JP5511067B2 - コイルばねの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば建設機械や大型車両等の懸架機構部等に使用されるコイルばねに係り、特にショットピーニングが適用されるコイルばねの製造方法に関する。

従来より、ばねにショットピーニングを行なうことによって、ばねの表面付近に圧縮残留応力を付与し、疲労強度を高めることが知られている。例えば下記の特許文献１，２に開示されているように、ショットピーニング工程を複数回に分けて実施する多段ショットピーニングが知られている。

従来の多段ショットピーニングでは、第１のショットピーニング工程においてショットサイズ（粒径）が比較的大きい第１のショットが使用され、ばねの深い領域まで圧縮残留応力を生じさせている。第２のショットピーニング工程では、第１のショットよりも小さなショットを使用することにより、ばねの表面付近の圧縮残留応力を高めている。特許文献２では、ばねの疲労強度を高めるために、ばね素線の合金元素成分を調製することも行なわれているが、特殊な合金成分を含むばね鋼は高価である。

また、圧縮残留応力をばね表面から深い位置まで生じさせるための手段として、コイルばねを圧縮した状態でショットを投射するストレスピーニングや、コイルばねを２５０℃前後に加熱してショットを投射する温間ピーニング（ホットピーニング）なども知られている。

特開２０００−３４５２３８号公報 特開２００８−１０６３６５号公報

従来の多段ショットピーニングでは、第１のショットピーニング工程と第２のショットピーニング工程とに、互いにサイズが異なる２種類のショットが使用されている。しかも第１のショットピーニング工程と第２のショットピーニング工程とでショットの速度を異ならせることもある。このため従来の多段ショットピーニングでは、各ショットピーニング工程において共通のショットピーニング機械を使用することができない。しかも各ショットピーニング工程でショットピーニング条件を異ならせているため、ショットピーニング工程に手間がかかり、ショットのコストも高くなるなどの問題がある。

一方、ストレスピーニングは、コイルばねを圧縮するための工程と、そのための設備が必要である。しかもコイルばねを圧縮した状態でショットを投射するため、ばね素線間の間隔が狭くなり、その分、コイルばねの内側やばね素線間にショットが当たりにくくなるという問題がある。

温間ショットピーニングは、ばねの表面から深い位置まで圧縮残留応力を生じさせる上で有効である。しかし冷間ショットピーニングと比較してばねの表面の凹凸が大きくなり、しかも表面付近では圧縮残留応力値の低下が避けられないなど、耐久性を向上させる上で改善の余地があった。

従って本発明の目的は、疲労強度を高める上で有効な圧縮残留応力分布を得ることができるコイルばねの製造方法を提供することにある。

本発明のコイルばねの製造方法は、ばね素線を螺旋形に成形する工程と、成形された前記ばね素線に焼入れおよび焼戻しの熱処理を行なう熱処理工程と、前記熱処理工程後でばね素線が１００℃を越える温間域にあるうちに前記ばね素線にショットを投射する温間ショットピーニング工程と、前記温間ショットピーニング工程後の前記ばね素線を水で冷却し、前記ばね素線の表面の温度を１００℃未満に下げかつ前記ばね素線内部の温度を前記表面を越える温度とすることにより前記ばね素線の内部と表面との間に温度勾配を生じさせる水冷工程と、前記水冷工程後に行なわれ、前記ばね素線に付着する水を該ばね素線の熱エネルギーによって蒸発させかつ前記温度勾配を小さくする熱エネルギー放出工程と、前記水冷工程によって表面が１００℃未満に冷却された前記ばね素線に前記温間ショットピーニング工程と同じサイズのショットを投射する冷間ショットピーニング工程とを具備している。前記温間ショットピーニング工程では、焼戻し後のばね素線が１００℃を越える温間域（２００〜３５０℃が好ましい）にあるうちにショットを投射することにより、ばね素線の内部の深い領域にまで圧縮残留応力を生じさせる。

