(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビッカース硬さＨＶ５５０以上の硬さを有するばね鋼を加熱手段で加熱し、加熱手段から取り出したばね鋼に、１５０〜３５０℃の温間温度域で７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力を加えつつインペラを回転させてショットを投射することによりショットピーニングを施すことを特徴とする自動車のサスペンション用ばねの製造方法。
【請求項２】
前記ショットピーニングの後に、同ショットピーニングで用いたショットの平均径よりも小さい平均径のショットを用いて１５０〜３５０℃の温間温度域で応力を加えつつさらにショットピーニングを施すことを特徴とする請求項１に記載の自動車のサスペンション用ばねの製造方法。
【請求項３】
前記温間温度域での応力を加えたショットピーニングの前に、少なくとも前記ばね鋼に応力を与えるための治具が上記ばね鋼に接触する部分に、１５０〜３５０℃での予備温間ショットピーニングを施すことを特徴とする請求項１または２に記載の自動車のサスペンション用ばねの製造方法。
【請求項４】
ビッカース硬さＨＶ５５０以上の硬さを有するばね鋼に、１５０℃〜３５０℃の温間温度域で７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力を加えつつショットピーニングを施すことにより、７５±４５ｋｇｆ／ｍｍ２の試験応力で１００万回以上の耐久回数を有することを特徴とする自動車のサスペンション用ばね。
【請求項５】
前記ショットピーニングの後に、同ショットピーニングで用いたショットの平均径よりも小さい平均径のショットを用いて１５０〜３５０℃の温間温度域で７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力を加えつつ第２のショットピーニングを施したことを特徴とする請求項４に記載の自動車のサスペンション用ばね。
【請求項６】
前記温間温度域での応力を加えたショットピーニングの前に、少なくとも前記ばね鋼に応力を与えるための治具が上記ばね鋼に接触する部分に、１５０〜３５０℃での予備温間ショットピーニングを施したことを特徴とする請求項４または５に記載の自動車のサスペンション用ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のサスペンション用ばねおよびその製造方法に係り、特に、耐久性を飛躍的に向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のサスペンション用ばねでは、省エネルギーの観点から使用応力（設計応力）が益々高くなって来ている。このため、そのようなばねには、より優れた低温クリープ特性（耐へたり性）と、より高い耐久性が求められる。ばねは、通常はばね用鋼を成形後に焼入れ焼戻しの熱処理を施して製造されるため、近年においては、焼戻し温度を低くしてばねの硬さを高め、これによって、低温クリープ特性を向上させる傾向が見られる。また、そのようにしてばねの硬さを高めることにより、一般に耐久性も向上することが知られている。
【０００３】
しかしながら、材料の硬さが増加するとその切欠感受性も高くなるため、耐久性のばらつきが増加してばねの信頼性が低下するという問題がある。また、材料が硬いとショットピーニングのショットが材料の硬さに負けてしまう。このことはショットによる加工が困難となり、疲労強度向上に最も効果のある圧縮残留応力層が充分に形成されなくなることを意味し、疲労強度が向上しないという本質的な問題を生じる。この場合、ショットピーニングを容易にするために、ショットの硬さを硬くすることも考えられるが、そのようにするとショットが割れ易くなって製造コストが割高になる。このような事情により、耐久性を向上させるための処理であるショットピーニング技術に対しては多くの研究がなされてきた。
【０００４】
