(57)【要約】【課題】工具の表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを十分に図ることができる工具の表面改質方法を提供すること。【解決手段】超硬合金製の粒子から構成される第１ショットＳ１と、鉄系材料製の粒子から構成される第２ショットＳ２とを混合した混合ショットＳｍを工具Ｗの表面に投射するので、第１ショットＳ１の投射により工具Ｗの表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、その第１ショットＳ１の投射により工具Ｗの表面に形成された凹凸の頂部を、第２ショットＳ２の投射により押し潰して平坦化することができる。その結果、工具Ｗの表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを十分に図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具の表面にショットを投射するショットピーニングにより、前記工具の表面を改質する工具の表面改質方法において、
超硬合金製の粒子から構成される第１ショットと、鉄系材料製の粒子から構成される第２ショットとを混合した混合ショットを前記工具の表面に投射することを特徴とする工具の表面改質方法。
【請求項２】
前記混合ショットは、総重量の２ｗｔ％〜３０ｗｔ％が前記第１ショットとされ、残部が前記第２ショットとされることを特徴とする請求項１記載の工具の表面改質方法。
【請求項３】
前記第１ショットは、比重が１３．９〜１５．０の超鋼合金製の粒子から構成され、前記第２ショットは、比重が７．２〜８．３の鉄系材料製の粒子から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のである。
【請求項４】
前記第１ショットを構成する粒子の粒子径および前記第２ショットを構成する粒子の粒子径が、１０μｍ〜１５０μｍに設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項５】
前記第１ショットの粒子径と前記第２ショットの粒子径とが略同一であることを特徴とする請求項４記載の工具の表面改質方法。
【請求項６】
前記工具は、被加工物に転造加工を施すための転造工具であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の転造工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具の表面改質方法に関し、特に、工具の表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを十分に図ることができる工具の表面改質方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品の表面強度を高める方法として、表面にショットピーニングを行って、加工硬化や圧縮残留応力を生じさせる方法が知られている。この場合、加工硬化や圧縮残留応力層の深さを増すためには、比較的大きな粒子径のショットを使用して、衝突のエネルギーを高める必要がある（即ち、加工硬化や圧縮残留応力は塑性変形により形成される凹部の大きさに比例する）。一方で、粒子径が大きなショットの使用は、表面の凹凸を甚だしくするため、処理表面の表面粗さの悪化を招く。
【０００３】
そこで、二段ショットピーニング（比較的大きな粒子径のショットによるショットピーニングを行った後、次いで、比較的小さな粒子径のショットによるショットピーニングを行う）により、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを図る技術も採用されるが、この技術では、２台のブラスト装置を準備するか、１台のブラスト装置を使用する場合にはショットを入れ替える必要があり、いずれにしても、２種類のショットピーニングを２回に分けて行う必要があった。そのため、設備コスト及び作業コストが嵩む。
【０００４】
これに対し、特許文献１，２には、粒子径が異なる２種類のショットを混合し、その混合ショットを１本のノズルから噴射させる技術が開示される。この技術によれば、１台のブラスト装置を使用して１回のショットピーニングを行えば良いので、二段ショットピーニングの場合と比較して、設備コスト及び作業コストの抑制が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７３００１５号
