JP6969100B2 - 残留応力付与方法 - Google Patents

Description

本発明は、コイルばねに残留応力を付与する装置および方法に関する。

コイルばねは、らせん構造の内側部分から疲労破壊が生じることが知られている。従来、コイルばねの疲労破壊を防ぐため、ショットピーニング等による鋼線表面への残留応力の付与、または窒化処理等を用いた鋼線の表面硬化によるコイルばねの強化が行われてきた。

しかし、コイルばねを構成する鋼線の表面ではなく、表面より少し鋼線の中心に近い内部から疲労破壊が生じる事例が報告されている。すなわち、コイルばねの疲労破壊を防止するためには、コイルばねの表面だけではなく、表面より０．１〜０．５ｍｍ程度の内部の領域に圧縮残留応力を付与する必要がある。

しかしながら、ショットピーニングでは、表面には高い圧縮残留応力を付与することが可能であるものの、表面より０．１〜０．５ｍｍ程度の内部の領域には、疲労強度を低下させる引張残留応力を発生させることが多い。

例えば、特許文献１には、金属材料に外力を加えてその表面に引張応力を付与した状態でこの表面を粒子打撃し、その後前記外力を除去することにより、この表面に高い圧縮残留応力層を得る高圧縮残留応力層付与方法が開示されている。

また、特許文献２には、コイルばねの内周面に圧縮残留応力を均一に付与するとともに処理時間を短縮して、コイルばねの疲労特性を向上することが可能なコイルばねの超音波打撃処理装置及びコイルばねの超音波打撃処理方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、複雑な形状の金属製被加工部材であってもその表面に対して均質に表面強化処理を行うことができる金属表面強化処理方法が開示されている。

特開昭５９−３０６７０号公報 特開２０１２−１１７１１９号公報 特開平５−１４８５３６号公報

特許文献１に記載の技術によれば、張力付加状態で粒子打撃することで表面圧縮残留応力値および疲労寿命が大幅に向上するとされている。しかしながら、張力を付加した状態であっても、ショットピーニング等の粒子打撃では、十分な深さまで圧縮残留応力を付与することはできない。

特許文献２に記載の技術によれば、コイルばねのコイル内側に挿入された棒状の打撃治具に超音波振動を付与することによって、コイル内周面が繰り返し打撃され、コイル内周面に圧縮残留応力が付与される。しかしながら、この方法では設備コストがかかるという問題があり、改善の余地が残されている。

また、特許文献３に記載の技術によれば、金属製被加工部材を粉粒体に埋設し、粒体に外部から圧力を加えて圧縮することによって、金属製被加工部材の形状にかかわらずその表面には均質な表面強化処理を行うことができるとされている。しかしながら、この方法では、すべての表面に均質な応力を付与することはできるが、例えば、コイルばねの内側部分により多くの残留応力を付与するという制御を行うことは不可能である。

本発明は、上記の問題を解決し、コイルばねに残留応力を付与することが可能な装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の残留応力付与装置および残留応力付与方法を要旨とする。

（１）コイルばねに残留応力を付与する装置であって、
径方向への拡張が不能な断面円形の内周面を有し、前記コイルばねが隙間ばめされる外接部材と、
前記外接部材の前記内周面の内側において、前記コイルばねに挿入され、かつ、径方向への拡張が可能な断面円形の外周面を有する内接部材と、
前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させる拡張部材と、を備える、
残留応力付与装置。

（２）前記内接部材は、断面Ｃ字形状の内周面を有し、
前記拡張部材は、前記内接部材の前記内周面の直径より大きい外径を有する拡張部を含む、
上記（１）に記載の残留応力付与装置。

（３）前記コイルばねに軸方向の力を付加し弾性変形させる変形部材をさらに備える、
上記（１）または（２）に記載の残留応力付与装置。

（４）上記（１）または（２）に記載の装置を用いてコイルばねに残留応力を付与する方法であって、
前記コイルばねを前記外接部材内に隙間ばめするとともに、前記コイルばねの内側に前記内接部材を挿入する、配置工程と、
前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させる、拡張工程と、を備える、
残留応力付与方法。

