(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルばねのコイル内側に挿入可能であって、超音波振動の付与によって長手方向に沿って伸縮されると同時に径方向に沿って膨張収縮され、前記径方向に膨張されたときに、その外周面によって前記コイルばねのコイル内周面が打撃されるように、挿入時に前記外周面が前記コイルばねのコイル内周面に接触するか、または前記外周面が前記コイル内周面と隙間をあけて離間する棒状の打撃治具と、
前記打撃治具の一端に接続されて、前記打撃治具に超音波振動を付与する超音波振動子と、を具備してなることを特徴とするコイルばねの超音波打撃処理装置。
【請求項２】
前記打撃治具が、前記コイルばねの巻軸方向に沿って相対的に移動自在とされていることを特徴とする請求項１に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
【請求項３】
前記打撃治具が円柱状部材からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
【請求項４】
前記打撃治具が、長手方向両端部分の直径よりも長手方向中央部分の直径が小さい略円柱部材からなることを特徴とする請求項１に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
【請求項５】
前記打撃治具の前記外周面に、前記コイルばねに対応する螺旋状の溝部が設けられていることを特徴とする請求項１、請求項３または請求項４の何れか一項に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
【請求項６】
前記超音波振動子が、１０〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
【請求項７】
外周面がコイルばねのコイル内周面に接触するか、または前記外周面が前記コイル内周面と隙間をあけて離間するように構成された棒状の打撃治具を、前記コイルばねのコイル内側に挿入し、
前記打撃治具に超音波振動を付与することにより、前記打撃治具が長手方向に沿って伸縮すると同時に径方向に沿って膨張収縮し、前記打撃治具が前記径方向に膨張することにより前記外周面によってコイル内周面の全面を打撃することを特徴とするコイルばねの超音波打撃処理方法。
【請求項８】
前記打撃治具を前記コイルばねの巻軸方向に沿って移動させながら、前記コイル内周面を打撃することを特徴とする請求項７に記載のコイルばねの超音波打撃処理方法。
【請求項９】
前記打撃治具として、前記外周面に前記コイルばねに対応する螺旋状の溝部が設けられた打撃治具を前記コイル内側に挿入し、前記コイルばねを前記溝部に嵌め合わせた状態で、前記打撃治具に超音波振動を付与して前記コイル内周面の全面を打撃することを特徴とする請求項７に記載のコイルばねの超音波打撃処理方法。
【請求項１０】
前記打撃治具に、振動数１０〜６０ｋＨｚの超音波振動を付与することを特徴とする請求項７乃至請求項９の何れか一項に記載のコイルばねの超音波打撃処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルばねの超音波打撃処理装置及びコイルばねの超音波打撃処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルばねの製造工程では、冷間伸線を螺旋状にコイリングしてコイルばねに成形した後、焼き入れ、焼き戻しといった熱処理が施される。熱処理後のコイルばねには、疲労特性の向上を目的として、ショットピーニングによる硬化処理が行われる。コイルばねが伸縮する際には、コイルばねを構成する螺旋状の素線のうち螺旋の内周側の部分に高い応力が加わるので、特にコイルばねの内周面にショットピーニングを行って残留応力を付与することが有効である。しかし、冷間伸線を螺旋状に成形した後では、コイルばねの内周面にショットピーニングを均一に施すことが困難であり、素線に十分な圧縮残留応力を付与できていないという問題がある。
【０００３】
下記特許文献１には、超音波振動子と鋼球とが備えられたハウジングを具備するショットピーニング装置を用いて、板ばねの目玉部の内面をショットピーニングする際に、ハウジングと板ばねの目玉部の内面とを当接させて閉鎖空間を形成し、この閉鎖空間内にて超音波振動子によって鋼球を目玉部の内面に投射して、目玉部の内面に圧縮残留応力を付与する方法が開示されている。
しかし、特許文献１に記載の技術をコイルばねに適用しようとすると、コイルばねの隙間から鋼球がこぼれ落ちる問題が生じる。一方、コイルばねの隙間から鋼球がこぼれないように鋼球の直径を大きくすると、コイルばねの内周面が肌荒れし、付与される圧縮残留応力のばらつきも大きくなり、疲労強度が十分に上昇しないという問題がある。
【０００４】
