WO2019216383A1 - ばねの製造方法及びばね - Google Patents

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智裕 山崎
文尋 木野
好純 福田
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    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a spring such as a coil spring and the spring.
  • Patent Document 1 proposes a method for measuring the residual stress of each product after shot peening by non-destructive inspection for each product.
  • Patent Document 1 is an invention for confirming the effect of only the shot peening process, whereas the spring as an actual product is affected by the previous process, and the shape changes with the load, and the stress distribution is large. Change. That is, Patent Document 1 is insufficient for evaluating a spring as a product. Therefore, there is a need for a spring manufacturing method and a spring that confirms the stress distribution of the spring while a load is applied.
  • the present embodiment is proposed in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a spring manufacturing method and a spring for confirming the stress distribution of the spring when a load is applied.
  • a method of manufacturing a spring according to the present invention includes a step of applying a load to the spring, a step of measuring the stress of the spring while the load is applied, and a load applied to the spring. And releasing.
  • the spring stress may be measured by measuring the surface stress of the effective portion of the spring using X-ray diffraction by the cos ⁇ method.
  • the step of applying a load to the spring may hold the load with a jig.
  • the load to be applied can be 0 to the maximum load in use.
  • the load is assumed to be applied according to the layout and purpose of installing the spring.
  • the spring manufacturing method according to the present invention may include a step of determining whether the measured magnitude of the spring stress satisfies a standard. If it is determined in the determination step that the standard is not satisfied, it is excluded as NG.
  • the spring may be a coil spring, a leaf spring, a stabilizer, a torsion bar, or a disc spring, but is not limited thereto.
  • the spring according to the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method.
  • the present invention it is possible to manufacture a spring in which the stress distribution at the time of loading is confirmed, and it is possible to stably supply a spring designed to reduce weight.
  • the material diameter (d) is 13 mm
  • the coil average diameter (D) is 112 mm
  • the free height (H) is 326 mm
  • the effective number of turns (Ne) is 4.1
  • the total number of turns (Nt) is 5.5. It is assumed that the coil spring of the material SUP12 is manufactured by the hot manufacturing method, but the present invention is not limited to this, and may be applied to other coil springs. Alternatively, it may be applied to a cold manufacturing method.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a series of steps of a method for manufacturing a spring according to the present embodiment.
  • the bar is heated in step S11, the bar is formed into a coiled spring in step S12, the spring is quenched in step S13, tempered in step S14, and hot in step S15.
  • Setting is performed.
  • hot setting an overload is applied to a spring in a heated state, and plastic deformation in advance is reduced by preliminarily plastically deforming the spring.
  • step S16 shot peening is applied to the spring.
  • a predetermined compressive residual stress is applied to the surface of the spring by shot peening.
  • the spring is pretreated for painting, and in step S18, the spring is painted.
  • step S19 the plastic deformation at the time of use is relieved by applying an overload to the spring at room temperature and performing a plastic deformation in advance.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a process of measuring a stress distribution when a load is applied.
  • step S21 a predetermined load is applied to the spring.
  • FIG. 3 is a front view showing the spring 1 loaded with the jig 10.
  • the coiled spring 1 has a lower end winding portion 1 a supported by the lower support portion 10 a of the jig 10 and an upper end winding portion 1 b supported by the upper support portion 10 b of the jig 10. ing.
