WO2004046393A1 - 疲労強度に優れた長寿命回転体およびその製造方法 - Google Patents

疲労強度に優れた長寿命回転体およびその製造方法 Download PDF

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cold
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metal plate
strength
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Tomonori Tominaga
Masahide Takagi
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Nippon Steel Corporation
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    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface

Definitions

  • the present invention relates to a long-life rotating body excellent in fatigue strength and a method for manufacturing the same.
  • the present invention relates to a long-life rotating body using a metal plate and having excellent fatigue strength, and a method for manufacturing the same. Fatigue strength with lap fillet welded joints, such as automobile load wheels, pulleys, gears, caterpillar running wheels, etc.
  • the present invention relates to a long-life rotating body excellent in durability and a method for manufacturing the same. Background art
  • Rotating bodies such as automobile load wheels, pulleys, gears, and caterpillar driving wheels, which receive repeated loads due to rotation, have weak points in metal fatigue, such as lap fillet welded joints, cold-bent parts, and punched holes. Have.
  • grinding and TIG dressing are methods that improve the fatigue strength by shaping the shape of the stress concentration portion into a shape with less stress concentration.
  • these are effective in improving the fatigue strength of lap fillet welded joints and punched holes, but have no effect on cold-bending parts, and have extremely low work efficiency, resulting in mass production. It was not suitable for use in products.
  • processing marks such as fatigue cracks are likely to develop, which requires processing skills. There is another aspect.
  • residual stress is generally introduced into a weld by local thermal expansion due to welding heat input and subsequent thermal contraction due to cooling. Also, large residual stress due to plastic deformation exists in the cold-worked part. Such residual stress is one of the major factors that reduce fatigue strength.Therefore, as another means for improving fatigue strength, compressive residual stress is generated or tensile residual stress is reduced. Increase fatigue strength.
  • Methods such as shot peening and hammer peening are known. The shot peening process is a method in which a large number of steel balls of less than 1 mm are hit at a site where a fatigue crack starts to apply compressive residual stress.
  • Hammer Piping is a method of operating a pin using compressed air and hitting the processing section.
  • the hammer piston had a large recoil, and had a disadvantage that it was difficult to use a thin plate because it gave an excessively large plastic deformation.
  • the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and provides lap fillet welded joints that are repeatedly subjected to a load by rotation, such as wheels for automobiles, pulleys, gears, and driving wheels of caterpillars. Rotating body with excellent fatigue strength and long life using a metal plate with a cold-bent section and punched holes The task is to provide.
  • the present invention has been made as a result of intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, and includes lap fillet welded joints that repeatedly receive a load due to rotation, such as wheels for automobiles, pulleys, gears, and driving wheels of caterpillars.
  • lap fillet welded joints that repeatedly receive a load due to rotation, such as wheels for automobiles, pulleys, gears, and driving wheels of caterpillars.
  • the ultrasonic impact treatment refers to a treatment in which the surface of the metal plate is hit with an ultrasonic vibration terminal.
  • the surface on the compression side is smoothed to a center line average roughness Ra (JIS B 0601) of ⁇ or less, and the surface hardness of the surface on the tensile side is increased by 10% or more compared to the untreated part.
  • a rotating body of a metal plate having a punched hole wherein the notch on the end face of the punched hole is subjected to ultrasonic impact treatment so that the notch on the end face of the punched hole has a center line average roughness Ra of 10 ⁇ m. m or less, and there is no hardened structure with a hardness of 400 Hv or more on the end face of the punched hole, and a fine crack of 200 ⁇ m or less generated from the surface of the end face of the punched hole has the original length.
  • FIG. 1 is a side view of an automobile wheel according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing the fillet weld joint of two metal plates.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the state of the ultrasonic impact treatment on the cold-bent portion of the metal plate.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a partially enlarged view of the state of the ultrasonic impact treatment on the punched hole of the metal plate.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the situation of FIG. 5 in a perspective view.
  • FIGS. 1 to 6 taking an automobile load wheel as an example.
  • FIG. 1 is a side view of an automobile road wheel according to an embodiment of the present invention.
  • the low wheel for automobiles shown in Fig. 1 is manufactured by welding a wheel / disk material processed by press forming including punching a steel plate or aluminum plate and a wheel / rim material formed by roll forming. 1 indicates a punched hole.
  • a metal plate refers to a metal plate including a steel plate or an aluminum alloy plate.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an automobile road wheel according to one embodiment of the present invention, and shows a cross section taken along line AA of FIG.
  • reference numeral 1 denotes a punched hole formed by punching a metal plate by a press
  • 2 denotes a so-called hat portion formed by press-forming a metal plate in a cold state.
