JP2010255742A - コイルばねの製造方法、及び、コイルばね - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な疲労強度を有するコイルばねを効率よく製造することができるコイルばねの製造方法を提供する。
【解決手段】 コイルばね素線のうち、使用時における応力振幅が基準値より大きい部位に、他の部位よりも大きい表面圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を有することを特徴とするコイルばねの製造方法。この製造方法によれば、使用時における応力振幅が小さい部位に過度にショットピーニング処理をすることが無いので、ショット材の無駄を防止することができる。また、使用時における応力振幅が大きい部位に局所的にショットピーニング処理を行うので、短時間でショットピーニング処理を実施することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、コイルばねの製造方法に関する。

例えば特許文献１に示すように、コイルばねの疲労強度を向上させるために、コイルばね素線にショットピーニング処理を施す技術が知られている。ショットピーニング処理は、ショット材（鉄球等）をコイルばね素線に向けて投射し、ショット材をコイルばね素線の表面に衝突させることによって行われる。これによって、コイルばね素線の表面に圧縮残留応力を生じさせ、疲労強度を向上させる。

特開２００１−８２５１８号

コイルばね素線は、線材をコイル状に巻回した巻線形状であり、その線間には隙間が形成されている。このため、コイルばね素線の表面全体に対して一度にショットピーニング処理を実施すると、投射されたショット材の多くがコイルばね素線に衝突することなく隙間を通過してしまい、ショット材の多くが無駄となるという問題が生じる。
一方、局所的にショット材を噴射するノズルを備えたショットピーニング装置によって、コイルばね素線の表面に衝突する範囲のみに局所的にショット材を噴射してショットピーニング処理を行うことも考えられる。しかしながら、この場合には、コイルばね素線の表面全体にショットピーニング処理を施そうとすると、ショットピーニング処理に多大な時間を要するという問題が生じる。

本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、十分な疲労強度を有するコイルばねを効率よく製造することができるコイルばねの製造方法を提供することを目的とする。

コイルばねは、使用時における応力の変動（以下では、応力振幅という）が大きいほど早く疲労して強度が低下する。したがって、コイルばねは、使用時における応力振幅が大きいほど高い疲労強度が必要とされる。逆に言えば、使用時における応力振幅が小さい場合にはそれほど高い疲労強度は必要とされない。本発明者は、１つのコイルばねの中に、使用時における応力振幅が大きい部位と使用時における応力振幅が小さい部位が存在することに着目した。本発明は、この着目点に基づいてなされたものであり、以下の構成を備える。
すなわち、本発明のコイルばねの製造方法は、コイルばね素線のうち、使用時における応力振幅が基準値より大きい部位に、他の部位よりも大きい表面圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を有することを特徴とする。
この製造方法によれば、使用時における応力振幅が小さい部位（高い疲労強度が必要とされない部位）に過度にショットピーニング処理をすることが無いので、ショット材の無駄を防止することができる。また、使用時における応力振幅が大きい部位（すなわち、高い疲労強度が必要とされる部位）に局所的にショットピーニング処理を行うので、短時間でショットピーニング処理を実施することができる。
なお、局所的にショットピーニング処理を行う部位は、コイルばねに要求される疲労強度に応じて決めることができる。

上述したコイルばねの製造方法は、ショットピーニング工程を実際の使用状態に近い条件でコイルばね素線に圧縮荷重を加えた状態で実施することが好ましい。
このように圧縮荷重を加えた状態でショットピーニング処理を行うことで、疲労強度をより向上させることができる。

上述したコイルばねの製造方法は、ショットピーニング工程が、全体ショットピーニング工程と部分ショットピーニング工程を有していることが好ましい。全体ショットピーニング工程では、コイルばね素線の全体にショットピーニング処理を施す。部分ショットピーニング工程では、コイルばね素線のうちの使用時における応力振幅が基準値より大きい部位に部分的にショットピーニング処理を施す。
この製造方法によれば、全体ショットピーニング工程によって、コイルばね素線の全体の疲労強度を上昇させることができる。また、部分ショットピーニング工程によって、使用時における応力振幅が大きい部位の疲労強度をさらに上昇させることができる。したがって、その全体が必要な疲労強度を有しているコイルばねを製造することができる。

また、本発明は、効率よく製造することができるコイルばねを提供する。このコイルばねは、使用時における応力振幅が基準値より高い部位に、他の部位よりも大きい表面圧縮残留応力が付与されている。
このコイルばねは、各部位の疲労強度が確保されているとともに、高い製造効率で製造することが可能である。

