專利名稱:精密齒輪及精密齒輪的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種小型且高負(fù)荷、壽命長(zhǎng)的精密齒輪以及精密齒輪的制造方法。
背景技術(shù):
在鐘表或者微型齒輪傳動(dòng)馬達(dá)等要求高精度的精密儀器中使用的精密齒輪中,模 數(shù)超過(guò)0.2的金屬制精密齒輪,可以通過(guò)以電火花加工和切削加工為主的、加壓加工和軋 制成形等各種手法,制造出具有優(yōu)異的特性和精度的產(chǎn)品。但是,對(duì)于模數(shù)為0. 2以下的金屬制齒輪,關(guān)系到精度上的問(wèn)題或制造成本等問(wèn) 題,實(shí)際使用上很難適用電火花加工和切削加工或者加壓加工和軋制成形。因此,通常廣泛 使用通過(guò)成型加工能夠容易地制造出復(fù)雜且微小的結(jié)構(gòu)的樹脂制精密齒輪。該樹脂制精密齒輪價(jià)格便宜且可以大量生產(chǎn),但是樹脂一體成型加工品相比于金 屬材料,其機(jī)械強(qiáng)度和硬度非常低、對(duì)溫度變化,容易產(chǎn)生尺寸及形狀的變化、具有蠕變特 性等,因此,絕對(duì)無(wú)法滿足模數(shù)為0. 2以下且信賴性高的超精密齒輪的制作。另外,相比于 金屬材料,表面硬度和抗拉強(qiáng)度非常小,且缺乏耐熱性,對(duì)耐久壽命影響很大。近年來(lái),各種強(qiáng)化添加材料的開發(fā)不斷地發(fā)展,已有很多樹脂材料的機(jī)械強(qiáng)度也 很優(yōu)秀的物質(zhì)被商品化,但是目前的現(xiàn)狀是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到以工具鋼為首的實(shí)用的金屬材料的 水平。因此,越是高負(fù)荷用途,越期望金屬材料制的精密齒輪。金屬材料中有可成型加工的作為壓鑄用合金的鋁合金、鎂合金以及銅合金,但是 其抗拉強(qiáng)度為750MPa左右,與樹脂相同非常低,另外,所得到的產(chǎn)品的表面粗糙度的精度 為5 y mRy左右,存在因結(jié)晶粒引起的不均勻收縮以及表面的尖凸部,不適合作為模數(shù)0. 2 以下的精密齒輪,期待出現(xiàn)具有與工具鋼同等程度以上的機(jī)械強(qiáng)度的精密齒輪。但是,由工具鋼制造的精密齒輪是通過(guò)機(jī)械加工來(lái)制備的,因此,很難以低廉的價(jià) 格大量生產(chǎn)。另外,非常難以確保加工精度,例如即便是硬度很高,部件的表面粗糙度對(duì)滑 動(dòng)等引起的材料的磨損影響很大,結(jié)果,產(chǎn)品的壽命變短。為了改善耐久性,也期望有抗拉 強(qiáng)度更高且表面平滑性好的精密齒輪。以往報(bào)告有形成表面平滑性好且模數(shù)為0.1的金屬制齒輪(Proc.7th IEEEfforkshop on Micro Mechanical Systems, (1994)P343-348)和形成模數(shù)為 0. 01 的金 屬制齒輪(Proc. IEEE 13th Int. Conf. on Micro Mechanical Systems, MEM2000, (2000) P288-293)的制造例。但它們是采用了 LIGA工藝,并進(jìn)一步通過(guò)鍛造加工或塑性加工來(lái)形 成的。此外,提出有考慮了大量生產(chǎn)的含金屬制齒輪形狀體的制造方法及其裝置(日本 專利公開公報(bào)特開平10-296424號(hào)),但沒有公開對(duì)齒輪的樣子和評(píng)價(jià)的詳細(xì)情況。
形成在玻璃質(zhì)金屬組織或者玻璃質(zhì)金屬組織中具有l(wèi)OOnm以下的納米結(jié)晶的金 屬組織的合金成分已經(jīng)被提示(日本專利公報(bào)特開2000-345309號(hào),特開2001-316784號(hào) 公報(bào),特開 2002-256401 號(hào),特開 2000-54089 號(hào),特開 2001-40460,特開 2000-129378 號(hào),特 公平07-122120號(hào),特開平08-740 10號(hào),特開2000-160308號(hào))。但是還沒有提出使用了 考慮大量生產(chǎn)的制造方法的、具有0. 2以下的模數(shù)、2 y mRy以下的表面平滑性的齒輪。進(jìn)一步,公開了基于具有高強(qiáng)度的燒結(jié)塊體的制造方法,來(lái)制造出齒輪形狀的部 件的方案(日本專利公開公報(bào)特開平11-71602號(hào)公報(bào)),但是,因?yàn)樵跓Y(jié)時(shí)引起粉末間 的縫隙量的體積收縮,所以很難得到尺寸精度。另外,在燒結(jié)成形的部件中具有空孔,容易 產(chǎn)生視為因該空孔引起的裂紋,就算提高填充率,與金屬本來(lái)的強(qiáng)度相比,也無(wú)法否認(rèn)強(qiáng)度 的降低。作為要求有高負(fù)荷、高信賴性的精密齒輪的用途,希望形成沒有空孔的均勻的組
