JP2018123371A - ストレイトニング加工金属棒及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボルト等の製作の素材料となり、ボルト等の締結部品に圧縮残留応力が全体的に且つ連続的に存在させ、締結部品の疲労強度を増大させるストレイトニング加工金属棒及びその製造方法を提供する。【解決手段】金属棒の長さ方向に全体的且つ連続的に圧縮残留応力が残留しているストレイトニング加工金属棒である。太鼓型構造の回転ローラと、鼓型構造の回転ローラとを互いの回転側面を近接させて配置し、２つの回転ローラの回転軸を、水平投影面内においては互いに略平行に配置する一方、垂直投影面内においては互いに交差するように配置し、２つの回転ローラを同じ方向に回転させ、回転する２つの回転ローラの間に金属棒から成るワークを投入し、ワークを２つの回転ローラに挟まれた状態で回転させながら、２つの回転ローラの回転軸の延伸方向へ移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱処理後の金属材を改良加工して得られた真っ直ぐの構造を有するストレイトニング加工金属棒及びその製造方法に関するものである。

加工により製品としてボルト等が製造される金属材は、成形、切断加工を施された後熱処理される。この熱処理された金属材は熱処理の影響で曲り変形していることが多く、これを真っ直ぐにするためにストレイトニング加工が施される。従来において、ストレイトニング加工の一例として、図６に示すような方法により行われていた。図６において、このストレイトニング加工法は、熱処理により曲り変形している金属棒材から成るワーク１を複数の第１のローラ２、第２のローラ３及び第３のローラ４で上下から挟み、第１〜第３のローラ２，３，４の回転によりワーク１が真っ直ぐになるように成形している。ローラの配置について、一例としては図６に示されるように、ワーク１の下側の両端近辺に第１のローラ２と第３のローラ４の２個を配置する一方、ワーク１の上側の略中央部分に第２のローラ３（１個）が配置されている。そして、第１〜第３のローラ２，３，４の位置はワーク１の長手方向に所定の間隔を開けて配置されている。よって、ワーク１の長手方向に沿って複数のポジション（位置）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５を規定すると、ポジションＰ１，Ｐ３，Ｐ５にはそれぞれ第１〜第３のローラ２，３，４が配置されていて、これらのポジションＰ１，Ｐ３，Ｐ５においてワーク１はローラと接触している。他方、ポジションＰ２，Ｐ４においてワーク１はローラと非接触となっている。このような状態で第１〜第３のローラ２，３，４を回転させると、ワーク１は第１〜第３のローラ２，３，４と一緒に回転しつつワーク１の軸直方向（矢印Ｓの方向）へ移動して（払い出されて）ストレイトニング加工が行われる。また、ワーク１は上記ストレイトニング加工中に回転しながら第１〜第３のローラ２，３，４により上下方向に押圧力を受けて真っ直ぐに成形される。

このような方法によるストレイトニング加工を受けたワーク（加工後のワークであるから改良ワーク１ａとする）について、その残留応力を調べる。図７は改良ワーク１ａを示し、この改良ワーク１ａについてポジションＰ１〜Ｐ５の部位の残留応力を調べる。なお、図７におけるポジションＰ１〜Ｐ５は図６におけるポジションＰ１〜Ｐ５と同じ部位である。

図８は改良ワーク１ａにおいて得られた残留応力の、各ポジションにおける表面から内部へ向かった変化を表すグラフ図である。図８のグラフにおいて横軸は改良ワーク１ａの表面から内部へ向かう距離寸法をｍｍ（ミリメートル）で表し、縦軸は残留応力を表す。このグラフ中の残留応力の値について、プラスの値は引張残留応力を表し、マイナスの値は圧縮残留応力を表す。改良ワーク１ａから製品としてボルトが製造される場合、製品であるボルトには圧縮残留応力が存在することがボルトの疲労強度を向上させる上で好ましい。逆にボルトに引張残留応力があると、ボルトの強度が低下し弱くなるという状態が生じる。また、図８のグラフ中で、グラフ線Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５はそれぞれポジションＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５における残留応力変化を表すグラフ線である。

