JP4483778B2 - 無端金属ベルトの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、無端金属ベルトの製造方法に関する。本発明は、たとえばCVT(Continuously Variable Transmission) ベルトのフープの強化等に利用できる。
無端金属ベルトは、たとえば2つのローラに巻掛けられ、輪転されるので、ベルトがローラ部位を通過する時にはベルトの外周側に引張の曲げ応力が生じ、ベルトがローラ部位を通過してつぎのローラ部位に来る時まではベルトは直線状になって、ベルトの外周側の曲げによる引張応力は無くなる。したがって、ベルトの外周面は、ベルトの輪転時に、曲げによる引張応力が繰り返し掛かり、疲労強度を向上させることが望まれる。
特開昭61−42402号公報、特開昭63−96258号公報等に、無端金属ベルトの外周面のみにショットピーニングを施すことにより、外周表面に圧縮残留応力を生ぜしめ、外周表面の疲労強度の向上をはかった無端金属ベルトが提案されている。
特開昭61−42402号公報 特開昭63−96258号公報
しかし、薄板からなる無端金属ベルトでは、発生する残留応力の層の厚さが板厚に対して無視できないレベルとなり、図8に示すように、ベルト6’は、ショットピーニング後に極めて激しい形状変化(多重化)を起こす。これは、ショット粒投射側(ベルト外周側)の圧縮残留応力が解放した結果、ベルト各部の円周方向曲率半径が小さくなるためである。その結果、薄板からなる無端金属ベルトでは、ある程度以上の強力なショットピーニングを行えず(多重化を生じない程度のショットピーニングしか行えず)、十分な疲労強度の向上を得ることができない。
本発明の目的は、大きな形状変化を起こすことなく大きな疲労強度向上が得られる無端金属ベルトの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 端金属ベルトの外周面と内周面の両方にショットピーニングを施す無端金属ベルトの製造方法であって、
前記無端金属ベルトを2つの第1のローラに巻掛けて、前記無端金属ベルトの前記第1のローラへの巻きかけ部分の外周面に予引張応力を生じさせ、前記無端金属ベルトを前記2つの第1のローラへの巻きかけ部分の間で前記無端金属ベルトの外周側から内周側に第2のローラで押して、前記無端金属ベルトの前記第2のローラにより押された部分の内周面に予引張応力を生じさせ、
前記無端金属ベルトの内周面のショットピーニングを前記無端金属ベルトの前記第2のローラにより押された部分に前記無端金属ベルトの内周側からショット粒を投射することにより行い、前記無端金属ベルトの外周面のショットピーニングを前記無端金属ベルトの前記第1のローラへの巻きかけ部分に前記無端金属ベルトの外周側からショット粒を投射することにより行い、
前記無端金属ベルトの内周面のショットピーニングより後に前記無端金属ベルトの外周面のショットピーニングを行う無端金属ベルトの製造方法。
) 前記無端金属ベルトを走行させながら前記無端金属ベルトを反転させることなく前記無端金属ベルトの内周面および外周面にショットピーニングを行う(1)記載の無端金属ベルトの製造方法。
) 前記無端金属ベルト内周面への投射を先に開始し、その後前記無端金属ベルトの送りにより前記内周面の投射された部位が外周面への投射位置に移動したタイミングで外周面への投射を開始する()記載の無端金属ベルトの製造方法。
) 前記無端金属ベルトの各部位における内周面および外周面への投射順序が異ならないようにショット粒の投射を行う()記載の無端金属ベルトの製造方法。
) 前記無端金属ベルトの内周面へのショット粒の投射を先に行う()記載の無端金属ベルトの製造方法。
) 前記無端金属ベルトの内周面へのショット粒の投射時間より外周面へのショット粒の投射時間を長く設定して、前記無端金属ベルトの各部位における最終投射が外周側となるようにした()〜()記載の無端金属ベルトの製造方法。