また、下記特許文献２には、線材、鋼線の表面に超音波による衝撃を与えて、線材、鋼線の表層をナノ結晶化して高強度化する技術が開示されている。
しかし、特許文献２に記載の技術は、いわば、コイリング前の素線に対してショットピーニングを行う技術であり、コイルばねの内周面に対してショットピーニング処理する技術ではない。また、処理後の線材等をコイリングしたとしても、その後の熱処理によってナノ結晶化させた組織が処理前の状態に戻ってしまい、ショットピーニングの効果が消失してしまう。
更に、特許文献２に開示された超音波衝撃処理加工装置はそもそも、装置本体の長手方向先端に、衝撃加工用のヘッド部が備えられているので、コイルばねの内周面にヘッド部を配置できる構成ではなく、コイルばねの内周面に対するショットピーニング処理自体が不可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８１４０６号公報
【特許文献２】特開２００４−１６９１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、コイルばねの内周面に圧縮残留応力を均一に付与するとともに処理時間を短縮して、コイルばねの疲労特性を向上することが可能なコイルばねの超音波打撃処理装置及びコイルばねの超音波打撃処理方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を採用する。
（１）  コイルばねのコイル内側に挿入可能であって、超音波振動の付与によって長手方向に沿って伸縮されると同時に径方向に沿って膨張収縮され、前記径方向に膨張されたときに、その外周面によって前記コイルばねのコイル内周面が打撃されるように、挿入時に前記外周面が前記コイルばねコイル内周面に接触するか、または前記外周面が前記コイル内周面と隙間をあけて離間する棒状の打撃治具と、前記打撃治具の一端に接続されて、前記打撃治具に超音波振動を付与する超音波振動子と、を具備してなることを特徴とするコイルばねの超音波打撃処理装置。
（２）  前記打撃治具が、前記コイルばねの巻軸方向に沿って相対的に移動自在とされていることを特徴とする（１）に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
（３）  前記打撃治具が円柱状部材からなることを特徴とする（１）または（２）に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
（４）  前記打撃治具が、長手方向両端部分の直径よりも長手方向中央部分の直径が小さい略円柱状部材からなることを特徴とする（１）に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
（５）  前記打撃治具の前記外周面に、前記コイルばねに対応する螺旋状の溝部が設けられていることを特徴とする（１）、（３）または（４）の何れか一項に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
（６）  前記超音波振動子が、１０〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させるものであることを特徴とする（１）乃至（５）の何れか一項に記載のコイルばねの超音波打撃処理装置。
（７）  外周面がコイルばねのコイル内周面に接触するか、または前記外周面が前記コイル内周面と隙間をあけて離間するように構成された棒状の打撃治具を、前記コイルばねのコイル内側に挿入し、前記打撃治具に超音波振動を付与することにより、前記打撃治具が長手方向に沿って伸縮すると同時に径方向に沿って膨張収縮し、前記打撃治具が前記径方向に膨張することにより前記外周面によってコイル内周面の全面を打撃することを特徴とするコイルばねの超音波打撃処理方法。
（８）  前記打撃治具を前記コイルばねの巻軸方向に沿って移動させながら、前記コイル内周面を打撃することを特徴とする（７）に記載のコイルばねの超音波打撃処理方法。
（９）  前記打撃治具として、前記外周面に前記コイルばねに対応する螺旋状の溝部が設けられた打撃治具を前記コイル内側に挿入し、前記コイルばねを前記溝部に嵌め合わせた状態で、前記打撃治具に超音波振動を付与して前記コイル内周面の全面を打撃することを特徴とする（７）に記載のコイルばねの超音波打撃処理方法。
（１０）  前記打撃治具に、振動数１０〜６０ｋＨｚの超音波振動を付与することを特徴とする（７）乃至（９）の何れか一項に記載のコイルばねの超音波打撃処理方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のコイルばねの超音波打撃装置において、前記打撃治具に超音波振動が付与されると、前記打撃治具が長手方向に沿って伸縮すると同時に、径方向に沿って膨張収縮する。打撃治具が径方向に膨張したときに、その外周面によってコイル内周面が打撃される。コイル内周面が外周面の超音波振動によって繰り返し打撃されることで、コイル内周面に圧縮残留応力を確実に付与することが可能になる。
