JP2020029609A - Treatment method for improving fretting fatigue strength - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焼き嵌めや圧入などによって結合された鋼製の結合体の疲労強度向上に関する技術であり、フレッティング疲労強度を向上させる処理方法に関する。 The present invention relates to a technique for improving the fatigue strength of a steel joint joined by shrink fitting, press fitting, and the like, and relates to a processing method for improving fretting fatigue strength.
従来より、材料の強度を向上させる方法が、以下（１）〜（３）に示すように、様々提案されている。
（１）例えば、材料の強度向上のために、塑性加工に加えてひずみ時効処理を行う方法が挙げられる。概要としては、塑性ひずみが付与された（＝転位が導入された）材料が、所定時間を経て侵入型原子が拡散し、転位にトラップされて硬度が上昇する現象を対象とする。侵入型原子としては鉄中のＣ・Ｎがあり、この現象が生じる汎用材としては鋼に限定されることになる。この処理方法としては、例えば、非特許文献１に開示されているものがある。
Conventionally, various methods for improving the strength of a material have been proposed as shown in the following (1) to (3).
(1) For example, in order to improve the strength of a material, there is a method of performing strain aging treatment in addition to plastic working. As an overview, a phenomenon in which a material to which plastic strain is applied (= dislocations are introduced) diffuses interstitial atoms after a predetermined time and is trapped by dislocations to increase the hardness. The interstitial atoms include C and N in iron, and general-purpose materials in which this phenomenon occurs are limited to steel. As this processing method, for example, there is a method disclosed in Non-Patent Document 1.
非特許文献１は、炭素鋼Ｓ２５Ｃ（ＨＶ１２８）を対象に硬化量を調査し、最終的な到達硬化量の温度と塑性歪量へ依存性について調べている。なお、この現象は室温でも期間経過により僅かに発現するが、同文献の図６に示すように、高温に熱処理することで効果（最大硬化量）が大きくなり、且つ、同文献の図４に示すように、速く得られるようになるとされている。 Non-Patent Document 1 investigates the hardening amount of carbon steel S25C (HV128) and examines the dependence of the ultimate hardening amount on the temperature and the amount of plastic strain. Although this phenomenon appears slightly even at room temperature with the passage of time, as shown in FIG. 6 of the same document, the effect (maximum curing amount) is increased by heat treatment at a high temperature. As shown, it is said that it can be obtained quickly.
（２）また、材料の強度向上のために、表面加工（特に、バニシング加工）を行う処理方法が挙げられる。概要としては、疲労強度を向上させる対策として、硬度上昇や圧縮残留応力導が効果的である。具体的手段としては、ピーニング処理（ショット、超音波、レーザなど多種ある）や、バニシング加工などが知られている。バニシング加工は、例えば丸棒を対象にする場合、ツールで所定の押し込み量を保持した状態で、軸を回転しつつツールを軸長手方向に移動させていくことによって、対象部の面粗度をあげながら残留応力も付与できる手法である。 (2) Further, there is a processing method for performing surface processing (particularly, burnishing processing) to improve the strength of the material. In summary, as measures to improve the fatigue strength, hardness increase and compression residual stress induction are effective. As specific means, a peening process (a variety of shots, ultrasonic waves, lasers, and the like), burnishing, and the like are known. In burnishing, for example, when targeting a round bar, the surface roughness of the target portion is reduced by moving the tool in the longitudinal direction of the shaft while rotating the shaft while maintaining a predetermined pushing amount with the tool. It is a technique that can give residual stress while raising.
なお、ピーニング処理では、材料の表面粗度が低下する（表面の凹凸が大きくなる）ため、フレッティングの嵌合面では繰返し負荷によって経時的に摩耗減肉し、疲労強度の向上効果が徐々に失われる問題がある。この点において、面粗度があがるバニシング加工は、特にフレッティングに対して有効な疲労強度向上手段として、知られている。
この処理方法としては、例えば、非特許文献２に開示されているものがある。非特許文献２においては、同文献のＦｉｇ４に示すように、ショットピーニング（◇印）やバニシング加工（△印）は、未処理材（〇印）と比べてフレッティング疲労強度が向上していることが示されている。その中でも特にバニシング加工（△印）は、１０７〜１０８回の高サイクル域においても疲労強度が優れている結果が示されている。
In the peening treatment, the surface roughness of the material is reduced (the surface irregularities increase), so that the wear surface of the fretting fitting surface is worn down over time due to repeated loads, and the effect of improving the fatigue strength is gradually reduced. There is a problem to be lost. In this regard, burnishing, in which the surface roughness increases, is known as a means for improving fatigue strength, particularly effective for fretting.
As this processing method, for example, there is a method disclosed in Non-Patent Document 2. In Non-Patent Document 2, as shown in FIG. 4 of the document, shot peening (◇ mark) and burnishing (△ mark) have improved fretting fatigue strength as compared with untreated material (〇 mark). It has been shown. Among them, particularly, burnishing (marked with 特 に) shows that the fatigue strength is excellent even in a high cycle region of 10 7 to 10 8 times.
（３）また、材料の強度向上のために、温間での表面加工を行う処理方法が挙げられる。この処理方法としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。
特許文献１は、ＳＭ４９０Ａ製の突合せ溶接継手を対象に、室温および温間（２００〜４５０℃の４条件）でピーニング処理し、ピーニング処理後の余熱影響による歪時効によって疲労強度向上するか調べたものである。同文献の図２に示すＳ−Ｎ曲線を参照すれば、疲労限はピーニング処理により３０％向上し（●印と▲印）、さらに ２００〜３８０℃で温間処理された場合は１５％向上していることが示されている（▲印に対して，＋印と◇印と□印）。一方で、４５０℃になると、室温処理の場合をわずかに下回っていることが示されている（▲印と■印）。すなわち、２００〜３８０℃で処理することにより、加工後の温間でひずみ時効が自動的に進み、強度向上効果が得られるとされている。
(3) In addition, there is a processing method of performing surface processing in a warm state in order to improve the strength of the material. As this processing method, for example, there is a method disclosed in Patent Document 1.