幺口作為構(gòu)成復(fù)雜形狀的超精密齒輪之一的精密行星齒輪減速機(jī)中使用的恒星輪,如 圖1所示,在輪的一側(cè)設(shè)置有恒星齒輪,在相反側(cè)設(shè)置有3個(gè)與行星齒輪嚙合的銷。以往的 恒星輪由加壓加工了 Fe系材料的輪和切削、切齒加工了 Fe系棒材的恒星齒輪、切削加工了 Fe系棒材的3根銷的3種、5個(gè)部件構(gòu)成,通過(guò)壓入進(jìn)行各種結(jié)合。通過(guò)壓入進(jìn)行的結(jié)合必須要極其高精度地精加工壓入部分的孔和軸的直徑和表 面粗糙度,因此,從產(chǎn)品的信賴性方面考慮,必須要有徹底的部件管理和工程管理。另外,因 為銷本身非常小,壓入時(shí)的操作性、組裝性并不容易,是需要熟練工的工序。對(duì)于輪和恒星 齒輪的壓入結(jié)合,也需要有對(duì)作為產(chǎn)品使用的最大負(fù)荷扭矩具有充分余量的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題,本發(fā)明目的在于通過(guò)以往的樹脂成形齒輪或工具鋼金屬齒輪沒有 的新型材料齒輪,得到兼具有高硬度、高強(qiáng)度、高表面平滑性且加工性優(yōu)良的高精度金屬制 精密齒輪及齒輪機(jī)構(gòu)。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn),在由以鐵族元素的Fe,Co,Ni以及Cu,Ti,Zr,Hf為主成分的3元或 4元以上的組成的玻璃質(zhì)金屬合金構(gòu)成的齒輪中,可以形成具有與工具鋼匹配的強(qiáng)度、且最 大限度地體現(xiàn)了優(yōu)異的加工性和機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性的模數(shù)0.2以下的精密齒輪。本發(fā)明 所述由玻璃質(zhì)合金構(gòu)成的齒輪的特征在于,由XRD圖案顯示鹵原子圖案(halo pattern)、 即顯示寬的峰值的沒有一定規(guī)則性的無(wú)序組織形成。使用了這些的本發(fā)明所述精密齒輪,根據(jù)其工藝,可以至少在表面粗糙度為 mRy、尺寸精度為士 5 y m的范圍內(nèi)制造,對(duì)能夠精度優(yōu)良地制造出加工性以及機(jī)械性
質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的模數(shù)0. 2以下的精密齒輪非常有用。模數(shù)0. 2以下的精密齒輪,需要使面壓分布均勻,極力抑制局部應(yīng)力的產(chǎn)生。本發(fā) 明所述精密齒輪通過(guò)改善表面粗糙度以及尺寸精度,能夠?qū)崿F(xiàn)可潤(rùn)滑地進(jìn)行齒輪傳遞,且 損失小、耐久性高的齒輪。模數(shù)越小的精密齒輪,改善表面粗糙度引起的效果越顯著,但是,由于本發(fā)明的精 密齒輪使用了由玻璃質(zhì)構(gòu)成的金屬材料,因此,能夠制造出沒有精密級(jí)的邊緣部位的極其 緩和的凹凸面,由此,齒輪的壓力分布變得均勻,抑制了微觀損失等的損壞,發(fā)現(xiàn)了對(duì)耐久 性的效果。
本發(fā)明所述精密齒輪與由具有規(guī)則性的結(jié)晶金屬制造的精密齒輪不同,是沒有方 位性的無(wú)序結(jié)構(gòu),因此對(duì)來(lái)自所有方向的外部應(yīng)力具有強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。由此,得到了沒有裂紋、 沒有缺陷的超精密且信賴性高的齒輪。進(jìn)而,作為工具鋼的替代物,具有維氏硬度為Hv500(相當(dāng)于洛氏硬度HRc49)、抗 拉強(qiáng)度為1500MPa以上中的任意一種性質(zhì)的齒輪極其有用,尤其優(yōu)選滿足兩者的齒輪。在以上所示的由玻璃質(zhì)金屬合金構(gòu)成的精密齒輪中,在本發(fā)明所述由M 100-nTMn(但是,M是Fe,Co, Ni,Cu,Ti,Zr,Hf中的一種或者兩種以上元素,TM是由至少含有 兩種以上由3,4,5,6,8,9,10,11族構(gòu)成的過(guò)渡金屬元素(但排除適用于M的元素)、以及由 13,14,15族構(gòu)成的典型元素的群組構(gòu)成,n為5原子%以上或50原子%以下)構(gòu)成的3 元或4元以上的組成的玻璃質(zhì)金屬組織構(gòu)成的模數(shù)0. 2以下的精密齒輪中,若n不足5原 子%,則難以得到由玻璃質(zhì)金屬形成的精密齒輪,因此不理想。即使n超過(guò)50原子%,也能夠充分得到由玻璃質(zhì)金屬形成的精密齒輪,但容易出 現(xiàn)硬度以及強(qiáng)度的降低,或者尺寸精度的降低,故不理想,因此n限定在5原子%以上50原 子%以下的范圍。另外,TM優(yōu)選含有Cr,Mo, Zr, Hf, Nb, Al,Sn, B中的任意一種或兩種以上,通過(guò)導(dǎo) 入這些成分,能夠抑制因結(jié)晶化引起的無(wú)序結(jié)構(gòu)的秩序化,能夠提供更熱穩(wěn)定的、信賴性高 的精密齒輪。通過(guò)滿足以上的條件,成功地形成了加工性以及機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的金 屬制精密齒輪,進(jìn)而得到構(gòu)成了它的齒輪機(jī)構(gòu)。其中,在本發(fā)明中,主成分為Cu的精密齒輪顯示出ISOOMPa以上的抗拉強(qiáng)度和超 過(guò)3. 5%的非常大的延伸率,判定為高強(qiáng)度且耐破壞性非常優(yōu)秀。上述以Cu為主成分的耐 破壞性優(yōu)秀的金屬制精密齒輪由CupTi qMl1QQ_p_q(但是,Ml由Hf、&、鐵族、白金族、貴金屬 (11族)、Al、Sn、Zn中的任意一種或兩種以上元素構(gòu)成,p為50原子%以上65原子%以下、 q為2原子%以上20原子%以下)構(gòu)成。若p不足50原子%,則導(dǎo)致硬度以及強(qiáng)度的降低,若超過(guò)65原子%,則會(huì)喪失耐 破壞性,故不理想。另外,若q不足2原子%,則導(dǎo)致延伸率極限的降低,若超過(guò)20原子%, 則難以得到作為本發(fā)明齒輪中大的特征的優(yōu)異的表面平滑性,故不理想。另外,為了不喪失 耐破壞性,優(yōu)選在M 1中含有10原子%以上40原子%以下的Hf或Zr,更優(yōu)選含有20原 子%以上35原子%以下。