JP4610989B2 - High frequency vibration horn and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させてショットピーニング等を行う金属製の高周波振動用ホーンおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a high frequency vibration horn made of metal that is connected to a high frequency vibration generator and performs high frequency vibration in a liquid and generates cavitation bubbles on the tip side thereof to perform shot peening and the like, and a method of manufacturing the same.
従来、ショットピーニング等の技術に関し、鋼球等を被処理物に噴射することが一般的に行われていた。これに対し、近年ではジェット流体噴射によるキャビテーション技術を利用するショットピーニング等も提案されている。 Conventionally, with respect to techniques such as shot peening, it has been generally performed to inject a steel ball or the like onto a workpiece. On the other hand, in recent years, shot peening using a cavitation technique by jet fluid injection has been proposed.
近年、本願出願人においては、高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動、例えば超音波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させてショットピーニングを行う技術を提案した(例えば、特許文献1参照)。ここでは、金属製の高周波振動用ホーン、すなわち超音波振動子のホーンを適用している。 In recent years, the applicant of the present application has proposed a technique for performing shot peening by performing high-frequency vibration, for example, ultrasonic vibration in a liquid connected to a high-frequency vibration generator and generating cavitation bubbles on the tip side thereof (for example, , See Patent Document 1). Here, a metal high-frequency vibration horn, that is, a horn of an ultrasonic transducer is applied.
ところで、このホーンは例えばチタン合金等の金属によって構成しているが、このホーンの先端を液体中で振動させると、ホーンの先端部にてキャビテーション泡が発生し、このキャビテーション泡によってホーン先端部分が壊食され易い。 By the way, this horn is made of, for example, a metal such as a titanium alloy. However, when the tip of the horn is vibrated in a liquid, cavitation bubbles are generated at the tip of the horn, and the tip of the horn is caused by the cavitation bubbles. Easily eroded.
この対策として、ホーンの先端部にセラミックス部品などをねじ込む方式が適用されているが、ホーンのストロークが数十μm〜100μmなどになると、セラミックス部分がホーンの伸びに追随できないために破損する問題が生じる。 As a countermeasure, a method of screwing ceramic parts or the like into the tip of the horn is applied. However, if the stroke of the horn becomes several tens to 100 μm, the ceramic portion cannot follow the extension of the horn, and thus it is damaged. Arise.
一方、摺動材、ボルト、ナット等の締結材、耐食容器、メガネフレーム、医用・歯科用材料等の分野では、チタン合金にプラズマ処理を施して耐摩耗性等を改善する技術が提案されている(例えば、特許文献2,3,4等参照)。ただし、これらの技術では、部品の全体に浸炭処理を施している。
チタン合金等によって構成されたホーンの全体に浸炭処理を施すと、ホーン全体の硬度が高まり、弾性係数が変化し、ホーンの振動と伸びを阻害する。すなわち、ホーン全体のストロークが設定値以下に減少し、ストロークが小さくなる変化が生じる。そのため、所定のストロークの振動による効果が得られなくなる。 Carburizing the entire horn made of titanium alloy or the like increases the hardness of the entire horn, changes the elastic coefficient, and inhibits vibration and elongation of the horn. That is, the stroke of the entire horn is reduced to a set value or less, and the stroke becomes smaller. For this reason, the effect of vibration of a predetermined stroke cannot be obtained.
一方、ホーンの壊食は、ホーン先端部に発生するキャビテーションによって生じるので、先端部のみ硬化することが望ましい。 On the other hand, since erosion of the horn is caused by cavitation generated at the tip of the horn, it is desirable that only the tip is cured.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ホーンに生じる繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくく、ホーンの伸縮による振動ストロークが減少することを抑制でき、振動が阻害されないようにした高周波振動用ホーンおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the hardened layer on the surface is difficult to peel off due to repeated expansion and contraction that occurs in the horn, and it is possible to suppress a decrease in vibration stroke due to expansion and contraction of the horn. An object of the present invention is to provide a high-frequency vibration horn and a method for manufacturing the same.