（５）上記（３）に記載の装置を用いてコイルばねに残留応力を付与する方法であって、
前記コイルばねを前記外接部材内に隙間ばめするとともに、前記コイルばねの内側に前記内接部材を挿入する、配置工程と、
前記変形部材により前記コイルばねを弾性変形させた状態で、前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させる、拡張工程と、を備える、
残留応力付与方法。

（６）前記拡張工程において、前記コイルばねを前記外接部材の前記内周面と前記内接部材の前記外周面とで挟み、前記拡張部材を、前記内接部材の内周面と接触するように前記内接部材内に通過させることによって、前記内接部材を拡張させる、
上記（４）または（５）に記載の残留応力付与方法。

本発明によれば、コイルばねに対して、表面性状を大きく劣化させることなく、かつ低コストで、内部の領域まで圧縮残留応力を付与することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る残留応力付与装置の基準状態の一例を示した断面図（ａ）ならびに（ａ）における外接部材および内接部材のａ−ａ線断面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態に係る残留応力付与装置の使用状態の一例を示した断面図（ａ）ならびに（ａ）における外接部材および内接部材のｂ−ｂ線断面図（ｂ）である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置が備える拡張部材の断面形状を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置の基準状態の一例を示した断面図（ａ）ならびに（ａ）における外接部材および内接部材のｃ−ｃ線断面図（ｂ）である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置の使用状態の一例を示した断面図（ａ）ならびに（ａ）における外接部材および内接部材のｄ−ｄ線断面図（ｂ）である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置の基準状態の一例を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置において、コイルばねに軸方向の力を付加して縮ませた状態の一例を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置の使用状態の一例を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置の基準状態の一例を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置において、コイルばねに軸方向の力を付加して伸ばした状態の一例を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置の使用状態の一例を示した断面図である。 残留応力の測定位置および測定方向を説明するための図である。

添付した図面を参照して、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る残留応力付与装置１０の基準状態の一例を示した断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における外接部材および内接部材のａ−ａ線断面図である。また、図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係る残留応力付与装置１０の使用状態の一例を示した断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における外接部材および内接部材のｂ−ｂ線断面図である。なお、本発明においては、後述する内接部材が拡張されていない状態を基準状態といい、内接部材が径方向に拡張された状態を使用状態という。

本発明の一実施形態に係る残留応力付与装置１０は、コイルばね２０に残留応力を付与する装置であって、外接部材１と内接部材２と拡張部材３とを備える。各構成要素について説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

外接部材１は、断面円形の内周面１ａを有し、コイルばね２０が隙間ばめされる部材である。すなわち、図１に示すように、コイルばね２０が外接部材１の内部に配置された状態において、コイルばね２０の外側部分２０ａと外接部材１の内周面１ａとが当接している。そして、外接部材１の内周面１ａは径方向へ拡張不能であり、コイルばね２０の外側部分２０ａが径方向に拡張されるのを規制する。

内接部材２は、外接部材１の内周面１ａの内側において、コイルばね２０に挿入され、かつ、径方向への拡張が可能な外周面２ａを有する円筒状の部材である。具体的には、図１および２に示すように、内接部材２は、断面Ｃ字形状の内周面２ｂを有する。上記の構成では、内接部材２は断面の一部が切断されているため、径方向への拡張が可能となる。なお、本発明において、「円形」には、円の一部が切断された形状も含まれるものとする。また、「断面Ｃ字形状」とは、円の一部が切断されている形状を意味し、切断されている一端と他端とが接触していてもよく、離れていてもよい。

拡張部材３は、内接部材２を径方向に拡張させる部材である。具体的には、図１および２に示すように、拡張部材３は、球体状を呈しており、基準状態における内接部材２の内周面２ｂの直径より大きい外径を有する拡張部３ａを含んでいる。なお、拡張部材３は、内接部材２を拡張する際に塑性変形しないよう、内接部材２より硬い材料を用いることが好ましい。