進(jìn)一步,在本發(fā)明中,主成分為M的精密齒輪的所有構(gòu)成元素為過(guò)渡金屬元素, 因此粘結(jié)性強(qiáng),且以Ni為主成分,因此,具有高的硬度和抗拉強(qiáng)度。以該Ni為主成分的高 強(qiáng)度金屬制精密齒輪由Ni1QQ_s_t_uNbs(Zr,Hf)tM2u(但M2由Ti、鐵族、白金族、貴金屬(11族) 中的一種或兩種以上的元素構(gòu)成,s是10原子%以上25原子%以下,t是5原子%以上20 原子%以下,u是5原子%到25原子%以上,t和u之和為10原子%以上35原子%以下) 構(gòu)成。尤其優(yōu)選M2中含有5原子%以上20原子%以下的Ti。Ni-Nb系在氧化環(huán)境中形成絕緣體膜,是一種極難因氧化引起材料的老化的材料。 但是,在本發(fā)明中的最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠形成無(wú)潤(rùn)滑的齒輪機(jī)構(gòu),該無(wú)潤(rùn)滑的齒輪機(jī)構(gòu)可最 大限度地發(fā)揮沒有因潤(rùn)滑油的粘性引起的阻力的動(dòng)態(tài)特性。本發(fā)明的金屬制精密齒輪是用 于形成無(wú)潤(rùn)滑的齒輪機(jī)構(gòu)所需的必要的精密齒輪。在這里,即使是s比最大值大15原子%,t、u分別比最小值小或者不存在時(shí),也能夠由玻璃質(zhì)金屬實(shí)現(xiàn)精密齒輪,但是,在已知的制造方法中加工條件變得非常嚴(yán)格,很難得 到優(yōu)異的尺寸精度和表面精度。若在無(wú)潤(rùn)滑條件下使用,則表面粗糙度的影響很大,因此, 限定了 2i!mRy以下的能夠得到充分的復(fù)制性的范圍。接著,在本發(fā)明中,主成分為Fe的精密齒輪具有在本發(fā)明的齒輪中最硬質(zhì)且很難 產(chǎn)生彈性變形的齒。該硬質(zhì)且很難產(chǎn)生彈性變形的組成由式Fe 1QCI_x_yM3xM4y(但是,M3是3, 4,5,6族構(gòu)成的過(guò)渡金屬元素中的任意一種或兩種以上元素,M4由Mn,Ru,Rh,Pd,Ga, Al, Ge,Si,B,C中的任意一種或兩種以上的元素構(gòu)成,x是2原子%以上35原子%以下,y是5 原子%以上30原子%以下)構(gòu)成。在M3元素中不含有6族元素的情況中,優(yōu)選20原子%以下,另外,在M4中有B的 情況下,優(yōu)選15原子%以上。M3、M4都是用于容易地形成本發(fā)明精密齒輪的必要元素,但 尤其M3是用于提高耐熱性的重要元素。若x大于35原子%或小于2原子%,則得不到對(duì) 耐熱性的貢獻(xiàn),另外,若y大于30原子%或者小于5原子%,則尺寸精度、表面平滑性顯著 降低,故不理想。在本發(fā)明中,特別是在制造組成分為Fe的精密齒輪時(shí),通過(guò)用Co及Ni取代一部 分Fe,發(fā)現(xiàn)熔點(diǎn)的降低和熔融金屬的粘度的降低,雖然硬度和強(qiáng)度稍微有所降低,但明確了 能夠得到尺寸精度和表面平滑性更優(yōu)秀的精密齒輪。用Co 及 Ni 取代主成分 Fe 時(shí),由(Fei_a(Co,Ni) a) 100_x_yM3xM4y 構(gòu)成,F(xiàn)e 和 Co 及 Ni 的混合比a為0. 1以上0.7以下,優(yōu)選0.2以上0.6以下。當(dāng)不足0. 1時(shí),添加Co及Ni而 產(chǎn)生的熔點(diǎn)的降低效果幾乎沒有,若超過(guò)0. 7,則得不到Fe對(duì)強(qiáng)度起到的作用。進(jìn)一步,在本發(fā)明的金屬制精密齒輪中,尤其是M4由含有Si,B的元素群構(gòu)成的情 況下,實(shí)際試驗(yàn)明確了以Fe為主成分的精密齒輪以及用Co及Ni取代了一部分Fe的精密 齒輪,不僅價(jià)格便宜,這些準(zhǔn)金屬成分的存在更顯著地抑制了對(duì)負(fù)荷的彈性變形,這表明是 擔(dān)心模數(shù)0.2以下的薄壁齒輪在嚙合前后產(chǎn)生的齒的彎曲在本發(fā)明精密齒輪中為最小的 理想的齒輪。另外,表明了表面平滑性也極其良好,且在本發(fā)明的金屬制精密齒輪中也有利于 更小型化。此時(shí),優(yōu)選Fe,Co, Ni的含量的總和為70原子%以上,M3的含量為2原子%以 上10原子%以下,當(dāng)M3的含量不足2原子%或者超過(guò)10原子%時(shí),很難得到優(yōu)秀的精度 及表面平滑性,故不理想。在本發(fā)明中,主成分為&或Hf的精密齒輪,在本發(fā)明的齒輪中,過(guò)冷卻液體溫度 區(qū)域?qū)挘鋮s速度比較低,具有容易得到復(fù)雜形狀的特征,判斷出能夠得到尺寸精度和表面 平滑性更優(yōu)秀的精密齒輪。以&或Hf為主成分的精密齒輪由(21~,肚)^51^6。(但是115是3,5,6族以及鐵 族、白金族、貴金屬(11族)、Ti、Mn中的任意一種或兩種以上的元素,M6由Be、Zn、Al、Ga、 B、C、N中的任意一種或兩種以上的元素構(gòu)成,a為30原子%以上70原子%以下,b為15原 子%以上65原子%以下,c為1原子%以上30原子%以下)構(gòu)成,表面硬度約為Hv500,在 至今為止的精密齒輪中最低,但是在主成分中具有耐腐蝕性高的元素(Zr,Hf),所以能夠在 屋外或腐蝕環(huán)境等中使用,在本發(fā)明齒輪中,可以由生物體毒性最低的元素形成齒輪,故 有望在醫(yī)療用途中使用。若a不足30原子%,則優(yōu)秀的耐腐蝕性會(huì)喪失,若超過(guò)85原子%,則無(wú)法得到尺寸精度以及表面平滑性,故不理想。另外若b和c超出規(guī)定的值,則容易在齒部產(chǎn)生填充不 良,對(duì)耐久性有影響,故不理想。