前記ばね素線は、前記水冷工程によって、少なくとも表面が１００℃未満となるように冷却される。冷却されたばね素線は、冷間ショットピーニング工程において、前記温間ショットピーニング工程と共通のサイズ（粒径）のショットが投射される。この冷間ショットピーニング工程によって、ばね素線の特に表面付近の圧縮残留応力が高まるとともに、ばね素線の表面粗さが小さくなる。

この発明において、前記温間ショットピーニング工程と前記冷間ショットピーニング工程とで共通のショットピーニング機械を用いてもよい。あるいは、前記水冷工程後で前記冷間ショットピーニング工程前に、前記ばね素線の座巻部の端面を研磨する研磨工程が行なわれてもよい。

水冷工程直後のばね素線は、表面の温度が１００℃未満となっていても、ばね素線の内部の温度が１００℃を越えていることがある。この温度勾配は、水冷工程によってばね素線に付着した水を蒸発させる上で有効である。しかし、ある程度時間が経過すると、ばね素線内部の熱エネルギーによって、表面の温度が冷間ショットピーニング工程に適した冷間域を越えてしまうことがある。そこで前記研磨工程を行っている間に、ばね素線の内部の熱エネルギーを放出させれば、引き続き行なわれる冷間ショットピーニング工程の前に、ばね素線の温度を冷間ショットピーニング工程に適した冷間域まで下げておくことができる。

本発明によれば、従来の多段ショットピーニングのようにサイズの異なる複数種類のショットを用いることなく、コイルばねの疲労強度を高める上で有効な圧縮残留応力分布をコイルばねの表面から内部にわたって得ることができる。

本発明の１つの実施例に係るコイルばねの斜視図。 図１に示されたコイルばねの製造工程の一例を示すフローチャート。 本発明の１つの実施例に係るコイルばねと比較例１，２の残留応力分布を示す図。 本発明の１つの実施例に係るコイルばねと比較例１，２の耐久試験結果を示す図。

以下に本発明の１つの実施形態に係るコイルばねの製造方法について、図１から図４を参照して説明する。
図１に示すコイルばね１０は、螺旋形に成形されたばね素線１０ａからなる。このコイルばね１０は、軸線Ｘ方向に圧縮された状態で支持対象物（図示せず）の荷重を弾性的に支持する。すなわち圧縮コイルばねである。

コイルばね１０のサイズは、要求される仕様に応じて様々であるが、一例として、平均コイル径Ｄが１４０ｍｍ、自由高さ（無荷重時の長さ）５００ｍｍ、有効巻数６．５、ばね定数７５０Ｎ／ｍｍの円筒コイルばねである。ばね素線１０ａの線径の一例は３５ｍｍである。コイルばね１０の形態は円筒コイルばねに限らず、たる形コイルばね、鼓形コイルばね、テーパコイルばね、不等ピッチコイルばねなどであってもよい。

［実施例］
ばね素線１０ａの鋼種の一例はＳＵＰ１１Ａ（マンガンクロムボロン鋼鋼材）である。ＪＩＳＧ４８０１に準拠するＳＵＰ１１Ａの化学成分（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．５６〜０．６４、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．７０〜１．００、Ｐ：０．０３５以下、Ｓ：０．０３５以下、Ｃｒ：０．７０〜１．００、Ｂ：０．００５以上、残部Ｆｅである。Ｂ（ボロン）は、焼入れ性を高めるために添加されているが、ボロンが添加されていない鋼材（例えばＳＵＰ９Ａ）が使用されてもよい。

図２はコイルばね１０の製造工程を示している。図２に示す加熱工程Ｓ１において、コイルばね１０の材料であるばね素線１０ａが、オーステナイト化温度（Ａ_３変態点以上、１１５０℃以下）に加熱される。加熱されたばね素線１０ａは、成形工程（コイリング工程）Ｓ２において、例えば９５０〜９７０℃で螺旋形に成形される。

