(57)【要約】 【課題】  容易かつ正確にネジ穴に圧縮残留応力を付与できる装置を提供する。【解決手段】  高圧水を供給するための高圧水供給手段１２と、上記高圧水供給手段１２から供給された高圧水を噴射するためのノズル孔７を備えると共に、上記ネジ穴３と螺合可能なネジ付ノズル５と、上記ネジ付ノズル５が上記ネジ穴３と螺合した状態で、上記ネジ穴３に引張応力を付与する張力付与手段２１と、上記張力付与手段２１により上記ネジ穴３に引張応力を付与した状態で、上記ネジ付ノズル５とネジ穴３とを相対回転させるアクチュエータ３２とを備えたものである。【選択図】        図１
2005125458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためのウォータジェットピーニング装置であって、
高圧水を供給するための高圧水供給手段と、
上記高圧水供給手段から供給された高圧水を噴射するためのノズル孔を備えると共に、上記ネジ穴と螺合可能なネジ付ノズルと、
上記ネジ付ノズルが上記ネジ穴と螺合した状態で、上記ネジ穴に引張応力を付与する張力付与手段と、
上記張力付与手段により上記ネジ穴に引張応力を付与した状態で、上記ネジ付ノズルとネジ穴とを相対回転させるアクチュエータと、
を備えたことを特徴とするウォータジェットピーニング装置。
【請求項２】
上記張力付与手段が、上記ネジ穴に作用する引張応力を検出するための検出手段を備えた請求項１記載のウォータジェットピーニング装置。
【請求項３】
ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためのウォータジェットピーニング方法であって、
先端部から高圧水を噴射するネジ付ノズルを上記ネジ穴に螺合させるステップと、
上記ネジ穴に螺合したネジ付ノズルの先端部から上記ネジ穴の内面に高圧水を噴射するステップと、
上記ネジ穴に引張応力を付与するステップと、
上記ネジ穴に引張応力を付与した状態で、上記ネジ付ノズルと上記ネジ穴とを、それらの螺合が解除する方向に相対回転させるステップと、
を備えたことを特徴とするウォータジェットピーニング方法。
【請求項４】
上記高圧水の噴射が、上記ネジ穴における、上記ネジ付ノズルの先端部との螺合位置から１〜３山の谷部に対して行われる請求項３記載のウォータジェットピーニング方法。
【請求項５】
上記ネジ付ノズルと上記ネジ穴とを相対回転させる間、上記ネジ穴に付与する引張応力が一定となるようにする請求項３又は４記載のウォータジェットピーニング方法。
【請求項６】
上記ネジ穴に付与する引張応力が、実際の使用下において上記ネジ穴に作用する引張応力と等しく設定される請求項３〜５いずれかに記載のウォータジェットピーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータジェットピーニング装置及び方法に係り、特に、ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためのウォータジェットピーニング装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な部材の締結にネジが用いられている。例えば、自動車のエンジンにおいても、シリンダヘッドとシリンダブロックとの固定や、クランク軸を軸支するベアリングの支持体（ボディとキャップ）の固定などにネジ締結が用いられている。
【０００３】
これらネジ締結部にはエンジンの高出力化に伴ってより高い負荷がかかるようになってきており、高強度化が望まれている。
【０００４】
ところが近年では、エンジンの軽量化などの目的から、鉄鋼材料と比べて強度の低いアルミニウム合金製の部材が用いられる傾向にあり、そのような部材に形成されるネジ穴の疲労強度対策が大きな課題となっている。
【０００５】
図３を用いて、ネジ穴の破損メカニズムの一例を説明する。
【０００６】
図３は、クランク軸を軸支するベアリングの支持体を固定するネジ締結部材の部分拡大図であり、図中Ｂはクランク軸（図示せず）の上方に配置されたボディ、ＳはボディＢに形成されたネジ穴（雌ネジ）Ｎと螺合してキャップ（図示せず）をボディＢに対して固定するボルトである。
【０００７】
エンジンの燃焼工程では、ピストンの下降に伴って、クランク軸及びそれを支持するキャップに対して下方へ押し下げる力が作用する。すると、ボルトＳ及びネジ穴Ｎ、特に、ネジ穴Ｎの谷部Ｔに大きな引張応力が発生する。エンジンが駆動している間この引張応力が繰り返し作用するため、ネジ穴Ｎの谷部Ｔに疲労亀裂Ｃが発生する虞がある。