在本發(fā)明中,主成分為Ti的精密齒輪,相繼以Fe族為主成分的精密齒輪,具有高 的強(qiáng)度,另外,因?yàn)門i的比重低,所以在本發(fā)明的齒輪中變得更輕,表明能夠得到啟動(dòng)時(shí)扭 矩?fù)p失最低的齒輪機(jī)構(gòu)。進(jìn)而,判斷為對(duì)在形成偏心了的齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)隨著重心擺動(dòng)產(chǎn)生的 震動(dòng)的抑制起到重要的作用的齒輪。上述以Ti為主成分的精密齒輪由Ti.i+kCu^jMSj但是、M7為由&、Hf、鐵族、 白金族構(gòu)成的過(guò)渡金屬元素中的一種以上元素,M8為3,5,6族以及Al,Sn, Ge, Si,B, Be中 的兩種以上元素,i為5原子%以上35原子%以下,j為10原子%以上35原子%以下,k 為1原子%以上20原子%以下)構(gòu)成。若i,j不足規(guī)定的最小原子%,則難以得到優(yōu)秀的表面平滑性,若超過(guò)最大原 子%,則由于比重的增加,以Ti為主成分的優(yōu)越性消失,故不理想。另外,若k不足1原 子%,或者大于20原子%,則很難得到齒輪形狀本身,故不理想。—般來(lái)說(shuō),在玻璃質(zhì)中具有結(jié)晶的金屬組織中,玻璃質(zhì)金屬材料所具有的所謂高 強(qiáng)度的機(jī)械性質(zhì)變得降低。但是,只要玻璃質(zhì)金屬的體積比為50%以上,則幾乎看不到機(jī)械 性質(zhì)的變化。另外,就算結(jié)晶的體積比超過(guò)50%以上,在結(jié)晶尺寸小的情況下,具體地說(shuō)就 算存在lOOnm的結(jié)晶粒,也幾乎看不到機(jī)械性質(zhì)的變化。已知在具有優(yōu)秀的韌性和延展性的結(jié)晶粒混合存在于玻璃質(zhì)金屬的基質(zhì)時(shí),可提 高機(jī)械性質(zhì),此時(shí)的結(jié)晶尺寸優(yōu)選為20nm以下。若超過(guò)lOOnm,則對(duì)齒輪的表面粗糙度產(chǎn) 生不良影響。因此,混合存在于玻璃質(zhì)金屬的基質(zhì)中的結(jié)晶粒優(yōu)選為100mm以下。另外,硬度越高,越發(fā)現(xiàn)顯著的脆化,對(duì)點(diǎn)蝕等的齒輪表面疲勞的耐性產(chǎn)生極壞影 響是即知的事實(shí)。盡管如此,本發(fā)明的精密齒輪具有楊氏模量低的性質(zhì),因此盡管其大部分 都具有高的硬度,但是對(duì)點(diǎn)蝕等的齒輪表面疲勞的耐性也很優(yōu)秀。為了顯著地發(fā)現(xiàn)該效果,齒輪材料中含有的非金屬元素的量?jī)?yōu)選為30原子%以 下,在25原子%以下的情況下,表明了在以更硬質(zhì)的Fe為主成分的齒輪中,到屈服或者破 斷為止的彎曲度為1.5%以上,判斷能夠形成柔韌的精密齒輪。如以上所述,只要是本發(fā)明的精密齒輪,與以往公知的齒輪相比,尺寸精度、表面 平滑性以及機(jī)械性質(zhì)優(yōu)秀,能夠得到可以簡(jiǎn)單的工序形成的模數(shù)為0. 2以下的精密齒輪。在此,在形成本發(fā)明所述模數(shù)0.2以下的精密齒輪時(shí),與該無(wú)序結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性無(wú) 關(guān),為了抑制來(lái)自液體的體積收縮,至少需要300°C /秒以上的冷卻速度,通過(guò)滿足該條件, 能夠引出本發(fā)明精密齒輪的性質(zhì)。優(yōu)選冷卻速度為104°C/秒以上。但是,在鑄造成形中, 若冷卻速度達(dá)到107°C/秒以上,則在齒輪的形成中有被固化的現(xiàn)象,而很難填充到鑄型中, 其結(jié)果,表面粗糙度和尺寸精度顯著降低。根據(jù)本發(fā)明,能夠得到兼具有高硬度、高強(qiáng)度、高表面平滑性,且加工性優(yōu)良的高 精度金屬制精密齒輪以及齒輪機(jī)構(gòu),作為行星齒輪減速機(jī)具有與以往的工具鋼同等程度以 上的一般特性,能夠?qū)崿F(xiàn)消音性優(yōu)異的產(chǎn)品。另外,根據(jù)本發(fā)明的精密齒輪對(duì)外部應(yīng)力具 有強(qiáng)的結(jié)構(gòu),因此難以產(chǎn)生裂紋、缺口,進(jìn)而形狀精度優(yōu)越,故信賴性高,作為產(chǎn)品的耐久壽 命,有望大范圍地提高。進(jìn)而根據(jù)本發(fā)明,沒有了各部件的組裝工序,而能夠一體成形,故能 夠減少圖2所示的工序數(shù),進(jìn)而無(wú)需組裝精度的研究。
圖1是本發(fā)明所述行星齒輪的分解立體圖。圖2是表示以往和本發(fā)明行星齒輪的工序的說(shuō)明圖。圖3是使用了加壓鑄造成形裝置的恒星輪的制作概略圖。圖4是熱循環(huán)流程圖。圖5是本發(fā)明的恒星輪的放大側(cè)面照片。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明所述齒輪的制作對(duì)象中,作為加工性以及機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的機(jī) 械部件之一例,選擇了在行星齒輪減速機(jī)中具有復(fù)雜形狀的精密齒輪結(jié)構(gòu)體的一例的模數(shù) 0. 04的恒星輪。圖1表示安裝了由本發(fā)明形成的恒星輪的行星齒輪減速機(jī)的分解圖。在這里,1為 齒輪箱,在內(nèi)周面形成有內(nèi)齒輪。2為軸承,固定在齒輪箱1上,可自由旋轉(zhuǎn)地軸支撐輸出軸 輪3。4為小齒輪,被固定在未圖示的電動(dòng)機(jī)的軸上。