JP5819659B2 - 皿ばねおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ショットピーニングにより残留応力が付与された皿ばねおよびその製造方法に係り、特に、皿ばねの高精度化技術の改良に関する。

皿ばねは、産業用機械や車両等の分野において付勢手段や衝撃緩衝手段等の各種用途に使用されている。図３は、皿ばねの構成を表す軸線方向断面図である。皿ばね１は、皿形状をなす本体１０を備え、本体１０の中央部に孔部１１が形成されている。孔部１１の内周面部である内径部１２は、軸線方向断面が湾曲状をなす湾曲面である。外径部１３は、軸線方向に平行な面である。皿ばね１は、軸線方向高さが低くなるようにして弾性変形することができる。皿ばね１の凹面側（図の下面側）は、弾性変形時、引張り応力が発生する引張り面１４であり、皿ばね１の凸面側（図の上面側）は、弾性変形時、圧縮応力が発生する圧縮面１５である。

たとえば皿ばねをマシニングセンタに適用する場合、工具ホルダに対する把持動作を行うための付勢手段として皿ばねを利用している（たとえば特許文献１）。具体的には、マシニングセンタの主軸装置は、軸線方向に延在するドローバを備え、ドローバの前端には工具ホルダを把持するコレットが設けられ、ドローバの後端にはドローバを軸線方向に沿って移動させる油圧シリンダが設けられている。

ドローバ両端部側のストッパ同士の間には複数の皿ばねが配置され、皿ばねの孔部がドローバにより貫通されている。この場合、ドローバが皿ばねのガイド軸としての機能を有する。たとえば主軸装置では、皿ばねによってドローバが後方に付勢されて後退することにより、コレットは工具ホルダの後端のプルスタッドを把持する。他方、油圧シリンダによってドローバが皿ばねの付勢力に抗して前進することにより、コレットは工具ホルダのプルスタッドの把持を解除する。特許文献１の皿ばねでは、皿ばねとドローバとの摺動時に発生する摩耗粉等による動作不良を抑制するために、皿ばねの内径部の端部に凹部を形成している。

特許４２５０６４５号

ところで、皿ばねの製造では、皿形状のブランクの内径部および外径部に機械加工を行い、次いで、ブランクにショットピーニングを行う。皿ばねをマシニングセンタに適用する場合、皿ばねには高精度が要求されていることから、たとえばガイド軸との摺動に伴う皿ばねの内径の変化を防止するために、ブランクの内径部への上記機械加工では、内径部を湾曲面（Ｒ面）にしている。また、皿ばねの弾性変形時に引張り応力が発生する引張り面の内径部側端部は、最大応力が発生し得る部位であるから、上記ショットピーニングでは、特に最大応力が発生し得る引張り面の内径部側端部に残留応力を付与することが重要である。

しかしながら、皿ばねの製造では、上記のように内径部への機械加工後にショットピーニングを行っているため、内径部にはショットによる凹凸が形成されたり、内径部が全体的に変形する虞がある。そのため、最大レンジ１０μｍ程度の内径公差の管理が困難となり、高精度化を図ることができない。そこで、内径部への機械加工とショットピーニングの工程順を入れ替えて、ショットピーニング後に内径部への機械加工を行うことが考えられる。ところが、この場合、内径部を湾曲面にするために機械加工を行うと、ショットピーニングにより残留応力が付与された引張り面の内径部側端部は除去されやすく、機械加工後の引張り面の内径部側端部には残留応力が残らない虞がある。

したがって、本発明は、内径部の高精度化を図ることができるのはもちろんのこと、引張り面の内径部側端部に残留応力を付与することができる皿ばねおよびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の皿ばねは、皿形状をなすとともに孔部を有する本体を備え、本体の引張り面における内径部側端部には面取り部が形成され、引張り面及び面取り部には、ショットピーニングによる残留応力が付与され、内径部は、ショットピーニングにより凹凸面とされた面取り部と、面取り部以外の機械加工面とからなり、前記機械加工面は軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面であることを特徴とする。

本発明の皿ばねでは、少なくとも引張り面には、ショットピーニングによる残留応力が付与されているから、本体の引張り面における内径部側端部に形成された面取り部は、残留応力を有することができる。このように最大応力が発生し得る引張り面の内径部側端部は残留応力を有することができるから、高耐久化を図ることができる。また、内径部は機械加工面を有するから、ショットピーニングによる凹凸等の形状の影響がなく、面粗さを低く設定することができる。このように内径部の高精度化を図ることができるから、ガイド軸を有する装置に皿ばねを適用し、皿ばねの孔部にガイド軸を設ける場合、内径部とガイド軸との間のクリアランスを高精度に設定することができるとともに、ガイド軸との摺動性の向上を図ることができる。