【０００８】
特に、ネジ穴Ｎには、タッピングによる引張残留応力、及びボルトＳの締付による引張応力がもともと存在するため、引張応力による疲労破壊を起こし易い。
【０００９】
そこで、ネジ穴Ｎの内面にショットピーニングを施して圧縮残留応力を付与することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３４６６７７号公報（第２頁、段落０００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、この方法には以下に示す問題があった。
【００１２】
１）ショットピーニング後にネジ穴Ｎ内に残存するショット粒（鋼球など）を除去する必要があるため、工程増加、製造コストの増加につながる。
【００１３】
２）ショット粒によりネジ山が変形してしまう虞がある。
【００１４】
３）ショット粒を、応力集中部位である谷部Ｔに正確に当てるのが困難である。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、容易かつ正確にネジ穴に圧縮残留応力を付与することができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明は、ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためのウォータジェットピーニング装置であって、高圧水を供給するための高圧水供給手段と、上記高圧水供給手段から供給された高圧水を噴射するためのノズル孔を備えると共に、上記ネジ穴と螺合可能なネジ付ノズルと、上記ネジ付ノズルが上記ネジ穴と螺合した状態で、上記ネジ穴に引張応力を付与する張力付与手段と、上記張力付与手段により上記ネジ穴に引張応力を付与した状態で、上記ネジ付ノズルとネジ穴とを相対回転させるアクチュエータと、を備えたものである。
【００１７】
ここで、上記張力付与手段が、上記ネジ穴に作用する引張応力を検出するための検出手段を備えても良い。
【００１８】
更に本発明は、ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためのウォータジェットピーニング方法であって、先端部から高圧水を噴射するネジ付ノズルを上記ネジ穴に螺合させるステップと、上記ネジ穴に螺合したネジ付ノズルの先端部から上記ネジ穴の内面に高圧水を噴射するステップと、上記ネジ穴に引張応力を付与するステップと、上記ネジ穴に引張応力を付与した状態で、上記ネジ付ノズルと上記ネジ穴とを、それらの螺合が解除する方向に相対回転させるステップと、を備えたものである。
【００１９】
ここで、上記高圧水の噴射が、上記ネジ穴における、上記ネジ付ノズルの先端部との螺合位置から１〜３山の谷部に対して行われるようにしても良い。
【００２０】
また、上記ネジ付ノズルと上記ネジ穴とを相対回転させる間、上記ネジ穴に付与する引張応力が一定となるようにすることが好ましい。
【００２１】
また、上記ネジ穴に付与する引張応力を、実際の使用下において上記ネジ穴に作用する引張応力と等しく設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、容易かつ正確にネジ穴に圧縮残留応力を付与することができるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
本発明は、ネジ穴の疲労強度向上を図るために、ネジ穴に圧縮残留応力を付与するためのものであり、その手段としてウォータジェットピーニングを用いている。また、ウォータジェットピーニングをネジ穴に適用するに際して、ネジ穴の応力改善を効果的に行えるように工夫がなされている。
【００２５】
図１は本実施形態のウォータジェットピーニング装置の正面断面図であり、図２はネジ付ノズルの斜視図である。
【００２６】
ウォータジェットピーニング装置１（以下装置と略す）は、応力改善対象部材であるワークＷ（例えば、アルミニウム合金製のシリンダブロック）をテーブル（図示せず）などの固定側に固定するための固定手段２を備えている。固定手段２は、固定側に対して上下動可能、かつ互いの間隔（図１中左右方向間隔）を調節可能に設けられた一対の爪部材からなり、これら爪部材２，２をワークＷの上面に係合させて固定側（下方）に押し付けることでワークＷを適切な位置に固定できるようになっている。
