JP2010253667A - 疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションピーニングを利用して、オイル穴などの横穴を有するシャフト
の横穴壁面の残留圧縮応力を増加させ、疲労強度、特に捻り疲労強度を向上したシャフト
の製造方法を提供する。
【解決手段】シャフトの軸方向に平行に設けられた軸穴および、該シャフトの側面から前
記軸穴に貫通する横穴を有するシャフトの製造方法であって、前記横穴の前記軸穴の側の
開口を塞いだのち、該横穴に対して前記側面の側から、高圧水の周囲に低圧水を配した、
ジェット水流を噴射し、前記横穴を区画する壁面にキャビテーションピーニングによる残
留圧縮応力を付与する。
【選択図】図３

Description

本発明は、穴付きシャフト、すなわちシャフトの軸上および側面に、例えばオイルを通すための穴を有するシャフトについて、その疲労強度を向上させる技術に関するものである。

機械構造用部品、特に自動車のトランスミッションシャフトやクランクシャフトなどは、部品形状に加工した後に、高周波焼入れ−焼戻しを行うことにより、機械構造用部品としての特性を付与させるものがある。このようなシャフトには、その側面にオイル穴と呼ばれる、シャフト内に供給されたオイルをシャフト外側に噴出するための横穴が設けられているのが一般的である。また、このオイルを噴出するオイル穴は、シャフトの軸心付近に軸と平行に開けられた軸穴に繋がっており、この軸穴を介してオイルの供給が行われる。

ところが、オイル穴を区画する壁面（以下、オイル穴壁面という）の周囲は、その隣接部分と比較して、応力が集中しやすいことから、ここから疲労亀裂が発生しシャフトの破断に至ることが少なくない。一般的に、オイル穴壁面からの破断は、オイル穴の出口側付近から発生する。これはシャフトの中心軸から離れるほど負荷応力が増大するためである。しかし、オイル穴壁面にある高周波焼入れ部分と母材（非焼入部分）との境目、すなわち焼き境から疲労亀裂が発生し破断する場合がある。この場合は、軟質な母材側が起点となるだけでなく、この付近で引張残留応力が発生しているため、疲労強度は、オイル穴入口側付近が起点となる場合に比較して、低下するのが一般的である。

このようなオイル穴壁面の入口側付近が起点となる亀裂による、疲労強度の低下を防止する対策として、特許文献１には、小さな硬球を横穴壁面に衝突させる、いわゆるショットピーニングにより、オイル穴壁面の残留圧縮応力を増加させる方法が記載されている。しかし、この方法では、硬球をオイル穴に向けて斜めに投射するため、オイル穴壁面に対して垂直に作用する力（残留圧縮応力を増加させるための力成分）が小さくて効率が悪く、また、クランクシャフトのように横穴の径が比較的大きな部品では、ショットピーニングは可能であるが、トランスミッションシャフトのようなオイル穴径が１〜２ｍｍ程度の小さな部品では、ショット粒がオイル穴に目詰まりし、ショットピーニング自体が困難になるため、内面の残留圧縮応力を増加させることも困難になる。

一方、近年、キャビテーションにおける気泡の圧潰衝撃力を利用して、機械部品の表面改質を行うことが試行され（例えば、特許文献２参照）、キャビテーションピーニングと呼ばれている。このキャビテーションピーニングは、高圧水を中心にその周囲に低圧水をもつジェット水流を、材料の表面に噴射することで行われる。しかし、側面にオイル穴を有するシャフトで、オイル穴の内面にある焼き境から亀裂が発生するような場合について、オイル穴の内面にどのようにキャビテーション気泡の圧潰衝撃力を付与させるかについては、考慮がなされておらず、オイル穴を有するシャフトにキャビテーションピーニングを適用して疲労強度を向上させるには、そのキャビテーションピーニングのやり方に改良の余地がある。

特許第２７６６４４８号公報 特開２００３−６２４９２号公報

本発明は、キャビテーションピーニングを利用して、オイル穴などの横穴を有するシャフトの横穴壁面の残留圧縮応力を増加させ、疲労強度、特に捻り疲労強度を向上したシャフトの製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、横穴壁面に高い残留圧縮応力を均一に分布させる方法について鋭意研究を行い、以下の解決手段を開発するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
（１）シャフトの軸方向に平行に設けられた軸穴および、該シャフトの側面から前記軸穴に貫通する横穴を有するシャフトの製造方法であって、
前記横穴の前記軸穴の側の開口を塞いだのち、該横穴に対して前記側面の側から、高圧水の周囲に低圧水を配した、ジェット水流を噴射し、前記横穴を区画する壁面にキャビテーションピーニングによる残留圧縮応力を付与することを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。