本発明の皿ばねにおいて内径部は、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面である機械加工面を有する。本発明では、湾曲面が所定の曲率半径を有することができるから、孔部にガイド軸を設けた場合、本体が弾性変形してガイド軸と摺動したときの皿ばねの内径の変化を抑制することができる。また、たとえば面取り部の圧縮面側端部は、湾曲面の頂点よりも外径部側に位置するように形成されている態様を用いることができる。湾曲面の頂点は、皿ばねの内径値を示す点であって、この場合、本体が弾性変形してガイド軸と摺動したときに、その内径値の変化を効果的に抑制することができる。また、たとえば面取り部は、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面、あるいは、引張り面の平面部に対して所定角度をなす斜面である態様を用いることができる。特に面取り部を引張り面の平面部に対して所定角度をなす斜面とすることで加工端部が分かりやすく、加工管理が容易になる。

本発明の皿ばねの製造方法は、皿形状をなすとともに孔部を有するブランクを準備し、ブランクにおける引張り面の内径部側端部に、面取りを行うことにより面取り部を形成し、面取り後、ブランクにおける少なくとも引張り面に、ショットピーニングを行い、ショットピーニング後、内径部に前記面取り部を除いて機械加工を行い、機械加工では、内径部を、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面とすることを特徴とする。

本発明の皿ばねの製造方法では、ブランクにおける引張り面の内径部側端部に面取り部を形成した後、少なくとも引張り面にショットピーニングを行うから、引張り面の内径部側端部の面取り部に残留応力を付与することができる。ショットピーニング後に機械加工を内径部に行うとき、少なくとも面取り部の外径部側を残すことができるから、残りの面取り部は、機械加工後の引張り面の内径部側端部を構成することができる。したがって、最大応力が発生し得る引張り面の内径部側端部は残留応力を有することができるから、高耐久化を図ることができる。また、ショットピーニング後に機械加工を内径部に行うから、内径の管理が容易となる。この場合、ショットピーニングによる凹凸等の形状の影響を除去することができるから、内径部の高精度化を図ることができる。これにより、内径部とガイド軸との間のクリアランスを高精度に設定することができる。また、機械加工後に、内径を変化させる工程を行う必要がないから、内径部の高精度化をさらに図ることができ、たとえば最大レンジ５μｍ程度の内径公差の管理を行うことができる。これにより、上記クリアランスをさらに高精度に設定することができる。

本発明の皿ばねあるいはその製造方法によれば、内径部の高精度化を図ることができるのはもちろんのこと、引張り面の内径部側端部に残留応力を付与することができる等の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る皿ばねの構成を表す軸線方向断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施形態に係る皿ばねの製造方法の各工程を説明するための図であって、ブランクの右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。 従来の皿ばねの構成を表す軸線方向断面図である。

（１）実施形態の構成
以下、本発明の一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皿ばねの構成を表す軸線方向断面図である。皿ばね１００は、皿形状（略円錐形状）をなすとともに孔部１１１を有する本体１１０を備えている。軸線方向は、図の垂直方向である。

内径部１１２は、孔部１１１の内周面部であり、ショットピーニングによる凹凸等の形状の影響が除去された仕上げ加工面（機械加工面）である。内径部１１２は、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面であることが好適である。内径部１１２は、軸線方向断面が直線状をなす円筒面であってもよい。引張り面１１４の外径部１１３側の端部および圧縮面１１５の内径部１１２側の端部には、水平方向に平行な平坦面が形成されていてもよい。外径部１１３は、たとえば軸線方向に平行な仕上げ加工面（機械加工面）である。

たとえば皿ばね１００をマシニングセンタに適用する場合、孔部１１１にドローバが挿通される。皿ばね１００は、皿形状から略平坦状に弾性変形することができる。このような弾性変形時、本体１１０の凹面側（図の下面側）は、引張り応力が発生する引張り面１１４であり、本体１１０の凸面側（図の上面側）は、圧縮応力が発生する圧縮面１１５である。

