(57)【要約】【課題】耐久性に優れたベローズ、及びそのための加工処理方法を提供すること。【解決手段】ベローズの内方および外方に突出する突出部の頂部付近に、圧縮残留応力を形成させた。圧縮残留応力を、ベローズの突出部の頂部付近に形成させる方法としては、ベローズの外方に突出した突出部の頂部付近とベローズの内側に突出した突出部の頂部、つまり谷部の裏面側の頂部付近をブラシで擦過させることとした。これにより頂部に圧縮残留応力が発生し、ベローズが軸方向に縮められても、頂部付近に生じる引っ張り応力を抑制し、あるいは発生させなくすることができ、高い耐久性を有するベローズを提供できる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄板からなり、側壁に、周方向に連続した山部と谷部が軸方向に交互に形成された金属ベローズにおいて、
少なくとも前記金属ベローズの内方、および外方に張り出したそれぞれの突出部の頂部付近に、圧縮残留応力を備えていることを特徴とした金属ベローズ。
【請求項２】
前記金属ベローズは、該金属ベローズが有する自由長以下の長さを最大伸長とし、前記自由長より収縮側を作動範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の金属ベローズ。
【請求項３】
前記圧縮残留応力は、前記金属ベローズに荷重を負荷しない状態で４００ＭＰａ以上である請求項１に記載の金属ベローズ。
【請求項４】
金属薄板からなり、側壁に、周方向に連続した山部と谷部が軸方向に交互に形成された金属ベローズにおいて、
前記金属ベローズの内方、および外方に張り出した突出部の頂部付近にブラシを当接させ、少なくとも該金属ベローズが収縮された際に引っ張り力が作用する前記突出部に圧縮残留応力を形成させることを特徴とした金属ベローズの加工処理方法。
【請求項５】
円筒状の金属ワイヤブラシを前記金属ベローズの外方に配置し、前記金属ワイヤブラシを回転させて該金属ベローズの外方突出部の頂部付近を擦過させ、かつ前記金属ベローズの内側に円筒状の金属ワイヤブラシを挿入し、該ワイヤブラシを回転させて、該金属ベローズの内側突出部の頂部付近を擦過させることを特徴とした請求項４に記載の金属ベローズの加工処理方法。
【請求項６】
前記金属ベローズは、金属薄板を突き合わせ溶接した筒体からなり、前記金属ワイヤブラシの擦過により、少なくとも前記金属ベローズの溶接部の表面粗さを所定値以下としたことを特徴とする請求項４または５に記載の金属ベローズの加工処理方法。
【請求項７】
前記表面粗さ（Ｒａ）は、１マイクロｍ以下である請求項６に記載の金属ベローズの加工処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐久性を向上させた金属ベローズ、及び耐久性を向上させるための金属ベローズの加工処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属ベローズとピストンシリンダ機構を組み合わせ、鉄道架線などに所定の張力を付与するためのガススプリングが知られている。例えば特開２００１−２０９８７号公報に記載されているガススプリングは、金属ベローズの内部を高圧ガス室、金属ベローズの外部を油室とし、油室とシリンダ室とを連結させ、ロッドの動きに応じてピストンが作動すると作動油が高圧ガス室を押圧し、ロッドを介して所定の張力が架線に付与されるように構成してある。
【０００３】
このようなガススプリングは、一般にコイルスプリングに比較して初期荷重が高く、またばね定数を低くできる特長を有している点から好ましい。またガススプリングにおいて、ガス・油分離膜に使用される金属ベローズは、ゴムブラダ、フリーピストンに比較して、ガスリークがなく高耐久性を有し、更に高周波応答性が良いことからガス・油分離膜として最適である。
【０００４】
ところが金属ベローズは、軸方向に収縮されると、金属ベローズを形成している金属薄板に引っ張り応力が発生する。すなわち、断面が波状に形成された金属ベローズの外方に突出した突出部分（山部）と、金属ベローズの内側に突出した突出部分（谷部の裏面側）の曲率が、金属ベローズが軸方向に圧縮変形されると、小さくなり、それぞれの頂部の外表面に引っ張り力が加えられる。かかる引っ張り力は、金属薄板の表面にある傷を拡大させる方向に作用し、ひいては金属ベローズの耐久性を低下させてしまうことがある。
