JP5066430B2 - ショットピーニング用反射部材およびそれを用いたショットピーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は、ショットピーニングで投射されるショットを反射するショットピーニング用反射部材およびそれを用いたショットピーニング方法に係り、特にパイプの穴の内面へのショットの投射技術の改良に関する。

ショットピーニング方法では、ショットをワークの表面に投射することにより、その表面を削り取って清浄面を形成したり、その表面を塑性変形させて圧縮残留応力を付与している。このようにショットピーニング方法は、ワークの信頼性や寿命の向上を図るための有効な方法である。ショットの投射手段として、たとえば圧縮ガスによりショットを噴射して搬送する直圧式や、差圧を有するガス流にショットを混合して搬送する吸引式がある。

ショットピーニング方法は、中空スタビライザや中空コイルバネなどの穴を有するパイプに適用されている。軽量化を目的として薄肉化が図られているパイプでは、通常ショットピーニング処理が施される外面ではなく、穴の内面から折損する虞があることから、穴の内面へショットピーニング処理を施している。これにより、パイプの薄肉化による軽量化と同時に、パイプの穴の内面の長寿命化が図られている。

このようなショットピーニング方法では、その穴の内面にショットを投射するために種々の専用部材が使用されている。たとえば非特許文献１の技術では、専用部材として、ノズルのショット投射開口にホースを設け、そのホースをパイプの穴の内面に配置している。

しかしながら、非特許文献１の技術では、パイプの穴の内径や形状によってはホースを穴の内面に通過させることができない場合があり、この場合、ホース径が小さなものに交換すると、ショットの投射量が減少してしまう。このため、パイプの穴の内径や形状に応じてホースを使い分けしなければいけないから、その段替えを行う必要があった。このため、時間・コストがかかるため、作業性・汎用性が不十分であった。

そこで、たとえば特許文献１の技術のように、ロッド状のパイプの穴の内面に、ノズルの入口側開口に対向させるようにし、専用部材として反射部材を設けることが提案されている。この技術では、移動手段を用いて、パイプをその軸線方向に沿って移動させることにより、パイプの穴の内面に対して相対的に反射部材を移動させている。

しかしながら、特許文献１の技術では、ノズルおよび反射部材に対してパイプ全体を移動させているため、湾曲部を有するパイプの穴にその技術を適用するのは困難であった。

ちなみに、ショットピーニング方法ではなく、表面強化装置を用いて、パイプの穴の内面に圧縮残留応力を付与する技術が提案されている（たとえば特許文献２）。この技術の表面強化装置では、軸部とともにそこに接続された衝突子を回転させることにより、その衝突子をパイプの穴の内面に衝突させている。しかしながら、この技術は、実用性を考えると、実現が困難な技術である。

Shotpeener Summer 2004（Page9） 特開平５−１３８５３５号公報（要約） 特開２００２−１３７１６６（要約）

したがって、本発明は、作業性・汎用性の向上を図ることができるのはもちろんのこと、パイプの湾曲部の穴の内面への適用が容易な反射部材およびそれを用いたショットピーニング方法を提供することを目的としている。

本発明のショットピーニング用反射部材（以下、反射部材）は、ショットピーニングで投射されるショットを反射する反射部材であって、ワイヤと、ワイヤに設けられるとともに、ショットを反射する反射部と、ワイヤにおける反射部の両側に固定されるとともに、ショットをワイヤの軸線方向に通過させる孔を有するガイド部とを備えていることを特徴としている。

本発明の反射部材では、ワイヤに反射部を設けるとともに、ワイヤにおける反射部の両側にガイド部を固定しているから、パイプの穴の内面に反射部を配置すると、反射部は、その両側のガイド部によりパイプの穴の内径中心に対して所定範囲内に位置する。このように反射部材が穴の内面に配置されたパイプの入口側開口からショットを投射すると、ショットは、入口側のガイド部の孔を通じて反射部に到達し、そこでパイプの穴の内面へ向けて反射される。そして、ショットは、パイプの穴の内面への衝突後、出口側のガイド部の孔を通じて、パイプの出口側開口から排出される。

