JP5178235B2

JP5178235B2 - ネジ穴を有する金属部品のピーニング方法および装置

Info

Publication number: JP5178235B2
Application number: JP2008041904A
Authority: JP
Inventors: 直樹工藤
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP2009196049A

Description

本発明は、キャビテーション気泡の崩壊時に発生する衝撃波を利用してネジ穴を有する金属部品のネジ部に圧縮残留応力を加えて、ネジ部表面を硬化させるピーニング方法および装置に関する。

自動車や産業機械などにおいては、ネジ穴を有する金属部品が多数使用されている。これらの金属部品は、小型化、軽量化が進むにつれて高い機械的強度のものが要求され、特に、ネジ穴にボルトを挿入し、ナットで締付けた状態での締付け強度は、ネジ穴のネジ部の疲労強度や耐磨耗性による表面強度の低下によって左右される。

従来、かかる金属部品に有するネジ穴のネジ部の表面強度を改善する方法として、ネジ穴内にショットピーニングを施して疲労強度を向上させる方法がある（特許文献１）。このショットピーニングは、剛球などのショット粒を圧縮空気や遠心力により高速でネジ部表面に投射するものである。

しかし、このショットピーニング法は、ショットピーニング後にネジ穴内に残存するショット粒を除去する必要がある。特に、金属部品が比較的軟らかい金属（例えばアルミ合金、銅合金など）のネジ穴にショットピーニングを施した場合にはショット粒の除去が困難である。また、機械的強度を向上させるためには、ネジ部表面に衝突させるショット粒の投射速度を制御する必要がある。

また、金属部品に有するネジ穴のネジ部の表面強度を改善する他の方法として、ウォータジェットピーニング方法がある（特許文献２）。このウォータジェットピーニング方法は、金属部品に有するネジ穴にネジ付ノズルを螺合させて、ネジ付ノズルの先端部から高圧水を噴射することにより、ネジ穴に引張応力を付与し、この状態でネジ付ノズルとネジ穴とをその螺合が解除する方向に相対回転させることでネジ穴に圧縮残留応力を付与するものである。

しかし、このウォータジェットピーニング方法は、ショット材を使用していないため、ネジ部からのショット材の除去作業は不要であるが、対象とするネジ穴が貫通ネジ穴の場合にはウォータジェットの圧力エネルギーが外部に放出されてしまうため、ネジ穴に効果的に圧縮残留応力を付与することが困難であり、また非貫通ネジの場合でも、ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためには、圧力エネルギーの高度なコントロールが必要である。
特開平７−２９２４３４号公報特開２００５−１２５４５８号公報

このように金属部品のネジ穴に圧縮残留応力を付与してネジ部表面の機械的強度を向上させる方法としては、ショットピーニング方法やウォータジェットピーニング方法があるが、前者のショットピーニング方法では、ショット材の除去、軟質金属への処理、ショット速度のコントロール等の問題がある。また、後者のウォータジェットピーニング方法では、軟質金属への処理、圧力エネルギーのコントロールおよびネジ部表面に対して均一な強化処理が困難である等の問題がある。

また、上記いずれのピーニング方法の場合も、装置本体および付帯装置が大型になる傾向があり、システム設置上の問題がある。

本発明は、上記のような問題を解消するためになされたもので、ネジ穴を有する金属部品のネジ部表面の均一な硬化処理を金属部品の材質に左右されることなく容易に行うことができると共に、疲労強度を向上させることができ、しかも装置全体を小型化できるネジ穴を有する金属部品のピーニング方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、次のような方法および装置によりネジ穴を有する金属部品のピーニングを行うものである。

（１）本発明は、液体中に配置されたネジ穴を有する金属部品の前記ネジ穴に該ネジ形状に倣う形状の振動体に高周波振動を与えると同時に、該振動体を前記ネジ穴のネジピッチに対応させて回転および上下方向に移動させることにより、前記液体を媒体として発生するキャビテーション気泡の崩壊時における衝撃波を前記金属部品のネジ穴表面に圧縮残留応力として加えて、前記ネジ穴表面を硬化処理することを特徴とする。