Patent Literature 1 subjects a butt-welded joint made of SM490A to peening at room temperature and warmness (four conditions of 200 to 450 ° C.), and examines whether fatigue strength is improved by strain aging caused by residual heat after peening. Things. Referring to the SN curve shown in FIG. 2 of the same document, the fatigue limit is improved by 30% by the peening treatment (marked by ● and ▲), and further improved by 15% when warm-treated at 200 to 380 ° C. It is shown that they are doing (for ▲, +, と, and □). On the other hand, at 450 ° C., it is shown that the temperature is slightly lower than that in the case of the room temperature treatment (処理 and Δ). That is, by treating at 200 to 380 ° C., strain aging automatically proceeds during warming after processing, and an effect of improving strength is obtained.
ところで、一般に、例えば、車輪や歯車などのリング状の部材に、車軸や回転軸などの軸部材が嵌入された嵌合体や、鋼材などの被締結部材がボルトなどで締結された締結体（継手など）では、嵌合部や締結部など構成部材どうしが接触する接触面において、主として締め付けられている側の部材（軸部材、鋼材など）の接触面に応力が集中しており、さらに、外部より荷重が繰り返しかかると、接触部の集中していた応力が変動し、疲労き裂などの損傷が生じることがある。このような損傷は、フレッティング疲労と呼ばれている。 Incidentally, in general, for example, a fitting body in which a shaft member such as an axle or a rotating shaft is fitted into a ring-shaped member such as a wheel or a gear, or a fastening body (joint) in which a member to be fastened such as a steel material is fastened by a bolt or the like. ), Stress is concentrated mainly on the contact surface of the member on the side being tightened (shaft member, steel material, etc.) in the contact surface where the constituent members such as the fitting portion and the fastening portion come into contact with each other. When a load is repeatedly applied, the stress concentrated at the contact portion fluctuates, and damage such as a fatigue crack may occur. Such damage is called fretting fatigue.
すなわち、焼き嵌めや圧入などによって結合された結合体の接触面では、軸部材や鋼材などの締め付けられている側の部材に、フレッティング疲労と呼ばれる特殊な疲労形態での損傷が生じる虞がある。このフレッティング疲労による損傷が生じてしまうと、通常（フレッティングが伴わない場合）の疲労強度と比べて、疲労強度が大きく低下することが知られている。このような結合体の接触面において、フレッティング疲労強度を高めることができれば、結合体の疲労強度設計において有利となる。 That is, on the contact surface of the joined body joined by shrink fitting, press fitting, or the like, there is a possibility that a member on the tightened side such as a shaft member or a steel material may be damaged in a special form of fatigue called fretting fatigue. . It is known that when damage due to fretting fatigue occurs, the fatigue strength is greatly reduced as compared with the normal (when fretting is not accompanied) fatigue strength. If the fretting fatigue strength can be increased on the contact surface of such a combined body, it is advantageous in designing the fatigue strength of the combined body.
上記した非特許文献１〜２、特許文献１などに開示されているが如く、材料の強度向上のための種々の方法・知見に関しては存在するものの、フレッティング疲労強度を向上させるためにひずみ時効を導入し、かかるひずみ時効を、リング状の部材などに嵌入された軸部材からなる嵌合体や締結具などで締結された被締結部材等の締結体などの結合体に対して、有効に活用した技術については未だ存在しないと思われる。 As disclosed in Non-patent Documents 1 and 2 and Patent Document 1 described above, although there are various methods and findings for improving the strength of a material, strain aging is performed to improve fretting fatigue strength. And effectively utilize such strain aging for a joint body such as a fitting body such as a shaft member inserted into a ring-shaped member or a fastening member such as a member to be fastened with a fastener. It seems that the technology has not yet existed.
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、複数の構成部材が結合された結合体において、ひずみ時効を発現させることにより、構成部材どうしが接触する接触面に生じる疲労き裂などの損傷を防ぎ、フレッティング疲労強度を向上させることを可能とするフレッティング疲労強度を向上させる処理方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and in a combined body in which a plurality of constituent members are combined, by exerting strain aging, it is possible to prevent damage such as a fatigue crack generated on a contact surface where the constituent members come into contact with each other. It is another object of the present invention to provide a processing method for improving fretting fatigue strength, which makes it possible to improve fretting fatigue strength.
上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法は、二つ以上の鋼製の構成部材を接触させ且つ結合することで結合体を製作するに際して、前記二つ以上の構成部材のフレッティング疲労強度を向上させるにあたり、前記構成部材の表面であって二つ以上の構成部材の接触面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、前記表面加工ステップの後に行うものであって、圧入又は冷し嵌めを用いて、前記構成部材を結合する結合ステップと、前記表面加工ステップの後に行うものであって、ひずみ時効を誘起させるために、前記構成部材に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、を有していることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the following technical measures have been taken in the present invention.
The processing method for improving fretting fatigue strength according to the present invention is characterized in that, when a joined body is manufactured by contacting and joining two or more steel components, the fretting fatigue of the two or more components is produced. In order to improve the strength, the method has a surface processing step of performing surface processing on a surface of the component and a contact surface of two or more components, and is performed after the surface processing step, Or, using a cold fit, a bonding step of bonding the components, and a heat treatment step to be performed after the surface processing step, wherein a heat treatment is performed on the components to induce strain aging. And having the following.
また、本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法は、二つ以上の鋼製の構成部材を接触させ且つ結合することで結合体を製作するに際して、前記二つ以上の構成部材のフレッティング疲労強度を向上させるにあたり、前記構成部材の表面であって二つ以上の構成部材の接触面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、前記表面加工ステップの後に行うものであって、締結手段を用いて、前記構成部材を結合する結合ステップと、前記表面加工ステップの後に行うものであって、ひずみ時効を誘起させるために、前記構成部材に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、を有していることを特徴とする。 Further, the processing method for improving fretting fatigue strength according to the present invention provides a method of manufacturing a combined body by bringing two or more steel components into contact with each other and bonding the two components to each other. In order to improve the fatigue strength, the method has a surface processing step of performing surface processing on a contact surface of two or more components on the surface of the component, and is performed after the surface processing step. Using a fastening means, a joining step of joining the constituent members, and a heat treatment step to be performed after the surface processing step, and performing a heat treatment on the constituent members to induce strain aging. , Is characterized by having.