前記の目的を達成するために、請求項1に係る発明では、高周波振動発生装置に連結されて液体中で高周波振動を行ない、その先端側にてキャビテーション泡を発生させる母材となる金属製の高周波振動用ホーンであって、前記母材となるその先端側の外周面および端面に浸炭処理による皮膜を形成し、この浸炭処理による先端部分の皮膜は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、前記ホーンの母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされ、かつ前記皮膜の硬度は、Hv600以上、850以下であることを特徴とする高周波振動用ホーンを提供する。
In order to achieve the above object, the invention according to
皮膜の硬度がHv600未満では、キャビテーション作用による壊食量が多くなり、また850を超えると浸炭処理表面に高周波振動によって微細なクラックが生じ易い。 If the hardness of the film is less than Hv600, the amount of erosion due to the cavitation increases, and if it exceeds 850, fine cracks are likely to occur on the carburized surface due to high-frequency vibration.
請求項2に係る発明では、前記ホーンのストロークが10μm以上、150μm以下である高周波振動用ホーンを提供する。
In the invention which concerns on
請求項3に係る発明では、請求項1記載の高周波振動用ホーンを製造する方法であって、前記ホーンの先端部の表面を低温プラズマ法により浸炭処理することを特徴とする高周波振動用ホーンの製造方法を提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing the high-frequency vibration horn according to the first aspect, wherein the front end portion of the horn is carburized by a low temperature plasma method. A manufacturing method is provided.
請求項4に係る発明では、前記ホーンの先端側を除く部分にマスキングを施し、前記ホーンの先端側にのみ低温プラズマ処理によって浸炭処理を施す高周波振動用ホーンの製造方法を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a high-frequency vibration horn in which masking is performed on a portion other than the tip side of the horn, and carburizing treatment is performed only on the tip side of the horn by low-temperature plasma treatment.
本発明によれば、ホーン先端部に発生するキャビテーションによって生じる壊食が確実に防止できるようになる。また、表面から内部へ連続的に硬度を変化させることにより、母材との境界面が生じないため、繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくくなる。さらに、表面硬化によってホーン表面の弾性係数が変化するがホーン先端部を部分的に硬化することにより、ホーンの伸縮が阻害されない。すなわち、振動が減少することを抑制でき、ホーンの所定のストローク振動による効果を維持することができるようになる。 According to the present invention, it is possible to reliably prevent erosion caused by cavitation generated at the horn tip. Moreover, since the boundary surface with the base material does not occur by continuously changing the hardness from the surface to the inside, the hardened layer on the surface is difficult to peel off due to repeated expansion and contraction. Furthermore, although the elastic coefficient of the horn surface changes due to surface hardening, the horn expansion and contraction is not inhibited by partially hardening the horn tip. That is, it is possible to suppress a decrease in vibration, and it is possible to maintain an effect due to a predetermined stroke vibration of the horn.
以下、本発明に係る高周波振動用ホーンおよびその製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、ショットピーニング等に適用される高周波振動装置を示す説明図であり、図2は高周波振動用ホーンの製造方法を示す説明図である。図3は、作用効果を示すグラフである。 Embodiments of a high-frequency vibration horn and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a high-frequency vibration device applied to shot peening and the like, and FIG. 2 is an explanatory view showing a method for manufacturing a high-frequency vibration horn. FIG. 3 is a graph showing the effects.
図1に示すように、本実施形態の高周波振動装置は、高周波電源1からの通電によって高周波振動を発生させる高周波振動発生装置2と、この高周波振動発生装置2の圧電セラミックス製振動子3に連結されて高周波振動をする細長なホーン4と、これらを支持してホーン4の先端面が被改質材5の表面に平行となる対向位置に配置させる支持装置6と、ホーン4と被改質材5の表面との間に液体7を介在させる容器等からなる液体保持装置8とを備えて構成されている。これにより、ホーン4と被改質材5の表面とは、液体7に浸漬された状態となる。
As shown in FIG. 1, the high-frequency vibration device of this embodiment is connected to a high-
高周波振動発生装置2の振動子3は、超磁歪材料または圧電型セラミックッス材料を用いて構成され、この振動子3は高周波電源1から高周波電流を供給され、例えば超音波領域の高周波振動をする。高周波振動発生装置2のホーン4は被改質材5の表面(上面)に対峙した状態で配置される。
The
