JP2004278666A - ボールスタッド及びそのボールスタッドを使用したボールジョイント並びにボールスタッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタッド軸の強度が高く高精度の球面を有するボール備えたボールスタッドおよびその製造方法並びにそのボールスタッドを組み込んだボールジョイントを提供する。
【解決手段】低炭素鋼または中炭素鋼を母材として表面から０．１から０．８ｍｍの深さに浸炭されたボールと、８．８から１０．９のねじ強度および０．４９から０．６８重量％の炭素当量を有したスタッド軸とを備え、前記ボールとスタッド軸とが電気抵抗溶接によって接合されていることを特徴とするボールスタッド。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールスタッドおよびそのボールスタッドを使用したボールジョイント並びにボールスタッドの製造方法に関し、ボールスタッドとそのボールスタッドを使用したボールジョイント並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、特開昭５４−２７６５８号公報に開示されているボールスタッドを示している。このボールスタッドは、丸棒に対して鍛造と切削加工を行うことによりスタッド軸とボール部を成形していた。近年、スタッド軸のねじ強度を高くしたボールスタッドが求められているが、スタッド軸とボールとが１本の棒材から加工されているので、スタッド軸のねじ強度を高くすると、必然的にボール部の硬さも硬くなり切削加工が困難になる。また切削工具の寿命も短く生産性が低下している。
【０００３】
このため、従来ではスタッド軸とボールを別々に製造した後、溶接により一体化することがなされている。この場合において、耐熱処理硬球を特殊熱処理したボールを使用するものである。
【０００４】
しかしながら、熱処理を２回行うのは、コストアップ要因となり易かった。また、ボールジョイントは、相手部品との関係で揺動運動角を大きくしなければならない場合がある。この場合には、ボールを保持するボールシートの開口部を大きくすることも考えられるが、ボールの保持力が低下して、ボールシートからボールが抜け易くなる問題があった。また、スタッド軸のボール側にテーパ加工を行い揺動角を大きくすることもある。この場合は、スタッド軸のボール側を、切削加工してテーパ部を成形するが、揺動角を大きくするために、棒材の径を小さくすると切削量が多くなり、歩留まりや生産性が悪くなる原因となっていた。更に、スタッド軸にフランジを設ける場合は、ボール部分を鍛造により製造した後に、更に鍛造によりフランジ部を形成するが、大きいフランジを鍛造成形するとボールが変形する問題が発生していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、スタッド軸の強度が高く、かつ高精度の球面を有するボールを備えたボールスタッドおよびその製造方法並びにボールスタットを組み込んだボールジョイントを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、低炭素鋼または中炭素鋼を母材として表面から０．１から０．８ｍｍの深さに浸炭されたボールと、８．８から１０．９のねじ強度および０．４９から０．６８重量％の炭素当量を有したスタッド軸とを備え、前記ボールとスタッド軸とが電気抵抗溶接によって接合されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のボールスタッドにおいて、通電加熱による焼き戻しが行われることによりボール表面における接合部付近の硬さがボールの母材硬さ〜Ｈｖ４３０の範囲として、靭性を付与すると共に切削工具により容易にばりを除去できるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のボールスタッドにおいて、前記スタッド軸はテーパ部がボール側に形成して揺動角が大きく取れ、ボールの変形なしにダストカバー系止用のフランジがねじ部側に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、ハウジング内に設けられたボールシートにボールが支承されるボールジョイントに、請求項１乃至３のいずれかに記載のボールスタッドを用いることによりスタッド軸の強度を高くしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のボールジョイントを、車両懸架用スタビライザに使用することにより、ねじ強度を高めたことを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、低炭素鋼または中炭素鋼を母材とし表面から０．