JP5188852B2

JP5188852B2 - ばねの表面処理方法

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Publication number: JP5188852B2
Application number: JP2008073674A
Authority: JP
Inventors: 竜二岸原; 圭一郎寺床
Original assignee: SANCALL CORPORATION
Current assignee: SANCALL CORPORATION
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009226523A

Description

本発明は、特に弁ばねやクラッチばね等の表面処理方法に関するものである。

内燃機関の弁ばね、内燃機関の動力伝達用クラッチに使用するクラッチばね等のコイルばねには、極めて高い信頼性（高疲労強度化）が要求される。コイルばねの表面強化法としては、化学的表面硬化法である窒化処理と、物理的表面硬化法であるショットピーニングの併用が一般的である。特に、ショットピーニングはコイルばねの表面付近に圧縮残留応力を与えることで疲労強度を向上させることができるため、コイルばねの耐疲労性の向上に有効である。

ショットピーニングは、遠心（インペラー）式、又は空気（エアー）式の投射装置により、粒径が数十μｍから数ｍｍ程度の投射材をコイルばねの外表面に均一に投射し、コイルばねの表面を冷間（温間）加工するものである。すなわち、投射材をコイルばねに投射することにより、全表面に均一に投射材の投射エネルギーを付加する。これにより、表面層の延展により微小な凹凸が均一に設けられて、表面層に加工硬化を起こさせたり、圧縮残留応力を付与させたりして、コイルばねの疲労強度を向上することができる。

前記のようなショットピーニングにおいて、コイルばねの疲労強度を一層向上させるために、複数段でショットピーニングを行う、いわゆる多段ショットピーニングが知られている（特許文献１）。特許文献１に記載の方法は、まず、所定粒径の投射材を所定速度でコイルばねに投射して第１ショットピーニングを行い、内部の深い位置にまで圧縮残留応力を付与する。その後、第１ショットピーニングで使用した投射材の粒径よりも小さな粒径の投射材を、所定速度でコイルばねに投射して第２ショットピーニングを行い、表面部に圧縮残留応力を付与する。このように、異なる粒径の投射材を使用してショットピーニングを２回以上実施することにより、表面の圧縮残留応力を高くすることができ、しかも内部の深い位置にまで圧縮残留応力を付与できて、コイルばねの疲労強度を向上させることができる。
特開平５−１７７５４４号公報

ところで、多段ショットピーニングを行う場合、一種類の投射材につき１つの投射装置を使用するのが一般的であり、各段階で投射装置を変える必要がある。仮に、同一の投射装置にて異なる粒径の投射材を使用して連続的に多段ショットピーニングを行う場合、直前のショットピーニングで使用した投射材を投射装置から全て抜いて、この投射装置に別の投射材を投入する必要がある。しかしながら、投射材は非常に微細なものであるため、一旦投入した投射材を全て抜くには手間がかかり、時間的なロスとなる。

このため、前記特許文献１に記載された方法のように、異なる粒径の投射材を使用して多段ショットピーニングを行う方法では、第１ショットピーニングを行った後、被処理材を別の投射装置に移動させて第２ショットピーニングを行う必要がある。このように、各段階で投射装置を変えることにより、被処理材を移動させる工程が増えて手間を要し、処理時間のロスに繋がっていた。特に、弁ばねやクラッチばねはバッチ処理を行うため、ショットピーニングの段階毎に投射装置を変えることは被処理材の大掛かりな移動となり、作業効率が悪いものとなる。また、複数の装置を使用する必要があるため、設置スペースが大となったり、設備投資が増えたりするという問題もあった。

本発明は、上記課題に鑑みて、従来の多段ショットピーニングと同様の良好な圧縮残留応力及び表面粗さを確保しつつ、処理時間の短縮化を図ることができて効率良く処理が行えるばねの表面処理方法を提供する。