上記(1)の無端金属ベルトの製造方法では、無端金属ベルトの内周と外周の両方にショットピーニングが施されるので、無端金属ベルトの内周側にも外周側にもショットピーニングによる圧縮残留応力層が形成され、内周側の圧縮残留応力の応力解放によるベルト形状変化作用と外周側の圧縮残留応力の応力解放によるベルト形状変化作用が、互いに打ち消し合って、無端金属ベルトが激しい形状変化(多重化)を起こさなくなる。その結果、ベルト外周表面に高レベルのショットピーニングとそれによる圧縮残留応力を付与することができ、従来に比べて大きな、ベルト外周表面の疲労強度向上が得られる。また、内周面のショットピーニングより後に外周面のショットピーニングを行うので、内周側の応力値が低く、外周側の応力値は高くなり、外周面のショットピーニングより後に内周面のショットピーニングを行った場合よりも、疲労強度が向上する。
上記()の無端金属ベルトの製造方法では、無端金属ベルトの内外周反転作業やローラへの着脱作業を省くことができ、ベルトを反転させる場合に比べて、ベルトの疲労強度向上のための処理時間を短縮することができる。
上記()の無端金属ベルトの製造方法では、ベルトのショット粒の投射順序がベルトの各部位で内周面への投射、外周面への投射となる。
上記()の無端金属ベルトの製造方法では、ベルトのショット粒の投射順序がベルトの各部位で異ならないようにしたので、ショット粒の投射順序のベルト形状に及ぼす影響がベルトの各部位で同じになり、ベルトのショット粒の投射順序がベルトの各部位で異なる場合に比べて、ベルトの各部位の形状精度のばらつきを抑えることができ、ベルト全周で均一な形状精度を得ることができる。
上記()の無端金属ベルトの製造方法では、無端金属ベルトの内周面へのショット粒の投射を先に行うので、外周面に高レベルの圧縮残留応力を付与することができる。
上記()の無端金属ベルトの製造方法では、無端金属ベルトの各部位における最終投射が外周側となるようにしたので、内周投射による影響をほとんど受けない状態で外周の残留応力を付与することができる。
以下に、本発明の無端金属ベルトの製造方法を、図1〜図7を参照して、説明する。なお、本発明の全実施例にわたって共通する構成部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明で用いたショットピーニングは、ベルト6に予負荷(プリストレス)を付与しておいて施したショットピーニング(ストレスピーニングと呼ばれるもの)を含む。ただし、本発明で用いたショットピーニングは、ストレスピーニングに限るものではない。
ストレスピーニングの原理を、図3、図4を参照して説明する。
ベルト6がローラ1、2、3に巻掛けられる部分にさしかかると、ベルト6に曲げが生じ、曲がりの外周側に引張曲げ応力の予負荷Aがかかり、曲がりの内周側に圧縮曲げ応力の予負荷がかかる。この状態でショットピーニングを施す。ショット粒7をベルト6の引張曲げ応力の予負荷がかかっている部分に投射する。Vは投射速度、eVは反射速度を示す。ショット粒7の投射により、ベルト6の表面が伸びて表面部に圧縮残留応力Bが生じる。ついで、ベルト6の輪転に伴い、ベルト6がローラ1、2、3巻掛け部から進んで直線部に入ると引張曲げ応力の予負荷が解放され、引張予負荷A分が加わって、ベルト表面にA+B=Cの大きな圧縮残留応力が形成される。すなわち、予負荷が無い場合のショットピーニングに比べて、ストレスピーニングでは引張予負荷A分大きな圧縮残留応力が得られ、疲労強度向上上有利となる。
つぎに、本発明の無端金属ベルト6の製造方法を説明する。
実施例1(無端金属ベルトの製造方法)
本発明に係る無端金属ベルト6は、図1、図2に示すように、外周面6Aにショットピーニングによる圧縮残留応力が付与された層6aを有するとともに、内周面6Bにもショットピーニングによる圧縮残留応力が付与された層6bを有する無端金属ベルトからなる。無端金属ベルト6は、1本のベルトをリング状にして始端と終端を溶接などにより接合して無端状にした金属ベルトである。ショットピーニングは、ストレスピーニングであることが望ましいが、予負荷を与えないで施したショットピーニングであってもよい。
