JP2022015899A - ショットピーニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投射材を高速投射した場合であっても、被投射材用治具や投射材の変形及び破砕を抑制できるショットピーニング装置を提供する。
【解決手段】被投射材用治具３ａ、３ｂで把持された被投射材２に向かって、投射材を投射する投射手段１を有するショットピーニング装置であって、前記被投射材と、前記投射手段との間となる位置に、前記投射手段より投射される投射材のうち、前記被投射材への投射範囲５内にある第１の投射材と、前記投射範囲から外れる第２の投射材とを分離させる分離治具４ａ、４ｂを備え、前記分離治具は、外表面を保護部材で被覆され、前記被投射材に向かって開口部が広がるフレア形状を有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に前記第２の投射材をトラップする凹部９を有することを特徴とするショットピーニング装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショットピーニング装置に関する。

従来、ワークの強度を高めるための技術として、ショットピーニング方法が広く用いられており、その処理条件や投射材(ショット)の種類等に関して、種々検討がされている。特許文献１には、所定のビッカース硬度及び密度を有する投射材を、低速条件で金属製の被処理品に投射することを特徴とする投射材寿命に優れたショットピーニング方法が開示されている。

特開２０１２－１３９７９０号公報

通常、ショットピーニングにより付与される被投射材（ワーク）表面の圧縮残留応力は、大きい程、繰り返し荷重に対する疲労強度をより向上させることができる。ここで、被投射材表面の圧縮残留応力を大きくするためには、投射材を高速条件で、被投射材に投射することが求められる。しかしながら、投射材を高速投射した場合、被投射材を把持する被投射材用治具（ワーク把持治具）に投射材が衝突した際に、被投射材用治具や投射材が変形したり、破砕したりしてしまうことがあった。

一方、特許文献１のように、低速投射などの投射材の破砕抑制を目的としたショットピーニング条件では、高速投射条件と比較して、投射材の被投射材への衝突エネルギーが小さくなり、付与される圧縮残留応力が小さくなる。その結果、被投射材の疲労強度の向上度合が制限されたり、小さくなったりすることがあった。

本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、投射材を高速投射した場合であっても、被投射材用治具や投射材の変形及び破砕を抑制できるショットピーニング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一態様は、被投射材用治具で把持された被投射材に向かって、投射材を投射する投射手段を有するショットピーニング装置であって、前記被投射材と、前記投射手段との間となる位置に、前記投射手段より投射される投射材のうち、前記被投射材への投射範囲内にある第１の投射材と、前記投射範囲から外れる第２の投射材とを分離させる分離治具を備え、前記分離治具は、外表面を保護部材で被覆され、前記被投射材に向かって開口部が広がるフレア形状を有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に前記第２の投射材をトラップする凹部を有することを特徴とする。

本発明に係るショットピーニング装置では、被投射材へ衝突せずショットピーニング処理に寄与しない投射材（第２の投射材）を分離治具で分離し、第２の投射材の流れ方向を被投射材用治具へと衝突しない方向に変更できる。このため、従来と比較して、投射材及び前記投射材を把持する被投射材用治具の変形や破損を抑制でき、その結果、コスト削減を達成できる。

本発明によれば、投射材を高速投射した場合であっても、被投射材用治具や投射材の変形及び破砕を抑制できるショットピーニング装置を提供できる。

本発明に係るショットピーニング装置の一実施形態を説明するための概略図である。 本発明に係るショットピーニング装置の一実施形態における、投射材の投射範囲を説明するための概略図である。 （ａ）は、本発明に係るショットピーニング装置の一実施形態における概略正面図であり、（ｂ）は、前記実施形態を被投射材側から見た際の概略側面図である。 従来及び本発明に係るショットピーニング装置を用いた場合の投射材の投射回数と、投射材の消耗量との関係を示すグラフである。

上述したように、被投射材の強度をより向上させるために、投射材を高速条件で投射した場合、投射材が衝突した被投射材用治具等の部材や投射材が変形や破砕することがあった。また、それらを回避するために、投射材を低速条件で投射した場合には、被投射材に対する所望の強度が得られない場合があった。

しかしながら、本発明に係るショットピーニング装置（以下、本装置と称する場合がある）では、ショットピーニング処理において、ガンノズル等の投射手段から投射された投射材のうち、被投射材へ衝突せず、加工に寄与しない第２の投射材を、分離治具により分離（必要に応じて回収）できる。このため、投射材や被投射材用治具の変形や破損の進行を抑制でき、コストを低減するとともに、被投射材に対して所望の強度を付与することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。以下では、便宜的に、図１に示す紙面上下方向を鉛直方向として説明を行っているが、この方向に限定されず、鉛直方向は、例えば、（使用時の分離治具の）高さ方向と言い換えることもできる。

