CN1711364A - 疲劳强度优异的长寿命旋转体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供汽车车轮、皮带轮、齿轮、履带动轮等具有因转动而承受交变载荷的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔等结构的使用了金属板的疲劳强度优异的长寿命旋转体的发明，本发明的疲劳强度优异的长寿命旋转体及其制作方法，其旋转体指的是具有将二片金属板重叠然后将端部焊接而形成的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔等的旋转体，通过对其中任意一部位实施超声波冲击处理，从而形成压痕或使表面平滑化，缓和拉伸残余应力。

Description

疲劳强度优异的长寿命旋转体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种使用了金属板的疲劳强度优异的长寿命旋转体及其制造方法。例如，涉及汽车车轮、皮带轮、齿轮、履带动轮等具有因转动而承受交变载荷的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔等结构的一种疲劳强度优异的长寿命旋转体及其制造方法。
背景技术
因转动而承受交变载荷的汽车车轮、皮带轮、齿轮、履带动轮等旋转体，具有搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔等金属疲劳方面上的弱点。
作为由这些焊接、冷弯加工、冲压等加工后的后处理来改善焊缝形状、疲劳强度的方法，以往所采用的方法为：①磨削，②TIG修整，③喷丸法(shot peening)，④锤击法(hammer peening)。这些方法是对成为应力集中部的焊接边端部的形状进行修整以缓和应力集中，或改变残余应力以提高疲劳强度的方法。但是，这些方法存在着以下问题。
在此，磨削、TIG修整，是通过将应力集中部的形状整形成应力集中较少的形状，从而使疲劳强度提高的方法。但是，这对于提高搭接角焊缝接头和冲压孔的疲劳强度虽然有效，但对于冷弯加工则不具效果，再加上其生产效率很低，不能面向大量生产的使用。进而，在磨削中，还存在有在接触磨齿的方向与应力作用方向成直角的情况下，有时反而会产生使疲劳裂纹更易于扩展的处理痕等，在处理上要求有较高技术的方面。
可是，在焊接部一般会因为由焊接线能量引起的局部热膨胀和由随后的冷却引起的热收缩而导入残余应力。另外，在冷加工部也存在伴随塑性变形而产生的较大的残余应力。这样的残余应力成为使疲劳强度下降的一个重要原因。
在此，作为提高疲劳强度的其他方案，可采取引入压缩残余应力或降低拉伸残余应力从而提高疲劳强度的措施。已知有喷丸处理和锤击处理等方法。喷丸处理是将大量1mm弱的钢球击打在成为发生疲劳裂纹的起点的部位以赋予压缩残余应力的方法。锤击法是利用压缩空气等驱动锤头撞击处理部的方法。
但是，喷丸法需要使用巨大的机械装置，此外在使用时还要求有较大腔室，因此对于在大批量生产上的使用其效率还是不高，并需要多种配套设施。另外，仅对必要部位进行处理这样的部位选择性显然很差，因此不能应用于追求外观的场合。
另外，由于锤击法反作用力很大，而且还会造成过大的塑性变形，因此存在着很难适用于薄板的缺点。
再有，在锤击法中，因对连接部位施以数赫兹的低频的机械加工，所以加工表面的凹凸很明显，其凹部就会成为应力集中部，成为疲劳裂纹的起点，所以其处理结果不稳定，存在着有时连接部整体的疲劳强度反而下降的问题。
进而，已知的还有可利用对焊接金属的加热重熔来改善焊接边端部的形状或减少拉伸残余应力。但是这种方法也存在效率极低的问题，且效果也没那么理想。
如上所述，对于以汽车车轮为代表的旋转体而言，很难采用以往的提高疲劳强度的技术，且即使采用，其疲劳强度的提高程度也仅停留于低水平上。因此，虽然进一步符合了材料的高强度化，但当钢材的强度达到600N/mm2级或其以上时，冲压孔端面对疲劳的敏感性就会急剧升高，因而就出现了抗疲提高的效果达到尽头的问题。