  • the distance between the lower support portion 10a and the upper support portion 10b can be changed along the shaft 10c connecting the lower support portion 10a and the upper support portion 10b, and a predetermined load acts on the spring 1. Is set to In this embodiment, it is assumed that a load of 7,200 N is applied and compressed.
  • step S22 the stress of the spring is measured.
  • the stress of the spring 1 is measured using X-ray diffraction by the cos ⁇ method.
  • FIG. 4 is an overview diagram illustrating the measurement of stress using X-ray diffraction by the cos ⁇ method.
  • an X-ray diffraction stress measuring device that measures stress by the cos ⁇ method is used.
  • the X-ray diffraction stress measurement apparatus irradiates a desired position of the sample 30 with X-rays 31 and detects a Debye ring 33 due to the diffraction X-rays 32 on the entire detection surface 21 of the X-ray diffraction stress measurement apparatus. Stress can be measured with a single irradiation.
  • FIG. 5 is a partially enlarged front view showing a direction in which stress is measured in the spring.
  • the torsional shear stress was measured on the outer surface of the effective portion 1c excluding the lower end winding portion 1a and the upper end winding portion 1b of the spring 1.
  • the stress was measured in a direction of approximately 45 degrees with respect to the direction in which the wire of the spring 1 extends.
  • Table 1 shows the measurement results of stress by an X-ray diffraction stress measurement apparatus.
  • the unit of stress is MPa.
  • the stress was measured three times at seven locations from the position P1 to the position P7 on the lower side as a reference, and the average was taken.
  • the positions P1 to P7 were set to peaks and valleys where the stress was maximized and minimized from the analysis result by the finite element method shown in FIG.
  • FIG. 7 is a graph comparing the difference between the stress measurement values when the load is applied and when there is no load, and the analysis value obtained by the finite element method. Similar to the results in Table 1, there is a discrepancy between the measured stress value and the analysis value by the finite element method.
  • step S23 of FIG. 2 the load of the spring 1 is released. Since the measurement of the stress with the load applied in step S22 is completed, the spring 1 is removed from the jig 10. This releases the spring 1 from the load.
  • step S24 it is determined whether or not the stress measured in step S22 satisfies the standard. For example, when the measured stress satisfies the standard, it is determined to be OK, and when the measured stress does not satisfy the standard, it is determined to be NG.
  • the spring 1 loaded with the jig 10 is placed on the upper surface of the gantry and individually measured by the X-ray diffraction stress measuring device.
  • the stress may be measured for the total number of the plurality of springs 1 that flow.
  • a load may be applied to the spring 1 flowing in the line in advance by the jig 10 or the like, and a predetermined position of the spring 1 may be measured by one or a plurality of X-ray diffraction stress measuring devices.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a series of steps of the spring manufacturing method of the present embodiment applied to the cold manufacturing method.
  • step S31 the reel material is formed into a coiled spring at room temperature
  • step S32 the spring is tempered
  • step S33 the spring is hot set
  • step S34 the spring is shot. Peening is performed.
  • step S35 the spring is pretreated for painting.
  • step S36 the spring is painted.
  • step S37 the plastic deformation at the time of use is relieved by applying an overload to the spring at room temperature and performing a plastic deformation in advance.
  • the series of steps shown in FIG. 2 is performed.
  • the stress distribution of the spring under load is directly measured using an X-ray diffraction stress measuring device based on the cos ⁇ method. Therefore, it is possible to confirm an accurate stress distribution of the spring loaded with a load, and as a result, a spring designed to reduce weight can be stably supplied.
  • the present invention can be applied to a method of manufacturing a spring such as a coil spring and the spring.