また、本発明の無端金属ベルト6(以下、単にベルト6ともいう)の製造方法は、図3、図4に示すように、無端金属ベルトの外周面6Aと内周面6Bの両方に装置4、5からショット粒を投射して、ショットピーニングを施す無端金属ベルトの製造方法からなる。ショットピーニングは、ストレスピーニングであることが望ましいが、予負荷を与えないで施したショットピーニングであってもよい。
ストレスピーニングの場合は、図3に示すように、無端金属ベルト6の表面に曲げ応力による予負荷を付与した部分(ローラ1、2、3等に巻掛けられた部分)にショットピーニングを施す。
上記の内外周ショットピーニングの作用については、従来は、金属薄板の外周面のみにショットピーニングを施していたので、多重化を生じ、強いショットピーニングをかけることができなかったが、本発明では、内外周面6A、6Bにショットピーニングをかけるので、内外周面に圧縮残留応力が生じ、応力を解放した時に、内周側の圧縮残留応力による形状変形作用が外周側の圧縮残留応力による形状変形作用を打ち消して、ベルト6が多重化することを抑制する。その結果、ベルト6の激しい形状変形(多重化)を生じることなく、外周面6Aに、従来よりも大幅に強力なショットピーニングをかけて、より高レベルの圧縮残留応力を付与することができ、大幅な疲労強度の向上をはかることができた。
実施例として使用した無端金属ベルト6は、板厚が約0.2mm、板幅が約12mm、周長が約720mmのマルエージング鋼で、ショットピーニングに先立ち、表面に窒化処理を施したものを用いた。その時の窒化層厚さは約25μmであった。
無端金属ベルト6の内外周面へのショット粒の投射の効果を検証するために、以下の2条件の処理を行った。
(1) 外周のみの投射で、予負荷曲率半径Rが20mm、投射エア圧が0.3MPa、投射時間が36sec、投射粒径がΦ70μm、ショット粒硬度がHV700、駆動軸回転数が20rpmにて、投射処理を実施した。
(2) 一方、内外周両方の投射処理を上記と同一の条件にて行った。
その結果、外周のみの投射処理では、図8に示すように無端金属ベルト6’は形状を維持できず、多重化してしまった。そして、従来の外周のみの投射で、ベルト形状が維持できる上限条件レベルは、予負荷曲率半径Rが40mm、投射エア圧が0.1MPa、投射時間が36sec、投射粒径がΦ70μm、ショット粒硬度がHV700、駆動軸回転数が20rpmで、圧縮残留応力は1.3GPa、疲労強度は窒化のままの場合に比べて5%程度の向上にとどまった。この結果を、図5中に、(1) で示す。
それに対し、内外周の処理を施した本発明実施例品は、図1に示すように形状を維持しており(多重化していない)、表面の圧縮残留応力はX線応力測定の結果1.8GPaに達し、その疲労強度は図5の(2) に示すように、100万回繰り返し強度で窒化のままのものに比較して約20%の向上が得られた。
参考例1(無端金属ベルトの製造方法)
参考例1の無端金属ベルトの製造方法では、無端金属ベルト6を少なくとも2つのローラに巻掛け、無端金属ベルト6を走行させながら無端金属ベルト6の内周面にショットピーニングを行い、その後無端金属ベルト6を内外反転させて、無端金属ベルト6を走行させながら無端金属ベルト6の外周面にショットピーニングを行う。
参考例1では、内周側の処理と外周側の処理を行う順序を、内周側の処理を先にし、外周側の処理を後にする方法であり、その場合に、無端金属ベルト6の内外周の反転を伴う方法である。
参考例1の作用については、内周側の処理を先にし、外周側の処理を後にしたので、その逆の順序で処理する場合よりも疲労強度上有利である。
その理由は、強度に直接影響する外周側の圧縮残留応力のレベルに違いが見られ、外周側の処理を後にする方が、他の場合より結果として高レベルの値が得られ、これが疲労強度向上に結びついていると考えられる。
圧縮残留応力の値が高くなる理由としては、以下のように推論される。薄板にショットピーニングを施す場合、ショットピーニングに伴い金属板(ベルト)には面内方向(板厚に対し垂直方向)の伸びが発生する。したがって、金属板の表裏(ベルト内外周)で投射のタイミングが異なる場合、後から行う投射によって生じる面方向の伸びは、先の投射で付与された圧縮残留応力を解放する方向に働く。これによって、投射の順序によって最終的に付与される応力のバランスが異なると考えられる。