また、本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法は、二つ以上の鋼製の構成部材を接触させ且つ結合することで結合体を製作するに際して、前記二つ以上の構成部材のフレッティング疲労強度を向上させるにあたり、前記構成部材の表面であって二つ以上の構成部材の接触面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、前記表面加工ステップの後に行うものであって、焼き嵌めを用いて、前記構成部材を結合する結合ステップ、を有していることを特徴とする。 Further, the processing method for improving fretting fatigue strength according to the present invention provides a method of manufacturing a combined body by bringing two or more steel components into contact with each other and bonding the two components to each other. In order to improve the fatigue strength, the method has a surface processing step of performing surface processing on a contact surface of two or more components on the surface of the component, and is performed after the surface processing step. And a joining step of joining the constituent members by using shrink fitting.
好ましくは、前記表面加工ステップにおいては、加工手段としてバニシング加工を適用するとよい。
好ましくは、前記熱処理ステップにおいては、構成部材の表面温度が２００〜３８０℃になるように、熱処理条件を設定するとよい。
好ましくは、前記焼き嵌めを行うに際し、構成部材の表面温度が２００〜３８０℃になるように、前記焼き嵌めの温度条件を設定するとよい。
Preferably, in the surface processing step, burnishing is applied as the processing means.
Preferably, in the heat treatment step, the heat treatment conditions are set such that the surface temperature of the constituent member is 200 to 380 ° C.
Preferably, when performing the shrink fitting, the temperature condition of the shrink fitting may be set such that the surface temperature of the constituent members is 200 to 380 ° C.
本発明によれば、複数の構成部材が結合された結合体において、ひずみ時効を発現させることにより、構成部材どうしが接触する接触面に生じる疲労き裂などの損傷を防ぎ、フレッティング疲労強度を向上させることができる。 According to the present invention, in a combined body in which a plurality of constituent members are combined, by expressing strain aging, damage such as a fatigue crack generated on a contact surface where the constituent members come into contact with each other is prevented, and fretting fatigue strength is reduced. Can be improved.
以下、本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。
本発明は、二つ以上の構成部材のうち、一方の締結部材２（例えば、歯車や車輪などの円板状の部材、ボルトなどの締結具等）が他方の被締結部材３（例えば、回転軸や車軸などの軸部材、鋼材など）に対して接触することにより締め付けることで、組み合わせて鋼製の結合体１を製作するに際して、フレッティング疲労と呼ばれる特殊な疲労形態により、締め付けられる側となる被締結部材３の表面（接触面４）に生じる疲労き裂Ｃなどの損傷を防止し、フレッティング疲労強度を向上させる処理方法である。
Hereinafter, an embodiment of a processing method for improving fretting fatigue strength according to the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the embodiment described below is an example in which the present invention is embodied, and the specific example does not limit the configuration of the present invention.
According to the present invention, of two or more components, one of the fastening members 2 (for example, a disk-shaped member such as a gear or a wheel, a fastener such as a bolt) is connected to the other member 3 (for example, a rotating member). (A shaft member such as an axle or an axle, a steel material, etc.), and tightening by contacting with each other, when manufacturing the combined body 1 made of steel, in combination with a side to be tightened due to a special type of fatigue called fretting fatigue. This is a processing method for preventing damage such as fatigue crack C generated on the surface (contact surface 4) of the member 3 to be fastened and improving fretting fatigue strength.
本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法（以降、単に処理方法と呼ぶ。）は、二つ以上の構成部材２、３を接触させることにより組み合わせて鋼製の結合体１を製作するに際して、フレッティング疲労強度を向上させるにあたり、接触面４となる被締結部材３の表面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、表面加工ステップ後に、所定の嵌合手法又は締結手段を用いて、被締結部材３を締結部材２に結合する結合ステップと、ひずみ時効を誘起させるために、構成部材２、３に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、を有している。所定の嵌合手法としては、圧入又は冷し嵌めなどが採用できる。 The processing method for improving fretting fatigue strength according to the present invention (hereinafter, simply referred to as a processing method) produces a steel-made combined body 1 by combining two or more constituent members 2 and 3 by bringing them into contact with each other. In order to improve the fretting fatigue strength, the method includes a surface processing step of performing surface processing on the surface of the workpiece 3 to be the contact surface 4. After the surface processing step, a predetermined fitting method or fastening means is used. A joining step of joining the member to be fastened 3 to the fastening member 2 and a heat treatment step of performing a heat treatment on the constituent members 2 and 3 to induce strain aging. As the predetermined fitting method, press fitting or cold fitting can be adopted.
さて、フレッティングが問題となる被締結部材３の接触面４に対して、塑性ひずみ・圧縮残留応力が生じた層を付与する手段としては、バニシング加工やピーニング処理などが挙げられる。さらには、その接触面４に対してひずみ時効を与えるために、熱処理を行うことが有効である。
なお、表面加工ステップ後の結合ステップと熱処理ステップに関し、結合ステップから熱処理ステップへという手順、又は、熱処理ステップから結合ステップへという手順で実施するようにしても、フレッティング疲労強度を向上させる効果が十分に得られる。
Means for applying a layer in which plastic strain and compressive residual stress have occurred to the contact surface 4 of the member 3 to be fastened, where fretting is a problem, include burnishing and peening. Further, it is effective to perform a heat treatment in order to give strain aging to the contact surface 4.
Regarding the bonding step and the heat treatment step after the surface processing step, the effect of improving the fretting fatigue strength can be achieved even if the bonding step and the heat treatment step are performed in a procedure from the bonding step to the heat treatment step or from the heat treatment step to the bonding step. Can be obtained enough.