【特許文献２】特許第４２０８２９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１，２の技術のように、粒子径が大小異なる２種類のショットを混合して投射するだけでは、加工硬化や圧縮残留応力の付与と、表面粗さの向上との両立が不十分であるという問題点があった。即ち、大小２種類の粒子径の大きさをそれぞれ調整したとしても、加工硬化や圧縮残留応力の付与を確保すれば、表面粗さの向上が困難となり、表面粗さを確保すれば、加工硬化や圧縮残留応力の十分な付与が困難となる。
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、工具の表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを十分に図ることができる工具の表面改質方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の工具の表面改質方法によれば、超硬合金製の粒子から構成される第１ショットと、鉄系材料製の粒子から構成される第２ショットとを混合した混合ショットを工具の表面に投射するので、第１ショットの投射により工具の表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、その第１ショットの投射により工具の表面に形成された凹凸の頂部を、第２ショットの投射により押し潰して平坦化することができる。その結果、工具の表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを十分に図ることができるという効果がある。
【０００９】
即ち、投射されるショットの運動エネルギーは重量に比例するところ、第１ショットとして使用される超硬合金製の粒子は比重が大きいため（鉄系材料製の粒子の約２倍）、その運動エネルギーを確保することができる。よって、第１ショットの粒子径を比較的小さくしても、より深い位置まで十分な大きさの加工硬化や圧縮残留応力を付与することができる。言い換えれば、加工硬化や圧縮残留応力を十分に付与しつつも、工具の表面に形成される凹凸を小さくすることができる。その結果、第２ショットの投射により工具の表面粗さを確実に向上させることができる。
【００１０】
請求項２記載の工具の表面改質方法によれば、請求項１記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、工具の表面が削られることを抑制して、加工硬化や圧縮残留応力を効率的に付与することができるという効果がある。
【００１１】
即ち、超硬合金製の粒子から構成される第１ショットは、加工硬化や圧縮残留応力を付与した箇所に、次の投射により別の粒子が再度衝突すると、その硬度が高いため、再衝突した箇所の表面を削り取ってしまう。そのため、表面粗さの悪化を招く一方で、加工硬化や圧縮残留応力の増加に結びつき難い。そこで、第１ショットよりも比重が軽く且つ硬度も低い鉄系材料製の第２ショットを混合することで、工具の表面が削り取られることを緩和して、加工硬化や圧縮残留応力を効率的に付与でき、特に、第１ショットの割合を総重量の３０ｗｔ％を上限とし、残部を第２ショットとすることで、上記の削り取られることを確実に緩和して、処理対象となる表面全体に均一に加工硬化や圧縮残留応力を付与することができる。一方で、第１ショットの割合を総重量の２ｗｔ％以上とすることで、加工硬化や圧縮残留応力の付与を十分に行うことができる。
【００１２】
請求項３記載の工具の表面改質方法によれば、請求項１又は２に記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、第１ショットを構成する超硬合金製の粒子の比重を１３．９〜１５．０とし、第２ショットを構成する鉄系材料製の粒子の比重を７．２〜８．３とすることで、第１ショットと第２ショットとの間の比重の差を適正とすることができ、その結果、工具の表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを確実に図ることができるという効果がある。
【００１３】
また、第１ショットおよび第２ショットの比重を請求項３のように設定することで、一般的に市販される粒子を第１ショットおよび第２ショットに適用することができるので、材料の入手を容易とすることができる。
【００１４】
請求項４記載の工具の表面改質方法によれば、請求項１から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、第１ショットを構成する粒子の粒子径および第２ショットを構成する粒子の粒子径が、１０μｍ〜１５０μｍに設定され、比較的小径であるので、加工硬化や圧縮残留応力を付与しつつ、工具の表面に形成される凹凸を小さくして、工具の表面粗さの向上を図ることができるという効果がある。
【００１５】