＜ショットピーニング装置＞
本装置は、図１に示すように、投射手段１、被投射材用治具（３ａ、３ｂ）及び分離治具（４ａ、４ｂ）を有する。また、本装置は、必要に応じて、分離治具の回転手段４ｃ、回転台６及び投射材回収装置７を有することができる。なお、図１は、本装置の一実施形態を説明するための概略図である。ここで、本装置は、この構成に限定されず、適宜設計を変更することができる。

投射手段１は、被投射材用治具（３ａ、３ｂ）で把持された被投射材（ワーク）２に向かって、投射材を投射（発射）する手段である。投射手段１は、被投射材に対して投射材を投射でき、ショットピーニング処理できるものであれば特に限定されず、従来公知のものを適宜使用できる。投射手段１としては、例えば、ガンノズルを用いることができる。図１に示す投射手段の投射口の断面形状は円形に形成されており、投射口から投射された投射材の投射範囲５は、放射状に広がっている。この投射手段からの投射材の投射量や投射速度は、不図示の投射制御部により制御できる。

被投射材２は、表面に投射材を投射し、圧縮残留応力を付与し、疲労強度などを改善できる対象物であれば、特に限定されず適宜用いることができる。被投射材２としては、例えば、ばねやギヤ等の自動車部品、ジェットエンジンや翼等の航空機部品、化学プラントの圧力容器、金型材等を挙げることができる。被投射材２は、ショットピーニング処理を行う前に、予め各種加工処理が施されていてもよく、例えば、車両用鋼材部品などでは、浸炭焼き入れ処理を施したものを被投射材２として用いることができる。

投射材は、空気圧または遠心力により投射手段１から投射されて被投射材２に衝突させることにより、ショットピーニング加工できるもの（粒状物）であれば、特に限定されず、従来公知のものを適宜用いることができる。投射材は、被投射材２の特性や付与したい特性に応じて、適宜選択でき、その比重、粒度、硬さ等も適宜設定できる。投射材としては、鋼鉄または非鉄金属（例えば、ジルコニアビーズやアルミナビーズ）の（小さな）球体を用いることができる。このように、本装置では、投射速度等のショットピーニング条件及び投射材の特性は任意に選択できる。

図１には、投射手段１より放射状に投射される投射材が、被投射材２に対して投射される範囲（投射材の分布）を示す投射範囲５（投射分布）が記載されている。この投射範囲５には、図２に示すように、被投射材２に衝突する投射材の範囲を示す第１の投射範囲５ａと、被投射材２に衝突しない投射材の範囲を示す第２の投射範囲５ｂとが含まれる。なお、図２は、本装置の一実施形態における、投射材の投射範囲を説明するための概略図である。ここで、投射手段１より投射される投射材のうち、第１の投射範囲５ａに含まれる、被投射材２への投射範囲内にある投射材を、第１の投射材と称する。第１の投射材は、被投射材２に衝突し、ショットピーニング処理を施す投射材である。また、投射手段１より投射される投射材のうち、第２の投射範囲５ｂに含まれる、第１の投射範囲から外れる投射材を、第２の投射材と称する。第２の投射材は、被投射材２に衝突せず、被投射材２に対するショットピーニング処理に寄与しない投射材であり、被投射材用治具等に衝突して、これらの部材を変形や破砕させる可能性がある。

被投射材用治具は、ショットピーニング処理の際に、被投射材２を保持固定するものであり、その形状は特に限定されず、従来公知のものを適宜用いることができる。図１では、被投射材２を、鉛直方向の上側から把持する第１の被投射材用治具３ａと、鉛直方向の下側から把持する第２の被投射材用治具３ｂとが記載されている。第１の被投射材用治具３ａと、第２の被投射材用治具３ｂとは、被投射材２を介して対抗配置されている。そして、これらの被投射材用治具は、必要に応じて、例えば水平方向に回転可能な回転台６上に配置されている。回転台６を用いることにより、被投射材用治具に把持された被投射材を回転させ、被投射材のショットピーニング処理面を適宜変更することができ、例えば、被投射材２の外周面全体をショットピーニング処理できる。