耐久性をさらに向上させるショットピーニング技術としては、特許文献１に提案されているように、温間温度領域で行う温間ショットピーニングが知られている。また、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に開示されているように、ばね鋼に応力を与えながらショットピーニングを行うストレスピーニングも知られている。さらに、ばね鋼に対してショットピーニングを行った後に、より小径のショットを用いてショットピーニングを行うダブルピーニングも知られている。このダブルピーニングは、１回のショットピーニングではばね鋼の最表面部の残留応力が上がらないことから、この部分に小径のショットで塑性変形を与える２回目のショットピーニングを行うことで残留応力を増加させる技術である。
【０００５】
【特許文献１】
特許第７２５６３０号
【特許文献２】
米国特許第９５９，８０１号
【特許文献３】
米国特許第３，０９４，７６８号
【特許文献４】
特開平５−１４８５３７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、上記のような種々のショットピーニング技術においても、近年のばねの軽量化による使用応力の増加に対応するには充分とは言えなかった。
【０００７】
したがって、本発明は、高い使用応力でも耐久性を飛躍的に向上させることができる高強度ばねおよびその製造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】
【０００８】
本出願人は先に、特開平５−１４０６４３号においてばね鋼の硬さと温間ショットピーニングの温度を規定した温間ショットピーニング法を提案した。本発明者等は、その温間ショットピーニング法にストレスピーニングを組み合わせて種々の検討を行ったところ、ばねの耐久性が飛躍的に向上することを見い出した。
【０００９】
本発明の高強度ばねの製造方法は上記知見に基づいてなされたもので、ビッカース硬さＨＶ５５０以上の硬さを有するばね鋼を加熱手段で加熱し、加熱手段から取り出したばね鋼に、１５０〜３５０℃の温間温度域で７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力を加えつつインペラを回転させてショットを投射することによりショットピーニングを施すことを特徴としている。以下、本発明の作用とともに上記数値限定の根拠を説明する。なお、以下の説明では、本発明のショットピーニングを温間ストレスピーニングと称することもある。
【００１０】
ばね鋼硬さ：ＨＶ５５０以上
第１図は、温間ショットピーニングを施したコイルばねと室温でショットピーニングを施したコイルばねに疲労試験を行ったときの、コイルばねの硬さと破断繰り返し数との関係を示すものである。この場合の温間ショットピーニングでは、コイルばねを３００℃で２０分加熱した後、直ちにショットピーニングを行った。第１図から判るように、温間ショットピーニングを施したコイルばねでは、コイルばねの硬さが増加するにつれて耐久性も向上し、硬さがＨＶ５５０以上のときに耐久性の向上が顕著となる。
【００１１】
このように、ばね鋼の硬さをＨＶ５５０以上とすることにより、温間ショットピーニングによる耐久性向上の効果が充分に発揮される。よって、ばね鋼の硬さはＨＶ５５０以上とした。また、耐久性は、ばね鋼の硬さがＨＶ６００以上のときに大幅に増加していることから、ばね鋼の硬さはＨＶ６００以上であることが望ましい。
【００１２】
温間ストレスピーニング温度：１５０〜３５０℃
第２図は、硬さがＨＶ６００で一定のコイルばねを用い、ショットピーニング時のコイルばねの温度と破断繰り返し数との関係を示すものである。第２図から判るように、ショットピーニング時の温度が２００〜３５０℃の全ての温度範囲では、室温でショットピーニングした場合よりも耐久性が優れている。この効果は、２００℃よりもやや低い１５０℃でも同等と推測されるので、温間ストレスピーニングの温度は１５０〜３５０℃とした。なお、最も耐久性の良い温度範囲は２５０〜３２５℃であるので、この温度範囲が望ましい。また、３５０℃で耐久性がやや低下しているのは、第２図に併記したように、３５０℃ではショットピーニングによる加工度が大きく表面粗さが大きくなり、その結果、切欠感受性が増加したためである。また、３５０℃では圧縮残留応力の解放が顕著になることも耐久性の低下の一因となっている。