１から０．８ｍｍの深さに浸炭されたボールと、８．８から１０．９のねじ強度および０．４９から０．６８％の炭素当量を有したスタッド軸とを当接させた状態で電気抵抗溶接により接合し、その後、通電加熱により焼き戻しを行うことで、スタッド軸およびスタッド軸とボールの接合部の強度が高く、かつボールの真球度を良好にしたことを特徴とするボールスタッドの製造方法である。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項６記載のボールスタッドの製造方法において、予めテーパ部がボール側に形成され、フランジがねじ部側に形成されたスタッド軸を用いることにより、揺動角を大きくとれるボールスタッドをボールの変形なしに製造できることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明が適用されたボールスタッドおよびそのボールスタッドを使用したボールジョイント並びにボールスタッドの製造方法の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１および図２は、本発明の第１実施形態のボールスタッドを示す。
【００１５】
図１は、第１実施形態のボールスタッドの平面図である。このボールスタッド１は、スタッド軸２とスタッド軸２に通電加熱溶接されたボール５とから構成される。スタッド軸２は、ボール５に溶接される側の脚部４と反対側のねじ部３とを一体的に有している。
【００１６】
スタッド軸２は、従来のスタッド軸よりねじ強度が高いＪＩＳ Ｂ １０５１（炭素鋼および合金鋼製締結用部品の機械的性質−第１部：ボルト、ねじおよび植え込みぼると）で規定されている強度区分中の８．８から１０．９のねじ強度を有している。炭素当量とは、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算したもので、ＪＩＳ Ｇ ０２０３（鉄鋼用語）に下記式で規定されるものである。
炭素当量％＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
【００１７】
ボール５は、低炭素鋼または中炭素鋼を母材として表面から０．１から０．８ｍｍの深さに浸炭されている。本発明中の低炭素鋼とは、重量％で０．０３５から０．３の炭素および珪素、マンガン、燐、硫黄の中から選ばれる少なくとも１種類の化学成分を含有するものである。そして、脚部４とねじ部３は、電気抵抗溶接により溶接部６で接合されている。
【００１８】
図２は、第１実施形態の変形例のボールスタッドを示す。図２において、脚部４はボール５に通電加熱溶接により溶接部６で接合されている。脚部４は、ねじ部３からボール５方向に断面の直径が次第に小さくなるテーパ部７が形成されており、テーパ部７の端面でボール５と溶接される。テーパ部７におけるボール５側の端面は、面積が小さくなっているので、電気抵抗溶接により溶接部６にバリが生じたり、変形が起こり易い。このようなバリまたは変形部は、切削加工により除去し、規定寸法になるように調整される。
【００１９】
ボール５は、真球度を向上するために、表面に浸炭している。そのため、電気抵抗溶接した状態では、接合部の表面固さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で８００程度と硬く切削加工が困難である。また、溶接後に大気により冷却され焼が入りもろくなることもある。そこで、溶接部６を通電加熱により６００〜６５０℃に加熱して通電焼き戻しをすることにより、溶接部６の硬さをＨｖ４３０以下に下げる。これにより、切削加工の寿命を大幅に延ばすことができると共に、靭性を付与することができる。なお、硬さの下限は、熱処理前でかつ浸炭されていないボールの硬さである。
【００２０】
図３は、第２実施形態のボールスタッドを示す。図３に示すボールスタッド１には、ねじ部３とテーパ部７の間に半径方向外向きのフランジ８が一体的に設けられている。その他の構成は、図２に示す形態と同様である。
【００２１】
図４〜図６は、本発明第３実施形態を示し、図４は、ボールスタッドをボールジョイント１０に適用した例である。ボールスタッド１のボール５は、合成樹脂からなり有底筒状をなすボールシート１１の内部に回動自在かつ抜け止めされて受容されている。ボールシート１１の下部には突起部１３が形成され、熱カシメによりハウジング１２に固定されている。ハウジング１２は、板金をプレス加工して有底筒状に成形されている。ハウジング１２の側面には、ロッド１４が溶接等により固定されている。ゴム製のダストカバー１７は、その一端がフランジ８に係合されており、これによりダストカバー１７がねじ部３方向にずれるのを防いでいる。ダストカバー１７の他端には、ボールシート１１の開口端に形成されたフランジ１５およびハウジング１２の開口端に半径方向外向きに曲げられたフランジ１６の間に挿入されることにより、固定されている。