  • the reference numeral 3 denotes a lap fillet welded joint for welding an end portion of two superposed metal plates.
  • reference numeral 4 denotes an ultrasonic vibration terminal.
  • the ultrasonic vibration generator used in the present invention is oscillated by an oscillator, and is driven by a transducer to provide a mechanical frequency of 19 kHz to 60 kHz.
  • the ultrasonic vibration terminal consisting of a pin with a diameter of 2 mm to 6 mm vibrates with an amplitude of 20 to 40 m, and An indentation having a depth of about several hundred ⁇ m, which is excellent in surface smoothness, can be formed.
  • This ultrasonic vibration generator can be used commonly in the following embodiments.
  • FIG. 3 is a diagram showing a fillet weld joint of two metal plates, and is a detailed view of 3 in FIG.
  • reference numerals 6 and 7 denote two metal plates
  • 9 denotes a toe portion
  • 10 denotes a root portion
  • a radius of curvature / 0 at the toe portion 9 is a toe radius
  • an angle of 0 is the toe.
  • the rotating body for example, an automobile load wheel
  • the rotating body has an indentation having a width of 1 to 5 mm formed by ultrasonic impact treatment around the toe 9 of the lap fillet joint.
  • the toe radius p at the toe portion subjected to the ultrasonic impact treatment is 1 mm or more.
  • the rotating body for example, a road wheel for an automobile
  • FIG. 4 shows a cold bending portion of a metal plate, and is an enlarged detailed view of 2 in FIG.
  • reference numerals 4 and 4 ′ denote ultrasonic vibration terminals used in the present invention, and ultrasonic vibration is applied from the front and back surfaces of a cold-bending portion (for example, a hat portion of a wheel) of a rotating body.
  • the surface hardness of the convex surface, which is the tensile side surface, and the concave surface, which is the compression side surface, of the cold-bent part has increased by 10% or more compared to the untreated part. Stress ranges from less than 50% of tensile strength to compression.
  • the compression side surface is smoothed to a center line average roughness Ra of 10 ⁇ m or less and the residual stress on the tensile side is reduced. Since the tensile strength is reduced to 50% or less, and no processing mark is left on the surface side that is exposed to human eyes during use, fatigue strength can be improved while maintaining designability.
  • the tip of the ultrasonic vibration terminal that hits the concave surface of the metal plate surface is made convex
  • the tip of the ultrasonic vibration terminal that hits the convex surface of the metal plate is made concave with a larger radius of curvature than the convex surface of the metal plate surface.
  • the radius of curvature of the tip of the ultrasonic vibration terminal 4 ′ is exaggerated in FIGS. 2 and 4.
  • Since the tip of the ultrasonic vibration terminal is easy to follow the surface of the metal plate, the surface hardness and tensile strength are increased. The effect of reducing the residual stress can be further enhanced.
  • FIGS. 5 and 6 show a state where ultrasonic punching is performed on the punched hole of the metal plate.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 2, and FIG. 6 is a perspective view thereof.
  • reference numeral 4 ' denotes an ultrasonic vibration terminal used in the present invention, and a punched hole 5 of a rotating body (for example, a punched hole of a wheel) is provided.
  • the tip of the ultrasonic vibration terminal that hits the punched hole end face concave, the tip of the ultrasonic vibration terminal can easily be formed on the punched hole end face, so that the notch is flattened, the hardened tissue is removed, Further, the flattening effect of the fine cracks can be further enhanced.
  • the method of applying residual stress such as ultrasonic impact treatment is more effective when a high-strength material is applied than in a low-strength material. This is due to the property that the high-strength material is less likely to be redistributed by the applied external stress to the introduced residual stress.
  • the present invention relates to a lap fillet welded joint that receives a repeated load due to rotation, such as a pulley, a gear, a driving wheel of a caterpillar, and a cold bending process. It can be widely applied to rotating bodies using metal plates having holes and punched holes.
  • the fatigue test was performed under a rotating bending moment load.
  • the repetition rate is 700 rpm
  • the poling tightening torque is 98 Nm
  • the test moment is 1.47 kNm.
  • B steel is 4.0mm thick, 330NZmm strength 2
  • No. 1 is an example of the invention, in which both the front and back surfaces of the bent portion, the punched hole end surface, and the lap fillet weld joint portion were subjected to the impact treatment using an ultrasonic vibration terminal having a convex tip, so that The surface of the steel sheet subjected to the impact treatment was smoothed, and the residual stress was also the compressive residual stress. Therefore, the fatigue life was long and the evaluation was “0K” (good).