【００１３】
本発明は、１５０℃〜３００℃の温間温度域でばねに７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力を与えつつストレスピーニングを施すことが特徴である。室温で応力を加えつつショットピーニングを行う従来のストレスピーニングでは、応力がショットによる塑性流動を助ける結果、深くて大きな圧縮残留応力を形成するとされているが、本発明で対象とする高強度ばねにおいては、ばねの硬さがショット硬さと同等もしくはそれより硬いことから、応力のみではショットピーニング時にばねに充分な塑性流動を与えることができず、充分な疲労強度の向上が得られない。そこで本発明では、ばねに温間温度で応力を与えつつ、ショットピーニングを施すものとした。その結果、本発明者は、温間ショットピーニングや室温でのストレスピーニングと比較して驚異的な耐久性の向上が得られることを見出した。
【００１４】
すなわち、本発明の高強度ばねは、ビッカース硬さＨＶ５５０以上の硬さを有するばね鋼を材料とし、このばね鋼に、１５０〜３５０℃に保温した状態で７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力を与えつつ温間ストレスピーニングを施すことで、深くて大きな圧縮残留応力層を形成したものである。これにより、高応力での使用状態での耐久性が飛躍的に向上する。以下、本発明の好適な実施の形態について詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
温間ストレスピーニングの応力条件
温間ストレスピーニングを行う際にコイルばねに与える応力は、７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上必要である。この応力下で温間ストレスピーニングを行うことにより、コイルばねの耐久性が飛躍的かつ確実に向上される。
【００１６】
すなわち、コイルばねに付与する応力を４５，５５，７５ｋｇｆ／ｍｍ２の３種類のいずれかに設定してストレスピーニングを行い、その後、６５±４５ｋｇｆ／ｍｍ２の応力条件で耐久試験を行った。その結果を第６図に示す。なお、第６図ではプロットを上下方向に離間させて示した。第６図に示すように、応力が７５ｋｇｆ／ｍｍ２の場合には、全て１００万回で未折損であったが、応力が６０ｋｇｆ／ｍｍ２以下では１０万回〜６０万回での折損が生じた。以上の結果から、温間ストレスピーニングでコイルばねに付与する応力は、７５ｋｇｆ／ｍｍ２以上必要であることが判る。
【００１７】
温間ストレスダブルピーニング
本発明では、温間ストレスダブルピーニングを行うことができる。すなわち、温間ストレスピーニングの後に、そのショットピーニングで用いたショットの平均径よりも小さい平均径のショットを用いて１５０〜３５０℃の温間温度域で応力を加えつつさらにショットピーニングを施すことができる。これにより、ばね鋼の最表面部に小径のショットで塑性変形を与えることができ、その部分の圧縮残留応力を高めて耐久性をさらに向上させることができる。
【００１８】
予備温間ショットピーニング
また、コイルばねにストレスピーニングを行う場合には、コイルばねの両端面を治具で挟み込んで圧縮するのが一般的である。したがって、コイルばねの端面は治具で隠蔽されるため、ストレスピーニングの作用が及ばない。本発明者の検討によれば、コイルばねの端面から立ち上がる部分には大きな応力が作用するとともに、使用中に端面とその支持部材との間に雨水等が侵入して腐食し易くなることが判明している。
【００１９】
したがって、コイルばねの端面へのショットピーニングは、耐久性を向上させるためには極めて重要である。このことから、少なくともばね鋼に応力を与えるための治具がばね鋼に接触する部分に、１５０〜３５０℃での予備温間ショットピーニングを施すことが望ましい。具体的には、回転方向が互いに異なる２個のインペラ（羽根車）をラインの上方に直列に連設し、コイルばねをラインに沿って軸線方向へ搬送しつつショットピーニングを行うようにすれば良い。
