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JP4516411B2 - 有内歯部材の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、内周壁に内歯が設けられ、且つ該内歯に浸炭処理が施された有内歯部材の製造方法に関する。
金属製部材に対して焼入処理を行う際、表層部に炭素を拡散させて該表層部に硬化層を設ける浸炭処理は、従来から広汎に採用されている。例えば、バーフィールド型等速ジョイントを構成するインナ部材では、貫通孔の内周壁に形成された内歯に対して浸炭処理が施される。
この種のインナ部材に浸炭処理を施すに際しては、内歯に必要以上の硬化層が形成されることを回避する必要がある。この場合、内歯の硬度が必要以上に上昇するので靱性が低下し、クラックが発生し易くなってしまうからである。
このような観点から、従来、内歯に対して浸炭防止剤を塗布したり（特許文献１参照）、ニッケルメッキ等を設けたりする（特許文献２参照）等の防炭処理を施すことが提案されている。また、特許文献３、４に記載されているように、硬化層の形成度合いを制御するべく、シールやスペーサで内歯を囲繞することも想起される。
しかしながら、浸炭防止剤を用いる場合、浸炭処理を施した後に該浸炭防止剤をインナ部材から剥離除去する煩雑な作業が必要となる。また、硬化層の深さを調整することができないという不都合がある。
一方、シールやスペーサを用いる場合、シールやスペーサ等を作業者が人力で設置しなければならず、このために長時間を要するので生産効率が低下してしまう。
以上の不具合を回避するべく、本出願人は、枠体に立設されたパイプ等からなる支軸部材を複数のインナ部材の貫通孔に通して順次積層させるとともに、前記インナ部材の内周面と、支軸部材の外周面との間に形成される環状の間隙を一定距離に保持しながら、前記間隙に浸炭ガスを供給することを提案している（特許文献５参照）。この場合、インナ部材の内周面に形成される硬化層の深さが略均一となるとともに、該硬化層の深さが、外周面に形成された硬化層に比して小さくなる。
特開平２−２９８２４９号公報 特開平６−２１０２号公報 特開平４−２６３０６０号公報 特開昭６０−１０３１２３号公報 特開平９−３２４２５７号公報
ところで、特許文献５記載の技術では、インナ部材の端面同士が密接して積層される。従って、隣接するインナ部材間から浸炭剤（ガス）が漏洩することはほとんどない。このため、浸炭剤は、積層されたインナ部材の中で露呈した、枠体の直上に位置する最下のインナ部材の下端面と、最上部に積層されたインナ部材の上端面との２箇所のみに接触する。従って、インナ部材の端面をも浸炭処理することを希求する場合、対応することが容易ではない。
また、前記した最下及び最上のインナ部材では、一端面のみに硬化層が形成される。このことに起因して、図９に示すように、最下及び最上のインナ部材に比較的大きな焼入れ歪み差が発生することがあり、このような事態が生じると、インナ部材、ひいては内歯の寸法精度を維持することが困難となる。特に、インナ部材が、元素添加によって結晶粒界を強化させた高強度鋼、例えば、ボロン鋼である場合、ＳＣＭ鋼等の一般的な肌焼鋼に比して構造敏感性が大きいので、大きな焼入れ歪み差が発生してしまう（図９参照。なお、図９に示す数値は、積層個数を５個とした場合の結果であり、「積層位置」の欄の１が最上、３が中央、５が最下を表す。また、２、４は、それぞれ、１と３との間、３と５との間に介在されたものを示す。焼入れ歪み差は、各インナ部材の同一部位同士で測定した焼入れ処理前後での寸法差である）。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、内歯と両端面とに浸炭処理が施され、このために焼入れ歪み差が生じることを可及的に回避可能な有内歯部材の製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、内周壁に内歯が形成された貫通孔が設けられ、且つ側周壁に複数個の溝が設けられることによって前記溝同士の間に突出した突出部が存在する有内歯部材であって、