もしも、外周側の投射を先に行うと、内周側投射時に金属板が延びることによって外周側の応力が解放してしまうため、外周側の圧縮残留応力が低レベルになるが、参考例1では、内周側を先に投射するので、内周側の応力値が低く、外周側の応力値は高くなり、疲労強度が向上すると考えられる。
実施例1で説明した無端金属ベルトと同様のものを用い、投射順序を(2) 内周→外周としたものと、(3) 外周→内周としたもの((3) は参考例1には含まれないが本発明の実施例1には含まれる)とで、疲労強度を比較した。
その結果を図6に示す。100万回繰り返し強度(図6の縦軸が強度を示す)で比較すると、窒化のままのものに対する強度向上率は、上記(3) が11%程度であるのに対し、上記(2) では約20%の向上が見られた。強度に影響の強い外周面の表面残留応力を計測したところ、(3) が1.5GPaであるのに対し、(2) では1.8GPaに達し、投射順序の違いによる圧縮残留応力レベルの違いが確認された。
実施例(無端金属ベルトの製造方法)
本発明の実施例の無端金属ベルトの製造方法では、図3に示すように、無端金属ベルト6を少なくとも2つのローラ1、2、3に巻掛け、無端金属ベルト6を走行させながら無端金属ベルト6を反転させることなく無端金属ベルト6の内周面6Bおよび外周面6Aにショットピーニングを行う。
参考例1のようにベルト6の内外周を反転させる場合は、内外周反転作業が必要で、投射処理は2工程必要になる。それに対し、実施例は図3に示すように内外周を反転させることなく処理する。
内周面6Bの処理ではストレスピーニング(予負荷として表面を引張応力状態にしておいて投射処理し、予負荷解放時のその分の応力を圧縮残留応力として余分に付与する)の効果を得るため、内周処理部位に外周側からローラ3を押し当て、ローラ1、2の部位とは逆方向の円周方向曲率を与え、内周面に引張応力を発生させた状態で処理を行う。
本発明の実施例では、実施例1で述べたと同様のベルト6を用いて、図3に示す装置により、内外周に同工程でストレスピーニング処理を行った。ここで、投射条件は、内外周とも予負荷曲率半径Rが20mm、投射エア圧が0.3MPa、投射時間が36sec、投射粒径がΦ70μm、ショット粒硬度がHV700、駆動軸回転数が20rpmにて行い、投射は内外周同時に開始し、数回輪転させて、同時に終了した。
1本のベルトの処理に必要なサイクルタイム(取付け+処理+取外しの、サイクルタイム)は、参考例1の場合は、ベルトの反転作業時間、処理品の着脱時間を含めると120秒程度必要であるのに外資、実施例の場合は、約55秒と大幅に削減できる。一方、処理品の強度としては、参考例1の図5の(2) とほぼ同レベルの値が得られ、強化率としては約18%であった。
実施例(無端金属ベルトの製造方法)
本発明の実施例の無端金属ベルトの製造方法では、無端金属ベルト6の各部位における内周面6Bおよび外周面6Aへの投射順序が異ならないようにショット粒の投射を行う。また、無端金属ベルトの内周面6Bへのショット粒の投射を先に行う。
実施例の処理を行う場合、投射装置4、5の投射タイミングを同時に行っても、ベルト6の周方向の部位の違いによって、内周側が先に投射される部位と外周側が先に投射される部位が発生する。参考例1で述べたように、投射の順序は圧縮残留応力に影響し、それによって決定される処理品の形状精度にも影響を及ぼす。金属ベルト6の用途としては、CVTベルトのフープのように軸方向断面のクラウニング(幅方向湾曲)精度が要求される場合が多く、特に周方向での部位によるバラツキはできる限り小さい方が望ましい。
実施例では、周方向部位による投射順序が異なることがないように、内周面6Bの処理を先に開始し、その後処理品の回転(輪転)送りにより、その部位が外周投射位置に移動したタイミングで、外周面6Aへの投射を開始する。
