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機械伝動の精密段階において、歯車はその小さな体で極めて重要な役割を果たします。精密機械機構における音符のような存在であり、回転と噛み合いのたびに力と動きを正確に伝達します。しかし、一見シンプルなこの機械動作の背後には、材料科学への深い洞察と精緻な選定が隠されています。本日は、LS チーム が、伝統的な金属材料から最先端の複合材料まで、広大な材料科学の世界をご案内し、ギア加工材料の謎を一つずつ解き明かしていきます。

ギア加工とは何ですか？

ギア加工とは、原材料（通常は鋼、鋳鉄、アルミニウム合金などの金属）を一連の機械加工プロセス（切断など）にかけることを指します。歯車は機械伝動システムの重要な部分であり、歯の噛み合いを通してトルクと回転運動を伝達し、機械的エネルギーの変換と伝達を実現します。

歯車の加工に使用される材料は何ですか？

これらの重要な特性を持つ歯車を製造するために使用できる材料は多種多様です。以下は、各材料の概要とその独自の利点です。

鋳鉄

鋳鉄は、耐摩耗性に優れているため、精密歯車製造に最適な金属です。繰り返しの摩耗や継続的な摩耗にも損傷なく耐えることができます。この材料のもう1つの大きな利点は、鋳造法により、複雑な形状や微細構造のギアを容易に製造できることです。鋳鉄製ギアは動作中に比較的大きな騒音を発し、表面粗さが高い場合がありますが、これは特定の分野での用途に影響しません。通常、重機、鉱山設備など、スムーズな動作よりも耐久性と費用対効果を重視する用途で使用されます。

スチール

スチール合金製ギアは、通常受ける熱処理プロセスにより、特に歯の部分でギアの靭性と硬度が大幅に向上するため、その高強度が好まれています。 鋼合金ギアは大きな荷重とトルクに耐えられるため、さまざまな伝動システムに広く使用されています。その中でも、炭素鋼は優れた機械的特性と加工性により、ヘリカルギア、スパーギア、ベベルギア、ウォームギア、ラックなどのギア部品の製造に適した材料となっています。これらのギア部品は、自動車、機械、航空宇宙などの分野で広く使用されており、さまざまな伝動システムに安定した信頼性の高い動力伝達を提供します。

真鍮

真鍮は銅と亜鉛の合金です。メーカーは、金属中の亜鉛の量を変えるために、さまざまな真鍮合金を使用できます。低亜鉛黄銅は他の材料よりも延性が高く、銅ベースにより抗菌性と機械加工性を備えています。黄銅ギアは、低負荷用途の平歯車やラックによく使用されます。

青銅

黄銅に加えて、他の銅合金には、アルミニウム青銅とリン青銅があります。これらの非磁性ギアは、腐食環境に最適です。

アルミニウム青銅は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、マンガンを組み合わせた合金です。この合金は耐摩耗性と耐腐食性に優れているため、塩水、酸化、有機酸への曝露など、腐食性の高い環境で使用できます。さらに、高負荷環境にも耐えられるため、ウォームギアやヘリカルギアに最適です。

リン青銅は、銅、スズ、リンの組み合わせで構成されています。スズは合金の強度と耐腐食性を高め、リンは合金の剛性と耐摩耗性を高めます。そのため、リン青銅ギアは、ホイールによって発生する摩擦と潤滑による劣化の両方に耐える素材であるため、特にウォームギアなどの高摩擦環境に最適です。

アルミニウム合金

アルミニウム合金製のピンギアには、腐食と酸化を防ぐために不動態化と呼ばれる保護表面処理が施されています。ギアの製造に使用される最も一般的なアルミニウム合金には、2024、6061、7075 などがあります。グレードに関係なく、すべてのアルミニウム ギアは、約 400°F で劣化し始めるため、低温から中程度の温度の用途に最適です。

粉末金属

粉末金属は、高強度、優れた耐摩耗性、強い可塑性などの利点があり、ギア加工で一般的に使用される材料の 1 つです。一般的な金属粉末材料には、鉄粉、鋼粉、ステンレス鋼 粉末、合金粉末などがあります。粉末金属は、粉末冶金ギアなどの粉末冶金プロセスによって、特定の形状と特性を持つギアに加工できます。このプロセスは、生産効率が高く、材料利用率が高く、コストが低いなどの利点があるため、ギア加工で広く使用されています。

