JPH04272524A - 高強度コイルばねの疲労強度向上方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い疲労強度が要求さ
れる自動車エンジンの弁ばね、あるいは懸架ばねなどに
用いられる高強度ばねの疲労強度向上方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にばねは、ＪＩＳ−Ｇ３５０２，３
５０６あるいは４８０１に規定されている鋼材などを用
い、単に焼入れ焼戻しをしたものが多い。しかし、最近
、自動車関連のコイルばね類は、高強度化の方向にあり
、エンジンの弁ばねの一部には特公昭３６−９４０６に
あるように、５００℃近傍の低温で浸炭窒化したものさ
えある。一方、ばねの強度が高くなると、現状の製造工
程能力からも、不可避と思われるほど微小な表面欠陥で
もばねの疲労特性を阻害するようになる。

【０００３】そのために、「ばね技術研究会会報」Ｎｏ
．２０３（ＡＵＧ．１９８８−Ｐ７）にあるように、ば
ねを電解研磨仕上げすることにより、表面欠陥を低減し
て疲労寿命を向上させることが報告されている。このば
ねの電解研磨仕上げ方法は、ばねの疲労強度向上の今後
の一方法と考えられるが、コイルばねの場合、ばねの全
表面を一様に仕上げることに問題があり、且つ効率が良
くない。

【０００４】また、タンブリング（バレルの中に被加工
物を入れて回転させ、被加工物同士の衝突によって、被
加工物表面の油やスケールを除去する）や液体ホーニン
グもばねの表面仕上げ法として検討されていることが、
「ばね技術研究会編；ばね、第３版」（１９８２−Ｐ４
３７）に記載されているが、これらはいずれもショット
ピーニング類似の処理、即ち、圧縮残留応力という観点
から検討されたものであって、以下に言う本発明の表面
疵対策とは全く関係のないものである。

【０００５】さらに、疲労強度向上のためショットピー
ニング処理を行なうのが通例であるが、これまでのショ
ットピーニング方法では、これによる圧縮残留応力が表
層近傍で低下しているのが一般的であり、これが表層起
点破壊の一つの原因でもあった。この対策として、最近
実施されているのが多段ショットピーニングで、表層の
圧縮残留応力を増大させることにより、表層からの亀裂
発生、伝播を抑止して、疲労強度を向上させていること
が、「ばね論文集」第３２号（１９８７−Ｐ３１）に記
載されているが、この方法では、多くの処理工程を採ら
なければならず、コストの面で問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】自動車の高性能化にと
もない、高疲労強度のエンジン弁ばねあるいは懸架ばね
が強く望まれている。これらの要望に応えるためには、
ばねの強度、特に表面硬さを高くし、且つ表層の圧縮残
留応力をも高くする必要がある。そうすると、現状不可
避と思われるほど微小な表面欠陥が問題となる。本発明
は、このような微小な表面欠陥を信頼性高く、且つ効率
よく除去する方法を導入することによって、高強度コイ
ルばねの疲労強度向上を実現しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、表面硬さＨｖ≧７００の鋼製コイルばねにおいて
、これらのコイルばね製造工程のショットピーニング直
後にバレル研磨を施し、セッチングすることにある。

【０００８】

【作用】以下、これらの詳細について、説明する。コイ
ルばね素材の疵保証技術も高まっており、深さ６０μｍ
以上の表面疵はほぼ検出できる。表面硬さＨｖ＜７００
の一般のコイルばねでは、この程度の表面疵が問題にな
ることはない。しかし、表面硬度が７００≧Ｈｖで特に
窒化処理をして表面硬さを９００≧Ｈｖにもしたコイル
ばねになると、上記のような表面疵保証では必ず表面疵
を起点として疲労破壊するので、信頼できる疲労強度を
保証することはできない。コイルばねの疲労強度を高め
るために、ばねの表面硬さを高くするわけであるが、表
面疵が保証できない限り、その効果は望めない。

【０００９】そこで、表面硬さＨｖ≧７００の鋼製コイ
ルばねの表面疵を保証するために、現状のコイルばね製
造工程におけるショットピーニングの直後にバレル研磨
仕上げを施す。バレル研磨仕上げは、６〜８角形断面の
筒状容器の中に被加工物（コイルばね）と適当な粒度の
アランダムやカーボランダムなどの砥粒、少量の水およ
びコンパウンドと称されている種々の研磨促進剤をそれ
ぞれ適当量一緒に入れて、数時間回転あるいは振動させ
て行なう。本発明では、コイルばねの種類および研磨除
去量の程度によって、バレル研磨条件を選定する。