本発明のばねの表面処理方法は、第１ショットピーニング工程及び第２ショットピーニング工程を含む複数段のショットピーニング工程により、鋼線からなるばねに圧縮残留応力を付与するばねの表面処理方法において、第１ショットピーニング工程及び第２ショットピーニング工程で同一種類、同一粒径の投射材を用いるとともに、第２ショットピーニング工程における前記投射材の投射速度を第１ショットピーニング工程における前記投射材の投射速度よりも減速させて圧縮残留応力を付与する範囲を変更可能にし、第１ショットピーニング工程及び第２ショットピーニング工程におけるショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーの比の設定値を設けて、この設定値に近似するように、投射材の投射速度を設定し、第１ショットピーニング工程において、終了時のばねの温度が４０℃〜７０℃となるように制御しつつ処理を行い、その後、ばねの温度を４０℃〜７０℃に維持しながら、後続の第２ショットピーニング工程を行うものである。ここで、「同一種類、同一粒径の投射材を用いる」とは、全工程を通して使用する投射剤を変更しないことを意味する。すなわち、使用する全ての投射材の材質及び粒径を同じものとして、１種類の投射材を使用することができる。また、各投射材において粒径が相違したり、材質が相違したりして、２種類、３種類等の異なる種類の投射材を混在させてもよい。

本発明のばねの表面処理方法によれば、全工程で同一の投射材を使用しているため、全工程で同一の投射装置を使用することができる。これにより、途中段階において被処理材を移動させることなくショットピーニングを行うことができる。しかも、投射材の投射速度を変更することにより、被処理材の所定位置に所望の圧縮残留応力を付与することができる。

投射材の投射速度を所定間隔毎に断続ないしは連続的に減速することができる。すなわち、複数の段階でショットピーニングを行う、いわゆる多段ショットピーニングにおいて、投射材の投射速度を、直前の段階におけるショットピーニングの投射材の投射速度よりも低速で投射することができる。これにより、従来と同様、後続のショットピーニングで発生する単位面積当たりの投射エネルギーを、直前のショットピーニングで発生した単位面積当たりの投射エネルギーよりも小とすることができる。ここで、所定間隔とは任意の所定時間毎であって、ある投射速度で投射材を投射することにより所定の部位に圧縮残留応力が付与できる時間である。

上記のばねの表面処理方法では、投射速度変更前後におけるショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーの比の設定値を設けて、この設定値に近似するように、投射材の投射速度を設定する。

上記のばねの表面処理方法では、第１ショットピーニング工程によって、被処理材を４０℃〜７０℃にまで上昇させて、この温度を維持しつつ後続の第２ショットピーニング工程を行う。これにより、各段階において、いわゆる温間ショットピーニングを行うことができる。温間ショットピーニングとは、被処理材を室温以上の温度に上昇させた状態でショットピーニングを施すことをいう。

粒径が０．２ｍｍ以上の投射材を用いることができる。インペラー式の投射装置では、粒径０．２ｍｍより小さな投射材を投射すると失速することがある。このため、インペラー式の投射装置を使用して、投射材の粒径を徐々に小さくする従来の多段ショットピーニングを行う場合、粒径が０．２ｍｍの投射材を用いると、それより小さな粒径とすることができず、次の段階のショットピーニングを行うことができなかった。本発明では全工程において０．２ｍｍ以上の投射材を用いているので、インペラー式の装置装置を使用しても、投射材が失速するのを防止することができる。

前記本発明に係るばねの表面処理方法は、バッチ処理にて製造される弁ばね又はクラッチばねに特に最適となる。

本発明のばねの表面処理方法は、被処理材を移動させる工程を省略することができるため、処理時間の短縮化を図ることができて効率良く処理を行うことができる。しかも、既存の投射装置を使用することができて、コストの低減を図ることができる。さらには、良好な圧縮残留応力及び表面粗さを確保することができる。

従来の多段ショットピーニングと同様の投射エネルギーとすることができ、従来の多段ショットピーニングと同様の良好な圧縮残留応力を確保することができる。しかも、従来の多段ショットピーニングと同様の投射エネルギーとした場合、本発明に係る方法にて処理した被処理材の表面粗さは、従来の多段ショットピーニングにて処理した被処理材の表面粗さよりも良好となる。これにより、従来の多段ショットピーニングと同様又はそれ以上の疲労強度を得ることができる。