熱可塑性プラスチック

熱可塑性プラスチックもギア加工でよく使用される材料の1つであり、軽量、低騒音、潤滑が不要などの利点があります。一般的な熱可塑性材料には、ポリオキシメチレン（POM）、ナイロン、ポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）（PPA）、液晶ポリマー（LCP）などがあります。熱可塑性プラスチックは、射出成形や押し出しなどの成形プロセスによってギアに加工できます。これらのプロセスには、生産効率が高く、コストが低く、自動化生産を簡単に実現できるなどの利点があります。同時に、熱可塑性プラスチックはリサイクル可能で分解可能で、環境保護要件を満たしています。

ギア加工

トランスミッションシステムの重要なコンポーネントとして、材料の選択はシステムの性能、信頼性、および耐用年数に直接影響します。ここでは、ギア加工でさまざまな材料を使用する方法の例を示します。

1. 航空宇宙産業

航空宇宙産業では、軽量化はトランスミッション設計の重要な目標の1つです。そのため、チタンや炭素繊維複合材などの軽量で高強度な材料がギアの製造に広く使用されています。チタンは優れた耐食性と高温特性を備え、過酷な環境下でも高荷重や高速運転に耐えることができます。一方、炭素繊維複合材は、非常に高い比強度と剛性により、トランスミッションの質量を大幅に軽減し、全体的な性能を向上させます。これらの材料を使用することで、航空宇宙機器は高性能を維持しながら、より効率的なエネルギー利用を実現できます。

2. 産業機械

産業機械の分野では、ギアの材料選定において、主に高強度、高耐摩耗性、耐腐食性が重視されます。鋳鉄は、鋳造性と耐摩耗性に優れているため、高負荷伝動システムのギアの製造によく使用されます。これらのギアは大きな衝撃荷重と摩耗に耐える必要があり、鋳鉄は優れた耐疲労性と耐摩耗性を提供できます。さらに、ステンレス鋼は耐食性に優れているため、腐食環境の影響に耐える必要がある伝動システムにも広く使用されています。

3. 自動車産業

自動車産業では、ギアの選択は自動車の伝動効率、燃費、信頼性に直接関係するため、非常に重要です。合金鋼は、強度が高く、耐摩耗性と靭性に優れているため、自動車の伝動システムの一般的なギアや伝動軸ギアの製造によく使用されます。これらのギアは、高いトルクと速度に耐える必要があり、同時に優れた耐疲労性も備えています。さらに、軽量化の流れに伴い、アルミニウム合金などの軽量金属材料が自動車用ギアの製造に徐々に使用されるようになり、車両全体の重量と燃費の削減につながっています。

4. 民生用電子機器

民生用電子機器では、小型モーターや家電製品のギア伝動システムに小型、軽量、低騒音が求められています。そのため、軽量、低コスト、加工の容易さ、自己潤滑性といった特徴を持つプラスチックギアは、これらの機器に広く使用されています。プラスチックギアは、小型化と軽量化のニーズを満たすだけでなく、特別な設計と最適化により、騒音と振動を低減し、機器の全体的なパフォーマンスを向上させます。

ギア加工材料の選択原則は何ですか？

ギアの材料を選択するときは、ギアの性能、コスト、生産効率、環境保護の最適なバランスを確保するために、次の基本原則に従う必要があります。

·使用要件を満たすため：これには、ギアの速度、負荷のサイズ、作業環境（温度、湿度、腐食性ガスなど）など、ギアの特定の作業条件に応じて材料を慎重に選択する必要があります。たとえば、高速で回転するギアの場合、疲労強度と耐摩耗性に優れた材料を選択する必要があります。重い負荷や衝撃負荷の場合は、材料の強度と靭性が主な考慮事項になります。

·経済的で合理的：ギアの性能が使用要件を満たすことを保証した上で、製品の市場競争力を高めるために製造コストの削減に努める必要があります。これには、手頃な価格で入手しやすい材料を選択することと、不必要な無駄を避けるために使用する材料の量を最適化することが含まれます。