通過(guò)未圖示的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng),小齒輪4旋轉(zhuǎn),可自由旋轉(zhuǎn)地插入到恒星輪5a的軸 上的3個(gè)行星齒輪6a旋轉(zhuǎn)。該行星齒輪與齒輪箱1的內(nèi)齒輪同時(shí)嚙合,恒星輪5a在與小 齒輪4相同的方向上一邊減速一邊旋轉(zhuǎn)。接著,通過(guò)恒星輪5a的恒星齒輪的旋轉(zhuǎn),可自由旋轉(zhuǎn)地插入到恒星輪5b的軸上的 3個(gè)行星齒輪6b旋轉(zhuǎn)。該行星齒輪與齒輪箱1的內(nèi)齒輪同時(shí)嚙合,恒星輪5b —邊進(jìn)一步減 速,一邊旋轉(zhuǎn)。同樣地依次傳遞動(dòng)力,最終輸出軸輪3旋轉(zhuǎn)。在實(shí)施本發(fā)明之際,因考慮了大量的生產(chǎn),所以選擇了加壓鑄造成形裝置。圖3表 示了該制造裝置的概略圖。為了更簡(jiǎn)明地表示本發(fā)明所需的機(jī)構(gòu),在概略圖中省去了所謂 水冷卻機(jī)構(gòu)和真空排氣系統(tǒng)以及切斷工具的復(fù)雜機(jī)構(gòu)。在11的套筒外周面具有高頻線圈12,套筒11中的金屬通過(guò)高頻介質(zhì)加熱變成熔 融金屬13。在裝置中設(shè)置有觀察熔融金屬13的窗口,熔融金屬13的溫度可以通過(guò)目視或 者放射溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量??梢栽谘b置上隔著套筒11設(shè)置熱電偶,來(lái)更準(zhǔn)確地測(cè)量溫度, 但是在此次的實(shí)施中,采用了放射溫度計(jì),而沒有采用熱電偶。在熔融金屬的下方保持熔融金屬的擠壓頭14和套筒11在射出時(shí)以最大4m/秒的 速度共同上升,將熔融金屬13經(jīng)由鑄型15中的流道輸送到內(nèi)腔部16中。內(nèi)腔16被金屬板 17充分固定,通過(guò)將熔融金屬填充到被形成為產(chǎn)品形狀的內(nèi)腔部16,來(lái)使之精密地成形。熔融金屬通過(guò)充分冷卻至常溫的鑄型以及內(nèi)腔以IO3 104°C /秒左右的速度迅 速冷卻凝固。在鑄型以及內(nèi)腔中使用熱作工具鋼(SKD-I),根據(jù)需要,可以在內(nèi)腔部16實(shí)施 平滑的簡(jiǎn)易涂覆,另外,內(nèi)腔可以相互分解,是充分考慮了離形的結(jié)構(gòu)。正在迅速冷卻凝固 中的壓力根據(jù)擠壓頭的油壓不同,但是設(shè)定成產(chǎn)品表面的壓力為IMPa左右。在制作內(nèi)腔部16之際,實(shí)施電火花加工、滾磨以及化學(xué)拋光加工,將恒星齒輪部 的齒面粗糙度控制在IymRy以下,將軸部的表面粗糙度控制在0.5 μ mRy以下。鑄型的表 面粗糙度可以采用非接觸式的測(cè)量來(lái)進(jìn)行調(diào)查,該測(cè)量采用具有表面粗糙度測(cè)量功能的廣 角共焦顯微鏡來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。
作為比較例,在表1中表示了對(duì)由本發(fā)明得到的上述齒輪結(jié)構(gòu)體和以往的齒輪 結(jié)構(gòu)體進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)的結(jié)果。尺寸誤差是通過(guò)工具顯微鏡測(cè)量了齒輪內(nèi)周直徑的尺寸誤 差。齒面粗糙度采用非接觸式粗糙度測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量,表面硬度采用顯微維氏硬度計(jì)以 IOOg Ikg的負(fù)荷進(jìn)行了測(cè)量。進(jìn)一步,抗拉強(qiáng)度是使用附屬有分析功能的臺(tái)式抗拉試驗(yàn) 儀,以0. 2mm的寬度固定厚度為相當(dāng)于齒的壁厚的60 μ m、寬度為50 μ m的箔體來(lái)進(jìn)行測(cè)量 的。進(jìn)一步,將使用了上述恒星輪的行星齒輪減速機(jī)安裝到Φ 2mm無(wú)刷電動(dòng)機(jī),考慮 到實(shí)際使用環(huán)境,在圖4的條件中增加了熱循環(huán),進(jìn)行48小時(shí)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),調(diào)查有無(wú)變 形或動(dòng)作異常。有無(wú)變形可以通過(guò)在工具顯微鏡中對(duì)照投影圖案圖面和齒輪來(lái)進(jìn)行判斷, 偏出到標(biāo)準(zhǔn)形狀外的判斷為有變形。表1中的XRD圖案采用微小X線衍射裝置進(jìn)行測(cè)量,判斷出有表示鹵原子圖案 (halo pattern)的(G)、在鹵原子圖案中混合存在有峰值的(G+C)、完全顯示結(jié)晶的圖案的 (C)0其中,(G)為表示非晶質(zhì)的標(biāo)記,(C)為表示結(jié)晶的標(biāo)記。表 1