コイルばね１０の側面図。 使用時にコイルばね１０の各部位に生じる応力と応力振幅を示すグラフ。

以下に説明する実施例の特徴を列記する。
（特徴１）部分ショットピーニング工程に用いるショット材が、全体ショットピーニング工程に用いるショット材より小さい。
（特徴２）全体ショットピーニング工程では、２回のショットピーニング処理を行う。２回目のショットピーニング処理に用いるショット材は、１回目のショットピーニング処理に用いるショット材より小さい。すなわち、１回目のショットピーニング処理、２回目のショットピーニング処理、部分ショットピーニング工程の順に、用いるショット材が小さくなる。

実施例に係るコイルばねについて説明する。図１は、コイルばね１０の側面図を示している。コイルばね１０は、自動車の車体懸架用の圧縮コイルばねである。一般に、自動車の車輪側からコイルばねに作用する荷重の方向は、コイルばねのコイル軸とは完全に一致しない。このため、コイルばねには、コイル軸方向の圧縮荷重のみならず、コイル軸を曲げる方向にモーメントが作用する。図１のコイルばね１０は、使用時に作用するモーメントを打ち消すために、コイル軸１２が湾曲しているとともに、線材の巻き直径が部位によって異なっている。

図２は、使用時においてコイルばね１０の各部に作用する主応力の分布を示すグラフである。図２の横軸はコイルばね１０の巻線方向における位置（コイルばね１０の一方の端部からの巻線方向における巻数）を示しており、縦軸は各位置で生じる主応力を示している。図２のグラフＦＢは、想定される最大荷重がコイルばね１０に加わっているときの各部の主応力分布を示しており、グラフＦＲＢは、想定される最小荷重がコイルばね１０に加わっているときの主応力分布を示している。グラフＷは、グラフＦＢの値とグラフＦＲＢの値の差分値の１／２の値を示しており、この値はコイルばね１０の各部に生じる主応力の変動（すなわち、応力振幅）の大きさを示している。図２に示すように、部位Ａ及び部位Ｂでは、応力振幅が３００ＭＰａを超えており、この２つの部位では他の部位に比べて応力振幅が大きくなることが分かる。

次に、コイルばね１０の製造方法について説明する。なお、本実施例の製造方法はショットピーニング工程に特徴を有しているので、その他の工程については簡略化して説明する。まず、線材を冷間で曲げ加工することによりコイル状に成形し、次に、コイル状に成形した線材を熱処理（焼鈍）する。熱処理条件のばらつきによって、熱処理後のコイルばねの形状にもばらつきが生じる。

次に、三次元形状測定器によってコイル状に成形した線材（以下、コイルばね素線という）の三次元形状を測定する。三次元形状測定には、光切断法等を用いることができる。次に、測定したコイルばね素線の三次元形状に基づくシミュレーションによって、そのコイルばね素線に対して最大圧縮荷重と最小圧縮荷重をそれぞれ加えたときにコイルばね素線の各部位に生じる応力を算出し、その両者の差から応力振幅を算出する。例えば、図２のグラフＷに示すように、応力振幅の分布が算出される。
応力振幅の分布を算出したら、応力振幅が基準値以上となる部位を特定する。本実施例では、応力振幅が３００ＭＰａ以上となる部位を特定する。基準値は、後述する全体ショットピーニング工程後のコイルばね素線の疲労強度に基づいて決定することができる。例えば、全体ショットピーニング工程後のコイルばね素線がσ_ｗの応力振幅にｎ万回耐えられる疲労強度を有するのであれば、応力振幅がσ_ｗ以上となる部位を特定することができる。例えば、図２のグラフＷの例では、部位Ａ及びＢが特定される。

次に、コイルばね素線全体に対してショットピーニング処理を実施する（全体ショットピーニング工程）。全体ショットピーニング工程では、ショット材の投射範囲がコイルばね素線の全長（コイル軸の全長）より長い装置を用い、コイルばね素線を回転させながらコイルばね素線の全体にショット材を衝突させる。ここでは、コイルばね素線の全体が３００ＭＰａの応力振幅に耐える疲労強度（すなわち、３００ＭＰａの応力振幅を有する所定回数の応力変動に耐える疲労強度）となるように、ショットピーニング処理を実施して圧縮残留応力を付与する。本実施例では、全体ショットピーニング工程において２回のショットピーニング処理を行う。１回目のショットピーニング処理では、インペラー式のショットピーニング装置を用いて、直径が約０．９ｍｍのショット材を投射する。１回目のショットピーニング処理は、カバレージが１００％、投射速度が７０〜８０ｍ／ｓ、アークハイトが約０．４８ｍｍＡの条件で行う。２回目のショットピーニング処理では、インペラー式のショットピーニング装置を用いて、直径が約０．７ｍｍのショット材を投射する。２回目のショットピーニング処理は、カバレージが１００％、投射速度が７０〜８０ｍ／ｓ、アークハイトが約０．３２ｍｍＡの条件で行う。全体ショットピーニング工程を実施することで、シミュレーションで特定した部位を除く部位の疲労強度が、実用上の耐久性を有する強度となる。例えば、図２の例では、部位Ａと部位Ｂ以外の部位の疲労強度が、実用上の耐久性を有する強度となる。