表面加工ステップにおいては、加工手段としてバニシング加工を適用することが好ましい。理由としては、安定的に塑性ひずみ・圧縮残留応力が生じた層を与えられる手段としては、バニシング加工のみであるからである。
被締結部材３を締結部材２に嵌め込んで嵌合体１を製作する場合、結合ステップと熱処理ステップに替えて、表面加工ステップ後に、所定の嵌合手法として焼き嵌めを用いて、ひずみ時効を誘起させることができる温度に昇温して被締結部材３を締結部材２に嵌合することもできる（焼き嵌めによる結合ステップ）。
In the surface processing step, it is preferable to apply burnishing processing as processing means. The reason is that burnishing is the only means for stably providing a layer in which plastic strain and compressive residual stress are generated.
In the case where the fitting member 1 is manufactured by fitting the member to be fastened 3 to the fastening member 2, a strain aging is induced by using a shrink fitting as a predetermined fitting method after the surface processing step instead of the joining step and the heat treatment step. The member 3 can be fitted to the fastening member 2 by increasing the temperature to a temperature at which the fastening can be performed (a joining step by shrink fitting).
このような焼き嵌めによる結合ステップを採用した場合、焼き嵌めによって例えば締結部材２（車輪や歯車など環状の部材）の外周を加熱しておけば、嵌合時に被締結部材３（回転軸や車軸などの軸部材）にも熱伝達して、ひずみ時効を誘起することができる。すなわち、焼き嵌め時の余熱を活用することができるので、ひずみ時効の効果を自動的に得られるようになる。 When such a joining step by shrink fitting is employed, if the outer periphery of the fastening member 2 (annular member such as a wheel or a gear) is heated by shrink fitting, for example, the member to be fastened 3 (rotary shaft or axle) is fitted at the time of fitting. (Shaft members such as the shaft member) can induce strain aging. That is, since the residual heat at the time of shrink fitting can be utilized, the effect of strain aging can be obtained automatically.
ここで、焼き嵌め時における被締結部材３の表面温度が２００〜３８０℃になるように、熱処理条件を設定することが好ましい。理由としては、本願発明者の知見によれば、被締結部材３の表面温度が低い熱処理条件では、ひずみ時効が十分に生じない。一方で、被締結部材３の表面温度が過度に高い熱処理条件であれば、回復現象が生じてしまい、かえって表面加工の効果を失わせることになる。このことより、鋼のひずみ時効を引き出す温度は、２００〜３８０℃の温度範囲が好ましい。 Here, it is preferable to set the heat treatment conditions so that the surface temperature of the member 3 to be fastened at the time of shrink fitting is 200 to 380 ° C. As a reason, according to the knowledge of the present inventor, under the heat treatment condition in which the surface temperature of the member 3 to be fastened is low, the strain aging does not sufficiently occur. On the other hand, if the surface temperature of the member to be fastened 3 is excessively high, the recovery phenomenon occurs, and the effect of the surface processing is rather lost. From this, the temperature at which the strain aging of the steel is brought out is preferably in the temperature range of 200 to 380 ° C.
上記した本発明の処理方法は、例えば、歯車などに嵌合された回転軸、スプライン軸、車輪に嵌合された車軸、ボルトで締結された鋼材、圧縮機のロータ軸、ネジ、プロペラの軸、クランクシャフト、平行部を有する円筒工具、フランジ、冷却水用の孔を有する締結体などといった被締結部材３に適用可能である。
このように、本発明の処理方法で製作された結合体１は、フレッティング疲労強度を高めることができるので、特に接触面４において疲労き裂Ｃなどの損傷を防止することができるようになり、結合体１の疲労強度設計において有利となる。
［実施例］
以下に、本発明のフレッティング疲労強度を向上させる処理方法に従って実施した実施例について、説明する。
The processing method of the present invention described above includes, for example, a rotating shaft fitted to a gear or the like, a spline shaft, an axle fitted to a wheel, a steel material fastened by bolts, a rotor shaft of a compressor, a screw, and a propeller shaft. The present invention can be applied to a member 3 to be fastened, such as a crankshaft, a cylindrical tool having a parallel portion, a flange, and a fastening body having a hole for cooling water.
As described above, since the bonded body 1 manufactured by the processing method of the present invention can increase the fretting fatigue strength, damage such as fatigue crack C can be prevented particularly at the contact surface 4. This is advantageous in designing the fatigue strength of the combined body 1.
[Example]
Hereinafter, examples implemented according to the processing method for improving fretting fatigue strength of the present invention will be described.
本実施例における実施条件については、以下の通りである。
例えば、図１Ａ、図１Ｂに示すような構造を有する結合体１が、本発明の適用対象となる。
図１Ａは、円板状の嵌合部材２（歯車や車輪など）と、その円板状の嵌合部材２の中心部分に嵌合された被嵌合軸３（回転軸や車軸などの軸部材）からなる嵌合体１を示している。このような嵌合体１は、環状の嵌合部材２と被嵌合軸３との接触面４の端部（被嵌合軸３の付け根となる角の部位）において、摩耗や荷重などにより応力が集中するので、フレッティングによる疲労き裂Ｃなどの損傷が発生してしまうリスクがある。
The implementation conditions in this example are as follows.
For example, a combined body 1 having a structure as shown in FIGS. 1A and 1B is an object to which the present invention is applied.
FIG. 1A shows a disc-shaped fitting member 2 (a gear, a wheel, or the like) and a fitted shaft 3 (a shaft such as a rotating shaft or an axle) fitted to a center portion of the disc-shaped fitting member 2. 2 shows a fitting body 1 made of a member. In such a fitting body 1, at the end of the contact surface 4 between the annular fitting member 2 and the fitted shaft 3 (at the corner at the base of the fitted shaft 3), stress due to wear, load, or the like is caused. , There is a risk that damage such as fatigue crack C may occur due to fretting.