  • No. 2 and No. 3 are examples of the invention, and the front and back surfaces of the bent part and the fillet joint are subjected to a hitting process using an ultrasonic vibration terminal with a convex end, and the end face of the punched hole
  • the impact treatment was performed using a concave ultrasonic vibration terminal, so the surface of the steel sheet subjected to the ultrasonic impact treatment was further smoothed, the fatigue life was further extended, and the evaluation was “0K” (good).
  • the surface hardness (Vickers hardness) of the surface of the copper plate subjected to the ultrasonic impact treatment was increased by about 30% as compared with the untreated part.
  • No. 4 is a comparative example. Since no post-processing treatment was performed, the processed surface was rough, and the residual stress was often tensile residual stress, so the fatigue life was short. Was "NG" (bad).
  • No. 5 is a comparative example, and the surface of the punched hole after machining was subjected to a single grinder treatment to improve the surface smoothness, but the residual stress was not improved and the fatigue life was shortened.
  • the evaluation was “NG” (poor).
  • No. 6 is a comparative example, in which shot peening was applied to the surface of the bent part after processing, so that the surface smoothness and residual stress have been improved, and the fatigue life has been prolonged. None is done for the part Therefore, it was less than half of the present invention, and the evaluation was “NG” (poor).
  • No. 7 is an example in which the strength of the wheel / disk material is 330 NZ mm2. Both the front and back surfaces of the bent part and the lap fillet weld joint part are impacted using an ultrasonic vibration terminal with a convex tip. The end face of the punched hole was hit with a concave ultrasonic vibration terminal.However, the surface of the steel plate subjected to the ultrasonic shock treatment was further smoothed, and a long life was obtained. Was “0K” (good). Industrial applicability
  • ultrasonic vibrations are applied to the surfaces of lap fillet welded joints, cold-bent parts, and punched holes that are repeatedly loaded by rotation, such as automobile load wheels, pulleys, gears, and caterpillar driving wheels.