分離治具（ショットピーニング治具）は、被投射材２と、投射手段１との間となる位置に配置され、第１の投射材と、第２の投射材とを分離させる役割を果たす。すなわち、分離治具は、投射手段１から投射された投射材の投射範囲を制限できる。
分離治具は、図１に示すように、鉛直方向上側に配置される第１の分離治具４ａ、及び、鉛直方向下側に配置される第２の分離治具４ｂを含み、必要に応じて、分離治具の回転手段４ｃ（回転機構）を備えることができる。

上述したように、従来のショットピーニング装置では、被投射材へ衝突せずに加工に寄与しない第２の投射材は、被投射材用治具などの部材に衝突し、これらの部材や投射材自身の変形を進行させたり、無駄に破損させたりする可能性があった。

一方、本装置では、図１及び図３に示すように、第１の分離治具４ａと、第２の分離治具４ｂとは、互いに連結して、投射手段１から被投射材２に向かって開口部が広がる中空円筒状（フレア形状）の分離治具を構成している。図３（ｂ）に示すように、当該分離治具は、断面形状が半ドーナツ状（半環状）の鉛直方向上側に配置される第１の分離治具４ａと、鉛直方向下側に配置される第２の分離治具とが合わさり、ドーナツ状の断面形状を構成している。そして、このフレア形状の分離治具の内部を投射手段１より放射状に投射された投射材（第１の投射材８ａ）が通過し、被投射材２へと投射される。その際、被投射材２に衝突しない不要な部分の投射材（第２の投射材８ｂ）、すなわち、図２に示す第２の投射範囲５ｂを通過することになる投射材は、この分離治具によってはじかれる。そして、図３（ａ）に示すように、フレア形状の分離治具（具体的には、第１の分離治具４ａ及び第２の分離治具４ｂ）の外側を、この第２の投射材８ｂが通過することになる。ここで、図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本装置の一実施形態における概略正面図、及び、前記実施形態を被投射材側から見た際の概略側面図である。

なお、鉛直方向上側に配置される第１の分離治具４ａの少なくとも一部には、第２の投射材８ｂをトラップする凹部９が形成されている。第１の投射範囲より鉛直方向上側に投射された第２の投射材８ｂは、この凹部９を含む第１の分離治具４ａによって、トラップされる。分離治具の凹部９等に溜まった第２の投射材８ｂは、図３（ｂ）に示すように、必要に応じて装備される回転手段４ｃによって、分離治具を回転方向ｒに適宜回転することにより、鉛直方向下側に落とされ、投射材回収装置７によって回収されることができる。回転手段４ｃは、少なくとも分離治具を半回転以上の回転できる機構であることが好ましい。また、回転手段４ｃは、（鉛直）上下方向（高さ移動方向ｈ）に移動可能である。

なお、第１の投射範囲より鉛直方向下側に投射された第２の投射材８ｂは、鉛直方向下側に配置される第２の分離治具４ｂによってはじかれ、その自重によって、または上記回転手段４ｃによる回転により、鉛直方向下側に落下し、投射材回収装置７によって回収される。

回転手段４ｃは、ショットピーニング処理後または処理中などに、必要に応じて使用でき、投射範囲（特に第１の投射範囲５ａ）に干渉せず、ショットピーニング処理に影響を与えずに、不要な第２の投射材を回収装置へと誘導できる。これにより、被投射材に対して、均一に、圧縮残留応力の付与を行うことができる。このように、本装置は、（例えば、エア式）ショットピーニング処理において、被投射材へ衝突せず加工に寄与しない投射材を、分離治具により分離及び回収することで、これらの投射材の破損の進行を抑制できる。

なお、分離治具（具体的には、第１の分離治具及び第２の分離治具）は、接触する投射材から外表面を保護するため、外表面を不図示の保護部材（緩衝部材）で被覆されている。保護部材としては、分離治具の破損を回避できるものであれば特に限定されないが、例えば、耐摩耗性ゴムライナー等を用いることができる。フレア形状の分離治具は、その内側及び外側の外表面を保護部材で被覆できる。このように、本装置では、高速投射された投射材が、分離治具に衝突した場合であっても、分離治具の外表面に保護部材を設けているため、分離治具の変形や破損を防止できる。

また、分離治具は、上述したように、被投射材２に向かって開口部が広がるフレア形状を有している。このため、ショットピーニング処理に寄与しない第２の投射材の投射方向（流れ方向）を被投射材用治具に衝突しない方向、図１では、鉛直方向上向き又は下向きの方向に変更でき、被投射材用治具に投射材が衝突することを防止できる。その結果、被投射材用治具の変形及び破損、並びに、投射材の変形及び破損の進行を防ぐことができ、投射材の使用寿命を延ばすことができる。