図１Ｂは、ボルト２などで締結された鋼材３からなる結合体１を示している。図１Ｂに示すように、このような結合体１は、鋼材３とボルト２（ワッシャー６）との接触面４の端部(鋼材３がボルト２から受ける締め付け力が切り替わる縁の部位)において摩耗や荷重などにより応力が集中するので、フレッティングによる疲労き裂Ｃなどの損傷が発生してしまうリスクがある。 FIG. 1B shows a combined body 1 made of a steel material 3 fastened with bolts 2 or the like. As shown in FIG. 1B, such a joint body 1 is worn at the end of the contact surface 4 between the steel member 3 and the bolt 2 (the washer 6) (at the edge where the tightening force received by the steel member 3 from the bolt 2 is switched). Since the stress is concentrated by the pressure and load, there is a risk that damage such as fatigue crack C due to fretting occurs.
本実施例においては、図１Ａ、図１Ｂに示すような状況下となる可能性がある被嵌合軸３や鋼材３などの被締結部材に対して、表面加工と熱処理を実施する。以下、その二つの事例について、説明する。
［事例１］
図１Ａに示すような、環状の嵌合部材２（締結部材２）に嵌合された被嵌合軸３（被締結部材３）に対して、本発明の処理方法を実施する場合は、以下の通りである。
In the present embodiment, surface processing and heat treatment are performed on members to be fastened such as the shaft 3 and the steel material 3 which may be in the situation shown in FIGS. 1A and 1B. Hereinafter, the two cases will be described.
[Case 1]
When the processing method of the present invention is applied to the fitted shaft 3 (fastened member 3) fitted to the annular fitting member 2 (fastened member 2) as shown in FIG. It is as follows.
歯車など円板状の嵌合部材２（以下、円板部材２と呼ぶ。）に締結される被嵌合軸３に対して、本発明の処理方法を適用する場合の具体手順を示す。被嵌合軸３は、表面加工を受けることによって直径が減少し、また、締め代による締結力が初期値より減少するので、所定の動力を伝達する前にすべりが生じてしまうリスクがある。
そのため、以下に示すステップ(i)〜(v)の手順で処理を実施した。なお、この処理手順において、伝達動力を特段考慮する必要がない場合、ステップ(ii)と(iii)については省略することは可能である。
A specific procedure for applying the processing method of the present invention to a fitted shaft 3 fastened to a disk-shaped fitting member 2 (hereinafter, referred to as a disk member 2) such as a gear will be described. The diameter of the fitted shaft 3 is reduced by being subjected to the surface processing, and the fastening force due to the interference is reduced from an initial value. Therefore, there is a risk that slippage occurs before transmitting a predetermined power.
Therefore, the processing was performed according to the following steps (i) to (v). In this procedure, when it is not necessary to particularly consider the transmission power, steps (ii) and (iii) can be omitted.
(i) 被嵌合軸３の表面（接触面４）に対して、表面加工を実施する。表面加工法としては、例えば、バニシング加工が好ましい。
(ii) ステップ(i)で被嵌合軸３に対してバニシング加工した後、接触面４となる位置の被嵌合軸３の直径を計測する。このとき、加工条件によって変わるが、例えばバニシング加工では、被嵌合軸３の直径が１０〜２５μｍ程度減じた。なお、この計測の目的は、被嵌合軸３の直径の減少量を実績値として把握することにある。
(i) The surface (contact surface 4) of the fitted shaft 3 is subjected to surface processing. As the surface processing method, for example, burnishing is preferable.
(ii) After burnishing the fitted shaft 3 in step (i), the diameter of the fitted shaft 3 at the position to be the contact surface 4 is measured. At this time, although it depends on the processing conditions, for example, in burnishing, the diameter of the fitted shaft 3 is reduced by about 10 to 25 μm. The purpose of this measurement is to grasp the amount of decrease in the diameter of the fitted shaft 3 as an actual value.
(iii) ステップ(ii)で計測した被嵌合軸３の直径の減少量に対し、所定の締結力（締付面圧）を付与できる締め代を計算する。その締め代が得られるリング内径の寸法値を求め、その内径となるように円板部材２を製作する。
(iv) ステップ(i)〜(iii)で製作した被嵌合軸３と円板部材２を嵌合させて一体の嵌合体１とする。熱膨張・熱収縮を利用する方法としては、被嵌合軸３を冷却して円板部材２に嵌合する方法、円板部材２を加熱して被嵌合軸３を嵌合する方法（焼き嵌め）、それら被嵌合軸３の冷却、円板部材２の加熱の双方を行って嵌合する方法などが挙げられる。また、荷重を付与して強制的に被嵌合軸３を円板部材２に圧入して嵌合する方法も挙げられる。
(iii) The interference that can apply a predetermined fastening force (tightening surface pressure) to the amount of decrease in the diameter of the fitted shaft 3 measured in step (ii) is calculated. The dimensional value of the ring inner diameter at which the interference is obtained is determined, and the disk member 2 is manufactured so as to have the inner diameter.
(iv) The fitted shaft 3 manufactured in the steps (i) to (iii) is fitted to the disk member 2 to form an integrated fitting body 1. As a method of utilizing the thermal expansion and thermal contraction, a method of cooling the fitted shaft 3 to fit the disk member 2 and a method of heating the disk member 2 and fitting the fitted shaft 3 ( Shrink fitting), a method of performing both of cooling of the fitted shaft 3 and heating of the disk member 2 to perform fitting. Further, there is also a method of forcibly fitting the fitted shaft 3 into the disc member 2 by applying a load to the disk member 2 forcibly.
(v) ステップ(iv)で嵌合された嵌合体１に対して、熱処理を行う。なおこのとき、被嵌合軸３の表面温度が２００〜３８０℃になる熱処理条件とすることが望ましい。なお、(iv)において被嵌合軸３の嵌合手段として焼き嵌めを採用した場合、焼き嵌め後に被嵌合軸３の表面が２００〜３８０℃まで上昇していれば、このステップ(v)の工程を実施しなくてもよい。 (v) Heat treatment is performed on the fitted body 1 fitted in step (iv). At this time, it is desirable that the heat treatment conditions be such that the surface temperature of the fitted shaft 3 becomes 200 to 380 ° C. In the case where the shrink fitting is adopted as the fitting means of the fitted shaft 3 in (iv), if the surface of the fitted shaft 3 has risen to 200 to 380 ° C. after the shrink fitting, this step (v) Step need not be performed.