【００２７】
装置１は、ワークＷのネジ穴３に螺合可能なネジ付ノズル５を備える。つまり、ネジ付ノズル５は、その外周部にネジ穴３に螺合可能な雄ネジ６が形成されている。ネジ付ノズル５は中空に形成されており、その内部スペースにネジ付ノズル５の長手方向両端部を連通するノズル孔７が形成される。ノズル孔７は、ネジ付ノズル５の先端部（ネジ穴３に螺合する際の挿入方向前方側端部）において、その断面積が徐々に大きくなるようにテーパ状に形成される。本実施形態では、ノズル孔７はその断面が円形であり、先端部において徐々に拡径される。
【００２８】
また、ネジ付ノズル５の外周部には、ノズル孔７から噴射された高圧水を排出するための排出溝９が形成される。本実施形態では、排出溝９は断面円弧状であり、雄ネジ６の周方向にほぼ等間隔（９０°）を隔てて４個形成される（図２参照）。各排出溝９は雄ネジ６の長手方向全域に亘って形成される。
【００２９】
雄ネジ６の後端（上端）には、雄ネジ６の谷の径とほぼ等しい径を有するロッド８が設けられ、ロッド８の後端には、ロッド８及び雄ネジ６よりも大きな断面を有するフランジ１０が設けられる。本実施形態では、フランジ１０は円盤状であり、その下面に係合溝１１が形成される。係合溝１１は、フランジ１０の径方向外側端部から中心部に向かって所定距離延出し、フランジ１０の周方向に１８０°間隔を隔てて、つまり互いに対向するように２個形成される。
【００３０】
ネジ付ノズル５のフランジ１０の上面には、高圧水供給手段１２が接続できるようになっている。高圧水供給手段１２は、フランジ１０の上面に着脱自在な接続部材１３と、接続部材１３に接続された高圧水配管１５と、高圧水配管１５の他端に接続された高圧水供給源（ポンプ等）１６とを備える。
【００３１】
接続部材１３は本実施形態ではカプラからなり、ネジ付ノズル５のフランジ１０との間をシールするシール部材１７を備える。カプラ１３の中央部には、ネジ付ノズル５のノズル孔７と整合する連通穴１９が形成されており、高圧水配管１５は連通穴１９にロータリジョイント２０を介して接続される。従って、高圧水配管１５とカプラ１３とは互いに相対回転可能である。高圧水供給源１６から配管１５内に高圧水が供給されると、高圧水は連通穴１９及びノズル孔７を通ってネジ付ノズル５の先端（下端）から噴射される。
【００３２】
装置１は更に、ワークＷのネジ穴３と螺合しているネジ付ノズル５を上方に引き上げて、ネジ付ノズル５とネジ穴３とに引張応力を付与する張力付与手段２１を備えている。
【００３３】
張力付与手段２１は、ネジ付ノズル５のフランジ１０と相対回転不可に係合する係合治具２２と、係合治具２２の上部に相対回転可能に設けられたベース２３と、ベース２３を上下動させる駆動手段２５（ここでは油圧シリンダ）とを備えている。
【００３４】
係合治具２２は、たがいの間隔（図１中左右方向間隔）を調節可能な一対のコ字形部材２６，２６を備え、それらコ字形部材２６，２６をフランジ１０の下面に形成された係合溝１１と係合させることで、係合治具２２とネジ付ノズル５とが相対回転不可に係合できるようになっている。
【００３５】
ベース２３は、係合治具２２の上面にベアリング２７を介して接続されており、そのベース２３の上面と反力受け２９との間に油圧シリンダ２５が介設される。
【００３６】
油圧シリンダ２５は、その本体２５ａが反力受け２９に、ロッド２５ｂがベース２３に固定される。油圧シリンダ２５のロッド２５ｂを縮退させることで、ベース２３、係合治具２２及びそれと係合するネジ付ノズル５が上方へと引き上げられ、ネジ付ノズル５とワークＷのネジ穴３とに引張応力を付与することができる。
【００３７】
張力付与手段２１は、ネジ付ノズル５及びネジ穴３に作用する引張応力を検出する検出手段３０（ここではロードセル）を備える。本実施形態では、ロードセル３０は油圧シリンダ２５のロッド２５ｂに設けられ、ロッド２５ｂに生じる歪みからネジ付ノズル５及びネジ穴３に作用する引張応力を検出するようになっている。ただし、ロードセル３０はネジ付ノズル５等に取り付けても良い。
【００３８】
油圧シリンダ２５のロッド２５ｂの伸縮を制御する制御手段３１が設けられ、ロードセル３０の検出値が制御装置３１に入力される。制御装置３１は、ロードセル３０からの検出値に基づいて油圧シリンダ２５のロッド２５ｂの伸縮を制御し、ネジ付ノズル５及びネジ穴３に作用する引張応力を適切に制御する。
【００３９】
