JP4031004B2 - ショットピーニング方法およびこの方法により得られる板ばね、ならびにショットピーニング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ショットピーニング方法およびこの方法により得られる板ばね、ならびにショットピーニング装置に係り、とくに、車体や一般機械を懸架するための板ばね端部の目玉部に圧縮残留応力を与えることで、その遅れ破壊時間を長くすることのできるショトピーニング技術に関する。

熱処理を施した板ばねには、疲れ強さを大きくする（耐久性を向上させる）ために、ショットピーニング（以下、単に「ＳＰ」と称する場合がある）が施される。しかしながら、ＳＰを施すワークの所定箇所は、板ばねの表面部分に限られ、端部の目玉部内面においてはＳＰを確実に実施することができなかった。しかしながら、目玉部内面にもブッシュ等を圧入する場合には、目玉部内面の一部にも引っ張り応力が発生することから、ＳＰを確実に実施することのできる技術が従来から要請されていた。

従来、目玉部内面についてもＳＰの効果は認知されていたが、具体的な方式としては、インペラに角度を与え、目玉部内面の一部にショットを投射する、いわゆるインペラ方式が提案されているにすぎなかった。しかしながら、インペラ方式では、実際に目玉部にブシュを圧入する際に最も応力が集中する目玉部の頭頂部付近にショットを投射することは不可能に近く、このため目玉部内面に積極的にＳＰを施すことはできなかった。

これに対し、目玉部内面に積極的にＳＰを施す方式として、エアーノズル方式が提案されている（特許文献１参照）。このエアーノズル方式は、ＳＰ装置を用い、ショット噴出装置の下流側にショット反射部材を配置し、この反射部材に付与された角度に応じてショットを目玉部内面に投射する方式である。この方式では、目玉部内面の任意の位置を狙ってＳＰを実施することが可能であるが、目玉部内面に投射されたショットが飛散するため、飛散したショットを回収せねばならず、この回収作業が大掛かりなものとなる。さらに、ＳＰ装置内で目玉部内面に正確にＳＰを施すには、目玉部内面に対してショット噴出装置および反射部材を正確に位置決めする必要がある。このため、装置自体が大掛かりなものとなり、未だ実用化されていないのが現状である。

特公平７−３６９８２号公報

近年、板ばねの軽量化ニーズに対応し、板ばねの高強度化として高硬度化が図られている。また、目玉部に装着されるブッシュの大径・厚肉剛体化と動力性能増加に伴い、制動時の前後入力が増加することで、目玉部内面に発生する応力は増加傾向にある。さらに、新技術としてモノリーフ（１枚ばね）化が進むと、安全上の問題から目玉部の早期損傷対策が必要不可欠となり、目玉部内面へのＳＰ施工は必須工程となることが予想される。このような事情から、近年においては、目玉部の遅れ破壊時間を長くすること、および強度向上が従来に比して益々重要な課題となってきている。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、車体等を懸架するための板ばね端部の目玉部の遅れ破壊時間を長くし、割れ等が発生しない板ばねを提供すべく、その板ばねの製造に好適なショットピーニング方法およびこの方法により得られる板ばね、ならびにその板ばねの製造に好適なショットピーニング装置を提供することを目的としている。