另外，作为与通过对焊接接头部施加超声波振动而使疲劳强度提高的方法有关的以往技术，例如，在美国专利第6,171,415号的说明书中公开了沿着通过焊弧而被加热的焊缝部施加超声波振动的方法。
但是，该以往技术是以对刚刚焊接后的高温的材料施加超声波振动为前提的，此外便没有如本发明所提出的用超声波振动子进行击打的具体对象物以及处理范围的公开。
发明内容
本发明的目的是要解决上述已往技术中存在的问题，提供一种如汽车车轮、皮带轮、齿轮、履带动轮等具有因转动而承受交变载荷的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔的利用了金属板的疲劳强度优异的长寿命旋转体。
本发明是为了解决上述课题而在深入研讨的结果，是通过对如汽车车轮、皮带轮、齿轮、履带动轮等因转动而承受交变载荷的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔的表面施加超声波振动处理，从而提供一种疲劳强度优异的长寿命旋转体的发明，成为其要点的部分是如同权利要求范围中所规定的下列内容。
(1)一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有将二片金属板重叠然后将端部焊接而成的搭接角焊缝接头的旋转体，其特征在于，在该搭接角焊缝接头的边端部的周围，具有通过超声波冲击处理而形成的宽1～5mm的压痕，实施了该超声波冲击处理的边端部的边端半径为1mm或其以上。
在此，所谓超声冲击处理是指通过超声波振动端子对金属板表面进行击打的处理。
(2)一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有将二片金属板重叠并将端部焊接而成的搭接角焊缝接头的旋转体，其特征在于，在该搭接角焊缝接头的焊缝根部的金属板表面或表背两面上，具有通过超声波冲击处理而形成的宽1～5mm的压痕。
(3)一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有金属板的冷弯加工部的旋转体，其特征在于，通过对该冷弯加工部的拉伸侧表面实施超声波冲击处理，该拉伸侧表面的表面硬度与非处理部相比增加10％或其以上，该冷弯加工部的拉伸残余应力为抗拉强度的50％或其以下至压缩的范围。
(4)一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有金属板的冷弯加工部的旋转体，其特征在于，通过对该冷弯加工部的压缩侧表面实施超声波冲击处理，该压缩侧表面按照中心线平均粗糙度Ra被平滑化到10μm或其以下，该拉伸侧表面的表面硬度与非处理部相比增加10％或其以上，该冷弯加工部的拉伸残余应力为抗拉强度的50％或其以下至压缩的范围。
(5)一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有冲压孔的金属板的旋转体，其特征在于，通过对该冲压孔的端面实施超声波冲击处理，该冲压孔的端面的表面的缺口按照中心线平均粗糙度Ra被平滑化至10μm或其以下，该冲压孔端面上不存在硬度为400Hv或其以上的硬化组织，从该冲压孔端面的表面产生的200μm以下的细微龟裂被扁平化到原长的50％或其以下的深度。
(6)上述(1)至(5)中任意一项所述的疲劳强度优异的长寿命旋转体，其特征在于，上述金属板为抗拉强度在400N/mm2或其以上的钢材。
(7)一种疲劳强度优异的长寿命旋转体的制造方法，它是具有搭接角焊缝接头、冷弯加工部及/冲压加工部的金属板制旋转体的制造方法，其特征在于，利用与焊缝接头的边端部、焊缝根部、金属板的冷弯加工部、冲压加工部等被处理部的形状相对应的、销的端头为凸状或凹状的超声波振动端子，实施超声波冲击处理。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的汽车车轮的侧面图。
图2为图1中A-A剖面图。
图3为用表示二片金属板的搭接角焊缝接头部的放大图来进行说明的图。
图4为说明对金属板的冷弯加工部的超声波冲击处理的情况的图。