装置１は更に、係合治具２２及びそれと係合するネジ付ノズル５を回転駆動するアクチュエータ３２を備えている。
【００４０】
アクチュエータ３２は、係合治具２２の上面に接続された従動歯車３３と、その従動歯車３３を回転駆動する駆動装置３５（ここではモータ）とを備える。
【００４１】
従動歯車３３は、係合治具２２の上面からベース２３の中央に形成された貫通穴３６を通って上方に延出するロッド３７の上端に設けられ、ベース２３よりも上方に配置される。モータ３５はベース２３の上面に固定され、その回転軸に設けられた駆動歯車３９が従動歯車３３と噛合する。モータ３５により従動歯車３３を回転駆動することにより、ロッド３７、係合治具２２及びそれと係合するネジ付ノズル５が回転し、ワークＷ及びそのネジ穴３に対して相対回転する。
【００４２】
高圧水配管１５は、係合治具２２、ロッド３７及び従動歯車３３に形成された穴（図示せず）を通って延出する。
【００４３】
次に、このウォータジェットピーニング装置によるウォータジェットピーニング方法を説明する。
【００４４】
まず、固定部材２，２を用いて、応力改善対象部材であるワークＷを、ネジ穴３を上方に向けた状態でテーブル（図示せず）に固定する。
【００４５】
次に、ワークＷのネジ穴３にネジ付ノズル５を挿入し、螺合させる。この螺合は、スパナやナットランナを用いて行っても良いし、この時点でネジ付ノズル５のフランジ１０に係合治具２２を係合させて、アクチュエータ３２（モータ３５）によりネジ付ノズル５を回転しても良い。ネジ付ノズル５の螺合（挿入）深さは、ワークＷが実際に使用される際にネジ穴３と螺合するボルトの螺合深さと同じになるようにする。
【００４６】
次に、係合治具２２とネジ付ノズル５との係合作業がまだであれば、係合治具２２のコ字形部材２６，２６をネジ付ノズル５のフランジ１０の係合溝１１，１１に係合させて、ネジ付ノズル５と係合治具２２とを相対回転不可に係合させる。これによって、ネジ付ノズル５と、張力付与手段２１及びアクチュエータ３２とが接続される。
【００４７】
次に、油圧シリンダ２５のロッド２５ｂを縮退（上昇）させ、ネジ付ノズル５を上方に引き上げて、ネジ付ノズル５とワークＷのネジ穴３とに引張応力を付与する。このとき、ネジ付ノズル５及びネジ穴３に作用する引張応力をロードセル３０により検出し、その引張応力がワークＷを実際に使用する際に発生する引張応力（タッピングによる引張残留応力＋ボルト締付により発生する引張応力）と同等となるようにする。具体的には、制御装置３１がロードセル３０の検出値に基づいてロッド２５ｂの伸縮量を制御する。
【００４８】
次に、ネジ付ノズル５のフランジ１０の上面にカプラ１３を接続し、ネジ付ノズル５のノズル孔７と高圧水供給手段１２とを接続する。
【００４９】
そして、高圧水供給源１６によりネジ付ノズル５のノズル孔７内に高圧水を供給する。これによって、ネジ付ノズル５の先端部から高圧水が噴射され、ネジ付ノズル５とネジ穴３との隙間に供給される。ノズル孔７の先端部が拡径されているため、噴射された高圧水は径方向外側へと向かい、ネジ穴３の谷部に積極的に流れる。ネジ付ノズル５から高圧水が噴射されると、ネジ付ノズル５とネジ穴３との間でキャビテーション（気泡）が発生し、そのキャビテーションが崩壊する際に生じる衝撃圧によりネジ穴３の内面（特に谷部）に塑性変形が引き起こされ、圧縮残留応力が付与される。噴射された高圧水は、ネジ付ノズル５の外周部に形成された排出溝９とネジ穴３との隙間を通って上方へと排出され、図示しない回収手段により回収される。
【００５０】
ネジ付ノズル５から高圧水を噴射したままの状態、かつネジ付ノズル５及びネジ穴３に引張応力を付与した状態で、アクチュエータ３２（モータ３５）により、ネジ付ノズル５をネジ穴３との螺合が解除する方向、つまり、ネジ付ノズル５を抜き取る方向へ回転させる。ネジ付ノズル５が回転するとネジ付ノズル５が徐々に上方へ移動し、それまで雄ネジ６と螺合していたネジ山（ネジ穴３のネジ山）が下側から順次露出する。従って、連続的に露出するネジ山に対して順次ウォータジェットピーニングが施され、圧縮残留応力が付与される。
【００５１】
ネジ付ノズル５を回転させる間、ネジ付ノズル５及びネジ穴３に作用する引張応力が常に一定となるように、制御装置３１により油圧シリンダ２５を制御する。これにより、常にワークＷの使用時と同等の条件下で圧縮残留応力の付与が行われる。
【００５２】