本発明のショットピーニング方法は、ワークに対してその下方から内部へ鉛直方向に移動可能であるとともに鉛直方向軸線の周りに回転可能なハウジングと、ハウジング内の上部に配置された反射部材と、ハウジング内で反射部材の下方に配置された振動子と、ハウジングに対して上下動することによりハウジングの側方に形成された開口を開閉するとともに、ハウジングに対する上下動においてワークの下縁部に常に接触することが可能なシャッタとを備えたショットピーニング装置を用いる方法であって、ハウジングとワークとの係合状態においては、ハウジングをワーク内部で移動させ、ワークの内周面がハウジングの開口を閉塞することにより、ワーク、ハウジング、反射部材、および振動子により閉鎖空間を形成し、この閉鎖空間内で超音波振動によって鋼球を連続的にワークに投射して、ワークの少なくとも一部に−３００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与し、ハウジングとワークとの非係合状態においては、ハウジング上部の反射部材をワークの下側に配置し、シャッタがハウジングの開口を閉塞することにより、ハウジング、反射部材、振動子、およびシャッタにより閉鎖空間を形成して、鋼球の外部への脱落を防止し、ハウジングとワークとの非係合状態と係合状態との間の状態移行においては、シャッタをワークの下縁部に接触させた状態で、ハウジングをワークに対して相対的に上下移動させることにより、ハウジングの開口の閉塞部位をシャッタとワークとの間で連続的に切り換え、ハウジング、反射部材、振動子、シャッタ、およびワークにより閉鎖空間を形成して、鋼球の外部への脱落を防止することを特徴としている。

このようなショットピーニング方法においては、上記鋼球が、ロックウェルＣ硬さが６５以上の硬質研磨鋼球であることが望ましい。

次に、本発明の板ばねは、少なくとも１枚のリーフからなる板ばねに、上記ショットピーニングを施したものである。なお、板ばねの軽量化を実現するためには、最近のモノリーフ化の傾向にしたがうことが望ましいが、強度の成立範囲に対応できない等の場合には、２枚以上の板ばねを重ね合わせて構成することもできる。

さらに、本発明のショットピーニング装置は、ワークに対してその下方から内部へ鉛直方向に移動可能であるとともに鉛直方向軸線の周りに回転可能なハウジングと、ハウジング内の上部に配置された反射部材と、ハウジング内で反射部材の下方に配置された振動子と、ハウジングに対して上下動することによりハウジングの側方に形成された開口を開閉するとともに、ハウジングに対する上下動においてワークの下縁部に常に接触することが可能なシャッタとを備えるショットピーニング装置において、ハウジングとワークとの係合状態においては、ハウジングをワーク内部で移動させ、ワークの内周面がハウジングの開口を閉塞することにより、ワーク、ハウジング、反射部材、および振動子により閉鎖空間を形成し、この閉鎖空間内で超音波振動によって鋼球を連続的にワークに投射して、ワークの少なくとも一部に−３００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与するように構成し、ハウジングとワークとの非係合状態においては、ハウジング上部の反射部材をワークの下側に配置し、シャッタがハウジングの開口を閉塞することにより、ハウジング、反射部材、振動子、およびシャッタにより閉鎖空間を形成して、鋼球の外部への脱落を防止するように構成し、ハウジングとワークとの非係合状態と係合状態との間の状態移行においては、シャッタをワークの下縁部に接触させた状態で、ハウジングをワークに対して相対的に上下移動させることにより、ハウジングの開口の閉塞部位をシャッタとワークとの間で連続的に切り換え、ハウジング、反射部材、振動子、シャッタ、およびワークにより閉鎖空間を形成して、鋼球の外部への脱落を防止するように構成したことを特徴としている。

本発明のショットピーニング方法によれば、ばね端部の目玉部の遅れ破壊時間を長くし、割れ等が発生しない板ばねを提供することができる。また、上記のように、使用する一般的なカットワイヤを用いずに、ロックウェルＣ硬さが６５以上の硬質研磨鋼球とした場合には、ショットピーニングを施した箇所に微細な傷が発生することを防止でき、また均一な表面粗さを得ることができる。