成形工程Ｓ２が行なわれたのち、焼入れと焼戻し等の熱処理工程Ｓ３が行なわれる。熱処理工程Ｓ３の焼入れでは、ばね素線１０ａが例えば８５０℃から１２０℃まで急冷される。焼戻しでは、焼戻し炉によってばね素線１０ａが例えば３８０〜４００℃に加熱されたのち、徐冷され、ばね素線１０ａの硬さが調整される。

そののち温間ショットピーニング工程Ｓ４が行なわれる。温間ショットピーニング工程Ｓ４において、ばね素線１０ａの処理温度は２００〜３５０℃が適している。目標温度は例えば２５０℃である。この温間ショットピーニング工程Ｓ４は、熱処理工程Ｓ３後の余熱を利用して行なうことができる。

温間ショットピーニング工程Ｓ４では、ショットサイズ（粒径）が１.０ｍｍのショット（カットワイヤ）が使用される。このショットを２５０℃の処理温度で、ばね素線１０ａに投射速度７０ｍ／ｓｅｃで投射する。温間ショットピーニング工程Ｓ４が行なわれる温度域では、ばね素線１０ａの硬さが冷間域よりも下がっているため、ばね素線１０ａの表面から深さ方向に深い領域にわたって圧縮残留応力が発現する。

温間ショットピーニング工程Ｓ４を行なうことにより、従来のストレスピーニングのようにコイルばねを圧縮することなく表面から深い位置まで大きな圧縮残留応力を生じさせることができる。このため、ストレスピーニングのようなコイルばねを圧縮する設備が不要であり、かつ、ばね素線間の間隔が狭くなることがないため、コイルばねの内側やばね素線間にもショットを十分投射することができる。

温間ショットピーニング工程Ｓ４が実施される温間域では、ばね素線１０ａの硬さが冷間域と比較して下がっているため、温間ショットピーニング工程Ｓ４が行なわれたばね素線１０ａの表面粗さは比較的大きくなっている。温間ショットピーニング工程Ｓ４後のばね素線１０ａの表面粗さは、例えば２３〜３７μｍ前後である。この場合の表面粗さは最大高さ（Ｒｚ）である。

温間ショットピーニング工程Ｓ４が行なわれたのち、水冷工程Ｓ５が行なわれる。この水冷工程Ｓ５によって、ばね素線１０ａが冷間温度域まで冷却される。水冷工程Ｓ５では、水槽に収容された所定温度の水にばね素線１０ａを浸漬することにより、ばね素線１０ａの少なくとも表面が１００℃未満の温度に冷却される。好ましくは、作業員が手扱いできる程度の温度（作業用手袋を着用）に冷却される。

その後に研磨工程Ｓ６が行なわれる。研磨工程Ｓ６では、ばね素線１０ａの両端の座巻部１０ｂ，１０ｃ（図１に示す）の端面が、それぞれ軸線Ｘに対して直角となるように研磨される。

水冷工程Ｓ５が行なわれた直後のばね素線１０ａは、表面の温度よりも内部の温度が高い状態となっているため、温度勾配が生じている。この温度勾配は、水冷工程Ｓ５によってばね素線１０ａに付着した水を蒸発させる上で有効であるが、時間が経過すると、ばね素線１０ａの内部の熱エネルギーによって、ばね素線１０ａの表面温度が下記の冷間ショットピーニング工程Ｓ７に適した温度を越えてしまうことがある。そこで本実施例では、数分から数十分間行なわれる研磨工程Ｓ６を経ることにより、ばね素線１０ａの表面温度と内部の温度差が解消され、温度勾配がなくすことができる。このためこのばね素線１０ａは、冷間ショットピーニング工程Ｓ７に適した冷間域の温度に落ち着く。