即ち、このような粒子径が比較的小径のショットの使用は、従来の粒子径が大小異なる２種類の粒子を混合するのみの技術では使用することが不可能であり、本発明のように、比重が異なる２種類の粒子を混合すると共に２種類の粒子を超硬合金製の粒子と鉄系材料製の粒子としたことで、初めて使用可能となったものであり、これにより加工硬化や圧縮残留応力の付与と工具の表面粗さの向上とを同時に達成することができる。
【００１６】
請求項５記載の工具の表面改質方法によれば、請求項４記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、第１ショットの粒子径と第２ショットの粒子径とが略同一であるので、第１ショットの投射により形成された凹凸に対し、第２ショットが適度な粒子径を有することとなるため、凹凸の頂部を押し潰して平坦化することを効率的に行うことができる。その結果、工具の表面粗さをより一層向上させることができるという効果がある。
【００１７】
また、第１ショットと第２ショットとを混合した混合ショットの粒子径が一定となるため、例えば、ホッパからノズルまでのショットの搬送経路において、第１ショットと第２ショットとの混合割合を維持し易くすることができるという効果がある。
【００１８】
請求項６記載の工具の表面改質方法によれば、請求項１から５のいずれかに記載の工具の表面改質方法の奏する効果に加え、工具は、被加工物に転造加工を施すための転造工具であるので、加工硬化や圧縮残留応力の付与による工具の耐久性を向上させつつ、工具の表面粗さの向上により、被加工物に高精度の転造加工を施すことができる転造工具を得ることができるという効果がある。
【００１９】
なお、転造工具は、被加工物の表面を塑性変形させる工具であるため、表面に凹凸を有すると、被加工物が引っ掛かり、塑性変形の抵抗となる。そのため、ショットピーニングによる表面改質の転造工具への適用は、従来のショットピーニングの技術では表面粗さの向上が不十分である（塑性変形の抵抗となる）ため適用が不可能であった。これに対し、本発明のように、比重が異なる２種類の粒子を混合すると共に２種類の粒子を超硬合金製の粒子と鉄系材料製の粒子としたことで、転造工具への適用が初めて可能となったものであり、これにより工具の耐久性の向上と、転造加工精度の向上とを同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施に使用される一実施の形態におけるショットピーニング装置の概要模式図である。
【図２】混合ショットへの第１ショット及び第２ショットの混合割合、並びに、混合ショットの粒子径と、工具の処理表面の硬度との関係を図示する表である。
【図３】本願処理品の加工数と無処理品の加工数とを図示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、ショットピーニング装置１について説明する。図１は、本発明の実施に使用される一実施の形態におけるショットピーニング装置１の概要模式図である。
【００２２】
図１に示すように、ショットピーニング装置１は、２種類のショット（以下、「第１ショットＳ１」及びだ「第２ショットＳ２」と称す）を混合して一本のノズル１７から処理対象物（以下「工具Ｗ」と称す）に投射することで、その工具Ｗの表面改質を行うための直圧式の装置であり、第１ショットＳ１を収容する第１ホッパ１１と、第２ショットＳ２とを収容する第２ホッパ１２とが収容口を上方へ向けて配設される。
【００２３】
なお、本実施の形態では、後述するように、第１ショットＳ１が超硬合金製の粒子から構成され、第２ショットＳ２が鉄系材料製の粒子から構成される。また、工具Ｗは、おねじを転造加工するための転造工具（ねじ転造平ダイス）であり、ダイス鋼から構成される。
【００２４】
第1ホッパ１１及び第２ホッパ１２の取出し口には、配管を介して、それぞれ混合装置１３が接続される。各配管には、開閉弁（図示せず）が配設されており、その開度を調整制御することで、各ホッパ１１，１２に収容された各ショットＳ１，Ｓ２が、所望の比率で混合装置１３へ供給され、混合装置１３によって混合される。
【００２５】
混合装置１３の下流側には加圧タンク１４が、加圧タンク１４の下流側にはミキサ１６が、それぞれ接続される。また、加圧タンク１４及びミキサ１６には、圧縮空気の供給源として構成されるエア供給源１５が接続される。
【００２６】
よって、混合装置１３により混合され加圧タンク内に供給されたショット（以下「混合ショットＳｍ」と称す）は、加圧タンク１４から、圧縮空気と共に、ミキサ１６へ圧送されると共に、ミキサ１６から、圧縮空気と共に、ノズル１７へ圧送される。これにより、ノズル１７から工具Ｗへ混合ショットＳｍが投射される。
【００２７】
次いで、混合ショットＳｍ（第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２）の詳細構成について説明する。なお、この説明においては、図１を適宜参照する。