前記貫通孔が開口する両端面のうち少なくともいずれか一方の端面に、前記貫通孔から前記溝のすべてに気体が流通可能な凹部が設けられ、
前記内歯と、前記凹部と、他端面における前記凹部に対する対称部位とに、浸炭処理が施されたことを特徴とする。
すなわち、この内歯部材には、略全表面にわたって浸炭処理が施され、このために硬化層が設けられている。従って、焼入れ歪み差が生じることが抑制され、結局、寸法精度が確保される。これにより、有内歯部材の製造歩留まりも向上する。
ここで、有内歯部材の好適な例としては等速ジョイントのインナ部材を挙げることができる。この場合、前記溝には、等速ジョイントのアウタ部材に形成された溝とともにトルク伝達用ボールが転動可能に挿入される。
そして、有内歯部材の材質の好適な例としては、ボロン鋼を挙げることができる。すなわち、本発明に係る有内歯部材は、比較的大きな焼入れ歪み差が生じるために寸法精度を確保することが困難となる材質から構成されたものであってもよい。
また、本発明は、内周壁に内歯が形成された貫通孔が設けられ、且つ側周壁に複数個の溝が設けられることによって前記溝同士の間に突出した突出部が存在する成形体に対して浸炭処理を施して有内歯部材とする有内歯部材の製造方法であって、
前記成形体として、前記貫通孔が開口する両端面のうち少なくともいずれか一方の端面に、前記貫通孔と前記溝のすべてとに連通して気体が流通可能な凹部を設けたものを作製する工程と、
複数個の前記成形体の前記貫通孔に、前記凹部が設けられた端面が同一方向に臨むようにして基台に立設された軸部材を通すことにより、前記成形体同士を積層する工程と、
積層された前記成形体を熱処理炉内で加熱するとともに、前記熱処理炉内に浸炭剤を供給し、前記成形体の前記溝又は前記貫通孔から前記凹部を経由した該浸炭剤を、前記貫通孔又は前記溝から排出させる工程と、
を有し、
前記溝又は前記貫通孔を経由して前記凹部に到達した浸炭剤により、前記内歯と、前記凹部と、該凹部が設けられた前記成形体に隣接する別の前記成形体の端面とに対して浸炭処理を施すことを特徴とする。
このように、有内歯部材に凹部を設け、気体ないし液体を該有内歯部材の内周壁側から外周壁側に指向して流通可能とすることにより、有内歯部材の両端面に対して浸炭処理を施すこと、ひいては硬化層を設けることが可能となる。これにより焼入れ歪み差が生じることを回避することができるので、寸法精度が良好な有内歯部材を得ることができる。
なお、浸炭処理が終了した後、複数個の前記成形体を積層した状態で冷却用媒体に浸漬し、冷却用媒体を、前記貫通孔又は前記溝から前記凹部を介して前記溝又は前記貫通孔まで流通させるようにすることが好ましい。これにより、複数個の前記成形体における浸炭処理が施された領域に対して一度に焼入処理を施すことができる。すなわち、焼入処理の効率が向上する。
有内歯部材の好適な例としては、上記したように、等速ジョイントのインナ部材を挙げることができる。
本発明によれば、凹部を設けることによって有内歯部材の内周壁側から外周壁側に、又はその逆方向に気体ないし液体が流通することを可能にしている。浸炭処理時にガスが内歯（内周壁）から凹部を経由して外部へ、又は、外部から凹部を経由して内歯へ流通するので、この凹部の壁面と、該凹部の直下又は直上に位置する別の成形体の端面に浸炭処理が施される。また、有内歯部材における露呈した面にも浸炭ガスが接触するので、結局、略全表面にわたって浸炭処理が施された有内歯部材が得られる。従って、焼入れ歪み差が生じることが抑制され、寸法精度に優れた有内歯部材を構成することができる。
以下、本発明に係る有内歯部材の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、バーフィールド型等速ジョイントを構成する本実施の形態に係るインナ部材（有内歯部材）１の全体概略斜視図である。この場合、インナ部材１はボロン鋼からなる。また、インナ部材１の略中央には軸線方向に沿って貫通孔２が設けられており、該貫通孔２の内周壁には内歯３が形成されている。この内歯３には、図示しないドライブシャフトの歯部が噛合される。