また、打撃治具の挿入時にその外周面がコイル内周面に接触するか、または外周面がコイル内周面と隙間をあけて離間するので、外周面によってコイル内周面の全面を一度に打撃可能となり、従来のショットピーニングに比べて処理時間を大幅に低減できる。
このように本発明の超音波打撃処理装置によれば、コイルばねの疲労頻度が最も高いコイル内周面に圧縮残留応力を確実に付与できるとともに、その処理時間を大幅に低減できる。
【０００９】
また、本発明のコイルばねの超音波打撃処理装置においては、打撃治具の全長が比較的短い場合に外周面が目立って樽状に膨張し、コイル内周面を均一に打撃できない可能性がある。このような場合に、打撃治具をコイルばねの巻軸方向に沿って相対的に移動自在とすることで、コイル内周面を均一に打撃することが可能になる。
更に、本発明のコイルばねの超音波打撃処理装置によれば、打撃治具が円柱状であるため、超音波振動による応力集中が生じにくく、打撃処理中に打撃治具が割れるおそれがない。
更にまた、本発明のコイルばねの超音波打撃処理装置においては、打撃治具の全長が比較的短い場合に外周面が目立って樽状に膨張し、コイル内周面を均一に打撃できない可能性がある。このような場合に、元々の打撃治具の形状を鼓状にすることで、膨張時の樽状変形が打ち消されてほぼ円柱状に膨張することになり、コイル内周面を均一に打撃することが可能になる。
また、本発明のコイルばねの超音波打撃処理装置によれば、打撃治具の外周面に、コイルばねに対応する螺旋状の溝部が設けられているので、コイルばねが溝部に嵌め合わされて打撃治具とコイルばねとの接触面積が増大し、コイル内周面に対する打撃面積をより広くできる。
更に、本発明のコイルばねの超音波打撃処理装置においては、超音波振動子が１０〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させるので、コイル内周面に圧縮残留応力を効率良く付与できる。
【００１０】
次に、本発明のコイルばねの超音波打撃処理方法によれば、打撃治具に超音波振動が付与することで、打撃治具を長手方向に沿って伸縮すると同時に、径方向に沿って膨張収縮させる。打撃治具が径方向に膨張したときに、その外周面によってコイル内周面を打撃する。コイル内周面を外周面の超音波振動によって繰り返し打撃することで、コイル内周面に圧縮残留応力を確実に付与できる。
また、打撃治具の挿入時にその外周面がコイル内周面に接触するか、または外周面がコイル内周面と隙間をあけて離間するので、外周面によってコイル内周面の全面を一度に打撃可能となり、従来のショットピーニングに比べて処理時間を大幅に低減できる。
このように本発明のコイルばねの超音波打撃処理方法によれば、コイルばねの疲労頻度が最も高いコイル内周面に圧縮残留応力を確実に付与できるとともに、その処理時間を大幅に低減できる。
【００１１】
また、本発明のコイルばねの超音波打撃処理方法においては、打撃治具の全長が比較的短い場合に外周面が目立って樽状に膨張し、コイル内周面を均一に打撃できない可能性があるところ、打撃治具をコイルばねの巻軸方向に沿って相対的に移動させることで、コイル内周面を均一に打撃できる。
更に、本発明のコイルばねの超音波打撃処理方法によれば、打撃治具の外周面に、コイルばねに対応する螺旋状の溝部が設けられているので、コイルばねが溝部に嵌め合わされて打撃治具とコイルばねとの接触面積が増大し、コイル内周面の打撃面積をより広くできる。
更に、本発明のコイルばねの超音波打撃処理方法においては、超音波振動子が１０〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させるので、コイル内周面に圧縮残留応力を効率良く付与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態である超音波打撃処理装置を示す側面模式図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態である超音波打撃処理装置の動作を示す側面模式図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態である超音波打撃処理装置の動作を示す側面模式図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態である超音波打撃処理装置の動作を示す側面模式図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態である超音波打撃処理装置の動作を示す側面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態の超音波打撃処理装置の側面模式図であり、図２及び図３は、本実施形態の超音波打撃処理装置の動作を示す側面模式図である。
