JP2011122674A - High fatigue strength bolt and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車および各種産業機械で用いられる高疲労強度ボルトおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a high fatigue strength bolt used in automobiles and various industrial machines and a method for manufacturing the same.
自動車および各種産業機械に用いられているボルトは、繰返し応力を受けるので疲労強度が重要な特性となっている。またボルトの高強度化においては遅れ破壊特性も求められる。 Since bolts used in automobiles and various industrial machines are subjected to repeated stress, fatigue strength is an important characteristic. In addition, delayed fracture characteristics are also required for increasing the strength of bolts.
疲労強度の向上に関する技術としては、一般的には、ボルトの化学成分や形状の調整や各種方法による圧縮残留応力の付与がある。
例えば、特許文献１には、非調質ボルトの疲労強度を化学成分の調整と組織制御によって向上させる技術が開示されている。
In general, techniques for improving fatigue strength include adjustment of chemical components and shapes of bolts and application of compressive residual stress by various methods.
For example,
特許文献２には、ボルトのねじ谷形状の改善により、耐遅れ破壊特性および耐疲労特性を向上させる技術が開示されている。
特許文献３には、表面処理方法として、キャビテーションピーニングを用いてＣＶＴベルト用エレメントの表面硬度の向上や洗浄に関する技術が開示されている。
特許文献４には、ショットピーニングを用いて、ボルトの耐遅れ破壊特性および耐疲労特性を向上させる技術が開示されている。 Patent Document 4 discloses a technique for improving delayed fracture resistance and fatigue resistance of a bolt using shot peening.
特許文献５には、ボルトの首下丸み部を冷間加工による加工硬化と圧縮残留応力の付与により疲労強度を向上させる技術が開示されている。
特許文献１の疲労強度の向上技術は、化学成分の調整によるためコストアップという課題がある。特許文献２では、ボルトのねじ谷形状の改善により応力集中を低減しているが、疲労強度や遅れ破壊特性の具体的な向上技術は明確になっていない。特許文献３では、ＣＶＴベルト用エレメントに限定されており、疲労強度の具体的な向上技術は明確になっていない。
The technique for improving fatigue strength of
特許文献４ではショットピーニングを用いることにより、ノッチ部表面が滑らかな形状となることが記載されているが、具体的データは記載されておらず、その効果は、型磨耗に起因した製品のエッジが改善できる程度とされており、広い意味での表面粗さの改善には繋がっていない。特許文献５では、ボルトの首下丸み部の疲労強度の向上に関する技術であり、ボルトのネジ部の疲労強度の向上技術ではない。
Patent Document 4 describes that by using shot peening, the surface of the notch becomes smooth, but specific data is not described, and the effect is the edge of the product due to mold wear. However, it does not lead to improvement of surface roughness in a broad sense. In
従って、本発明は、現状の素材の化学成分やボルト形状を変更することなく、疲労強度を向上させたボルトおよびその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a bolt with improved fatigue strength and a method for manufacturing the same without changing the chemical composition and bolt shape of the current material.
本発明は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
（１）ボルトにキャビテーション噴流を噴射することによって、ネジ部や首下Ｒ部の表面粗さを劣化させることなく圧縮残留応力を付与でき、それによって、疲労強度が向上できること。
（２）不完全ねじ部からボルト締結時にナットとの噛合い端部から３山分噛合った部分までのねじ谷部に、キャビテーション噴流を噴射することによって、疲労強度が向上できること。
（３）ボルトのねじ谷部に沿って、５ｍｍ／秒以下の移動速度で移動しながら、キャビテーション噴流を噴射することによって、効果的に疲労強度を向上できること。
The present invention has obtained the following knowledge as a result of intensive studies in order to solve the above problems.
(1) By injecting a cavitation jet onto a bolt, compressive residual stress can be imparted without deteriorating the surface roughness of the threaded portion or the necked R portion, thereby improving fatigue strength.
(2) Fatigue strength can be improved by injecting a cavitation jet from the incomplete thread portion to the thread valley portion from the meshing end portion with the nut at the time of bolt fastening to the portion meshed by three threads.
(3) Fatigue strength can be improved effectively by injecting a cavitation jet while moving at a moving speed of 5 mm / second or less along the thread valley of the bolt.
本発明は、上記の知見を基に、更に検討を加えてなされたもので、本発明の要旨は、以下の通りである。 The present invention has been made based on the above findings and further studies. The gist of the present invention is as follows.
第一の発明は、ボルトのねじ部のうち、不完全ねじ部からボルトとナットとの噛合い端部から３山分噛合った部分までのねじ谷部にキャビテーション噴流を噴射することを特徴とする高疲労強度ボルトの製造方法である。 The first invention is characterized in that a cavitation jet is injected into a thread valley portion from an incomplete thread portion to a portion meshed with three threads from a meshing end portion of a bolt and a nut among screw portions of a bolt. This is a method for manufacturing a high fatigue strength bolt.