  • rotation such as automobile load wheels, pulleys, gears, and caterpillar driving wheels.

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Abstract

本発明は、自動車用ロードホイール、プーリー、ギア、キャタピラーの動輪など、回転により繰り返し荷重を受ける重ね隅肉溶接継手、冷間曲げ加工部、打ち抜き穴等を有する金属板を用いた疲労強度に優れた長寿命回転体を提供するもので、２枚の金属板を重ね合わせて端部を溶接した重ね隅肉溶接継手、冷間曲げ加工部、打ち抜き穴等を有する回転体であって、そのいずれかに超音波衝撃処理を施すことによって、圧痕を形成し、または、表面を平滑化し、引張残留応力を緩和することを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転体およびその製造方法。

Description

疲労強度に優れた長寿命回転体およびその製造方法 技術分野
本発明は、 金属板を用いた疲労強度に優れた長寿命回転体および その製造方法に関する。 例えば、 自動車用ロー ドホイール、 プーリ ―、 ギア、 キャタピラーの動明輪など、 回転によ り繰り返し荷重を受 ける重ね隅肉溶接継手、 冷間曲げ田加工部、 打ち抜き穴等を有する疲 労強度に優れた長寿命回転体およびその製造方法に関する。 背景技術
回転による繰り返し荷重を受ける、 自動車用ロー ドホイール、 プ 一リー、 ギア、 キャタピラーの動輪などの回転体は、 重ね隅肉溶接 継手、 冷間曲げ加工部、 打ち抜き穴等の金属疲労上の弱点を持つ。
これら、 溶接、 冷間曲げ加工、 打ち抜きなどの加工後の後処理に よる溶接ビー ド形状や疲労強度の向上手法と しては、 従来、 ①グラ インディ ング、 ② T I Gドレッシング、 ③ショ ッ ト ピーニング、 ④ハ ンマーピーニングが用いられてきた。 これらの手法は、 応力集中部 となる溶接止端部の形状を整形して応力集中を緩和する、 もしく は 残留応力を変化させて疲労強度を向上するというものである。 しか し、 これらの手法でも、 以下のような問題点があった。
ここで、 グライ ンデイ ング、 T I Gドレッシングは、 応力集中部の 形状を応力集中の少ない形状に整形することによって疲労強度を向 上させるという手法である。 しかし、 これらは、 重ね隅肉溶接継手 や、 打ち抜き穴の疲労強度の向上には効果があるが、 冷間曲げ加工 部については効果を持たないうえ、 作業効率が著しく低く、 大量生 産品への使用には向いていなかった。 さ らに、 グライ ンデイ ングで は、 歯を当てる方向が応力作用方向に直角の場合、 かえって疲労き 裂が進展しやすい処理痕ができてしま う場合があるなど、 処理に技 能が要求される という面もある。
ところで、 溶接部には一般に溶接入熱による局部的な熱膨張とそ の後の冷却による熱収縮によって残留応力が導入される。 また、 冷 間加工部にも塑性変形に伴う大きな残留応力が存在する。 このよ う な残留応力が疲労強度を低下させる一つの大きな要因となっている そこで、 疲労強度を向上させる別の手段と して、 圧縮残留応力を 発生させるか、 あるいは引張残留応力を低減して疲労強度を高める 。 ショ ッ ト ピーニングゃハンマーピーニングなどの方法が知られて いる。 なお、 ショ ッ ト ピーニング処理は、 疲労き裂発生の起点とな る部位に、 1 mm弱の鋼球を多数打ち付け圧縮残留応力を付与する手 法である。 また、 ハンマーピ一ユングは圧搾空気などを利用してピ ンを作動させ、 処理部を叩く という手法である。
しかし、 ショ ッ ト ピーニングは巨大な機械が必要である う え、 使 用時にチャンパ一が必要なのでやはり大量生産品への使用について は効率が悪く 、 種々のユーティ リ ティが必要となる。 また、 必要な と ころだけを処理する という箇所選択性が著しく劣るために、 意匠 性が求められる場合には使えなかった。
また、 ハンマーピ一ユングは反動が大き く 、 また、 あま り に大き な塑性変形を与えるために、 薄い板に対しては使いにく いという欠 点もあった。
さ らに、 ハンマーピーユングでは、 数 Hzの低周波の機械加工を継 手部に施すため加工表面の凹凸が激しく 、 その凹部が応力集中部と なって、 疲労き裂の起点となるために処理結果が安定せず、 ときに は継手全体の疲労強度が却って低下する場合がある という問題点が あった。
さ らに、 溶接金属の加熱再溶融によ り溶接止端部形状の改善ある いは引張残留応力の軽減が可能であるこ とも知られている。 しかし 、 この手法も著しく効率が低いという問題がある う え、 効果もそれ ほど大きく ない。