【０００５】
コイルばねなどにおいては、ショットピーニングや、ホーニングなどの処理を行い、コイルばねの表面に残留応力を付与することが行われている。また、実開昭５８−７８９６３号公報には、ワイヤブラシを用いてコイルばねの表面に残留応力を形成させた例が記載されている。
【特許文献１】特開２００１−２０９８７号公報
【特許文献２】実開昭５８−７８９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、金属ベローズは、金属の薄板から構成されているため、表面にショットを強く当てることができず、また細い噴射口を用いているため金属ベローズの外表面全体にショットピーニングなどを行い、残留応力を形成させることは手間と時間がかかる作業であった。またショットピーニングなどの処理においては、塵埃が発生するという問題があった。
【０００７】
更にショットピーニングなどでベローズの内面を処理するには、特殊のジグを用いる必要があり、加工に手間がかかっていた。またワイヤブラシでコイルばねに残留応力を形成させることは、コイルばねを構成している線材の外周面全体にワイヤブラシを均等に当接させることが困難であり、実用的ではなかった。また、ワイヤブラシの擦過では、部材の深層部まで処理を浸透させることが困難で、コイルばねのような厚みを有する部材には有効性が乏しい方法であった。
【０００８】
本発明は、耐久性に優れた金属ベローズを提供すること、及び優れた耐久性を有する金属ベローズの加工処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、金属ベローズ、及び金属ベローズの加工処理方法を次のように構成した。
【００１０】
金属ベローズを、金属ベローズの内方および外方に突出する突出部の頂部付近に、圧縮残留応力を備えて構成した。圧縮残留応力は、突出部の頂部付近で、少なくとも、金属ベローズを軸方向に圧縮させると、引っ張り力が生じる箇所に備えることとした。
【００１１】
圧縮残留応力を、金属ベローズの突出部の頂部付近に形成させる加工処理方法としては、金属ベローズの外方に突出した突出部の頂部付近と金属ベローズの内側に突出した突出部の頂部、つまり谷部の裏面側の頂部付近をブラシで擦過させることとした。
【００１２】
ブラシは金属製のワイヤブラシが好ましく、ブラシによる擦過で、金属ベローズに圧縮残留応力が形成されるように擦過する。圧縮残留応力は、金属ベローズの内外双方の突出部の外側面側、つまり金属ベローズの外方に突出した突出部においては外側面であり、金属ベローズの内側に突出した突出部においては内側面に形成する。
【００１３】
圧縮残留応力は、金属ベローズの作動範囲における最大伸長時から最大収縮時まで、作動範囲全域で突出部に引っ張り応力が生じないように形成することが好ましい。尚少なくとも圧縮残留応力は、金属ベローズが収縮して、突出部に引っ張り応力が、圧縮残留応力を越えて生じた場合でも、その引っ張り応力は、金属ベローズの耐久性に支障を生じさせない程度の値となるように小さいものとする。
【００１４】
また、ブラシで金属ベローズを擦過することで、金属ベローズの表面粗さを平滑にし、かつ表面に生じている細かい傷を埋める加工を行うこととする。殊に、溶接部における表面粗さを所定値以下にすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の金属ベローズによれば、金属ベローズの外方に突出した突出部（山部）、及び内方に突出した突出部（谷部の裏面側）に圧縮残留応力を有しているので、金属ベローズが軸方向に圧縮されても、それら突出部の双方の外側面に引っ張り応力を生じさせることがなく、あるいは引っ張り応力が生じても引っ張り応力を相殺させ、その値を小さくできる。
【００１６】
また本発明の加工処理方法によれば、ブラシを用いて金属ベローズの所望の箇所に、圧縮残留応力を容易に形成でき、金属ベローズが軸方向に圧縮変形された場合に、山部の外側面、及び谷部の内側面に引っ張り応力を生じさせず、あるいは小さくできる。
【００１７】