次に、本発明のショットピーニング装置の効果について、説明する。
すなわち、本発明のショットピーニング装置は、上記ショットピーニング方法を好適に実施するための装置であるため、本装置によれば、上記したように、ばね端部の目玉部の遅れ破壊時間を長くし、割れ等が発生しない板ばねを提供することができることはもちろんであるが、その他の効果として、以下の〔１〕〜〔６〕に示す効果が奏される。
〔１〕ワーク、ハウジング、反射部材、および振動子により形成された閉鎖空間内で鋼球の移動を実現してＳＰを行うことから、特許文献１に記載の装置に比して、ＳＰ投射装置自体をコンパクト化することができる。このため、従来に比してより小さな目玉部の内面にもＳＰを行うことができる。
〔２〕上記のようなＳＰ投射装置のコンパクト化により、特許文献１に記載の装置に比して、装置自体を軽量化することができるとともに、投射位置決めを容易に行うことができるため、ＳＰ効果が必要な部分を狙ってＳＰを施すことができる。
〔３〕アタッチメント（ハウジングの側方に形成された開口の出口付近に設けられたケーシング）の交換により、簡単な段取りで種々のサイズの目玉部に対してショットピーニングを行うことができる。
〔４〕１回の鋼球投入量を微量（１０ｇ以下）とすることができるとともに、鋼球をその移動空間に直接投入することができる。また、投射された鋼球をそのまま投射装置の中で回収せずに連続的に用いることができるため、鋼球を回収せずに繰り返して使用することができる。このため、鋼球の飛散対策や特別な鋼球回収装置が不要であり、大掛かりな設備を必要としない。
〔５〕上記したように、鋼球の繰り返し使用が可能であるため、鋼球の使用量は微量（１日１回鋼球を投入する場合には、１０ｇ以下）で済み、ランニングコストが安価である。
〔６〕振動子の振動数や振幅を制御することで、使用する鋼球のサイズや、投射時間を適宜変更することができる。その結果、エアーノズル方式では困難であった、短時間での照射による−８００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を得ることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のショットピーニング装置１０と板ばねの目玉部Ｗとを示す図であり、（ａ）は、装置１０と目玉部Ｗとの非係合状態を示す部分断面図、（ｂ）は、装置１０と目玉部Ｗとの係合状態を示す部分断面図、および（ｃ）は、図（ａ），（ｂ）に示すショットピーニング装置の平面図である。図１（ａ）に示すように、このショットピーニング装置１０は、目玉部Ｗに対して鉛直方向に移動可能であるとともに鉛直方向軸線の周りに回転可能なハウジング１１と、ハウジング１１内の上部に配置された反射部材１２と、ハウジング１１内で反射部材１２の下方に配置された超音波により振動する振動子１３と、ハウジング１１に対して上下動することによりハウジング１１の側方に形成された開口１４を開閉するシャッタ１５とを備えるものである。

図１（ａ）に示すように、ハウジング１１は、小径の円筒状上部１１ａと、中径の円筒状中部１１ｂと、大径の円筒状下部１１ｃとからなり、上部１１ａの側方には開口１４が設けられている。また、反射部材１２は、上面がハウジング１１の上面と一致しており、下面が水平方向に対して傾斜している。反射部材１２の下面が傾斜しているのは、目玉部Ｗの内面と後述する振動子１３の上面が垂直なためである。

さらに、振動子１３は、その外周面がハウジング１１の内周面と微小な隙間を保って配置され、図１（ａ），（ｂ）の鉛直方向に振動する。振動子１３の下方には、ホーン１６、ピエゾ素子１７がその順に上方から配置されており、ピエゾ素子１７はジェネレータ１８と高圧ケーブルｃを介して接続されている。このような構成の下、ジェネレータ１８で発生した高周波電力がピエゾ素子１７に入力されると、ピエゾ素子１７の圧電効果により上記電力が機械的振動に変換される。さらにピエゾ素子１７で発生した振動がホーン１６に伝達され、ホーン１６によって振動振幅が増幅されて振動子１３に伝達される。