研磨工程Ｓ６が行なわれた後、冷間ショットピーニング工程Ｓ７が行なわれる。冷間ショットピーニング工程Ｓ７では、１００℃未満の冷間域まで冷却されたばね素線１０ａに、温間ショットピーニング工程Ｓ４と同じサイズのショットが投射される。冷間ショットピーニング工程Ｓ７で使用されるショットの速度は、温間ショットピーニング工程Ｓ４と同じである。このため温間ショットピーニング工程Ｓ４と冷間ショットピーニング工程Ｓ７とで共通のショットピーニング機械を使用することができる。

冷間ショットピーニング工程Ｓ７では、ばね素線が冷間域まで冷却されているため、温間ショットピーニング工程Ｓ４と比較してばね素線は硬くなっている。このため温間ショットピーニング工程Ｓ４と同じサイズのショットを投射すると、温間ショットピーニング工程Ｓ４によって生じた表面の比較的大きな凸部がある程度潰されるなどして、ばね素線の表面粗さを小さくすることができ、ばね素線の表面状態が改善される。

この冷間ショットピーニング工程Ｓ７によって、ばね素線の表面粗さ（最大高さ）が２０〜３３μｍ前後と小さくなり、温間ショットピーニング工程Ｓ４後の表面粗さ２３〜３７μｍと比較して、表面粗さが改善される。

前記冷間ショットピーニング工程Ｓ７が行なわれたのち、ばね素線の欠陥等の有無を調べ、かつ、外観や特性等を検査するために、検査工程Ｓ８が行なわれる。また塗装工程Ｓ９が行なわれる。

前記温間ショットピーニング工程Ｓ４において、ばね素線１０ａの表面から深い位置まで圧縮残留応力が生じる。そののち、冷間ショットピーニング工程Ｓ７を行なうことにより、表面付近の圧縮残留応力が増加する。このため、ばね素線１０ａの表面から内部の深い領域にわたって、高いレベルの圧縮残留応力が得られる。すなわち本実施例では、温間ショットピーニング工程Ｓ４と冷間ショットピーニング工程Ｓ７とを組合わせたことによって、ばね素線１０ａの表面から深い領域まで大きな圧縮残留応力を生じさせることができ、コイルばね１０の耐久性向上に効果のある圧縮残留応力分布を得ることができた。

図３中の線分Ｌ１は，本実施例のコイルばねの圧縮残留応力の分布を示している。図３の横軸は、ばね素線の表面から深さ方向の位置を示している。図３の縦軸は残留応力値を示しているが、当業界の慣例として、圧縮残留応力値がマイナスで表わされている。例えば「−６００Ｍｐａ以上」とは、絶対値が６００Ｍｐａ以上という意味である。引張残留応力値はプラスで表わされる。

図３に示されるように本実施例のコイルばねの圧縮残留応力分布（線分Ｌ１）は、表面付近の領域Ｗの圧縮残留応力が冷間ショットピーニング工程Ｓ７によって高いレベルまで押し上げられている。そして表面からばね素線の内部に向って深さ方向に圧縮残留応力が増加する残留応力増加部Ｔ１と、圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２と、ばね素線の深さ方向に圧縮残留応力が減少する残留応力減少部Ｔ３とを有している。

図３中の１点鎖線Ｌ２は、比較例１のコイルばねの圧縮残留応力の分布を示している。比較例１は、冷間ショットピーニングのみが行なわれたコイルばねである。比較例１は、表面から内部にわたって圧縮残留応力のレベルが本実施例よりも低い。図３中の破線Ｌ３は、比較例２のコイルばねの圧縮残留応力の分布を示している。比較例２は、温間ショットピーニングのみが行なわれたコイルばねである。比較例２は、表面から内部にわたって高いレベルの圧縮残留応力が得られているが、表面付近で圧縮残留応力が大きく低下し、表面付近の圧縮残留応力が比較例１と同程度となっている。