（２）本発明は、Ｘ−ＹテーブルによりＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持された本体ブラケットと、この本体ブラケットに取付けられた上下移動用モータと、前記本体ブラケットに回転可能に支持され前記上下移動用モータの回転を上下方向の直線移動に変換する上下移動機構と、この上下移動機構に上下移動可能に支持された高周波振動を発生する高周波振動発生装置と、この高周波振動発生装置を回転させる回転用モータと、前記高周波振動発生装置に取付けられ、金属部品のネジ穴表面に高周波振動を伝達する部分の形状が該ネジ穴のネジ形状に倣う形状とし、前記高周波振動を液体中に配置された前記ネジ穴を有する金属部品の前記ネジ穴表面に伝達する振動体とを備え、前記振動体を高周波振動させながら、前記上下移動用モータおよび回転モータを同期制御することにより、水を媒体として発生するキャビテーション作用により前記金属部品のネジ穴表面に圧縮残留応力を付与してネジ穴表面を硬化処理する。

本発明によれば、高周波振動により液体を媒体として発生するキャビテーションによる衝撃波をネジ穴を有する金属部品のネジ部表面に加えて圧縮残留応力を高めることにより、金属部品のネジ部表面の均一な硬化処理を金属材質に左右されることなく容易に行うことができ、疲労強度を向上させることができる。また、ピーニングは極小範囲に作用させるため、貫通ネジ穴、非貫通ネジ穴ともに硬化処理が可能となり、しかも装置全体を小型化できる。

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は本発明によるネジ穴を有する金属部品のピーニング方法および装置を説明するための第１の実施形態を示す断面図である。

図１において、１は図示しない直交系移動テーブル（Ｘ−Ｙテーブル）の移動部によりＸ方向（図示左右方向）およびＹ方向（図示紙面方向）に移動可能に支持された装置本体のブラケット（以下、単に本体ブラケットと呼ぶ）で、この本体ブラケット１は、水平部１ａと垂直部１ｂからなる断面が略Ｌ字状に形成されている。

このような本体ブラケット１の垂直部１ｂの内側面に、水平部２ａと垂直部２ｂからなる断面が略Ｌ字状の上下移動用モータブラケット２の垂直部２ｂが取付けられ、この上下移動用モータブラケット２の水平部２ａの外側面に上下移動用モータ３が取付けられている。

また、本体ブラケット１の水平部１ａと上下移動用モータブラケット２の水平部２ａとの間に上下移動ナット４を螺挿した上下移動用ボールネジシャフト５が垂直に設けられ、その上端部は本体ブラケット１の水平部１ａに形成された軸受部６により回転可能に支持され、他端部は上下移動用モータブラケット２の水平部２ａを貫通させて上下移動用モータ３の図示しない回転軸に結合されている。

この場合、上記上下移動ナット４は、上下移動用ボールネジシャフト５が回転しても回転が抑制されるように図示しないガイド機構に結合されている。

ここで、上記上下移動用ボールネジシャフト５、上下移動ナット４およびガイド機構は、上下移動機構を構成している。

なお、この上下移動機構としては、上下移動用モータの回転を上下方向の直線移動に変換可能なものであれば、例えばラックとピニオンを用いた他の機構を採用しても良い。

図中、７は水平部７ａと垂直部７ｂからなる断面が略Ｌ字状の回転用モータブラケットで、この回転用モータブラケット７の垂直部７ｂに上記上下移動ナット４が取付けられ、水平部７ａに回転用モータ８がその回転軸８ａを水平部７ａの真下に貫通させて取付けられている。

この回転用モータ８の回転軸８ａに有底円筒状の高周波振動発生装置用ブラケット９が取付けられ、この高周波振動発生装置用ブラケット９内に高周波振動を発生する高周波振動発生装置１０が取付けられている。

この高周波振動発生装置１０の下端面には、高周波振動を伝達するチタン合金等の耐摩耗性の高い金属からなるロッド状のホーン１１が回転用モータ８の回転軸と同軸線上に取付けられ、その先端部にホーン１１と同一材料からなるホーンチップ１２がネジ込み方式により着脱自在に取付けられている。このホーン１１およびホーンチップ１２は、振動体を構成している。

このホーンチップ１２は、その外周面に後述する金属部品のネジ穴に倣う２条乃至４条のネジ部を有し、また、下端面の略中央部には図示しない六角形状の工具挿入穴が設けられ、この工具挿入穴に工具の頭部を挿入して回動することによりホーン１１に対して着脱できるようにしてある。

一方、１３は水中に設置された図示しない固定台上に水平状態にして固定されたネジ穴１３ａを有する金属部品で、この金属部品１３のネジ穴１３ａは上述したピーニング装置により、硬化処理が施されるものである。

次に上記のように構成された金属部品のピーニング装置の作用を図２および図３を用いて説明する。

いま、施工処理すべき金属部品１３が水中の所定の箇所に設置された図示しない固定台上にネジ穴１３ａを真上に向けて水平状態に固定されているものとする。このような金属部品１３に対して、本体ブラケット１を図示しないＸ−Ｙテーブルを用いて高周波振動発生装置１０のホーン１１に取付けられたホーンチップ１２の先端がネジ穴１３ａの真上に位置するように移動させる。