ワイヤブラシを回転させながら金属ベローズに当接させることにより、金属ベローズの突出部にのみ、必要にして十分な圧縮残留応力を容易に形成できる。ワイヤブラシの当接により表面が平滑にでき、亀裂の原因となる微小な傷等を消失させ、これによっても金属ベローズの耐久性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明にかかる金属ベローズ、及び金属ベローズの処理方法の一実施形態について説明する。
【００１９】
金属ベローズとしてのベローズ１０を図１に示す。ベローズ１０は、側壁１１が薄い金属板からなる円筒体で、側壁１１には径方向に拡大した山部１２と、谷部１４が軸方向に交互に形成してある。山部１２と谷部１４は、ベローズ１０の周方向に沿って、全周に形成してあり、側壁１１を軸方向に沿って切断すると、図２に示すように連続した曲線となっている。図２は、図の右方がベローズ１０の外方であり、左方がベローズ１０の内側になる。
【００２０】
ベローズ１０は、例えば板厚が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度のオーステナイト系ステンレス鋼などの薄い金属板を円筒状に丸め、その突合せ部分に溶接を行って円筒状に形成し、その後側壁１１を、上述したように蛇腹状に塑性変形させて形成してある。ベローズ１０は、径方向には基本的に伸張や縮小はせず、内部圧力や外部圧力が変動すると、その圧力変動に応じて軸方向に伸縮する。ベローズ１０を用いたガススプリングの一例を図３に示す。
【００２１】
図３のガススプリング３０には、ベローズ１０と、ピストンシリンダ機構３２が設けてある。ベローズ１０は、下部がガススプリング３０の底板３３に固定してあり、上部が天板３５に固定してあり、内部が高圧室３４に形成されている。天板３５は移動自在に構成されており、天板３５を挟んだ高圧室３４の上部が油室３６となって、ピストンシリンダ機構３２の一方の区画室に通じている。これによりガススプリング３０は、ロッド３８が軸方向に引き上げられると、ピストンシリンダ機構３２から作動油が油室３６に流入し、高圧室３４が軸方向に圧縮され、その反発力でスプリング効果が得られるようになっている。
【００２２】
更にベローズ１０には、山部１２と谷部１４の頂部１３、１５（図２に図示。）近傍に、圧縮残留応力が付与してある。圧縮残留応力が付与してある範囲は、頂部１３におけるＡ部であり、頂部１５におけるＢ部であり、少なくともベローズ１０が軸方向に縮められたときに引っ張り力を受ける範囲（頂部１３及び１５の外側面で伸び変形する部分である。）とほぼ一致している。尚、かかるＡ部、及びＢ部の範囲は、ベローズ１０の軸方向の収縮作動範囲、頂部１３等の曲率、ベローズ１０の材質、厚みなどに応じて適宜選択される。
【００２３】
また、頂部１３及び１５に付与する圧縮残留応力の大きさは、ベローズ１０が軸方向に最大に収縮されたときにおいても、頂部１３及び１５に引っ張り応力が生じないだけの値となっている。例えば、４００ＭＰａ以上である。尚、頂部１３及び１５に引っ張り応力が生じても、引っ張り応力が相殺され、その値が許容できる範囲内となるのであれば、頂部１３及び１５に付与する圧縮残留応力の大きさを適宜小さい値としてもよい。
【００２４】
このように、頂部１３及び１５に圧縮残留応力を付与したので、ベローズ１０が軸方向に収縮され、頂部１３及び１５の曲率半径が小さくなってそれらの外表面に引っ張り力が作用しても、圧縮残留応力を超えない範囲においては、頂部１３及び１５に引っ張り応力が発生しない。したがってベローズ１０は、軸方向に圧縮されても、山部１２と、谷部１４（裏面側）の表面に常に圧縮応力が作用しており、Ａ部やＢ部など伸び変形が生じる箇所の表面に細かい傷がある場合でも、その傷が拡大することはなく、高い耐久性を実現できる。
【００２５】
次に、ベローズ１０の山部１２と谷部１４の頂部１３、１５に、圧縮残留応力を付与するベローズの加工処理方法の一実施形態について説明する。
【００２６】
ベローズ１０は、上述したように通常通り、金属薄板から形成する。本発明にかかる加工処理を施す前のベローズ１０は、塑性変形されたことによって生じる応力が内部に残留している状態でも、その後に熱処理等を受け、自由長の状態では内部応力が解消されている状態であってもよいものとする。