図１に示すように、本実施形態の超音波打撃処理装置１は、棒状の打撃治具２と、打撃治具２に超音波振動を付与する超音波振動子３とを具備して構成されている。本実施形態の超音波打撃処理装置１は、打撃治具２をコイルばね４のコイル内側に挿入し、コイルばね４のコイル内周面４ｂを打撃治具２によって打撃して圧縮残留応力を付与するものである。
【００１４】
打撃治具２は、コイルばね４のコイル内側４ａに挿入可能であって、挿入時にその外周面２ａがコイルばね４の素線４ｃのコイル内周面４ｂに接触するか、または外周面２ａがコイル内周面４ｂと隙間をあけて離間するように構成されている。具体的には、図１に示すように打撃治具２を円柱状の部材とし、その直径をコイルばね４の内径とほぼ同じ寸法にするか、または、打撃治具２の直径をコイルばね４の内径よりも僅かに小さな寸法にすればよい。打撃治具２の外周面２ａが、コイル内周面４ｂを打撃する打撃面になる。
なお、打撃治具２の直径がコイルばね４の内径より大きくなると、打撃治具２をコイルばね４のコイル内側4ａに容易に挿入できなくなるので好ましくない。
【００１５】
ここで、コイルばね４のコイル内周面４ｂとは、コイルばね４を構成する素線４ｃの表面のうち、コイルばね４に成形された際にコイル内側に向く面をいう。特に、打撃治具２の外周面２ａに接触する面及びその近傍の面をいう。なお、本明細書では特に断らない限り、コイル内周面４ｂと言った場合、コイルばね４においてコイル内側を向いた全面を指す。
また、コイル内側４ａとは、素線４ｃを螺旋状に成形した場合の素線４ｃに囲まれた中空部分をいう。
【００１６】
また、打撃治具２の全長は、コイルばね４の全長よりも長ければよい。打撃治具２の全長がコイルばね４の全長以下では、コイル内周面４ｂの一部が打撃されなくなるので、コイル内周面４ｂの全面を同時に打撃できなくなる。また、打撃治具２の全長が長いほど、超音波振動が印加された際に打撃治具２の全長に渡って均一に膨張するので、コイル内周面４ｂを均等に打撃することが可能になる。
【００１７】
また、打撃治具２の全長は、打撃治具２の共振周波数に基づいて決める必要がある。具体的には、打撃治具２の凡その長さを下記式（１）より求め、得られた長さL（ｍｍ）と（L±1）mmの長さの打撃治具２を作製し、３種の長さの共振周波数を測定し、線形補間により超音波振動子３の振動数によって共振する長さを求めればよい。
【００１８】
【数１】
0005609594.tif 000002
【００１９】
ここで、式（１）において、L：打撃治具の長さ（ｍ）、E：打撃治具のヤング率（Pa）、ρ：打撃治具の密度（kg/m3）、Ｚ：共振周波数（Ｈｚ）、である。
【００２０】
打撃治具２は、超音波振動が加えられて膨張収縮を繰り返しつつコイル内周面４ｂを打撃するものであるから、降伏点（弾性限界）が高いものが好ましい。降伏点が低いと、超音波振動によって打撃治具２自体が割れてしまう。例えば、降伏点が1000MPa以上のものがよい。
また、打撃治具２は、コイルばね４を構成する素線４ｃの硬度よりも高硬度のものが好ましい。打撃治具２の硬度が素線４ｃの硬度よりも低いと、打撃治具２が変形してしまい、また場合によっては打撃治具２が割れる恐れがある。例えば、打撃治具の硬度は700HV以上がよい。
より具体的には、工具鋼などの高硬度鋼を打撃用治具２に用いることが好ましい。
【００２１】
次に、超音波振動子３は、打撃治具２に接続されて、打撃治具２に超音波振動を付与するものである。超音波振動子３は、打撃治具２に縦振動を与えるために、打撃治具２の長手方向の一端２ｂに接続されることが望ましい。超音波振動子３は、振動数が１０〜６０ｋＨｚの範囲の超音波振動を発生するものであればよい。超音波振動の振動数が１０ｋＨｚ未満では、コイルばね４に対する打撃力が弱くなり、疲労特性向上に必要な圧縮残留応力を付与できなくなる。また、超音波振動の振動数が６０ｋＨｚを超えると、コイルばね４に対する打撃力が強すぎて、コイルばね４または打撃治具２を破損する恐れがある。
また、打撃治具２に超音波振動を効率良く伝達するためには、打撃治具２の長手方向の他端２ｃは自由端とすることが望ましい。他端２ｃが拘束されると、打撃治具２の振幅幅が大幅に小さくなり、打撃力が低下するので好ましくない。
【００２２】
次に、超音波打撃処理装置１を用いたコイルばね４の超音波打撃処理方法について説明する。