图5为以局部放大图来说明对金属板的冲压孔部的超声波冲击处理的情况的图。
图6为以立体图说明图5的状况的图。
具体实施方式
以汽车车轮为例，利用图1～图6对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1为本发明实施方式的汽车车轮的侧面图。图1中的汽车车轮，是通过将车轮轮盘件与辊轧成形的车轮轮辋件相焊接而制成，其中该车轮轮盘件是通过包括冲压加工在内的压制成形加工对钢板或铝板进行加工而成的，且其中1表示冲压孔。以下，所谓金属板是指包含钢板及铝合金板在内的金属制的板材。
图2为本发明的一个实施方式的汽车车轮的剖面图，表示图1中的A-A剖面。在图2中，1是通过压制来冲切金属板而形成的冲压孔，2是在对金属板进行冷压成形加工而形成的所谓帽形(凸形)部，因其中包含弯曲加工成分，因而可认为是与本发明中的冷弯加工部相当的。3表示将二片金属板重叠并焊接其端部而成的搭接角焊缝接头部。
由于汽车行驶中的交变载荷，在这些焊接部、冷弯加工部以及冲压孔上容易发生应力集中，这些部位的疲劳强度就最小，因而通过对这些部位进行超声波冲击处理，可显著提高疲劳强度。
在图2中的4表示超声波振动端子。本发明中所使用的超声波振动的发生装置，通过振动发生机产生振动，通过转换器(トランスデユ一ザ)转换为19KHz～60KHz的机械振动，再用波导管将其振幅进行增幅，从而使由φ2mm～6mm的销构成的超声波振动端子，以20～40μm的振幅振动。由此可形成击打部的表面的平滑性良好的深度为数百μm的压痕。该超声波振动发生装置也可以同样适用于以下各实施方式中。
图3为表示二片金属板的搭接角焊缝接头部的图，即图2中的3的详示图。在图3中，6、7为二片金属板，9表示边端部，10表示焊缝根部。在边端部9中的曲率半径ρ表示边端半径，其角度θ表示边端角。本发明中的旋转体(例如汽车车轮)，在其搭接角焊缝接头的边端部9的周围，有通过超声波冲击处理而形成的宽1～5mm的压痕，实施了超声波冲击处理的边端部的边端半径ρ为1mm或其以上。
通过由上述超声波振动端子对边端部9的周围进行击打而形成宽1～5mm的压痕，使边端部的边端半径ρ成为1mm或其以上，从而，由于能够在缓和边端部9的应力集中的同时，将拉伸残余应力改变成压缩残余应力，因此可显著提高旋转体的疲劳强度。
本发明中的旋转体(例如汽车车轮)，在其搭接角焊缝接头的焊缝根部10的金属板表面或表背两面，具有通过超声波冲击处理形成的宽1～5mm的压痕。
通过由上述超声波振动端子对焊缝根部10的金属表面或表背两面进行击打而形成宽1～5mm的压痕，可缓和焊缝根部10的应力集中，所以能够显著提高旋转体的疲劳强度。
图4表示的是金属板的冷弯加工部，是图2中的2的放大详示图。在图4中，4、4’表示本发明所使用的超声波振动端子，通过从旋转体的冷弯加工部(例如车轮的帽形部)的表背两面施加超声波振动，冷弯加工部的拉伸侧表面即凸面以及压缩侧表面即凹面的表面硬度比非处理部提高10％或其以上，冷弯加工部的拉伸残余应力，就会变为抗拉强度的50％或其以下至压缩的范围。
其结果是能够显著提高冷弯加工部的疲劳强度。
另外，通过仅对作为冷弯加工部的压缩侧表面的凹面进行击打，压缩侧表面按中心线平均粗糙度Ra被平滑化到10μm或其以下，同时拉伸侧的残余应力被缓和至抗拉强度的50％或其以下，另外在使用时在目视可以看见的表面侧不会留下处理痕迹，因此，可以在保持着美观性的情况下提高疲劳强度。
再有，通过将击打金属板表面的凹面的超声波振动端子的端头设为凸型，并将击打金属板表面的凸面的超声波振动端子的端头设为具有比金属板表面的凸面更大曲率半径的凹型(不过在图2及图4中超声波振子4’的端头曲率半径被夸张表现了)，从而超声波振动端子的端头易于与金属板表面相吻合，因此可进一步提高表面硬度和减少残余应力。
图5及图6是表示对金属板的冲压孔部施行超声波冲击处理的情况的图，图5为图2的局部放大图，图6为其立体图。在图5中，4’表示在本发明中所使用的超声波振动端子，通过对旋转体的冲压孔部5(例如车轮的冲压孔部)的端面施加超声波振动，冲压孔端面的表面的缺口按照中心线平均粗糙度Ra被平滑化到10μm或其以下，在该冲压孔端面上不存在硬度为400Hv或其以上的硬化组织，从该冲压孔端面的表面所产生的200μm或其以下的细微的龟裂，被扁平化到原长的50％或其以下的深度。其结果是能够显著提高冲压孔部的疲劳强度。