引張り面１１４における内径部１１２側端部には、面取り部１２１が形成されている。面取り部１２１は、たとえば軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面、あるいは、引張り面１１４の平面部に対して角度αをなす斜面である。面取り部１２１が湾曲面である場合、その湾曲面の曲率半径は大きく設定され、たとえば内径部１１２の湾曲面の曲率半径よりも大きく設定される。面取り部１２１の斜面の角度αは、４５度±１０度の範囲内（すなわち、３５度〜５５度の範囲内）に設定されていることが好適である。

本体１１１における面取り部１２１を含む引張り面１１４には、ショットピーニングによる残留応力が付与されている。面取り部１２１における圧縮面１１５側の端部は、内径部１１２の頂点Ｐよりも引張り面１１４側に位置するように形成されていていることが好適である。

内径部１１２、外径部１１３、および、面取り部１２１の形状は、本発明の範囲内で種々の変形が可能である。皿ばね１００が適用される装置は、マシニングセンタに限定されるものではなく、たとえば皿ばね１００の孔部１１１に挿通されて皿ばね１００を案内するガイド軸を有する装置や、皿ばね１００の外径部１１３に当接して皿ばね１００を案内する筒状部材を有する装置に適用することができる。

（２）実施形態の製造方法
皿ばね１００の製造方法について図２を参照して説明する。図２（Ａ）〜２（Ｄ）本発明の一実施形態に係る皿ばねの製造方法の各工程を説明するための図であって、ブランク１００Ａの右側部分の構成を表す軸線方向断面図である。図２では、ブランク１００Ａの凹面側（図の下面側）は、皿ばね１００の引張り面１１４に対応する引張り面１１４Ａ、ブランク１００Ａの凸面側（図の上面側）は、皿ばね１００の圧縮面１１５に対応する圧縮面１１５Ａである。図２に示すブランク１００Ａの破線部分は、前の工程での形状を示している。

まず、たとえば板材からリング形状のブランクを打ち抜き、必要に応じてブランクの内径部および外径部に粗加工を行い、ブランクに曲げ成形を行うことにより、たとえば図２（Ａ）に示すように、皿形状のブランク１００Ａを得る。次いで、たとえば皿形状のブランク１００Ａに熱処理を行う。熱処理では、たとえば焼き入れおよび焼き戻しを行う。

続いて、たとえば図２（Ｂ）に示すように、ブランク１００Ａの引張り面１１４Ａ側の内径部１１２Ａ側の端部に、たとえば旋盤あるいはＮＣ旋盤を用いて面取りを行うことにより面取り部１２１Ａを形成する。面取り部１２１Ａは、たとえば引張り面１１４Ａの平面部に対して角度αをなす斜面である。

次いで、たとえば図２（Ｃ）に示すように、たとえばＮＣ旋盤を用いてブランク１００Ａの外径部１１３Ａに仕上げ加工（機械加工）を行うことにより、外径部１１３Ａを軸線方向に平行な面に加工する。このような外径部１１３Ａへの加工を行うことにより、下記の内径部１１２Ａへの仕上げ加工時に外径部１１３Ａをチャックしやすく、かつ皿ばね１００の荷重計算を容易に行うことができる。続いて、たとえばブランク１００Ａの全体に、ショットピーニングを行うことにより、ブランク１００Ａの全体に残留応力を付与する。この場合、ブランク１００Ａにおける面取り部１２１Ａを含む引張り面１１４Ａのみにショットピーニングを行ってもよい。

次いで、図２（Ｄ）に示すように、たとえば旋盤あるいはＮＣ旋盤を用いて内径部１１２Ａに仕上げ加工（機械加工）を行うことにより、内径部１１２Ａを、たとえば軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面にする。この場合、内径部１１２Ａへの仕上げ加工時、少なくとも面取り部１２１Ａの外周端部側を残すことができるから、残りの面取り部１２１Ａは、仕上げ加工後の引張り面１１４Ａの内径部１１２Ａ側の端部を構成することができる。これにより、最大応力が発生し得る引張り面１１４Ａの内径部１１２Ａ側端部は残留応力を有することができる。続いて、必要に応じて低温焼鈍や、グリース塗布、組み合わせセッチング等を行うことにより、図１に示す皿ばね１００が得られる。