ネジ穴３の内面に対する圧縮残留応力の付与が所定範囲行われたならば、高圧水の供給を停止すると共に、張力付与手段２１による引張応力の付与を停止して、ネジ付ノズル５をネジ穴３から抜き取る。張力付与手段２１により付与していた引張応力を開放することによって、ネジ穴３の内面により大きな圧縮残留応力が発生する。
【００５３】
本実施形態のウォータジェットピーニング装置及び方法によれば、以下に示すような効果を得ることができる。
【００５４】
１）ショット粒の除去作業を省略できるため、工程および製造コストの低減が図れる。
【００５５】
２）高圧水によるピーニングであるため、ネジ山が変形する虞がない。
【００５６】
３）高圧水によるピーニングであるため、応力集中部位であるネジの谷部に対する応力改善を容易かつ正確に行うことができる。特に、ノズル孔７の先端部が拡径されているため、高圧水が径方向外側に流入し易く、ネジの谷部に効果的に供給できる。
【００５７】
４）ワークＷの実際の使用条件下で圧縮残留応力の付与を行うことができる。従って、ワークＷが実際に製品として使用され、ネジ穴３にボルトが締め付けられたときに、ネジ穴３に圧縮応力を残留させることが可能であり、ネジ穴３の疲労強度向上に非常に有効である。
【００５８】
５）ネジ付ノズル５を回転させつつピーニングを行うので、ネジ穴３のネジの谷部に沿って連続的にピーニングを行うことができ、効率が良い。
【００５９】
ここで本出願人は、ネジ穴とボルトとの締結部では、ネジ穴における、ボルト先端部との螺合位置から１〜３山の谷部に応力が集中することを実験などにより発見した。図３を例に説明すると、ボルトＳの先端部のネジ山ＳＮと螺合するネジ山Ｎ１を第一のネジ山として、そのネジ山Ｎ１に連続する第二のネジ山Ｎ２及び第三のネジ山（図示せず）の谷部Ｔに応力が集中し亀裂が発生し易い。従って、上述したウォータジェットピーニングによる応力改善は、少なくとも、ネジ付ノズル５の先端部との螺合位置から１〜３山の谷部に対して行えば大きな効果を得ることができる。つまり、ネジ付ノズル５をネジ穴３に所定深さ螺合させた後、１〜３山が露出するまでネジ付ノズル５を回転させてウォータジェットピーニングを行えば良い。
【００６０】
本発明は、以上説明した実施形態に限定はされない。
【００６１】
例えば、固定手段２は図１に示したものに限定はされない。例えば、ブラケットとボルト等を用いてワークＷを固定しても良い。
【００６２】
また、張力付与手段２１及びアクチュエータ３２も図１に示したものに限定はされない。例えば、張力付与手段２１は、係合治具２２を下から上方に押し上げるタイプのものでも良いし、ネジ付ノズル５を固定としてワークＷを下方に押し下げるタイプでも良い。また、アクチュエータ３２は、ネジ付ノズル５を固定としてワークＷを回転させるようにしても良い。
【００６３】
また、高圧水供給源１６により予めキャビテーションを含んだ高圧水をネジ付ノズル５に供給するようにしても良い。
【００６４】
また、ウォータジェットピーニング方法についても、各ステップの順番は必ずしも上述したものに限定はされない。例えば、ネジ付ノズル５をワークＷのネジ穴３に螺合した後、張力付与手段２１により引張応力を付与する前に、ネジ付ノズル５と高圧水供給手段１２とを接続しても良い。
【００６５】
また、上記実施形態では、ネジ穴３に圧縮残留応力を付与するとしたが、ネジ穴３に存在する引張残留応力をなくす、又は低減するだけでも疲労強度向上効果は得られるものである。
【００６６】
更に、以上説明したウォータジェットピーニング装置及び方法は、アルミニウム合金製のシリンダブロックに形成されたネジ穴や、クランク軸を軸支するベアリングの支持体（ボディ）に形成されたネジ穴など、あらゆるネジ穴の疲労強度向上に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態に係るウォータジェットピーニング装置の正面断面図である。
【図２】ネジ付ノズルの斜視図である。
【図３】ネジ締結部材の破損メカニズムを説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  ウォータジェットピーニング装置
３  ネジ穴
５  ネジ付ノズル
７  ノズル孔
１２  高圧水供給手段
２１  張力付与手段
３０  検出手段
３２  アクチュエータ
【図１】
2005125458.tif 000003
【図２】
2005125458.tif 000004
【図３】
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