分離治具の材質は、適宜設定できるが、例えば、金属製のものを使用できる。
分離治具としては、例えば、フレア形状に成形された外表面を保護部材で被覆された、鉛直方向上側に凹部９を有する金属板を用いることができる。

このように、本装置では、被投射材への加工に寄与する投射範囲（第１の投射範囲）の上限及び下限位置となる部分に分離治具を配置し、加工に寄与しない投射材（第２の投射材）を分離させる。そして、分離した第２の投射材の流れ方向を、被投射材用治具等に衝突しない方向に変更させる。そして、この第２の投射材が落下等することにより、第１の投射範囲に存在する第１の投射材に干渉しないように、分離治具の凹部などに滞留させ、必要に応じて、回転手段により回収装置へ落下させるように誘導する。これにより、被投射材に対して均一なショットピーニング処理を施すことができ、被投射材に対して均一に圧縮残留応力を付与できる。

［実施例１及び比較例１］
投射材の消耗量に及ぼす、本発明における分離治具の影響を調べるため、図１に示すショットピーニング装置において、分離治具を用いた場合（実施例１）と、分離治具を用いない場合（比較例１）とを比較した。なお、下記実施例は単なる例示に過ぎず、本発明を何ら限定するものではない。
具体的には、ガス浸炭した被投射材に対して、同一の投射材を、所定の回数、投射した。ここで、ショットピーニング装置は空気式の直圧式であり、硬さ８００ＨＶの直径０．３ｍｍの投射材を、投射速度約６０ｍ／ｓ（高速投射）で被投射材へ衝突させた。
そして、被投射材などに衝突を繰り返すことにより、変形、破損を生じ、約０．２１ｍｍ以下のサイズになった投射材をふるいにて回収した。所定の投射回数後に回収した投射材の重量を測定し、約０．２１ｍｍ以下のサイズになった投射材量を、投射材の消耗量と定義し、初期の投射材投入量に対する百分率（％）で表し、図４に示した。なお、図４は、分離治具を備えた本装置を用いた実施例１（図４の符号Ａ）、及び、分離治具を備えない従来のショットピーニング装置を用いた比較例１（図４の符号Ｂ）における、投射材の投射回数（回）と、投射材の消耗量（％）との関係を示すグラフである。

図４の矢印に示すように、分離治具を用いた実施例１は、分離治具を用いない比較例１と比較して、投射回数（回）に対する投射材の消耗量を、最大１５％低減できた。

このように、本装置を用いることにより、被投射材へ衝突せずにショットピーニング処理に寄与しない第２の投射材が、被投射材用治具及び分離治具等に衝突することで、変形や破損することを防ぐことができる。その結果、ショットピーニング処理による投射材の消耗量を減らし、ランニングコストを低減できる。なお、本装置は、ショットピーニング条件に寄らず、投射材の破損を早める高速投射条件や、高硬度で脆く、寿命の短い投射材に関しても、非常に有効である。

本装置は、上述したように、車両用部品などの様々な対象（被投射材）に用いることができ、その用途は特に限定されない。さらに、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、本実施形態における構成要素を他の周知の構成要素に適宜置き換えることができる。

１ 投射手段
２ 被投射材（ワーク）
３ａ 第１の被投射材用治具
３ｂ 第２の被投射材用治具
４ａ 第１の分離治具
４ｂ 第２の分離治具
４ｃ 分離治具の回転手段
５ 投射範囲
５ａ 第１の投射範囲
５ｂ 第２の投射範囲
６ 回転台
７ 投射材回収装置
８ａ 第１の投射材
８ｂ 第２の投射材
９ 凹部
ｈ 高さ移動方向
ｒ 回転方向

Claims (1)

1. 被投射材用治具で把持された被投射材に向かって、投射材を投射する投射手段を有するショットピーニング装置であって、
   前記被投射材と、前記投射手段との間となる位置に、前記投射手段より投射される投射材のうち、前記被投射材への投射範囲内にある第１の投射材と、前記投射範囲から外れる第２の投射材とを分離させる分離治具を備え、
   前記分離治具は、外表面を保護部材で被覆され、前記被投射材に向かって開口部が広がるフレア形状を有し、鉛直方向上側の少なくとも一部に前記第２の投射材をトラップする凹部を有することを特徴とするショットピーニング装置。

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