図１に示すように、打撃治具２をコイルばね４のコイル内側４ａに挿入した後、超音波振動子３によって打撃治具２に超音波振動を印加する。打撃治具２に縦振動が印加されると、図２の点線で示すように、打撃治具２はその長手方向に伸縮するが、同時に径方向にも膨張収縮する。すなわち、打撃治具２が長手方向に伸びたときは径方向に収縮し、打撃治具２が長手方向に縮んだときは径方向に膨張する。打撃治具２が径方向に膨張した際に、打撃治具２の外周面２ａがコイルばね４のコイル内周面４ｂを打撃する。コイルばね４が打撃される際には、コイルばね４自体が僅かにコイル外側に膨張するように弾性変形するが、打撃治具２が径方向に収縮するとコイルばね４の形状も元の形状に復帰する。
【００２３】
打撃治具２の直径がコイルばね４の内径にほぼ等しい場合は、打撃治具２の外周面２ａがコイル内周面４ｂに常に接触した状態でコイル内周面４ｂを打撃する。
一方、打撃治具２の直径がコイルばね４の内径よりも僅かに小さい場合は、打撃治具２が径方向に膨張したときに、打撃治具２の外周面２ａがコイル内周面４ｂに接触して打撃する。従って、コイル内周面４ｂを確実に打撃をするには、打撃治具２の直径の微調整が必要になる。打撃治具２に超音波振動を付与して径方向に膨張収縮させた時の直径の寸法変化量は、長手方向への伸縮変化量の３分の１程度になる。例えば、超音波振動によって長手方向に５０μｍ程度の幅で打撃治具２が伸縮する場合には、直径の変化量は１６〜１７μｍ程度になる。この場合の打撃治具２の直径は、コイルばねの内径よりも１６〜１７μｍ程度小さい寸法かそれ以上の大きさにすればよい。
【００２４】
また、打撃処理時間は、コイルばね４を構成する素線４ｃの硬度や超音波振動の振動数にもよるが、0.1秒〜10秒の範囲が好ましい。処理時間が0.1秒未満では十分な圧縮残留応力を付与することができなくなるので好ましくない。また、処理時間が10秒を超えても残留応力付与の効果は頭打ちとなる。
【００２５】
図２に示す例では、打撃治具２が長手方向に沿って均一に膨張収縮する状態であるから、コイルばね４に対する打撃治具２の相対位置を固定したままで、打撃処理を行えばよい。
【００２６】
一方、図３に示す例は、打撃治具２が長手方向に沿って均一に膨張収縮せず、樽状に膨張する状態を示している。すなわち、棒状の打撃治具２に対して縦方向に超音波振動を加えると、長手方向の中心において最も膨張し、長手方向両端２ｂ、２ｃでは膨張の程度が小さくなる。これは、打撃治具２の全長が比較的短い場合に顕著な現象である。なお、樽状とは、円柱の長手方向中央部分の直径が、長手方向両端部分の直径よりも大きくなって、長手方向中央部分が膨張した状態の形状を言う。
こうした現象が生じると、コイルばね４の巻軸方向中央部分が主に打撃され、巻軸長手方向両端部分のコイル内周面４ｂが十分に打撃されず、コイル内周面４の全面を均等に打撃できなくなる。そこで図３の例では、コイルばね４に対して打撃治具２をコイルばね４の巻軸方向に沿って相対移動させながら打撃すると良い。
これにより、コイル内周面４ｂを均等に打撃することができ、コイル内周面４ｂの圧縮残留応力を均一にすることができる。
【００２７】
打撃治具２を相対移動させる手段としては、コイルばね４を静置させた状態で、超音波打撃処理装置１に変位手段を取り付けて、超音波打撃処理装置１をコイルばね４に対して相対移動させればよい。また、超音波打撃処理装置１を静置し、コイルばね４を相対移動させてもよいが、何らかの把持手段によってコイルばね４を把持する必要が生じ、把持した箇所から超音波振動が把持手段に伝わってコイルばね４に対する打撃処理に影響を及ぼす場合があるので、注意を要する。
【００２８】
本実施形態のコイルばねの超音波打撃装置１並びに超音波打撃処理方法によれば、打撃治具２の外周面２ａの超音波振動によってコイル内周面４ｂが繰り返し打撃されるので、コイル内周面４ｂに圧縮残留応力を確実に付与することができる。
また、打撃治具２の挿入時にその外周面２ａがコイル内周面４ｂに接触するか、または外周面２ａがコイル内周面４ｂと隙間をあけて離間するので、外周面２ａによってコイル内周面４ｂを一度に打撃することが可能になり、従来のショットピーニングに比べて処理時間を大幅に低減できる。
【００２９】
また、本実施形態のコイルばねの超音波打撃処理装置１並びに超音波打撃処理方法においては、打撃治具２の全長が比較的短い場合に外周面２ａが目立って樽状に膨張し、コイル内周面４ｂを均一に打撃できない可能性がある。このような場合には、打撃治具２をコイルばね４の巻軸方向に沿って相対的に移動させることで、コイル内周面４ｂを均一に打撃できる。
更に、本実施形態のコイルばねの超音波打撃処理装置１によれば、打撃治具２が円柱状であるため、超音波振動による応力集中が生じにくく、打撃処理中に打撃治具２が割れるおそれがない。
【００３０】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４は、本実施形態の超音波打撃処理装置１１の側面模式図であって、（ａ）は打撃治具１２に超音波振動を印加しない状態を示す図であり、（ｂ）は打撃治具１２に超音波振動を印加した状態を示す図である。なお、図４に示す超音波打撃処理装置１１の構成要素のうち、図１に示す超音波打撃処理装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