単位面積当たりの投射エネルギーに基づいて設定値を設け、設定値に近似するように投射材の投射速度を設定すると、所望の圧縮残留応力を得ることができる。

各段階において温間ショットピーニングを行うことができるため、より大きな圧縮残留応力を効果的に付与することができる。

インペラー式の投射装置を用いても失速することがないため、確実に多段ショットピーニングを施すことができる。

前記本発明に係るばねの表面処理方法を用いると、疲労強度に優れた弁ばね又はクラッチばねを効率良く低コストで製造することができる。

以下本発明の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。

本発明のばねの表面処理方法を用いて製造されるばねは、例えば、弁ばねやクラッチばね等の線状の素材を螺旋形状に成形したコイルばねである。

本発明に係るばねの表面処理方法を用いて製造したコイルばねの製造方法を説明する。まず、ばね素材（オイルテンパー線）をコイリングして被処理材としてのコイルばねを成形した後、所定時間・所定温度で加熱して応力除去焼鈍を行う。次いで、研削により座面を形成し、窒化処理を行う。その後、図２に示すように、本発明に係るばねの表面処理方法にて、被処理材１の表面へ投射材２を複数段で投射する多段ショットピーニングを行う。なお、本実施形態では、先に行われる第１ショットピーニング、及び後続の第２ショットピーニングの２段階を有する場合について説明する。

まず、インペラー式投射装置を使用して、投射材２を被処理材１に所定時間（例えば、２０分）投射して第１ショットピーニングを行う。この場合、投射材２として粒径が０．２ｍｍ以上の球形粒子（スチールショット）を使用している。インペラー式の投射装置では、粒径０．２ｍｍより小さな投射材を投射すると失速することがあるが、本発明では全工程において０．２ｍｍ以上の投射材を用いているので、インペラー式の装置装置を使用しても投射材が失速するのを防止することができる。第１ショットピーニングは、終了時の被処理材の温度が４０℃〜７０℃の範囲となるように制御しつつ処理を行う。

その後、この温度を維持したまま、連続的に投射材２を被処理材１に所定時間（例えば、２０分）投射して第２ショットピーニングを行う。これにより、第２ショットピーニングは４０℃〜７０℃の温間ショットピーニングとすることができる。温間ショットピーニングとは、被処理材を室温以上の温度に上昇させた状態でショットピーニングを施すことをいう。

第２ショットピーニングでは、第１ショットピーニングで使用した投射材２と同一の投射材２を使用する。すなわち、先に行われる第１ショットピーニングと、後続の第２ショットピーニングの全工程において同一の投射材２を用いている。これにより、第１ショットピーニングで使用した投射装置を、第２ショットピーニングでそのまま使用することができる。また、第２ショットピーニングでの投射材２の投射速度を、第１ショットピーニングでの投射材２の投射速度から断続的に減速させている。これにより、第２ショットピーニングで発生する単位面積当たりの投射エネルギーは、第１ショットピーニングで発生した単位面積当たりの投射エネルギーよりも小となる。そして、圧縮残留応力を付与する範囲を第１ショットピーニングよりも表面側に変更することができる。

なお、第１ショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーと、第２ショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーとの比の設定値を設けて、この設定値に近似するように、第１ショットピーニングの投射材２の投射速度と第２ショットピーニングの投射材２の投射速度とを設定している。投射エネルギーは、１／２ｍｖ^２にて表される。従来の２段ショットピーニングにおいて、第１ショットピーニングと第２ショットピーニングとの投射材２の投射速度が一定であるとして、第２ショットピーニングで使用する投射材２の粒径ｒを、第１ショットピーニングで使用する投射材２の粒径Ｒよりも小としている。この場合、第１ショットピーニングの投射エネルギーと第２ショットピーニングの投射エネルギーとの比は、（ｒ／Ｒ）^３となる。この（ｒ／Ｒ）^３を設定値とする。なお、Ｒ及びｒは、従来の２段ショットピーニングを行って得られたデータの中から、理想的な圧縮残留応力が得られた２段ショットピーニングを選択して、その際に使用した投射材２の粒径である。