図８における測定結果から改良ワーク１ａの残留応力について検討すると、改良ワーク１ａの全体において残留応力として圧縮残留応力と引張残留応力がポジションによって種々の形態で表れ、且つ或る１つのポジションについてみても改良ワーク１ａの表面から内部にかけて、圧縮残留応力と引張残留応力の表れ方が変化している。例えばポジションＰ１について、Ｐ１のグラフ線の測定結果を見ると、表面には圧縮残留応力が存在し、内部へ向かうにしたがって圧縮残留応力が増大する一方、表面から０．１ｍｍ以内の位置で圧縮残留応力は最大値を示し、さらに内部（２ｍｍまで）へ向かうにしたがって圧縮残留応力が減少していくという変化を示す。そして、ポジションＰ１においては改良ワーク１ａの表面から内部まで圧縮残留応力が存在することが分かる。これに対してポジションＰ２について、Ｐ２のグラフ線の測定結果を見ると、表面には圧縮残留応力が存在するが、そこから少し内部へ入った所で圧縮残留応力から引張残留応力が表れるとともに内部へ向かうにしたがって引張残留応力が増大する一方、表面から０．１ｍｍ以内の位置で引張残留応力は最大値を示し、さらに内部（２ｍｍまで）へ向かうにしたがって引張残留応力が減少していき、表面から１ｍｍの位置で再び圧縮残留応力が出現するという変化を示す。そして、ポジションＰ２においては改良ワーク１ａの表面に小さな圧縮残留応力が存在し、内部に向かうにしたがって引張残留応力が出現し、さらに内部に入ると圧縮残留応力が再び出現することが分かる。グラフ線Ｐ１〜Ｐ５の全体を見ると、図６において第１〜第３のローラ２，３，４に接触しているワーク１の部位であるポジションＰ１，Ｐ３，Ｐ５では、改良ワーク１ａの表面も内部も比較的大きな圧縮残留応力が存在している傾向が高い。これに対し、図６において第１〜第３のローラ２，３，４に接触していないワーク１の部位であるポジションＰ２，Ｐ４では、改良ワーク１ａの表面から小寸法（０．５ｍｍくらい）だけ内部に入った所で引張残留応力が存在している傾向が高く、またその他の圧縮残留応力が存在している部分でも圧縮残留応力の値は小さいという傾向がある。

また、ねじの疲労強度を増大させるために圧縮残留応力を大きくすることを図った先行技術としては、例えば特許文献１に記載のものがあるが、これはネジ材料にストレイトニングを施す技術ではない。

特開２０１２−１７６４９１号公報

上述のようなストレイトニング加工された改良ワーク１ａ（金属棒）では、残留応力の測定結果から見て、充分な圧縮残留応力が得られておらず、この改良ワーク１ａを用いてボルトなどの締結部品を製造した場合、製品である締結部品の疲労強度が十分に得られず、締結部品の強度が低下するという不具合が生じる。

本発明は上記した従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、金属棒の長さ方向に全体的且つ連続的に圧縮残留応力が残っているストレイトニング加工金属棒及びその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、締結部品の製造等に用いられる金属棒であって、一端から他端にかけて長さ方向の全体的に、且つ連続的に圧縮残留応力が残留するストレイトニング加工金属棒を提供する。このストレイトニング加工金属棒はさらに、当該金属棒の表面から内方に向けて所定の深さ位置までも、全体的且つ連続的に圧縮残留応力が残留していてもよい。

さらにまた本発明は、一方が太鼓型構造の回転ローラと、他方が鼓型構造の回転ローラとを互いの回転側面を近接させて配置し、前記２つの回転ローラの回転軸を、水平投影面内においては互いに略平行になるように配置する一方、垂直投影面内においては互いに交差する方向に延びるように配置し、前記２つの回転ローラを同じ方向に回転させ、前記回転する２つの回転ローラの間に金属棒から成るワークを投入し、前記ワークを前記２つの回転ローラに挟まれた状態で両ローラの回転作用を受けて回転させながら、前記２つの回転ローラの回転軸が延びる方向へ移動させることを特徴とするストレイトニング加工金属棒の製造方法を要旨とする。また、前記２つの回転ローラのうちの一方は他方の回転ローラに対して接近、離間可能に配置されていてもよく、さらに、前記２つの回転ローラの回転軸について、垂直投影面内における交差角度は変更可能とすることもできる。

本発明によれば、一端から他端にかけて長さ方向の全体的に、且つ連続的に圧縮残留応力が残留するストレイトニング加工金属棒が実現されるから、このストレイトニング加工金属棒から締結部品が製造されると、製品である締結部品には圧縮残留応力が全体的に且つ連続的に存在し、締結部品の疲労強度を増大させることができ、締結部品による締付効果を向上させる。