このようにショットは反射部材によりパイプの穴の内面へ反射されるから、反射部の反射面の形成位置や傾斜角度などを適宜設定することにより、ショットの流れを所望の状態に制御にすることができる。したがって、パイプの穴の内面の所望箇所にショットピーニング処理を施すことができる。また、ショットの投射時にワイヤをパイプの穴の内面で移動させると、パイプの穴の内面における複数の箇所に、ひいては、パイプの穴の軸線方向に沿った所望領域に連続的にショットピーニング処理を行うことができる。

本発明の反射部材の効果は、湾曲部を有するパイプへの適用において最大限発揮される。従来では、図９に示すように、パイプＷに湾曲部Ｐが形成されている場合、ショットの流れが遠心力等によって湾曲部Ｐの穴の内面外側Ｐ_２へ偏るため、湾曲部Ｐの穴の内面外側Ｐ_２へのショットピーニング処理が十分となる反面、湾曲部Ｐの穴の内面内側Ｐ_１へのショットピーニング処理が不十分となる虞があった。なお、図９では、矢印方向ｆは、パイプＷの入口側開口から湾曲部Ｐまで穴の内面外側を通過してきたショットの軌跡を示し、矢印方向ｆ’は、パイプＷの入口側開口から湾曲部Ｐまで穴の内面内側を通過してきたショットの軌跡を示している。

これに対して、図４に示すように、本発明の反射部材１ではショットの投射時に、ワイヤ１０に設けられた反射部２０が湾曲部Ｐを通過する場合、反射部２０の反射面の形成位置や傾斜角度などを適宜設定することにより、ショットを反射面により湾曲部Ｐの穴の内面内側へ反射させることができる。したがって、ショットが湾曲部Ｐの穴の内面外側に偏る傾向を小さくすることができるので、パイプＷの表面の処理状態にムラの発生を防止することができる。その結果、パイプＷの薄肉化に対応することができるから、パイプＷの高強度化および軽量化を同時に図ることができる。なお、図４の符号４０は、ガイド部３０の固定手段を示している。

ここで、本発明の反射部材１では、上記のようなショットピーニング処理の効果を得るために、反射部２０が湾曲部Ｐを通過する時のガイド部３０の機能は重要である。ワイヤ１０における反射部２０の両側にガイド部３０を設けない場合、反射部２０は、湾曲部Ｐを通過する時、図８に示すワイヤ１０の軌跡のように湾曲部Ｐの穴の内面内側に偏って移動する。このため、反射部２０と湾曲部Ｐの穴の内面内側とのスペースが小さくなるから、反射部２０による反射効果が得られ難い。

これに対して、本発明の反射部材では、図４に示すように、ワイヤ１０における反射部２０の両側にガイド部３０を固定しているから、ガイド部３０のサイズや、形状、固定位置などを適宜設定することにより、湾曲部Ｐを通過する時の反射部２０の軌跡を所望位置（たとえば湾曲部Ｐの穴の内径中心の近傍）に設定することができる。したがって、反射部２０による反射効果を得ることができるから、上記のようなショットピーニング処理の効果を得ることができる。

以上のように本発明の反射部材では、パイプの穴の内面の所望箇所にショットピーニング処理を効果的に施すことができるのはもちろんのこと、そのような効果は、反射部およびガイド部をワイヤに設けるという簡単な構成で得ることができる。しかも、パイプの穴の内面での反射部およびガイド部の移動をワイヤを用いて行うことができるので、パイプの形状に応じたショット投射量の変更が不要となる。以上のことから、作業性・汎用性の向上を図ることができるのはもちろんのこと、湾曲部を有するパイプへの適用が容易となる。

本発明の反射部材は、ショットピーニング処理を効果的に行うために種々の構成を用いることができる。たとえば反射部をワイヤに回転可能に設けることができる。この態様では、反射部は、ショットやガス圧から受けた衝撃により、ワイヤの軸線回りに回転することができるから、反射部による反射を効率的に行うことができる。

本発明のショットピーニング方法は、本発明の反射部材を用いて、パイプの穴の内面にショットを反射することを特徴としている。このような本発明のショットピーニング方法では、本発明の反射部材と同様な効果を得ることができる。