【００２２】
このようなボールジョイント１０は、例えば図５に示す自動車のサスペンション機構２０に使用される。スタビライザ２１は、中空または中実の金属製棒材からなり、車体（図示せず）の幅方向に延びるトーション部２２と、トーション部２２の両端に連なる左右一対のアーム２３を有している。トーション部２２はゴムブッシュ２４等により車体側に回動自在に支持されている。アーム２３の端部２３ａは、ボールジョイント組立体２５を介してサスペンションアーム２６に取付けられている。
【００２３】
図６は、ボールジョイント組立体２５の拡大図である。ボールジョイント組立体２５は、ロッド２８の両端部に取付けられた第１のボールジョイント２９および第２のボールジョイント３０からなる。第１のボールジョイント２９のねじ部３１は、スタビライザのアーム２３の端部２３ａに形成された孔（図示せず）に挿通されナット（図示せず）により固定される。第２のボールジョイント３０のねじ部３２は、サスペンションアーム２６の部材２６ａに設けられた孔３３を貫通し、ナット（図示せず）により部材２６ａに固定されている。第１のボールジョイント２９および第２のボールジョイント３０には、自動車がローリングする際に大きな荷重が負荷されるが、強度の高いボールスタッドを使用しているので、破断や変形することがない。また、ボール５は、ボールスタッドとは別に製造するので、切削加工を行う必要がなく、切削工具の寿命が短くなる欠点も解消される。
【００２４】
次に、ボールスタッドの製造方法を図７および図８により説明する。図７に示すようにボールスタッドは、線材切断、ねじ部加工、必要に応じてフランジがプレスにより成形される。ボールは、線材を所定長さに切断後、プレス成形、ばり取り、研磨、熱処理、浸炭および研磨工程により製造される。別々に製造されたスタッド軸とボールは、通電加熱手段により溶接および焼き戻し、溶接部のばり取りが行われる。
【００２５】
図８に示される通電加熱装置４０は、スタッド軸２とボール５の電気抵抗溶接および焼き戻しを行うための加熱装置を兼ねている。予め、ねじ部３およびフランジ８が形成されたスタッド軸２を一方の電極４１と接触させる。電極４１には、有底円筒状の保持穴４２が形成されており、保持穴４２の内周面には、ねじ部３と電極４１の間で放電するのを防ぐために絶縁材４３が設けられている。また、ねじ部３の自由側の端面と保持穴４２とは、直接接触しないように空間が設けられている。
【００２６】
他方の電極４４の表面には、ボール５を保持するための凹部４５が形成されている。ボール５を凹部４５に設置し、ボール５と脚部４の端面とを接触加圧した状態で通電すると、接触抵抗により脚部４の端面とボール５の接触部４６が加熱溶融して溶接される。溶接時に炭素当量０．２％以上の鋼材は抵抗溶接による加熱およびその後の大気による冷却により焼きが入り、焼き割れや溶接部がもろくなる欠点が生じる。そこで溶接部を通電加熱して焼き戻しを行い焼き割れを防ぐと共に靭性を向上させる。また、溶接部にはばりが発生するので、図示しない切削加工等によりばりを除去する。
【００２７】
【実施例】
上記の方法により下記の条件でボールスタッドを製造し、その性能を測定した。その結果を下記する。
【００２８】
ボールの直径は、Φ１６ｍｍでボールスタッド軸は、溶接部の断面の直径がΦ１０ｍｍである。フランジの外径はΦ２０ｍｍで厚さは３ｍｍである。溶接のために９．４ｋＡの電力で０．４秒間通電した。その後、焼き戻しのために、５．８ｋＡの電力で０．５秒間通電した。このとき、溶接部近傍では、６００〜６５０℃に加熱される。抵抗溶接および通電焼き戻しは、電極の上下から３．９２ｋＮの力で加圧しながら行った。
【００２９】
このようにして製造したボールスタッドを図９に示す引張り試験機で引張り試験を行った。引張り試験機５０は、ボールスタッドのフランジ８を系止する系止部５２が設けられた第１のダイ５１とボール５を系止する系止部５３が設けられた第２のダイ５４および第１のダイおよび第２のダイを離間する方向に力を加える駆動部（図示せず）等からなる。引張り試験機５０により引張り試験を行った結果を表１に示す。
【表１】

【００３０】
表１には、スタッド軸の炭素当量、ボールの材質、ボール表面からの浸炭深さ、真球度、引張り強度および引張り強度の判定結果を示す。表１の真球度欄における「○」は、ボールジョイントの使用に支障が生じないものを示し、「×」は適さないものを示す。ボール表面の浸炭深さが０．１ｍｍ未満になると、ボールの加工中に変形部が生じて真球度が低下し、ボールジョイントに使用できない。
【００３１】