このような状態で、上下移動用モータ３および回転用モータ８の速度をそれぞれ同期させて回転駆動すると同時に、高周波振動発生装置１０を動作させて高周波振動を発生させる。

ここで、その詳細について述べると、上下移動用モータ３の回転により上下移動用ボールネジシャフト５が回転し、上下移動ナット４が上下移動用モータ３の回転方向により上下移動用ボールネジシャフト５上を上下方向に螺進移動し、回転用モータブラケット７に取付けられた回転用モータ８および高周波振動発生装置１０全体が上下方向に移動する。

また、回転用モータ８の回転により高周波振動発生装置１０およびホーン１１並びにホーンチップ１２が高周波振動発生装置用ブラケット９を介して一体的に正又は逆方向に回転する。

一方、高周波振動発生装置１０より発生する高周波振動は、ホーン１１を通してホーンチップ１２に伝達される。

すると、ホーンチップ１２は、図２に示すように金属部品１３のネジ穴１３ａのネジピッチに対応させて回転および上下方向に移動すると同時に、ホーン１１を通して伝達される高周波振動により水を媒体としてキャビテーション気泡が発生し、このキャビテーション気泡の崩壊時の衝撃波が金属部品１３のネジ穴１３ａの表面に圧縮残留応力として加えられ、ネジ穴表面が硬化処理される。

この場合、図３に示すようにホーンチップ１２とネジ穴１３ａの表面との間隙は、振動軸方向に０．２mmとし、軸直交方向の間隙も同様に０．２mmとする。このような間隙とすれば、ホーンチップ１２の最大振幅においても金属部品１３のネジ穴１３aの表面と接触せず、高いピーニング効果が得られる距離である。

また、ホーンチップ１２は、ピーニング効果を得るために必要なキャビテーション発生部のネジ条数として２条乃至４条設けるだけでよく、５条以上としてもピーニング効果の更なる向上はなく不要である。つまり、ホーンチップ１２は、金属部品１３のネジ穴１３ａのネジピッチに合わせて回転しながら上下方向に移動するので、ネジ条数としては２条乃至４条設けるだけでキャビテーションによるピーニングを施すことが可能である。

なお、図３に示す金属部品１３は、ネジ穴１３ａがＭ１０で、ネジピッチが１.５の場合を例示したが、上記以外の金属部品１３のネジ穴１３ａに対しても上述したホーンチップ１２とネジ穴１３ａの表面との間隙およびネジ条数は同じである。

このように本実施形態では、水中の所定の箇所に設置された固定台上にネジ穴１３ａを真上に向けて水平状態に固定された金属部品１３のネジ穴１３ａに高周波振動発生装置１０より発生する高周波振動を伝達するホーン１１の先端に着脱可能に取付けられたホーンチップ１２を振動体として高周波振動させながら、金属部品１３のネジ穴１３ａのネジピッチに合せて上下移動用モータ３および回転用モータ８を同期制御してホーンチップ１２を回転および上下方向に移動させることにより、水を媒体として発生するキャビテーション気泡の崩壊時における衝撃波が金属部品１３のネジ穴１３ａ表面に印加されるので、ネジ穴１３ａ表面の圧縮残留応力を高めることができる。これにより、ネジ穴表面を硬化させ、疲労強度を向上させることができる。

また、ホーン１１およびホーンチップ１２からなる振動体を高周波振動させながら、回転および上下方向に移動させる制御は、全て電気的に行っているので安易であり、しかもピーニング処理時にかかる反力もないので、金属部品１３が軟質材料のものでも対応が可能となる。

さらに、ホーンチップ１２と金属部品１３のネジ穴１３ａ表面との間隙およびこれと直交する方向の間隙は０．２mmとしても、ホーンチップ１２の最大振幅においても金属部品１３のネジ穴１３表面と接触することなく、最小範囲にピーニング作用するので、貫通ネジ穴、非貫通ネジ穴ともに高いピーニング効果を得られる。

一方、装置構成としては、ホーン１１の先端にホーンチップ１２をネジ結合して交換可能になっているので、キャビテーション作用によりホーンチップ１２が摩耗しても、ホーン１１からホーンチップ１２を取外して新たなホーンチップ１２に交換することができる。特に、ホーン１１およびホーンチップ１２からなる振動体は、高価なチタン合金を加工して製作されるため、材料費および加工費が嵩むが、ホーンチップ１２のみの交換でキャビテーションを利用したピーニング処理が可能となり、コストの低減を図ることができる。