【００２８】
第１ショットＳ１は、超硬合金製の粒子から構成され、第２ショットＳ２は、鉄系材料製の粒子から構成される。なお、鉄系材料としては、鋳鉄、鋳鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼、或いは、金属ガラス（鉄のアモルファス粒子）などが例示される。
【００２９】
よって、工具Ｗの表面には、超硬合金製の粒子から構成される第１ショットＳ１と、鉄系材料製の粒子から構成される第２ショットＳ２とを混合した混合ショットＳｍが投射されるので、第１ショットＳ１の投射により工具Ｗの表面を塑性変形させて加工硬化や圧縮残留応力を付与すると共に、その第１ショットＳ１の投射により工具Ｗの表面に形成された凹凸の頂部を、第２ショットＳ２の投射により押し潰して平坦化することができる。その結果、工具Ｗの表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを十分に図ることができる。
【００３０】
ここで、ノズル１７から投射される粒子の運動エネルギーはその重量に比例するところ、混合ショットＳｍを構成する一方のショット（第１ショットＳ１）は、超硬合金製の粒子からなり、その比重が大きいため（鉄系材料製の粒子の約２倍）、その運動エネルギーが確保される。よって、第１ショットＳ１の粒子径を比較的小さくしても、より深い位置まで十分な大きさの加工硬化や圧縮残留応力を工具Ｗの表面に付与することができる。言い換えれば、工具Ｗの表面に加工硬化や圧縮残留応力を十分に付与しつつも、工具Ｗの表面に形成される凹凸を小さくすることができる。その結果、第２ショットＳ２の投射により工具Ｗの表面粗さを確実に向上させることができる。
【００３１】
混合ショットＳｍは、総重量の２ｗｔ％〜３０ｗｔ％が第１ショットＳ１とされ、残部が第２ショットＳ２とされることが好ましい。即ち、ショットピーニング装置１は、各ホッパ１１，１２から混合装置１３への各ショットＳ１，Ｓ２の供給量を、上記範囲内での所望の比率となるように制御して、混合装置１３によって混合する。
【００３２】
超硬合金製の粒子から構成される第１ショットＳ１は、その硬度が高い。即ち、超硬合金製の粒子は、ビッカース硬さが１４００ＨＶと、例えば、工具Ｗがダイス鋼からなる場合には、硬度差が２５０ＨＶ以上となる。そのため、粒子の衝突により加工硬化や圧縮残留応力を付与した箇所に、次の投射により別の粒子が再度衝突すると、その再衝突した箇所の表面を削り取ってしまう。その結果、表面粗さの悪化を招く一方で、加工硬化や圧縮残留応力の増加に結びつき難い。
【００３３】
この場合、本発明では、第１ショットＳ１よりも比重が軽く且つ硬度（例えば、７００ＨＶ〜９００ＨＶ）も低い鉄系材料製の第２ショットＳ２を混合することで、工具Ｗの表面が削り取られることを緩和して、加工硬化や圧縮残留応力を効率的に付与できる。特に、第１ショットＳ１の割合を総重量の３０ｗｔ％を上限とし、残部を第２ショットＳ２とすることで、第１ショットＳ１により工具Ｗの表面が削り取られることを確実に緩和して、工具Ｗの処理対象となる表面全体に均一に加工硬化や圧縮残留応力を付与することができる。一方で、第１ショットＳ１の割合を総重量の２ｗｔ％以上とすることで、加工硬化や圧縮残留応力の付与を十分に行うことができる。
【００３４】
第１ショットＳ１は、比重が１３．９〜１５．０の超鋼合金製の粒子から構成され、第２ショットＳ２は、比重が７．２〜８．３の鉄系材料製の粒子から構成されることが好ましい。これにより、第１ショットＳ１と第２ショットＳ２との間の比重の差を適正とすることができ、その結果、工具Ｗの表面に対し、加工硬化や圧縮残留応力の付与と表面粗さの向上とを確実に図ることができる。なお、この比重の範囲は、上述した第１ショットＳ１と第２ショットＳ２との重量割合を満たした上での条件となる。
【００３５】
ここで、第１ショットＳ１の比重が１３．９未満であると、タングステンカーバイトの割合の減少に伴い、硬度が不足して、工具Ｗの表面に加工硬化や圧縮残留応力を十分に付与することが困難となる。一方、第１ショットＳ１の比重が１５．０を超えると、運動エネルギーの増加に伴い、工具Ｗの表面を削り取り過ぎてしまう。また、コバルトの割合の減少に伴い、粒子が割れやすくなり、継続使用が困難となるため、経済性の悪化を招く。
【００３６】
また、第２ショットＳ２の比重が７．２未満であると、硬度が不足して、凹凸の頂部を押し潰して平坦化することが困難となり、表面粗さを十分に向上させることが困難となる。一方、第２ショットＳ２の比重が８．３を超えると、第１ショットＳ１の比重との差が少なくなり、比重を異ならせることによる効果を奏することができなくなる。