第二の発明は、キャビテーション噴流をボルトのねじ谷部に沿って、移動しながら噴射することを特徴とする第一の発明に記載の高疲労強度ボルトの製造方法である。 A second invention is a method for producing a high fatigue strength bolt according to the first invention, wherein the cavitation jet is jetted while moving along the screw thread valley portion of the bolt.
第三の発明は、キャビテーション噴流をボルトのねじ谷部に沿って、５ｍｍ／秒以下の移動速度で移動しながら噴射することを特徴とする第一の発明または第二の発明に記載の高疲労強度ボルトの製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, the cavitation jet is jetted while moving at a moving speed of 5 mm / second or less along the screw trough portion of the bolt. It is a manufacturing method of a strength bolt.
第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかに記載の高疲労強度ボルトの製造方法によって製造されたことを特徴とする高疲労強度ボルトである。 A fourth invention is a high fatigue strength bolt manufactured by the method for manufacturing a high fatigue strength bolt according to any one of the first invention to the third invention.
本発明によれば、ボルトのねじ部等にキャビテーション噴流を噴射するので高い疲労強度を有するボルトが得られる。 According to the present invention, since a cavitation jet is injected to the threaded portion of the bolt, a bolt having high fatigue strength can be obtained.
第一の発明では、ボルト１のねじ部４におけるキャビテーション噴流の噴射部位を不完全ねじ部５からボルトとナットとの噛合い端部から３山分噛合った部分までの範囲としている。前記範囲を図１に斜線（Ｓ）で示す。
In the first invention, the injection portion of the cavitation jet in the threaded portion 4 of the
ボルト１とナット２との噛合い状態では、不完全ねじ部５と遊びねじ部６（遊びねじ部とは、不完全ねじ部５に続く完全ねじ部であって、ボルト１とナット２との噛合い端部までの範囲をいう）及びナット２とボルト１との噛合い端部７での応力集中が高くなるからである。また最初の３山部分とした理由は、以下の通りである。
In the meshed state of the
Ｍ２２ボルトとナットを噛合わせた場合のボルトねじ山の荷重分担率は、ナットとボルトとの噛合い端部から奥にはいるに従い、１つのねじ山の荷重分担率は低減する傾向にあり、ナットとの噛合い端部から３山でボルトが受ける全荷重の約５０％を負担しているので、この範囲の疲労強度を強化するためにキャビテーション噴流を噴射することとした。
キャビテーション噴流を噴射することによって、表面粗さを劣化することなく圧縮残留応力を付与でき、疲労強度を向上できるからである。
When the M22 bolt and nut are meshed with each other, the load sharing ratio of the bolt thread thread tends to decrease as the load sharing ratio of one thread thread increases from the engagement end of the nut and bolt to the back. Since about 50% of the total load received by the bolt at three ridges from the meshing end with the nut is borne, a cavitation jet is jetted to strengthen the fatigue strength in this range.
This is because by injecting the cavitation jet, compressive residual stress can be applied without deteriorating the surface roughness, and the fatigue strength can be improved.
なお、本キャビテーション噴流の噴射は、ボルト１での締結時にナット２の使用に限定されず、タップにより加工された雄ねじに締め込む時にも適用できる。
The injection of the cavitation jet is not limited to the use of the
また、キャビテーション噴流の噴射は、ねじ谷部に限定されず、ボルトのねじ部４以外で応力集中が大きくなるボルト首下Ｒ部８や必要に応じて、軸部（図１の符号５から符号８の間の円筒部）にキャビテーション噴流を噴射するのが良い。これによって、ボルト全体の疲労強度を向上することができるからである。この場合、ボルト首下Ｒ部８は、ボルト１を中心軸周りに５回転／秒以下の回転速度で、軸部は、ボルト１を中心軸周りに５回転／秒以下の回転速度で回転し、且つボルト軸方向に５ｍｍ／秒以下の移動速度で移動しながら、キャビテーション噴流を噴射するのが好ましい。なお、何れも回転速度５回転／秒超え、移動速度５ｍｍ／秒超えでは、疲労強度の向上に必要な残留応力の付与がなされないからである。
Further, the injection of the cavitation jet is not limited to the screw valley portion, but the bolt neck lower R portion 8 where the stress concentration is large except the screw thread portion 4 and the shaft portion (
第二の発明では、キャビテーション噴流の噴射方法を限定しているが、ボルトのねじ谷部に沿った方向で噴射を行わないと、噴射が確実に行われない可能性があるからである。 In the second invention, the injection method of the cavitation jet is limited. However, if the injection is not performed in the direction along the thread valley portion of the bolt, the injection may not be reliably performed.
第三の発明は、さらに、キャビテーション噴流の移動速度を限定している。キャビテーション噴流のボルトのねじ谷部に沿った移動速度５ｍｍ／秒超えで噴射すると、疲労強度の向上に必要な残留応力の付与がなされないので、ねじ谷部に沿った移動速度を５ｍｍ／秒以下とした。 The third invention further limits the moving speed of the cavitation jet. If the cavitation jet is jetted at a moving speed exceeding 5 mm / second along the thread valley of the bolt, the residual stress necessary for improving the fatigue strength is not applied, so the moving speed along the thread valley is 5 mm / second or less. It was.