次に、図１および２を用いて、本発明の一実施形態に係る残留応力付与装置を用いてコイルばねに残留応力を付与する方法の一例について説明する。

まず、コイルばね２０を外接部材１内に隙間ばめするとともに、コイルばね２０の内側に内接部材２を挿入する（配置工程）。その後、内接部材２を径方向に拡張させる（拡張工程）。なお、配置工程において、コイルばね２０を外接部材１内に隙間ばめする工程と、コイルばね２０の内側に内接部材２を挿入する工程とは、どちらを先に行ってもよいし、同時に行ってもよい。また、配置工程において、内接部材２はコイルばね２０内に隙間ばめすることが好ましい。

拡張工程では、図１に示すように、まず、拡張部材３を内接部材２の一端側に接触させ、その後、拡張部材３を押し込む。そして、図２に示すように、コイルばね２０を外接部材１の内周面１ａと内接部材２の外周面２ａとで挟んだ状態において、拡張部３ａが内接部材２の内周面２ｂと接触するように、内接部材２内を通過させる。上述のように、拡張部材３の拡張部３ａにおける外径は、内接部材２の内周面２ｂの直径より大きい。そのため、拡張部材３が内接部材２内を通過することによって、内接部材２は押し広げられ、径方向に拡張される。

そして、コイルばね２０の外側部分２０ａを外接部材１の内周面１ａによって固定した状態で、コイルばね２０の内側部分２０ｂを拡張させることによって、コイルばね２０に応力を付与し、塑性変形させることが可能となる。その後、コイルばね２０に付与した応力を除荷すると、コイルばね２０には残留圧縮応力が生じることとなる。

ショットピーニングを用いる場合、コイルばねに対して加えられる圧力は、衝撃的なものとなる。これに対して、本発明に係る方法を用いる場合、コイルばね２０に対して外接部材１の内周面１ａおよび内接部材２の外周面２ａで圧力を加えるため、準静的な圧力が加わり、コイルばね２０の深い領域まで圧縮残留応力を付与すること可能となる。

また、コイルばね２０は、拡張部材３と接触することがなく、内接部材２から径方向の応力が付与されるだけである。そのため、拡張部材３が内接部材２内を通過する際に、コイルばね２０の表面に擦り傷などが生じることも防止できる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば上述の例では、拡張部材３は球体状であるが、図３に示すように、先端が半球状または円錐状の棒であってもよい。

また、上述の実施形態では、内接部材２は断面Ｃ字形状の外周面２ａおよび内周面２ｂを有する円筒状であるが、例えば、図４および５に示すような構成であってもよい。すなわち、内接部材２は、断面円形の外周面２ａおよび断面四角形の内周面２ｂを有しており、４つに分割されている。そして、垂直断面が台形で、水平断面が正方形の棒状の拡張部材３を、内接部材２の内周面２ｂに接触するように押し込むことによって、内接部材２を径方向に拡張させる。

さらに、上述の例では、球体状または棒状の器具である拡張部材３を内接部材２の内側に押し込むことによって、内接部材２を径方向に拡張させる構成としているが、これに限定されず、例えば、水圧または油圧によって内接部材２を拡張させる構成としてもよい。

図６は、本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置１０の基準状態の一例を示した断面図である。また、図７は、本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置１０において、コイルばね２０に軸方向の力を付加して縮ませた状態の一例を示した断面図である。さらに、図８は、本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置１０の使用状態の一例を示した断面図である。

本発明の他の実施形態に係る残留応力付与装置１０は、上述の外接部材１、内接部材２および拡張部材３に加えて、変形部材４をさらに備える。変形部材４は、コイルばね２０に軸方向の力を付加し弾性変形させる部材である。図６〜８に示す構成においては、変形部材４は円筒状の部材であり、外径が外接部材１の内径より小さく、内径が内接部材２の外径より大きい。

変形部材４を備えた残留応力付与装置１０を用いてコイルばね２０に残留応力を付与する場合においては、上述の拡張工程において、まず、図７に示すように変形部材４によってコイルばね２０に軸方向の力を付加して縮ませる。そして、コイルばね２０を弾性変形させた状態で、内接部材２を径方向に拡張させる。

コイルばね２０に軸方向の力を付加して弾性変形させた状態で、径方向に圧力を加えて塑性変形させることにより、コイルばね２０のより深い領域まで圧縮残留応力を付与すること可能となる。