また、本体ブラケット１の下部に上下移動用ブラケット２を介して上下移動用モータ３を取付けるとともに、この上下移動用モータ３により回転する上下移動用ボールネジシャフト５の軸受部６を本体ブラケット１の上部内面側に設ける構成とし、且つ金属部品１３を固定する図示しない固定台と対応する適宜の大きさの図示しないＸ−Ｙテーブルの移動部の下面に取付ける構成としたので、従来のショット粒を高速で金属表面に投射するショットピーニング装置やウォータージェットピーニング装置に比べて小型化を図ることができる。

本発明によるネジ穴を有する金属部品のピーニング方法および装置を説明するための第１の実施形態を示す断面図。同実施形態において、ホーンチップが金属部品のネジ穴のネジピッチに対応させて回転および上下方向に移動する状態を示す図。同実施形態において、ホーンチップとネジ穴の表面との間隙について説明するための図。

符号の説明

１…本体ブラケット、２…上下移動用モータブラケット、３…上下移動用モータ、４…上下移動ナット、５…上下移動用ボールネジシャフト、６…軸受部、７…回転用モータブラケット、８…回転用モータ、９…高周波振動発生装置用ブラケット、１０…高周波振動発生装置、１１…ホーン、１２…ホーンチップ、１３…金属部品、１３ａ…ネジ穴

Claims

液体中に配置されたネジ穴を有する金属部品の前記ネジ穴に該ネジ形状に倣う形状の振動体に高周波振動を与えると同時に、該振動体を前記ネジ穴のネジピッチに対応させて回転および上下方向に移動させることにより、前記液体を媒体として発生するキャビテーション気泡の崩壊時における衝撃波を前記金属部品のネジ穴表面に圧縮残留応力として加えて、前記ネジ穴表面を硬化処理することを特徴とするネジ穴を有する金属部品のピーニング方法。
前記振動体の回転および上下移動は、前記ネジ穴のネジピッチに合せた同期速度で制御されることを特徴とする請求項１記載のネジ穴を有する金属部品のピーニング方法。
Ｘ−ＹテーブルによりＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持された本体ブラケットと、
この本体ブラケットに取付けられた上下移動用モータと、
前記本体ブラケットに回転可能に支持され前記上下移動用モータの回転を上下方向の直線移動に変換する上下移動機構と、
この上下移動機構に上下移動可能に支持された高周波振動を発生する高周波振動発生装置と、
この高周波振動発生装置を回転させる回転用モータと、
前記高周波振動発生装置に取付けられ、金属部品のネジ穴表面に高周波振動を伝達する部分の形状が該ネジ穴のネジ形状に倣う形状とし、前記高周波振動を液体中に配置された前記ネジ穴を有する金属部品の前記ネジ穴表面に伝達する振動体とを備え、
前記振動体を高周波振動させながら、前記上下移動用モータおよび回転モータを同期制御することにより、水を媒体として発生するキャビテーション作用により前記金属部品のネジ穴表面に圧縮残留応力を付与してネジ穴表面を硬化処理することを特徴とする金属部品のピーニング装置。
請求項３記載の金属部品のピーニング装置において、前記上下移動用モータは、前記上下移動機構の下方に配置されて結合されたことを特徴とする金属部品のピーニング装置。
請求項３又は請求項４記載の金属部品のピーニング装置において、前記上下移動機構は、上下移動用ボールネジシャフト、このボールネジシャフトに螺挿されたナットおよび前記上下移動用ボールネジの回転による前記ナットの回転を抑止する機構から構成されたことを特徴とする金属部品のピーニング装置。
請求項５記載の金属部品のピーニング装置において、前記本体ブラケットは前記上下移動用ボールネジシャフトの軸受を兼ねた構成としたことを特徴とする金属部品のピーニング装置。
請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の金属部品のピーニング装置において、前記振動体のキャビテーション発生部のネジ条数は、２条乃至４条としたことを特徴とする金属部品のピーニング装置。
請求項３乃至請求項７のいずれかに記載の金属部品のピーニング装置において、前記振動体は、前記高周波振動発生装置に結合されたホーンおよびこのホーンの先端に着脱可能に取付けられたホーンチップから構成されたことを特徴とする金属部品のピーニング装置。
請求項８記載の金属部品のピーニング装置において、前記金属部品のネジ穴のネジ表面と前記ホーンチップとの振動軸方向およびこれと直交する方向の間隙が０.２mmであることを特徴とする金属部品のピーニング装置。