シャフト加工：材料、熱処理、溶液

シャフトは機械の重要な構成要素です。ベアリングを介してフレームに接続され、シャフトに取り付けられた部品はシャフトの中心線を中心に回転運動を行います。これらの要素が一体となって、シャフトをベースとしたシャフトアセンブリを構成します。

シャフトの概要

シャフトは、あらゆる機械の回転部品であり、円形の断面を持ち、ある部品から別の部品へ、あるいは動力源から動力消費物へ動力を伝達するために使用されます。この動力伝達を容易にするため、シャフトの一端は駆動装置に接続され、もう一端は機械本体に接続されます。シャフトは用途に応じて中実または中空にすることができ、中空シャフトは軽量化に有利です。重要な機械要素として、シャフトはプーリーやギアなどの回転部品を支えます。通常、シャフトは剛性の高いハウジング内のベアリングによって支持され、ギアやプーリーが効率的に運動を伝達できるようにします。

他の多くの回転要素は、キーを介してシャフトに取り付けられています。そのため、シャフトは、支持される部品の反力と動力伝達中に発生するトルクによって、曲げモーメントとトルクの両方を受けます。

荷重の種類に基づいて、シャフトは次の3種類に分類されます。

• スピンドルシャフト：トルクを伴わず、曲げモーメントのみを受けるシャフト。スピンドルシャフトは、回転スピンドルシャフトと非回転スピンドルシャフトにさらに分類される。
• 駆動軸：トルクのみを伝達し、大きな曲げモーメントを受けない、あるいは曲げモーメントが無視できる軸。例えば、自動車のギアボックスと後車軸をつなぐ軸など。
• トランスミッションシャフト：減速機内のシャフトのように、曲げモーメントとトルクの両方に耐えるシャフト。例えば、自動車のギアボックスと後車軸を接続するドライブシャフトなどが挙げられる。

形状に基づいて、シャフトはいくつかの種類に分類できます。下の表は、形状と設計によるさまざまなシャフトの種類を示しています。

シャフトの加工精度

シャフト部品の表面は、一般的に支持ジャーナルと嵌合ジャーナルに分けられる。

• サポートジャーナル：これらはベアリングの内輪に嵌合し、シャフトの位置決めと支持を行います。寸法精度が高く、一般的にはIT5～IT7の公差が求められます。
• マッチングジャーナル：これらは様々な伝送部品と接続されます。許容誤差は一般的に低く、通常はIT6～IT9です。

幾何学的精度主に、ジャーナル面、外径テーパー、テーパー穴などの重要な表面の真円度と円筒度を指します。誤差は一般的に寸法公差範囲内に収まる必要があります。精密シャフトの場合、幾何公差は技術図面に明記する必要があります。

位置精度：内面と外面の同軸性、半径方向の振れ、重要な端面の軸に対する垂直性、および端面間の平行性を含みます。

表面粗さ機械加工されたすべての表面には、加工の実現可能性と費用対効果に基づいて決定される特定の粗さ要件があります。サポートジャーナルには通常、Ra 0.2～1.6 μmが要求され、伝動部品のマッチングジャーナルにはRa 0.4～3.2 μmが要求されます。

シャフト用材料

シャフトは主に炭素鋼と合金鋼から製造されます。最も一般的なのは1045炭素鋼で、機械的特性を向上させるために通常、焼きならしまたは焼入れ焼戻し（Q&T）処理が必要です。合金鋼は炭素鋼に比べて優れた機械的特性と熱処理性能を備えていますが、応力集中に敏感でコストも高くなります。そのため、高速、高負荷、または特殊な条件（耐摩耗性、高温/低温環境など）で使用されます。なお、室温では合金鋼と炭素鋼の弾性率はほぼ同じであるため、炭素鋼を合金鋼に置き換えてもシャフトの剛性は大幅には向上しません。

重荷重がかかるシャフトや、高強度、コンパクトな設計、優れた耐摩耗性が求められるシャフトには、5140、5120、9255などの合金鋼が使用されます。合金鋼は応力集中に非常に敏感であるため、構造設計においてこれらの影響を最小限に抑える必要があります。材料の特性を最大限に引き出すには、適切な熱処理が不可欠です。

シャフトブランクは、熱間圧延された丸棒または鍛造品から製造されます。クランクシャフトやカムシャフトのような複雑な形状の場合は、鋳鋼またはダクタイル鋳鉄が使用されることがあり、後者は優れた振動減衰性、応力集中に対する低い感度、およびコスト効率の良さを提供します。

シャフトの熱処理

中炭素鋼および中炭素合金鋼（例：1035、1040、1045、1050、5140、3140、1541）が標準的な選択肢です。これらは通常、焼きならしまたは焼入れ焼戻し処理が施されます。ジャーナル部に高い耐摩耗性が求められる場合は、表面硬化処理を施すことができます。