また、インナ部材１の側周壁には、貫通孔２の軸線方向と同一方向に延在するととともに、互いに等間隔で離間し且つ貫通孔２に臨む底部が大きく湾曲した６本の溝部４ａ〜４ｆが設けられている。これにより、インナ部材１は、溝部４ａ〜４ｆ同士の間に６個の突出部５ａ〜５ｆが設けられた形態となっている。
溝部４ａ〜４ｆには、トリポート型等速ジョイントを構成する図示しないトルク伝達用ボールが転動自在に挿入される。すなわち、溝部４ａ〜４ｆは、ボール転動溝として機能する。
ここで、インナ部材１の図１における上端面には、概ね円形状の凹部６が貫通孔２と同心円状に設けられている。この凹部６の外周縁の一部は、溝部４ａ〜４ｆの湾曲底部に切り欠かれている。換言すれば、凹部６の直径は、溝部４ａ〜４ｆの湾曲底部に連なるように設定されている。この凹部６は、後述するように、貫通孔２から溝部４ａ〜４ｆに至る気体ないし液体の流通路として機能する。
なお、凹部６の直径は、少なくとも溝部４ａ〜４ｆの湾曲底部に連なる程度である必要があるが、過度に大きくすると、インナ部材１の焼入れ歪み差の度合いが内周壁（内歯３）と側周壁（突出部５ａ〜５ｆ）とで相違するようになり、また、溝部４ａ〜４ｆに挿入されるトルク伝達用ボールが溝部４ａ〜４ｆから離脱することが懸念される。さらには、後述する浸炭処理時にインナ部材１の予備成形体を積層させた際、凹部６の直上又は直下に位置する別の予備成形体の端面によって該凹部６が遮蔽され、このために凹部６をなす壁面に浸炭処理が施されないことが懸念される。
このような事態が生じることを回避するべく、凹部６の直径は、最大でも、インナ部材１の焼入れ歪み差の度合いが内歯３と突出部５ａ〜５ｆとで同程度となり、且つトルク伝達用ボールが溝部４ａ〜４ｆから離脱しないように、しかも、別の予備成形体における凹部６に臨む側の一端部が進入しない程度に設定される。
その一方で、凹部６の深さは、浸炭ガス及び冷却剤が確実に溝部４ａ〜４ｆまで流通可能であり、且つインナ部材１の強度が低下しない程度に設定される。
そして、インナ部材１においては、少なくとも、この凹部６の各壁面と、貫通孔２の中腹部を境界として該凹部６の対称位置にある部位に、浸炭処理が施されたことによって硬化層が形成されている。
このインナ部材１は、肌焼鋼やボロン鋼等から、例えば、冷間鍛造加工等によって、該インナ部材１の形状に対応する形状の予備成形体８を加工成形した後、図２に示すように、ワーク保持機構１０を用い、以下のようにして作製することができる。
このワーク保持機構（以下、単に保持機構という）１０は、略平行に並設された複数の枠体１２と、前記枠体１２の長手方向に沿って所定間隔離間する複数の支軸部材（軸部材）１４とを有する。支軸部材１４は軸線方向に沿って貫通孔が形成されたパイプからなり、隣接する一組の枠体１２間に、例えば、溶接等によって固着されている。
この場合、支軸部材１４には、予備成形体８が５個保持される。そして、各予備成形体８の貫通孔２の内壁面に形成された内歯３と、支軸部材１４の側周壁とは、所定の間隔で互いに離間する。換言すれば、内歯３と支軸部材１４との間には、間隙１６が形成される。
ここで、予備成形体８の形状はインナ部材１と同一であり、従って、予備成形体８において、インナ部材１と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、予備成形体８には浸炭処理が施されておらず、このために硬化層が形成されていないことはいうまでもない。
本実施の形態では、予備成形体８の各々は、凹部６が設けられた端面が上方を臨むように、且つ各突出部５ａ〜５ｆ同士の位置が合致するようにして支軸部材１４に保持される。すなわち、例えば、予備成形体８の凹部６の直上には、別の予備成形体８における凹部６が設けられていない側の端面が位置する。なお、上記したように、凹部６の直径は、該凹部６に臨む予備成形体８の一端部が進入しない程度に設定されている。すなわち、凹部６の壁面が上方の予備成形体８の一端面によって遮蔽されることはない。従って、予備成形体８には、図３〜図５に示すように、間隙１６から各溝部４ａ〜４ｆに至るまで、又は、各溝部４ａ〜４ｆから間隙１６に至るまで、凹部６を介して気体ないし液体が流通可能な流通路が形成される。