ホーン4の先端部である下面と被改質材5の表面と平行との間に例えば10mm以下、望ましくは0.1〜数mm(例えば6mm)の間隔(ギャップ)δが設定されている。この状態で、ホーン4は上下方向(矢印a方向)に往復振動をする。また、ホーン4のストロークは、10μm以上150μm以下とされている。
An interval (gap) δ of, for example, 10 mm or less, preferably 0.1 to several mm (for example, 6 mm) is set between the lower surface, which is the tip of the horn 4, and the surface of the
そして、ホーン4が高周波の往復振動を行うと、被改質材5の表面とホーン4の表面との間隙に介在している液体7に微細なキャビテーション気泡9が連続的に発生する一方、ホーン4の高周波往復振動によってその気泡9が次々に潰されるため、この気泡9は発生と崩壊とを連続的に繰り返す。
When the horn 4 performs high-frequency reciprocal vibration,
このホーン4の表面が液体の飽和蒸気圧以下となり、キャビテーション気泡9が生成される。ホーン4の表面に対向する被改質材5の表面も同様に液体の飽和蒸気圧以下となり、キャビテーション気泡9が生成される。
The surface of the horn 4 becomes below the saturated vapor pressure of the liquid, and
次に、ホーン4が瞬間的に下方に移動すると、キャビテーション気泡9が押し潰される。キャビテーション気泡9が押し潰される際には、数百メガパスカルの超高圧が瞬間的に発生し、衝撃波となって周囲に伝搬する。この衝撃波は、ホーン4の先端部4aの端面と被改質材5の表面とに達し、各々に表面に対して大きな衝撃カを作用させ、相対する互いの面を高衝撃波にて打撃することになり、被改質材5の表面に高密度でキャビテーションによる衝撃力を形成させることができる。
Next, when the horn 4 instantaneously moves downward, the
このような構成において、ホーン4の先端部4aには高衝撃力が作用し、上述したように、壊食のおそれが生じる。これに対し、本実施形態では、高周波振動発生装置2に連結されて液体7中で高周波振動を行ない、その先端4a側にてキャビテーション泡9を発生させる部分の先端側の外周面4bおよび端面4cに浸炭処理による皮膜10が形成されている。
In such a configuration, a high impact force acts on the
このホーン4の浸炭処理による先端部分の皮膜10は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、ホーン4の母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされている。そして、皮膜10の硬度は、例えばHv600以上850以下とされている。
The
このような構成によると、ホーン4の先端側の周面4bおよび端面4cに浸炭処理による皮膜10が形成されているため、この部分に発生するキャビテーションによって生じる壊食を防止することができる。また、皮膜10は、その表面から内部へ連続的に硬度を変化させることにより、ホーン4の母材との境界面が生じないため、繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくい。
According to such a configuration, since the
さらに、表面硬化によってホーン4表面の弾性係数が変化するがホーン4の先端部のみを部分的に硬化したことにより、ホーン4の伸縮が阻害されない。すなわち、振動が減少することを抑制できるようになる。 Furthermore, although the elastic coefficient of the surface of the horn 4 changes due to surface hardening, the expansion and contraction of the horn 4 is not hindered because only the tip of the horn 4 is partially cured. That is, it becomes possible to suppress a decrease in vibration.
次に、図2および図3によって高周波振動用ホーンの製造方法およびその作用について説明する。 Next, a method for manufacturing a high-frequency vibration horn and its operation will be described with reference to FIGS.
図2に示すように、本実施形態の方法では、真空炉11内に例えば上下にて対向する1対の電極12,13が設けられ、これらの電極12,13がプラズマ電源装置14に接続されている。
As shown in FIG. 2, in the method of the present embodiment, a pair of
真空炉11には真空ポンプ15およびガス供給装置16が接続されており、真空炉11内の真空度調整および反応ガス(例えばCH4、C3H8、H2、Ar等)の供給等が行われるようになっている。
A
真空炉内では、下部電極13上にホーン4が図1と上下逆の配置で垂直に設置され、上向きのホーン4の先端部4aが、上部電極12に所定距離をあけて対向している。
In the vacuum furnace, the horn 4 is installed vertically on the
施工時においては、ホーン4の先端部4a側を除く部分が、マスキング用導電性ケース17によってマスキングされる。そして、真空炉11内が反応ガス雰囲気とされ、プラズマ電源装置14から電極12,13に高圧電流が供給される。
At the time of construction, the portion of the horn 4 excluding the
これにより、ホーン4の先端部4aの表面に対し、プラズマ18が発生し、マスキングされていないホーン4の先端部4a側にのみ低温プラズマ処理による浸炭処理が施される。すなわち、低温プラズマ法の浸炭処理が行われる。
As a result,
この結果、上述したように、ホーン4の先端部4a側の外周面4bおよび端面4cに浸炭処理による皮膜10が形成される。
As a result, as described above, the
このホーン4の浸炭処理による先端部分の皮膜10は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、ホーン4の母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造とされている。
The
図3は、実施例として、チタン合金製ホーン(Ti−6Al−4V)に上記の低温プラズマ法による浸炭処理を施した場合の試験結果を示している。この図3の縦軸にビッカース硬度(Hvq0.245N)を表し、横軸に表面からの深さ(μm)を示している。 FIG. 3 shows a test result when the carburizing treatment by the low temperature plasma method is applied to a titanium alloy horn (Ti-6Al-4V) as an example. The vertical axis of FIG. 3 represents Vickers hardness (Hvq0.245N), and the horizontal axis represents the depth (μm) from the surface.