I齒輪基材并觀尺寸誤差 [μ m]齒面粗難 [pm]表職度 H'抗拉強(qiáng)度 [MPs]廷伸率 W變形 I (動(dòng)作后〉ΘIΓΖ. FeirSkBcoITlM良好3.81<5I 113031601.S無(wú)LGJItt良好3·31·3 一8802890 ,1.6 i無(wú)Γμ1ttFeidCoTdNiuSidB^Ki良好,3J139402930l7無(wú)ΓΜIttI Fe^HuioMosiUiB! 0良好4s 一1.8 “104029902.1無(wú)LXJΓ ]「 saCit w2!noSgLi3gB m良好《》 i 3I 1020 !30501,7無(wú)I4.71.8 一I 9抑29801,9無(wú)SJIGCoesFa^iDB sCis^be良好3.81·5 “96 29401.6無(wú)LgHHWisiNtrfSrcTiiflosGito良好a3tj7明 ι27602.6無(wú)tijI 本 發(fā) 明 mχNi^NlMiZriTieCoaPtlr良好4.81.8 一I 75026902,5無(wú)JTieoClfcsMfceSnf良好4.6Ti~‘ 4021203.1無(wú)KIil1TiaoS idB j-良好4J1.7 ""“66022502.8無(wú)L良好4ΛI(xiàn)jS 二sm1棚3.9ΜfinraTiwFfAfrpiiiwiATi艮好4α1.7 一57018703. 無(wú)LJtjINZPiBPdirtfiUMAliK良好3.1 51 15303.3無(wú)zidIοHfeoG^iwAlw良好3.1ι~Π~50ft1S403.4無(wú)」齒輪外觀尺寸趙 Cum]1齒面租提度 [u m]表爾度 Hv抗拉強(qiáng)度 [MPa]延伸率C動(dòng)作后)Π FewMljwBai玻壞無(wú)法灑*無(wú)法測(cè)量1259無(wú)法激量無(wú)法躲無(wú)法動(dòng)作1玻壞無(wú)法測(cè)&!無(wú)法激量,85 無(wú)法費(fèi)量無(wú)法雜無(wú)法動(dòng)作G+C IjDCoeGrreZraN teMo uS s破壞無(wú)法M置無(wú)法M量790無(wú)法費(fèi)里無(wú)法》置!無(wú)法動(dòng)作IraNia>NT>EZr Ti5破壞無(wú)法》置無(wú)法擁量46Q無(wú)法擁霣OJ無(wú)法動(dòng)作!2N ieWljwZr ^Ti 10齒形不良4.81 3·274026102.1‘無(wú)袪動(dòng)作SM"iscin)BZr TliC。aAffi·齒形不良6.73·572025202J無(wú)法動(dòng)作ZEJI LxT sT! tna^rm AItsSirRP破壞無(wú)法mi無(wú)法瀏量610無(wú)法播量0.2無(wú)法動(dòng)作3ETw&ZrMNi^Srt齒形不良丨7.54JZ630丨 20601 0.61無(wú)法動(dòng)作TireCUioNicAU齒形不良6·3 610I 2U00.8!無(wú)法動(dòng)作ttCticF^r AAIE部分破壞4j1,8 一54016300,6無(wú)法動(dòng)作G+C 14κCttffiZnsliafi^li部分破壞無(wú)法》糞 3,520! 1540i (κ6丨無(wú)法動(dòng)作BSTffiGUiaBIpi:齒形不良5.82.8 一5001510 β無(wú)法動(dòng)作G+C I比m良好13ia 一22β7501.4有穹曲較\j.良好3.113 一I 430Π 702.11 有彎曲鈳ι— ! 0JeraCo ^iifZrieB υ良好733.1 —1010無(wú)法擁曩OJ有崩刃LXFeE4CofNii£isTs B c良好85ζ 960無(wú)法測(cè)量0.4有崩刃Γ""" La,齒形不良24^6無(wú)法測(cè)量ι 340750 -1無(wú)法動(dòng)作ΓΓAnn 12塑性變形無(wú)法■U 二I 120230-無(wú)法動(dòng)作ZZJgβPOM良好3·212 “<10050-溶變卿良好I 4.01.S —<100300-瘠變1USTTS m良好20,023200480-有壓垮0VSK-U,良好20.0IS —5101540-無(wú)ZHl 實(shí)施例A G是形成主成分為Fe,Co的精密齒輪的例子。特別是在Fe1(1(1_x_yM3xM4y 中,M4由Si,B構(gòu)成的實(shí)施例A在本發(fā)明的齒輪中硬度最高,另外,尺寸精度和表面粗糙度 也非常良好。進(jìn)而,通過(guò)用Co和Ni取代了實(shí)施例A中的一部分Fe,且使作為M3元素的Nb量適當(dāng)化了的實(shí)施例B、C,能夠形成大大改善了形狀精度及表面粗糙度的高效率且低磨損 性的齒輪。具有白金族的實(shí)施例D能夠形成彎曲應(yīng)變極限大,且改善了截至破斷為止的耐 破壞性被的齒輪。實(shí)施例A G中的任意一個(gè)均能形成HvlOOO、抗拉強(qiáng)度為3000MPa左右、延伸率 為1. 6%以上、非常硬且強(qiáng)度高、且相對(duì)應(yīng)力的彎曲應(yīng)變量小的難以產(chǎn)生彈性變形的精密齒 輪,其結(jié)果,在使用了本發(fā)明的齒輪的超精密齒輪機(jī)構(gòu)中,能夠得到具有最理想的動(dòng)態(tài)特性 的齒輪機(jī)構(gòu)。實(shí)施例H、I是形成了以Ni為主成分,且所有的構(gòu)成元素由過(guò)渡金屬元素構(gòu)成的精 密齒輪的例子。若與已知的金屬齒輪的諸多性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比,即使與以Fe,Co為主成分的精 密齒輪相比,具有完全不遜色的硬度和強(qiáng)度,能夠形成彎曲應(yīng)變極限大的精密齒輪。利用M-Nb系材料所具有的優(yōu)異的耐腐蝕性,嘗試了在無(wú)法使用潤(rùn)滑油的海水中 的適用,在過(guò)飽和地添加了食鹽的水溫40°C的食鹽水中,追加進(jìn)行了行星齒輪減速機(jī)的耐 久動(dòng)作試驗(yàn),但是,試驗(yàn)前后,完全沒有發(fā)現(xiàn)諸多特性的變化,另外,所有的齒輪均沒有發(fā)生 變化,能夠得到可適用于海水中的齒輪機(jī)構(gòu)。實(shí)施例J,K是形成了以Ti為主成分的精密齒輪的例子。使用了這種以Ti為主成 分的齒輪的齒輪機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)時(shí),扭矩的損失小,所以齒輪機(jī)構(gòu)整體的反應(yīng)速度提高了 5%左 右,能夠得到反應(yīng)良好的齒輪機(jī)構(gòu)。