この流通路が形成された状態を維持しながら、保持機構１０を図示しない熱処理炉の室内に搬入した後、浸炭処理を行う。具体的には、先ず、熱処理炉の温度を上昇させ、所定の温度に到達した際、浸炭剤としてのガス（例えば、メタンガス、プロパンガス等）を供給する。
予備成形体８における露呈した部位、すなわち、例えば、突出部５ａ〜５ｆや溝部４ａ〜４ｆ等の表層部には、予備成形体８を外方から囲繞する浸炭ガスの構成元素である炭素成分が進入・拡散し、その結果、該表層部に所定の深さの硬化層が形成される。
また、溝部４ａ〜４ｆに接触した浸炭ガスは、各予備成形体８の凹部６を経由して間隙１６に流入し、下降ないし上昇しながら各内歯３に接触して、最終的に間隙１６の下方ないし上方から排出される。すなわち、浸炭ガスは、凹部６の底面、該凹部６の直上に位置する別の予備成形体８の一端面、及び内歯３に接触する。
その一方で、間隙１６には、下方ないし上方から浸炭ガスが流入し、予備成形体８の内歯３に到達する。この浸炭ガスは、凹部６を経由した後、該凹部６の開口が設けられた溝部４ａ〜４ｆの底部近傍から予備成形体８の外部へと排出される。従って、浸炭ガスは、内歯３、凹部６の壁面、及び該凹部６の直上に位置する別の予備成形体８の一端面に接触する。
浸炭ガスがこのように予備成形体８の各部位に接触することにより、当該接触部位の表層部にも、炭素成分の進入・拡散が起こる。すなわち、内歯３、凹部６の壁面、及び別の予備成形体８における該凹部６と対称位置の部位にも硬化層が形成され、これにより、硬化層を有するインナ部材１が得られるに至る。
すなわち、本実施の形態によれば、予備成形体８の突出部５ａ〜５ｆ及び溝部４ａ〜４ｆのみならず、両端面に対しても浸炭処理を施して硬化層を形成することができる。換言すれば、予備成形体８の略全表面にわたって硬化層を設けることができるので、予備成形体８、ひいては最終製品であるインナ部材１に焼入れ歪み差が生じることを抑制することができる。
以上の工程が行われた後、熱処理炉の室内から浸炭ガスを排気する排気工程、前記熱処理炉の内部の温度を略一定の焼入保持温度に保持する均熱工程が行われ、次に、インナ部材１を所定温度に冷却する冷却工程が行われる。
熱処理炉の室内から取り出されたインナ部材１は、支軸部材１４に通した状態のまま図示しない移送装置を介して搬送され、最終的に、図６に示すように、保持機構１０ごと、油槽２０に貯留された冷却用油（冷媒）２２に浸漬される。
冷却用油２２内に所定時間静置されることにより、インナ部材１の露呈した突出部５ａ〜５ｆや溝部４ａ〜４ｆは、油槽２０内の冷却用油２２と接することにより好適に冷却される。その一方で、内歯３、凹部６、該凹部６と対称位置の部位は、浸炭ガスと同様の経路で流通する、換言すれば、間隙１６から凹部６を介して溝部４ａ〜４ｆの湾曲底部近傍で排出される冷却用油２２、又は、溝部４ａ〜４ｆの湾曲底部近傍から凹部６を介して間隙１６で排出される冷却用油２２が接触することによって冷却される。
以上によりインナ部材１が所定温度まで下降することに伴って、該インナ部材１に対する焼入処理が行われる。そして、溝部４ａ〜４ｆの湾曲底部近傍ないし間隙１６から流入する冷却用油２２が上記したように流通するため、その流通経路に存在する内歯３、凹部６の壁面、該凹部６と対称位置の部位に対し、均一な焼入処理を施すことが可能となる。
このようにしてインナ部材１の全体が所定温度まで冷却された後、図示しない移送装置の作用下に、保持機構１０ごとインナ部材１を油槽２０の外部へ引き上げれば、焼入処理が終了する。
以上の作業により、焼入れ歪み差が抑制され、このために寸法精度が良好なインナ部材１が得られるに至る。
ここで、ＳＣＭ鋼及びボロン鋼からなる３０個の予備成形体８に対して浸炭処理及び焼入れ処理を施した場合での、凹部６の有無と工程能力指数（ＣＰ値）との関係を図７に示す。ＣＰ値が大きいほど、不良品が少ないことを意味する。
この図７から、ＳＣＭ鋼のみならず、焼入れ歪み差が発生し易いボロン鋼であっても、凹部６を設けて浸炭処理を施すことによって不良品が著しく少なくなること、換言すれば、焼入れ歪み差が小さく寸法精度に優れたインナ部材１が得られることが明らかである。