以上のよ う に、 従来の疲労強度の向上技術を、 自動車用ホイール をはじめとする回転体について採用するこ とは困難であり、 たとえ 採用できても疲労強度向上代が低いレベルに留まっていた。 そのた め、 材料の高強度化によ り対応してきたが、 打ち抜き端面の疲労に 対する感受性が、 鋼材の強度が 600 N / mm2級以上になる と、 急激に 高く なつてしま うため、 疲労向上効果は頭打ちとなってしま う とい う 問題点があった。
なお、 溶接継手部に超音波振動を与えるこ とによって、 疲労強度 を向上させる方法に関する従来技術と しては、 例えば、 米国特許第 6， 171，415号明細書に、 溶接アークによって熱せられた溶接シ一ム 部に沿って超音波振動を付与する方法が開示されている。
しかし、 この従来技術は、 溶接直後の高温の材料に超音波振動を 与えるこ とを前提と している う え、 本発明が提案しているよ うな超 音波振動子で打撃する具体的な対象物および処理範囲の開示がない
発明の開示
本発明は、 前述のよ うな従来技術の問題点を解決し、 自動車用ホ ィ一ル、 プーリー、 ギア、 キャタ ピラーの動輪など、 回転によ り繰 り返し荷重を受ける重ね隅肉溶接継手、 冷間曲げ加工部、 打ち抜き 穴を有する金属板を用いた疲労強度に優れた回転体長寿命回転体を 提供することを課題とする。
本発明は、 前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされた ものであり 、 自動車用ホイール、 プーリ ー、 ギア、 キャタ ピラーの 動輪など、 回転によ り繰り返し荷重を受ける重ね隅肉溶接継手、 冷 間曲げ加工部、 打ち抜き穴の表面に、 超音波振動処理を施すことに よ り、 疲労強度に優れた回転体長寿命回転体を提供するものであり 、 その要旨とするところは、 特許請求の範囲に規定した通りの下記 内容である。
( 1 ) 2枚の金属板を重ね合わせて端部を溶接した重ね隅肉溶接継 手を有する回転体であって、 該重ね隅肉溶接継手の止端部の周囲に 、 超音波衝撃処理によって形成された幅 1 5 の圧痕を有し、 該 超音波衝撃処理を施した止端部における止端半径が 1 mm以上である こ とを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転体。
ここに、 超音波衝撃処理とは、 超音波振動端子によ り金属板表面 を打撃する処理をいう。
( 2 ) 2枚の金属板を重ね合わせて端部を溶接した重ね隅肉溶接継 手を有する回転体であって、 該重ね隅肉溶接継手のルー ト部の金属 板表面または表裏面に、 超音波衝撃処理によって形成された幅 1 5 mmの圧痕を有することを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転 体。
( 3 ) 金属板の冷間曲げ加工部を有する回転体であって、 該冷間曲 げ加工部の引張側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、 該引 張側表面の表面硬さが非処理部と比較して 10 %以上増加しており、 該冷間曲げ加工部の引張残留応力が引張強度の 50%以下から圧縮の 範囲であることを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転体。
( 4 ) 金属板の冷間曲げ加工部を有する回転体であって、 該冷間曲 げ加工部の圧縮側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、 該圧 縮側表面が中心線平均粗さ Ra (JIS B 0601) で ΙΟμ πι以下に平滑化 されており、 該引張側表面の表面硬さが非処理部と比較して 10%以 上増加しており、 該冷間曲げ加工部の引張残留応力が引張強度の 50 %以下から圧縮の範囲であることを特徴とする疲労強度に優れた長 寿命回転体。
( 5 ) 打ち抜き穴を有する金属板の回転体であって、 該打ち抜き穴 の端面に超音波衝撃処理を施すことによって、 該打ち抜き穴端面の 表面のノ ツチが中心線平均粗さ Raで 10 μ m以下に平滑化されており 、 該打ち抜き穴端面に硬さ 400Hv以上の硬化組織がなく、 該打ち抜 き穴端面の表面から発生した 200 μ m以下の微細な亀裂が、 元の長 さの 50%以下の深さまで扁平化していることを特徴とする疲労強度 に優れた長寿命回転体。
( 6 ) 前記金属板の引張強度が ^ONZmm2以上の鋼材であることを 特徴とする （ 1 ) ないし （ 5 ) のいずれか 1項に記載の疲労強度に 優れた長寿命回転体。
( 7 ) 重ね隅肉溶接継手、 冷間曲げ加工部、 および または打ち抜 き加工部を有する金属板製回転体の製造方法において、 溶接継手の 止端部、 ルート部、 金属板の冷間加工部、 打ち抜き加工部等の被処 理部の形状に応じた、 ピンの先端が凸状または凹状となった超音波 振動端子を用いて、 超音波衝撃処理を施すことを特徴とする疲労強 度に優れた長寿命回転体の製造方法。 図面の簡単な説明
図 1 は、 本発明の一つの実施形態である自動車用ホイールの側面 図である。
図 2は、 図 1の A— A断面図である。
図 3は、 2枚の金属板の重ね隅肉溶接継手部を示す拡大図で説明 する図である。
