JP2003145420A - 表面強化加工用工具および表面強化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物の深部から表面までを同時に硬化さ
せて表面強化を行うことのできる工具を提供する。 【解決手段】 側面から見ると円形をした回転体であ
り、軸方向断面において、回転体の周囲が複数の凸部２
が連続し、各凸部２先端は、それぞれ同じ曲率半径ｒの
曲面となっており、これら凸部２先端を結んだ線が全体
として大きな曲率半径Ｒを持つように接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被加工物表面を強
化するための表面強化加工用工具および表面強化方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】主に、金属材料よりなる被加工物に所望
の硬度を付与するための表面強化方法としては、ショッ
トピーニングやローラバニッシングがある。

【０００３】前者のショットピーニングは、基本的には
硬質粒子を高速で噴射して被加工物に投射することで、
被加工物を硬化させる方法である。

【０００４】このショットピーニングは、たとえばφ１
ｍｍ程度の粒径の球を被加工物に投射することにより、
被加工物の表面からの深さが２００μｍ付近の硬度が上
昇する。また、このようなショットピーニングと同様な
処理方法として、平均粒径でφ４０〜２００μｍの非常
に微細な粒径の球を投射する方法がある。これはディン
プル処理、マイクロディンプル処理などと称されてい
る。この方法では、表面からの深さが１０μｍ程度まで
の最表面部分を加工硬化することができる。

【０００５】一方、ローラバニッシングは、セラミック
スの球やローラを被加工物に押し付けることで、塑性変
形による加工硬化を行うものである。

【０００６】通常は、単一の曲率半径を有する球を押し
付けるために、硬化される範囲は、せん断応力分布に従
い、せん断応力が最大となる深さ位置付近のみが硬化さ
れる。このローラバニッシング加工の場合には、工具の
曲率半径を選定することにより、様々な深さ位置（表面
から０．６ｍｍ付近）まで任意に硬化できるのが特徴で
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の硬化処理方法は、いずれも硬化処理によ
って硬化できる深さが決まっており、いずれか一つの方
法により最表面から深部までを硬化することができない
といった問題がある。

【０００８】たとえば、ショットピーニングやディンプ
ル処理などでは、球径やショット速度を変えるなどし
て、様々な深さを加工することも可能であるが、一度に
異なる球径のものを使用したり、ショット速度を自在に
変更したりするなどといったことはできないため、最表
面から深部までを硬化させるとすれば、数回の段取り替
え作業などが必要となる。

【０００９】また、ショットピーニングやディンプル処
理では、硬質の粒子を高速で投射するため、被加工物の
表面あらさを所望のあらさに収めることが困難であっ
た。

【００１０】ショットピーニングやディンプル処理で
は、さらに大きな問題として最大せん断応力深さが深い
場合（例えば０．６ｍｍ程度の場合）、０．６ｍｍ位置
を起点とするフレーキングを抑制しつつ、最表面（表面
〜２０μｍ）において発生するピーリングを抑制するた
めには、０．６ｍｍ位置および最表面（表面〜２０μ
ｍ）を同時に強化する必要があるが、ショットピーニン
グの場合には、表面あらさを悪化することなく、０．６
ｍｍおよび表面を同時に強化することが困難であった。

【００１１】また、ローラバニッシング加工の場合に
は、工具の曲率半径を選定することにより、任意の深さ
を硬化できるのであるが、表面と深部を同時に硬化する
ことはできず、この方法を用いた場合でも、最表面から
深部まで一度に硬化させようとすれば、使用するセラミ
ック球などの冶具を交換して何度も硬化処理を行う必要
がある。

【００１２】本発明の目的は、被加工物の深部から表面
までを同時に硬化させて表面強化を行うことのできる工
具、およびこの工具の用いた表面強化方法を提供するこ
とである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、以下の
構成により達成される。

【００１４】（１）全体が回転体であり、該回転体の表
面が軸方向断面において、先端が第１の曲率半径をもつ
複数の凸部からなり、前記複数の凸部先端を結んだ線が
第２の曲率半径による中高状となることを特徴とする表
面強化加工用工具。