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Abstract

荷重が負荷されたばねの応力分布を確認するばねの製造方法を提供する。ばね（１）の製造方法は、ばね（１）に荷重を負荷する工程と、荷重が負荷されたばねの応力を測定する工程と、ばね（１）に負荷された荷重を解放する工程とを含み、ばね（１）の応力の測定は、ｃｏｓα法によるＸ線回折を用いてばね（１）の有効部の表面の応力を測定し、測定されたばね（１）の応力の大きさが基準を満たすかどうか判定する工程をさらに含んでもよい。

Description

ばねの製造方法及びばね
　本発明は、コイルばね等のばねの製造方法およびばねに関する。
　従来、コイルばね等の自動車部品に使用されるばねにおいては、軽量化の観点から、荷重が負荷された使用時にばねの一部に応力が集中することがない製品が求められている。ばねの設計は、有限要素法により、形状に起因する応力の分布が設定した荷重負荷時に最適になるように進められるが、荷重負荷時の実製品の応力分布を確認することは難しかった。実際、ばねの応力は、ばねの形状に起因する応力とショットピーニングにより付与された残留応力との両方を考慮して評価する必要がある。
　現状では、ばねの形状に起因する応力は、ばねの外形を計測し、想定荷重を負荷した有限要素法の解析によるシミュレーションを実施して確認している。また、ショットピーニング後の残留応力については、破壊検査により、したがって荷重が負荷されない状態で確認している。特許文献１には、ショットピーニング後の製品について、１品１品非破壊検査によって残留応力を測定する方法が提示されている。
国際公開第２０１７／１９９９５９号
　特許文献１はショットピーニング工程のみの効果を確認する発明であるのに対し、実製品としてのばねは、前工程の影響があり、更に荷重の負荷によって形状が変化するとともに、応力の分布も大きく変化する。つまり、特許文献１は製品としてのばねの評価には不十分である。したがって、荷重が負荷された状態でばねの応力分布を確認するばねの製造方法及びばねが求められている。
　本実施の形態は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、荷重負荷時のばねの応力分布を確認するばねの製造方法及びばねを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するために、本発明に係るばねの製造方法は、ばねに荷重を負荷する工程と、荷重が負荷された状態でばねの応力を測定する工程と、ばねに負荷された荷重を解放する工程と、を含んでいる。ばねの応力の測定は、ｃｏｓα法によるＸ線回折を用いてばねの有効部の表面の応力を測定してもよい。ばねに荷重を負荷する工程は、治具によって荷重を保持してもよい。負荷する荷重は０から使用時の最大荷重があり得る。また荷重の負荷は、ばねが設置されたレイアウトや目的に従った掛け方が想定される。
　本発明に係るばねの製造方法は、測定されたばねの応力の大きさが基準を満たすかどうかを判定する工程を含んでもよい。判定する工程で基準を満たさないと判定されたときは、ＮＧとして排除する。
　ばねは、コイルばね、板ばね、スタビライザ、トーションバー、皿ばねであってもよいがそれに限定されるものではない。本発明に係るばねは、上述の製造方法によって製造されたものである。
　本発明によると、荷重負荷時の応力分布を確認したばねを製造することができ、軽量化を図って設計したばねを安定して供給することができる。
本実施の形態のばねの製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。 本実施の形態のばねの製造方法の荷重負荷時に応力分布を測定する工程を示すフローチャートである。 治具によって荷重を付加したばねを示す正面図である。 ｃｏｓα法によるＸ線回折を用いた応力の測定を説明する概観図である。 ばねにおいて応力を測定する方向を示す一部拡大正面図である。 有限要素法によって計算したばねの形状の変化による応力の分布を示す図である。 荷重負荷時と無負荷時の応力測定値の差分と有限要素法による解析値を比較したグラフである。 冷間製法に適用した本実施の形態のばねの製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。
　以下、本実施の形態のばねの製造方法及びばねについて、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、ばねとして、材料の直径（ｄ）１３ｍｍ、コイル平均径（Ｄ）１１２ｍｍ、自由高さ（Ｈ）３２６ｍｍ、有効巻数（Ｎｅ）４．１、総巻数（Ｎｔ）５．５、材質ＳＵＰ１２のコイルばねを熱間製法により製造することを想定しているが、これに限らず他のコイルばねにも適用してもよく、コイルばねに限らず他の種類のばねにも適用してもよく、冷間製法に適用してもよい。
　図１は、本実施の形態のばねの製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。本実施の形態においては、ステップＳ１１では棒材を加熱し、ステップＳ１２では棒材をコイル状のばねに成形し、ステップＳ１３ではばねに焼き入れを施し、ステップＳ１４で焼き戻し、ステップＳ１５ではホットセッチングを施している。ホットセッチングは、加熱した状態で、ばねに過荷重を負荷し、予め塑性変形させることにより、使用時の塑性変形を緩和している。ステップＳ１６ではばねにショットピーニングを施している。ショットピーニングにより、ばねの表面には所定の圧縮残留応力が付与される。ステップＳ１７ではばねに塗装のための前処理を施し、ステップＳ１８ではばねに塗装を施している。ステップＳ１９ではばねに室温で過荷重を負荷し、予め塑性変形させるセッチングを施すことにより、使用時の塑性変形を緩和している。