この場合、内径部１１２Ａへの仕上げ加工後、内径部１１２Ａの内径を変化させる工程を行わないから、皿ばね１００の内径値は、ブランク１００Ａの内径部１１２Ａへの仕上げ加工により得られた内径値と等しい。なお、本実施形態の製造方法では、引張り面１１４Ａの内径部１１２Ａ側端部への面取り、少なくとも引張り面１１４Ａへのショットピーニング、および、内径部１１２Ａへの機械加工を順次行うことに特徴があり、その特徴を有する限りにおいて種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本実施形態では、ブランク１００Ａにおける引張り面１１４Ａの内径部１１２Ａ側端部に面取り部１２１Ａを形成した後、少なくとも引張り面１１４Ａにショットピーニングを行うから、引張り面１１４Ａの内径部１１２Ａ側端部の面取り部１２１Ａに残留応力を付与することができる。ショットピーニング後に仕上げ加工を内径部１１２Ａに行うとき、少なくとも面取り部１２１Ａの外径部側を残すことができるから、残りの面取り部１２１Ａは、仕上げ加工後の引張り面１１４Ａの内径部１１２Ａ側端部を構成することができる。したがって、皿ばね１００において最大応力が発生し得る引張り面１１４の内径部１１２側端部は残留応力を有することができるから、皿ばね１００の高耐久化を図ることができる。

また、ショットピーニング後に仕上げ加工を内径部１１２Ａに行うから、皿ばね１００の内径の管理が容易となる。この場合、ショットピーニングによる凹凸等の形状の影響を除去することができるから、皿ばね１００の内径部１１２の面粗さを低く設定することができ、高精度化を図ることができる。また、仕上げ加工後に、内径を変化させる工程を行う必要がないから、内径部１１２の高精度化をさらに図ることができ、たとえば最大レンジ５μｍ程度の内径公差の管理を行うことができる。このように皿ばね１００の内径部１１２の高精度化を図ることができるから、ガイド軸を有する装置に皿ばね１００を適用し、皿ばね１００の孔部１１１にガイド軸を設ける場合、内径部１１２とガイド軸との間のクリアランスを高精度に設定することができるとともに、ガイド軸との摺動をスムーズに行うことができる。

特に、内径部１１２は、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面である場合、孔部１１１にガイド軸を設けると、本体１１０が弾性変形してガイド軸と摺動したときの皿ばね１００の内径の変化を抑制することができる。また、たとえば面取り部１２１の圧縮面１１５側端部が、湾曲面の頂点Ｐよりも引張り面１１４側に位置するように形成されている態様では、湾曲面の頂点Ｐは皿ばね１００の内径値を示す点であって、この場合、本体１１０が弾性変形してガイド軸と摺動したときに、その内径値の変化を効果的に抑制することができる。

１００…皿ばね、１００Ａ…ブランク、１１０…本体、１１１…孔部、１１２，１１２Ａ…内径部、１１３，１１３Ａ…外径部、１１４，１１４Ａ…引張り面、１１５，１１５Ａ…圧縮面、１２１，１２１Ａ…面取り部、α…角度（所定角度）、Ｐ…頂点

Claims (5)

1. 皿形状をなすとともに孔部を有する本体を備え、
   前記本体の引張り面における内径部側端部には面取り部が形成され、
   前記引張り面及び前記面取り部には、ショットピーニングによる残留応力が付与され、
   内径部は、前記ショットピーニングにより凹凸面とされた前記面取り部と、前記面取り部以外の機械加工面とからなり、前記機械加工面は軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面であることを特徴とする皿ばね。
2. 前記面取り部の圧縮面側端部は、軸線方向断面において、前記湾曲面の頂点よりも外径部側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の皿ばね。
3. 前記面取り部は、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面、あるいは、前記引張り面の平面部に対して所定角度をなす斜面であることを特徴とする請求項１または２に記載の皿ばね。
4. 皿形状をなすとともに孔部を有するブランクを準備し、
   前記ブランクにおける引張り面の内径部側端部に、面取りを行うことにより面取り部を形成し、
   前記面取り後、前記ブランクにおける少なくとも前記引張り面に、ショットピーニングを行い、
   前記ショットピーニング後、内径部に前記面取り部を除いて機械加工を行い、前記機械加工では、前記内径部を、軸線方向断面が円弧状をなす湾曲面とすることを特徴とする皿ばねの製造方法。
5. 前記機械加工では、前記面取り部の圧縮面側端部が、軸線方向断面において、前記内径部の前記湾曲面の頂点よりも外径部側に位置するように、前記湾曲面を形成することを特徴とする請求項４に記載の皿ばねの製造方法。

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