實(shí)施例L,M是形成了以Cu為主成分的精密齒輪的例子。在本發(fā)明中,顯示了最大 的延伸率,能夠形成具有超過(guò)以往材料的1500MPa的均達(dá)到1850MPa以上的抗拉強(qiáng)度的精 密齒輪。特別是實(shí)施例L的延伸率極限達(dá)到了 3. 9%非常大,得到了在本發(fā)明中耐破壞性最 優(yōu)秀的精密齒輪。其結(jié)果,能夠得到對(duì)破壞性動(dòng)作缺陷的信賴性極高的齒輪機(jī)構(gòu)。圖5是 由掃描型電子顯微鏡得到的一體型恒星輪L的側(cè)面放大照片。7是恒星齒輪,8是托盤,9是 3根軸。實(shí)施例N,0,P是形成了以Zr,Hf為主成分的精密齒輪的例子。其在本發(fā)明中均 為易加工性最優(yōu)異的精密齒輪,能夠形成以對(duì)表面粗糙度、尺寸誤差以及酸的耐性強(qiáng)且生 體適應(yīng)性高的成分為中心的精密齒輪,進(jìn)而能夠形成使用了該精密齒輪的齒輪機(jī)構(gòu)。如上所述,本發(fā)明的精密齒輪具有各種優(yōu)異的特征,通過(guò)組合利用這些優(yōu)異的性 質(zhì),能夠得到更優(yōu)良的齒輪機(jī)構(gòu)。比較例Ia Ic是形成了以Fe,Co為主成分的本發(fā)明對(duì)象以外的精密齒輪的例 子。準(zhǔn)金屬元素量比30原子%多的例Ia在離形時(shí)的階段無(wú)法成形,在M1(K1_nTMn中,η不足 50原子%的比較例Ib以及Ic (進(jìn)而,在比較例Ib的FeiQQ_x_yM3xM4y中χ超過(guò)20原子% )在 離形時(shí)受損,無(wú)法得到目的齒輪。比較例2d 2f是形成了以Ni為主成分的本發(fā)明對(duì)象以外的精密齒輪的例子。在 Ni100-s-t-uNbs(Zr, Hf)tM2u中,s不足10原子%的比較例2d在離形時(shí)受損,無(wú)法得到目的齒 輪。另外,雖然s超過(guò)25原子%的比較例2e為玻璃質(zhì)且形成了接近于齒輪的形狀,但是無(wú) 法得到2ymRy以下的優(yōu)異的表面平滑性,另外,無(wú)法填充到齒頂,而無(wú)法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形, 因此,無(wú)法插入到齒輪中,使之動(dòng)作。進(jìn)而,在Ni1QQ_s_t_uNbs(Zr,Hf)tM2u中,雖然t和u之和為35原子%以上的比較例 2f也為玻璃質(zhì)且能夠形成接近于齒輪的形狀,但是無(wú)法得到2 μ mRy以下的優(yōu)異的表面平
10滑性,另外,無(wú)法填充到齒頂,而無(wú)法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形,因此,無(wú)法插入到齒輪中,使之動(dòng)作。比較例3g是形成了以T i為主成分的本發(fā)明對(duì)象以外的精密齒輪的例子。在 TiLi+kCu^jMSk中,k為20原子%以上的例3g在離形時(shí)受損,無(wú)法得到目的齒輪。另外, 雖然i不足5原子%的例3h和j不足10原子%的例3i也為玻璃質(zhì)且能夠形成接近于齒 輪的形狀,但是無(wú)法得到2 μ mRy以下的優(yōu)異的表面平滑性,另外,無(wú)法填充到齒頂,而無(wú)法 得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形,因此,無(wú)法插入到齒輪中,使之動(dòng)作。比較例4j,4k是形成了以Cu為主成分的本發(fā)明對(duì)象以外的精密齒輪的例子。在 Cup Tiq Ml100_p_q中,雖然q不足2原子%的比較例4j為玻璃質(zhì)且表面平滑性也非常良好, 但是離形時(shí)部分齒受損,無(wú)法得到目的齒輪。P超過(guò)65原子%的例4k在離形時(shí)也會(huì)有部分 齒受損,而無(wú)法得到目的齒輪。比較例51是形成了以&為主成分的本發(fā)明對(duì)象以外的精密齒輪的例子。在(Zr, Hf)aM5bM6c中,雖然b不足15原子%的比較例51為玻璃質(zhì)且形成接近于齒輪的形狀,但是 無(wú)法得到2ymRy以下的優(yōu)異的表面平滑性,另外,無(wú)法填充到齒頂,而無(wú)法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒 形,因此,無(wú)法插入到齒輪中,使之動(dòng)作。比較例6m,6n是關(guān)于以La,Pd為主成分且制造方法已被公開的精密齒輪的例子。 其均能夠得到易加工性,良好的尺寸精度以及表面粗糙度。但是,以La為主成分的比較例6m在安裝試驗(yàn)后,產(chǎn)生視為因軟化引起的變形的顯 著的齒形變形,還產(chǎn)生動(dòng)作異常,事實(shí)上無(wú)法應(yīng)用于精密齒輪中。以Pd為主成分的比較例 6n也產(chǎn)生齒形變形,但是與比較例6m不同,其特征是產(chǎn)生摩擦了黏土那樣的齒形變形。對(duì) 尺寸精度的影響相比于比較例6η小,但是在嚙合時(shí),因變形而產(chǎn)生卡住的現(xiàn)象,而不適用 于施加高負(fù)荷的精密齒輪。比較例7ο,7ρ是由主成分為通過(guò)燒結(jié)得到的Fe的玻璃質(zhì)金屬構(gòu)成的精密齒輪的 例子。如事先預(yù)料到的那樣,相比于經(jīng)迅速冷卻凝固熔融金屬得到的本發(fā)明的精密齒輪,強(qiáng) 度明顯小,多處發(fā)現(xiàn)視為崩刃的崩齒現(xiàn)象,很難適用于實(shí)用材料。比較例8q,8r是使用了已有的鑄造用結(jié)晶金屬材料的例子。