【００３７】
なお、第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２の比重をこのように設定することで、一般的に市販される粒子を第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２に適用することができるので、材料の入手を容易とすることができる。
【００３８】
第１ショットＳ１を構成する粒子の粒子径および第２ショットＳ２を構成する粒子の粒子径は、１０μｍ〜１５０μｍに設定されることが好ましい。このように、各ショットＳ１，Ｓ２の粒子径が比較的小径とされることで、加工硬化や圧縮残留応力を付与しつつ、工具Ｗの表面に形成される凹凸を小さくして、工具Ｗの表面粗さの向上を図ることができる。
【００３９】
なお、この粒子径の範囲は、上述した各ショットＳ１，Ｓ２の重量割合、及び（又は）、各ショットＳ１，Ｓ２の比重の範囲を満たした上での条件となる。
【００４０】
ここで、このような粒子径が比較的小径のショットの使用は、従来の粒子径が大小異なる２種類の粒子を混合するのみの技術では使用することが不可能であり、本発明のように、比重が異なる２種類の粒子（各ショットＳ１，Ｓ２）を混合すると共に２種類の粒子を超硬合金製の粒子（第１ショットＳ１）と鉄系材料製の粒子（第２ショットＳ２）としたことで、初めて使用可能となったものであり、これにより加工硬化や圧縮残留応力の付与と工具の表面粗さの向上とを同時に達成することができる。
【００４１】
第１ショットＳ１の粒子径と第２ショットＳ２の粒子径とは、略同一であることが好ましい。これにより、第１ショットＳ１の投射により工具Ｗの表面に形成された凹凸に対し、第２ショットＳ２が適度な粒子径を有することとなるため、その第２ショットＳ２が凹凸の頂部を押し潰して平坦化することを効率的に行うことができる。その結果、工具Ｗの表面粗さをより一層向上させることができる。
【００４２】
また、第１ショットＳ１と第２ショットＳ２とを混合した混合ショットＳｍの粒子径が一定となるため、各ホッパ１１，１２からノズル１７までの各ショットＳ１，Ｓ２の搬送経路において、各ショットＳ１，Ｓ２の混合割合を維持し易くすることができる。即ち、各ショットＳ１，Ｓ２の混合割合を所望の値に維持した混合ショットＳｍをノズル１７から投射させることができる。
【００４３】
なお、この粒子径を略同一とすることは、上述した各ショットＳ１，Ｓ２の重量割合、及び（又は）、各ショットＳ１，Ｓ２の比重の範囲、及び（又は）、各ショットＳ１，Ｓ２の粒子径の範囲を満たした上での条件となる。
【００４４】
また、第１ショットＳ１の粒子径と第２ショットＳ２の粒子径とが略同一であるとは、それら第１ショットＳ１の粒子径の平均値と第２ショットＳ２の粒子径の平均値とが略同一であることを意味する。よって、各ショットＳ１，Ｓ２を構成する粒子がその粒子径にばらつきを有することは当然可能である。また、平均値が略同一とは、第１ショットＳ１の粒子径の平均値に対し、第２ショットＳ２の粒子径の平均値が±１５％の差異を許容する趣旨であり、完全同一を要求する趣旨ではない。
【００４５】
次いで、工具Ｗの詳細構成について説明する。なお、この説明においては、図１を適宜参照する。
【００４６】
工具Ｗは、被加工物に転造加工を施すための転造工具であり、軸状の素材を転造歯型面上で転動させ、素材の外周面を塑性変形させることで、素材におねじを転造加工する転造工具として構成される。本実施の形態では、工具Ｗの転造歯形面の全体（食付き部、仕上げ部および逃げ部）に混合ショットＳｍがノズル１７から投射され、その表面改質が施される。
【００４７】
本発明では、その表面改質の適用対象として、このような転造工具としての工具Ｗを採用することが特に有効となる。
【００４８】
即ち、転造工具は、被加工物の表面を塑性変形させる工具であるため、その表面（転造歯型面の表面）に凹凸を有すると、被加工物が引っ掛かり、塑性変形の抵抗となる。そのため、ショットピーニングによる表面改質の転造工具への適用は、従来のショットピーニングの技術では表面粗さの向上が不十分である（塑性変形の抵抗となる）ため適用が不可能であった。これに対し、本発明のように、比重が異なる２種類の粒子（各ショットＳ１，Ｓ２）を混合すると共に２種類の粒子を超硬合金製の粒子（第１ショットＳ１）と鉄系材料製の粒子（第２ショットＳ２）としたことで、転造工具への適用が初めて可能となったものであり、これにより工具Ｗの耐久性の向上と、転造加工精度の向上とを同時に達成することができる。
【００４９】