加えて、シャッタ１５は、その下方に位置する昇降部材１９により、ハウジング１１に対して上下動する。ここで、上述したハウジング１１の形状について追記すると、保持された目玉部Ｗに対してＳＰ装置１０が上昇すると、目玉部Ｗの淵部で押されたシャッタ１５は下降し始め、空間２１が目玉部内面に対して開放される。また、ＳＰ装置１０が降下し始めると、シャッタ１５は、昇降部材１９により目玉部Ｗの淵部に常に接触した状態を保持し続けるため、内部に投入された硬質研磨鋼球の落下を防止するように、ハウジング１１の外形と目玉部Ｗの外形に準じた半円筒形状をしている。

このような構成の下、ショットピーニング装置１０を使用する際には、図１（ａ）の状態から昇降部材１９によりシャッタ１５をハウジング１１に対して下方に移動し、開口１４を開放して、開口１４から複数個の鋼球２０を空間２１に投入する。次いで、昇降部材１９によりシャッタ１５をハウジング１１に対して上方に移動し、図１（ａ）に示す状態に戻すべく、開口１４を閉鎖する。

さらに、図１（ｂ）に示すように、目玉部Ｗを押し下げるか、あるいはハウジングを図示しない昇降装置により上方へ移動して、目玉部Ｗ、ハウジング１１、反射部材１２、および振動子１３により閉鎖空間２２を形成する。そして、上記したような超音波振動によって振動子１３を振動させ、これによりその上方に配置された複数の鋼球２０を振動子１３と目玉部Ｗとの間で連続的に往復運動させることで、閉鎖空間２２内でショットピーニングを行う。なお、上述したように、反射部材１２の下面は、目玉部Ｗの内面と振動子１３の上面が垂直なために傾斜しているが、この傾斜の程度は、目玉部ＷのＳＰ施工位置に応じて適宜変更することができる。また、ＳＰ施工時には、ハウジング１１を目玉部Ｗに対して鉛直方向に移動し、あるいは目玉部Ｗ固定した状態でハウジング１１を鉛直方向軸線の周りに回転させることで、目玉部Ｗのいかなる位置にもＳＰを施すことができる。

図１（ｃ）は、反射部材１２とシャッタ１５との関係を示す平面図であり、シャッタ１５には等間隔の３箇所に昇降部材１９ａ〜１９ｃ（弾性体）が取り付けられており、これにより、昇降部材１９による安定したシャッタ１５の上下動が実現される。

以上のような本発明の装置を使用したショットピーニング方法によれば、超音波振動を利用して、板ばねの目玉部の所定箇所に鋼球を安定して投射し、当該箇所に圧縮残留応力を付与することができ、これにより、目玉部の遅れ破壊時間を長くし、割れ等が発生しない板ばねを提供することができる。

図２は、以上に示す本発明のショットピーニング装置の一例を示す斜視図であり、（ａ）はシャッタ１５の解放時、（ｂ）はシャッタ１５の閉塞時である。このような装置によれば、上述したように、ワーク、ハウジング、反射部材、および振動子により形成された閉鎖空間内で鋼球の移動を実現してＳＰを行うことができるため、特許文献１に記載の装置に比して、ＳＰ投射装置自体をコンパクト化することができる。このため、従来に比してより小さな目玉部の内面にもＳＰを行うことができるとともに、軽量化等を図ることもできる。

次に、本発明を実施例により詳細に説明する。
超音波ＳＰを板ばねの目玉部の内面に施した際の効果について調査した。サンプルとして、厚さ１４ｍｍ×幅８０ｍｍ×内径４２ｍｍの目玉部を使用した。また、超音波ＳＰは図２に示すショットピーニング装置を用い、投射材としては鋼球Ａ（ＳＵＪ２：径２．０ｍｍ）および鋼球Ｂ（ＳＵＪ２：径２．５ｍｍ）を使用した。なお、板ばねの目玉部において、実際に超音波ＳＰを施した箇所（遅れ破壊に対してＳＰが有効であると考えられる目玉部の頭頂部付近）を図３に斜線部分で示す。