【００２０】
第３図は本発明を実施するためのショットピーニング装置の一例を示す図である。図において符号１はベルトコンベアであり、プーリ２にベルト３を巻回して概略構成されている。ベルト３の上面に沿って２本の互いに平行なガイドシャフト４，４が配置され、ベルト３の表面には、ガイドシャフト４，４の間から上方へ突出するピン５が固定されている。また、ガイドシャフト４，４は同一方向へ回転可能とされ、これにより、ガイドシャフト４，４上のコイルばねＳを回転させるとともに、ピン５がコイルばねＳと係合して水平方向へ搬送する。このようなベルトコンベア１の上方には、互いに逆方向へ回転する２つのインペラ（羽根車）６，６が配置され、コイルばねＳの端面および側面にショットを投射するようになっている。
【００２１】
以上は予備温間ショットピーニングを行うためのショットピーニング装置であるが、このショットピーニング装置は温間ストレスピーニングにも用いることができる。この場合、コイルばねＳを１つのショットピーニング装置に２回通して予備温間ショットピーニングと温間ストレスピーニングとを行うことができ、あるいは、ショットピーニング装置を２つ連設し、それぞれで予備温間ショットピーニングと温間ストレスピーニングとを行うこともできる。
【００２２】
また、コイルばねＳの加熱は、焼戻しや焼鈍の加熱を利用しても良く、また、専用の加熱炉をショットピーニング装置の上流側に設けても良い。あるいは、２つのショットピーニング装置の中間に加熱炉を設けることもできる。
【００２３】
温間ストレスピーニングには、第４図（Ｂ）に示すような治具１０を用いることができる。同図（Ｂ）において符号１１は円板であり、円板１１の中央部には軸１２が固定されている。軸１２の先端部には円板１３が軸線方向へ移動自在に嵌合させられ、円板１３は、軸１２の先端部に螺合させられたナット１４により図中右側へ締め付けられる。これにより、同図（Ａ）に示すフリーな状態のコイルばねＳは、寸法Ｌ圧縮されて所定の応力が付与された状態となる。そして、治具１０に装着されたコイルばねＳは、第３図に示すようなショットピーニング装置に通され、温間ストレスピーニングが施される。
【実施例】
【００２４】
本発明例１：温間ストレスピーニング
材質がＳＵＰ７で直径１２．５ｍｍの線材から表１に示す諸元を有するコイルばねを製造し、焼入れ焼戻しを経て硬さＨＶ６７７〜５６９に調質した。このコイルばねを炉内温度３１５℃の加熱炉で２０分間保持した後、第３図に示すショットピーニング装置に通してコイルばねの端面にショットを投射する予備温間ショットピーニングを行った。なお、用いたばね鋼の化学成分は、重量％でＣ：０．５９％、Ｍｎ：０．８５％、Ｓｉ：２．０５％、Ｃｒ：０．１５％、Ｆｅ：残部である。
【００２５】
【表１】
0004042953.tif 000002
【００２６】
次いで、コイルばねを第４図（Ｂ）に示す治具に装着し、圧縮して７５ｋｇｆ／ｍｍ２の応力を与え、この状態で上記と同様に３１５℃に保温した後、上記ショットピーニング装置に通して温間ストレスピーニングを行った。なお、予備温間ショットピーニングと温間ストレスピーニングでは、ショットとして直径０．８７ｍｍのカットワイヤを使用した。
【００２７】
本発明例２：温間ストレスダブルピーニング
本発明例１と同じコイルばねを用いて同じ条件で予備温間ショットピーニングを行った。次いで、本発明例１と同じ条件で１回目の温間ストレスピーニングを行った後、ショットとして直径０．６７ｍｍのカットワイヤを用いた以外は１回目と同じ条件で２回目の温間ストレスピーニングを行った。
【００２８】
比較例１：冷間ダブルピーニング
比較例１では、上記本発明例における予備温間ショットピーニングおよび温間ストレスピーニングに代えて、室温でのショットピーニングを２回行った。また、２回目のショットピーニングでは、直径０．６７ｍｍのカットワイヤからなるショットを用いた。それ以外は上記本発明例と同じ条件で比較例１のコイルばねを得た。
【００２９】
比較例２：温間ダブルピーニング