材料の選定は、荷重の種類、部品の寸法、および焼入れ性によって決まります。曲げ荷重やねじり荷重を受けるシャフトの場合、応力は表面から中心に向かって減少するため、高い焼入れ性は必ずしも必要ではありません。しかし、引張荷重や圧縮荷重を受けるシャフトの場合、断面全体にわたって応力が均一であるため、高焼入れ性鋼が必要となります。

高い衝撃荷重や極めて高い靭性・耐摩耗性が求められる用途では、5120や4320などの合金浸炭鋼を使用し、浸炭、焼入れ、低温焼戻し処理を行います。荷重の少ない重要度の低いシャフトには、1015や1025などの汎用炭素鋼を使用できます。

図に、軸加工における熱処理を示す。

1. 正規化またはアニーリング加工前に配置することで、結晶粒を微細化し、鍛造応力を除去し、被削性を向上させる。
2. 焼入れ焼戻し（Q&T）：通常、粗削りの後、半仕上げ削りの前に行われ、総合的な機械的特性を最適化する。
3. 表面硬化：最終仕上げの前に施され、焼入れによって生じた変形を修正できるようにする。
4. 低温時効処理：局所焼入れまたは粗研削後の高精度シャフトに必要。

位置決め基準点の選択

シャフト部品の一般的な位置決め基準は、2つの中心穴です。同軸性と直角度が主要な精度要件であるため、設計基準は通常、シャフトの中心線となります。

ただし、以下の場合は中央の穴を使用できません。

• 粗加工ではより高い剛性が求められるため、外径面が使用される。
• シャフトは中空で、貫通穴が開いている。

中空シャフトの製造方法：

1. 小さな穴の場合：穴の開口部に60°の内側円錐面取り（幅≤2mm​​）を施します。
2. 円筒形の穴：テーパープラグ（1:500テーパー）を使用してください。
3. 大きなテーパー穴：テーパープラグ付きのマンドレルを使用してください。

機械加工プロセスルート

加工の重点は、ジャーナルの外側円筒面です。加工工程は、外径加工の順序を中心に設計されており、ねじ、スプライン、キー溝などの二次的な加工が随所に施されます。

（１）浸炭鋼製シャフト

材料準備 → 鍛造 → 焼きならし → センター穴あけ → 荒削り → 半仕上げ/仕上げ旋削 → 浸炭 → 焼入れおよび低温焼き戻し → 荒研削 → 二次形状加工 → 仕上げ研削。

（２）標準精密Q&T鋼製シャフト

材料準備 → 鍛造 → 焼きならし（焼きなまし） → センター穴あけ → 荒削り → 焼入れ焼戻し → 半仕上げ/仕上げ旋削 → 表面硬化および焼き戻し → 荒研削 → 二次形状加工 → 仕上げ研削。

（３）窒化鋼シャフト

材料準備 → 鍛造 → 焼きならし（焼鈍） → センター穴あけ → 荒削り → 焼入れ → 半仕上げ／仕上げ旋削 → 低温時効 → 荒研削 → 窒化 → 二次加工 → 仕上げ研削 → ラッピング／研磨

加工例：段付きシャフト

この部品は、円筒面、シャフト肩部、ねじ山、および四角形のヘッド部から構成される段付きシャフトです。

（１）材料およびブランク製造

シャフトは45鋼（AISI 1045相当）製です。生産量は少ないものの、ジャーナル径は大きく異なり（最大50mm、最小13mm）、材料利​​用効率を最適化するため、鍛造品をブランク材として使用し、その後、焼きならし処理を施しています。

（2）技術要件

寸法精度：直径25mmのジャーナルは、IT7の公差等級を満たす必要があります。表面粗さはRa 0.8μmと規定されています。直径50mmのショルダーを基準とした場合、直径25mm軸の垂直度公差は0.02mm、ショルダーの両端面間の平行度公差は0.02mmです。

（３）位置決め基準

各種ジャーナルの同軸性を確保するため、両端の中心穴を精密な基準点として使用します。この位置決め基準点は、旋削、フライス加工、研削の各工程を通して一貫して維持され、セットアップ誤差を最小限に抑えます。

（４）加工方法

シャフトは主に回転面で構成されているため、旋削と研削が主な成形工程となります。直径25mmのジャーナル面と直径50mmの肩面は、寸法精度に加えて高い幾何学的精度が求められるため、旋削後に研削を行います。外面の加工順序は、荒削り→中仕上げ旋削→研削です。

（５）加工ルート

高精度が求められる部品の場合、品質を確保するために荒加工と仕上げ加工を分離する必要があります。このシャフトの機械加工は、荒削り、中仕上げ旋削、研削の3つの工程に分かれています。

（６）熱処理

直径25mm×35mmの断面と角型の頭部表面は焼き入れ処理が必要です。これは半仕上げ加工後、最終研削加工前に実施されます。焼きならしは、ブランク材の鍛造後に行われ、内部応力の緩和、結晶粒構造の微細化、被削性の向上を目的としています。

Getzshapeがどのように役立つか

Getzshapeは、高品質なカスタムCNC加工、板金加工、放電加工、ダイカストなどを提供しています。シャフト加工における当社のCNC加工能力は以下のとおりです。