（２）前記（１）において、前記壁面の残留圧縮応力を付与する領域よりも前記軸穴の側を塞ぐ、ピンを前記横穴に挿入し、該横穴の前記軸穴の側の開口を塞ぐことを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。

（３）シャフトの軸方向に平行に設けられた片側開口の軸穴および、該シャフトの側面から前記軸穴に貫通する横穴を有するシャフトの製造方法であって、
前記軸穴の少なくとも開口部に栓を施したのち、前記横穴に対して前記側面の側から、高圧水の周囲に低圧水を配した、ジェット水流を噴射し、前記横穴を区画する壁面にキャビテーションピーニングによる残留圧縮応力を付与することを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。

（４）前記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記高圧水の圧力を10〜20MPaおよび前記低圧水の圧力を0.02〜0.06MPaとし、前記ジェット水流を噴射するノズルの先端から前記壁面の残留圧縮応力を付与する領域の中心位置までの距離を30〜40mmとすることを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。

本発明によれば、シャフトの横穴壁面に残留圧縮応力が適切に付与されるから、穴付きシャフトの疲労強度を格段に向上させることが可能となる。特に、横穴壁面に焼き境がある場合において、該焼き境を起点とした捻り疲労破壊が発生しにくく、高い疲労強度を有するシャフトの製造が可能となる。

本発明で製造されるシャフトの例を示す断面図である。 シャフトにキャビテーションピーニングを実施する要領を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るシャフトにキャビテーションピーニングを実施する要領を示す断面図である。 本発明の別の実施形態に係るシャフトにキャビテーションピーニングを実施する要領を示す断面図であり、（ａ）は概略図、（ｂ）は横穴部分の拡大図である。 本発明の別の実施形態に係るシャフトにキャビテーションピーニングを実施する要領を示す断面図である。 本発明の実施例のシャフトの形状を示す図である。 本発明の実施例のシャフトの横穴壁面に残留圧縮応力を付与する要領を示す図であり、（ａ）は発明例を、（ｂ）は別の発明例を、（ｃ）はさらに別の発明例を、（ｄ）は比較例を示す。

図１は、本発明が対象とするシャフトの例を示す断面図である。このシャフト１は、その側面から軸芯に向かって貫通する横穴２を有し、さらに軸方向に平行な軸穴３を有する。該横穴２は、シャフト１の外側面から軸穴３まで貫通している。かような穴付きシャフトにおいて、本発明は、横穴２を区画する横穴壁面２ａに残留圧縮応力を付与し、シャフトの疲労強度を向上するものである。

ここで、キャビテーションピーニングは、低圧水流の内側に高圧水流を発生させた場合にキャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、この気泡が崩壊するときに発生する衝撃力によって材料に残留圧縮応力を付与するものである。
上述のように、従来のショットピーニングでは、細径の穴内面にショットを当てることは困難であり、しかも、穴の開口部に対して斜め方向から噴射されるため、穴の内面に対して垂直方向から作用する力は小さく、残留圧縮応力の付与には効率的ではなかった。この点、キャビテーションピーニングでは、気泡が崩壊するときの衝撃力は四方八方に広がるため、有効に横穴壁面２ａに対して衝撃力を作用させることが可能となり、ここに残留圧縮応力を付与することが可能である。

よって、本発明では、横穴壁面２ａに対しキャビテーションピーニングを用いて残留圧縮応力を付与する。すなわち、図２に横穴壁面２ａに対しキャビテーションピーニングを行う要領を示すように、シャフト１の外側面に設けられた横穴２の開口部に対向配置したノズル１１よりジェット水流１０を噴射する。該ジェット水流１０は、低圧水流１０aを周囲に高圧水流１０ｂを中心に配置した水流となるように設定され、横穴２の開口中心に向けて噴射される。シャフト１の外面側から、このジェット水流１０を横穴２の中心に向けて噴射することにより、横穴壁面２ａにキャビテーションピーニングを行う。
ここで、ジェット水流１０における、低圧水流の圧力は0.02〜0.10MPaおよび高圧水流の圧力は10〜20MPaが好適である。
また、ノズル先端から残留圧縮応力を付与する領域の中心までの距離は、30〜40mmとすることが好適である。

このとき、横穴２の軸穴３側の開口を塞いで、ジェット水流１０の出側を塞ぐことが肝要である。図３は、横穴２の軸穴３側の開口を塞ぐ手法の一例を示す図である。すなわち、キャビテーションピーニングを行うにあたっては、横穴２の軸穴３側の開口を塞ぐために、図３の例では、軸穴３に棒状の栓１２を挿入し、横穴２の軸穴３側の開口部を栓１２の周面で塞いでいる。