図４に示すように、本実施形態の超音波打撃処理装置１１は、棒状の打撃治具１２と、打撃治具１２に超音波振動を付与する超音波振動子３とを具備して構成されている。
図４に示す打撃治具１２は、長手方向両端１２ｂ、１２ｃの直径よりも長手方向中央部分の直径が小さい略円柱状部材である。すなわち、本実施形態の打撃治具１２は、円柱の長手方向中央部分がくびれた形になっている。
【００３２】
この打撃治具１２は、図１の打撃治具２と同様に、コイルばね４のコイル内側４ａに挿入可能であり、挿入時にその外周面１２ａがコイルばね４の素線４ｃのコイル内周面４ｂに部分的に接触するか、または外周面１２ａがコイル内周面４ｂと隙間をあけて離間するように構成されている。具体的には、打撃治具１２の最大直径をコイルばね４の内径とほぼ同じ寸法にするか、または、打撃治具１２の最大直径をコイルばね４の内径よりも僅かに小さな寸法にすればよい。打撃治具１２の外周面１２ａが、コイル内周面４ｂを打撃する打撃面になる。
なお、打撃治具１２の最大直径がコイルばねの内径より大きくなると、打撃治具１２をコイルばねのコイル内側に容易に挿入できなくなる。
【００３３】
また、打撃治具１２の全長は、第１の実施形態と同様に、コイルばね４の全長よりも長ければよい。
更に、打撃治具１２は、第１の実施形態と同様に、降伏点が高く、高硬度であることが好ましい。より具体的には、工具鋼などの高硬度鋼を打撃用治具１２に用いることが好ましい。
【００３４】
次に、図４に示す超音波打撃処理装置１１を用いたコイルばね４の超音波打撃処理方法について説明する。
図４（ｂ）に示すように、打撃治具１２をコイルばね４のコイル内側４ａに挿入した後、超音波振動子３によって打撃治具１２に超音波振動を印加する。打撃治具１２に縦振動が印加されると、図４（ｂ）の点線で示すように、打撃治具１２はその長手方向に伸縮するが、同時に径方向にも膨張収縮する。すなわち、打撃治具１２が長手方向に伸びたときは径方向に収縮し、打撃治具１２が長手方向に縮んだときは径方向に膨張する。このとき、打撃治具１２の長手方向両端１２ｂ、１２ｃの部分は、円柱の上面１２ｄ及び下面１２ｅに拘束されているため、長手方向中央部分に比べて、径方向への膨張率が小さくなる。超音波振動が印加されていない状態での打撃治具１２の形状は、円柱の長手方向中央部分が両端１２ｂ、１２ｃに対してくびれているので、打撃治具１２が径方向に膨張したときの形状がほぼ円柱状になる。これにより、打撃治具１２の外周面１２ａがコイルばね４のコイル内周面４ｂを全面に渡って打撃する。このようにして、コイル内周面４ｂを均等に打撃することが可能になる。
【００３５】
打撃治具１２に超音波振動を付与して径方向に膨張収縮させた時の長手方向中央部分の直径の寸法変化量は、長手方向への伸縮変化量の３分の１程度になる。例えば、超音波振動によって長手方向に５０μｍ程度の幅で打撃治具１２が伸縮する場合には、長手方向中央部分の直径の変化量は１６〜１７μｍ程度になる。従って、打撃治具１２の形状を決める場合には、この直径の変化量を見越して打撃治具１２の寸法を調整すればよい。
【００３６】
また、本実施形態では、打撃治具１２が直径方向に膨張した場合にほぼ円柱形になってコイル内周面４ｂを均等に打撃するので、打撃治具１２をコイルばね４の巻軸方向に沿って相対移動させる必要はなくなる。
【００３７】
本実施形態のコイルばねの超音波打撃処理装置１１並びに超音波打撃処理方法においては、打撃治具１２の形状を長手方向中央部分でくびれた形状にすることで、膨張時の樽状変形が打ち消されてほぼ円柱状になり、これによりコイル内周面４ｂを均等に打撃することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について、図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態の超音波打撃処理装置２２の側面模式図である。なお、図５に示す超音波打撃処理装置の構成要素のうち、図１に示す超音波打撃処理装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
図５に示すように、本実施形態の超音波打撃処理装置２１は、棒状の打撃治具２２と、打撃治具２２に超音波振動を付与する超音波振動子３とを具備して構成されている。
図５に示す打撃治具２２は、全体として円柱状だが、その外周面２２ａには、コイルばね４の素線４ｃに対応する螺旋状の溝部２２ｆが設けられている。打撃治具２２がコイルばね４のコイル内側４ａに挿入された際に、溝部４ｆにコイルばね４の素線４ｃが嵌め合わされるようになっている。溝部２２ｆに素線４ｃが嵌め合わされることで、第１の実施形態のような円筒面状の外周面２ａに素線４ｃが接触する場合に比べて、打撃治具２２と素線４ｃとの接触面積が大きくなる。