本発明の処理方法に従って実施すれば、上記のような場合においても、ひずみ時効の効果を引き出すことにより、被嵌合軸３が円板部材２に嵌合された嵌合体１の嵌合部５、特に接触面４における疲労強度を向上させることができる。
［事例２］
図１Ｂに示すようなボルト２（締結部材２）などで締結された鋼材３（被締結部材３）に対して、本発明の処理方法を実施する場合は、以下の通りである。
If implemented according to the processing method of the present invention, even in the above case, the effect of strain aging is brought out, whereby the fitting shaft 5 of the fitting body 1 in which the fitted shaft 3 is fitted to the disc member 2. In particular, the fatigue strength of the contact surface 4 can be improved.
[Case 2]
The case where the processing method of the present invention is applied to a steel material 3 (member to be fastened 3) fastened by bolts 2 (fastening members 2) or the like as shown in FIG. 1B is as follows.
ボルト２などで締結された鋼材３に対して、本発明の処理方法を適用する場合の具体手順を示す。接触面４となる鋼材３の表面に対して、表面加工と熱処理を実施するに際しての基本事項に関しては、円板部材２に嵌合された被嵌合軸３に対して、本発明の処理方法を実施する場合（事例１）と略同じである。
(i) 鋼板３の表面（接触面４）に対して、表面加工を実施する。表面加工法としては、例えば、バニシング加工が好ましい。
A specific procedure for applying the treatment method of the present invention to a steel material 3 fastened with bolts 2 or the like will be described. Regarding the basic matter of performing the surface processing and the heat treatment on the surface of the steel material 3 serving as the contact surface 4, the processing method of the present invention is applied to the fitted shaft 3 fitted to the disk member 2. (Case 1).
(i) The surface of the steel plate 3 (contact surface 4) is subjected to surface processing. As the surface processing method, for example, burnishing is preferable.
(ii) ステップ(i)で表面加工を行った鋼板３に対して、熱処理を行う。なおこのとき、鋼板３の表面温度が２００〜３８０℃になる熱処理条件とすることが望ましい。なお、ボルト２を締結する前に、鋼板３の表面に対して熱処理を行う理由としては、ボルト２と鋼板３が一体構造となった結合体１が、ものによって取り回しが容易ではなくなるため、熱処理が行いにくくなることもある。その場合、特段の制約がなければ、次のステップ(iii)と、このステップ(ii)を入れ替えて実施しても良い。 (ii) Heat treatment is performed on the steel sheet 3 subjected to the surface processing in step (i). At this time, it is desirable to set the heat treatment conditions so that the surface temperature of the steel sheet 3 becomes 200 to 380 ° C. The reason why the surface of the steel plate 3 is subjected to the heat treatment before the bolt 2 is fastened is that the joined body 1 in which the bolt 2 and the steel plate 3 are integrally formed becomes difficult to handle because of the thing. May be difficult to perform. In this case, the next step (iii) and this step (ii) may be exchanged with each other, unless otherwise limited.
(iii) 適宜ワッシャー６を介して、ボルト２で鋼板３を締結する。
本発明の処理方法に従って実施すれば、上記のような場合においても、ひずみ時効の効果を引き出すことにより、鋼板３がボルト２で締結された結合体１の結合部５、特に接触面４における疲労強度を向上させることができる。
ここで、上で述べた本実施例の効果について説明する。
(iii) The steel plate 3 is fastened with the bolt 2 through the washer 6 as appropriate.
According to the processing method of the present invention, even in the above case, the effect of the strain aging is brought out, so that the fatigue of the joint 5 of the joint 1 in which the steel plate 3 is fastened with the bolt 2, particularly the contact surface 4. Strength can be improved.
Here, effects of the above-described embodiment will be described.
本実施例の[事例１]の手順によって製作した被嵌合軸３を円板部材２に嵌合した嵌合体１に関し、疲労試験を行った。供試材については、強度の低い被嵌合軸３側から損傷するように、評価対象の被嵌合軸３に低合金鋼（引張強度：８５０ＭＰａ級）を用い、円板部材２にＳＣＭ４３５の焼入焼戻材（ＨＶ４８０以上の高強度材）を用いた。
上記の(i)〜(v)の各ステップについては、以下の通りである。
A fatigue test was performed on the fitted body 1 in which the fitted shaft 3 manufactured by the procedure of [Case 1] of the present embodiment was fitted to the disk member 2. For the test material, low-alloy steel (tensile strength: 850 MPa class) is used for the fitting shaft 3 to be evaluated and the SCM435 is used for the disc member 2 so as to be damaged from the fitting shaft 3 having low strength. A quenched and tempered material (high strength material of HV480 or more) was used.
The steps (i) to (v) are as follows.
ステップ(i)において、被嵌合軸３に適用した表面加工法に関しては、バニシング加工とした。ステップ(iv)における嵌合方法に関しては、被嵌合軸３を液体窒素冷却し、円板部材２を２７０℃に加熱して嵌合した。ステップ(v)における熱処理条件に関しては、２７０℃、１時間（炉冷）とした。
図２に、フレッティング疲労試験装置１０の構造の概略と、フレッティング疲労試験に用いる試験体（嵌合体１）の形状（円板部材２、被嵌合軸３）を示す。
In step (i), burnishing was applied to the surface processing method applied to the fitted shaft 3. Regarding the fitting method in step (iv), the fitted shaft 3 was cooled with liquid nitrogen, and the disk member 2 was heated to 270 ° C. and fitted. The heat treatment conditions in step (v) were 270 ° C. for 1 hour (furnace cooling).
FIG. 2 shows an outline of the structure of the fretting fatigue test apparatus 10 and the shape (disc member 2, fitted shaft 3) of a test body (fitting body 1) used in the fretting fatigue test.