この方法により、ベルト6全体の部位による投射順の違いはなくなり、均一な形状精度が得られる。
本発明の実施例では、実施例1で述べたと同様のベルト6を用いて、図3に示す装置により、内外周に同工程でストレスピーニング処理を行った。ここで、投射条件は、内外周とも予負荷曲率半径Rが20mm、投射エア圧が0.3MPa、投射時間が36sec、投射粒径がΦ70μm、ショット粒硬度がHV700、駆動軸回転数が20rpmにて行った。ただし、投射開始タイミングに関しては、外周の投射開始時間を内周の投射開始時間に対し約2秒遅延させた。
ベルト6各部のクラウニングR、32箇所のばらつきについて、従来法、本発明実施例の方法ともに30個のベルトについて、1本の処理品内ばらつきを測定値の標準偏差によって比較した。結果を図7に示す。クラウニングRのベルト全周でのばらつきは大幅に抑制され、ばらつき範囲(標準偏差)で比較して約50%低減された。
実施例(無端金属ベルトの製造方法)
本発明の実施例の無端金属ベルトの製造方法では、図3に示すように、無端金属ベルト6の内周面6Bへのショット粒の投射時間より外周面6Aへのショット粒の投射時間を長く設定して、無端金属ベルト6の各部位における最終投射が外周側となるようにした。
内外周を同工程で処理を行う場合、内外周が互いの投射による面内方向の伸びに影響を与えながら残留応力が付与される。内外周それぞれの残留応力の役割を考慮した場合、内周側は形状維持、外周側は疲労強度の向上で目的が異なり、それに必要な応力レベルも異なる。強度を決定する外周側は内周側よりも高い圧縮残留応力レベルが望ましい。
そこで、処理の終了に当り、内周側の投射を外周側よりも先に終了させ、ベルト6の全周が外周単独で処理された状態にすることで、内周投射による影響を受けない状態で外周の残留応力を付与する。これにより投射を内外周同時に停止した場合に比べ外周側の応力レベルを相対的に高くすることができる。これにより、強度向上と形状精度を高次元でバランスさせることができる。
本発明の実施例においては、使用したベルト6および投射時間以外の投射条件は実施例と同様とした。投射時間に関しては、内周側27secに対し、外周側36secとし、ベルト全周について外周側が最終投射面となるように設定した。これにより残留応力は全外周面に1.8GPaを確保でき、疲労強度向上率は約20%が得られた。これにより、実施例と同様のサイクルタイム55secで実施例1と同じ強化特性が得られ、処理能力と、処理品質(強度、精度)を高次元でバランスさせることができた。
実施例(無端金属ベルトの製造方法)
本発明の実施例の無端金属ベルトの製造方法では、図3に示すように、無端金属ベルト6を、無端金属ベルト6の内周面6Bに予引張応力(予負荷)を付与する第1のローラ3と、無端金属ベルト6の外周面6Aに予引張応力(予負荷)を付与する第2のローラ2とを含む、3つ以上のローラ1、2、3に巻掛け、無端金属ベルト6の内周側から投射ノズル5より無端金属ベルト6の第1のローラ3への巻掛け部分に向けてショット粒を投射し、無端金属ベルト6の外周側から投射ノズル4より無端金属ベルト6の第2のローラ2への巻掛け部分に向けてショット粒を投射する。内周側の投射位置で、外周側の投射位置とは逆方向の予負荷曲率を与え、内外周の投射ノズル4、5をそれぞれ独立で投射タイミングを制御可能とする。
図3は、ショットピーニング装置の構成例を示しており、3個のローラのうち、1が駆動ローラ、2、3が従動ローラである。投射ノズル4、5は2本セットする。外周側の投射は主ノズル4で行い、内周側の投射は副ノズル5で行う。副ノズル5は、周方向で対向位置のベルト6との干渉を防ぐため斜め上方または下方から水平面に対し約30°の角度で投射する。この角度θは、投射速度Vの有効成分V・cosθを大きくするため、ベルト6と干渉しない範囲でできるだけ小さい方が望ましいが、投射速度に余裕のある設備であればとくに規定は必要ない。