このようにすることにより、ジェット水流噴射に伴うキャビテーションにより発生した気泡の逃げ場がなくなり、横穴内部に充満し崩壊する。従って、横穴壁面２ａには均一に残留圧縮応力を付与できる。

さらに、図４に示すように、横穴２を区画する壁面２ａの残留圧縮応力を付与したい領域１４よりも軸穴３の側を塞ぐように、円柱形のピン１５を横穴２に対して挿入して（図４（ｂ）参照）、キャビテーションピーニングを実施すると、キャビテーションピーニング気泡がピン１５の上面で跳ね返ることによる効果で、より高い残留圧縮応力を付与することができる。

また、横穴２の軸穴３側の開口を塞ぐことが困難な場合には、図５に示すように、シャフト端部の軸穴３の開口部３ａに栓１３をして、キャビテーションによる気泡の逃げ場をなくすようにしてもよい。このとき、図１に示すような、複数の横穴２が設けられているシャフトにキャビテーションピーニングを行う場合、キャビテーションピーニングを行っている状態にない穴２についてはシャフトの外側面の側から栓をしておくことが好ましい。これは、キャビテーションピーニングを行っている状態にない穴２からキャビテーションによる気泡が逃げてしまうことを防止するためである。また、全ての穴２について同時にキャビテーションピーニングを行うことにより、キャビテーション気泡の逃げ場をなくするようにしてもよい。

例えば、トランスミッションシャフトは、横穴がシャフト中心に設けられた軸穴（主穴）に繋がっている構造を有している。このような場合、図３に示すように、オイル穴の軸穴側より栓をするか、あるいは、図５に示すようにシャフト端部にある軸穴３の開口部３ａに栓１３をすることで、キャビテーションによる気泡を封じ込めることができる。
なお、オイル用の横穴が多数ある場合には、ノズルを多数配置することで、作業時間を短縮することが可能となる。

C：0.45mass％、Si：0.40mass％、Mn：0.80mass％、Al：0.024mass％、Mo：0.20％mass、Ti：0.022％mass、B：0.0019mass％、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼素材を用い、図６に示す形状のシャフト１を製造した。このシャフト１は、軸方向に平行な軸穴３（穴径10mmφ）を有し、さらに、シャフトの長手方向中央部に長さ90mmの平行部を有する。また平行部の長手方向中心部には外側面から軸穴３に繋がる穴２（穴径２mmφ）を有するものである。このシャフトを高周波移動焼入れで表面の最高加熱温度が950℃となる条件で焼入れ、170℃×30minの焼戻しを行った。焼入れ部の厚みは平均2.5mmであった。
得られたシャフトについて、以下に示す条件で横穴２に対する処理を行った。

［発明例１］
高周波焼入れ−焼戻し後のシャフトについて、図７（ａ）に示すように、軸穴３に棒状の栓１２を挿入し、横穴２の軸穴側開口を塞ぐ処理を行った。ついで、ノズル１１先端から横穴３入口までの距離を20mmとしてキャビテーションピーニングを行った。ノズル１１は、低圧水１０ｂを周囲に高圧水１０aを中心に持つ、ジェット水流を噴射するものであり、高圧水圧力は15MPa、低圧水圧力は0.04MPaとし、横穴２の開口中心にジェット水流の中心位置が合うように配置した。

［発明例２］
高周波焼入−焼戻し後のシャフトについて、図７（ｂ）に示すように、シャフトの一端部にある軸穴３の開口部３ａに対して栓１３をし、ノズル１１先端から横穴入口までの距離を20mmとしてキャビテーションピーニングを行った。ノズル１１は、低圧水１０ｂを周囲に高圧水１０aを中心に持つジェット水流を噴射するもので、高圧水圧力は15MPa、低圧水圧力は0.04MPaとし、横穴２の開口中心にジェット水流の中心位置が合うように配置した。

［発明例３］
高周波焼入れ−焼戻し後のシャフトについて、前記の［発明例１］と同様に軸穴３に棒状の栓１２を挿入し、ついで、ノズル１１先端から横穴２入口までの距離を33mm（ノズル１１先端から高周波焼入部の最も残留圧縮応力を高めたい位置（横穴入口から２mmの深さ）まで35mm）としてキャビテーションピーニングを行った。ノズル１１は、低圧水１０ｂを周囲に高圧水１０aを中心に持つ、ジェット水流を噴射するものであり、高圧水圧力は15MPa、低圧水圧力は0.04MPaとし、横穴２の開口中心にジェット水流の中心位置が合うように配置した。