上記本発明例における温間ストレスピーニングをストレス無しで行った。また、２回目のショットピーニングでは、直径０．６７ｍｍのカットワイヤからなるショットを用いた。それ以外は上記本発明例と同じ条件で比較例２のコイルばねを得た。
比較例３：冷間ストレスピーニング
【００３０】
上記本発明例における予備温間ショットピーニングおよび温間ストレスピーニングを室温で行った。それ以外は本発明例と同じ条件で比較例３のコイルばねを得た。
【００３１】
耐久試験
本発明例１，２および比較例１〜３のコイルばねに１３４．１ｋｇｆ／ｍｍ２の応力をかけるセッチングを行うとともに、塗装後に１５０℃で低温焼鈍を兼ねた乾燥を行った後に耐久試験を行った。耐久試験ではコイルばねに７５ｋｇｆ／ｍｍ２の負荷をかけた状態で耐久試験機に取り付け、この取付状態からの負荷振幅を±４５ｋｇｆ／ｍｍ２、周波数を５．０Ｈｚとして加振し、破断に至るまでの繰り返し数を調べた。その結果を表２に示す。また、本発明例２のコイルばねについては、負荷振幅を±５５ｋｇｆ／ｍｍ２として他の条件を同じにした耐久試験をさらに行い、その結果を表２に併記した。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２から明らかなように、本発明例１では破断繰り返し数がほぼ１００万回であり、極めて良好な耐久性を示した。また、温間ストレスダブルピーニングを行った本発明例２では、７５ｋｇｆ／ｍｍ２の負荷をかけた取付状態からの負荷振幅が±４５ｋｇｆ／ｍｍ２の場合（Ｎｏ．１〜４）に全て１００万回未折損となり、負荷振幅が±５５ｋｇｆ／ｍｍ２の場合（Ｎｏ．５〜８）であっても良好な耐久性を示した。これに対して、冷間ダブルピーニングを行った比較例１では、繰り返し数が１０万回程度であり殆ど実用に耐えない結果となった。また、温間ダブルピーニングを行った比較例２ではやや改善されて３０万回程度であり、冷間ストレスピーニングを行った比較例３では、さらに改善されているとは言え３５万回程度であった。このように、温間ストレスピーニングを行う本発明では耐久性が飛躍的に向上することが確認された。
【００３４】
第５図にそれぞれのショットピーニング条件で得られた残留応力の分布を示す。疲労強度に対する残留応力の影響は極めて大きく、大きくて深い分布ほど疲労強度向上に適しているとされている。この観点から第５図に示された各ショットピーニング条件の残留応力分布をみると、疲労強度の最も低い冷間ダブルピーニングは最も小さな残留応力分布であり、そのピークの値は−９００ＭＰａとなっている。また、ほぼ同等の疲労寿命を示した温間ショットピーニングと冷間ストレスピーニングは、ほぼ同等の残留応力分布であり、そのピークの値は約−１３００ＭＰａである。一方、飛躍的に疲労寿命が高かった本発明の温間ストレスピーニングおよび温間ストレスダブルピーニングのそれは、他に比較し圧倒的に大きな残留応力分布を示し、そのピークの値は−１６００ＭＰａ以上となっている。
【００３５】
以上説明したように本発明によれば、ばね鋼に応力を与えつつ温間ストレスピーニングを施すから、高い使用応力状態で耐久性を飛躍的に向上させることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
第１図は本発明におけるばね鋼の破断繰り返し数と硬さとの関係を示す線図である。
第２図は本発明におけるばね鋼の温間ショットピーニングの温度と破断繰り返し数および表面粗さとの関係を示す線図である。
第３図は本発明の実施の形態のショットピーニング装置を示す斜視図である。
第４図Ａは本発明の実施の形態のコイルばねを示す側面図、第４図Ｂはそのコイルばねを治具に装着した状態を示す斜視図である。
第５図は本発明の実施例における各ショットピーニング条件で得られた残留応力の分布を示す線図である。
第６図は冷間ストレスピーニングで付与する応力と破断繰り返し数との関係を示す線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0004042953.tif 000008
【図５】
0004042953.tif 000009
【図６】
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