本発明のショットピーニング方法は、ショットピーニング処理を効果的に行うために種々の構成を用いることができる。たとえば、ショットの投射は、噴射手段を用いて、パイプの穴の一方の開口（入口側開口）から内面へショットを噴射することにより行い、パイプの穴の他方の開口（出口側開口）から排出されたショットを集塵手段で集塵することができる。この場合、集塵手段で集塵されるガス量を、噴射手段で噴射されるガス量以上に設定することが好適である。通常、ショットがパイプの穴の内面を入口側開口から出口側開口まで移動するに従い、ショットの移動速度が低下する傾向にある。しかしながら、上記態様では、集塵手段で集塵されるガス量を、噴射手段で噴射されるガス量以上に設定しているので、パイプの穴の内面におけるショットの移動速度の低下を抑制することができ、その結果、ショットピーニング処理を効果的に行うことができる。

本発明のショットピーニング用反射部材あるいはそれを用いたショットピーニング方法によれば、作業性・汎用性の向上を図ることができるのはもちろんのこと、パイプの湾曲部の穴の内面への適用が容易となる。

（１）実施形態の構成
（Ａ）反射部材の構成
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る反射部材１の構成を表す斜視図、図２は、反射部材１の反射部２０の構成を表す正面図、図３は、反射部材１のガイド部３０の構成を表す正面図である。反射部材１は、ワイヤ１０を備えている。ワイヤ１０には、ショットを反射する反射部２０が回転可能に設けられている。ワイヤ１０における反射部２０の両側には、反射部２０を案内するガイド部３０が固定されている。ガイド部３０のワイヤ１０への固定手段として、たとえば圧着ピン４０が用いられている。ワイヤ１０は、耐摩耗性に優れ、かつ湾曲したパイプ内を移動可能な弾性を有する超弾性ワイヤ等が好適である。

反射部２０は、たとえば図２に示すように、ワイヤ１０が貫通するワイヤ孔２１、および、ワイヤ孔２１から半径方向外側へ延在する羽根部２２を有する。羽根部２２は、たとえばワイヤ孔２１に対して回転対称な形状をなし、たとえば互いに略９０度の角度をなすようにして４つ形成されている。羽根部２２は、前端部２２Ａ、テーパ部２２Ｂ、および、後端部２２Ｃを有する。後端部２２Ｃは、前端部２２Ａよりも大きな断面積を有している。テーパ部２２Ｂは、前端部２２Ａと後端部２２Ｃとを滑らかに傾斜面により接続し、前端部２２Ａから後端部２２Ｃへ向かうに従い、板厚が厚くなっている。テーパ部２２Ｂの傾斜面は、ショットを反射する反射面として機能する。

ガイド部３０は、ワイヤ孔３１、ワイヤ孔３１から半径方向外側へ延在する支持部３２、および、支持部３２の間に形成されているショット通過孔３３を有する。支持部３２は、たとえばワイヤ孔３１に対して回転対称な形状をなし、たとえば互いに略１２０度の角度をなすようにして３つ形成されている。具体的には、支持部３２は、ワイヤ孔３１から半径方向外側へ延在している。隣接する支持部３２の間は開放されている。ガイド部３０は、反射部２０よりも大きな径を有することが好適である。ガイド部３０は、圧着ピン４０により固定されているから、ショットやガス圧による衝撃を受けても、ワイヤ１０の軸線方向の移動が防止される。反射部２０の両側に隣接している圧着ピン４０は、ワイヤＷの軸線方向への反射部２０の移動を所定距離内に制限している。

以上のような反射部材１は、本発明の反射部材の一例であり、上記態様に限定されるものではなく、本発明範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、反射部２０は、固定手段（たとえば圧着ピン４０）で固定してもよい。この態様では、反射部２０が、ショットやガス圧による衝撃を受けても、ワイヤＷの軸線回りの回転およびワイヤ１０の軸線方向の移動が防止される。また、羽根部２２は、円錐形状などの回転対称な形状をなしてもよいし、特定方向を向く反射面を有する形状としてもよい。羽根部２２の形状は、ショットを所望方向に反射することができる形状であればよく、その反射方向は、反射部２０のワイヤ１０への固定の有無や、羽根部２２の反射面の形成位置・傾斜角度などを適宜設定することにより決定される。