［発明例４］
高周波焼入れ−焼戻し後のシャフトについて、図７（ｃ）に示すように、軸穴３に棒状の栓１２を挿入し、横穴２の軸穴側の開口を塞ぐ処理を行った。さらに、横穴２に対し、残留圧縮応力を付与したい領域よりも軸穴３の側を塞ぐように、ピン１５を挿入した。ついで、ノズル１１先端から横穴２入口までの距離を33mm（ノズル１１先端から高周波焼入部の最も残留圧縮応力を高めたい位置（横穴入口から２mmの深さ）まで35mm）としてキャビテーションピーニングを行った。ノズル１１は、低圧水１０ｂを周囲に高圧水１０aを中心に持つ、ジェット水流を噴射するものであり、高圧水圧力は15MPa、低圧水圧力は0.04MPaとし、横穴２の開口中心にジェット水流の中心位置が合うように配置した。

［比較例１］
高周波焼入れ−焼戻し後のシャフトについて、前記発明例１から４で行った栓をすることなく、ノズル１１先端から横穴入口までの距離を20mmとしてキャビテーションピーニングを行った。ノズル１１は、低圧水を周囲に高圧水を中心に持つジェット水流を噴射するものとし、高圧水圧力は15MPa、低圧水圧力は0.04MPaとし、横穴２の開口中心にジェット水流の中心位置が合うように配置した。

［比較例２］
高周波焼入れ−焼戻し後のシャフトについて、図７（ｄ）に示すように、径が0.5ｍｍの硬球２１を、横穴壁面２ａに対して斜めから噴射し、ショットピーニングを行った。このとき、硬球２１の噴射ノズル２０の噴射方向を、横穴２の開口中心軸に対して20°の方向となるように調整し、0.5MPaの噴射圧力で噴射した。また、横穴壁面２ａ全体に硬球が衝突するように、シャフトを図中矢印に示したように少しずつ回転させてショットピーニングを行った。

以上の処理を施したシャフトをそれぞれ複数個用意し、これらのシャフトを用いて捻り疲労試験を行い、Ｓ−Ｎ曲線から１×10⁵回捻り疲労強度を調査した。また、高周波焼入れ−焼戻しままのシャフトについても複数個用意し、同様に疲労強度を調査した。

この結果、発明例１のシャフトは930Nm、発明例２のシャフトは890Nm、発明例３のシャフトは960Nm、発明例４のシャフトは1010Nm、比較例１のシャフトは780Nm、比較例２のシャフトは835Nm、高周波焼入れ−焼戻しままのシャフトは780Nmの疲労強度であった。
以上のことから、本発明のキャビテーションピーニング法により、シャフト側面に設けた横穴周囲の強化を有効に図ることが可能であることがわかる。

１ シャフト
２ 横穴
２ａ 横穴壁面
３ 軸穴
１０ ジェット水流
１０ａ 低圧水
１０ｂ 高圧水
１１ ノズル
１２ 棒状の栓
１３ 栓
１４ 残留圧縮応力を付与したい領域
１５ ピン
２０ 硬球噴射ノズル
２１ 硬球

Claims (4)

1. シャフトの軸方向に平行に設けられた軸穴および、該シャフトの側面から前記軸穴に貫通する横穴を有するシャフトの製造方法であって、
   前記横穴の前記軸穴の側の開口を塞いだのち、該横穴に対して前記側面の側から、高圧水の周囲に低圧水を配した、ジェット水流を噴射し、前記横穴を区画する壁面にキャビテーションピーニングによる残留圧縮応力を付与することを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。
2. 請求項１において、前記壁面の残留圧縮応力を付与する領域よりも前記軸穴の側を塞ぐ、ピンを前記横穴に挿入し、該横穴の前記軸穴の側の開口を塞ぐことを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。
3. シャフトの軸方向に平行に設けられた片側開口の軸穴および、該シャフトの側面から前記軸穴に貫通する横穴を有するシャフトの製造方法であって、
   前記軸穴の少なくとも開口部に栓を施したのち、前記横穴に対して前記側面の側から、高圧水の周囲に低圧水を配した、ジェット水流を噴射し、前記横穴を区画する壁面にキャビテーションピーニングによる残留圧縮応力を付与することを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記高圧水の圧力を10〜20MPaおよび前記低圧水の圧力を0.02〜0.06MPaとし、前記ジェット水流を噴射するノズルの先端から前記壁面の残留圧縮応力を付与する領域の中心位置までの距離を30〜40mmとすることを特徴とするねじり疲労特性に優れた穴付きシャフトの製造方法。

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