【００４０】
溝部２２ｆのピッチは、螺旋状に成形されたコイルばね４の素線４ｃに対応するように調整することが好ましい。また、溝部２２ｆの溝幅及び溝深さを調整することで、打撃治具２２に対する素線４ｃの接触面積を調整可能である。溝部２２ｆの溝幅を素線４ｃの直径と同程度とし、溝部２２ｆの溝深さを素線４ｃの半径と同程度にし、更に打撃治具２２の直径をコイルばね４の内径に合わせて調整することで、素線４ｃの表面のほぼ半分を打撃治具２２に接触させることが可能である。
【００４１】
本実施形態のコイルばねの超音波打撃処理装置２１並びに超音波打撃処理方法によれば、打撃治具２２の外周面２２ａに、素線４ｃに対応する螺旋状の溝部２２ｆが設けられているので、素線４ｃが溝部２２ｆに嵌め合わされて打撃治具２２と素線４ｃとの接触面積が増大し、コイル内周面４ｂの打撃面積をより広くできる。これにより、圧縮残留応力が付与される面積が拡大して、コイルばね４の疲労寿命を更に延ばすことができる。
【００４２】
上記の実施形態では、円筒コイルばねの例について説明したが、本発明の適用範囲は円筒コイルばねに限定されるものではなく、円すいコイルばね、樽状コイルばね、鼓状コイルばね、テーパーコイルばね、不等ピッチコイルばね、円形断面コイルばね、異形断面コイルばね、角ばね、卵形断面コイルばね等に適用可能である。
また、打撃治具の形状もこれらのコイルばねの形状に合わせて、円すい状、樽状、鼓状のものが適用可能である。
更に、打撃治具の外周面に溝を設ける場合は、溝の断面形状を素線の断面形状に対応させるとよい。
【実施例】
【００４３】
以下の実施例により、本発明の効果をより具体的に示す。
【００４４】
（実施例１）
母材硬度ＨVが500〜800に調質されたφ3.6のシリコンクロム鋼のオイルテンパー線を用いて、ばね平均外径25.0ｍｍ、ばね平均内径21.4ｍｍ、ばね高さ58ｍｍ、総巻き数7.5巻き、有効巻き数5.5巻きのコイルばねを成形した。
【００４５】
その後、図１に示す超音波打撃処理装置を用意した。打撃治具は、直径21.4ｍｍ、長さ128.2ｍｍの円柱状の鋼材（新日本製鐵株式会社製  SUJ2を焼入れ焼戻しして720HVとした）とした。なお打撃治具の凡その長さは下記式（２）より求め、得られた長さL（ｍｍ）および（L±1）mm長さの打撃治具を作製し、３種の長さの打撃治具の共振周波数を測定し、線形補間により20ｋＨｚで共振する長さを求め、打撃治具長さ128.2mmを得た。20kHzの共振周波数を選んだ理由は、20kHz時に最大出力が得られる超音波発生装置を用いたためである。
【００４６】
【数２】
0005609594.tif 000003
【００４７】
なお、式（２）において、L：打撃治具の長さ（ｍ）、E：ヤング率（Pa）、ρ：密度（kg/m3）、Ｚ：共振周波数（Ｈｚ）、である。
【００４８】
上記の打撃治具をコイルばねに挿入し、超音波振動の振動数を打撃治具の共振周波数である20ｋＨｚとし、処理時間を5秒とする条件で、コイルばねのコイル内周面を超音波打撃処理して圧縮残留応力を付与した。比較として超音波打撃処理を行わなかったコイルばねも用意した。試験水準を表１に示す。
【００４９】
ここで本発明の効果を明瞭にするために、これらすべてのコイルばねの残留応力分布を測定した。残留応力の測定は、コイルばね１／２L長さ位置から１／２リングを切り出し、コイルの内側部分について行った。なお、残留応力の測定は微小部X線応力測定装置を用いて行ない、ばね鋼の結晶面間隔のシフトから求めた。
【００５０】
このようにして製造したコイルばねについて、ばね形状から計算される剪断応力がτｍ＝７００±５００MPaになるように圧縮荷重を繰り返し負荷して、破断までの繰り返し数により疲労寿命を求めた。これらの結果を表２に示す。
表2に示すように、本発明例では、超音波打撃処理を実施することにより、表層はもとより、深い位置にまで圧縮残留応力が入っており、疲労強度（疲労寿命）も高くなっている。
【００５１】
以上の結果より、本発明の超音波打撃処理したコイルばねは、高寿命を示すものであることがわかる。
【００５２】
【表１】
0005609594.tif 000004
【００５３】
【表２】
0005609594.tif 000005
【００５４】
（実施例２）
実施例１と同様にして、コイルばねを成形した。
【００５５】
その後、図１に示す超音波打撃処理治具を用意した。打撃治具は、直径21.4ｍｍ、長さ42.7ｍｍの円柱状の鋼材（新日本製鐵株式会社製  SUJ2を焼入れ焼戻しして720HVとした）とした。
超音波振動の振動数を60kＨｚとし、打撃治具をコイル端部に21.5ｍｍ挿入し、コイルばねの巻軸方向への移動速度10mm/secで巻軸方向に沿ってコイル内部へ60mm進み、さらに60mm戻るという、打撃治具を１往復移動させる条件でコイルばねのコイル内側内面を超音波打撃処理して圧縮残留応力を付与した。