たとえばガイド部３０の形状は、ショットの通過が阻害されないものであればよい。また、ガイド部３０の数は、必要に応じて複数としてもよく、この場合、その設置箇所は、適宜設定する。たとえばガイド部３０のワイヤ１０への固定手段は、圧着ピン４０に限定されることなく、種々の手段を用いてもよい。

（Ｂ）ショットピーニング装置の構成
次に、反射部材１が適用されるショットピーニング装置１００についておもに図５を参照して説明する。図５は、反射部材１が適用されるショットピーニング装置１００の概略構成を表す正面図である。ショットピーニング装置１００は、たとえば圧縮ガスによりショットを噴射して搬送する直圧式である。ショットピーニング装置１００は、固定台１１０、ショット投射器１２０、ショット搬送部１３０、ショット投射部１４０、分離部１５０、ショット回収部１６０、集塵器１７０、ワイヤ搬送機構１８０、および、ワイヤ排出部１９０を備えている。なお、図の矢印方向は、ショットの流れ方向を示している。

固定台１１０には、たとえばパイプＷとして中空スタビライザが固定される。中空スタビライザは、たとえば固定台１１０に固定されるトーション部Ｎ、トーション部Ｎの両側から固定台１１０の下方へ延在するアーム部Ｏ、および、トーション部Ｎとアーム部Ｏを接続する湾曲部Ｐを有する。パイプＷの穴には、反射部材１が配置される。反射部材１では、ワイヤ１０の先端部がワイヤ搬送機構１８０に位置するとともに、反射部２０がパイプＷの穴の入口側開口に位置する。反射部２０では、前端部２２ＡがパイプＷの穴の入口側開口側に位置し、かつ後端部２２ＣがパイプＷの穴の出口側開口側に位置することにより、テーパ部２２Ｂの反射面がパイプＷの穴の入口側開口側に向かって傾斜している。

ショット投射器１２０は、圧縮ガスによりショットを噴射する。ショット搬送部１３０では、集塵器１７０、ショット投射器１２０、および、ショット投射部１４０を接続し、それら部位間では、ショット搬送部１３０を通じてショットが搬送される。ショット投射部１４０は、パイプＷの入口側開口とショット搬送部１３０を接続している。分離部１５０では、ショットと反射部材１が分離され、ショットはショット回収部１６０に回収され、反射部材１は、ワイヤ回収機構１８０に回収される。

ショット回収部１６０は、分離部１５０と集塵器１７０を接続し、パイプＷの出口側開口から排出されたショットは、ショット回収部１６０を通じて集塵器１７０へ搬送される。集塵器１７０は、ショット回収部１６０で回収されたショットに混合しているゴミを除去し、ショット搬送部１３０を通じてそのショットをショット投射器１２０へ送出する。この場合、集塵器１７０で集塵されるガス量を、ショット投射器１２０で噴射されるガス量以上に設定することが好適である。ワイヤ搬送機構１８０は、互いに対向するキャタピラ１８１，１８２を有している。ワイヤ搬送機構１８０では、キャタピラ１８１，１８２が反射部材１のワイヤ１０を挟み所定方向に回転することにより、ワイヤ１０をワイヤ排出部１９０に送出する。

以上のようなショットピーニング装置１００は、本発明の反射部材が適用される装置の一例であり、本発明の反射部材が適用可能である装置であればよい。また、パイプＷは、中空スタビライザに限らず、中空コイルばねなどの穴を有する金属製のパイプであればよい。

（２）実施形態の動作
次に、ショットピーニング装置１００の動作について図１〜５を参照して説明する。ショットピーニング装置１００では、次のように反射部材１の反射部２０をパイプＷの穴の内面で移動させながら、パイプＷの穴の内面にショットの投射を行う。

ショット投射器１２０がショットを圧縮ガスで噴射すると、ショットは、ショット搬送部１３０，ショット投射部１４０を通じて、パイプＷの穴の入口側開口から投射される。投射されたショットは、反射部材１によってパイプＷの穴の内面へ向けて反射されながら、パイプＷの穴の内面を移動し、パイプＷの穴の出口側開口から排出される。排出されたショットは、ショット回収部１６０で回収され、集塵器１７０へ送出される。送出されたショットは、そこに混合しているゴミが集塵器１７０で除去された後、ショット投射器１２０へ送出され、そこからの投射に再使用される。