本実施形態では、第１ショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーと第２ショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーの比が（ｒ／Ｒ）^３に近似するように、第１ショットピーニングの投射材２の投射速度と第２ショットピーニングの投射材２の投射速度とを設定する。すなわち、第２ショットピーニングの投射材２の投射速度をｖとし、第１ショットピーニングの投射材２の投射速度をＶとすると（Ｖ＞ｖ）、第１ショットピーニングの投射エネルギーと第２ショットピーニングの投射エネルギーとの比は、（ｖ／Ｖ）^２である。この（ｖ／Ｖ）^２が設定値（ｒ／Ｒ）^３に近似するように、第１ショットピーニングの投射材２の投射速度Ｖと、第２ショットピーニングの投射材２の投射速度ｖとを設定する。

本発明では、全工程で同一の投射材２を使用しているため、全工程で同一の投射装置を使用することができる。これにより、途中段階において、被処理材１を移動させることなくショットピーニングを行うことができるため、処理時間の短縮化を図ることができて効率良く処理を行うことができる。しかも、既存の投射装置を使用することができて、コストの低減を図ることができる。

複数の段階でショットピーニングを行う、いわゆる多段ショットピーニングにおいて、投射材２の投射速度を、直前の段階におけるショットピーニングの投射材２の投射速度よりも低速で投射することができる。これにより、多段ショットピーニングを行う場合、従来と同様、後続のショットピーニングで発生する単位面積当たりの投射エネルギーを、直前のショットピーニングで発生した単位面積当たりの投射エネルギーよりも小とすることができる。従って、従来の多段ショットピーニングと同様の良好な圧縮残留応力を確保することができる。しかも、被処理材１の表面粗さは、従来の多段ショットピーニングにて処理した被処理材の表面粗さよりも良好となる。これにより、従来の多段ショットピーニングと同様又はそれ以上の疲労強度を得ることができる。

単位面積当たりの投射エネルギーに基づいて設定値を設け、設定値に近似するように投射材２の投射速度を設定すると、所望の圧縮残留応力を得ることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、多段ショットピーニングは２段ピーニングに限られず、３段以上で行ってもよい。また、投射材２の材質としては、鉄系、非鉄系等種々のものを採用でき、金属系に限らず、ガラス系、セラミック系、樹脂系等種々のものを採用することができる。投射材２の形状は、球状でなくカットワイヤであってもよい。投射材２の硬さや粒径、投射速度は、被処理材の材質や大きさに応じて適宜変更することができる。実施形態では、使用する全ての投射材２の材質及び粒径を同じものとして、１種類の投射材２を使用したが、異なる種類の投射材２を混在させてもよく、要は全工程を通して投射材２を変更しなければよい。例えば、粒径が０．４ｍｍの投射材と０．６ｍｍの投射材とを同じ割合で混ぜ合わせたり、材質が異なる２種類の投射材２を同じ割合で混ぜ合わせたりすることができる。投射材２の種類としては、２種類に限られず３種類、４種類、多種類とすることができる。この場合、各種の投射材２を必ずしも同じ割合で混ぜ合わせる必要はなく、特定の種類の投射材２を少数としたり、多数としたりして適宜変更することができる。また、投射エネルギーの比の設定値は、理想とする圧縮残留応力に応じて任意に設定することができる。投射装置としては、インペラー式に限られず、エアーの圧力にて投射材２を投射するエアー式のものであってもよい。この場合、エアー圧力を変えることにより、投射材２の投射速度を変更することができる。

また、実施形態では、ショットピーニングを所定時間毎に複数の段階として、各段階で投射材２の投射速度を断続的に減速するものであったが、複数段に分けることなく、連続的に投射速度を減少させてもよい。また、各段階で一定の投射速度としたが、１つの段階で必ずしも一定速度にする必要はなく、１つの段階で徐々に速度を減速したり、１つの段階の終期において投射速度を減少させたりしてもよい。