全体ショットピーニング工程が終了したら、コイルばね素線の一部に対して部分的にショットピーニング処理を実施する（部分ショットピーニング工程）。部分ショットピーニング工程では、ノズルから圧縮空気とともにショット材を噴射するショットピーニング装置（ショット材の噴射範囲がコイルばね素線の線径と同程度以上である装置）を用い、シミュレーションで特定した部位にショット材を衝突させる。具体的には、ショットピーニング装置のノズルをロボットのアームに把持し、ロボットによってノズルを移動させることによって、特定した部位にショット材を衝突させる。本実施例では、部分ショットピーニング工程は、コイルばね素線に圧縮荷重を加えた状態で実施する。但し、他の実施例では、コイルばね素線に圧縮荷重を加えないで実施することもできる。ここでは、シミュレーションで算出された最大の応力振幅に耐える疲労強度となるように、特定した部位に対してショットピーニング処理を実施する。本実施例では、部分ショットピーニング工程において、エアー式のショットピーニング装置を用いて、直径が約０．３ｍｍのショット材を噴射する。部分ショットピーニング工程は、カバレージが２００％、噴射圧力が約０．４５ＭＰａ、アークハイトが約０．２ｍｍＡの条件で行う。部分ショットピーニング工程を実施することで、シミュレーションで特定した部位に大きい表面圧縮残留応力が付与される。これによって、特定した部位の疲労強度が、実用上の耐久性を有する強度となる。
例えば、図２の例では、部位Ａ及び部位Ｂに対して部分的にショットピーニング処理を行う。これによって、部位Ａ及び部位Ｂの疲労強度を、３２０ＭＰａの応力振幅（図２における応力振幅の最大値）に耐える疲労強度まで上昇させる。これによって、部位Ａと部位Ｂの疲労強度が、実用上の耐久性を有する強度となる。
部分ショットピーニング工程を実施することで、コイルばね１０が完成する。

以上に説明したように、この製造方法によれば、使用時における応力振幅が高い部位（図２の例では部位Ａ及びＢ）に、他の部位よりも大きい表面圧縮残留応力が付与されているコイルばね１０が製造される。したがって、製造されたコイルばね１０の全ての部位が、必要な疲労強度を有している。
また、このコイルばねの製造方法では、使用時における応力振幅が低い部位に必要な疲労強度が十分となるまで全体ショットピーニング工程を実施し、その後、使用時における応力振幅が高い部位に対して部分ショットピーニング工程を実施する。したがって、全体ショットピーニング工程のみを実施する場合（すなわち、使用時における応力振幅が大きい部位の疲労強度に合わせて全体の疲労強度を上昇させる場合）に比べて、ショット材の無駄が少なくなる。また、部分ショットピーニング工程を特定した部位に対してのみ実施するので、短時間でショットピーニング処理を終了させることができる。この製造方法によれば、高い製造効率で必要な疲労強度を有するコイルばね１０を製造することができる。

なお、コイルばね素線の三次元形状の測定、及び、応力振幅分布のシミュレーションは、製品毎に実施してもよいが、製造ロット毎に抜き取りで実施してもよい。これらを製造ロット毎に抜き取りで実施する場合には、そのロット内のコイルばね素線に対しては、抜き取りで行ったシミュレーション結果に基づいて部分ショットピーニング工程を実施することができる。同一ロットであると、熱処理条件が略同じであるため、形状のばらつきが少ないためである。
また、上述した実施例では、冷間成形ばねの例について説明したが、熱間成形ばねに本発明を適用することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：コイルばね
１２：コイル軸

Claims (4)

1. コイルばね素線のうち、使用時における応力振幅が基準値より大きい部位に、他の部位よりも大きい表面圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を有することを特徴とするコイルばねの製造方法。
2. ショットピーニング工程を、コイルばね素線に圧縮荷重を加えた状態で実施することを特徴とする請求項１に記載のコイルばねの製造方法。
3. ショットピーニング工程は、コイルばね素線の全体にショットピーニング処理を施す全体ショットピーニング工程と、コイルばね素線のうちの使用時における応力振幅が基準値大きい部位に部分的にショットピーニング処理を施す部分ショットピーニング工程を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルばねの製造方法。
4. 使用時における応力振幅が基準値より大きい部位に、他の部位よりも大きい表面圧縮残留応力が付与されていることを特徴とするコイルばね。

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