比較として、超音波打撃処理を行わなかったもの、および打撃治具をコイル巻軸方向中心部に配置し、60kHzの超音波振動を12sec与えた場合の試験を行った。
試験水準を表３に示す。
【００５６】
処理後のコイルばねについて、コイルばね1/6L、2/6L、3/6L、4/6L、5/6L位置から1/2リングを切り出し、コイルの内側部分について残留応力を測定した。結果を表４に示す。
【００５７】
また、処理後のコイルばねについて、ばね形状から計算される剪断応力がτｍ＝７００±５００MPaになるように圧縮荷重を繰り返し負荷して疲労寿命を求めた。これらの結果を表４に示す。なお、表４において、圧縮残留応力は、ばねの全長に沿って１／５〜５／５長の位置において、２００μｍの深さでの残留応力である。
【００５８】
表4に示すように、超音波処理無しは、超音波処理ありに比べると低い圧縮残留応力となり、疲労強度も低い。更に、超音波処理有りで打撃治具の移動の有無を比較すると、移動有りでは、コイル巻軸方向全面に渡ってほぼ均一に圧縮残留応力が入っているのに対し、移動無しではコイル端部近傍1/6L、5/6L位置では十分な圧縮残留応力が付与されておらず、疲労強度も移動有りに比べると低値である。ちなみに、移動無し試験におけるコイルの1/6L、5/6L位置は打撃治具の端部近傍、正確には端部から1.35mm打撃治具内に入った位置に相当し、打撃治具の影響は受けている。
【００５９】
以上の結果から、本発明の超音波打撃処理のコイルばねは、高寿命を示すものであることがわかる。
【００６０】
【表３】
0005609594.tif 000006
【００６１】
【表４】
0005609594.tif 000007
【００６２】
（実施例３）
実施例１と同様にして、コイルばねを成形した。
【００６３】
その後、図５に示す超音波打撃処理治具を２種用意した。１種目の打撃治具Aは、直径22ｍｍ、長さ127.9ｍｍの円柱状の鋼材（新日本製鐵株式会社製  SUJ2を焼入れ焼戻しして720HVとした）とした。螺旋状の溝部は、溝幅2.9ｍｍ、溝深さ0.3ｍｍ、溝ピッチ7.7ｍｍとなるように形成した。コイルの打撃治具へのセッティングは、ネジを嵌め込む要領でコイルを打撃治具の溝に沿わせてセッティングした。
２種目の打撃治具Bは、直径21.4mm、長さ128.0mmの円柱状の鋼材（新日本製鐵株式会社製  SUJ2）とした。螺旋状の溝部は、溝幅0.85ｍｍ、溝深さ0.1ｍｍ、溝ピッチ7.7ｍｍとなるように形成した。コイルの打撃治具へのセッティングは、そのままストレートに挿入し、コイルの線材位置が打撃治具の溝の部分に合うようセッティングした。打撃治具AとBの違いは、コイルと打撃治具の間の隙間の有無である。
いずれの打撃治具の場合も超音波振動の振動数を20kＨｚとし、処理時間を5secとする条件で、コイルばねのコイル内側内面を超音波打撃処理して圧縮残留応力を付与した。
比較として、超音波打撃処理無しの試験片も用意した。試験水準を、表５に示す。
【００６４】
処理後のコイルばねについて、コイルばね１／２L長さ位置から１／２リングを切り出し、コイルの内側部分について残留応力分布を測定した。
【００６５】
また、処理後のコイルばねについて、ばね形状から計算される剪断応力がτｍ＝700±500MPaになるように圧縮荷重を繰り返し負荷して疲労寿命を求めた。これらの結果を表６に示す。
【００６６】
表６に示すように、超音波処理無し材に比べ、超音波処理材は高い圧縮残留応力を示し、疲労寿命も延びていることが判る。打撃治具AとBを比べてみると、Aの方が圧縮残留応力が高く疲労寿命も延びているがその差は小さく、ばねと打撃治具間に隙間が開いていても超音波打撃の効果は発現し、本発明の超音波打撃処理コイルばねは、高寿命を示すものであることがわかる。
【００６７】
【表５】
0005609594.tif 000008
【００６８】
【表６】
0005609594.tif 000009
【符号の説明】
【００６９】
１、１１、２１…コイルばねの超音波打撃処理装置、２、１２、２２…打撃治具、２ａ、１２ａ、２２ａ…外周面、２ｂ、１２ｂ、２２ｂ…一端、２ｃ、１２ｃ、２２ｃ…他端、３…超音波振動子、４…コイルばね、４ａ…コイル内側、４ｂ…コイル内周面、４ｃ…素線、２２ｆ…溝部。
【図１】
0005609594.tif 000010
【図２】
0005609594.tif 000011
【図３】
0005609594.tif 000012
【図４】
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【図５】
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