本実施例で使用したばねの線材は、弁ばね用シリコンクロム鋼線であり、これは、ＪＩＳ規格のＧ３５６１をベースとした鋼材を伸線加工後オイルテンパー処理したものである。

この弁ばね用シリコンクロム鋼線を冷間でコイリングし、線径φ３．２ｍｍ、コイル中心径φ２１．２ｍｍ、有効巻数４．５巻、総巻数６．５巻、自由長５３ｍｍ、ばね定数２３．４Ｎ／ｍｍのコイルばねに成形した。その後、４３５℃×２０分の応力除去焼鈍を行い、次いで、座面を研削して被処理材を作製した。その後、被処理材に窒化処理前のデスケール処理を目的にショットピーニングを実施した。続いて窒化処理を行った後に２段ショットピーニングを施した。第１ショットピーニングは、投射材としてφ０．６、Ｈｖ５５０の球形粒子（スチールショット）を使用し、投射速度７２ｍ／ｓ、処理時間２０分でインペラー投射によるショットピーニングを実施した。次いで、第２段のショットピーニングを実施した。第２ショットピーニングは、第１ショットピーニングで使用した投射材と同一の投射材を使用し、投射速度６０ｍ／ｓ、処理時間２０分でインペラー投射によるショットピーニングを実施して実施品を作製した。

また、実施品と同様の線材を用いて、実施品と同様の方法にて被処理材を作製した。その後、この被処理材に２段ショットピーニングを施した。第１ショットピーニングは、投射材としてφ０．６、Ｈｖ５５０の球形粒子（スチールショット）を使用し、投射速度７２ｍ／ｓ、処理時間４０分でインペラー投射によるショットピーニングを実施した。次いで、第２ショットピーニングを実施した。第２段ショットピーニングは、投射材としてφ０．４、Ｈｖ５５０の球形粒子（スチールショット）を使用し、投射速度７２ｍ／ｓ、処理時間４０分でインペラー投射によるショットピーニングを実施して比較品を作製した。

このようにして作製した実施品と比較品との表面粗さを測定した結果を表１に表す。表１より、実施品の方が比較品よりもＲａ、Ｒａｍａｘ、Ｒｚ、Ｒｚｍａｘの全てにおいて小さい値を示している。これにより、実施品は比較品よりも表面粗さが小さい。すなわち、本発明に係る方法にて処理した被処理材の表面粗さは、従来の多段ショットピーニングにて処理した被処理材の表面粗さよりも良好であることがわかった。

また、図１に実施品と比較品との圧縮残留応力を測定した結果を示す。図１より、実施品と比較品との圧縮残留応力はほぼ一致することがわかった。これにより、本発明のばねの表面処理方法は、従来の多段ショットピーニングと同様の良好な圧縮残留応力が得られることがわかった。

本発明のばねの表面処理方法により製造した実施品と、従来のばねの表面処理方法により製造した比較品との圧縮残留応力を示すグラフ図である。ショットピーニングの原理を示す概念図である。

符号の説明

１被処理材
２投射材

Claims

第１ショットピーニング工程及び第２ショットピーニング工程を含む複数段のショットピーニング工程により、鋼線からなるばねに圧縮残留応力を付与するばねの表面処理方法において、
第１ショットピーニング工程及び第２ショットピーニング工程で同一種類、同一粒径の投射材を用いるとともに、第２ショットピーニング工程における前記投射材の投射速度を第１ショットピーニング工程における前記投射材の投射速度よりも減速させて圧縮残留応力を付与する範囲を変更可能にし、
第１ショットピーニング工程及び第２ショットピーニング工程におけるショットピーニングの単位面積当たりの投射エネルギーの比の設定値を設けて、この設定値に近似するように、投射材の投射速度を設定し、
第１ショットピーニング工程において、終了時のばねの温度が４０℃〜７０℃となるように制御しつつ処理を行い、その後、ばねの温度を４０℃〜７０℃に維持しながら、後続の第２ショットピーニング工程を行うことを特徴とするばねの表面処理方法。
粒径が０．２ｍｍ以上の投射材を用いる請求項１記載のばねの表面処理方法。
弁ばね又はクラッチばねに圧縮残留応力を付与する請求項１又は２に記載のばねの表面処理方法。