次いで、図２を参照して、ショットピーニング装置１を使用して混合ショットＳｍを工具Ｗへ投射して行った工具Ｗの表面改質の試験結果について説明する。図２は、混合ショットＳｍへの第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２の混合割合、並びに、混合ショットＳｍの粒子径と、工具Ｗの処理表面の硬度との関係を図示する表である。
【００５０】
図２に示す表において、左欄の「第１ショット割合（ｗｔ％）」は、混合ショットＳｍに対する第１ショットＳ１の混合割合を質量百分率で表した値である。よって、「第１ショット割合（ｗｔ％）」が例えば１ｗｔ％とは、混合ショットＳｍの総重量に対し、１ｗｔ％が第１ショットＳ１とされ、残部（９９ｗｔ％）が第２ショットＳ２とされることを意味する。
【００５１】
また、図２に示す表において、上欄の「粒子径（μｍ）」は、第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２の粒子径の値である。即ち、本試験では、第１ショットＳ１の粒子径と第２ショットＳ２の粒子径とを略同一に設定した。
【００５２】
なお、本試験では、第1ショットＳ１として、比重１４．５の超硬合金製の粒子を使用し、第２ショットＳ２として、比重７．８の高速度鋼製の粒子を使用した。工具Ｗは、ダイス鋼から構成した。第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２の硬度は、それぞれ１４００ＨＶ及び８００ＨＶであり、工具Ｗの硬度は、７００ＨＶである。また、ショットピーニング装置１のノズル１７からの投射圧力は一定値（０．５ＭＰａ）に固定して試験を行った。
【００５３】
図２に示すように、「第１ショット割合」が１ｗｔ％の場合、「粒子径」１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、８８０ＨＶ、９２０ＨＶ、９００ＨＶ、９５０ＨＶとなり、表面改質前と比較して増加した。「粒子径」の増加に伴って、工具Ｗの処理表面の硬度が増加するのは、投射される粒子の運動エネルギーが増加することに起因する。
【００５４】
この場合、工具Ｗの処理表面の硬度は、表面改質前に比較して、増加するが、その硬度の増加量が不十分であった。工具Ｗの処理表面の硬度を十分に増加させるには、凹凸を平坦化する役割を果たす第２ショットＳ２に対し、加工硬化や圧縮残留応力を付与する役割を果たす第１ショットＳ１の割合を確保する必要があるところ、「第１ショット割合」１ｗｔ％では第１ショットＳ１の割合が不十分であることが判明した。
【００５５】
「第１ショット割合」が１５ｗｔ％の場合、「粒子径」１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、１３２０ＨＶ、１３５０ＨＶ、１３２０ＨＶ、１１５０ＨＶとなり、「第１ショット割合」が２５ｗｔ％の場合、「粒子径」１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、１３１０ＨＶ、１３８０ＨＶ、１４００ＨＶ、１２８０ＨＶとなり、両者共に表面改質前と比較して増加した。
【００５６】
このように、「第１ショット割合」が１５ｗｔ％及び２５ｗｔ％の場合、工具Ｗの処理表面の硬度を十分に増加させられることが確認された。また、この場合、「粒子径」１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍでは、工具Ｗの処理表面の表面粗さが１．０μｍ〜１．３μｍとなり、十分な平滑化の得られることも確認された。加工硬化や圧縮残留応力を付与する役割を果たす第１ショットＳ１と、凹凸を平坦化する役割を果たす第２ショットＳ２との混合割合が適正であると考えられる。
【００５７】
なお、この場合（「第1ショット割合」＝１５ｗｔ％又は２５ｗｔ％）、「粒子径」が２００μｍであると、他の「粒子径」（１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ）の場合と比較して、硬度の増加量が劣ると共に、表面粗さが粗くなる。これは、「粒子径」が大きいため、第１ショットＳ１により工具Ｗの処理表面に形成される凹凸が甚だしくなる一方、「第１ショット割合」が上述した１ｗｔ％の場合と比較して比較的高い（即ち、第２ショットＳ２の混合割合が低い）ため、第１ショットＳ１の投射により形成された凹凸の頂部を、第２ショットＳ２の投射により押し潰して平坦化することを十分に行うことが困難となったことに起因する。
【００５８】
「第１ショット割合」が４０ｗｔ％の場合、「粒子径」１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍに対し、工具Ｗの処理表面の硬度は、９８０ＨＶ、１０００ＨＶ、１１００ＨＶ、９１０ＨＶとなり、表面改質前と比較して増加した。
【００５９】