ばねでベルト6に張力を与えるようにしてもよい。この張力は、ベルト5がスリップすることなく回転し、送られるための摩擦力を得るためのもので、ローラの曲率によりリング表面に発生する引張予負荷と比較して十分小さい。駆動ローラ1はサーボモータで駆動され、回転数は最大60rpmまで制御可能で、回転速度、回転角は主・副ノズルの投射開始および終了のタイミングと同期している。ショット粒の投射機構は、通常の直圧式エアブロータイプを用いているが、他のベンチレーションエアブロータイプ、もしくはインペラータイプ、その他方式は問わない。
本発明の実施例の作用については、3つ以上のローラ1、2、3を備えた装置で、ベルト6の異なる部位にてベルト6の内周と外周に曲げ予引張応力を付与して内周面6B、外周面6Aにショット粒を投射でき、内外周を反転させることなく、連続的に、効率よくベルトの内外周面にショットピーニングを施すことができる。
発明の無端金属ベルトの製造方法により製造された無端金属ベルト、の斜視図である。 本発明の無端金属ベルトの製造方法により製造された無端金属ベルトの内外周へのショット粒投射後の板厚方向応力分布図である。 本発明の無端金属ベルトの製造方法の側面図である。 本発明の無端金属ベルトの製造方法における各工程での板厚方向の応力分布図である。 本発明の内外周ストレスピーニング処理したベルトと、窒化処理のみ、外周側ショットピーニングのみのベルトの、応力振幅−繰り返し数図(S−N線図)である。 本発明の内周処理後外周処理したベルトと、外周処理ご内周処理したベルトの、応力振幅−繰り返し数図(S−N線図)である。 本発明法と従来法のクラウニング比較図である。 従来(外周処理のみ)の処理後のベルトの斜視図である。
1、2、3 ローラ
2 第2のローラ
3 第1のローラ
4 投射ノズル(外側投射)
5 投射ノズル(内側投射)
6 無端金属ベルト(ベルト)
6A 外周面
6B 内周面
6a 圧縮残留応力が付与された層(外周側)
6b 圧縮残留応力が付与された層(内周側)

Claims (6)

  1. 端金属ベルトの外周面と内周面の両方にショットピーニングを施す無端金属ベルトの製造方法であって、
    前記無端金属ベルトを2つの第1のローラに巻掛けて、前記無端金属ベルトの前記第1のローラへの巻きかけ部分の外周面に予引張応力を生じさせ、前記無端金属ベルトを前記2つの第1のローラへの巻きかけ部分の間で前記無端金属ベルトの外周側から内周側に第2のローラで押して、前記無端金属ベルトの前記第2のローラにより押された部分の内周面に予引張応力を生じさせ、
    前記無端金属ベルトの内周面のショットピーニングを前記無端金属ベルトの前記第2のローラにより押された部分に前記無端金属ベルトの内周側からショット粒を投射することにより行い、前記無端金属ベルトの外周面のショットピーニングを前記無端金属ベルトの前記第1のローラへの巻きかけ部分に前記無端金属ベルトの外周側からショット粒を投射することにより行い、
    前記無端金属ベルトの内周面のショットピーニングより後に前記無端金属ベルトの外周面のショットピーニングを行う無端金属ベルトの製造方法。
  2. 前記無端金属ベルトを走行させながら前記無端金属ベルトを反転させることなく前記無端金属ベルトの内周面および外周面にショットピーニングを行う請求項1記載の無端金属ベルトの製造方法。
  3. 前記無端金属ベルト内周面への投射を先に開始し、その後前記無端金属ベルトの送りにより前記内周面の投射された部位が外周面への投射位置に移動したタイミングで外周面への投射を開始する請求項記載の無端金属ベルトの製造方法。
  4. 前記無端金属ベルトの各部位における内周面および外周面への投射順序が異ならないようにショット粒の投射を行う請求項記載の無端金属ベルトの製造方法。
  5. 前記無端金属ベルトの内周面へのショット粒の投射を先に行う請求項記載の無端金属ベルトの製造方法。
  6. 前記無端金属ベルトの内周面へのショット粒の投射時間より外周面へのショット粒の投射時間を長く設定して、前記無端金属ベルトの各部位における最終投射が外周側となるようにした請求項記載の無端金属ベルトの製造方法。
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