第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかに記載の高疲労強度ボルトの製造方法によって製造された高疲労強度ボルトである。 A fourth invention is a high fatigue strength bolt manufactured by the method for manufacturing a high fatigue strength bolt according to any one of the first to third inventions.
本発明を実施例により比較例と対比して説明する。 The present invention will be described in comparison with comparative examples by way of examples.
ＪＩＳ ＳＣＭ４３５製のＦ１０Ｔ・Ｍ２２×１００ボルトを用いて下記に示すキャビテーション噴流の噴射条件でキャビテーションピーニングを行い、ねじ谷の残留応力と表面粗さを測定後、疲労試験を行った。比較例として、ショットピーニング処理も行った。 Cavitation peening was performed using JIS SCM435 F10T · M22 × 100 bolts under the cavitation jet conditions shown below, and after measuring the residual stress and surface roughness of the thread valley, a fatigue test was performed. As a comparative example, shot peening treatment was also performed.
キャビテーション噴流の噴射条件
高圧水圧力：１５ＭＰａ、低圧水圧力：０．０４ＭＰａ、ノズル距離２０ｍｍとした。
Cavitation jetting conditions High pressure water pressure: 15 MPa, low pressure water pressure: 0.04 MPa, nozzle distance 20 mm.
なお、噴射条件は、本条件に限定されるものではなく、疲労強度向上に必要な圧縮残留応力や表面粗さが得られる条件であればよい。 The injection conditions are not limited to these conditions, and any conditions may be used as long as compressive residual stress and surface roughness necessary for improving fatigue strength can be obtained.
ショットピーニング条件
ショット粒は直径０．８ｍｍ、硬さＨＲＣ６０でアークハイト０．４５ｍｍＡ、カバレージ１００％である。
Shot Peening Conditions Shot grains have a diameter of 0.8 mm, hardness HRC60, arc height of 0.45 mmA, and coverage of 100%.
残留応力測定
Ｘ線残留応力測定装置にて、ねじ谷表面を測定した。「−」表示は圧縮残留応力を意味する。
Residual stress measurement The thread valley surface was measured with an X-ray residual stress measurement device. "-" Display means compressive residual stress.
表面粗さ測定
ねじ面上を表面粗さ計にて測定し、最大高さ（Ｒｚ）で評価した。測定方法はＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１によった。
Surface roughness measurement The surface of the thread was measured with a surface roughness meter and evaluated with the maximum height (Rz). The measuring method was based on JIS B0601: 2001.
疲労試験
負荷応力をボルト強度の７０％（７３５ＭＰａ）とし、応力振幅を変化させて、引張圧縮型疲労試験機を用いて行った。１０７回での疲労限度を疲労強度とした。
Fatigue test The load stress was set to 70% (735 MPa) of the bolt strength, the stress amplitude was changed, and the test was performed using a tensile compression fatigue tester. The fatigue limit at 10 7 times was defined as the fatigue strength.
試験結果を表１に示す。 The test results are shown in Table 1.
Ｎｏ．４、５は、キャビテーション噴流をボルトのねじ谷部に沿って噴射する移動速度が、本発明の範囲である５ｍｍ／秒を超えているため、圧縮残留応力が小さく疲労強度が低下している。 No. In Nos. 4 and 5, the moving speed of jetting the cavitation jet along the thread valley of the bolt exceeds 5 mm / second which is the range of the present invention, so that the compressive residual stress is small and the fatigue strength is low.
Ｎｏ．６はキャビテーション噴流の噴射部位が本発明の範囲からずれているため、噴射されていない部位での残留応力がキャビテーション噴流の噴射前の状態である。従って、疲労強度はキャビテーション噴流の噴射前の状態に相当し、疲労強度の向上はなされていない。 No. 6 is the state before the injection of the cavitation jet because the injection site of the cavitation jet is deviated from the range of the present invention, and the residual stress at the site where the cavitation jet is not injected. Therefore, the fatigue strength corresponds to the state before jetting of the cavitation jet, and the fatigue strength is not improved.
Ｎｏ．７はショットピーニングによるものであり、圧縮残留応力は十分大きいが、表面粗さ（最大高さ（Ｒｚ））が大きく、残留応力が高い割りには、疲労強度が低い値となっている。 No. No. 7 is due to shot peening, and although the compressive residual stress is sufficiently large, the surface roughness (maximum height (Rz)) is large, and the fatigue strength is low for a high residual stress.
Ｎｏ．１〜３は、キャビテーション噴流の噴射部位が本発明の範囲内であり、また、キャビテーション噴流の噴射移動速度も本発明の範囲にあり高い疲労強度が得られている。 No. 1-3, the injection site | part of a cavitation jet is in the range of this invention, and also the injection movement speed of a cavitation jet is also in the range of this invention, and high fatigue strength is obtained.
１ ボルト
２ ナット
３ ワッシャー
４ ねじ部
５ 不完全ねじ部
６ 遊びねじ部
７ ナットと雄ねじとの噛合い端部
８ ボルト首下Ｒ部
９ 締付け板
Ｓ キャビテーション噴流噴射範囲
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