【００２７】
まず図４に示すようにベローズ１０を、取付台２０に取り付け、取付台２０に対向して設けられた円筒状のブラシ２２を回転させながらベローズ１０の頂部１３を擦過させるとともに取付台２０を回転させて、ブラシ２２による擦過位置を周方向に移動させる。ブラシ２２は、図７に示すような金属製のワイヤを放射状に植え付けた、いわゆるワイヤブラシである。尚、ブラシは、かかる金属製ワイヤブラシに限るものではない。
【００２８】
ブラシ２２はベローズ１０に対して、少なくともベローズ１０が軸方向に収縮した際に伸びが生じる範囲、つまり上記Ａ部に擦過を行う。そして、ブラシ２２での擦過により、頂部１３の表面が押圧され、ベローズ１０の表面に生じている細かい傷を埋めるとともに、溶接痕などの凹凸が平滑に処理され、かつ頂部１３の表面に圧縮残留応力が所定量形成される。
【００２９】
また図５に示すように、ベローズ１０を取付台２３に取り付け、ベローズ１０の内側にブラシ２４を挿入して回転させる。ブラシ２４は、ベローズ１０の内方に突出した頂部１５、つまり谷部１４の裏面側に当接させた状態で回転させ、頂部１５のＢ部表面を擦過する。ブラシ２４は、ブラシ２２と同様金属製のワイヤブラシが好ましく、その外径は、頂部１５の内径より若干大きい値とする。尚、ブラシ２４を偏心回転させれば、外径が頂部１５の内径より小さくともよい。またブラシ２４は、ブラシ２２と同様、少なくともベローズ１０を軸方向に収縮させた際に伸びが生じる範囲、つまりＢ部を擦過し、表面に生じている細かい傷を埋めるとともに溶接部を平滑にし、かつ頂部１５の表面に圧縮残留応力を所定量形成させる。
【００３０】
ブラシ２２及びブラシ２４で頂部１３及び１５に発生させる圧縮残留応力の値等は、第一の実施形態で述べたベローズ１０における考えと同様とする。このような加工処理方法によれば、金属薄板からなるベローズ１０の頂部１３、および１５の表面に圧縮残留応力が適確に付与され、しかも傷を埋めるとともに表面が平滑に形成され、耐久性の高いベローズ１０に加工処理することができる。
【００３１】
しかも圧縮残留応力は、ベローズ１０が軸方向に収縮した際に引っ張り力が生じる範囲、すなわちＡ部及びＢ部に対応して、必要にして十分な量を付与することができ、加工処理を効率よく行わせることができる。
【００３２】
また、圧縮残留応力を付与する加工処理は、ベローズ１０を自由長に置いた状態で行ってもよいが、予めベローズ１０を軸方向に所定量収縮させた状態で加工処理を行わせてもよい。このように、予めベローズ１０を軸方向に収縮させた状態で加工処理を行わせると、収縮させたことにより頂部１３及び１５に予め引っ張り応力が発生し、その上でブラシ２２等を当接することとなり、効率よく圧縮残留応力を形成させることができる。あるいは、ベローズ１０を軸方向に最大収縮量まで収縮させた状態で圧縮残留応力付与の加工処理を行い、かかる状態で頂部１３及び１５に生じている引っ張り応力を解消させると、ベローズ１０は、自身の圧縮作動範囲内の作動領域では、頂部１３及び１５に引っ張り応力が発生しないこととなる。
【００３３】
更に図６は、ベローズ１０の両端にフランジ４０、４２をそれぞれ取り付け、ベローズアッセンブリとして加工処理を行っている状態を示す。このようにフランジ４０、４２を両端に取り付けた状態で加工処理すると、ベローズ１０を取付台２０に取り付け易く、保持が容易となり、加工作業が簡易となる。尚、フランジ４０等を取り付けた状態での加工処理は、ベローズ１０の内方を加工処理する際にも、上述したと同様にして応用することができる。
【００３４】
次に、本加工処理方法にかかる実験結果について説明する。
【００３５】
実験は、外径が２５ｍｍ、内径が１８ｍｍ、厚みが０．１４ｍｍ、山数が１６山、自由長が２６．２ｍｍのベローズ（１０）を用いて行った。また外方擦過用のブラシは、径が１００ｍｍ、内方擦過用のブラシは径が１８．１ｍｍとした。かかるベローズ及びブラシは、特にことわりがない限り、以下に述べる各試験において共通である。カッコ内に示した数字は、上記実施形態に付した数字である。
【００３６】