本実施形態においては、疲労試験装置１０に、特開２０１８−０２５５３２号公報に示している「フレッティング疲労試験装置」を用いた。
具体的に、図２に示すように、円板部材２に焼き嵌められた被嵌合軸３が評価対象である。被嵌合軸３は、一端側がレバー１１の他端側に固定されている。そのレバー１１の他端側には、加振機１２が取り付けられている。その加振機１２が鉛直方向に往復運動することに従い、レバー１１を介して被嵌合軸３に対してねじり荷重と曲げ荷重とが同時に繰り返し付与される。あるいは、被嵌合軸３の取り付いたレバー１１の固定部を拘束することにより、ねじり荷重のみを繰り返し付与することができることも示されている。そうすると、フレッティングにより焼き嵌め（接触面４）の端部（損傷評価部）において疲労き裂Ｃが発生する。
In the present embodiment, a “fretting fatigue test device” disclosed in JP-A-2018-025532 is used as the fatigue test device 10.
Specifically, as shown in FIG. 2, the fitted shaft 3 shrink-fitted to the disk member 2 is an evaluation target. One end of the fitted shaft 3 is fixed to the other end of the lever 11. A vibrator 12 is attached to the other end of the lever 11. As the vibrator 12 reciprocates in the vertical direction, a torsional load and a bending load are simultaneously and repeatedly applied to the fitted shaft 3 via the lever 11. Alternatively, it is also shown that only the torsional load can be repeatedly applied by restricting the fixed portion of the lever 11 to which the fitted shaft 3 is attached. Then, a fatigue crack C occurs at the end (damage evaluation portion) of the shrink fit (contact surface 4) due to fretting.
本試験では、ねじり荷重のみを与える場合について、疲労き裂Ｃの発生により試験体が剛性を失うことによって、レバー１１先端の変位振幅が２０％増大するまでのサイクル数を以って、疲労寿命とした。なお、破断しなかった場合については、１０７回までで試験を打ち切った。
図３に、Ｓ−Ｎ曲線（被嵌合軸３に対する疲労試験の結果）を示す。
In this test, when only a torsional load is applied, the specimen loses its rigidity due to the occurrence of fatigue crack C, and the fatigue life is determined by the number of cycles until the displacement amplitude at the tip of the lever 11 increases by 20%. And It should be noted that, for if you did not break, broke off test at up to 10 seven times.
FIG. 3 shows an SN curve (the result of a fatigue test on the fitted shaft 3).
試験体は、表面加工（表面仕上）を施していない試験体（■印）、嵌合する前に接触面４となる被嵌合軸３の表面に対してバニシング加工を施した試験体（●印）、ならびに、接触面４となる被嵌合軸３の表面にバニシング加工を施した上で、嵌合した後に２７０℃で熱処理を行った試験体（○印）の三つの条件としている。
図３に示すように、バニシング加工を行うことによって、フレッティング疲労寿命が５倍に増加した（■印→●印）。さらに、バニシング加工に加えて熱処理を行うことによって、フレッティング疲労寿命が更に１．２５倍延長するという良好な結果（●印→○印）が得られ、本発明の効果を確認することができた。
The test specimens were not subjected to surface processing (surface finish) (marked by ■), and the test specimens subjected to burnishing on the surface of the fitted shaft 3 to be the contact surface 4 before fitting (●) Mark), and a test piece (o mark) in which the surface of the shaft 3 to be fitted, which becomes the contact surface 4, is subjected to burnishing, fitted, and then heat-treated at 270 ° C.
As shown in FIG. 3, by performing burnishing, the fretting fatigue life was increased by a factor of 5 (■ →→). Further, by performing a heat treatment in addition to the burnishing process, a favorable result that the fretting fatigue life is further extended by 1.25 times (from a mark to a mark) can be obtained, and the effect of the present invention can be confirmed. Was.
つまり、本発明の処理方法に従って実施すると、フレッティング疲労強度が高いものとなり、結合体１の疲労強度設計において有利となることが明らかとなった。
以上、本発明によれば、塑性加工後のひずみ時効の効果を引き出すことにより、締結部材２と被締結部材３が結合された結合体１の結合部５、特に接触面４における疲労強度を向上させることができる。また、本発明において、嵌合手段として焼き嵌め工程を選択した場合、その余熱を熱処理に活用することができるようになるので、ひずみ時効の効果が自動的に得られるようになる。
In other words, it was clarified that the fretting fatigue strength was high when implemented according to the treatment method of the present invention, which was advantageous in designing the fatigue strength of the combined body 1.
As described above, according to the present invention, the effect of strain aging after plastic working is brought out to improve the fatigue strength at the joint portion 5 of the joint 1 in which the fastening member 2 and the member 3 are joined, particularly the contact surface 4. Can be done. In the present invention, when the shrink-fitting step is selected as the fitting means, the residual heat can be used for the heat treatment, so that the effect of strain aging can be obtained automatically.
つまり、本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法は、二つ以上の鋼製の構成部材２、３を接触させ且つ結合することで結合体１を製作するに際して、二つ以上の構成部材２、３のフレッティング疲労強度を向上させるにあたり、構成部材２、３の表面であって二つ以上の構成部材２、３の接触面４に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、表面加工ステップの後に行うものであって、圧入又は冷し嵌めを用いて、構成部材２、３を結合する結合ステップと、表面加工ステップの後に行うものであって、ひずみ時効を誘起させるために、構成部材２、３に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、を有しているとよい。 In other words, the processing method according to the present invention for improving the fretting fatigue strength is characterized in that the two or more steel components 2, 3 are brought into contact with each other and combined to produce In order to improve the fretting fatigue strength of the members 2 and 3, a surface processing step of performing surface processing on the surfaces 4 of the components 2 and 3 and the contact surfaces 4 of the two or more components 2 and 3 is provided. , Which is performed after the surface processing step, and is performed after the bonding step of bonding the components 2, 3 using press-fitting or cold fitting, and after the surface processing step, to induce strain aging. And a heat treatment step of performing a heat treatment on the constituent members 2 and 3.