このように、本実施の形態では、予備成形体８に溝部４ａ〜４ｆまで到達する凹部６を設け、浸炭処理時や焼入処理時に、浸炭ガス又は冷却用油を内歯３に接触させた後、凹部６を経由させて外周壁まで流通させるようにしている。これによりインナ部材１の内歯３や両端面にも硬化層を設けることができるので、該インナ部材１に焼入れ歪み差が生じることを回避することができ、インナ部材１の製造歩留まりを向上させることができる。
なお、上記した実施の形態では、トリポート型等速ジョイントを構成するインナ部材１となる予備成形体８に対して浸炭処理を行う場合について説明したが、特にこれに限定されるものではなく、内歯を有する部材であればよい。
また、支軸部材１４に通す予備成形体８の個数は、特に限定されるものではなく、５個以下であっても５個以上であってもよい。
さらに、本発明は、ボロン鋼等のように、比較的大きな焼入れ歪み差が生じるために寸法精度を確保することが困難な材質で有内歯部材を構成する際に特に好適であるが、有内歯部材の材質はこれらに限定されるものではなく、どのような材質であってもよい。
さらにまた、凹部６が設けられた端面が下方を臨むようにして予備成形体８同士を積層するようにしてもよいし、予備成形体８の両端面に凹部６を設けるようにしてもよい。
そして、予備成形体８同士を積層する際には、突出部５ａ〜５ｆ同士の位置を揃える必要は特になく、図８に示すように、不規則であってもよい。この場合においても、凹部６が該凹部６の直上の予備成形体８の一端面によって閉塞されることはない。従って、浸炭ガスの溝部４ａ〜４ｆから内歯３への流れ、又は、内歯３から溝部４ａ〜４ｆへの流れが阻害されることはなく、結局、各予備成形体８に浸炭処理が施される。
本実施の形態に係る有内歯部材としてのインナ部材の概略全体斜視図である。 本実施の形態に係る有内歯部材の製造方法を実施するための保持機構の一部省略斜視図である。 図２に示す保持機構によって複数の予備成形体を積層した状態を示す斜視図である。 図３の縦断面図である。 図３の平面図である。 加熱されたインナレースを保持機構に保持された状態で油槽によって冷却を行う際の概略動作説明図である。 凹部の有無とＣＰ値との関係を示す図表である。 図２に示す保持機構によって複数の予備成形体を不規則に積層した状態を示す斜視図である。 積層位置と焼入れ歪み差との関係を示す図表である。
符号の説明
１…インナ部材（有内歯部材） ２…貫通孔
３…内歯 ４ａ〜４ｆ…溝部
５ａ〜５ｆ…突出部 ６…凹部
８…予備成形体 １０…保持機構
１２…枠体 １４…支軸部材
１６…間隙 ２０…油槽
２２…冷却用油

Claims (3)

  1. 内周壁に内歯が形成された貫通孔が設けられ、且つ側周壁に複数個の溝が設けられることによって前記溝同士の間に突出した突出部が存在する成形体に対して浸炭処理を施して有内歯部材とする有内歯部材の製造方法であって、
    前記成形体として、前記貫通孔が開口する両端面のうち少なくともいずれか一方の端面に、前記貫通孔と前記溝のすべてとに連通して気体が流通可能な凹部を設けたものを作製する工程と、
    複数個の前記成形体の前記貫通孔に、前記凹部が設けられた端面が同一方向に臨むようにして基台に立設された軸部材を通すことにより、前記成形体同士を積層する工程と、
    積層された前記成形体を熱処理炉内で加熱するとともに、前記熱処理炉内に浸炭剤を供給し、前記成形体の前記溝又は前記貫通孔から前記凹部を経由した該浸炭剤を、前記貫通孔又は前記溝から排出させる工程と、
    を有し、
    前記溝又は前記貫通孔を経由して前記凹部に到達した浸炭剤により、前記内歯と、前記凹部と、該凹部が設けられた前記成形体に隣接する別の前記成形体の端面とに対して浸炭処理を施すことを特徴とする有内歯部材の製造方法。
  2. 請求項１記載の製造方法において、前記浸炭処理が終了した後、複数個の前記成形体を積層した状態で冷却用媒体に浸漬し、前記冷却用媒体を、前記貫通孔又は前記溝から前記凹部を介して前記溝又は前記貫通孔まで流通させることを特徴とする有内歯部材の製造方法。
  3. 請求項１又は２記載の製造方法において、前記有内歯部材として、等速ジョイントのインナ部材を作製することを特徴とする有内歯部材の製造方法。
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