本発明の一実施の形態にかかるストレイトニング加工金属棒を製作するための加工装置の主要部分を概略的に表す斜視図である。 上記実施の形態に係るストレイトニング加工金属棒の構造及びその残留応力測定を行う部位を表す正面図である。 上記実施の形態において、ストレイトニング加工が施される前の熱処理を受けた状態における曲り変形している金属棒（ワーク）の構造を説明する正面図である。 上記実施の形態により製造されたストレイトニング加工金属棒において得られた残留応力の、各部位（ポジション）における最表面の残留応力を表すグラフ図である。 上記実施の形態において、図４に示されたストレイトニング加工金属棒のポジションＱ５における表面から内部へ向かった残留応力の変化を表すグラフ図である。 従来のストレイトニング加工金属棒を製作する加工装置の主要部分を概略的に表す正面図である。 図６に示された加工装置により製造されたストレイトニング加工金属棒について残留応力を調べる部位を示す正面図である。 従来の加工装置により製造されたストレイトニング加工金属棒において得られた残留応力の、各部位（ポジション）における表面から内部へ向かった変化を表すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態にかかるストレイトニング加工金属棒を製作するための加工装置の主要部分を概略的に表す斜視図である。図１において、符号１１は太鼓型構造を有する第１の回転ローラであり、１２は鼓型構造を有する第２の回転ローラである。第１の回転ローラ１１は回転軸１３を有し、この回転軸１３の方向に沿って回転側面１４の中央部分が両端部分よりも直径寸法が大きい凸形となる太鼓型構造を成している。第２の回転ローラ１２は回転軸１５を有し、この回転軸１４の方向に沿って回転側面１６の中央部分が両端部分よりも直径寸法が小さい凹形となる鼓型構造を成している。第１の回転ローラ１１と第２の回転ローラ１２は互いの回転側面１４，１６を近接させて配置されている。第１の回転ローラ１１と第２の回転ローラ１２の配置状態は、第１及び第２の回転ローラ１１，１２の回転軸１３，１５を、水平投影面内においては互いに略平行になるように配置する一方、垂直投影面内においては互いに交差する方向に延びるように設定されている。

ここで、「垂直投影面内においては互いに交差する方向」とは、例えば図１中で２つの回転ローラ１１，１２を側方から矢印Ａの方向に見た場合、一方の回転ローラ（第１の回転ローラ１１とする）は回転軸１３の先端側１３ａが斜め上方向、後端側１３ｂが斜め下方向を向いて左上がりの傾斜姿勢をとる一方、他方の回転ローラ（第２の回転ローラ１２）は回転軸１５の先端側１５ａが斜め下方向、後端側１５ｂが斜め上方向を向いて右上がりの傾斜姿勢をとっている関係をいう。もちろん、上述の関係とは逆の関係もあり得るし、第１及び第２の回転ローラ１１，１２の回転軸１３，１５が水平状態に一致していてもよい。このように第１及び第２の回転ローラ１１，１２が傾斜姿勢をとることができるよう第１の回転ローラ１１は矢印Ｓ１方向に傾動調節可能に設置される一方，第２の回転ローラ１２は矢印Ｓ２方向に傾動調節可能に設置される。また第１及び第２の回転ローラ１１，１２は互いに近接したり離間したりして、両方の回転ローラ１１，１２の間の間隔が調節可能になっている。このために、一方の回転ローラ（第１の回転ローラ１１とする）は静止状態に設置される一方、他方の回転ローラ（第２の回転ローラ１２）は矢印Ｓ３で示される水平方向に移動可能に設置されている。また、第１の回転ローラ１１と第２の回転ローラ１２との間の下方位置にはワーク支持台１７が配置されている。なお図１において符号１８は熱処理により曲り変形している金属棒材から成るワークを示し、図５に示されたワーク１と同じものである。

かかる構成の加工装置においてストレイトニング加工によりストレイトニング加工金属棒を製造する場合は、第１の回転ローラ１１および第２の回転ローラ１２を図１中で矢印Ｓ４に示された同じ方向に回転させる。この第１の回転ローラ１１および第２の回転ローラ１２が回転している状態の下で、ワーク１８が上記第１及び第２の回転ローラ１１，１２の間に上方から矢印Ｓ５の方向へ投入される。このワーク投入時、ワーク１８はその一端（最終製品としてボルトが成形されたときのボルト頭部に対応する）が第１及び第２の回転ローラ１１，１２の回転軸１３，１５の先端側１３ａ、１５ａに来るようにして投入される。投入されたワーク１８はワーク支持台１７により支持され、且つ上記第１及び第２の回転ローラ１１，１２に挟まれた状態で両回転ローラ１１，１２の回転作用を受けて回転されながら、前記２つの回転ローラ１１，１２の回転軸１３，１５の先端側１３ａ、１５ａ方向（図１中矢印Ｓ６の方向）へ移動する。この作動中にワーク１８はストレイトニング加工作用を受け、曲り変形していた状態から真っ直ぐに成形されて改良ワーク１８ａとなる。