図 4は、 金属板の冷間曲げ加工部への超音波衝撃処理の状況を説 明する図である。
図 5は、 金属板の打ち抜き穴部への超音波衝撃処理の状況を部分 拡大図で説明する図である。
図 6は、 図 5の状況を斜視図で説明する図である。 発明を実施するための最良の実施形態
自動車用ロー ドホイールを例と して、 本発明の実施形態について 、 図 1〜図 6を用いて詳細に説明する。
図 1 は、 本発明の実施形態である自動車用ロードホイールの側面 図である。 図 1の自動車用ロー ホイールは、 鋼板やアルミ板を打 ち抜き加工を含むプレス成形加工により加工されたホイール · ディ スク材と、 ロール成形されたホイール · リ ム材を溶接して製造され 、 1 は打ち抜き穴を示している。 以下、 金属板とは、 鋼板やアルミ ニゥム合金板を含む金属製の板をいう。
図 2は、 本発明の一つの実施形態である自動車用ロードホイール の断面図であり、 図 1 の A— A断面を示している。 図 2において、 1は金属板をプレスによ り打ち抜いた打ち抜き穴であり、 2は金属 板を冷間にてプレス成形加工されたいわゆるハツ ト部であり、 曲げ 加工成分を有することから本発明の冷間曲げ加工部に相当するもの であり、 3は 2枚の金属板を重ね合わせた端部を溶接する重ね隅肉 溶接継手部を示す。
自動車の走行中の繰り返し荷重によって、 これらの溶接部、 冷間 曲げ加工部、 および、 打ち抜き穴に応力集中が発生し易く、 これら の部分の疲労強度が最も小さく なるため、 この部分に超音波衝撃処 理を行う ことによって疲労強度を著しく向上させるこ とができる。 図 2における 4が超音波振動端子を示しており、 本発明に使用す る超音波振動の発生装置は、 発振機によ り発振され、 ト ラ ンスデュ —サによ り 19kHz〜60kHzの機械的振動に変換され、 ウェーブガイ ド にてその振幅を増幅させることによ り、 φ 2 mm〜 6 mmのピンからな る超音波振動端子を 20〜40 mの振幅で振動させることによって、 打撃部の表面の平滑性に優れた深さ数百 μ m程度の圧痕を形成する ことができる。 この超音波振動発生装置は、 以下の実施形態にも共 通して用いることができる。
図 3は、 2枚の金属板の重ね隅肉溶接継手部を示す図であり、 図 2における 3の詳細図である。 図 3において、 6， 7は 2枚の金属 板であり、 9が止端部、 10がルー ト部を示し、 止端部 9における曲 率半径 /0が止端半径、 その角度 0は止端角を示す。 本発明における 回転体 （例えば自動車用ロー ドホイール） は、 この重ね隅肉継手の 止端部 9の周囲に、 超音波衝撃処理によつで形成された幅 1 〜 5 mm の圧痕を有しており、 該超音波衝撃処理を施した止端部における止 端半径 pが 1 mm以上である。
前述の超音波振動端子によって止端部 9の周囲を打撃することに よって幅 1 〜 5 mmの圧痕を形成し、 止端部における止端半径！ 0 を 1 mm以上とすることによ り、 止端部 9の応力集中を緩和すると ともに 、 引張残留応力を圧縮残留応力に変えることができるので回転体の 疲労強度を著しく向上させるこ とができる。
本発明における回転体 （例えば自動車用ロードホイール） は、 こ の重ね隅肉継手のルー ト部 10の金属板表面または表裏面に、 超音波 衝撃処理によって形成された幅 l 〜 5 mmの圧痕を有する。
前述の超音波振動端子によってルー ト部 10の金属板表面または表 裏面を打撃することによって幅 1 〜 5 mmの圧痕を形成し、 ルー ト部 10の応力集中を緩和することができるので回転体の疲労強度を著し く向上させることができる。
図 4は、 金属板の冷間曲げ加工部を示しており、 図 2における 2 の拡大詳細図である。 図 4において、 4， 4 ' は本発明に用いる超 音波振動端子を示し、 回転体の冷間曲げ加工部 （例えばホイールの ハッ ト部） の表裏面から超音波振動を付与することによ り、 冷間曲 げ加工部の引張側表面である凸面および圧縮側表面である凹面の表 面硬さが非処理部と比較して 10%以上増加しており、 冷間曲げ加工 部の引張残留応力が引張強度の 50%以下から圧縮の範囲となってい る。
この結果、 冷間曲げ加工部の疲労強度を著しく向上させるこ とが できる。
また、 冷間曲げ加工部の圧縮側表面である凹面のみを打撃するこ とによって、 圧縮側表面が中心線平均粗さ Raで 10 μ m以下に平滑化 されると ともに引張側の残留応力が引張強度の 50%以下に緩和され 、 また、 使用時に人目に触れる表面側に処理痕を残さないので、 意 匠性を維持したまま疲労強度を向上させることができる。
なお、 金属板表面の凹面を打撃する超音波振動端子の先端を凸型 と し、 金属板表面の凸面を打撃する超音波振動端子の先端を金属板 表面の凸面より大きな曲率半径の凹型にすることによって （ただし 、 図 2および図 4では超音波振動端子 4 ' の先端の曲率半径は誇張 されている。 ） 、 金属板表面に超音波振動端子の先端がならい易い ので、 表面硬さ と引張残留応力の軽減効果をさ らに高めることがで きる。