用Fe系結(jié)晶合金的 比較例8q嘗試了成形,但無(wú)法填充到鑄型中,無(wú)法得到目的齒輪。另外作為Al系的壓鑄結(jié) 晶合金的比較例8r在離形時(shí)變形,無(wú)法得到目的齒輪。比較例9s,9t是由樹脂材料形成的例子。由常用的樹脂材料構(gòu)成的例9s的齒輪 和由玻璃纖維強(qiáng)化樹脂構(gòu)成的例9t的齒輪均出現(xiàn)了齒形的變形,作為用途,被限定在低負(fù) 荷的環(huán)境中。比較例10u,IOv是將一般的Fe系金屬材料用現(xiàn)行的恒星輪的制造方法制造了的 例子。在具有代表性的不銹鋼的比較例IOu中,確認(rèn)出現(xiàn)了因強(qiáng)度不足引起的視為塑性變 形的齒的壓垮現(xiàn)象,到底不及本發(fā)明的齒輪。作為一般工具的比較例IOv是與現(xiàn)行齒輪中 采用的材料最接近的材料。在表2中表示了在經(jīng)過(guò)上述流程制造的恒星輪中,表面復(fù)制性最良好的本發(fā)明例 的恒星輪B和通過(guò)工具鋼的切削加工進(jìn)行組裝的以往產(chǎn)品(相當(dāng)于比較例IOv)的組裝試 驗(yàn)前的表面粗糙度的比較結(jié)果。表面粗糙度通過(guò)共焦顯微鏡測(cè)量相同的個(gè)數(shù),括號(hào)外的數(shù) 值表示實(shí)測(cè)值的平均值,括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示最大值和最小值之差。表2
本發(fā)明產(chǎn)品以往產(chǎn)品測(cè)量項(xiàng)目測(cè)量裝置表面粗糙度 [μ m]表面粗糙度 [μ m]齒面共焦顯微鏡1.3 (0.2)2.5 (1.0)銷表面共焦顯微鏡0.4 (0.0)0.6 (0.4)輪面共焦顯微鏡1.8 (0.2)3.0 (0.7)進(jìn)一步,將使用了上述恒星輪的行星齒輪減速機(jī)安裝到Φ 2mm無(wú)刷電動(dòng)機(jī)上。 Φ 2mm電動(dòng)機(jī)的電路電壓為4V,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為3V,端子間電阻為110. 6 Ω,行星齒輪減 速機(jī)的齒輪比為18 1。在表3中表示了通過(guò)安裝試驗(yàn)得到的特性數(shù)據(jù)。通過(guò)將本發(fā)明精 密齒輪中的一例的恒星輪適用于行星齒輪減速機(jī),能夠得到與現(xiàn)行的行星齒輪減速機(jī)相同 程度以上的一般特性。另外,也能夠減輕齒輪彼此嚙合時(shí)產(chǎn)生的特有的金屬音。表3
啟動(dòng)扭矩Ts[mNm]無(wú)負(fù)荷轉(zhuǎn)數(shù)N。[rpm]無(wú)負(fù)荷電流I。[mA]金屬音本發(fā)明產(chǎn)品0. 06436509聽不到以往產(chǎn)品0. 058290012稍有產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的齒輪比原有齒輪更小型,且能夠適用于要求強(qiáng)度、耐磨損性、潤(rùn)滑性的結(jié) 構(gòu)部件。
權(quán)利要求
一種精密齒輪,其特征在于由模數(shù)0.2以下的齒輪構(gòu)成,該齒輪由體積比為50%以上的玻璃質(zhì)金屬組織形成,由Ni100 s t uNbs(Zr,Hf)tM2u構(gòu)成,但是,M2由T i、鐵族、白金族、11族的貴金屬中的任意一種或兩種以上的元素構(gòu)成,s為10原子%以上25原子%以下,t為5原子%以上20原子%以下,u為5原子%至25原子%以下,t和u之和為10原子%以上35原子%以下。
2.如權(quán)利要求1所述的精密齒輪,其特征在于由具有維氏硬度為Hv500以上、抗拉強(qiáng) 度為1500MPa以上中的至少一個(gè)性質(zhì)的齒輪構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的精密齒輪,其特征在于其為用于行星齒輪減速機(jī)且由恒星齒輪 和托盤構(gòu)成的恒星輪。
4.如權(quán)利要求1所述的精密齒輪,其特征在于其以300°C/秒以上107°C /秒以下的冷 卻速度形成。
5.一種精密齒輪的制造方法,其特征在于通過(guò)以壓鑄法為代表的熔融金屬的射出成 形,來(lái)形成權(quán)利要求1所述的精密齒輪。
6.一種精密齒輪的制造方法,其特征在于在粘性流動(dòng)溫度區(qū)域,通過(guò)超塑性鍛造成形, 來(lái)形成權(quán)利要求1所述的精密齒輪。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬制精密齒輪及精密齒輪的制造方法,其通過(guò)以往的樹脂成形齒輪或工具鋼金屬齒輪中沒有的新型材料齒輪,得到兼具高硬度、高強(qiáng)度、高表面平滑性,且加工性優(yōu)良的高精度金屬制精密齒輪及齒輪機(jī)構(gòu)。該齒輪由以鐵族元素的Fe、Co、Ni和Cu、Ti、Zr、Hf為主成分的3元或4元以上的組成的玻璃質(zhì)金屬合金構(gòu)成,由XRD譜圖在鹵原子圖案中顯示寬闊的峰值且沒有一定的規(guī)則性的無(wú)序組織形成模數(shù)0.2以下的精密齒輪。
文檔編號(hào)B22D17/00GK101929537SQ20091022618
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2004年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月2日
發(fā)明者井上明久, 喜多和彥, 早乙女康典, 清水幸春, 渡邊大智, 石田央, 竹田英樹 申請(qǐng)人:并木精密寶石株式會(huì)社;井上明久;早乙女康典