この場合、「第１ショット割合」が１５ｗｔ％又は２５ｗｔ％の場合と比較して、加工硬化や圧縮残留応力を付与する役割を果たす第１ショットＳ１の混合割合が増加しているにも関わらず、硬度の増加量自体は減少した。これは、第１ショットＳ１の混合割合が高すぎるため、粒子（第１ショットＳ１）の衝突により加工硬化や圧縮残留応力を付与した箇所に、次の投射により別の粒子（第１ショットＳ１）が再度衝突して、その再衝突した箇所の表面が削り取られてしまうことに起因する。即ち、この「第１ショット割合」では、投射を継続しても、硬度を増加させる効果が処理表面に蓄積されず、その効果を最大化することができない。
【００６０】
このように、工具Ｗの表面が削り取られることを緩和して、加工硬化や圧縮残留応力を効率的に付与するためには、第１ショットＳ１よりも比重が軽く且つ硬度も低い第２ショットＳ２を所定以上の割合で混合することが必要であり、「第1ショット割合」が４０ｗｔ％では、第1ショットＳ１の混合割合が多すぎる（即ち、第２ショットＳ２の混合割合が少な過ぎる）ことが判明した。
【００６１】
なお、この場合（「第1ショット割合」＝４０ｗｔ％）、「粒子径」が２００μｍであると、他の「粒子径」（１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ）の場合と比較して、硬度の増加量が劣ると共に、表面粗さが粗くなる。これは、上述した「第1ショット割合」＝１５ｗｔ％又は２５ｗｔ％の場合と同様に、「粒子径」が大きいため、第１ショットＳ１により工具Ｗの処理表面に形成される凹凸が甚だしくなる一方、「第１ショット割合」が高い（即ち、第２ショットＳ２の混合割合が低い）ため、第１ショットＳ１の投射により形成された凹凸の頂部を、第２ショットＳ２の投射により押し潰して平坦化することを十分に行うことが困難となったことに起因する。
【００６２】
ここで、表面粗さは、「第1ショット割合」４０ｗｔ％において、「粒子径」１０μｍ、１００μｍ、１５０μｍの場合の表面粗さは、「粒子径」２００μｍの場合と比較すれば、良好であるが、「第１ショット割合」が１５ｗｔ％又は２５ｗｔ％の場合と比較すると、粗くなる。これは、「第１ショット割合」が高く、上述したように、第１ショットＳ１の投射により、処理表面において、凹凸が形成される形態よりも、削り取られる形態が優勢となるため、表面が荒れ易いことに起因する。
【００６３】
次いで、図３を参照して、表面改質後の工具Ｗを用いて行った転造試験の結果について説明する。この転造試験は、本発明の表面改質が施された工具Ｗ（以下「本願処理品」と称す）により、棒状の素材の外周面におねじを転造加工し、その加工可能数を測定する試験である。
【００６４】
なお、表面改質は、第1ショットＳ１として、比重１４．５の超硬合金製の粒子を使用し、第２ショットＳ２として、比重７．８の高速度鋼製の粒子を使用した。これら両ショットＳ１，Ｓ２の粒子径は、平均５０μｍである。混合ショットＳｍは、総重量の１５ｗｔ％が第１ショットＳ１とされ、残部（８５ｗｔ％）が第２ショットＳ２とされる。
【００６５】
本願処理品は、ねじ転造平ダイスとしてダイス鋼から構成され、その転造歯形面の全面（即ち、食付き部、仕上げ部および逃げ部）に、混合ショットＳｍの投射による表面改質が施される。被転造素材は、ＳＣＭ４４０（３８ＨＲＣ相当）の丸棒であり、その外周面にＭ１０×１．５のおねじが転造される。
【００６６】
第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２の硬度は、それぞれ１４００ＨＶ及び８００ＨＶである。本願処理品は、表面改質前の硬度が７００ＨＶであり、表面改質後の高度が１３４０ＨＶである。また、ショットピーニング装置１のノズル１７からの投射圧力は０．５ＭＰａである。
【００６７】
図３は、本願処理品の加工数と無処理品の加工数とを図示するグラフである。なお、無処理品と本願処理品との相違点は、表面改質の有無のみであり、他の構成は同一であるので、その説明は省略する。
【００６８】
本試験の結果、無処理品の加工可能数が５０００個であったのに対し、本願処理品の加工可能数は、１０４００個であり、本発明の表面改質を施した結果、工具Ｗの寿命が向上し、加工可能数が２．１倍に増加することが確認された。
【００６９】
なお、本願処理品に対し、上記と異なる表面改質を施した試験品（図示せず）を作成し、この試験品による転造試験を行った。具体的には、試験品は、混合割合が異なる混合ショットＳｍ（総重量の３５ｗｔ％が第１ショットＳ１とされ、残部（６５ｗｔ％）が第２ショットＳ２とされる）による表面改質が行われる。この混合割合が異なる点を除き、その他（材質、表面改質方法、被転造素材など）の構成については、試験品と本願処理品とで相違はない。
【００７０】