図 5および図 6は、 金属板の打ち抜き穴部に超音波衝撃処理を施 す状況を示すもので、 図 5は図 2の部分拡大図、 図 6はその斜視図 である。 図 5において、 4 ' は本発明に用いる超音波振動端子を示 し、 回転体の打ち抜き穴部 5 (例えばホイールの打ち抜き穴部） の 端面に超音波振動を付与することによ り、 打ち抜き穴端面の表面の ノ ツチが中心線平均粗さ Raで 10 w m以下に平滑化されており、 該打 ち抜き穴端面に硬さ 400Hv以上の硬化組織がなく、 該打ち抜き穴端 面の表面から発生した 200 μ m以下の微細な亀裂が、 元の長さの 50 %以下の深さまで扁平化している。 この結果、 打ち抜き穴部の疲労 強度を著しく向上させることができる。
なお、 打ち抜き穴端面を打撃する超音波振動端子の先端を凹型に するこ とによって、 打ち抜き穴端面に超音波振動端子の先端がなら い易いので、 ノ ッチの平坦化、 硬化組織の除去、 および、 微細亀裂 の扁平化効果をさらに高めることができる。
また、 超音波衝撃処理のよ うな残留応力を与える手法は、 適用す る材料が高強度材の方が低強度材と比較して効果が得られやすい。 これは、 高強度材の方が導入された残留応力が付加される外力によ つて再配分されにくいという特性によるものである。
図 6において、 左右の超音波振動端子 4 ' を上下にずらして配置 するこ とによって、 左右の超音波振動端子 4 ' が相互に干渉するこ とがないので超音波打撃処理を効率的に行う ことができる。
以上の実施形態は、 自動車用口一 ドホイールを例にとって説明し たが、 本発明は、 プーリー、 ギア、 キャタ ピラーの動輪など、 回転 により繰り返し荷重を受ける重ね隅肉溶接継手、 冷間曲げ加工部、 打ち抜き穴を有する金属板を用いた回転体に広く適用できるもので ある。 実施例
本発明における鋼板製の自動車用ロー ドホイールの実施例によ り 、 本発明の効果を説明する。
自動車用の 13ィンチのロー ドホイールについて、 処理方法を変え てその疲労強度を比較した。 なお、 ここで使用したホイール ' ディ スク材は、 板厚 3. 2mm、 強度 690 N / mm2および板厚 4. 0mm、 強度 330 N Z inm2の素材から加工したものである。
疲労試験は回転曲げモーメ ン ト負荷にて行った。 繰り返し速度は 700rpm、 ポノレ ト締め付け トルク 98Nm、 試験モーメ ン トは 1. 47kNmで ある。
また、 処理前の初期き裂としては、 人工的に打ち抜き穴端部に深 さ 200 μ mのノ ッチを入れ、 試験後に当該部分を切り出して、 き裂 長さを計測した。 結果を表 1に示す。
重ね隅肉 処 曲げ加工部表面 曲げ加工部裏面 打ち抜き穴端面
鋼 継手部 疲労寿命
No. 区分 理 評価 材 Ra 残留応力 Ra 残留応力 Ra 残留応力 ノ ッチ 溝幅 (回）
法
( μ m) (N/mm2 ) ( μ m) (N/mm2 ) ( μ m) (N/mm2 ) ( mm )
凸
1 発明例 A 6 -290 8 -370 7 -370 60 1.9 2.0E+06 0K 凸
凸
2 発明例 A 3 -320 7 -360 3 -470 50 1.7 3.0E+06 0K 凹
凸
3 発明例 A 2 -340 2 -380 2 -455 50 1.9 2.7E+06 0K 凹
4 比較例 A ― 12 500 19 -200 23 560 200 2.4E+05 NG
5 比較例 A G 13 490 18 -240 18 550 200 3.0E+05 NG
6 比較例 A S 6 - 100 18 -220 21 540 200 1.1E+06 NG 凸
7 発明例 B 2 -270 6 - 300 2 - 250 40 2.1 1.5E+06 0K 凹
注） 凸 凸型の超音波振動端子を使用した場合 《処理法の下段の凸の表示は、 曲げ加工部の裏面 こも凸型を適用 するこ とを示す》 、
凹 曲げ加工部の表面および打ち抜き穴端面に凹型を適用する場合、
加工後の処理を行わなかった場合、
G 加工後にグライ ンダ一処理を行った場合、
S 加工後にショ ッ 卜 ピ一ユング処理を行った場合、
A 鋼材が板厚 3.2mm、 強度 690N/mm2
B 鋼材が板厚 4.0mm、 強度 330NZmm2
No. 1は、 発明例であり、 曲げ加工部の表裏面、 打ち抜き穴端面 、 重ね隅肉溶接継手部とも先端が凸型の超音波振動端子を用いて打 撃処理を行ったので、 超音波衝撃処理を行った鋼板表面は平滑化さ れており、 残留応力も圧縮残留応力となっているので疲労寿命は長 くなつており評価は 「 0K」 （良好） だった。
No. 2 , No . 3は、 発明例であり、 曲げ加工部の表裏面、 および重 ね隅肉継手部は先端が凸型の超音波振動端子を用いて打撃処理を行 い、 打ち抜き穴端面は、 凹型の超音波振動端子を用いて打撃処理を 行ったので、 超音波衝撃処理を行った鋼板表面がさらに平滑化され 、 疲労寿命はさらに長くなつており、 評価は 「0K」 （良好） だった なお、 No . 1 〜 No . 3の発明例においては、 超音波打撃処理を施し た銅板表面の表面硬さ （ビッカース硬度） は、 非処理部と比較して 約 30 %増加した。