【００１５】（２）前記第１の曲率半径は、前記第２の
曲率半径以下であることを特徴とする。

【００１６】（３）前記複数の凸部は、一定間隔で設け
られていることを特徴とする。

【００１７】（４）前記凸部は、被加工面の法線方向に
対して所定の角度を有することを特徴とする。

【００１８】（５）前記（１）〜（４）のいずれか一つ
に記載の表面強化加工用工具を、被加工物の表面に転が
り接触させることを特徴とする表面強化方法。

【００１９】（６）前記表面強化加工用工具を転がり方
向と直交する方向に移動させながら、前記被加工物の表
面全体を転がり接触させることを特徴とする。

【００２０】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、全体が
回転体であり、該回転体の表面が軸方向断面において、
回転方向と直交する方向に、第１の曲率半径の凸部を有
し、この凸部先端を結んだ線が第２の曲率半径を持つよ
うにしたことで、一つの工具による曲率の異なる２つの
面が同時に与えられるようになり、表面近傍から内部ま
でを同時に硬化させることができる。

【００２１】請求項２記載の本発明によれば、第１の曲
率半径が第２の曲率半径以下とすることで、凸部のエッ
ジ応力が緩和され工具の耐久性が著しく向上するという
効果がある。

【００２２】請求項３記載の本発明によれば、凸部先端
の曲率半径の繰り返しピッチを一定にしたので、表面近
傍の硬化される深さが均一となる。

【００２３】請求項４記載の本発明によれば、凸部を被
加工面の法線方向に対して所定の角度を有することで、
転がり方向と直交する方向に、表面近傍の硬化層が均一
となる。

【００２４】請求項５記載の本発明によれば、請求項１
〜４の表面強化加工用工具を使用することで、被加工物
の表面に転がり接触させて、表面近傍に過大な圧縮応力
を付与することにより材料表面近傍および内部を同時に
強化させることができる。

【００２５】請求項６記載の本発明によれば、加工工具
を転がり方向と直交方向に移動させることで、被加工物
の表面全体を転がり接触させて、表面近傍を広範囲に強
化することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２７】図１は、本発明を適用した表面強化加工用
工具を示す側面図であり、図２は、この表面強化加工用
工具の軸方向断面の先端部分を示す断面図である。

【００２８】表面強化加工用工具１は、図１に示するよ
うに、側面から見ると円形をした回転体であり、軸方向
断面（図１におけるＸ線に沿う断面）において、図２に
示すように、複数の凸部２が連続したようになってい
る。各凸部２先端は、それぞれ同じ曲率半径ｒの曲面と
なっており、これら凸部２先端を結んだ線が全体として
大きな曲率半径Ｒを持つように接続されたものである。

【００２９】また、表面強化加工用工具１の中心には、
工具自体を回転させるために必要な回転軸３が設けられ
ている。

【００３０】各凸部２の曲率半径ｒは、０．５〜２０ｍ
ｍであり、全体の曲率半径Ｒは、凸部２の曲率半径より
大きくする。

【００３１】各凸部２先端の曲率半径ｒは、０．５ｍｍ
未満である場合や２０ｍｍを超える場合には、エッジ応
力などの過大な応力のために摩耗により工具寿命が低下
するという問題があり、好ましくない。また、全体の曲
率半径Ｒを凸部２の曲率半径ｒより大きくすることで凸
部２のエッジ応力が緩和され工具の耐久性を向上し、工
具自体の強度を上げることができる。

【００３２】また、凸部２先端の繰り返しピッチも一定
とすることが好ましい。これは、繰り返しピッチを一定
とすることで、表面近傍の硬化される深さが均一となる
からである。

【００３３】図３は、この表面強化加工用工具を用いた
加工方法を説明するための図面である。なお、図３にお
いては、凸部形状は省略してある。

【００３４】ここでは、被加工物として円筒形状のもの
の表面を加工する場合について説明する。

【００３５】まず、図３に示すように、被加工物１０を
回転自在に保持し、表面強化加工用工具１の回転軸３を
回転動力源（不図示）に接続する。

【００３６】ここで表面強化加工用工具１は、その回転
軸３に対して図示するように変心して取り付けられてお
り、図４に示すように、表面強化加工用工具１の凸部２
が被加工面１１の法線ｈ方向に対して所定の角度θ（詳
細後述）で傾いて被加工面１１に押し付けられるように
している。

【００３７】そして、この被加工物１０の表面の端部
に、所定の力により表面強化加工用工具１を押し付け
て、回転軸３により表面強化加工用工具１を回転させつ
つ、被加工物１０の軸方向の他端部方向（図示矢印Ａ）
に徐々に移動させる。

