり，その効果 が認められた.また歯巾と断面巾との異る No.13，15 など加熱部に対して両側に対称な形状の場合は良好な 結果が得られた. (3) 側面l乙火あきの場合は非常にわるく，穴のあげた部 分の面積が!r'i]じものでもその数が多い場合の方がわる くとよった. また No.12，14など断面が非対称の場合は 特にわるく与った. 5.4歯の形の変化

小形ラックの高周波焼入れによって生ずるひずみ p n u

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5

.

5

単一ピッチ誤差 (1) 熱処]塑前より全体として 1~2 級わるくなってい る. :2) 1.5仰 の NO.1-5より予熱焼入れした2mの No. 6 -10の方が変化が少くその効果が認められた.また 短形断面では NO.8が，異形断面では No.15の場合 が最も良好であった. 131 一般に歯Iljの小さいもの，側面に穴あきの場合は持 にわるい.またNo.12. 14のラックの断面が対称形で ない場合は大きな差を生じた.冷却効果の差によるひ ずみのためと思われる.

5

.

6

歯の厚さの変化 オーパヒシによる測定ではー般に殆ど表がなし、かまた は熱処理後の方が多少減少している.No. 5， 10， 12， 13などのようにラックの上下巾の非常に増大したもので

L

，オーパヒンによる値には殆ど差がなかった. 129 焼 。 入 fjIj-20 20 f走 -20 1を "l<o.4 i主 No. 5 (al 1.5モジュール，一発焼入 図

1

2

130 ク 、 野 : 陥 市 郎 No.6 焼入前

後

後 lnvnunv L μ ' n J U 唱

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1

2

単 ヒ ッ チ の 変 化

1

3

1

小形ラックの高周波焼入れによって生ずるひずみ 第

3

表 焼 入 ひ ず み の 測 定 結 果 (全長，上下の巾，歯rt， 歯 先 の 歯 厚 歯 底 のL Zゾ巾，歯丈，圧力角，オーパピン巾の変化/ J

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-一 食 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 4 3 2 E 拍士Z ~右端 以ヤ国柄 E 旦 Z伺担 と 制 闘 世 相 世 E 以 明 加 担 上下巾および歯巾はヲッFの中央部位置の値である.歯の厚さ，ミゾ巾，歯丈，圧力角は両端 よりそれぞれ二つ自の歯の平均値をとり，オ戸パピシ巾は河端よりそれぞれこっ回の歯ミゾに ピYを入れた場合の平均値をとった. 献 1.武I:B信男:小形歯車の高周波焼入れによって生ずる ひずみ(第

1

報)，機械学会論文集.

2

7

巻

1

8

2

号(昭

3

6

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1

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.

2.武田信男・小形歯車の高周波焼入れによって生ずる ひずみ(第

2

報)，機械学会論文集，

2

7

巻

1

8

2

号(昭

3

6

-

1

0

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文 考 参 ぴ 供試ラックの製作法，形状，高周波焼入れ法，ひずみ の測定事項とその方法等について述べ，焼入れによって 生ずるひずみを詳細に測定した.しかして従来から小形 ラックに対して一般に行われている高周波焼入れについ てのひずみの発生状態をおよそ知ることができた. な お，実験データはその代表的なもののみを図示したが， ラックの形状等の条件が同様の右のではほY伺様の結果 が得られた. す

6

.

む 本研究を行なうに当ってお手伝い頂いた愛知工大の春 日井氏lζ厚くお礼申上げます.また熱処理については高 周波熱錬の浅川課長，谷口氏 lζ多大の御援助を賜った. 深く感謝する次第である.