このような条件の下、超音波ＳＰ実施後の圧縮残留応力分布について調査した。その結果を図４に示す。図４によれば、鋼球Ａを使用した場合には、測定したいかなる箇所においても、ＳＰを施さなかった場合に比して大きな残留応力を得ることができた。また、鋼球Ａを使用した場合には、表面からの距離が３０μｍ以上の位置では、−４００ＭＰａ程度の圧縮残留応力が発生していることが確認された。さらに、鋼球Ｂを使用した場合には、鋼球Ａを使用した場合に比して、圧縮残留応力がさらに増大するとともに、表面からの距離が３０μｍ以上の位置では、−８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が発生していることも確認された。したがって、これらの結果から、本発明の装置を使用した場合には、高い残留応力を得ることができるため、遅れ破壊時間を従来に比して長くすることができることが推認される。

板ばねの目玉部に超音波ＳＰを施さなかったサンプルと、超音波ＳＰを施したサンプルとについて、ブッシュ圧入時に目玉部に種々の応力（１１００ＭＰａ程度）が発生する各ブッシュを用意し、これらのブッシュを各サンプルの目玉部に圧入して、目玉部内へＳＰを施した場合に、遅れ破壊時間が長くなるか否かについての調査を行った。なお、板ばねの目玉部において、実際に超音波ＳＰを実施した箇所は、実施例１に示す箇所（図３参照）と同じである。

このような条件の下、表１に示す６つのサンプル（目玉部の寸法は、図３に示す目玉部と同一）について、ブッシュの圧入応力を種々変更し、圧入時、圧入直後、４８時間後、９６時間後、および１ヶ月後の目玉部内面の状態を調査した。その結果を表１に併記する。

表１によれば、目玉部の内面にＳＰを施したサンプルＮｏ．１，３，５については、総じて、優れた結果を示した。なお、サンプルＮｏ．３については、割れを生じたものの、この割れは、ＳＰ施工位置以外において生じたものであるため、ＳＰ実施効果は奏されているものと考えられる。

これに対し、目玉部の内面にＳＰを施さなかったサンプルＮｏ．２，４，６については、圧入時、圧入直後、および２４時間後のいずれかにおいて割れ等が発生しており、サンプルＮｏ．４，６については目玉部の破損が確認された。したがって、この実験結果から、目玉部内面へのＳＰは目玉部の遅れ破壊には十分効果があると考えられる。また、ＳＰ照射位置を変更することで急停車時等に発生する水平前後方向入力による目玉部損傷にも同等の効果を得ることができるものと推認される。

以上に示すように、本発明によれば、近年、板ばねの軽量化に伴う高硬度化、目玉部に装着されるブッシュの厚肉剛体化等が要請されている中で、目玉部内面に発生する応力が増大した場合や、新技術としてモノリーフ化が進んだとしても、目玉部の早期損傷対策としてＳＰ施工をすることで、上記要請に十分に応えることができる。よって、本発明は、車体や一般機械を懸架するための板ばね端部の目玉部に圧縮残留応力を与え、その遅れ破壊時間を長くすることができる点で有望である。

本発明のショットピーニング装置１０と板ばねの目玉部Ｗとを示す図であり、（ａ）は装置１０と目玉部Ｗとの非係合状態を示す部分断面図、（ｂ）は装置１０と目玉部Ｗとの係合状態を示す部分断面図、および（ｃ）は図（ａ），（ｂ）に示すショットピーニング装置の平面図である。 本発明のショットピーニング装置を示す斜視図であり、（ａ）はシャッタの解放時を示し、（ｂ）はシャッタの閉塞時を示す。 板ばねの目玉部において、実際に超音波ＳＰを実施した所定箇所を示す平面図である。 超音波ＳＰ実施後の圧縮残留応力分布についての調査結果を示すグラフである。

Claims (4)