このような、本発明の製造方法によりストレイトニング加工を受けた改良ワーク（ストレイトニング加工金属棒）１８ａについて、その残留応力を調べる。図２は上記改良ワーク１８ａの構造及びその残留応力の測定を行う部位を表す正面図である。残留応力の測定は改良ワーク１８ａのポジションＱ１〜Ｑ８の部位について行われる。図３は、ストレイトニング加工が施される前の、熱処理を受けた状態における曲り変形しているワーク１８の構造を説明する正面図であり、熱処理により曲り変形を受けることにより、谷側（曲り変形内側）１９と山側（曲り変形外側）２０ができる。これらの谷側（曲り変形内側）１９と山側（曲り変形外側）２０はストレイトニング加工を受けたあとの改良ワーク１８ａにも少ない曲り変形部として残存する。上記残留応力の測定は、ストレイトニング前のワーク１８とストレイトニング後の改良ワーク１８ａに対して谷側１９と山側２０について実施される。

図４は改良ワーク１８ａにおいて得られた残留応力の、各部位（ポジション）Ｑ１ 〜Ｑ８における最表面の残留応力を表すグラフ図である。図４のグラフにおいて横 軸は改良ワーク１８ａの頭部から先端部へ向かう長手方向の位置で表し、縦軸は残 留応力を表す。このグラフ中の残留応力の値について、プラスの値は引張残留応力 を表し、マイナスの値は圧縮残留応力を表す。改良ワーク１ａから製品として締結 部品が製造される場合、製品である締結部品には圧縮残留応力が存在することが締 結部品の疲労強度を向上させる上で好ましいことは上述の背景技術の説明で述べた 通りである。この図４のグラフ中で、グラフ線Ｍ１はストレイトニング前における ワーク１８の谷側１９における残留応力を表すグラフ線であり、グラフ線Ｍ２はス トレイトニング前におけるワーク１８の山側２０における残留応力を表すグラフ線 である。また、グラフ線Ｍ３はストレイトニング後における改良ワーク１８ａの谷 側１９における残留応力を表すグラフ線であり、グラフ線Ｍ４はストレイトニング 後における改良ワーク１８ａの山側２０における残留応力を表すグラフ線である。

図４における測定結果から、ストレイトニング前においてはワーク１８の最表面にはその全長にわたって概略としては１００ＭＰａ程度の圧縮残留応力が存在する。他方、ストレイトニング後においては改良ワーク１８ａの最表面にはその全長にわたって概略としては２５０ＭＰａ程度の圧縮残留応力が存在する。以上から、ストレイトニング前のワーク１８とストレイトニング後の改良ワーク１８ａの間では、改良ワーク１８ａの方が圧縮残留応力は概略として１５０ＭＰａほど改善することが分かり、ストレイトニング加工を施すことが有効であることが明らかとなる。

図５は図４に示されたワーク１８及び改良ワーク１８ａのポジションＱ５における表面から内部へ向かった残留応力の変化を表すグラフ図である。図５のグラフにおいて横軸は改良ワーク１８ａの表面から内部へ向かう距離寸法をｍｍで表し、縦軸は残留応力を表す。このグラフ中の残留応力の値について、プラスの値は引張残留応力を表し、マイナスの値は圧縮残留応力を表す。また、図５のグラフ中で、グラフ線Ｍ５はストレイトニング前におけるワーク１８のポジションＱ５における谷側１９の残留応力変化を表すグラフ線であり、グラフ線Ｍ６はストレイトニング前におけるワーク１８のポジションＱ５における山側２０の残留応力変化を表すグラフ線である。また、グラフ線Ｍ７はストレイトニング後における改良ワーク１８ａのポジションＱ５における谷側１９の残留応力変化を表すグラフ線であり、グラフ線Ｍ８はストレイトニング後における改良ワーク１８ａのポジションＱ５における山側２０の残留応力変化を表すグラフ線である。