【００１０】このバレル研磨仕上げは、現状のコイルば
ね製造工程におけるショットピーニングの直後に行なう
のが良い。即ち、ショットピーニングによるコイルばね
表面に凹凸が生じ、これが疲労強度低下の一つにもなっ
ていることを考えると、ショットピーニングの直後が好
ましい。また、ショットピーニングによる圧縮残留応力
は表層で７０ｋｇｆ／ｍｍ２　以下であり、８０ｋｇｆ
／ｍｍ２　以上の最大値は表層から３０乃至１５０μｍ
に位置しており、通常はこのように表層の圧縮残留応力
は最大値のほぼ１／２程度しか与えられていないのが一
般的である。 従って、本発明では、ショットピーニングの直後にバレ
ル研磨を施して、表層に平行な残留応力分布の最大値８
０ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の位置を表層より５０μｍ以内
に存在させて、さらなるコイルばねの疲労強度向上を狙
う。しなしながら、表面疵がショットピーニングによっ
て叩き込まれることもあるので好ましくは、ショットピ
ーニング前でもバレル研磨すればその効果はさらに向上
する。 コイルばねは、セッチングによりへたり特性を向上させ
るために不可欠であって、本発明においても、ショット
ピーニング、バレル研磨仕上げを施した後セッチングを
行なう。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の効果を実施例により、さら
に具体的に示す。表面硬さＨｖ＝６００に調質されたφ
３．４ｍｍの弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー
線を用い、ばね平均径２３．２ｍｍ、ばね高さ５８ｍｍ
、総巻数６．５巻、有効巻数４．５巻のコイルばねを成
形した。但し、表面硬度Ｈｖ≧８００のコイルばねは、
浸炭窒化したものである。その後、０．８ｍｍ径のカッ
トワイヤによりショットピーニングをして圧縮残留応力
を付与し、直ちに６角回転バレル内にコイルばねを５個
入れ、砥粒、コンパウンド、水などを適当量配合して、
４時間と８時間のバレル研磨仕上げを行ない、セッチン
グした。

【００１２】ここで本発明の効果を明瞭にするために、
これら全てのコイルばね表面の粗さおよび圧縮残留応力
を測定した。また、比較材は、上記と同様のショットピ
ーニングを行ない、その後セッチングを行なった。但し
、バレル研磨無しで表層残留応力が高いコイルばねは二
段ショットピーニングを行なったものである。以上の製
造方法を表１にまとめて示した。このようにして製造し
たコイルばねについて、ばね形状から計算される剪断応
力（τｍ　＝６０±５０ｋｇｆ／ｍｍ２　）になる圧縮
荷重を繰返し付加して疲労寿命を５×１０７　回を限度
に求めた。これらの結果を表２に示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】その結果、本発明のショットピーニング直
後にバレル研磨仕上げを施したコイルばねは、高寿命を
示すものであり、８時間のバレル研磨仕上げを行なって
、圧縮残留応力のピーク値を表層に設けたコイルばねは
、さらにその効果を明瞭に示すものであった。しかも、
破断したコイルばねの破壊起点は全て非金属介在物であ
った。また、比較例の表面硬さＨｖ＜７００としたもの
は、表面疵による破壊発生はなかった。

【００１６】一方、バレル研磨仕上げをしなかった、比
較材の平均寿命は６．２×１０６　で、破断したコイル
ばねの破壊起点は全て表面疵であった。つまり、単に表
層の圧縮残留応力のみを高めても、表面に疵が存在する
ようでは、疲労寿命の向上にはならなかった。また、バ
レル研磨仕上げをしなかった比較材は、本発明のショッ
トピーニング直後にバレル研磨仕上げしたコイルばねに
比べて、疲労寿命のバラツキが大きかった。

【００１７】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の方法によれば
、自動車用エンジンの弁ばねあるいは懸架ばねの疲労強
度を大幅に向上させることができるので、産業上極めて
有用である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　表層硬さＨｖ≧７００の鋼製コイルば
   ねにおいて、これらのコイルばね製造工程のショットピ
   ーニング直後にバレル研磨を施したことを特徴とする、
   高強度コイルばねの疲労強度向上方法。