また、本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法は、二つ以上の鋼製の構成部材２、３を接触させ且つ結合することで結合体１を製作するに際して、二つ以上の構成部材２、３のフレッティング疲労強度を向上させるにあたり、構成部材２、３の表面であって二つ以上の構成部材２、３の接触面４に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、表面加工ステップの後に行うものであって、締結手段２を用いて、構成部材３を結合する結合ステップと、表面加工ステップの後に行うものであって、ひずみ時効を誘起させるために、構成部材２、３に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、を有しているとよい。 Further, the processing method for improving the fretting fatigue strength according to the present invention is characterized in that two or more steel components 2, 3 are brought into contact with each other and bonded to each other to produce a combined body 1 having two or more components. In order to improve the fretting fatigue strength of the members 2 and 3, a surface processing step of performing surface processing on the surfaces 4 of the components 2 and 3 and the contact surfaces 4 of the two or more components 2 and 3 is provided. , Which is performed after the surface processing step, and is performed after the joining step of connecting the component members 3 by using the fastening means 2 and the surface processing step. And a heat treatment step of performing a heat treatment on the second and third heat treatments.
さらに、本発明にかかるフレッティング疲労強度を向上させる処理方法は、二つ以上の鋼製の構成部材２、３を接触させ且つ結合することで結合体１を製作するに際して、二つ以上の構成部材２、３のフレッティング疲労強度を向上させるにあたり、構成部材２、３の表面であって二つ以上の構成部材２、３の接触面４に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、表面加工ステップの後に行うものであって、焼き嵌めを用いて、構成部材２、３を結合する結合ステップ、を有しているとよい。 Further, the processing method for improving the fretting fatigue strength according to the present invention provides a method for manufacturing the joined body 1 by bringing two or more steel components 2 and 3 into contact with each other and joining them together. In order to improve the fretting fatigue strength of the members 2 and 3, a surface processing step of performing surface processing on the surfaces 4 of the components 2 and 3 and the contact surfaces 4 of the two or more components 2 and 3 is provided. , Which is performed after the surface processing step, and has a joining step of joining the constituent members 2 and 3 using shrink fitting.
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
It should be understood that the embodiments disclosed this time are illustrative in all aspects and not restrictive.
In particular, in the embodiment disclosed this time, matters not explicitly specified, for example, operating conditions and operating conditions, various parameters, dimensions of components, weight, volume, etc., do not depart from the range normally performed by those skilled in the art. Instead, a value that can be easily assumed by a person skilled in the art is adopted.
１ 結合体、嵌合体、締結体
２ 締結部材、円板部材、ボルト
３ 被締結部材、被嵌合軸、鋼材
４ 接触面
５ 結合部、嵌合部
６ ワッシャー
１０ 疲労試験装置
１１ レバー
１２ 加振機
Ｃ き裂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Joined body, fitting body, fastening body 2 Fastening member, disk member, bolt 3 Fastened member, fastened shaft, steel material 4 Contact surface 5 Joined portion, fitted portion 6 Washer 10 Fatigue test device 11 Lever 12 Vibration Machine C crack
Claims (6)
前記構成部材の表面であって二つ以上の構成部材の接触面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、
前記表面加工ステップの後に行うものであって、圧入又は冷し嵌めを用いて、前記構成部材を結合する結合ステップと、
前記表面加工ステップの後に行うものであって、ひずみ時効を誘起させるために、前記構成部材に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、
を有している
ことを特徴とするフレッティング疲労強度を向上させる処理方法。 When manufacturing a joined body by contacting and joining two or more steel components, in order to improve the fretting fatigue strength of the two or more components,
Having a surface processing step of performing surface processing on the contact surface of two or more components on the surface of the component,
Performing after the surface processing step, using a press fit or a cold fit, a coupling step of coupling the component members,
A heat treatment step to be performed after the surface processing step, and to perform a heat treatment on the constituent member to induce strain aging,
A processing method for improving fretting fatigue strength, comprising:
前記構成部材の表面であって二つ以上の構成部材の接触面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、
前記表面加工ステップの後に行うものであって、締結手段を用いて、前記構成部材を結合する結合ステップと、
前記表面加工ステップの後に行うものであって、ひずみ時効を誘起させるために、前記構成部材に対して熱処理を実施する熱処理ステップと、
を有している
ことを特徴とするフレッティング疲労強度を向上させる処理方法。 When manufacturing a joined body by contacting and joining two or more steel components, in order to improve the fretting fatigue strength of the two or more components,
Having a surface processing step of performing surface processing on the contact surface of two or more components on the surface of the component,
It is performed after the surface processing step, using a fastening means, a connecting step of connecting the component members,
A heat treatment step to be performed after the surface processing step, and to perform a heat treatment on the constituent member to induce strain aging,
A processing method for improving fretting fatigue strength, comprising:
前記構成部材の表面であって二つ以上の構成部材の接触面に対して表面加工を行う表面加工ステップを有し、
前記表面加工ステップの後に行うものであって、焼き嵌めを用いて、前記構成部材を結合する結合ステップ、を有している
ことを特徴とするフレッティング疲労強度を向上させる処理方法。 When manufacturing a joined body by contacting and joining two or more steel components, in order to improve the fretting fatigue strength of the two or more components,
Having a surface processing step of performing surface processing on the contact surface of two or more components on the surface of the component,
A processing method for improving fretting fatigue strength, which is performed after the surface processing step and includes a bonding step of bonding the constituent members by using shrink fitting.
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|---|---|---|---|---|
| CN114135547A (en) * | 2021-11-23 | 2022-03-04 | 一重集团天津重工有限公司 | Method for eliminating axial clearance generated by shrinkage in long shaft cold-fitting process |
| CN114135547B (en) * | 2021-11-23 | 2024-04-12 | 一重集团天津重工有限公司 | Method for eliminating axial clearance generated by shrinkage in long shaft part cold-assembling process |
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- 2018-08-24 JP JP2018157406A patent/JP2020029609A/en active Pending
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