再有，通过将击打冲压孔端面的超声波振动端子的端头设为凹型，从而超声波振动端子的端头易于与冲压孔端面吻合，由此能够进一步提高缺口的平坦化、硬化组织的消除以及细微龟裂的扁平化效果。
另外，如超声波冲击处理那样的赋予残余应力的方法，对于所适用的材料而言，高强度材料的一方比低强度材料更易见效。这是由于高强度材料的一方所导入的残余应力很难因附加外力而重新分布这样的特性导致的。
在图6中，通过将左右超声波振动端子4’上下错开地配置，从而左、右的超声波振子4’不会相互干扰，因此能够更有效地进行超声波冲击处理。
以上的实施方式是以汽车车轮为例来进行说明的，但本发明可广泛适用于皮带轮、齿轮、履带动轮等具有因转动而承受交变载荷的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔的使用了金属板的旋转体。
实施例
通过本发明中的钢板制的汽车车轮的实施例来说明本发明的效果。
对汽车的13英寸的车轮，改变处理方法来比较其疲劳强度。另外，在此所使用的车轮轮盘件，是由板厚3.2mm、强度690N/mm2及板厚4.0mm、强度330N/mm2的材料加工而成的。
疲劳试验以旋转弯曲力矩(弯矩)负载进行。其交变速度为700rpm，螺栓紧固转矩为98Nm，试验力矩为1.47KNm。
另外，作为处理前的初始裂纹，在冲压孔端部人为地制造深度200μm的缺口，在试验后将该相应部分切下，测量其裂纹长度。将结果表示在表1中。
表1
NO. 区分 钢材 处理法   弯曲加工部表面    弯曲加工部背面             冲压孔端面 搭接角接头部    疲劳寿命(次) 评价
  Ra(μm) 残余应力(N/mm2) Ra(μm) 残余应力(N/mm2)   Ra(μm) 残余应力(N/mm2) 缺口(μm)     沟宽(mm)
1 发明例 A   凸凸 6 -290 8 -370 7 -370 60 1.9 2.0E+06 OK
2 发明例 A   凸凹 3 -320 7 -360 3 -470 50 1.7 3.0E+06 OK
3 发明例 A   凸凹 2 -340 2 -380 2 -455 50 1.9 2.7E+06 OK
4 比较例   A   -   12     500   19   -200   23     560   200     2.4E+05  NG
5 比较例   A   G   13     490   18   -240   18     550   200     3.0E+05  NG
6 比较例   A   S   6     -100   18   -220   21     540   200     1.1E+06  NG
7 发明例 B   凸凹 2 -270 6 -300 2 -250 40 2.1 1.5E+06 OK
注)凸：使用凸型的超声波振动端子的场合《处理法中下行的凸的表示，表示对弯曲加工部的背面凸型也适用。》
凹：对弯曲加工部的表面及冲压孔端面适用凹型的场合。
-：加工后不进行处理的场合。
G：加工后进行磨削处理的场合。
S：加工后进行喷丸处理的场合。
A：钢板厚3.2mm、强度690N/mm2。
B：钢板厚4.0mm、强度330N/mm2。
No.1为发明例，对冷弯加工部的表背两面、冲压孔端面、搭接角焊缝接头部都使用端头为凸型的超声波振动端子施行击打处理，因此进行了超声波冲击处理的钢板表面被平滑化，残余应力也变为压缩残余应力，所以其疲劳寿命变长，评价为“OK”(良好)。
No.2、No.3为发明例，对弯曲加工部的表背两面以及搭接角接头部使用端头为凸型的超声波振动端子进行冲击处理，对冲压孔端面使用凹型的超声波振动端子进行冲击处理。经超声波冲击处理的钢板表面被进一步平滑化，疲劳寿命也变得更长，评价为“OK”(良好)。