試験品では、第1ショットＳ１の混合割合が高いため、第1ショットＳ１により処理表面が削り取られており、表面粗さが粗いため、被転造素材の外周面に、所定精度のおねじを転造することができなかった。
【００７１】
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【００７２】
上記実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。特に、下限および上限を指定した数値範囲により特定される値は、その数値範囲内であれば、いずれの値を採用することも可能である。
【００７３】
上記実施の形態では、工具Ｗがダイス鋼から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の材質を採用することは当然可能である。他の材質としては、例えば、高速度工具鋼などが例示される。
【００７４】
上記実施の形態では、工具Ｗが平ダイスタイプ（ねじ転造平ダイス）として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他のタイプを採用することは当然可能である。他のタイプとしては、例えば、プラネタリータイプ（ロータリー式ねじ転造ダイス）や丸ダイスタイプ（ねじ転造丸ダイス）などが例示される。
【００７５】
また、被転造素材の外周面におねじを転造する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の形状を転造することは当然可能である。他の形状としては、例えば、セレーション、スプライン、ウォーム、タッピングねじなどが例示される。これらの場合も、工具Ｗは平ダイスタイプに限定されず、他のタイプを採用しても良い。
【００７６】
また、工具Ｗは、めねじを転造するための転造タップとして構成されても良い。或いは、バニッシュ加工を行うためのバニッシングツールとして構成されても良い。
【００７７】
上記実施の形態では、ショットピーニング装置１として、直圧式で構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、サイホン式や重力式であっても良く、或いは、他のタイプであっても良い。
【００７８】
上記実施の形態では、その説明を省略したが、ショット（粒子）の形状は、球形状であっても良く、或いは、鋭角形状であっても良い。
【００７９】
上記実施の形態では、混合ショットＳｍとして、粒子径が同じ第1ショットＳ１及び第２ショットＳ２を混合する場合を説明したが、粒子径が異なる第1ショットＳ１及び第２ショットＳ２を混合しても良い。なお、この場合、第１ショットＳ１及び第２ショットＳ２の両ショット共に粒子径が１０μｍ〜１５０μｍの範囲内にあることが好ましい。
【符号の説明】
【００８０】
１            ショットピーニング装置
Ｓ１          第１ショット
Ｓ２          第２ショット
Ｓｍ          混合ショット
Ｗ            工具
【図１】
2013022718.tif 000003
【図２】
2013022718.tif 000004
【図３】
2013022718.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具の表面にショットを投射するショットピーニングにより、前記工具の表面を改質する工具の表面改質方法において、
超硬合金製の粒子から構成される第１ショットと、鉄系材料製の粒子から構成される第２ショットとを混合した混合ショットを前記工具の表面に投射することを特徴とする工具の表面改質方法。
【請求項２】
前記混合ショットは、総重量の２ｗｔ％〜３０ｗｔ％が前記第１ショットとされ、残部が前記第２ショットとされることを特徴とする請求項１記載の工具の表面改質方法。
【請求項３】
前記第１ショットは、比重が１３．９〜１５．０の超鋼合金製の粒子から構成され、前記第２ショットは、比重が７．２〜８．３の鉄系材料製の粒子から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具の表面改質方法。
【請求項４】
前記第１ショットを構成する粒子の粒子径および前記第２ショットを構成する粒子の粒子径が、１０μｍ〜１５０μｍに設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の工具の表面改質方法。
【請求項５】
前記第１ショットの粒子径と前記第２ショットの粒子径とが略同一であることを特徴とする請求項４記載の工具の表面改質方法。
【請求項６】
前記工具は、被加工物に転造加工を施すための転造工具であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の工具の表面改質方法。