熱処理は柔らかく切削しやすい素材を、長年負荷に耐える歯車に変える。だが同時に金属を動かしてしまう。焼入れされた歯車は例外なく少し形を変え、設計や積載の悪い部品では、その変化が廃棄レベルに達することもある。熱処理歪みは、供給業者が直せるか直せないかのランダムな欠陥ではない。熱・変態・拘束に対する予測可能な力学的応答であり、設計段階で織り込み、加工代で吸収し、最終的に仕上げ工程で修正しなければならない。熱処理をブラックボックス扱いする購入者は、よく真円度の出ない穴、歯筋誤差のある歯、平行度の出ない端面、そして歯車箱が鳴るまで顕在化しないピッチ誤差を受け取ることになる。幸い歪みの多くは十分に理解されており、メカニズムが分かれば、あとは加工代、治具、工程管理の問題だ。
焼入れ中には二つの異なる応力が働き、それぞれが独自のやり方で部品を曲げる。熱応力は不均一冷却から生まれる。表面が先に冷えて収縮しようとする一方、心部はまだ高温で柔らかいため、表面は引っ張られ、後に心部が冷えて収縮すると表面は圧縮される。変態応力は、オーステナイトからマルテンサイトへの変態そのものから生まれる。マルテンサイトは、その元となるオーステナイトより体積が大きいからだ。表面が先に変態して膨張し、心部はまだ軟らかいオーステナイトのまま。心部が最終的に変態して膨張すると、既に硬化した表面層を外側へ押し出す。どちらの応力が優位になるかは、鋼の焼入れ性、断面サイズ、焼入れ速度、部品の支持方法に依存し、膨張・収縮・曲がり・楕円の混合として現れ、試験データなしに推測するのは難しい。浸炭はさらに複雑さを加える。高炭素の浸炭層は低炭素の心部とは異なる変態をし、浸炭層は膨張する一方で心部は収縮するのが一般的だ。歯面の浸炭が不均一だと、歯元や歯幅の片側に炭素が多く入り、膨張も大きくなり、歯筋が曲げられる。焼戻しは焼入れ残留応力を緩和するが、その緩和自体が寸法をわずかに動かす。だから安定した部品は二回焼戻しをするか、変化が収まるまで長時間保持される。
大形で薄肉の歯車こそ歪みが最も深刻になる。大直径で径方向の肉厚が薄い内歯リングギアは焼入れで楕円になりやすい。薄いリムが、それを支える厚いウェブやボルト締めリングより速く冷えるからだ。断面変化も同じ作用をする。ハブがウェブよりずっと重い場合、あるいはリムがウェブよりずっと重い場合、それぞれが独自の速度で冷え、軽い断面を真円から引きずり出す。穴の片側に配置されたボルト穴、キー溝、軽量化穴は回転対称性を崩し、局所的な冷却源かつ応力集中源として働くため、歯車は円周上で不均一に膨張する。長く細いピニオン軸や歯車軸は弓のように振る舞う。軸の片側がもう片側より少し速く冷え、変態膨張が偏り、部品は恒久的な歯筋誤差を持って焼入れ槽から出てくる。それは矯正か研削でしか除去できない。実際に最も問題になるのは、薄肉リングギア、片持ちフランジ、スプライン軸、非対称な抜き穴のあるウェブだ。
標準的な答えは、熱処理が動き込めるだけの材料を残し、硬化後に真の表面を再切削することだ。工程は粗加工から始まる。ブランクを最終寸法近くまで旋削、中ぐり、歯切りするが、後で精度が必要なすべての面に十分な層を残す。標準的な加工代は、穴径で 0.3 から 1.0 ミリ、外径で 0.2 から 0.5 ミリ、各端面で数 10 分、歯面一片あたり 0.15 から 0.35 ミリで、モジュール、浸炭深さ、供給業者の実測歪みデータに依存する。加工代は対称でなければならない。ウェブの片側や歯面の片側に多く残すのは歪みを隠すだけで、除去はしない。粗加工と最終熱処理の間に焼なましか焼準を入れると、切削残留応力が除去され、焼入れ応力に上乗せされるのを防げる。焼入れ焼戻し後、部品は機械工場に戻る。穴はサイズまで研削またはホーニングされ、端面は平行に研削され、その後で初めて歯が仕上げ研削される。穴が真直ぐになる前に歯を研削すると、振れがピッチに閉じ込められてしまうからだ。
硬化後の歯面研削は、熱処理後の歪みを実際に修正する仕上げ工程だが、固有のリスクも持ち込む。砥石が鈍い、送り速度が速すぎる、あるいは切削液が接触点に届かないと、歯面を浸炭層が焼戻されるほど加熱し、軟らかい未焼戻し領域を作り、さらには荷重下で進展する微細な研削割れの網を生じることもある。通常の対策は、鋭く頻繁に目直しされた砥石、小さな切込み、接触弧に向けた大量の高圧切削液、そしてスパークアウトだ。他の仕上げ工程の限界も理解しておく価値がある。シェービングは常に熱処理前の軟らかい歯車に行われ、焼入れ歪みはまったく修正できない。ホーニングは数ミクロンしか除去せず、研削後に表面粗さ改善と圧縮残留応力導入のために使われ、騒音を下げる。研削だけが、硬化後の歯形、歯筋、ピッチ誤差を実際に修正できる工程だ。中精度の歯車ならシェービングと熱処理でコスト的に十分だが、高精度または高速歯車には、焼入れ後研削、多くの場合軽ホーニング仕上げに代わるものはない。
どのプロジェクトにも実行可能な管理チェックリストを持つ価値がある。熱処理前に粗加工して歪み取りを行う。削り出したばかりのブランクは固有の残留応力を持っているからだ。設計では対称性を優先する。均一な肉厚、対称なボルト穴配置、質量バランスが必要な位置にはダミー穴を追加し、最初に冷える薄いフランジは避ける。積載では、軸をマンドレルに垂直に吊るし、リングギアは平架台または内側治具で支え、炉内で重要面同士が触れないように装填する。焼入れ媒体を慎重に選ぶ。油またはポリマー焼入れは水より部品の動きがはるかに小さく、制御された撹拌は静止焼入れに勝る。炉内温度は負荷全体で均一に保ち、分区制御を校正し、変態域ではゆっくり昇降温する。前後で測定する。焼入れテストバーか代表サンプルを回し、穴の楕円、振れ、歯筋を記録し、歯車群ごとに歪みマップを保持する。そうすれば加工代は毎回の発注ごとの推測ではなく、時間とともに締められる。
歪みは回避すべき事故ではなく、予測すべき数値として扱うのが最良だ。供給業者に歯車を依頼するときは、会話を具体的にする。必要な精度等級を述べ、それに達するために熱処理後研削が使われることを受け入れ、硬化後に仕上げるべき面を指定し、最初にサンプル部品を求めて加工代を調整できるようにする。歪み測定を拒否したり、焼入れでゼロ変位を約束したりする供給業者は、どんな熱処理も届かないものを約束している。現実的な加工代、賢明な治具、文書化された工程があれば、歯車を硬化させる同じ焼入れが、それを公差に入れる仕上げパスが届く範囲内に留めることもできる。