　図２は、荷重負荷時に応力分布を測定する工程を示すフローチャートである。ステップＳ２１において、ばねに所定の荷重が負荷される。図３は、治具１０によって荷重が負荷されたばね１を示す正面図である。
　図３において、コイル状のばね１は、下側の座巻部１ａが治具１０の下側支持部１０ａによって支持され、上側の座巻部１ｂが治具１０の上側支持部１０ｂによって支持されている。下側支持部１０ａと上側支持部１０ｂとの間隔は、下側支持部１０ａと上側支持部１０ｂとを連結しているシャフト１０ｃに沿って変えることができ、ばね１に所定の荷重が作用するように設定されている。本実施の形態では、７，２００Ｎの荷重を負荷し圧縮するものとする。
　ステップＳ２２においては、ばねの応力を測定する。本実施の形態においては、ばね１の応力をｃｏｓα法によるＸ線回折を用いて測定する。
　図４は、ｃｏｓα法によるＸ線回折を用いた応力の測定を説明する概観図である。本実施の形態のばねの製造方法においては、ｃｏｓα法により応力を測定するＸ線回折応力測定装置を使用している。Ｘ線回折応力測定装置は、試料３０の所望の位置にＸ線３１を照射し、Ｘ線回折応力測定装置の検出面２１において回折Ｘ線３２によるデバイ環３３を全周で検出することによって、単一の照射で応力を測定することができる。
　図５は、ばねにおいて応力を測定する方向を示す一部拡大正面図である。本実施の形態では、ばね１の下側の座巻部１ａ及び上側の座巻部１ｂを除いた有効部１ｃの外側の表面において、ねじり剪断応力を測定した。図中の矢印３５に示すように、ばね１の線材が延びる方向に対して略４５度の方向に応力を測定した。
　表１は、Ｘ線回折応力測定装置による応力の測定結果を示している。応力の単位は、ＭＰａである。応力は、ばね１において、下側を基準として位置Ｐ１から位置Ｐ７の７箇所で３回ずつ測定し、その平均を取った。なお、位置Ｐ１から位置Ｐ７は、図６に示す有限要素法による解析結果から応力が極大と極小になる山と谷に設定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ここで、無負荷時の荷重は０Ｎ（ニュートン、以下同じ）、負荷時の荷重は７，２００Ｎとして、応力を測定した。これらの測定値の差分を計算値とし、有限要素法による解析値と比較した。表１に示すように、計算値と解析値の乖離が認められるので、荷重負荷状態での応力測定がばね製品の評価のためには必要であることがわかる。図７は荷重負荷時と無負荷時の応力測定値の差分と、有限要素法による解析値を比較したグラフである。表１の結果と同様に、応力の測定値と有限要素法による解析値との間に乖離が認められる。
　図２のステップＳ２３においては、ばね１の荷重を解放する。ステップＳ２２における荷重を付加した状態での応力の測定を終えたため、ばね１を治具１０から取り外す。これによって、ばね１は荷重から解放される。
　ステップＳ２４において、ステップＳ２２で測定した応力が基準を満たしているかどうか判定する。例えば、測定した応力が基準を満たすときにはＯＫと判断し、基準を満たさないときにはＮＧと判断する。
　なお、本実施の形態においては、治具１０で荷重を負荷したばね１を架台の上面に載置してＸ線回折応力測定装置によって個別に測定していたが、これに代わって、ラインを流れる複数のばね１の全数について応力を測定してもよい。そのためには、予めラインを流れるばね１に治具１０等によって荷重を負荷し、ばね１の所定位置を１台又は複数台のＸ線回折応力測定装置によって測定してもよい。
　図８は、冷間製法に適用した本実施の形態のばねの製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。冷間製法による場合には、ステップＳ３１ではリール材を常温でコイル状のばねに成形し、ステップＳ３２ではばねにテンパー処理を施し、ステップＳ３３ではばねにホットセッチングを施し、ステップＳ３４ではばねにショットピーニングを施し、ステップＳ３５ではばねに塗装のための前処理を施し、ステップＳ３６ではばねに塗装を施している。ステップＳ３７ではばねに室温で過荷重を負荷し、予め塑性変形させるセッチングを施すことにより、使用時の塑性変形を緩和している。冷間製法の場合にも、図２に示した一連の工程が実施される点において同様である。
　本実施の形態のばねの製造方法では、荷重負荷時のばねの応力分布をｃｏｓα法によるＸ線回折応力測定装置を用いて直接に測定した。したがって、荷重を負荷したばねの正確な応力分布の確認が可能になり、ひいては軽量化を図って設計したばねを安定して供給することができる。
　本発明は、コイルばね等のばねの製造方法及びばねに適用することができる。
　１　ばね
　１０　治具
 

Claims (6)

  1. 　ばねの製造方法であって、
    　ばねに荷重を負荷する工程と、
    　前記荷重が負荷された状態でばねの応力を測定する工程と、
    　前記ばねに負荷された荷重を解放する工程と、
    　を含むばねの製造方法。
  2. 　前記ばねの応力の測定は、ｃｏｓα法によるＸ線回折を用いて前記ばねの有効部の表面の応力を測定する請求項１に記載のばねの製造方法。
  3. 　前記測定されたばねの応力の大きさが基準を満たすかどうかを判定する工程をさらに含む請求項１又は２に記載のばねの製造方法。
  4. 　前記ばねに荷重を負荷する工程は、治具によって荷重を保持する請求項１から３のいずれか一項に記載のばねの製造方法。
  5. 　前記ばねは、コイルばねである請求項１から４のいずれか一項に記載のばねの製造方法。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項の記載のばねの製造方法によって製造されたばね。
     
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