試料aは、浸炭処理温度が850℃、処理時間が1時間の場合である。試料bは、薪炭処理温度が750℃、処理時間が2時間の場合である。試料cは、薪炭処理が温度810℃、処理時間が2時間の場合である。試料dは、薪炭処理が温度690℃、処理時間が3時間の場合である。 Sample a is a case where the carburizing temperature is 850 ° C. and the processing time is 1 hour. Sample b is a case where the charcoal treatment temperature is 750 ° C. and the treatment time is 2 hours. Sample c is when the charcoal treatment is at a temperature of 810 ° C. and the treatment time is 2 hours. Sample d is a case where the charcoal treatment temperature is 690 ° C. and the treatment time is 3 hours.
また、皮膜の硬度がHv600未満では、キャビテーション作用による壊食量が多くなり、また850を超えると浸炭処理表面に高周波振動によって微細なクラックが生じ易いことが認められた。 Moreover, when the hardness of the film is less than Hv600, the amount of erosion due to the cavitation increases, and when it exceeds 850, it is recognized that fine cracks are likely to occur on the carburized surface due to high-frequency vibration.
図3に示すように、各試料とも、ホーン4の表面からの深さが50μm以上の内部では通常のチタン合金同様に、硬度が300Hv程度であるが、表面硬度は600以上、850Hv程度(平均的に700Hv)であり、表面硬度が極めて高くなっていることが確認された。 As shown in FIG. 3, each sample has a hardness of about 300 Hv in the interior of the horn 4 having a depth from the surface of 50 μm or more, like a normal titanium alloy, but the surface hardness is about 600 or more and about 850 Hv (average) It was confirmed that the surface hardness was extremely high.
また、ホーン4の浸炭処理による先端部分の皮膜10は、硬度が外面側から内面側に向って次第に低く変化し、ホーン4の母材との間に硬度の境界面が生じない傾斜構造となっていることが確認された。
Further, the
以上の結果、本実施形態によれば、ホーン4先端部に発生するキャビテーションによって生じる壊食を確実に防止することができる。また、表面から内部へ連続的に硬度を変化させることにより、母材との境界面が生じないため、繰返しの伸縮に対して表面の硬化層が剥離しにくいものが実現できる。 As a result, according to the present embodiment, erosion caused by cavitation occurring at the tip of the horn 4 can be reliably prevented. Moreover, since the boundary surface with the base material does not occur by continuously changing the hardness from the surface to the inside, it is possible to realize a material in which the cured layer on the surface is difficult to peel off due to repeated expansion and contraction.
さらに、表面硬化によってホーン4表面の弾性係数が変化するが、本実施形態によれば、ホーン4の先端部4aを部分的に硬化することにより、ホーンの伸縮が阻害されないため、ホーン4の振動が減少することを抑制でき、ホーン4全体の硬度を高める場合と異なり、ホーン4の振動と伸びを阻害することがない。すなわち、ホーン全体のストロークは設定値以下に減少することがなく、ストロークが小さくなる変化が生じない。したがって、ホーン4の所定のストローク振動による効果を維持することができる。
Furthermore, although the elastic coefficient of the surface of the horn 4 changes due to the surface hardening, according to the present embodiment, the
1 高周波電源
2 高周波振動発生装置
3 振動子
4 ホーン
4a ホーンの先端部
4b 外周面
4c 端面
5 被改質材
6 支持装置
7 液体
8 液体保持装置
9 キャビテーション気泡
10 皮膜
11 真空炉
12 電極
13 電極
14 プラズマ電源装置
15 真空ポンプ
16 ガス供給装置
17 マスキング用導電性ケース
18 プラズマ
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