·加工のしやすさ:加工や成形が容易な材料を選択すると、生産効率が向上するだけでなく、コストもさらに削減できます。例えば、特定の材料は切削性に優れているため、ギアの加工プロセスがスムーズになり、工具の摩耗と加工時間が削減されます。

·持続可能性：ギアの加工材料を選択する際には、材料の環境保護と持続可能性を十分に考慮する必要があります。つまり、リサイクル可能、分解可能、または生産プロセスでのエネルギー消費が少ないなど、環境への影響が少ない材料を優先する必要があります。これは、環境汚染の削減に役立つだけでなく、企業のグリーン開発と社会的責任も促進します。

よくある質問

1.ギアに使用されている材料は何ですか？ギア？

ギアの一般的な材料には、鋼、鋳鉄、非鉄金属（銅合金、アルミニウム合金など）、非金属材料（プラスチック、ナイロン、樹脂など）があります。選択する特定の材料は、ギアの動作条件、性能要件、コストなどの要因によって異なります。

2. シャフトの製造にはどのような材料が使用されていますか？

シャフトによく使用される材料には、鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、非金属材料などがあります。 鋼: 高強度、高硬度、強力な耐摩耗性、重負荷、高速、高温などの厳しい動作条件下でのシャフト伝動に適しています。一般的な鋼には、45＃鋼、40Cr鋼などがあります。 鋳鉄: 低コスト、優れた耐摩耗性と優れた耐衝撃性がありますが、強度が低く、低速、低負荷、低温などの条件下でのシャフト伝動に適しています。一般的な鋳鉄には、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄などがあります。 アルミニウム合金: 軽量、高強度、強力な耐腐食性、高速、低負荷、低温などの条件下での軽量化が求められるシャフト伝動に適しています。一般的なアルミニウム合金には、6061-T6、7075-T6などがあります。炭素繊維複合材料、セラミックなどの非金属材料は、軽量、高硬度、強力な耐腐食性、優れた耐振動性などの利点がありますが、コストが高く、熱膨張の影響を受けやすく、特定の高性能要件を持つシャフト伝動装置に適しています。

3.ラックとギアの材料は何ですか？

ラックとギアの材料選択は、通常、ギアの材料選択と同様であり、作業条件、性能要件、コストなどの要因によっても異なります。一般的に使用される材料には、鋼、鋳鉄、非鉄金属、非金属材料などがあります。

4.ラックとギアの 4 つのコンポーネントとは何ですか？？

ラックとギアは通常、次の 4 つの主要部分で構成されています。 ① 歯面: ラックとギアの重要な部分で、歯の形状とかみ合いによって伝達の効率と滑らかさが決まります。 ② リム: ラックとギアの外径の一部で、通常、ギアの剛性と耐荷重性を向上させるために使用されます。③ ハブ：ギアの場合、ハブはギアの主要部分であり、通常はハブ本体とベアリングシートで構成されます。④ その他の補助部品：ベアリング、シャフト、シールなど、ラックとギアの伝達に不可欠な部品です。ベアリングはギアシャフトを支持し、ギアへの軸方向および半径方向の力の影響を低減する重要な部品です。シャフトはギアハブと伝動装置を接続し、動力を伝達し、軸方向および半径方向の力を支える部品です。シールは、潤滑剤の漏れや不純物がギア伝動システムに入るのを防ぐために使用されます。

要約

ギアの一般的な材料には、鋼、鋳鉄、非鉄金属（銅合金、アルミニウム合金など）、非金属材料（プラスチック、ナイロン、樹脂など）があります。 選択する特定の材料は、ギアの使用条件、性能要件、コストなどの要因によって異なります。 ギアの加工材料は、特定の使用条件と性能要件に応じて選択する必要があります。 鋼は、その優れた総合的な性能のために、最も一般的に使用される材料の1つです。 プラスチックや複合材料などの非金属材料は、特定の特定の状況で独自の利点を持っています。 特殊な合金材料は、過酷な条件下での使用要件に適しています。適切な材料選定により、ギアの優れた伝動性能と耐用年数を確保できます。

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この記事は、複数の Longsheng 寄稿者によって執筆されました。Longsheng は、CNC 加工、板金加工、3D印刷、射出成形、金属打ち抜きなど。