このようなショットの投射時、反射部材１を次のようにパイプＷの穴の内面で移動させる。反射部材１のワイヤ１０は、ショットの投射開始後、ワイヤ搬送機構１８０によりワイヤ排出部１９０へ送出される。これにより、反射部材１の反射部２０は、パイプＷの穴の入口側開口から出口側開口へ向けてパイプＷの穴の内面を移動する。

このとき、パイプＷの穴の内面へ投射されたショットは、入口側のガイド部３０のショット通過孔３３を通じて、反射部２０に到達し、そこでパイプＷの穴の内面へ向けて反射される。特に、本実施形態では、反射部２０は、ワイヤ１０に回転可能に設けられているから、ショットやガス圧による衝撃を受けると、適宜回転する。そして、反射部２０の羽根部２２は、ワイヤ１０の軸線に対して回転対称な形状をなしているから、ショットは、羽根部２２のテーパ部２２Ｂの反射面でパイプＷの穴の内面へ向けて乱反射される。このようなショットは、パイプＷの穴の内面への衝突後、出口側のガイド部３０のショット通過孔３３を通じて、パイプＷの穴の出口側開口から排出される。

ここで、反射部２０は、パイプＷの穴の内面においてその軸線に対して所定範囲内に収まる（たとえば、反射部２０の軸線がパイプＷの軸線の近傍に収まる）ように、反射部２０の両側のガイド部３０により案内される。このようなガイド部３０による反射部２０の案内は、図４に示すように反射部２０が湾曲部Ｐを通過する場合に特に有効である。これにより、ショットは、反射部２０の羽根部２２のテーパ部２２Ｂにより湾曲部Ｐの穴の内面内側へ反射されるので、ショットが湾曲部Ｐの穴の内面外側に偏る傾向を小さくすることができる。この効果は、ガイド部３０が反射部２０よりも大きな径を有する場合により確実に得られる。

以上のように反射部材１の反射部２０をパイプＷの穴の内面で移動させながら、パイプＷの穴の内面にショットの投射を行うことにより、パイプＷの穴の内面全体にショットピーニング処理を行うことができるから、パイプＷの表面の処理状態にムラの発生を防止することができる。その結果、パイプＷの薄肉化に対応することができるから、パイプＷの高強度化および軽量化を同時に図ることができる。

本実施形態では、パイプＷの穴の内面の所望箇所にショットピーニング処理を効果的に施すことができるのはもちろんのこと、そのような効果は、反射部２０およびガイド部３０をワイヤ１０に設けるという簡単な構成で得ることができる。しかも、パイプＷの穴の内面での反射部２０およびガイド部３０の移動をワイヤを用いて行うことができるので、パイプＷの形状に応じたショット投射量の変更が不要となる。以上のことから、作業性・汎用性の向上を図ることができるのはもちろんのこと、湾曲部Ｐを有するパイプＷへの適用が容易となる。

特に、本実施形態では、反射部２０は、ワイヤ１０に回転可能に設けられているから、反射部２０は、ショットやガス圧から受けた衝撃により、ワイヤの軸線回りに回転することができ、これにより反射部２０による反射効率を高めることができる。また、集塵器１７０で集塵されるガス量を、ショット投射器１２０で噴射されるガス量以上に設定しているから、パイプＷの穴の内面におけるショットの移動速度の低下を抑制することができ、その結果、ショットピーニング処理を効果的に行うことができる。

なお、本実施形態では、反射部２０をパイプＷの穴の内面で連続的に移動させる態様について説明したが、この態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、反射部をパイプＷの穴の内面で停止させてショットの投射を行うことにより、パイプＷの穴の内面における所望箇所にショットピーニング処理を施すことができ、また、そのような操作を繰り返すことにより、パイプＷの穴の内面における複数の所望箇所にショットピーニング処理を施すことができるのは言うまでもない。