上述の図６〜８に示す構成においては、コイルばね２０を縮ませた状態で径方向に圧力を加えているが、図９〜１１に示すように、コイルばね２０を伸ばした状態で径方向に圧力を加えてもよい。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

コイルばねとして、Ｄａｙｔｏｎａ製ＪＩＳ ＳＷＯＳＣ−Ｖ鋼ばね（ショットピーニングによる強化、スーパークラッチセンタースプリング74040、自由高さ：１００ｍｍ、コイル平均径：５３ｍｍ、線径：４ｍｍ）を用いた。使用したばねの総巻数は５、有効巻数は３とした。上記のコイルばねに対し、残留応力除去を目的として、４００℃の温度で３０分間保持する焼鈍処理を施した。

残留応力除去焼鈍した後、本発明に係る方法を用いて残留応力の付与を行った。具体的には、まず、外径７０ｍｍ、内径５７ｍｍ（＋０．０５〜０）、長さ１００ｍｍのパイプ状の外接部材内にコイルばねを隙間ばめした後、外径４９ｍｍ（０〜−０．０２）、内径３１．２５ｍｍ±０．０２、長さ１００ｍｍであり、断面Ｃ字形状の内周面を有する円筒状の内接部材をコイルばねに挿入した。その後、直径３１．７５ｍｍの硬球である拡張部材を内接部材内に通過させ押し広げることによって、コイルばねの内径を１％拡張（コイル内径４９ｍｍに対して内径を０．５ｍｍ拡張）した。

上記のショットピーニングを施した状態（試験Ｎｏ．１）、ショットピーニング後に焼鈍処理を施した状態（試験Ｎｏ．２）、および、焼鈍後にさらに本発明の方法により残留応力を施した状態（試験Ｎｏ．３）の３つの状態のコイルばねについて、残留応力の測定を行った。残留応力の測定には、Ｘ線応力測定装置（株式会社リガク製ＰＳＰＣ-ＲＳＦ）を用いた。図１２に残留応力の測定位置および測定方向を示すように、各々のコイルばねを円弧の９０°周期で切断し、一巻分を４等分にした線素を対象に、直径３ｍｍの範囲について電解研磨を行い、内面側から所定の深さまで表層を取り除いた後、測定を実施した。残留応力の測定は、表面、深さ０．１５ｍｍ位置および深さ０．５ｍｍ位置の３か所について行った。

残留応力測定結果を表１に示す。ショットピーニングにより強化された試験Ｎｏ．１のばねでは、測定位置が０．１５ｍｍ、０．５ｍｍと深くなるに従い、圧縮残留応力が低下し、深さ０．５ｍｍでは引張残留応力が発生している。また、低温焼戻し後の試験Ｎｏ．２のばねについては、結果的には残留応力が完全には除去されていなかったが、ショットピーニング後のばねに比べると圧縮残留応力は低くなっていた。

これらに対して、本発明の方法で処理した試験Ｎｏ．３のばねは、深さ０．１５ｍｍおよび０．５ｍｍの位置ともに圧縮残留応力が付与されていることが分かる。特に、深さ０．１５ｍｍ位置では、表層同様の高い圧縮残留応力が付与されていた。また、外表面部もショットピーニング後のばね表面と同等の高い圧縮残留応力が発生していることが分かる。以上のことから、本発明に係る方法を用いることで、高く深い圧縮残留応力を付与することができることが分かった。

実施例１と同じコイルばねに対し、残留応力除去を目的として、４５０℃の温度で３０分間保持する焼鈍処理を施した。残留応力除去焼鈍した後、本発明に係る方法を用いて残留応力の付与を行った。

具体的には、まず、外径７０ｍｍ、内径５７ｍｍ（＋０．０５〜０）、長さ１００ｍｍのパイプ状の外接部材内にコイルばねを隙間ばめした後、外径４９ｍｍ（０〜−０．０２）、内径３１．２５ｍｍ±０．０２、長さ１００ｍｍであり、断面Ｃ字形状の内周面を有する円筒状の内接部材をコイルばねに挿入した。