図８は、上記ベローズの外方を、回転数２００ｒｐｍ（ブラシの先端周速１０４２ｍｍ／秒）で回転させた外方擦過用のブラシ（２２）で、切り込み量（ブラシ外表面がベローズ外表面に接した状態からベローズ側に移動した移動量）を２ｍｍとし、またベローズを一周６秒で回転させながら擦過させ、また上記ベローズの内方を、回転数１０００ｒｐｍ（ブラシの先端周速９４２ｍｍ／秒）で回転させた内方擦過用のブラシ（２４）で、ベローズを一周６秒で回転させながら擦過させたときの頂部（１３）及び（１５）に形成された圧縮残留応力の値と、擦過した時間との関係を表すグラフである。
【００３７】
これによれば、６秒以上擦過することにより、ほぼ一定の、そして十分な圧縮残留応力、つまりほぼ−４００ＭＰａ（圧縮側をマイナスとする。）以下の圧縮残留応力が形成されることがわかる。これは、ショットピーニングやホーニング処理に比べて、非常に短時間の処理となっている。また、加工処理に伴い塵埃などがほとんど発生することがない。
【００３８】
図９には、ベローズの板厚方向の圧縮残留応力の計測値を示す。図９の横軸は、表面からの深さであり、縦軸は、圧縮残留応力である。上記板厚が、０．１４ｍｍ程度、正確には、板厚が約３５０マイクロｍ以下のベローズにおいては、−３００ＭＰａ以下の圧縮残留応力が、表面からの深さで５〜１０マイクロｍ必要とされている。図９に示す結果から、本加工処理方法は、かかる要件を十分に満たしていることがわかる。これは、懸架用のコイルスプリングやバルブ用スプリングに必要される深さの１０分の１程度であり、本加工処理方法は、薄板材、例えば板厚が３５０マイクロｍ以下について有効な加工処理方法であることがわかる。
【００３９】
図１０は、ベローズの外周面における、溶接部（痕）の部分とそれ以外の部分での表面粗さの変化を示す。横軸は、擦過時間であり、縦軸は、表面粗さＲａを示す。この結果から、擦過時間が１２秒を越えると、溶接痕の部分も表面粗さが著しく改善され、それにより折損起点となりうる傷（クラック）が除去され、また面粗度改善による応力集中が緩和され、これにより耐久性が向上することが推定される。
【００４０】
図１１には、耐久試験の結果を示す。試験は、擦過を行っていないベローズと、内方及び外方にそれぞれブラシで１２秒間擦過を行ったベローズを、それぞれ最大伸び時の高さが２４．７０ｍｍ、最大縮み時の高さが１８．２５ｍｍとした伸縮動作を行わせたときの破壊までの伸縮回数を示す結果である。
【００４１】
図１１中丸で示すのが、擦過を行っていないベローズの破壊までの伸縮回数であり、四角で示したものが本加工処理を行ったベローズの結果である。擦過を行っていないベローズは、図に示す回数で破壊したが、本加工処理を行ったベローズは、四角で示した回数においても破壊は生じることがなく、かかる回数で試験を打ち切ったことを示す。このように、本加工処理を行ったベローズは、加工処理を行わないベローズに比較して非常に耐久性が向上していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明にかかるベローズの一実施形態を示す斜視図。
【図２】図１のベローズを示す部分断面図。
【図３】ベローズを用いたガススプリングを示す断面図。
【図４】本発明にかかる加工処理方法の一実施形態を示す部分断面図。
【図５】本発明にかかる加工処理方法の一実施形態を示す部分断面図。
【図６】本発明にかかる加工処理方法の他の実施形態を示す部分断面図。
【図７】ワイヤブラシを示す斜視図。
【図８】擦過時間と圧縮残留応力の関係を示すグラフ。
【図９】板厚方向の深さと圧縮残留応力の関係を示すグラフ。
【図１０】擦過時間と表面粗さの関係を示すグラフ。
【図１１】耐久試験を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４３】
１０…ベローズ
１２…山部
１３…頂部
１４…谷部
１５…頂部
２０、２３…取付台
２２、２４…ブラシ
３０…ガススプリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008267513.tif 000010
【図９】
2008267513.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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