以下、具体的な実施例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。実施例では、図５に示すショットピーニング装置を用い、中空スタビライザであるパイプＷの穴の内面において、図１に示す本発明の反射部材を移動させながら、その穴の内面にショットピーニング処理を行った。比較例では、図５に示すショットピーニング装置を用いて、本発明の反射部材を使用しない以外は実施例と同様にその穴の内面にショットピーニング処理を行った。なお、中空スタビライザの硬度はＨＲＣ４０程度とした。反射部材のワイヤは、0.67mmのカットワイヤとした。

実施例および比較例では、ショットピーニング処理を施したパイプＷの残留応力測定を行った。残留応力測定の測定点は、図６に示すように、パイプＷの入口側湾曲部ＰのＡ〜Ｃ点での穴の内面外側と内面内側、および、パイプＷの出口側湾曲部ＰのＤ〜Ｆ点の各点での穴の内面外側と内面内側とした。なお、図６の２つの矢印方向は、ショットの投射側およびショットの排出側を示している。

実施例では、図７に示すように、パイプＷの湾曲部ＰのＡ〜Ｆ点での穴の内面外側と内面内側の全てにおいて、圧縮残留応力が-300MPa〜-600MP程度付与されていた。これに対して、比較例では、パイプＷの湾曲部ＰのＡ〜Ｆ点での穴の内面内側の全てにおいて、圧縮残留応力が略０であった。

以上のような結果から、本発明の反射部材を用いて、湾曲部を有するパイプへショットを投射すると、湾曲部Ｐの穴の内面内側には、その内面外側と同様に効果的にショットピーニング処理を施すことができることを確認した。これにより、本発明の反射部材では、パイプの穴の内面の寿命や耐久性の向上を図ることができ、したがって、本発明の効果を得ることができることが判った。なお、実施例では、パイプＷとして中空スタビライザを用いた例について説明したが、中空コイルばねにも適用できるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る反射部材の構成を表す斜視図である。 図１の反射部材の反射部を表す正面図である。 図１の反射部材のガイド部を表す正面図である。 パイプの湾曲部における本発明の反射部材の通過状態の一例を表す断面図である。 本発明の一実施形態に係る反射部材が適用されるショットピーニング装置の概略構成を表す正面図である。 パイプにおける残留応力の測定箇所を説明するための図である。 パイプの各測定箇所での残留応力測定結果を表すグラフである。 パイプの湾曲部におけるワイヤの軌跡を表す断面図である。 従来のショットピーニング処理におけるパイプの湾曲部でのショットの軌跡を説明するための断面図である。

符号の説明

１…反射部材、１０…ワイヤ、２０…反射部、３０…ガイド部、３１…ショット通過孔（孔）、１２０…ショット投射器（噴射手段）、１７０…集塵器（集塵手段）、Ｐ…湾曲部、Ｗ…パイプ

Claims (7)

1. ショットピーニングで投射されるショットを反射する反射部材において、
   ワイヤと、
   前記ワイヤに設けられるとともに、前記ショットを反射する反射部と、
   前記ワイヤにおける前記反射部の両側に固定されるとともに、前記ショットを前記ワイヤの軸線方向に通過させる孔を有するガイド部とを備えていることを特徴とするショットピーニング用反射部材。
2. 前記反射部は、前記ワイヤに回転可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のショットピーニング用反射部材。
3. 前記ガイド部は、前記反射部の両側のそれぞれに複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のショットピーニング用反射部材。
4. 請求項１〜３に記載の反射部材を用いて、パイプの穴の内面に前記ショットを反射することを特徴とするショットピーニング方法。
5. 前記パイプは、少なくとも１つの湾曲部を有することを特徴とする請求項４に記載のショットピーニング方法。
6. 前記ショットの投射時に、前記ワイヤを前記パイプの穴の内面の軸線方向に移動させることを特徴とする請求項４または５に記載のショットピーニング方法。
7. 前記ショットの投射は、噴射手段を用いて、前記パイプの穴の一方の開口から前記内面へ前記ショットを噴射することにより行い、
   前記ショットを前記反射部により前記パイプの穴の内面へ反射することにより、前記パイプの穴の内面へショットピーニング処理を行い、
   前記前記パイプの穴の他方の開口から排出されたショットを集塵手段で集塵し、
   前記集塵手段で集塵されるガス量を、前記噴射手段で噴射されるガス量以上に設定することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のショットピーニング方法。

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