その後、外径５７ｍｍ、内径５０ｍｍのパイプ状の変形部材を用いてコイルばねを軸方向に２５．５ｍｍ縮ませてた。この時にコイルばねの外表面に付与されるせん断応力はおよそ５００ＭＰａである。この程度の応力ではばねの外表面では降伏は生じず、弾性変形するのみである。そして、直径３１．７５ｍｍの硬球である拡張部材を内接部材内に通過させ押し広げることによって、コイルばねの内径を１％拡張（コイル内径４９ｍｍに対して内径を０．５ｍｍ拡張）した。

上記のショットピーニングを施した状態（試験Ｎｏ．４）、ショットピーニング後に焼鈍処理を施した状態（試験Ｎｏ．５）、および、焼鈍後にさらに本発明の方法により残留応力を施した状態（試験Ｎｏ．６）の３つの状態のコイルばねについて、残留応力の測定を行った。残留応力の測定は実施例１と同様に行った。

残留応力測定結果を表２に示す。実施例１と同様に、低温焼戻し後の試験Ｎｏ．５のばねについては、残留応力が完全には除去されていなかったが、ショットピーニング後のばねに比べると圧縮残留応力は低くなっていた。また、本実施例では実施例１に比べて焼戻し温度を高くしたため、試験Ｎｏ．２に比べて試験Ｎｏ．５の表面における圧縮残留応力はより低くなった。

また、弾性変形させた状態で径方向に圧力を加えた試験Ｎｏ．６のばねでは、弾性変形させずに径方向に拡張させた試験Ｎｏ．３のばねと比較して、表面から０．１５ｍｍの深さまでの圧縮残留応力は同等であるのに対して、０．５ｍｍの深さにおいては圧縮残留応力が顕著に高くなる結果となった。このことから、ばねを弾性変形させた状態で、径方向に圧力を加えて塑性変形させることにより、より深い領域まで圧縮残留応力を付与できることが分かった。

本発明によれば、コイルばねに対して、表面性状を大きく劣化させることなく、かつ低コストで、内部の領域まで圧縮残留応力を付与することが可能になる。

１．外接部材
１ａ．内周面
２．内接部材
２ａ．外周面
２ｂ．内周面
３．拡張部材
３ａ．拡張部
４．変形部材
１０．残留応力付与装置
２０．コイルばね
２０ａ．外側部分
２０ｂ．内側部分

Claims (4)

1. 装置を用いてコイルばねに残留応力を付与する方法であって、
   前記装置は、
   径方向への拡張が不能な断面円形の内周面を有し、前記コイルばねが隙間ばめされる外接部材と、
   前記外接部材の前記内周面の内側において、前記コイルばねに挿入され、かつ、径方向への拡張が可能な断面円形の外周面を有する内接部材と、
   前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させる拡張部材と、を備え、
   前記コイルばねを前記外接部材内に隙間ばめするとともに、前記コイルばねの内側に前記内接部材を挿入する、配置工程と、
   前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させ、前記コイルばねの外側部分が前記内周面と当接し径方向に拡張されるのを規制した状態で、前記拡張部材が前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させ、前記内周面と前記外周面とで前記コイルばねを押圧することで、前記コイルばねの内側部分が径方向に拡張するように前記コイルばねを塑性変形させる、拡張工程と、を備える、
   残留応力付与方法。
2. 前記内接部材は、断面Ｃ字形状の内周面を有し、
   前記拡張部材は、前記内接部材の前記内周面の直径より大きい外径を有する拡張部を含む、
   請求項１に記載の残留応力付与方法。
3. 前記装置が、前記コイルばねに軸方向の力を付加し弾性変形させる変形部材をさらに備え、
   前記拡張工程において、前記変形部材により前記コイルばねを弾性変形させた状態で、前記内接部材の前記外周面を径方向に拡張させる、
   請求項１または請求項２に記載の残留応力付与方法。
4. 前記拡張工程において、前記コイルばねを前記外接部材の前記内周面と前記内接部材の前記外周面とで挟み、前記拡張部材を、前記内接部材の内周面と接触するように前記内接部材内に通過させることによって、前記内接部材を拡張させる、
   請求項１から請求項３までのいずれかに記載の残留応力付与方法。

Images