図４は、本実施例のコイルばねと比較例１，２の耐久試験結果を示している。図４中の白三角のプロットと、線分Ｌ４は、本実施例のコイルばねについて、大気中で疲労試験を行った結果である。図４中の白四角のプロットと、１点鎖線Ｌ５は、比較例１のコイルばねの疲労試験結果を示している。比較例１は、冷間ショットピーニングのみが行なわれたコイルばねである。図４中の黒丸と破線Ｌ６は、比較例２のコイルばねの疲労試験結果を示している。比較例２は、温間ショットピーニングのみが行なわれたコイルばねである。

図４に示されるように本実施例のコイルばねは、比較例１よりも疲労寿命が大幅に向上している。比較例１は、図３に１点鎖線Ｌ２で示されるように、圧縮残留応力のレベルが全体にわたって低いため、本実施例に匹敵する疲労強度を発揮することができなかった。比較例２の疲労寿命は比較例１よりも向上しているが、比較例２はばね素線の表面粗さが大きく、しかも図３に破線Ｌ３で示されるように表面付近の圧縮残留応力の低下が大きいため、比較例２は本実施例よりも疲労強度が小さかった。

これに対し本実施例では、温間ショットピーニング工程Ｓ４後に水冷工程Ｓ５を行ない、さらに冷間ショットピーニング工程Ｓ７を実施したことにより、ばね素線１０ａの表面粗さを小さくすることができ、ばね素線１０ａの表面状態が改善されている。このことも疲労強度（大気耐久性）の改善に効果を奏している。

本実施例では、温間ショットピーニング工程Ｓ４で用いるショットのサイズと、冷間ショットピーニング工程Ｓ７で用いるショットのサイズが互いに同じであり、投射速度も互いに同じである。このため本実施例では、温間ショットピーニング工程Ｓ４と冷間ショットピーニング工程Ｓ７とに共通のショットピーニング機械を用いることが可能となり、多段ショットピーニングの省設備化と、ショットの共通化によって、コストを下げることが可能となった。

以上説明した本実施例による効果は鋼種によらず同様の傾向が認められ、圧縮コイルばねに使用されているショットピーニング機械と共通のショットによって、疲労強度を改善することが可能である。このため本実施例は、多段ショットピーニングを適用しているにもかかわらず、ショットピーニング条件を変えずにすむため、ショットピーニング工程の簡略化を図ることができ、ショットのコストが高くなることも抑制できる。

１０…コイルばね
１０ａ…ばね素線

Claims (4)

1. ばね素線を螺旋形に成形する工程と、
   成形された前記ばね素線に焼入れおよび焼戻しの熱処理を行なう熱処理工程と、
   前記熱処理工程後でばね素線が１００℃を越える温間域にあるうちに前記ばね素線にショットを投射する温間ショットピーニング工程と、
   前記温間ショットピーニング工程後の前記ばね素線を水で冷却し、前記ばね素線の表面の温度を１００℃未満に下げかつ前記ばね素線内部の温度を前記表面を越える温度とすることにより前記ばね素線の内部と表面との間に温度勾配を生じさせる水冷工程と、
   前記水冷工程後に行なわれ、前記ばね素線に付着する水を該ばね素線の熱エネルギーによって蒸発させかつ前記温度勾配を小さくする熱エネルギー放出工程と、
   前記水冷工程によって表面が１００℃未満に冷却された前記ばね素線に前記温間ショットピーニング工程と同じサイズのショットを投射する冷間ショットピーニング工程と、
   を具備したことを特徴とするコイルばねの製造方法。
2. 前記温間ショットピーニング工程は、前記焼戻し後の前記ばね素線が２００〜３５０℃の温間域にあるときに行なうことを特徴とする請求項１に記載のコイルばねの製造方法。
3. 前記温間ショットピーニング工程と前記冷間ショットピーニング工程とで共通のショットピーニング機械を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルばねの製造方法。
4. 前記水冷工程後で前記冷間ショットピーニング工程前に、前記熱エネルギー放出工程として前記ばね素線の座巻部の端面を研磨する研磨工程を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載のコイルばねの製造方法。

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