また、 打ち抜き穴端面に硬さ 400Hv以上の硬化組織がなく、 打ち 抜き穴端面の表面に導入した 200 μ πιのノ ツチが、 元の長さの約 30 %の深さまで扁平化した。 また、 溶接部での処理痕も確認できる。
No . 4は比較例であり、 加工後の処理を何も行っていないので加 工面は粗く、 残留応力は引張り残留応力となっている部分が多いた め、 疲労寿命は短く なつており、 評価は 「NG」 （不良） だった。
No. 5は比較例であり、 加工後の打ち抜き穴の端面にグラインダ 一処理を施したので表面の平滑性は向上しているが、 残留応力は改 善されていないので疲労寿命は短く なつており、 評価は 「NG」 （不 良） だった。
No . 6は比較例であり、 加工後の曲げ加工部表面にシヨ ッ トピー ニング処理を施したので表面の平滑性も、 残留応力も改善しており 、 疲労寿命は長く なつているが、 他の部分に対しては何もしていな いので、 本発明の半分以下に留まっており、 評価は 「NG」 （不良） だつた。
No . 7は、 ホイール · デイスク材の強度が 330 N Z mm2の実施例で あり、 曲げ加工部の表裏面、 重ね隅肉溶接継手部とも先端が凸型の 超音波振動端子を用いて打撃処理を行い、 打ち抜き穴端面は、 凹型 の超音波振動端子を用いて打撃処理を行ったが、 超音波衝撃処理を 行った鋼板表面がさらに平滑化されて、 長寿命が得られており、 評 価は 「0K」 （良好） であった。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 自動車用ロー ドホイール、 プーリー、 ギア、 キ ャタピラーの動輪など、 回転によ り繰り返し荷重を受ける重ね隅肉 溶接継手、 冷間曲げ加工部、 打ち抜き穴の表面に超音波振動処理を 施すこ とによ り疲労強度に優れた回転体長寿命回転体を提供するこ とができ、 産業上有用な著しい効果を奏する。

Claims

1 . 2枚の金属板を重ね合わせて端部を溶接した重ね隅肉溶接継 手を有する回転体であって、 該重ね隅肉溶接継手の止端部の周囲に 、 超音波衝撃処理によって形成された幅 1 〜 5 mmの圧痕を有し、 該 超音波衝撃処理を施した止端部における止端半径が 1 mm以上である 請
ことを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転体。
2 . 2枚の金属板を重ね合わせて端部を溶接した重ね隅肉溶接継
の
手を有する回転体であって、 該重ね隅肉溶接継手のルー ト部の金属 板表面または表裏面に、 超音波衝撃処理によって形成された幅 1〜 5 mmの圧痕を有することを特徴とする疲労囲強度に優れた長寿命回転 体。
3 . 金属板の冷間曲げ加工部を有する回転体であって、 該冷間曲 げ加工部の引張側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、 該引 張側表面の表面硬さが非処理部と比較して 10 %以上増加しており、 該冷間曲げ加工部の引張残留応力が引張強度の 50 %以下から圧縮の 範囲であることを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転体。
4 . 金属板の冷間曲げ加工部を有する回転体であって、 該冷間曲 げ加工部の圧縮側表面に超音波衝撃処理を施すこ とによって、 該圧 縮側表面が中心線平均粗さ Raで 10 μ m以下に平滑化されており、 該 引張側表面の表面硬さが非処理部と比較して 10 %以上増加しており 、 該冷間曲げ加工部の引張残留応力が引張強度の 50 %以下から圧縮 の範囲であるこ とを特徴とする疲労強度に優れた長寿命回転体。
5 . 打ち抜き穴を有する金属板の回転体であって、 該打ち抜き穴 の端面に超音波衝撃処理を施すことによって、 該打ち抜き穴端面の 表面のノ ツチが中心線平均粗さ Raで 10 μ m以下に平滑化されており 、 該打ち抜き穴端面に硬さ 400Hv以上の硬化組織がなく、 該打ち抜 き穴端面の表面から発生した 200 i m以下の微細な亀裂が、 元の長 さの 50%以下の深さまで扁平化していることを特徴とする疲労強度 に優れた長寿命回転体。
6 . 前記金属板の引張強度が 400 N Z mm2以上の鋼材であることを 特徴とする請求項 1 ないし請求項 5のいずれか 1項に記載の疲労強 度に優れた長寿命回転体。
7 . 重ね隅肉溶接継手、 冷間曲げ加工部、 および または打ち抜 き加工部を有する金属板製回転体の製造方法において、 溶接継手の 止端部、 ルー ト部、 金属板の冷間加工部、 打ち抜き加工部等の被処 理部の形状に応じた、 ピンの先端が凸状または凹状となった超音波 振動端子を用いて、 超音波衝撃処理を施すことを特徴とする疲労強 度に優れた長寿命回転体の製造方法。
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