表中のスタッド軸は、要求品質を満たす８．８から１０．９のねじ強度を有している。またＮｏ．１０とＮｏ．１１の比較からボールの浸炭深さが同じ０．８ｍｍであってもスタッド軸の炭素当量が０．６８％であるＮｏ．１０の引張り強度が５８９Ｎ／ｍｍ^２であるのに対して、炭素当量が０．８６％である１１の引張り強度が４１２Ｎ／ｍｍ^２に低下している。このことから、引張り強度は、スタッド軸の炭素当量とボール表面の浸炭深さの両者が関係していることが分かる。
【００３２】
図１０は、表１のＮｏ．８のボールスタッドを示す。そして、スタッド軸２とボール５の溶接部近傍の表面硬さを硬さ測定位置５６に示す線に沿って測定した。結果を図１１に示す。電気抵抗溶接および通電加熱焼き戻しの影響を受けない溶接位置から５ｍｍ離れたボール表面の硬さがＨｖ８００を超えているのに対して、溶接部から１ｍｍ離れた場所の表面硬さは、通電過熱焼き戻しによりＨｖ４３０まで低下しているので、焼き割れを起こすことはない。また、溶接時に発生するばりもほぼ同じ硬さに低下しているので、切削工具によりばりを切削しても、切削工具の耐久性が損なわれることがない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、引張り強度が高く高精度の球面を有するボールを備えたボールスタッドを安価に提供することができる。また、スタッド軸を細くできるので、ボールの保持力を低下させることなく、ボールジョイントの揺動角を大きくすることができる。
【００３４】
また、スタッド軸にフランジを有するボールスタッドをボールが変形することなく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のボールスタッドの平面図。
【図２】本発明の第１実施形態のボールスタッドの変形例を示す平面図。
【図３】本発明の第２実施形態のボールスタッドの平面図。
【図４】本発明の第３実施形態のボールジョイントの部分断面図。
【図５】図４のボールジョイントが使用された自動車のサスペンション斜視図。
【図６】図５のボールジョイントの拡大断面図。
【図７】本発明のボールスタッドの製造方法の第１実施形態を示すフローチャート。
【図８】本発明のスタッドとボールの抵抗加熱溶接および焼き戻し機の部分断面図。
【図９】図８に示すボールスタッドの引張り試験を説明する部分断面図。
【図１０】本発明のボールスタッドの硬度測定位置を説明する平面図。
【図１１】図１０の硬度分布を示す図。
【図１２】従来のボールスタッドの切削加工を説明する平面図。
【符号の説明】
１ ボールスタッド
２ スタッド軸
３ ねじ部
４ 脚部
５ ボール
６ 溶接部
７ テーパ部
８ フランジ
１０ ボールジョイント
１４ ロッド
２０ サスペンション機構
２１ スタビライザ
２２ トーション部
２３ アーム
２５ ボールジョイント組立体
２６ サスペンションアーム
２８ ロッド
２９ 第１のボールジョイント
３０ 第２のボールジョイント
３１，３２ ねじ部
４０ 通電加熱装置
４１ 第１の電極
４２ 穴
４３ 絶縁材
４４ 第２の電極
４５ 凹部
５０ 引張り試験機

Claims (7)

1. 低炭素鋼または中炭素鋼を母材として表面から０．１から０．８ｍｍの深さに浸炭されたボールと、８．８から１０．９のねじ強度および０．４９から０．６８重量％の炭素当量を有したスタッド軸とを備え、前記ボールとスタッド軸とが電気抵抗溶接によって接合されていることを特徴とするボールスタッド。
2. 通電加熱による焼き戻しが行われることによりボール表面における接合部付近の硬さがボールの母材硬さ〜Ｈｖ４３０の範囲となっていることを特徴とする請求項１記載のボールスタッド。
3. 前記スタッド軸はテーパ部がボール側に形成され、フランジ部がねじ部側に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のボールスタッド。
4. ハウジング内に設けられたボールシートにボールが支承されるボールジョイントであって、請求項１乃至３のいずれかに記載のボールスタッドが用いられていることを特徴とするボールジョイント。
5. 車両懸架用スタビライザとして使用されることを特徴とする請求項４記載のボールジョイント。
6. 低炭素鋼または中炭素鋼を母材とし表面から０．１から０．８ｍｍの深さに浸炭されたボールと、８．８から１０．９のねじ強度および０．４９から０．６８％の炭素当量を有したスタッド軸とを当接させた状態で電気抵抗溶接して接合し、その後、通電加熱を行って焼き戻しを行うことを特徴とするボールスタッドの製造方法。
7. テーパ部がボール側に形成され、フランジ部がねじ部側に形成されたスタッド軸を用いることを特徴とする請求項６記載のボールスタッドの製造方法。

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