図５における測定結果から改良ワーク１ａの残留応力について検討すると、ストレイトニング前において谷側１９ではワーク１８の最表面から少し（０．１ｍｍくらい）内部にかけては最表面の圧縮残留応力から引張残留応力に変化することが分かる。さらに０．１ｍｍの深さから１．０ｍｍの深さにかけては上記の引張残留応力が徐々に緩和され、減少変化している。ストレイトニング前において山側２０ではワーク１８の最表面から少し（０．１ｍｍくらい）内部にかけては最表面の圧縮残留応力から引張残留応力に変化することが分かる。さらに０．１ｍｍの深さから１．０ｍｍの深さにかけては引張残留応力が徐々に緩和され、圧縮残留応力へと変化している。他方、ストレイトニング後において谷側１９では改良ワーク１８ａの最表面から少し（０．１ｍｍくらい）内部にかけては最表面の圧縮残留応力から圧縮残留応力は増大変化することが分かる。さらに０．１ｍｍの深さから１．０ｍｍの深さにかけては上記の圧縮残留応力が徐々に減少変化している。ちなみに、１．０ｍｍよりもさらに内部における残留応力を測定すると、圧縮残留応力の漸次減少が進行し、１．５ｍｍの深さより深部では残留応力の値は小さいが、いずれの深さにおいても圧縮残留応力が測定されるという良好な測定結果が得られている。さらにストレイトニング後において山側２０では改良ワーク１８ａの最表面から少し（０．１ｍｍくらい）内部にかけては最表面の圧縮残留応力から圧縮残留応力は増大変化することが分かる。さらに０．１ｍｍの深さから１．０ｍｍの深さにかけては上記の圧縮残留応力が徐々に減少し、へと変化している。この場合においても、最表面から最も深い位置まで、残留応力の値は小さいが、いずれの深さにおいても圧縮残留応力が測定されるという良好な測定結果が得られている。

したがって、本発明により得られた改良ワーク（すなわち、ストレイトニング加工金属棒）１８ａはその内部全体に圧縮残留応力が存在し、且つ一端から他端にかけて長さ方向の全体的に、且つ連続的に圧縮残留応力が残留するストレイトニング加工金属棒が実現される。このため、このストレイトニング加工金属棒から締結部品が製造されると、製品である締結部品には圧縮残留応力が全体的に且つ連続的に存在し、締結部品の疲労強度を増大させることができ、締結部品による締付効果を向上させる。

本発明は、一端から他端にかけて全体的且つ連続的に圧縮残留応力が残っているストレイトニング加工金属棒を実現する。このストレイトニング加工金属棒から締結部品が製造されると、製品である締結部品には圧縮残留応力が全体的に且つ連続的に存在し、締結部品の疲労強度を増大させるという有用性を持つ。

１１ 第１の回転ローラ（太鼓型回転ローラ）
１１ 第２の回転ローラ（鼓型回転ローラ）
１３、１５ 回転軸
１４、１６ 回転側面
１７ ワーク支持台
１８ ワーク
１８ａ 改良ワーク（ストレイトニング加工金属棒）
１９ 谷側（曲り変形内側）
２０ 山側（曲り変形外側）

Claims (5)

1. ストレイトニング加工された金属棒であって、一端から他端にかけて全体的且つ連続的に圧縮残留応力が残留しているストレイトニング加工金属棒。
2. ストレイトニング加工された金属棒は当該金属棒の表面から内方に向けて所定の深さ位置までも、全体的且つ連続的に圧縮残留応力が残留していることを特徴とする請求項１記載のストレイトニング加工金属棒。
3. 一方が太鼓型構造の第１の回転ローラと、他方が鼓型構造の第２の回転ローラとを互いの回転側面を近接させて配置し、
   前記２つの回転ローラの回転軸を、水平投影面内においては互いに略平行になるように配置する一方、垂直投影面内においては互いに交差する方向に延びるように配置し、
   前記２つの回転ローラを同じ方向に回転させ、
   前記回転する２つの回転ローラの間に金属棒から成るワークを投入し、
   前記ワークを前記２つの回転ローラに挟まれた状態で両ローラの回転作用を受けて回転させながら、前記２つの回転ローラの回転軸が延びる方向へ移動させることを特徴とするストレイトニング加工金属棒の製造方法。
4. 前記２つの回転ローラのうちの一方は他方の回転ローラに対して接近、離間可能に配置されていることを特徴とする請求項３記載のストレイトニング加工金属棒の製造方法。
5. 前記２つの回転ローラの回転軸について、垂直投影面内における交差角度は変更可能であることを特徴とする請求項４記載のストレイトニング加工金属棒の製造方法。

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