【００３８】このとき表面強化加工用工具１の凸部２の
傾き角度は、図５に示すように、被加工物１０の周速度
のベクトルと、表面強化加工用工具１の軸方向（図３の
Ａ方向）への移動速度のベクトルを合成した合成ベクト
ルの角度θに等しくするとよい。

【００３９】なお、被加工物１０は、表面強化加工用工
具１の回転にともなって従動回転する。

【００４０】これにより、被加工物の表面全体が、表面
強化加工用工具１によって、表面強化加工されるように
する。特に、表面強化加工用工具１を被加工面１１の法
線方向に対して傾けたことで、垂直方向から押さえつけ
る場合と比較して、被加工面に対して表面強化加工用工
具１が移動することにより凸部２の接触位置が変化し、
最表面とともに深さ方向においても硬化される部分をよ
り均一にすることができる。

【００４１】なお、円筒形状物以外の加工では、たとえ
ば、被加工物の表面が平面の場合、図６に示すように、
被加工物１５の表面に表面強化加工用工具１を押し付け
つつ回転させ、かつ、徐々に、回転方向と直行する図示
Ｂ方向へ移動させて、表面全体を強化加工するとよい。

【００４２】以上述べてきた本発明の加工用工具および
加工方法を用いることによって、たとえばトロイダル式
無段変速機に好適な転動体を製造することが可能とな
る。

【００４３】

【実施例】以下、上述した実施の形態と同様にして、表
面強化加工を実際に行った実験結果について説明する。

【００４４】（実施例）被加工物は、その直径Ｗφ２６
ｍｍ（図３参照）の超硬製円筒である。この円筒には、
図７Ａに示すように、この円筒２０の軸方向に沿って表
面あらさ計による計測の結果、図７Ｂに示すように、１
００μｍの間隔で深さ２μｍの凹凸が形成されており、
さらにこの凹凸の凸部頂上は曲率半径が約５ｍｍ、凸部
先端の表面あらさがＲａ０．０２μｍ以下であった。

【００４５】一方、使用する表面強化加工用工具は、直
径φ１３０ｍｍ（図３参照）のＳＵＪ２製ローラであ
り、その先端には曲率半径７ｍｍのさらなる凸部を設
け、凸部先端を結んだ線（ローラの回転方向に対して直
交する方向）の曲率半径が４０ｍｍである。また、凸部
の表面あらさはＲａ０．０２以下に仕上げられている。

【００４６】実験は、上述した実施の形態における加工
方法と同じく、表面強化加工用工具に傾きを持たせて、
被加工物であるＷφ２６の円筒に押し当て、円筒の軸方
向へ徐々に移動させて、バニッシング加工を行った。

【００４７】バニッシング加工の条件は、円筒の周速度
２００ｍ／ｍｉｎ、表面強化加工用工具の軸方向送り速
度０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、押し付け荷重２０００ｋｇｆ
で実施した。

【００４８】（比較例）また、比較のために、凸部のな
いローラを用いたバニッシング加工を行った。工具先端
に凸部がないことを除いて、その他、被加工物である円
筒の形状およびバニッシング加工条件などは、実施例の
場合と同じにした。

【００４９】（結果）加工後の円筒に対して、ビッカー
ス硬度計を用いて、ＪＩＳ２２４４ビッカース硬さ試験
法にて表面固さを測定した。この硬さ測定は、表面から
５〜５０μｍの深さ位置までは、押し込み加重を２５ｇ
とし、５μｍ間隔で測定し、また、表面から０．１〜
１．２ｍｍの深さ位置までは、押し込み加重を３００ｇ
とし、０．１ｍｍ間隔で測定した。

【００５０】図８は、このビッカース硬度計による計測
結果を示す図面である。

【００５１】図示するように、本実施例においては、被
加工物の最表面（表面から５〜５０μｍの深さ位置）に
おいて、高い硬度を示すとともに、深い部分（表面から
０．１〜１．２ｍｍの深さ位置）においても十分な硬度
となっている。

【００５２】一方、比較例においては、被加工物の深い
部分（表面から０．１〜１．２ｍｍの深さ位置）におい
ては、十分な硬度となっているが、最表面（表面から５
〜５０μｍの深さ位置）においては硬度が低い。