此外，在No.1～No.3的发明例中，施加超声波冲击处理的钢板表面的表面硬度(维氏硬度)比非处理部位增加约30％。
另外，在冲压孔端面不存在硬度为400Hv或其以上的硬化组织。在冲压孔端面的表面上引入的200μm的缺口，被扁平化到原长的约30％的深度。另外，还可确认在焊接部的处理痕。
No.4为比较例，因未进行任何加工后的处理，所以加工面很粗糙，残余应力为拉伸残余应力的部分很多，因此疲劳寿命短，评价为“NG”(不良)。
No.5为比较例，因对加工后的冲压孔端面施行了磨削处理，所以提高了表面的平滑性，但因其残余应力未得到改善，所以疲劳寿命短，评价为“NG”(不良)。
No.6为比较例，因对加工后的弯曲加工部表面实施了喷丸处理，所以表面的平滑性和残余应力均得到改善，疲劳寿命变长，但对于其他部分则没有任何作用，所以其效果仅为本发明的一半以下，评价为“NG”(不良)。
No.7是车轮轮盘件的强度为330N/mm2的实施例，其弯曲加工部的表背两面、搭接角焊缝接头部均使用端头为凸型的超声波振动端子进行击打处理，冲压孔端面则使用凹型的超声波振动端子进行击打处理，但进行了超声波冲击处理后的钢板表面被进一步平滑化，可获得长疲劳寿命，评价为“OK”(良好)。
工业应用前景
如果使用本发明，可通过对如汽车车轮、皮带轮、齿轮、履带动轮等因转动而承受交变载荷的搭接角焊缝接头、冷弯加工部、冲压孔的表面实施超声波振动处理，而提供疲劳强度优异的长寿命的旋转体。在工业上可产生显著的有益效果。

Claims (7)

1.一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有将二片金属板重叠并焊接端部而成的搭接角焊缝接头的旋转体，其特征在于，在该搭接角焊缝接头的边端部的周围，具有通过超声波冲击处理而形成的宽1～5mm的压痕，实施了该超声波冲击处理的边端部的边端半径为1mm或其以上。
2.一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有将二片金属板重叠并焊接端部而成的搭接角焊缝接头的旋转体，其特征在于，在该搭接角焊缝接头的焊缝根部的金属板表面或表背两面上，具有通过超声波冲击处理而形成的宽1～5mm的压痕。
3.一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有金属板的冷弯加工部的旋转体，其特征在于，通过对该冷弯加工部的拉伸侧表面实施超声波冲击处理，该拉伸侧表面的表面硬度与非处理部相比增加10％或其以上，该冷弯加工部的拉伸残余应力为抗拉强度的50％或其以下至压缩的范围。
4.一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有金属板的冷弯加工部的旋转体，其特征在于，通过对该冷弯加工部的压缩侧表面实施超声波冲击处理，该压缩侧表面按照中心线平均粗糙度Ra被平滑化到10μm或其以下，该拉伸侧表面的表面硬度与非处理部相比增加10％或其以上，该冷弯加工部的拉伸残余应力为抗拉强度的50％或其以下至压缩的范围。
5.一种疲劳强度优异的长寿命旋转体，它是具有冲压孔的金属板的旋转体，其特征在于，通过对该冲压孔的端面实施超声波冲击处理，该冲压孔的端面的表面的缺口按照中心线平均粗糙度Ra被平滑化至10μm或其以下，该冲压孔端面上不存在硬度为400Hv或其以上的硬化组织，从该冲压孔端面的表面产生的200μm以下的细微龟裂，扁平化到原长的50％或其以下的深度。
6.如权利要求1至5中的任意一项所述的疲劳强度优异的长寿命旋转体，其特征在于，前述金属板是抗拉强度为400N/mm2或其以上的钢材。
7.一种疲劳强度优异的长寿命旋转体的制造方法，它是具有搭接角焊缝接头、冷弯加工部及/冲压加工部的金属板制旋转体的制造方法，其特征在于，利用与焊缝接头的边端部、焊缝根部、金属板的冷弯加工部、冲压加工部等被处理部的形状相对应的、销的端头为凸状或凹状的超声波振动端子，实施超声波冲击处理。
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