1. ワークに対してその下方から内部へ鉛直方向に移動可能であるとともに鉛直方向軸線の周りに回転可能なハウジングと、前記ハウジング内の上部に配置された反射部材と、前記ハウジング内で前記反射部材の下方に配置された振動子と、前記ハウジングに対して上下動することにより前記ハウジングの側方に形成された開口を開閉するとともに、前記ハウジングに対する上下動において前記ワークの下縁部に常に接触することが可能なシャッタとを備えたショットピーニング装置を用いるショットピーニング方法において、
   前記ハウジングと前記ワークとの係合状態においては、前記ハウジングを前記ワーク内部で移動させ、前記ワークの内周面が前記ハウジングの前記開口を閉塞することにより、前記ワーク、前記ハウジング、前記反射部材、および前記振動子により閉鎖空間を形成し、この閉鎖空間内で超音波振動によって前記鋼球を連続的に前記ワークに投射して、前記ワークの少なくとも一部に−３００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与し、
   前記ハウジングと前記ワークとの非係合状態においては、前記ハウジング上部の前記反射部材を前記ワークの下側に配置し、前記シャッタが前記ハウジングの前記開口を閉塞することにより、前記ハウジング、前記反射部材、前記振動子、および前記シャッタにより閉鎖空間を形成して、前記鋼球の外部への脱落を防止し、
   前記ハウジングと前記ワークとの前記非係合状態と前記係合状態との間の状態移行においては、前記シャッタを前記ワークの下縁部に接触させた状態で、前記ハウジングを前記ワークに対して相対的に上下移動させることにより、前記ハウジングの前記開口の閉塞部位を前記シャッタと前記ワークとの間で連続的に切り換え、前記ハウジング、前記反射部材、前記振動子、前記シャッタ、および前記ワークにより閉鎖空間を形成して、前記鋼球の外部への脱落を防止することを特徴とするショットピーニング方法。
2. 前記鋼球が、ロックウェルＣ硬さが６５以上の硬質研磨鋼球であることを特徴とする請求項１に記載のショットピーニング方法。
3. 少なくとも１枚のリーフからなる板ばねにおいて、請求項１または２に記載のショットピーニングを施したことを特徴とする板ばね。
4. ワークに対してその下方から内部へ鉛直方向に移動可能であるとともに鉛直方向軸線の周りに回転可能なハウジングと、前記ハウジング内の上部に配置された反射部材と、前記ハウジング内で前記反射部材の下方に配置された振動子と、前記ハウジングに対して上下動することにより前記ハウジングの側方に形成された開口を開閉するとともに、前記ハウジングに対する上下動において前記ワークの下縁部に常に接触することが可能なシャッタとを備えるショットピーニング装置において、
   前記ハウジングと前記ワークとの係合状態においては、前記ハウジングを前記ワーク内部で移動させ、前記ワークの内周面が前記ハウジングの前記開口を閉塞することにより、前記ワーク、前記ハウジング、前記反射部材、および前記振動子により閉鎖空間を形成し、この閉鎖空間内で超音波振動によって前記鋼球を連続的に前記ワークに投射して、前記ワークの少なくとも一部に−３００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与するように構成し、
   前記ハウジングと前記ワークとの非係合状態においては、前記ハウジング上部の前記反射部材を前記ワークの下側に配置し、前記シャッタが前記ハウジングの前記開口を閉塞することにより、前記ハウジング、前記反射部材、前記振動子、および前記シャッタにより閉鎖空間を形成して、前記鋼球の外部への脱落を防止するように構成し、
   前記ハウジングと前記ワークとの前記非係合状態と前記係合状態との間の状態移行においては、前記シャッタを前記ワークの下縁部に接触させた状態で、前記ハウジングを前記ワークに対して相対的に上下移動させることにより、前記ハウジングの前記開口の閉塞部位を前記シャッタと前記ワークとの間で連続的に切り換え、前記ハウジング、前記反射部材、前記振動子、前記シャッタ、および前記ワークにより閉鎖空間を形成して、前記鋼球の外部への脱落を防止するように構成したことを特徴とするショットピーニング装置。

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