【００５３】この実験の結果から、本発明を適用した実
施例では、一度の表面強化加工により最表面から深い位
置まで、硬度を高くして表面強化を行えることがわか
る。

【００５４】なお、加工前後において、被加工物の表面
あらさを測定したところ、実施例も比較例も、表面あら
さはＲａ０．０２μｍから変化しなかった。

【００５５】図９に、弾性接触解析によりφ２６ｍｍ円
筒の軸方向凹凸を片振幅ＡＭＰ＝２μｍ、凹凸の間隔λ
＝２００μｍとした（λ／ＡＭＰ＝１００）表面の接触
応力の計算結果を示す。なお、この計算は、市販されて
いる弾性接触解析シミュレーションソフトを用いた。

【００５６】図９に示した計算結果と図８に示した実施
例の実験結果がほぼ合致している。これは、最表面に凸
部曲率半径に起因した硬化層が存在することをシミュレ
ーションによっても確認できたものである。

【００５７】このような本発明の効果が得られる過程は
十分に明らかではないが、以下のように推測される。

【００５８】まず、凸部が形成されていない工具の場
合、そのせん断応力のピーク値は表面から若干内部に入
った位置にある。その深さ位置は、工具の曲率半径や被
加工物の形状などによって決まり、ヘルツ理論によりほ
ぼ予測できる。

【００５９】一方、材料の硬化現象は、上記のせん断応
力が、材料のせん断降伏強度を上回った場合に生じる加
工硬化である。したがって、硬化される位置は、せん断
応力が最も高い内部となる。

【００６０】一方、本発明のように曲率半径が一つでは
なく、全体の曲面に対してさらに内部に曲面が複数ある
場合には、上記の凸部が無い場合のせん断応力に加え
て、凸部に起因したせん断応力がさらに表面近傍に発生
することになる。このため表面近傍に発生している凸部
に起因したせん断応力によって、内部と表面近傍両方に
硬化層が現れることになると考える。

【００６１】以上本発明の実施の形態および実施例を説
明したが、本発明はこれらの実施の形態や実施例に限定
されるものではない。たとえば、表面強化加工用工具全
体の大きさは、被加工物の大きさにしたがって適宜決定
されるものであり、また凸部の数およびその先端の曲率
半径、ならびに全体の曲率半径などは強化したい度合い
に応じて適宜決めるとよい。

【００６２】また、本発明の表面強化加工用工具および
その方法は、たとえばトロイダル変速機の転動面、ベル
ト式無断変速機の転動面、転がり軸受けなどに好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した表面強化加工用工具を示す
側面図である。

【図２】 上記表面強化加工用工具の軸方向断面の先端
部分を示す断面図である。

【図３】 上記表面強化加工用工具を用いた加工方法を
説明するための図面である。

【図４】 上記表面強化加工用工具の凸部の傾きを説明
するための図面である。

【図５】 上記表面強化加工用工具の凸部の傾き角度を
説明するための図面である。

【図６】 上記表面強化加工用工具を用いた加工方法を
説明するための図面である。

【図７】 実施例および比較例に用いた超硬製円筒を説
明するための図面である。

【図８】 ビッカース硬度計による計測結果を示す図面
である。

【図９】 弾性接触解析の結果を示す図面である。

【符号の説明】

１…表面強化加工用工具 ２…凸部 ３…回転軸 ３…支軸 １０…被加工物 １１…被加工面 １５…被加工物 ２０…円筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千葉 啓貴 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 保田 芳輝 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3C058 AA09 AA12 AC01 CB01 CB07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全体が回転体であり、該回転体の表面が
   軸方向断面において、先端が第１の曲率半径をもつ複数
   の凸部からなり、前記複数の凸部先端を結んだ線が第２
   の曲率半径による中高状となることを特徴とする表面強
   化加工用工具。
2. 【請求項２】 前記第１の曲率半径は、前記第２の曲率
   半径以下であることを特徴とする請求項１記載の表面強
   化加工用工具。
3. 【請求項３】 前記複数の凸部は、一定間隔で設けられ
   ていることを特徴とする請求項１または２記載の表面強
   化加工用工具。
4. 【請求項４】 前記凸部は、被加工面の法線方向に対し
   て所定の角度を有することを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか一つに記載の表面強化加工用工具。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一つに記載の表
   面強化加工用工具を、被加工物の表面に転がり接触させ
   ることを特徴とする表面強化方法。
6. 【請求項６】 前記表面強化加工用工具を転がり方向と
   直交する方向に移動させながら、前記被加工物の表面全
   体を転がり接触させることを特徴とする請求項５記載の
   表面強化方法。